电子科技大学电机拖动第三章

1、第三章第三章 直流电机原理直流电机原理直流永磁有刷电机直流永磁有刷电机3.1 3.1 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理3.1.1 3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途3.1.2 3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理3.1.1 3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途n直流电机的用途直流电机的用途作电源用：直流发电机作电源用：直流发电机( (逐渐被电力电子整流装置逐渐被电力电子整流装置取代取代) )作动力用：直流电动机作动力用：直流电动机( (用于对调速要求高的机械用于对调速要求高的机械) )控制系统测量元件：直流测速发电机控制系统测量元件：直流测

2、速发电机控制系统执行元件：直流伺服电动机控制系统执行元件：直流伺服电动机n直流电动机的优势直流电动机的优势调速范围广，且易于平滑调速。调速范围广，且易于平滑调速。n直流电机的缺点直流电机的缺点换向问题（机械换向、电子换向）换向问题（机械换向、电子换向）永磁直流电动机永磁直流电动机3.1.2 3.1.2 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理AB直流电机物理模型直流电机物理模型 直流电机的物理模型直流电机的物理模型如图所示。如图所示。 线圈在磁场中旋转，线圈在磁场中旋转，线圈的两条边分别与两个线圈的两条边分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片旋转的铜片连接，铜片上连接

3、，铜片上又各压着一个又各压着一个固定不动的固定不动的电刷电刷。电刷电刷换向片换向片一一. . 直流电动机原理直流电动机原理线圈电流线圈电流ABAB0 0BABA电磁转矩电磁转矩逆时针逆时针0 0逆时针逆时针线圈电动势线圈电动势BABA0 0ABAB电枢电流电枢电流不变不变电枢电动势电枢电动势不变不变结论结论：1. 线圈内部电流线圈内部电流 i 交变交变，感应电动势，感应电动势 e 交变交变，且与电流方向，且与电流方向相反，电磁转矩相反，电磁转矩 T 方向不变方向不变。2. 电枢电流电枢电流 Ia 的大小和方向不变，电枢电动势的大小和方向不变，电枢电动势 Ea 的大小和的大小和方向不变。方向不变

4、。二二. . 直流发电机原理直流发电机原理线圈电流线圈电流BABA0 0ABAB电磁转矩电磁转矩顺时针顺时针0 0顺时针顺时针线圈电动势线圈电动势BABA0 0ABAB电枢电流电枢电流不变不变电枢电动势电枢电动势不变不变结论结论：1.感应电动势感应电动势 e 交变交变，线圈内部电流，线圈内部电流 i 交变交变，且与电动势方，且与电动势方向相同，电磁转矩向相同，电磁转矩 T 方向不变方向不变，且与原动机外加力矩方向，且与原动机外加力矩方向相反。相反。2.电枢电动势电枢电动势 Ea 的大小和方向不变的大小和方向不变，电枢电流，电枢电流 Ia 的大小和的大小和方向不变。方向不变。三三. . 直流电机

5、工作原理的特点直流电机工作原理的特点1. 直流电机工作的关键部件是直流电机工作的关键部件是换向器换向器和和电刷电刷。2. 直流电机线圈内部的感应电动势和电流是交变的，由直流电机线圈内部的感应电动势和电流是交变的，由电刷电刷引入或导出的电流是方向恒定的，线圈受到的电磁转矩是单引入或导出的电流是方向恒定的，线圈受到的电磁转矩是单方向的方向的。3. 直流电动机和直流发电机的基本机构相同，带负载工作时直流电动机和直流发电机的基本机构相同，带负载工作时，线圈内部都有感应电动势产生，线圈都会受到电磁转矩的，线圈内部都有感应电动势产生，线圈都会受到电磁转矩的作用，因此，作用，因此，直流电机是可逆的直流电机是

6、可逆的。3.2 3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号3.2.1 3.2.1 主要结构主要结构3.2.2 3.2.2 铭牌数据铭牌数据3.2.3 3.2.3 国产直流电机的主要系列国产直流电机的主要系列3.2.1 3.2.1 直流电机主要结构直流电机主要结构直流电机的结构总体上包括定子和转子两大部分。直流电机的结构总体上包括定子和转子两大部分。p 定子定子电机的静止部分电机的静止部分p 转子转子电机的运动部分，直流电机转子称为电机的运动部分，直流电机转子称为电枢电枢其中，直流电机的关键结构包含：其中，直流电机的关键结构包含：p 主磁极主磁极p 电枢绕组电枢绕组(线圈线圈)p

7、换向器换向器p 电刷电刷一一. 定子部分定子部分1. 机座机座起到机械支起到机械支撑作用，同时，又是构撑作用，同时，又是构成直流电机磁路的一部成直流电机磁路的一部分。因此，需要好的导分。因此，需要好的导磁性能和富余的机械强磁性能和富余的机械强度，一般用铸钢或厚钢度，一般用铸钢或厚钢板制成。板制成。定子部分主要包括机座、主磁极、换向极和电刷装置。定子部分主要包括机座、主磁极、换向极和电刷装置。2. 主磁极主磁极 在在 主磁极铁心主磁极铁心 上固定上固定 励磁绕组励磁绕组，产生磁场并使电枢表，产生磁场并使电枢表面的气隙磁密按一定形状在空间分布。主磁极铁心是由面的气隙磁密按一定形状在空间分布。主磁极

