第7章直流电机的基本理论

1、第第 7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应7.4 电流电机的电磁转矩和电动势电流电机的电磁转矩和电动势7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析7.6 直流电动机的功率和转矩直流电动机的功率和转矩7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应7.4 电流电机的电磁转

2、矩和电动势电流电机的电磁转矩和电动势7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析7.6 直流电动机的功率和转矩直流电动机的功率和转矩7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩返回主页返回主页电机与拖动电机与拖动NSU7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理NS第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论UNS7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论NSUU电刷电刷线圈边切割磁感线

3、会产生什么线圈边切割磁感线会产生什么？换向片换向片 从以上分析可见，在直流电动机中，从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。电磁转矩方向是恒定的。第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)换向换向机械机械负载负载旋转旋转克克 服服反电反电动势动势做功做功7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 电磁关系电磁关系NS2. 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理NSE7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理E输出输出直流电直流电换向换向原动

4、机原动机感应电动感应电动势、电流势、电流电磁转矩电磁转矩（阻转矩）（阻转矩）做功做功 电磁电磁 关系关系 从以上分析可以看出，线圈中的电从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。交流发电机。7.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 3、直流电机的可逆性：、直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，

5、也可以作为发电机运行，只是外界条件不同也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。而已。 如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。能。 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。的原理，在电机理论中称为可逆原理。7.1 直流电机的工

6、作原理直流电机的工作原理7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构1. 主要部件主要部件(1) 定子定子主磁极主磁极换向磁极换向磁极机座机座端盖等端盖等第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论 直流电机的定子直流电机的定子 (a) 主磁极主磁极 (b) 机座机座 直流电机由静止的部分直流电机由静止的部分定子定子和旋转的部分和旋转的部分转子转子两大部分构成：两大部分构成：1、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。极和电刷装置等。1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流

7、和磁滞损电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用耗，主磁极铁心用11.2mm厚的低碳钢板厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 主极的作用是在定转子之间的气隙中建立主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩电动势和产生电磁转矩.2）、换向极：换向极又称附加极或间极）、换向极：换向极又称附加极或间极,其作用其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组

8、构成。间，它也是由铁心和绕组构成。3）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。铸钢或厚钢板焊成。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作

9、用。器相配合，起到整流或逆变器的作用。 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电机的定子直流电机的定子7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 更多的图片更多的图片 2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。 1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时 电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用耗，电枢铁心通

10、常用0.5mm厚的两面涂有绝缘厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。漆的硅钢片叠压而成。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。现机电能量转换的关键性部件。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构(2) 转子（电枢）转子（电枢） 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 换向器换向器 转轴与风扇转

11、轴与风扇 直流电机的转子直流电机的转子 (a) 转子主体转子主体 (b) 电枢钢片电枢钢片 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢绕组是直流电机的核心部分，电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。重要的作用。 因此，电枢绕组须满足以下要求： 在能通过规定的电流和产生足够的在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，属和绝缘材料， 并且要结构简单、运行可靠等并且要结构简单、运行可靠等。 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 1.2.1 名词术语介绍名词术语介绍 （

12、1）极轴线：磁极的中心线；）极轴线：磁极的中心线； （2）几何中性线：磁极之间的平分线，）几何中性线：磁极之间的平分线， （3） ：极对数；：极对数； （4） 极距：在电枢铁心表面上，一个极极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽数表示，所占的距离。可用槽数表示， （槽），式中（槽），式中Z为电枢总槽数；为电枢总槽数； （5）元件（线圈）：是绕组的一个基本单）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，元，可为单匝，也可为多匝， ppZ27.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 （6）元件节距）元件节距 （第一节距）：元件两

13、条（第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数边的距离，以槽数计，总是整数, 整数整数 :是使凑成整数的分数。是使凑成整数的分数。 7）合成节距）合成节距 8）换向器节距）换向器节距 通常用换向片数通常用换向片数K来表来表示。示。1ypZy21yky7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构y=y1-y2y=y1-y2元件：第一节距y1第二节距y2合成节距y：换向器节距yk：7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构一、一、 单叠绕组单叠绕组 元件依次相连，元件的出线端接到相邻的元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，换向片上， 第一个元件的下层边第一个元件的下层边（虚线）连接

