电机及拖动基础课件1

1、第一章第一章 直流电机直流电机Chapter 1 DC Machines本章教学基本要求：本章教学基本要求：n1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；刷的作用；n2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法；解它们的计算方法；n3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的衡方程式，以

2、及不同励磁方式的直流电机的工作特性；工作特性；n4.了解直流电机的换向。了解直流电机的换向。重点和难点重点和难点n重点：重点： 直流电机的基本平衡方程式和直流电机的基本平衡方程式和工作特性。工作特性。n难点：难点： 电枢反应。电枢反应。本次课程教学要求本次课程教学要求n了解直流电机基本结构n熟悉直流电机的额定值n掌握直流电机基本工作原理机电能量关系机电能量关系n直流电机直流电机（dc machines）是将机械是将机械能转换为直流电能或将直流电能转能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。换为机械能的一种装置。n把机械能转换为电能的直流电机称把机械能转换为电能的直流电机称为为直流发电

3、机直流发电机(dc generators )。n把电能转换为机械能的直流电机称把电能转换为机械能的直流电机称为为直流电动机直流电动机(dc motor )。1.1直流电机的结构及基本工作原理直流电机的结构及基本工作原理1.1.1直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理、直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理是建立在直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。电磁感应定律基础上的。（下面用简单直流电机模型来说明工作（下面用简单直流电机模型来说明工作原理）原理）图1-1 直流发电机工作原理直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理说明说明n给励磁

4、绕组给励磁绕组(the exciting winding)通入直流通入直流电，使在空中固定不动的主磁极呈现上为电，使在空中固定不动的主磁极呈现上为N极、下为极、下为S极（主磁极也可以是永久磁铁做极（主磁极也可以是永久磁铁做成）。在成）。在N和和S极之间有电枢，电枢铁芯上极之间有电枢，电枢铁芯上安放着由安放着由A和和X两根导体组成的电枢线圈，两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（线圈的首端（A）和末端（）和末端（X）分别连在两）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相片形成的整体称为换相器。换相器固定在片形成的整体称为换相器。换相器固定在转轴上，且与转轴绝

5、缘。换相片上安放着转轴上，且与转轴绝缘。换相片上安放着一对固定不动的电刷一对固定不动的电刷B1和和B2，电刷能与外，电刷能与外电路连接。电路连接。气隙磁密分布气隙磁密分布图1-2a) 气隙磁密分布波形图定子、转子和气隙定子、转子和气隙n定子定子(stator) 在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。称为定子。n转子转子(rotor) 随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换相器等）称为转子（或称电枢相器等）称为转子（或称电枢(armature) ）n气隙气隙(air gap) 定、转子之间有一空隙，称为气隙。定、转

6、子之间有一空隙，称为气隙。 当原动机带动电枢逆时针方向旋转时当原动机带动电枢逆时针方向旋转时导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电势，大小：体内产生感应电势，大小：e=Bxlv（V）其中：其中：Bx导体所在处的磁通密度导体所在处的磁通密度（Wb/m2）, l 导体的有效长度（导体的有效长度（m），）， v 导体的线速度（导体的线速度（m/s）。）。发电机工作情况发电机工作情况感应电势方向感应电势方向n感应电势方向由右手定则判定：感应电势方向由右手定则判定： 伸开右手使大拇指与四指呈伸开右手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运当

7、磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电动方向，则四指的指向为导体中感应电势方向。势方向。分析分析nt=0时，时，A端为，与之相接触的电刷端为，与之相接触的电刷B1为为+，X端为端为 ，与之相接触的电刷，与之相接触的电刷B2为为-；当电枢旋转了；当电枢旋转了180后，即后，即t=180时，时，X端旋转到端旋转到N极下，极下，X端为，端为，A端旋转到端旋转到S极下，极下，A端为端为 。图1-2a) 线圈AX地感应电势波形图换向器作用换向器作用Commutator Actionn从分析中可得出：从分析中可得出： N极下导体电势指向纸外，电刷极下导体电势指向纸外，电刷B1总