8、铁心是由11.5mm的的 低碳钢板低碳钢板 叠成。叠成。极身极身极靴极靴机座机座主磁极主磁极励磁绕组励磁绕组3. 换向极换向极 一般用于一般用于1kW以上的直流电机中，位置在以上的直流电机中，位置在两主极之间两主极之间，帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用整块钢整块钢或或钢板绝缘后叠装钢板绝缘后叠装而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，且且与电枢绕组相串联与电枢绕组相串联。主主极极换换向向极极4. 电刷装置电刷装置电刷：由电刷：由 石墨石墨 做成的导电块；做成的导电块；刷握（刷盒）；刷握（刷盒）；刷杆支臂

9、；刷杆支臂；刷辫：将电动势或电流引出或刷辫：将电动势或电流引出或引入电机，由细铜丝编成。引入电机，由细铜丝编成。具有恒压弹簧的刷握和电刷具有恒压弹簧的刷握和电刷二二. 转子部分转子部分 转子部分主要包括电枢转子部分主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、铁心、电枢绕组、换向器、转轴及轴承、风扇等部件。转轴及轴承、风扇等部件。转子主体如图所示。转子主体如图所示。1. 电枢铁心电枢铁心 通常用通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成，片间叠成，片间用绝缘漆以减少损耗用绝缘漆以减少损耗(涡流和磁滞损耗涡流和磁滞损耗)。槽槽齿齿轴向通风孔轴向通风孔轴孔轴孔2. 电枢绕组电枢

10、绕组 用带绝缘的铜导线绕成一个一个的用带绝缘的铜导线绕成一个一个的N匝线圈元件匝线圈元件，嵌放，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。 电枢绕组是直流电机的主要电路部分，是实现机电能量电枢绕组是直流电机的主要电路部分，是实现机电能量转换的关键部件。转换的关键部件。3. 换向器换向器 由许多由许多 换向片换向片（由铜料组成）组成。换向片之间彼此以（由铜料组成）组成。换向片之间彼此以云母片相互绝缘，全部又以云母环对地绝缘。云母片相互绝缘，全部又以云母环对地绝

11、缘。三三. 端盖端盖 端盖把定子和转子连为一个整体，两个端盖分别固定在端盖把定子和转子连为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座的两端，并支撑着转子，端盖也有保护电机内部的定子机座的两端，并支撑着转子，端盖也有保护电机内部的作用。作用。端盖端盖直流电机整体结构图直流电机整体结构图直流电机装配图直流电机装配图四、电机的安装方式、轴伸个数、防护方式四、电机的安装方式、轴伸个数、防护方式n电机的安装方式：卧式，立式（价格稍高）电机的安装方式：卧式，立式（价格稍高）n轴伸：伸出到端盖外面与负载连接或安装测速装置轴伸：伸出到端盖外面与负载连接或安装测速装置的转轴部分。单轴伸（多数采用），双轴伸。的转轴部分

12、。单轴伸（多数采用），双轴伸。n电机根据不同的冷却和保护方式分为电机根据不同的冷却和保护方式分为 开启式开启式、防护防护式式、封闭式封闭式 和和 防爆式防爆式。电气设备的防护等级用。电气设备的防护等级用IP IP XXXX表示（例如表示（例如IP22IP22）。）。开启式开启式n无专门的防护装置，无专门的防护装置，定子两侧和端盖上有通风口定子两侧和端盖上有通风口，靠，靠转子本身在旋转时带动的空气来冷却。转子本身在旋转时带动的空气来冷却。n散热好，容易进灰尘、水滴和铁屑等杂质，只能在清散热好，容易进灰尘、水滴和铁屑等杂质，只能在清洁、干燥的环境中使用。洁、干燥的环境中使用。防护式防护式n用于中小

13、型电机。用于中小型电机。机座下有通风口机座下有通风口，垂直下落的异物，垂直下落的异物不易进入电机内部；不易进入电机内部；两端端盖有进风口和出风口两端端盖有进风口和出风口，转，转轴上装有风扇。端盖的进出风口上有带孔的网罩，以轴上装有风扇。端盖的进出风口上有带孔的网罩，以防止外物落入电机。防止外物落入电机。n散热好，但不能防止潮气和灰尘侵入，适用于比较干散热好，但不能防止潮气和灰尘侵入，适用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境。燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境。封闭式封闭式n电机内腔与机外不连通电机内腔与机外不连通，只靠电机外表面的散热来冷，只靠电机外表面的散热来冷却。主要应用在空气中含尘、潮

14、湿、有腐蚀性成分等却。主要应用在空气中含尘、潮湿、有腐蚀性成分等较恶劣的场合或浸在液体中较恶劣的场合或浸在液体中( (密封式潜水泵密封式潜水泵) )。n又可分为又可分为自冷式自冷式、自扇冷式自扇冷式、他扇冷式他扇冷式、管道通风式管道通风式及及密封式密封式 等。机壳外表面带有肋状散热片以增加其散等。机壳外表面带有肋状散热片以增加其散热面积，大容量的电机常用管道式通风，或用另外的热面积，大容量的电机常用管道式通风，或用另外的风机对电机进行吹风循环。风机对电机进行吹风循环。防爆式防爆式n在在封闭式电机的基础上制成隔爆形式封闭式电机的基础上制成隔爆形式，机壳有，机壳有 足够足够 的的 机械强度机械强度

15、，封闭得更严密。，封闭得更严密。n适用于适用于含有易燃易爆气体含有易燃易爆气体的场合，如矿井、油库、煤的场合，如矿井、油库、煤气站。保证当电机内部逐渐积累的可燃气因偶尔的火气站。保证当电机内部逐渐积累的可燃气因偶尔的火花引起爆炸时，能使此时的爆炸不致蔓延到机外而引花引起爆炸时，能使此时的爆炸不致蔓延到机外而引起严重事故。起严重事故。3.2.2 3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据（1）电机型号：一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和）电机型号：一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示。（2）额定容量）额定容量(功率功率)PN (kW)：表示由：表示由 温升温升 和和 换