14、着第二个元件的上层边，它（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。何特点。例例:已知某直流电机的极对数已知某直流电机的极对数 =2 ,槽数槽数件数件数S及换向片数为及换向片数为 ,试画出试画出单叠绕组展开图。单叠绕组展开图。1kypZ16KSZ7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 解：解：1计算绕组数据计算绕组数据因为是单叠，所以因为是单叠，所以 2画绕组展开图画绕组展开图:（1）先画）先画16根等长、等距的实线，代表各槽根等长、等距的实线，

15、代表各槽上层元件边，再画上层元件边，再画16根等长等距的虚线，根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。代表各槽下层元件边。 4221621pZy1kyy7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 （2）根据）根据 ，画出第一个元件的上下层边，画出第一个元件的上下层边（15槽），令上层边所在的槽号为元件槽），令上层边所在的槽号为元件号；号； （3）接上换向片，）接上换向片，1、2片之间对准元件中片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；心线，之后等分换向器，定出换向片号； （4）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第2槽，槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第与第一个

16、元件的下层边联接；下层边在第6槽与槽与3号换向联接。按此规律，一直把号换向联接。按此规律，一直把16个个元件全部联起来。元件全部联起来。1y7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 （5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N极磁力极磁力 线垂直向里（进入纸面），线垂直向里（进入纸面），S极向外（从极向外（从纸面穿出）；纸面穿出）； （6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上宽（实际上K很多，电刷宽很多，电刷宽23片宽）。并把片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷相同极性下的电刷并

17、联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电电刷放在几何中性线位置刷放在几何中性线位置”7.2 直流电机的基本结构直流电

18、机的基本结构1单叠绕组展开图单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷NSNS+7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构可以看出，一个极下导体电流的方向是可以看出，一个极下导体电流的方向是完全一致的（同一槽中上下层边不属于完全一致的（同一槽中上下层边不属于同一线圈。但电流的方向一致）。而且，同一线圈。但电流的方向一致）。而且，N N、S S极下导体电流的方向相反，所以能极下导体电流的方向相反，所以能产生一个方向固定的转矩。产生一个方向固

19、定的转矩。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单叠绕组元件联接次序图单叠绕组元件联接次序图整个绕组是一个闭合回路。整个绕组是一个闭合回路。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构电路图电路图结合电刷的放置，结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。每个极下的元件组成一条支路。 即单迭绕即单迭绕组的并联支路数正好等于电机的极数。组的并联支路数正好等于电机的极数。 这是单叠绕组的重要特点之一。 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单叠绕组的特点单叠绕组的特点 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 并联支路数等于磁极数， 2a=2p;

20、整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为零， 绕组内部无换流； 每条支路由不相同的电刷引出， 电刷不能少， 电刷数等于磁极数; 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势， 电枢电压等于支路电压; 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和， 即aaaiI27.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 二、单波绕组二、单波绕组波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远， 两个元件紧相串联后形似波浪。为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件边应处于相同磁极极性下， 即合成节距 2,2yy单波绕组： 换向片极距yk必须符合 即 1kyPkCPkyk1为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一

21、周后回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单波绕组单波绕组实例：P2， Z=SK15 左单波绕组计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极1。绕组数据计算34341521pzy721151pKyyk43721yyy7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置：1元件上层边1槽， 下层边4槽;首末端所连的换向片相距yk7；为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。 1元件上层边所连的换向片定为1。 依次联接。 磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。

22、电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单波绕组展开图单波绕组展开图3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单波绕组元件连接顺序图单波绕组元件连接顺序图从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：1815 714 6 13 5 124 11 310 2914 11 310 2918 1

23、5 7 14 6 13 5 12上层边下层边7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单波绕组电路图单波绕组电路图单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。 由于磁极只有N、S之分， 所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关， 永远为1，即a1。 7146131510311425128911254151897.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单波绕组的特点单波绕组的特点同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数a1， 与磁极对数p无关。当元件的几何尺寸对称时， 电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大。电刷组数应等于极数（采用全额电刷）; 电枢电流 I