8、为总为+；S极下导体电势指向纸内，电极下导体电势指向纸内，电刷刷B2总为总为-，不难看出，不难看出，线圈中的电势线圈中的电势是交流电势是交流电势，而通过换向器的作用，而通过换向器的作用，使使电刷间的电势为直流电势电刷间的电势为直流电势。换向器和电刷作用换向器和电刷作用(brush)n换向器和电刷的共同作用：换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；流电势整流成刷间的直流电势；把转动的把转动的电路与外面不转的电路连接。电路与外面不转的电路连接。n从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件小电

9、势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。减小，就得到所需的直流电。图1-2b) 电刷B1与B2间的电动势波形图电刷电刷B1与与B2间的电动势波形间的电动势波形2、直流电动机的基本工作原理、直流电动机的基本工作原理n将直流电加到电刷上将直流电加到电刷上（B1为为+、B2为为-），），线圈线圈AX上就有电流通过（上就有电流通过（A端为端为 、X端端为），根据电磁力定律，载流导体在磁为），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大

10、小为：场中要受力，大小为：f=Bxli（N），其中），其中i为流过导体中的电流（为流过导体中的电流（A），方向由左手定），方向由左手定则确定，伸开左手使大拇指与四指呈则确定，伸开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，四指的指向为导体中当磁力线指向手心，四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指向导体受力方向。电流方向，则大拇指指向导体受力方向。在电动机中换向器和电刷的作用在电动机中换向器和电刷的作用n换向器和电刷的共同作用是：换向器和电刷的共同作用是：n将刷间的直流电逆变成线圈中的将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；交流电；n把外面不转的电路与转动的电路把外面不转的电路与转动的电路连接。连接

11、。直流电动机工作原理示意图直流电动机工作原理示意图n n 图图1-3 直流电动机工作原理图直流电动机工作原理图直流机结构直流机结构n 直流电机的基本结构直流电机的基本结构1.1.2直流电机的基本结构直流电机的基本结构n直流电机由两大部分组成：直流电机由两大部分组成：n定子（静止部分）和转子（转定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）。动部分或称电枢）。1、定子、定子n定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。n主磁极主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建的钢

12、板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。极交替排列。n换向极换向极也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢组也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢组成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改善电机的换向。善电机的换向。n电刷装置电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是连接转动和静止之间的电路。的作用是连接转动和静止之间的电路。n机座机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。分

13、。直流电机结构直流电机结构图1-4 直流电机结构图图1-5 主磁极与换向极示意图图1-6电刷装置图主磁极、换向极、电刷装置示意图主磁极、换向极、电刷装置示意图2、转子（电枢）、转子（电枢）n转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。转轴等组成。n电枢铁芯电枢铁芯一般用一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。同时它又是电机主磁路的一部分。电枢绕组电枢绕组n电枢绕组电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组（又称绕组元

14、件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。是实现机电能量转换的枢纽。换向器换向器n换向器换向器由许多相互绝缘的换向片组由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。流电逆变成电枢绕组中的交流电。换向片和换向器

15、换向片和换向器n 图图1-7 换向片和换向器换向片和换向器 3、气隙、气隙n为了使电机能够运转，定子和转子为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。隙称为气隙，它是主磁路的一部分。课后复习要点课后复习要点n1.直流电机基本工作原理；换向器和电刷的直流电机基本工作原理；换向器和电刷的作用。作用。n2.直流电机基本结构直流电机基本结构n预习直流电机绕组预习直流电机绕组(极轴线、几何中线、极极轴线、几何中线、极距、绕组元件、绕组节距等。距、绕组元件、绕组节距等。n3.预习电枢反应和直流电机负载时的磁场。预习电枢反应和直流

16、电机负载时的磁场。n4.预习直流机的电磁转矩和感应电势。预习直流机的电磁转矩和感应电势。n思考题：思考题：P33 1-11.1.3直流电枢绕组和电机模型直流电枢绕组和电机模型n1、直流电枢绕组、直流电枢绕组n（1）基本概念）基本概念n直流电机电枢绕组的基本形式是直流电机电枢绕组的基本形式是单叠单叠和和单波单波。图1-11 两匝元件示意图电枢绕组节距图绕组绕组（2）单叠绕组）单叠绕组n单叠绕组是以相邻元件依次串联的单叠绕组是以相邻元件依次串联的连接规律连成的，每个元件的两个连接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。上，最后形