16、向条件换向条件 的限制按所的限制按所 规定的工作方式规定的工作方式 电机所能供应的功率。电机所能供应的功率。发电机发电机：输出的电功率：输出的电功率电动机电动机：输出的机械功率：输出的机械功率电机工作方式电机工作方式：我国国家标准规定了电机九种工作制，基：我国国家标准规定了电机九种工作制，基本的三种为连续工作方式（本的三种为连续工作方式（S1）、短时工作方式（）、短时工作方式（S2）、）、周期性断续工作方式（周期性断续工作方式（S3）我国标准环境温度我国标准环境温度：40。（3）额定电压）额定电压UN(V)：在额定工作情况时，电机出线端的：在额定工作情况时，电机出线端的平均电压值，直流电机一般

17、不是很高。平均电压值，直流电机一般不是很高。发电机：输出端额定电压发电机：输出端额定电压电动机：输入端额定电压电动机：输入端额定电压（4）额定电流）额定电流 IN(A)：额定情况下的电枢电流。：额定情况下的电枢电流。发电机：发电机：电动机：电动机：NNNUPI310 NNNNUPI 310（5）额定转速）额定转速 nN (r/min)（6）励磁方式励磁方式和额定励磁电流和额定励磁电流 IfN (A)他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励（7）定额：分为连续、短时、间歇三种定额工作方式，未标）定额：分为连续、短时、间歇三种定额工作方式，未标注时即为连续定额工作方式，表示电机在额定情况下连续

18、运注时即为连续定额工作方式，表示电机在额定情况下连续运行时，温升不致超过允许值。行时，温升不致超过允许值。（8）绕组温升或绝缘等级：绝缘等级越高，其允许温升就高。）绕组温升或绝缘等级：绝缘等级越高，其允许温升就高。直流电机直流电机额定状态额定状态：指：指 U、I、P、n 均为额定值的状态均为额定值的状态直流电机直流电机满载状态满载状态：指：指 I = IN 的状态的状态电机铭牌数据的计算电机铭牌数据的计算 一台直流发电机一台直流发电机, ,其铭牌数据如下所示其铭牌数据如下所示, ,求该发电机求该发电机的输入功率及额定电流各为多少的输入功率及额定电流各为多少? ?%90min;/1450;230

19、;145 NNNNrnVUkWP 解解: :kWPPNN1619 . 01451 额定输入功率额定输入功率: :额定电流额定电流: :AUPINNN4 .630230101453 一台直流电动机一台直流电动机, ,其铭牌数据如下所示其铭牌数据如下所示, ,求该电动机的求该电动机的输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少？输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少？%90min;/1500;220;160 NNNNrnVUkWP 解：解：kWPPNN9 .1779 . 01601 AUPUPINNNNN1 .8082209 . 01016031 额定输入功率：额定输入功率：额定电流：额定电流：额定

20、输出转矩：额定输出转矩：mNnPTNNN 7 .101815001016055. 955. 9323.2.3 3.2.3 国产直流电机的主要系列产品国产直流电机的主要系列产品Z2-31Z2-31一般用途的防护式中一般用途的防护式中小型直流电机小型直流电机第二次设计第二次设计机座号机座号铁心长度顺序号铁心长度顺序号Z系列：一般用途直流电动机（如系列：一般用途直流电动机（如Z2 Z3 Z4 等系列）等系列） ZY系列：永磁直流电机系列：永磁直流电机 ；ZH系列：船用直流电动机系列：船用直流电动机 ZJ系列：系列：精密机床精密机床用直流电机用直流电机 ； ZA系列：防爆安全型直流电动机系列：防爆安全

21、型直流电动机 ZT系列：广调速直流电动机系列：广调速直流电动机 ； ZKJ系列：系列：挖掘机挖掘机用直流电动机用直流电动机 ZQ系列：直流牵引电动机系列：直流牵引电动机 ； ZZJ系列：系列：冶金起重机冶金起重机用直流电动机用直流电动机 Z2系列，为一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电系列，为一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。适用于一般调速场合，具有调速范围大，控制简单，可靠动机。适用于一般调速场合，具有调速范围大，控制简单，可靠等优点。等优点。 Z和和ZF系列，是一般用途的大、中型直流电机。系列，是一般用途的大、中型直流电机。Z是直流电动是直流电动机系列，机系列，ZF是直

22、流发电机系列。是直流发电机系列。 Z2系列直流电动机广泛使用于矿山，交通运输，纺织印染，系列直流电动机广泛使用于矿山，交通运输，纺织印染，造纸印刷以及化工和机床等工业中需调速的动力拖动场合。造纸印刷以及化工和机床等工业中需调速的动力拖动场合。 ZZJ800系列，冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机，系列，冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机，参照国际电工委员会参照国际电工委员会IEC3413轧机辅传动电动机技术条件轧机辅传动电动机技术条件标准制造的，是钢铁工业的重要动力设备，在工作环境恶劣的场标准制造的，是钢铁工业的重要动力设备，在工作环境恶劣的场合下，能经受频繁的起动、制动、频繁的可逆转