24、a2ia 。 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机绕组的归纳直流电机绕组的归纳 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路. 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数. 注：a支路对数 p极对数 为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件， 形成一条支路。 每增加一对主极就增加一对支路。 2a2p。 迭绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。 单波绕组：把全部上

25、元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2。波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数多， 适用于较高电压、较小电流的电机。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电枢绕组直流电枢绕组A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB结论：结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构A B12345678e e e ee e e e1 2 3 48 7 6 5AB 直流电枢绕组直流电枢绕组电动机电动机

26、E发电机发电机Iae e e ee e e eE两匝元件两匝元件7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构A1 2 3 48 7 6 5BIaNSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图 并联支路对数：并联支路对数：a = 2。 电刷的中心线对着磁极的中心线。电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2n7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构3 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图N

27、SNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 电刷的中心线对电刷的中心线对 着磁极的中心线：着磁极的中心线： 电刷之间的电动电刷之间的电动 势最大。势最大。 被电刷短接的元被电刷短接的元 件电动势为零。件电动势为零。 习惯称习惯称 “电刷放在电刷放在 几何中心线位置几何中心线位置”。磁极中心线磁极中心线几何中心线几何中心线7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电机的结构直流电机的结构电枢电枢7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 电机装配图电机装配图 更多的

28、图片更多的图片 7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电机直流电机 更多的图片更多的图片 (1) 额定电压额定电压 UN 发电机的发电机的 UN ：指输出电压的额定值。：指输出电压的额定值。 电动机的电动机的 UN ：指输入电压的额定值。：指输入电压的额定值。(2) 额定电流额定电流 IN 发电机的发电机的 IN ：指输出电流的额定值。：指输出电流的额定值。 电动机的电动机的 IN ：指输入电流的额定值。：指输入电流的额定值。(3) 额定功率额定功率 PN 发电机的发电机的 PN ：指输出电功率的额定值：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的电动机的 PN ：指输出机械

29、功率的额定值：指输出机械功率的额定值 (UN INN ) 。2. 额定值额定值7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构(4) 额定转速额定转速 nN(5) 额定励磁电压额定励磁电压 UfN(6) 额定励磁电流额定励磁电流 IfN 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。 满载状态满载状态 ： 指指 I = IN 的状态。的状态。7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构他励式积复励差复励1 . 串励式2 . 并励式3 . 复励式自励式直流电机的励磁方式3. 励磁方式励磁方式7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构MIf+UaIa+Uf他他励励并

30、并励励串串励励复复励励(1) 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UIG(2) 直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类自自励励7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构GIa+Ua他他励励串串励励复复励励并并励励Ia+UIfIGGIfIa+UI+UIfIIaIf+Uf1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：1）串励式：电枢绕

31、组和励磁绕组相串联，满足：2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：faIIIafUUfaIII7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：励和差复励：积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：差复励：

32、fSFFFSfFFF7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机的磁场直流电机的磁场一、空载时直流电机的磁场分布：一、空载时直流电机的磁场分布： 空载：空载：发电机出线端没有电流输出，电动发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的即电枢电流为零的状态状态 ，这时的气隙磁场，只由主极的励这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。气隙磁场，又称励磁磁场。7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应主磁通主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机经过主磁极、气隙、电枢铁心及机

33、座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通产生电磁转矩，称为主磁通 07.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应漏磁通：漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通，称为漏磁通， 。特点：特点：1）由同一个磁动势所产生）由同一个磁动势所产生2）所走的路径不同，这就导致了他们对）所走的路径不同，这就导致

34、了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。是我们主要研究的方向。7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙，极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙， 显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于

35、零。对于这一点，我们可以通过数学磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下：形式来看一下： 设电枢圆周为设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为纵轴，又设轴而磁极轴线处为纵轴，又设电枢长度为电枢长度为 ，则离开坐标原点为，则离开坐标原点为 的的 范围范围内的气隙主磁通为：内的气隙主磁通为：xlldxBdxxdxx7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应则空载时每极主磁通为则空载时每极主磁通为： 22220dxBlldxBdxxxlBav7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 换言之，空载时的每极磁通是随磁动势换言之，空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。或励磁电流的变化而