17、成一闭合回路。实际电机模型图实际电机模型实际电机模型图1-12 单叠绕组展开图（2p2 ZuS6）单叠绕组展开图单叠绕组展开图单叠绕组等值电路单叠绕组等值电路 图图1-13 单叠绕组等值电路单叠绕组等值电路单叠绕组特点单叠绕组特点n支路对数支路对数a等于极对数等于极对数p，同，同时还等于电刷对数时还等于电刷对数b，即，即a=p=b；n电枢电流电枢电流Ia等于各支路电流等于各支路电流ia之和，即之和，即Ia=2aia。（3）单波绕组）单波绕组n单波绕组是将同一极性下的所有元件串单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸

18、。形式似波浪向前延伸。n其特点是：其特点是：n支路对数支路对数a等于等于1，与极对数，与极对数p无关，即无关，即a=1；n电枢电流电枢电流Ia等于等于2倍支路电流倍支路电流ia，即，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数际电刷对数b等于极对数等于极对数p。2、电机模型、电机模型n展开图虽然能反应电枢绕组连接规律，也展开图虽然能反应电枢绕组连接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。电机模型。n规定规定：无论电机有多少对磁极，都只用：无

19、论电机有多少对磁极，都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中心线处，并与位于几何中心线处的元何中心线处，并与位于几何中心线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。我们把件接触，一个圆圈代表一个元件。我们把几何中心线对应的轴线又称为交轴，用几何中心线对应的轴线又称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的磁极轴线称为直轴，表示；与交轴垂直的磁极轴线称为直轴，用用d-d表示。为了方便，以后在分析电机内表示。为了方便，以后在分析电机内部电磁过程时均采用电机模型。部电磁过程时均采用电机模型。直流电机模型直流电机模型直流电机模型1.1.4直流电机的铭牌数据和主要系列直

20、流电机的铭牌数据和主要系列n为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如图所示。定值），该标牌称为铭牌，如图所示。直流电机铭牌直流电动机型 号 Z272 产品编号 7001结构类型 _ 励磁方式 他励功 率 22kW 励磁电压 220V电 压 220V 工作方式 连续电 流 116.3A 绝缘等级 B级转 速 1500r/min 重 量 _kg标准编号 JB1104-68 出

21、厂日期 _年_月说明说明n在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行，称为行，称为额定运行额定运行。电机处于额定运行状态，。电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠。当电机电流小于具有良好的性能，工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行，称为额定电流时的运行，称为欠载运行欠载运行，电机长期，电机长期欠载，效率不高，造成浪费；当电机电流大于欠载，效率不高，造成浪费；当电机电流大于额定电流时的运行，称为额定电流时的运行，称为过载运行过载运行，长期过载，长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所以额定值是选

22、择电机的依据，应根据实际使用以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态。运行状态。2、国产电机主要系列、国产电机主要系列 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：数字组合表示，例如：“Z2-72”表示直流电动机、表示直流电动机、第二次改进设计型，第二次改进设计型，“7”表示机座号，表示机座号，7后面的后面的2表示长铁芯（表示长铁芯（2号表示长铁芯，号表示长铁芯，1号表示短

23、铁芯）。号表示短铁芯）。n国产直流电机的主要系列说明如下：国产直流电机的主要系列说明如下：n1）Z2系列是普通中小型直流电机。该系列直流系列是普通中小型直流电机。该系列直流电机有发电机、调压发电机、电动机等。其工作电机有发电机、调压发电机、电动机等。其工作方式为连续的。电机仅用于正常的使用条件，即方式为连续的。电机仅用于正常的使用条件，即非湿热地区，非多尘或无有害气体场所，非严重非湿热地区，非多尘或无有害气体场所，非严重过载或无冲击性过载要求的情况下。系列容量范过载或无冲击性过载要求的情况下。系列容量范围从围从0.4220kW，采用，采用E级和级和B级绝缘。新设计的级绝缘。新设计的Z4系列电动