23、，重复出现大的合下，能经受频繁的起动、制动、频繁的可逆转，重复出现大的过载转矩，主要使用于工作辊道，压下装置，活套张力辊，剪切过载转矩，主要使用于工作辊道，压下装置，活套张力辊，剪切机，钳吊吊车等设备上，是机，钳吊吊车等设备上，是ZZ/ZZK，ZZY，ZZJO，ZZJ2等系等系列电机的更新替代产品。列电机的更新替代产品。 本系列电机采用多角形结构，空间利用率高，定子磁轭为本系列电机采用多角形结构，空间利用率高，定子磁轭为叠片式，适用整流器供电，能承受脉动电流与电流急剧变化叠片式，适用整流器供电，能承受脉动电流与电流急剧变化(负负载变化载变化)之工况。磁极安装有精确定位，因而换向良好。之工况。磁

24、极安装有精确定位，因而换向良好。 Z4系列直流电机广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工系列直流电机广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工业轧机传动，金属切削机床，造纸、印刷、纺织、印染、水泥、业轧机传动，金属切削机床，造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出机械等。塑料挤出机械等。3.3 3.3 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场3.3.1 3.3.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式3.3.2 3.3.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场3.3.3 3.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应3.3.1 3.3.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式n直流电机的励磁方

25、式：对励磁绕组的供电方式。直流电机的励磁方式：对励磁绕组的供电方式。n直流电机的励磁方式主要有：直流电机的励磁方式主要有：他励他励、并励并励、串励串励、复励复励。不同的励磁方式直流电机有不同的。不同的励磁方式直流电机有不同的特性特性。调速、起动、制动、调速、起动、制动、1 1、他励直流电机、他励直流电机励磁绕组匝数多，导线截面励磁绕组匝数多，导线截面积小，电阻大。积小，电阻大。永磁直流电机可以看作是他永磁直流电机可以看作是他励直流电机，其磁场与电枢励直流电机，其磁场与电枢电流无关。电流无关。2 2、并励直流电机、并励直流电机励磁绕组匝数多，导线截面励磁绕组匝数多，导线截面积小，电阻大。积小，电

26、阻大。3 3、串励直流电机、串励直流电机励磁绕组匝数少，导线截励磁绕组匝数少，导线截面积大，电阻小。面积大，电阻小。4 4、复励直流电机、复励直流电机短复励短复励长复励长复励积复励积复励差复励差复励3.3.2 3.3.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场n目前，绝大多数直流电机的目前，绝大多数直流电机的 主磁场主磁场 都是由都是由 励磁绕励磁绕组组 通以直流励磁电流产生的。通以直流励磁电流产生的。n实际上，直流电机在负载运行时，磁场是由电机中实际上，直流电机在负载运行时，磁场是由电机中各个绕组：各个绕组：励磁绕组励磁绕组、电枢绕组电枢绕组、换向极绕组换向极绕组 等共等共同产生的。其中，同产

27、生的。其中，励磁绕组励磁绕组 起着主要作用。起着主要作用。n励磁绕组中有励磁电流，其它绕组中无电流时的磁励磁绕组中有励磁电流，其它绕组中无电流时的磁场情况称为场情况称为电机空载运行电机空载运行，又叫又叫无载运行无载运行。SN主磁通主磁通主极漏磁通主极漏磁通励磁绕组励磁绕组电枢电枢直流电机的主磁路直流电机的主磁路 ：定、转子之间的气隙（两段）、电：定、转子之间的气隙（两段）、电枢齿（两段）、电枢磁轭、主磁极（两段）、定子磁轭。枢齿（两段）、电枢磁轭、主磁极（两段）、定子磁轭。一一 空载气隙磁密空间分布波形空载气隙磁密空间分布波形n设励磁绕组励磁电流为设励磁绕组励磁电流为 If ，匝数为，匝数为W

28、y，则图中所取则图中所取磁路的磁通势为磁路的磁通势为 2 IfWy2 Fy mfmfmfmmmamtmfRFRFRRRRRF 222222定子磁轭定子磁轭主磁极主磁极电枢磁轭电枢磁轭电枢齿电枢齿气隙气隙根据磁路欧姆定律，有：根据磁路欧姆定律，有：其中，气隙的磁阻为：其中，气隙的磁阻为：是是磁磁路路的的截截面面积积。；外外表表面面之之间间的的气气隙隙长长度度：是是磁磁极极内内表表面面与与电电枢枢AARm 0 200/mWbFABAFfxf 结论：结论：n气隙磁密气隙磁密 的大小与的大小与气隙长度气隙长度 成成反比反比，在每，在每一极下近似一极下近似平均分布平均分布；n实际上气隙磁密的分布不均匀，

29、磁极中心附实际上气隙磁密的分布不均匀，磁极中心附近的磁密大，两极尖处磁密小，在两极之间近的磁密大，两极尖处磁密小，在两极之间的几何中心线处磁密等于零。的几何中心线处磁密等于零。空载均匀气隙时的气隙磁密空载均匀气隙时的气隙磁密极极身身极极靴靴二二 空载磁化特性空载磁化特性 我们把我们把 空载空载 时时 气隙每极磁通气隙每极磁通 与与空载励空载励磁磁通势磁磁通势 或或 空载励磁电流空载励磁电流 的关系称为直流电的关系称为直流电机的空载磁化特性机的空载磁化特性. . ffIfFf 或或空载磁化特性曲线空载磁化特性曲线气隙线气隙线mfmmmamtmfRRRRRF 2222 空载磁化特性曲线的特点空载磁