36、变化。2）电机的磁化曲线：）电机的磁化曲线：7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。的材料。7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应三、负载时的气隙磁场和电枢磁动势：三、负载时的气隙磁场和电枢磁动势：负载时的气隙磁场：负载时的气隙磁场：励 磁 电 流 所 建 立 的 磁 场电 枢 电 流 所 建 立 的 磁 场气 隙 磁 场7.3 直流电机

37、的电枢反应直流电机的电枢反应电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。响称为电枢反应。 交轴电枢反应交轴电枢反应 直轴电枢反应直轴电枢反应和和电刷电刷在电机上在电机上位置位置的摆放密切相关：的摆放密切相关：7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 三、交轴、直轴电枢反应：三、交轴、直轴电枢反应：1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。极磁场的影响。假定（假定（1）磁场是不饱和的，（）磁场是不饱和的，（2）发电机）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。电

38、枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，我们就可以对上图进行叠加，这样，我们就可以对上图进行叠加，7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。等于零的我们称之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作无去磁作用。

39、考虑饱和时，起到去磁作用。用。7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应2）直轴电枢反应：当电刷不在几何中性）直轴电枢反应：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出：以看出：A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，B:若为电动机，刚好相反，这里不在具体若为电动机，刚好相反，这里不在具体分析。分析。7.3 直流电机

40、的电枢反应直流电机的电枢反应NS7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应几何几何中心线中心线 N S励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）物理物理中心线中心线电枢磁场电枢磁场合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）物理物理中性线中性线 电枢反应：电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。电枢磁通势对主极磁场的影响。第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论 电枢反应的影响电枢反应的影响 总磁场被扭歪了总磁场被扭歪了 几何中心线与物理中心线分开了几何中心线与物理中心线分开了, 电刷位置处的元件的电刷位置处的元件的 e0，增加换向困难。，增加换向困难。 一半磁极的磁通增加，一半磁

41、极的磁通减少，一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少， 磁路不饱和时，每极磁通不变；磁路不饱和时，每极磁通不变； 磁路饱和时，磁路饱和时，每极磁通减少，每极磁通减少，e 和和T 相应减少。相应减少。7.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应7.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势1. 电磁转矩电磁转矩(1) 产生产生 电枢电流电枢电流 i 磁磁 场场 F T (2) 大小大小 电磁力：电磁力： F = B l i 平均磁密：平均磁密： 第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论BlB = l极距极距7.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势1.

42、电磁转矩电磁转矩(1) 产生产生 电枢电流电枢电流 i 磁磁 场场 F T (2) 大小大小l 电磁力：电磁力： F = B l i l 平均磁密：平均磁密：l 每根导线上电磁力所每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩：形成的电磁转矩： FR第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论B = lBl极距极距R Rl 电枢绕组串联总匝数：电枢绕组串联总匝数： Nl 电枢绕组并联支路数：电枢绕组并联支路数：2al 总导体数：总导体数： 2N 2a = 4aNl 电枢的周长：电枢的周长： 2 R = 2p l 电磁转矩：电磁转矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i

43、 p l= 4aN i p = 2ai 2pN 电枢电流电枢电流 Ia7.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势(2) 大小大小 T = CT IaCT 转矩常数：转矩常数：(3) 方向方向 由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。(4) 性质性质 发电机：发电机： 电动机：电动机：T 与与 n 方向相反，为制动转矩。方向相反，为制动转矩。T 与与 n 方向相同，为拖动转矩。方向相同，为拖动转矩。7.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势CT =2pN 单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm) (1) 产生产生 电枢旋转电枢旋转 n 磁磁 场场 (2) 大小大小