24、机，可以取代系列电动机，可以取代Z2、Z3系列直流电动机。系列直流电动机。2）ZZJ系列系列nZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机，适用于轧钢机、起重机、升降机、电机，适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。该系列电动机的传动惯量低、过载铲等。该系列电动机的传动惯量低、过载能力大，速度反应快。因而能经受快速而能力大，速度反应快。因而能经受快速而频繁的起动、制动与反转。频繁的起动、制动与反转。n其它系列的直流电机型号、技术数据可从其它系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。产品目录或相关的手册中查到。1.2直流电机的磁场直流电机的磁场n直

25、流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。n1、他励、他励n励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。n2、并励、并励n励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组与电枢绕组并联。n3、串励、串励n励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。n4、复励、复励图1

26、-19 直流电机的励磁方式励磁方式励磁方式复励复励n主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称积复励积复励；若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称差复励差复励。实际应用中常用积复励。实际应用中常用积复励。积复励与差复励示意图1.2.2直流电机空载时的磁场直流电机空载时的磁场n直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的直流电机空载是指电机对外无功率输出、不

27、带负载空转的一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，这时电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。机的磁场由励磁电流单独建立。图1-8 直流电机的空载磁场分布说明说明n主磁极主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。交替分布，故磁场的分布是对称的。其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：电枢绕组，称主

28、磁通，记作：0，主磁通参与机，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励作磁通。还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：，漏磁通，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁路，漏磁路中空

29、气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的磁通比主磁通小得多，约占主磁通的20%左右。左右。1、空载时气隙磁密分布、空载时气隙磁密分布n如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度，即有根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度，即有B1/。主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻在极靴尖外，气

30、隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。 图1-10 气隙磁密分布波形2、电机的磁化曲线、电机的磁化曲线n电机的磁化曲线是指电机主磁通电机的磁化曲线是指电机主磁通0与励磁与励磁磁势磁势Ff的关系曲线，即的关系曲线，即0=（Ff）。当励）。当励磁绕组的匝数磁绕组的匝数Nf一定时，改变励磁电流一定时，改变励磁电流If就就可改变磁势，磁化曲线也可用可改变磁势，磁化曲线也可用0=（If） 表示。电机的磁化曲线

31、可通过实验或电机表示。电机的磁化曲线可通过实验或电机磁路计算得到。图中曲线磁路计算得到。图中曲线1是电机磁化曲线，是电机磁化曲线，曲线曲线2是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，由于空气中的势，由于空气中的0为常数，故气隙线是为常数，故气隙线是线性的。线性的。曲线特点曲线特点n电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使使

32、0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。图1-9 电机的磁化曲线曲线曲线分析分析n磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。流电机磁化曲线开始弯曲的地方。饱和系数饱和系数n 电机的饱和程度可以用饱和系数表示。电机的饱和程

33、度可以用饱和系数表示。他是指主磁他是指主磁0通为额定磁通通为额定磁通N时，励磁磁时，励磁磁势势F0与气隙磁势与气隙磁势F 的比值，即的比值，即nk 的大小对电机的运行性能有很大的影响，的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中的一般电机中的k =1.111.35。abacFFk01.2.3直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场n直流电机负载运行时，电枢电流直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙不为零，气隙中的磁势由励磁电流中的磁势由励磁电流If产生的励磁磁势产生的励磁磁势Ff和电枢电和电枢电流流Ia产生的电枢磁势产生的电枢磁势Fa共同建立。共同建立。n图图a表示由电枢电流单独产生的

34、电枢磁场，根据电表示由电枢电流单独产生的电枢磁场，根据电枢电流方向和右手螺旋定则，可判断电枢磁势的枢电流方向和右手螺旋定则，可判断电枢磁势的轴线与电刷轴线（也是几何中心线）重合，并与轴线与电刷轴线（也是几何中心线）重合，并与主磁极轴线正交，故电刷位于几何中心线上时的主磁极轴线正交，故电刷位于几何中心线上时的电枢磁势也是交轴电枢磁势。图电枢磁势也是交轴电枢磁势。图b表示仅由励磁表示仅由励磁电流产生的空载磁场。假设电机磁路不饱和，可电流产生的空载磁场。假设电机磁路不饱和，可利用叠加原理，得到负载时气隙磁场如图利用叠加原理，得到负载时气隙磁场如图c所示。所示。图图NSFaIa+NSIf=NSIfFa