30、化特性曲线的特点: :饱和现象饱和现象n当当磁通较小磁通较小时，总磁位降主要是气隙磁位降，时，总磁位降主要是气隙磁位降，空载特性呈空载特性呈直线关系直线关系；n当当磁通较大磁通较大，铁磁材料出现饱和时，铁磁材，铁磁材料出现饱和时，铁磁材料的磁位降剧增，空载特性呈料的磁位降剧增，空载特性呈饱和特点饱和特点。3.5.3 3.5.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应n电机带负载时，电枢绕组中会有电枢电流，电机带负载时，电枢绕组中会有电枢电流，电枢电流也产生磁通势，叫电枢电流也产生磁通势，叫电枢磁通势电枢磁通势。n电枢磁通势改变气隙磁密分布情况及每极磁电枢磁通势改变气隙磁密分布情况及每极磁通量的大

31、小，这种现象称为通量的大小，这种现象称为电枢反应电枢反应。n解决的方法：解决的方法：加补偿绕组和换向绕组加补偿绕组和换向绕组。电枢反应电枢反应NS电枢反应的影响：电枢反应的影响：(1)合成磁场歪扭，主磁合成磁场歪扭，主磁场轴线不在主磁极中心场轴线不在主磁极中心线上，气隙磁密过零的线上，气隙磁密过零的地方偏离了几何中性线；地方偏离了几何中性线；(2)去磁效应。去磁效应。增强增强减弱减弱减弱减弱增强增强几何中几何中性线性线物理中物理中性线性线消除电枢反应的方法：消除电枢反应的方法：(1) 加装换向极；加装换向极；(2) 加装补偿绕组。加装补偿绕组。3.4 3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕

32、组3.4.1 3.4.1 单叠绕组单叠绕组3.4.2 3.4.2 单波绕组单波绕组有关绕组的基本定义有关绕组的基本定义: :n电枢绕组是直流电机的核心部分，它既是电机中电流通电枢绕组是直流电机的核心部分，它既是电机中电流通道的主体，也是电磁力的载体，承担着道的主体，也是电磁力的载体，承担着能量转换能量转换的责任。的责任。n根据绕组元件不同的连接方式，电枢绕组可以分为：根据绕组元件不同的连接方式，电枢绕组可以分为：叠绕组叠绕组，又分为单叠和复叠绕组，又分为单叠和复叠绕组波绕组波绕组，又分为单波和复波绕组，又分为单波和复波绕组蛙绕组蛙绕组，即叠绕和波绕混合的绕组，即叠绕和波绕混合的绕组n它们的主要

33、区别在于从电刷外看进去，电枢绕组连接成它们的主要区别在于从电刷外看进去，电枢绕组连接成了不同数目的了不同数目的 并联支路并联支路，以满足不同额定电压和电流的，以满足不同额定电压和电流的要求。要求。元件数元件数S元件匝数元件匝数yW元件在槽内的安放方式元件在槽内的安放方式在同一个槽内安放元件边的方式：在同一个槽内安放元件边的方式：双层绕组双层绕组虚虚槽槽 在以后的分析中，采用虚槽的概念，即把在以后的分析中，采用虚槽的概念，即把一个一个上层元件边上层元件边和和一个下层元件一个下层元件边看成一个边看成一个虚槽虚槽。虚槽数虚槽数 Ze=元件数元件数 S 换向片数换向片数K = = 元件数元件数S元件与

34、换向片的连接方式元件与换向片的连接方式 元件的首端和末端分别与两片换向片连接，每个换向元件的首端和末端分别与两片换向片连接，每个换向片连接两条元件边。片连接两条元件边。根据以上的分析，有下面的关系：根据以上的分析，有下面的关系：KSuZZe eyyyZWKWSWN 222实槽中包含的虚槽数实槽中包含的虚槽数实槽数实槽数电枢绕组全部导体数电枢绕组全部导体数“节距节距”的概念的概念n1、第一节距（后节距）第一节距（后节距）y1：一：一个元件的两个元件边之间的跨个元件的两个元件边之间的跨距，以所跨的距，以所跨的虚槽数虚槽数来表示。来表示。n2、第二节距（前节距）第二节距（前节距）y2：前：前一个元件

35、的下层元件边，在换一个元件的下层元件边，在换向器端经过换向片连到后一元向器端经过换向片连到后一元件边的上层元件边之间的跨距。件边的上层元件边之间的跨距。n3、合成节距合成节距y：前一元件和：前一元件和与之相连的后一元件的对应与之相连的后一元件的对应元件边之间的跨距；元件边之间的跨距；n4、换向器节距换向器节距yk：每一元件：每一元件首端和末端所连的两换向片首端和末端所连的两换向片之间的跨距。以之间的跨距。以换向片的数换向片的数目目表示。表示。 可以规定正方向为可以规定正方向为“右行右行”来确定三种节距的代来确定三种节距的代数关系。数关系。 第一节距：实际方向为从上层元件边指向下层元第一节距：实

36、际方向为从上层元件边指向下层元件边；件边； 第二节距：从前一个元件的下层边指向后一个元第二节距：从前一个元件的下层边指向后一个元件的上层边；件的上层边； 合成节距：从前一个元件的上层边指向后一个元合成节距：从前一个元件的上层边指向后一个元件的相应的上层边。件的相应的上层边。3.4.1 3.4.1 单叠绕组单叠绕组n绕组元件连接的规律通过绕组元件连接的规律通过 节距节距、绕组展绕组展开图开图、元件连接图元件连接图 和和 并联支路图并联支路图 来从来从不同的侧面描述。这四个方面是分析直流不同的侧面描述。这四个方面是分析直流电机电枢绕组的基本方法，彼此互相关联。电机电枢绕组的基本方法，彼此互相关联。