44、l 每个导体：每个导体：e = B l vl 导体切割磁场线的线速度：导体切割磁场线的线速度：l 电动势：电动势： E = 2N e 2. 电动势电动势 ee E 7.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势v = n2 R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602 = 9.55 CT = 9.55 CE7.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势CT =2pN CE =4pN60 E = CE n CE 电动势常数：电动势常数：CE =4 pN60单位：单位：Wb单位：单位：r/min(V)

45、(3) 方向：方向：由由 和和 n 共同决定。共同决定。(4) 性质性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。发电机为电源电动势；电动机为反电动势。M7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析1. 他励电动机他励电动机励磁电压励磁电压 Uf If 电枢电压电枢电压 Ua Ia T n E E(1) 电压平衡方程式电压平衡方程式励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： Ua = E + Ra Ia第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论+UaIaIf+Uf 稳态电枢电流稳态电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra

46、Ia例如：例如：负载不变负载不变 ( T 不变不变)，Ua (Ra) 变化时，变化时， Ia 变化否（设变化否（设 不变）？不变）？Ua (或或Ra ) 瞬间瞬间 n 不变不变 E 不变不变Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不变不变 结论：结论：Ia 的大小取决于负载的大小。的大小取决于负载的大小。 当当 Ia= = IaN 时为满载，当时为满载，当 IaIaN 时为过载。时为过载。 规定短时过载的最大电枢电流：规定短时过载的最大电枢电流： Iamax =( (1.5 2) )IaN =MC IaN7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析机械特性机械特性E CE n =

47、 UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T (2) 转速转速O nTn0当当T 时，时， n 下降不多下降不多 硬特性硬特性。 励磁电路断电的后果励磁电路断电的后果 当当 If = 0， =r 很小，很小，n 不能突变，不能突变，E 很小很小T = CTr Ia 仍有一定数值。仍有一定数值。Ia 若若 T TL n 飞车！飞车！ T TL n n = 0 闷车！闷车！ 7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析(3) 转向转向取决于电磁转矩取决于电磁转矩 T 的方向。的方向。 T 的方向取决于的方向取决于 和和 Ia 的方向。的方向。

48、M+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+Uf磁磁场场反反向向电电枢枢反反向向2. 并励电动机并励电动机 并励与他励的区别并励与他励的区别:(1) 输入电压输入电压 U = Ua = Uf(2) 输入电流输入电流 I = Ia + If(3) 输入功率输入功率 P1 = UI = UIa + UIf7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析MIa+UIIf 【例例7.5.1】 某并励直流电动机，某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定状态下运行时的：。求

49、该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解：解： (1) 励磁电流励磁电流 If 7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 电枢电流电枢电流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE = 0.685T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩电磁转矩7.5 直流电动机的

50、运行分析直流电动机的运行分析CE =EnN2153 000= = 0.071 7 E3. 串励电动机串励电动机 Ua Uf 7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析M+UIIfIa(1) 电压电压 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I(2) 电流电流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=(3) 转矩转矩 T = CT Ia当当 Ia 较小、磁路未饱和时，较小、磁路未饱和时， Ia，T Ia2 。当当 Ia 较大、磁路已饱和时，较大、磁路已饱和时， 常数，常数， T Ia 。 即即 T Iam (1m2) 与并励电动机比较，有如下特点与并励电动机比较，

51、有如下特点 对应于相同的对应于相同的T ，Ia 小。小。 对应于允许的对应于允许的 Iamax ，能够产生的，能够产生的 T 大，大， Tst 和和 Tmax 较大。较大。(4) 转速转速7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra + RfCECT2T 当当T = 0 时，时，Ia = If = 0， =r， n0 = (5 6) nN。 当当T 很小时，很小时，Ia 很小，很小，磁路未饱和，磁路未饱和，T Ia n 迅速下降。迅速下降。 当当T 很大时，很大时，Ia 很大，很大，磁路已饱和，磁路已饱和，T Ia 基本不变基本不变

