直流电机原理

1、第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理目录n3.1 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n3.2 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n3.3 3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性n3.4 3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组n3.5 3.5 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩n3.6 3.6 直流发电机直流发电机n3.7 3.7 直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理n3.8 3.8 他励直流电动机的机械

2、特性他励直流电动机的机械特性n3.9 3.9 串励和复励直流电动机串励和复励直流电动机n3.10 3.10 直流电机换向直流电机换向 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理本章教学基本要求本章教学基本要求：n1.1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；n2.2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，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两个机电能量转换要素的物理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，掌握求解它们的计算方法；意义，掌握求解它们的计算方法；

3、n3.3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以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工作特性；及不同励磁方式的直流电机的工作特性；n4.4.了解直流电机的换向。了解直流电机的换向。n重点：重点： 直流电机的基本平衡方程式和工作特性。直流电机的基本平衡方程式和工作特性。n难点：难点： 电枢反应。电枢反应。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理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n直流电机直流电机（dc machinesdc machines）是将机械能转换为直流电能或）是将机械能转换为直流电能或将

4、直流电能转换为机械能的一种装置。将直流电能转换为机械能的一种装置。n把机械能转换为电能把机械能转换为电能直流发电机直流发电机(dc generators )(dc generators )。n把电能转换为机械能把电能转换为机械能直流电动机直流电动机(dc motor )(dc motor )。3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途n直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。n直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。过载能力强，直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。过载能力强，启动和制动转矩较大。易于控制，可靠性高。启动和制动转矩较大。易于控

5、制，可靠性高。n由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。特点：特点： Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.1.1 直流电机的用途（续）直流电机的用途（续）作电源用作电源用-直流发电机直流发电机将机械能转化为直流电能；将机械能转化为直流电能；作动力用作动力用-直流电动机直流电动机将直流电能转化为机械能；将直流电能转化为机械能； 信号传递信号传递-直流测速发电机直流测速发电机将机械信号转换为电信号将机械信号转换为电信号 做励磁机用做励磁机用 信号传递信号传递-直流伺服电动机直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号将控制信号转换为机械信号

6、 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.1.2 基本工作原理基本工作原理1 直流发电机基本原理直流发电机基本原理交流发电机的物理模型交流发电机的物理模型滑环电刷以原动机拖动电枢顺时针旋转，线圈以原动机拖动电枢顺时针旋转，线圈abcdabcd中将产生感应中将产生感应电动势，其方向用右手定则判定电动势，其方向用右手定则判定可见，电枢旋转一周，线圈中感应电动势的方向交变一可见，电枢旋转一周，线圈中感应电动势的方向交变一次。这是最简单的交流发电机的模型。次。这是最简单的交流发电机的模型。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理直流发电机的物理模型直流发电

7、机的物理模型如左图，感应电动势的方向为：如左图，感应电动势的方向为：当原动机驱动电机转子转过当原动机驱动电机转子转过180180后（右图），感应电动势：后（右图），感应电动势：可见，和电刷可见，和电刷A接触的导体永远位于接触的导体永远位于N极下，和电刷极下，和电刷B接触接触的导体永远位于的导体永远位于S极下。因此极下。因此A电刷总是正极性，电刷总是正极性，B电刷总电刷总是负极性。是负极性。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理2 直流电动机基本原理直流电动机基本原理左图，导体左图，导体abab的受力方向为：的受力方向为：电枢旋转电枢旋转180180后，直流电流方向不变，

8、导体后，直流电流方向不变，导体abab及及cdcd的受力的受力方向为：方向为：可见，产生的电磁转矩是单方向的。可见，产生的电磁转矩是单方向的。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.2.1 直流电机的主要结构直流电机的主要结构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主磁极主磁极(在气隙空间形成一定形状的气隙磁密)换向磁极换向磁极电刷装置机座机座端盖定子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器转轴轴承电枢铁心是直流电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢电枢铁心是直流电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢旋转时因磁通变化引起的磁滞

9、和涡流损耗，常用旋转时因磁通变化引起的磁滞和涡流损耗，常用0.5mm厚的两端涂有绝缘厚的两端涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成漆的硅钢片叠压而成电枢绕组是直流电机的主要电路部分，产生感应电势、流过电流，产生电电枢绕组是直流电机的主要电路部分，产生感应电势、流过电流，产生电磁转矩等磁转矩等 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据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

10、 流 116.3A 绝缘等级 B级转 速 1500r/min 重 量 _kg标准编号 JB1104-68 出厂日期 _年_月 额定功率额定功率 PN 指在铭牌规定的额定状态下运行时电机的输出功率，以指在铭牌规定的额定状态下运行时电机的输出功率，以 “W、kW 或或 MW ”为量纲单位。为量纲单位。对直流发电机，对直流发电机，PN指输出的电功率。指输出的电功率。PNUNIN 对直流电动机，对直流电动机，PN指输出的机械功率。指输出的机械功率。PNUNINN Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理额定电压额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压指额定状态下电枢出线端的电压