37、单叠绕组单叠绕组121 yyyyk单叠右行单叠右行单叠左行单叠左行单叠右行节距关系：单叠右行节距关系：一、节距的选择和计算一、节距的选择和计算 第一节距第一节距应该使应该使元件中的感应电动势元件中的感应电动势尽可能地大，尽可能地大，则要求两元件边之间的距离等于一个则要求两元件边之间的距离等于一个 极距极距 。极距极距：每个主磁极在电枢表面占据的距离，或相邻两：每个主磁极在电枢表面占据的距离，或相邻两主极中心线的距离，可以用主极中心线的距离，可以用所跨弧长所跨弧长或或该弧长所对应的该弧长所对应的虚槽数虚槽数来表示。来表示。pZe2 pZypZyee2211或或；，则则为为长长距距元元件件，若若；

38、，则则为为短短距距元元件件，若若；，则则为为整整距距元元件件，若若 111000yyy1 kyyyyy 12合成节距和换向器节距：合成节距和换向器节距：第二节距：第二节距：二、单叠绕组的展开图二、单叠绕组的展开图n已知一台电机的有关参数，画出它的右已知一台电机的有关参数，画出它的右行单叠绕组的展开图。行单叠绕组的展开图。16;42 KSZpe（1 1）节距的计算）节距的计算314144162121 yyyyypZyke第二节距：第二节距：合成节距和换向器节距合成节距和换向器节距第一节距：第一节距： N NS SN NS S（2 2）绕组的展开图）绕组的展开图1 2 3 4 5 6 7 8 9

39、10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 51 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 515 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 1 2 3 4 515 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 1 2 3 4 5 A1+A1+B1-B1-A2+A2+B2-B2-电枢转向电枢转向元件号元件号= =上边槽号上边槽号= =换向片号换向片号基本步骤基本步骤: :1、画、画16根实线和根实线和16根虚线代表根虚线代表16个虚槽；个虚槽；2、在一周之内

40、均匀放置磁极；、在一周之内均匀放置磁极；3、画、画16个换向片，并尽量使个换向片，并尽量使元件的连接形状元件的连接形状对称；对称；4、联绕组；、联绕组；5、确定每个元件里导体感应电动势的方向；、确定每个元件里导体感应电动势的方向；6、放电刷，原则为：、放电刷，原则为：正负电刷之间得到最大的感应电正负电刷之间得到最大的感应电动势动势或或被电刷短路的元件中感应电动势最小被电刷短路的元件中感应电动势最小。 由于元件结构上的对称性，因此只要元件轴线与主极由于元件结构上的对称性，因此只要元件轴线与主极轴线重合，元件中的电动势便为零或最小。轴线重合，元件中的电动势便为零或最小。 电刷应固定放置在换向器几何

41、中性线上，若端接对称，电刷应固定放置在换向器几何中性线上，若端接对称，则电刷与主极轴线重合（放在主极中性线上）。则电刷与主极轴线重合（放在主极中性线上）。三、单叠绕组元件连接次序三、单叠绕组元件连接次序1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1上层元上层元件边虚件边虚槽槽 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 1 2 3 4 下层元下层元件边虚件边虚槽槽基本特点：整个绕组是一个基本

42、特点：整个绕组是一个闭路绕组闭路绕组。3; 1; 421 yyyyk四、单叠绕组的并联支路图四、单叠绕组的并联支路图电枢转向电枢转向感应电动势感应电动势四、单叠绕组的并联支路图四、单叠绕组的并联支路图电路连接的特点：电路连接的特点：n1、每一极下的元件串联构成一条支路，则、每一极下的元件串联构成一条支路，则 并联支路对数并联支路对数a = 极对数极对数p。n2、若元件形状几何对称，则电刷在换向片上、若元件形状几何对称，则电刷在换向片上 的位置对准主磁极轴线。的位置对准主磁极轴线。n3、电刷杆数（组数）等于极数（全额电刷）。、电刷杆数（组数）等于极数（全额电刷）。3.4.2 3.4.2 单波绕组

43、单波绕组21yyyyk 单波左行单波左行单波右行单波右行单波左行各节距关系：单波左行各节距关系：k1k122一、节距的计算一、节距的计算 合成节距或换向器节距选择时应使合成节距或换向器节距选择时应使相串联的元件相串联的元件感感应电动势应电动势方向相同方向相同且且能够持续相连能够持续相连。pKyyKpykk1; 1 第一节距的计算原则与单叠绕组完全相同。第一节距的计算原则与单叠绕组完全相同。 pZye21单波左行取单波左行取“”号，单波右行取号，单波右行取“”号。号。二、单波绕组展开图二、单波绕组展开图n已知一台直流电机的数据如下，联成单波左已知一台直流电机的数据如下，联成单波左行绕组，画出绕组

44、展开图。行绕组，画出绕组展开图。15, 42 KSZpe计算各节距如下：计算各节距如下：437;721151; 3434152121 yyypKyypZyke N NS SN NS S画单波绕组展开图画单波绕组展开图1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 1 2 31 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 1 2 315 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 1 2 3 4 5 615 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 1 2 3 4 5 6 电枢转向电枢转向元件号元件

45、号= =上边槽号上边槽号= =换向片号换向片号A1A1B1B1A2A2B2B2三、单波绕组元件的连接次序三、单波绕组元件的连接次序1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 81 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 8上层元上层元件边虚件边虚槽槽 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 下层元下层元件边虚件边虚槽槽基本特点：整个绕组是一个基本特点：整个绕组是一个闭路绕组闭路绕组。4;7; 321 yyyyk四、单波绕