52、 n下降较少。下降较少。 7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析(5) 应用应用 特别适用于起重机特别适用于起重机 和电气机车等运输机械。和电气机车等运输机械。 不能在轻载或空载下运行。不能在轻载或空载下运行。 不能用皮带轮传动。不能用皮带轮传动。串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性软特性软特性O nT4. 复励电动机复励电动机(1) 积复励、差复励。积复励、差复励。(2) 机械特性机械特性 有较大的有较大的Tst 。 可以空载运行。可以空载运行。并励并励复励复励7.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析MIaIf+UI串励串励O nT7.6 直流电动机的功率和转矩直流电动

53、机的功率和转矩1. 功率平衡方程式（并励）功率平衡方程式（并励）(1) 输入功率输入功率 P1 P1 = U I(2) 铜损耗铜损耗 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 电磁功率电磁功率 Pe Pe = P1 PCu 推导：推导： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) IaRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论Pe = E Ia 7.6 直流电动机的功率和转矩直流电动机的功率和转矩Pe = E Ia = CE n Ia = T 2 60= CT n Ia 功率流程图功率流

54、程图P1PCuPeP0P22. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 空载：空载： T = T0 负载负载: : T = T0 + T2 2 60T2n =(4) 空载损耗空载损耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 输出功率输出功率P2 P2 = Pe P0 = T2 【例例7.6.1】 一并励电动机，一并励电动机，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求该电机的求该电机的 P2 、Pe、P1 、Pal 和和 。 解：解：P2P1 = 100%6.2860= 6.81 500 W = 1 067.6

55、W Pe = P2P0 = (1 067.6143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 375 WPal = P1P2 = (1 3751 067.6) W = 307.4 W7.6 直流电动机的功率和转矩直流电动机的功率和转矩2 60P2= TLn 6.2860= 0.91 500 W = 143.3 W 2 60P0= T0n 1 067.61 375= 100% = 77.64% GIa+UaIf+Uf7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析1. 他励发电机他励发电机第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论外电源外电源

56、Uf If E n原动机原动机电枢电枢Ua (1) 空载运行空载运行励磁电路：励磁电路：If =UfRf励磁电路励磁电路总电阻总电阻电枢电路：电枢电路： Ia = 0， Ua = U0 = E调节调节RfIf 可变可变 可变可变 E 可变可变 Ua可变。可变。 E U0 = E = f (If ) 空载特性空载特性OIfU0Er剩磁感应剩磁感应电动势电动势(2) 负载运行负载运行 输出电压输出电压: U = Ua 输出电流输出电流: I = Ia 电压平衡方程式电压平衡方程式 U = Ua = ERa Ia当当 Ia Ra Ia E (电枢反应电枢反应)Ua 外特性外特性 U = f (I )

57、n = nNIa = 0OIUn = nNIf = IfNINUNU0n = nNIf = 常数常数7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析空载特性空载特性外特性外特性 电压调整率电压调整率VR =U0UNUN100% ( 5% 10% ) 调整特性调整特性 当当 n = nN，U = UN 时：时： If = f ( I )OI If IfNIN7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析调整特性调整特性 【例例7.7.1】 一他励直流发电机，一他励直流发电机， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通如果磁通 保

58、保持不变，求持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压时的空载电压 U0 和和 900 r/min 时时的满载电压的满载电压 U 。 解：解：在在 nN 和和 UN 时的电枢电流时的电枢电流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在在 保持不变时，保持不变时， E n10103230= A = 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V 7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V2. 并励发电机并励

59、发电机EUaGIfIaI E ? E ? (1) 自励条件自励条件 主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r ：rErIfrEEr与与r 方向相同方向相同EEr与与r 方向相反方向相反 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 与与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。既应满足空载特性又应满足欧姆定律。7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析当当 Rf Rk 时，时， E Er ， 能够自励。能够自励。当当 Rf = Rk 时，时， E不确定，不能自励。不确定，不能自励。当当 Rf Rk 时，时， EEr，不能自励。，

60、不能自励。 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线：场阻线的斜率：场阻线的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析(2) 运行分析运行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI Ia RaIa E ( (电枢反应电枢反应) )Uf Ua 外特性外特性 U = f ( I )EUaGIfIaIn = nNRf = 常数常数OIUU0他励他励并励并励 负载增加时，负载增加时， U 下降较快。下降较