35、FfIa（a）电枢磁场图1-23 负载时的磁场（b）空载磁场（c）负载磁场线负荷线负荷n为了分析电枢磁势沿电枢表面分布情况，现为了分析电枢磁势沿电枢表面分布情况，现引入电枢线负荷的概念。引入电枢线负荷的概念。n线负荷是指在电枢表面单位长度上的安培导线负荷是指在电枢表面单位长度上的安培导体数，用体数，用A表示。设表示。设N为电枢绕组总导体数，为电枢绕组总导体数，ia为导体电流，为导体电流，Da为电枢直径，则根据线负荷为电枢直径，则根据线负荷定义有：定义有： aaDNiA电枢磁势电枢磁势n如果将电枢外表面从几何中心线处展开成直如果将电枢外表面从几何中心线处展开成直线如图所，并设主磁极轴线与电枢表面

36、的交线如图所，并设主磁极轴线与电枢表面的交点处为原点点处为原点0，这点的电枢磁势为零，在离原，这点的电枢磁势为零，在离原点点x处作一矩形磁闭合回路，根据安培环路定处作一矩形磁闭合回路，根据安培环路定律，当磁路不饱和时，有律，当磁路不饱和时，有 n即即Fax=Ax，其中，其中Fax为每个气隙磁势，可见为每个气隙磁势，可见Fax与与x成正比，则电枢磁势分布波形是三角波，成正比，则电枢磁势分布波形是三角波，如图曲线如图曲线Fax=(x)所示。所示。xAxDNiFHlaaax222)(电枢磁密电枢磁密n根据根据Bax=oHax，可推出电枢磁密为：，可推出电枢磁密为： n可见在磁极下，气隙均匀，则可见在

37、磁极下，气隙均匀，则Baxx；在极尖，；在极尖，因气隙很大，则因气隙很大，则Bax很小，电枢磁密沿电枢表面很小，电枢磁密沿电枢表面分布为一马鞍波形，如图曲线分布为一马鞍波形，如图曲线Bax=(x)所示所示。xDNiFHBaaaxaxax1000气隙磁密气隙磁密n曲线曲线Box=(x)表示励磁磁通密度，亦即表示励磁磁通密度，亦即电机空载时的磁通密度曲线。电机空载时的磁通密度曲线。n由上述分析可知，电机负载时的气隙由上述分析可知，电机负载时的气隙磁密磁密Bx应等于励磁磁密应等于励磁磁密Box与电枢磁密与电枢磁密的的Bax合成，如图曲线合成，如图曲线Bx=(x)所示。所示。图1-17 直流电机负载时

38、气隙磁密波形1.2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应n当电机带负载后，电枢绕组流过电当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁势。从上面分析可流，出现电枢磁势。从上面分析可知：电枢磁势对主磁极产生的磁场知：电枢磁势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。我们把电枢磁势产生一定的影响。我们把电枢磁势对励磁磁势产生的影响称为对励磁磁势产生的影响称为电枢反电枢反应应。1.电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时电枢反应表现为：电刷位于几何中性线时电枢反应表现为：（1）使气隙磁场发生畸变）使气隙磁场发

39、生畸变（2）使物理中性线偏移）使物理中性线偏移（3）当磁路饱和时有祛磁作用）当磁路饱和时有祛磁作用电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应（1）使气隙磁场发生畸变）使气隙磁场发生畸变 设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生畸变，对发电机而言是前极尖磁场被削弱畸变，对发电机而言是前极尖磁场被削弱后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。尖磁场被加强后

40、极尖磁场被削弱。电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应n（2）使物理中性线偏移）使物理中性线偏移n我们把气隙中各点磁通密度为零的点的连我们把气隙中各点磁通密度为零的点的连线称为物理中性线。直流电机空载时，几线称为物理中性线。直流电机空载时，几何中性线与物理中性线重合。负载时，物何中性线与物理中性线重合。负载时，物理中性线偏离几何中性线理中性线偏离几何中性线角，对发电机而角，对发电机而言是顺转向偏离言是顺转向偏离角；对电动机而言是逆转角；对电动机而言是逆转向偏离向偏离角。角。电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应n（3）当磁路饱和时有祛磁作用）当磁路饱