11、(V)。额定电流额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值 (A)额定转速额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速指额定状态下运行时转子的转速(r/min)额定励磁电流额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。指电机在额定状态时的励磁电流值。 )(9550)(55. 96022kWnPWnPnPPTNNNNNNNNN或 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理 例题例题3-1kWPPNN1619 . 01451AUPINNN4 .630230101453解解:已知一台直流发电机，已知一台直流发电机，PN=1

12、45kW，UN=230V， N=0.9， nN=1450r/min，求发电机的输入功率，求发电机的输入功率P1，IN例题例题3-2已知一台直流电动机，已知一台直流电动机，PN=160kW，UN=220V， N=0.9， nN=1500r/min，求电动机的输入功率，求电动机的输入功率P1，IN、T2NkWPPNN8 .1779 . 01601AUPINN1 .808220108 .17731解解mNnPTNNN7 .10181500160955095502 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理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nZ Z2 2

13、系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。nZ Z和和ZFZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z Z是直流电动机是直流电动机系列；系列；ZFZF是直流发电机系列。是直流发电机系列。nZZJZZJ系列是专供起重冶金工业用的专用直流电动机。系列是专供起重冶金工业用的专用直流电动机。nZTZT系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。流电动机。nZQZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引系列是电力

14、机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。电动机。nZHZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。nZUZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。系列是用于龙门刨床的直流电动机。nZAZA系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。nZKJZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特

15、性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、不带负载空转的一种状态。一种状态。3.3.1直流电机的磁路直流电机的磁路n空载时，励磁绕组内有励磁电流，电枢电流为零，这时电空载时，励磁绕组内有励磁电流，电枢电流为零，这时电机的磁场由机的磁场由励磁电流励磁电流单独建立。故直流电机空载时的气隙单独建立。故直流电机空载时的气隙磁场又称励磁磁场。磁场又称励磁磁场。四极直流电机空载时的磁场示意图四极直流电机空载时的磁场示意图 如图，当励磁绕组如图，当励磁绕组的串联匝数为的串联匝数为Nf，流，流过电流过电流If时，每极励时，每极励磁磁通势为磁磁通势为fffNIF

16、Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理F主磁通主磁通：磁力线由：磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的磁轭、电枢齿部、气隙进入枢铁心的磁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子磁极，再经定子磁轭回到轭回到N极。同时交链励磁绕组和电枢绕组（主磁路）极。同时交链励磁绕组和电枢绕组（主磁路）F漏磁通漏磁通：磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相：磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路（漏磁路）邻磁极或定子磁轭形成闭合回路（漏磁路）直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，能在电枢绕组中感应电动是主要的，能在电枢绕组

17、中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通只能增加主磁极磁路的饱和势或产生电磁转矩，而漏磁通只能增加主磁极磁路的饱和程度，程度，漏磁通比主磁通小得多漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的，约占主磁通的20%20%左右。左右。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.3.2 空载时气隙磁密的分布波形空载时气隙磁密的分布波形mfmmmamtmfRRRRRF2222fffFNI22磁管中包围总电流：磁管中包围总电流：由磁路欧姆定律得磁管中的磁通为：由磁路欧姆定律得磁管中的磁通为：为分析方便仅考虑气隙为分析方便仅考虑气隙的磁阻，则有的磁阻，则有mfmfRFRF22将直流电机的主磁路简化：

18、将直流电机的主磁路简化： Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理imlR0ifmflFRF00fixFlB气隙段磁路的磁阻气隙段磁路的磁阻故故气隙处的磁密为气隙处的磁密为气隙磁密的大小完全与气隙长度成反比气隙磁密的大小完全与气隙长度成反比 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理 空载时气隙磁密的分布波形（续）空载时气隙磁密的分布波形（续）n磁极中心的气隙小且均匀，磁极中心的气隙小且均匀，B较大且基本为常数；较大且基本为常数； 靠靠近极尖处，气隙逐渐增大，磁密下降；在极尖外，气隙迅近极尖处，气隙逐渐增大，磁密下降；在极尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下

19、降；速增大，气隙磁密急剧下降；在相邻两极之间的几何中心在相邻两极之间的几何中心线上，磁密降为零线上，磁密降为零。n气隙磁密沿电枢表面空气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波间分布的波形为平顶波 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理主磁通情况主磁通情况 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.3.3 空载磁化特性空载磁化特性n空载磁化曲线是指电机空载时主磁通空载磁化曲线是指电机空载时主磁通与励磁磁势或空载与励磁磁势或空载励磁电流励磁电流If的关系曲线，即的关系曲线，即=（Ff） 或或=（If）。）。电机设计的主要任务是磁路计算：为了产生电磁转矩或