46、组并联支路图四、单波绕组并联支路图电枢转向电枢转向+ +- -四、单波绕组并联支路图四、单波绕组并联支路图电路连接的特点：电路连接的特点：n1 1、同极性下各元件串联起来组成一个支路，、同极性下各元件串联起来组成一个支路，a=1, ,与极数无关。与极数无关。n2 2、当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面、当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极轴线，支路电动势最大。上的位置对准主磁极轴线，支路电动势最大。n3 3、电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。、电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。单叠和单波的区别应用单叠和单波的区别应用n单叠绕组单叠绕组 a=p；单波绕组；单波

47、绕组 a=1n在电机极对数在电机极对数 p（p1），），元件数元件数 S 相同的情况下：相同的情况下：单叠并联支路数多，每个支路里的元件少；单波并单叠并联支路数多，每个支路里的元件少；单波并联支路数少，每个支路元件数多。联支路数少，每个支路元件数多。n原则上，电流较大、电压较低的直流电机，例如正原则上，电流较大、电压较低的直流电机，例如正常电压、大中容量的直流电机多采用单叠绕组。若常电压、大中容量的直流电机多采用单叠绕组。若直流电机的电流较小、电压较高，就采用单波绕组。直流电机的电流较小、电压较高，就采用单波绕组。3.5 3.5 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩3.5.1 3.5.1

48、电枢电动势电枢电动势3.5.2 3.5.2 电磁转矩电磁转矩3.5.1 3.5.1 电枢电动势电枢电动势n电枢电动势定义为直流电机电枢电动势定义为直流电机正负电刷之间的感应电正负电刷之间的感应电动势动势，也即电枢绕组中，也即电枢绕组中每条支路每条支路里的感应电动势。里的感应电动势。单叠绕组单叠绕组一根导体的电动势：一根导体的电动势：vlBeiavav 设一个磁极极距范围内，平均磁密设一个磁极极距范围内，平均磁密为为 ，极距为，极距为 ，电枢的轴向有效长度，电枢的轴向有效长度为为 ，每极磁通为，每极磁通为 ，则：，则：avB il iavlB pnrnrnrv260260602 602260np

49、pnllvlBeiiiavav nCnapNnpaNeaNEeava 6060222总导体数总导体数yWSN2 一条支路的导体数一条支路的导体数电动势常数电动势常数Wbr/minV结论：n已经制好的电机，它的已经制好的电机，它的电枢电动势大小电枢电动势大小 正比正比 与每与每极极磁通磁通和和电机转速电机转速；n电动势方向电动势方向也由也由磁通方向磁通方向和和电机转速方向电机转速方向共同决定。共同决定。3.5.2 3.5.2 电磁转矩电磁转矩一根导体所受的平均电磁力矩为一根导体所受的平均电磁力矩为: :aiavavilBf 21DfTav 21DilBTaiav N根导体所受电磁力矩为根导体所受

50、电磁力矩为: :aTaaiiaiavICIapNpaIllNpaIlBNTNT 2221221电枢总电流电枢总电流转矩常数转矩常数WbAN.m结论：n已经制好的电机，它的已经制好的电机，它的电磁转矩大小电磁转矩大小正比正比 与每极与每极磁通磁通和和电枢电流电枢电流；n电磁转矩方向电磁转矩方向也由磁通方向和电枢电流方向决定。也由磁通方向和电枢电流方向决定。n转矩常数转矩常数 CT 与电动势常数与电动势常数 Ce 的关系为：的关系为：eTeTeTCCCCapNCapNC55. 955. 926060;2 例：n一台八极直流电机，总元件数为一台八极直流电机，总元件数为 S，电枢绕组以转，电枢绕组以转

51、速速 n 旋转。若分别将绕组以单叠和单波方式绕制，旋转。若分别将绕组以单叠和单波方式绕制，哪一种绕制方法输出的感应电动势较大；若电枢绕哪一种绕制方法输出的感应电动势较大；若电枢绕组通入相同的直流电流，那一种绕组产生的电磁转组通入相同的直流电流，那一种绕组产生的电磁转矩较大。矩较大。解：直流电机输出感应电动势和电磁转矩分别为：解：直流电机输出感应电动势和电磁转矩分别为：aTaICIapNT 2nCnapNEea 60则，单波绕组输出的感应电动势和电磁转矩较大。则，单波绕组输出的感应电动势和电磁转矩较大。例：n如何改变他励直流发电机的电压极性？如何改变他励直流发电机的电压极性？n如何改变他励直流电

52、动机的转向？如何改变他励直流电动机的转向？ 改变他励直流发电机电压极性的改变他励直流发电机电压极性的方法：方法：改变原动机转向；改变原动机转向；改变励改变励磁电压极性磁电压极性 改变他励直流电动机转向的方改变他励直流电动机转向的方法：法：改变电枢电压极性；改变电枢电压极性；改变改变励磁电压极性励磁电压极性【例题例题 】将并励、串励和复励电动机电源电压的极性改变，将并励、串励和复励电动机电源电压的极性改变，能否改变该电动机的旋转方向？为什么？怎样才能改变其转能否改变该电动机的旋转方向？为什么？怎样才能改变其转向？向？ EE 将并励、串励和复励电动机电源电压的极性改变，不能将并励、串励和复励电动机