41、和时有祛磁作用n磁路未饱和时，气隙里的磁通密度磁路未饱和时，气隙里的磁通密度Bx由励由励磁磁密磁磁密Box与电枢磁密的与电枢磁密的Bax叠加得到。磁路叠加得到。磁路饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和性，使负载时曲线进入饱和点后具有饱和性，使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱，如图虚的气隙磁场比空载时的磁场要弱，如图虚线线Bx =(x)所示。所示。2.电刷偏离几何中性线时的电枢反应电刷偏离几何中性线时的电枢反应n由于装配或换相的需要等原因，有时电刷会偏离由于装配或

42、换相的需要等原因，有时电刷会偏离几何中性线。从上面分析得到，当电刷位于几何几何中性线。从上面分析得到，当电刷位于几何中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势，而电中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势，而电刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离转方向偏离角，产生的电枢磁势为角，产生的电枢磁势为Fa，将，将Fa分解分解成交轴电枢磁势成交轴电枢磁势Faq和直轴电枢磁势和直轴电枢磁势Fad，交轴电，交轴电枢磁势枢磁势Faq对主磁场的影响与上面分析的电刷位于对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而直轴电枢磁几何中性线的电枢反应

43、情况一样，而直轴电枢磁势势Fad与主磁极轴线重合，方向相反，故有祛磁作与主磁极轴线重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离角时，角时，产生的直轴电枢磁势产生的直轴电枢磁势Fad有助磁作用。有助磁作用。电刷偏离几何中线角时的电枢反应电枢反应电枢反应1.2.5直流电机的感应电势和电磁转矩直流电机的感应电势和电磁转矩n1.直流电机电枢绕组的感应电势直流电机电枢绕组的感应电势n直流电机电枢绕组的感应电势是指从直流电机电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引出的电势，也称一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，记作为电枢电势，记作Ea。感应

44、电势感应电势n如果设如果设N为电枢绕组的总导体数，为电枢绕组的总导体数，a为并为并联支路对数，联支路对数，Bav为一个磁极内的平均磁为一个磁极内的平均磁密，密，l为导体的有效长度，为导体的有效长度，v为导体切割磁为导体切割磁场的速度，则电枢电势为：场的速度，则电枢电势为：n 式中式中 称为电势常数，称为电势常数，它是与电机结构有关的参数它是与电机结构有关的参数nCnapNnpllaNlvBaNEeava6060222nCEeaapNCe60说明说明n电势表达式电势表达式Ea=CennEan，改变，改变或或n的大小，可使的大小，可使Ea大小发生变化，当磁通大小发生变化，当磁通单位为单位为Wb，转

45、速转速n单位为单位为r/min，则电枢电势，则电枢电势Ea单单位为位为V；nEa方向取决于方向取决于和和n的方向，改变的方向，改变的方向（即改变励磁电流的方向（即改变励磁电流If的方向），的方向），就可改变就可改变Ea的方向。的方向。 2.直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩n直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。设设D为电枢直径，为电枢直径，N为电枢总导体数，为电枢总导体数，fav每每根导体平均所受的力，则电磁转矩为：根导体平均所受的力，则电磁转矩为：aTaaaavavICIapNNpa

46、IllNDliBNDfT222222n即有： 式中 称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。aTICTapNCT2说明说明从电磁转矩表达式从电磁转矩表达式T=CTIa可见：可见：nTIa，改变，改变或或Ia的大小，可使的大小，可使T大小发大小发生变化，当磁通生变化，当磁通单位为单位为Wb，电枢电流，电枢电流Ia单位为单位为A，则电磁转矩，则电磁转矩T单位为单位为Nm；nT方向取决于方向取决于和和Ia的方向，改变的方向，改变的方向的方向（即改变励磁电流（即改变励磁电流If的方向），就可改变的方向），就可改变T的方向。的方向。电势常数与转矩常数之间的关系式：电势常数与转矩常数之间的关系式：n根据