53、电源电压的极性改变，不能改变电动机的转向。改变电动机的转向。 若要改变并励、串励、复励电动机的转向，只需将励磁若要改变并励、串励、复励电动机的转向，只需将励磁绕组与电枢绕组反极性相接，电源电压极性不变。绕组与电枢绕组反极性相接，电源电压极性不变。3.6 3.6 直流发电机直流发电机3.6.1 3.6.1 直流发电机稳态运行基本方程直流发电机稳态运行基本方程3.6.2 3.6.2 直流发电机稳态运行功率关系直流发电机稳态运行功率关系3.6.3 3.6.3 他励直流发电机运行特性他励直流发电机运行特性3.6.4 3.6.4 并励直流发电机并励直流发电机3.6.1 3.6.1 直流发电机稳态运行的基

54、本方程直流发电机稳态运行的基本方程1Tn0TT ULRaEaIfIfU发电机惯例发电机惯例 affffaTeaaaaIIfRUITTTICTnCERIUE,01 气隙每极磁通：气隙每极磁通：励磁电流：励磁电流：稳态转矩方程：稳态转矩方程：电磁转矩方程：电磁转矩方程：电枢电动势：电枢电动势：电枢回路方程：电枢回路方程： 其中，其中，Ra 为电枢回路电阻，包括电枢绕组的电阻和电刷与为电枢回路电阻，包括电枢绕组的电阻和电刷与换向器之间的接触电阻，换向器之间的接触电阻，Rf 为励磁回路的电阻。为励磁回路的电阻。3.6.2 3.6.2 功率关系功率关系010101pPPTTTTTTe Femppp 0铁

55、损耗（磁滞和涡流）铁损耗（磁滞和涡流）机械摩擦损耗机械摩擦损耗发电机空载损耗（不变损耗）发电机空载损耗（不变损耗） TnICInCInCInCIEPaTaTaTaeaae60226055. 9 TIEaaCuaaaaaaepPRIUIIETP 22发电机供给负载的功率发电机供给负载的功率他励直流发电机的功率传递过程他励直流发电机的功率传递过程P1p0PepCuaP2【例题例题】一他励直流发电机，一他励直流发电机，PN=10 kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4。如果磁通。如果磁通保持不变，求保持不变，求1000r/min时的空载电压时的空载电压U0和和900r/min时

56、的满载电压时的满载电压U。解解：1000r/min时的空载电压即指其感应电动势的值，可以时的空载电压即指其感应电动势的值，可以由额定运行状态求得：由额定运行状态求得：VRUPURIUEUaNNNaNN4 .2474 . 0230101023030 此时，输出电压为：此时，输出电压为：VRIEUaN3 .2054 . 023010107 .2223 磁通不变，转速为磁通不变，转速为900r/min时满载的感应电动势时满载的感应电动势VnEnEN7 .22210009004 .247 解解：发电机的输出功率：发电机的输出功率发电机励磁回路电流发电机励磁回路电流发电机电枢回路电流发电机电枢回路电流【

57、例题例题】一并励直流发电机，输出电压一并励直流发电机，输出电压 U=230V，输出电流，输出电流 I=100A ，Ra=0.2，Rf=115，n=1500r/min， T0=17.32Nm。求发电机的输出功率。求发电机的输出功率P2 、电磁功率、电磁功率Pe、输入、输入功率功率 P1 和效率和效率 。WUIP230001002302 ARUIff2115230 AIIIfa1022100 发电机电磁功率发电机电磁功率发电机空载损耗功率发电机空载损耗功率效率为效率为发电机输入功率发电机输入功率WnTTp6 .2720601500232.17602000 WpPPe4 .282616 .27208

58、 .2554001 %38.81%1004 .2826123000%10012 PP WIRIUIEPaaaaae8 .255401022 . 0102230 解解：额定电流：额定电流励磁回路额定电流励磁回路额定电流【例题例题】一台额定功率一台额定功率PN=20kW的并励直流发电机，额定的并励直流发电机，额定电压电压 UN=230V，电枢回路总电阻，电枢回路总电阻Ra=0.156，励磁回路总电，励磁回路总电阻阻Rf=73.3，额定转速，额定转速nN=1500r/min。 已知空载损耗功率已知空载损耗功率p0=1kW，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电

59、磁功率、总损耗、输入功率及效率。总损耗、输入功率及效率。(忽略附加损耗忽略附加损耗)ARUIfNfN14. 33 .73230 AUPINNN96.8623010203 励磁绕组铜损耗励磁绕组铜损耗电磁功率电磁功率WppPPCufCuaNe1 .219897 .7224 .126620000 WRIpffNCuf7 .7223 .7314. 322 WRIpaaNCua4 .1266156. 01 .9022 AIIIfNNaN1 .9014. 396.86 电枢回路额定电流电枢回路额定电流电枢绕组铜损耗电枢绕组铜损耗总损耗总损耗输入功率输入功率效率效率%0 .87%1001 .2298920

60、000%1001 PPN WpPPalN1 .229891 .2989200001 WppppCufCuaal1 .29897 .7224 .126610000 例：一台额定功率例：一台额定功率 的并励直流发电机，额的并励直流发电机，额定电压定电压 ，额定转速，额定转速 ，电，电枢回路总电阻枢回路总电阻 ，励磁回路总电，励磁回路总电阻阻 。已知机械损耗和铁损。已知机械损耗和铁损耗耗 ，求求额定负载额定负载 情况下各绕组的情况下各绕组的铜损耗铜损耗、电磁功率电磁功率、总损总损耗耗、输入功率输入功率 及及效率效率。（计算过程中，令。（计算过程中，令 ，附加损耗附加损耗 。）。）kWPN20 VUN