47、根据 和和 可得到电势常数与转可得到电势常数与转矩常数之间的关系式：矩常数之间的关系式：n所以有：所以有：CT=9.55Ce55. 9260602apNapNCCeTapNCe60apNCT2课后复习要点课后复习要点n1.直流电机绕组特点。直流电机绕组特点。n2.电枢反应和直流电机负载时的磁场。电枢反应和直流电机负载时的磁场。n3.直流机的电磁转矩和感应电势。直流机的电磁转矩和感应电势。n4.预习直流发电机。预习直流发电机。n思考题：思考题：P33 1-10 、 1-11、1-12 、1-15 、1-16n作业：作业：P33 1-3 、 1-41.3直流发电机直流发电机n直流发电机是将原动机输

48、入的机械能转变直流发电机是将原动机输入的机械能转变为直流电能的电气设备，即有：机械能为直流电能的电气设备，即有：机械能直流电能。直流电能。n1.3.1直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式n 直流发电机的基本方程式与励磁方式有直流发电机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流发电机为例，介绍其基本下面以他励直流发电机为例，介绍其基本方程式。方程式。n1.电压方程式电压方程式n我们以发电机惯例，规定直流发电机各物我们以发电机惯例，规定直流发电机各物理量正方向如图所示。理量正方向如图所示。1.电压方程式电压方程式n他励

49、直流发电机惯例他励直流发电机惯例他励直流发电机惯例方程式方程式n电枢回路方程为：电枢回路方程为：Ea=U+IaRa式中式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。触电阻和电枢绕组内阻。n励磁回路方程为：励磁回路方程为：Uf=IfRf式中式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。路外串电阻和励磁绕组内阻。n从发电机电压基本方程式可见：电枢电从发电机电压基本方程式可见：电枢电势势Ea必须大于电枢端电压必须大于电枢端电压U，这也是判断，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。电机是否处于发电运行状态的

50、依据。2.转矩方程式转矩方程式n式中：式中：T1为原动机的拖动转矩，为原动机的拖动转矩，T为发为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，动转矩，T0为空载转矩，它是由电机为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。的机械摩擦和铁损引起的转矩。n发电机的转向由原动机决定，发电机的转向由原动机决定，T1T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。机的阻力矩。01TTT3.功率平衡关系功率平衡关系n从原动机输入的机械功率为：从原动机输入的机械功率为：nP1=Pem+p0 n式中：式中：P1为输入的机械功率；为输入的机械功率；

51、Pem为电为电磁功率；磁功率；p0为空载损耗。为空载损耗。n空载损耗等于铁损空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗、机械摩擦损耗pm、附加损耗、附加损耗pad，即：，即：p0=pFe+pm+padn其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率确计算。靠经验估算约为额定功率P的的0.5%1%。功率公式功率公式n电磁功率为：电磁功率为：从中可见电磁功率可表示为：从中可见电磁功率可表示为：Pem=Tn上式说明电磁功率具有机械功率性质。上式说明电磁功率具有机械功率性质。n同时电磁功率又可表示为：同时电磁功率又可表示为：Pem=EaIan此表达式说

52、明电磁功率又具有电功率性质，所以此表达式说明电磁功率又具有电功率性质，所以电磁功率是机电能量转换的桥梁。电磁功率是机电能量转换的桥梁。n发电机输出的电功率为：发电机输出的电功率为：P2=Pem-pCuan式中：式中：pCua为电枢回路铜耗；为电枢回路铜耗；P2为输出的电功率，为输出的电功率，同时输出功率又可表示为：同时输出功率又可表示为： P2=UIaaaaaaTemIEnIapNnIapNICTP606022图1-21 他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图4.效率效率n他励直流发电机的总损耗为他励直流发电机的总损耗为p=pFe+pm+pad+pCua，即：

53、，即：np=p0+pCuan效率为：效率为： ，即有：，即有： pPpPpPPP211121pPp21例题例题n例题例题5-1一台并励直流发电机数据为：一台并励直流发电机数据为：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，电枢绕组总电阻，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕组内阻，并励绕组内阻Rf=22.8，额定负载，额定负载时，并励回路串入的调节电阻时，并励回路串入的调节电阻Rf=3.5，一对电，一对电刷压降刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩

54、和效率。率、电磁功率、电磁转矩和效率。n解：（解：（1）求电磁功率）求电磁功率 励磁电流为：励磁电流为： 额定负载电流为：额定负载电流为：)(75. 85 . 38 .22230ffNfRRUI)(52.35623010823AUPINNN例题续例题续n电枢电流为：电枢电流为：n电枢电势为：电枢电势为：n电磁功率为：电磁功率为：n（2）求输入功率）求输入功率)(27.36575. 852.356AIIIfNa)(5 .2412029. 027.3652302VURIUEaaNa)(2 .8827.3655 .241kWIEPaaem)(9182005. 05 . 22 .881kWpppPPa

55、dmFeem例题续例题续n（3）求电磁转矩）求电磁转矩n（4）求效率）求效率)(4 .868970102 .8855. 955. 93mNnPTNem%1 .90%1009182%10012PP1.3.2他励直流发电机的运行特性他励直流发电机的运行特性n发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压U、负载电流负载电流I、励磁电流、励磁电流If这三个基本物理量之间的这三个基本物理量之间的函数关系。一般保持其中一个物理量不变，讨论函数关系。一般保持其中一个物理量不变，讨论剩余两个量之间的关系，这种函数关系就是运行剩余两个量之间的关系，这种函数关系就是运行特性。特

56、性。n1.空载特性空载特性n空载特性是指原动机的转速空载特性是指原动机的转速n=nN，输出端开路，输出端开路，负载电流负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端电压与励磁电流）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：之间的关系，即：U0=E0=(If)图1-23 他励直流发电机空载特性发电机空载特性发电机空载特性实验接线图实验接线图n空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。图图1-24注意：注意：n实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到电压

57、可测取到U0=（1.11.3）UN为止，线为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。关，实验时一定要保持额定转速。2.外特性外特性n外特性是指原动机的转速外特性是指原动机的转速n=nN，励磁，励磁电流电流If=IfN时，电枢端电压与负载电流时，

58、电枢端电压与负载电流之间的关系，即：之间的关系，即：U=(I)，如图曲线，如图曲线1所示。这是一条略微下斜的曲线。所示。这是一条略微下斜的曲线。n从空载到负载电压下降的原因是：从空载到负载电压下降的原因是：n负载增大，电枢电流增大，使电枢负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；回路电阻压降增大，则端电压下降；n电枢电流增大，使电枢反应的祛磁电枢电流增大，使电枢反应的祛磁作用增强，端电压进一步下降。作用增强，端电压进一步下降。图1-24 他励（并励）直流发电机的外特性直流发电机的外特性直流发电机的外特性电压变化率电压变化率n发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化发电机的

59、端电压随负载的变化程度可用电压变化率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发电机从额定负载（电机从额定负载（U=UN，I=IN）过渡到空载）过渡到空载（U=U0，I=0）时，电压升高的数值与额定电压）时，电压升高的数值与额定电压的百分比，即：的百分比，即： n通常他励直流发电机的电压变化率通常他励直流发电机的电压变化率U%约为约为（510）%。%100%0NNUUUU1.3.3并励直流发电机并励直流发电机n他励直流发电机运行特性好，但励磁回路需一直流电他励直流发电机运行特性好，但励磁回路需一直流电源供电，若实际应用中没有条件，可采用并励，这样源供电，若

60、实际应用中没有条件，可采用并励，这样就不需设制专门的直流励磁电源了。就不需设制专门的直流励磁电源了。n1.自励过程自励过程n 当发电机在原动机带动下以恒定的额定转速当发电机在原动机带动下以恒定的额定转速nN运运转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电势绕组中产生感应电势Er（约为（约为25%UN），从而在发电），从而在发电机电枢两端建立剩磁电压机电枢两端建立剩磁电压Ur，在剩磁电压，在剩磁电压Ur作用下，作用下，产生不大的励磁电流产生不大的励磁电流If（If=Ur/Rf），此励磁电流通过），此励磁电流通过励磁绕组会产生磁场，磁