20、感应电动势，气隙里需要有一定数量的每极磁通。磁路计算的目的就是确定产生一定数量气隙磁通需要加多大的励磁磁通势。表示气隙中所消表示气隙中所消耗的磁势，由于耗的磁势，由于空气中的空气中的0 0为常为常数，故为线性数，故为线性n电机的磁化曲线具有饱和电机的磁化曲线具有饱和特点特点：当主磁通：当主磁通0 0较小较小时，铁磁材料的磁位降较时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在小，励磁磁通主要消耗在气隙中，呈线性；气隙中，呈线性； 当主磁通当主磁通0 0较大时，铁磁较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅材料出现饱和，磁位降迅速增大，消耗的磁通势剧速增大，消耗的磁通势剧增，空载特性呈饱和特点。增，空载特性

21、呈饱和特点。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理分析分析n设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利些，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流电机磁化曲线开始弯曲的用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。地方。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理饱和系数饱和系数n指主磁指主磁为额定值时，励磁磁势为额定值时，励磁磁势Ff与气隙磁势与气隙磁势F 的比值，的比值，即即abacFFkfnk 的大

22、小对电机的运行性能的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中有很大的影响，一般电机中的的k =1.111.35 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.3.4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式n直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。按励磁方式不同可分为四种：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

23、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 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理图3-12 直流电机的励磁方式励磁方式励磁方式 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组直流电机实现机电能量转换必须具备的条件是什么直流电机实现机电能量转换必须具备的条件是什么呢？呢？由原理结构图：由原理结构图： 线圈线圈磁场磁场=（电枢）绕组（电枢）绕组电枢绕组是由多个形状完全一样的绕组电枢绕组是由多个形状完全一样的绕组元件元件( (线圈线圈) )按一按一定的规律连接起来的。元件的个数用定的规律连接起来的

24、。元件的个数用S S表示表示F元件元件： Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理单匝元件：元件边仅有一根导体单匝元件：元件边仅有一根导体多匝元件：元件边有多根导体。匝数用多匝元件：元件边有多根导体。匝数用NyNy表示表示每个元件有两个元件边，每片换向片每个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数元件的下层边，所以元件数S总等于总等于换向片数换向片数 K=S右图，元件的一个边仅占了半右图，元件的一个边仅占了半个电枢槽，即同一个元件的一个电枢槽，即同一个元件的一个边占了某槽的上半槽，另一个边占了某槽的

25、上半槽，另一边占了另一槽的下半槽边占了另一槽的下半槽每个元件有两个元件边，而每每个元件有两个元件边，而每个电枢槽分上下两层嵌放两个个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数元件边，所以元件数= =槽数槽数 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理有效边有效边：在槽内的部分能切割气隙磁场，产生电动：在槽内的部分能切割气隙磁场，产生电动势，称为有效部分；其余为端接部分。势，称为有效部分；其余为端接部分。一个槽的上层往往并列嵌入几个元件的元件边，一个槽的上层往往并列嵌入几个元件的元件边，如图如图。虚槽：把一个上层元件边和一个下层元件边看成一个虚虚槽：把一个上层元件边和一个下层元

26、件边看成一个虚槽，虚槽数用槽，虚槽数用u u表示表示KSuZZeeyyZNuZNz22总导总导体数体数总虚总虚槽数槽数每个元件中每个元件中的串联匝数的串联匝数 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.4.1 单叠绕组单叠绕组n1、节距、节距节距是指被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离，节距是指被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数来表示以所跨过的元件边数或虚槽数来表示y1是同一个元件两个元件边之是同一个元件两个元件边之间的距离间的距离(1) 第一节距第一节距y1为使元件的感应电动势最大，为使元件的感应电动势最大，y1应接近或等于极距应接

27、近或等于极距整数pZye21长距短距整距0002Dp极距：相邻两个主磁极轴线沿电极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离枢表面之间的距离 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理对单叠绕组（右行绕组）有：对单叠绕组（右行绕组）有： 1Kyy(2)合成节距合成节距y和换向器节距和换向器节距yk元件元件1和它相连的元件和它相连的元件2对应边之间的跨距是对应边之间的跨距是y。每个元件首、末端所连两个换向片之间的跨距是每个元件首、末端所连两个换向片之间的跨距是yk1 2yyy12 (3)第二节距第二节距y2y2是连接同一个换向片的两个元件是连接同一个换向片的两个元件边之间的距离

28、边之间的距离元件元件1、2相连且相连且为串联。为串联。叠绕组叠绕组:串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组呈折叠式前进部分，整个绕组呈折叠式前进 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理1kyy把电枢绕组单独提取出来，画在一张图里，表示槽里各元件的把电枢绕组单独提取出来，画在一张图里，表示槽里各元件的电路连接情况电路连接情况以一台以一台 的直流电机为例。的直流电机为例。24,p 16KSZe441621pZye31412yyy Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机

29、原理151612345678910111213141615Step1：画16根等长等距的实线和虚线，实线代表槽的上层元件边，虚线代表下层边，它们靠的很近，实际代表一个虚槽，然后编号 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理151612345678910111213141615Step2：放磁极。每个磁极的宽度大约0.7，均匀放在各槽之上，然后标上极性SSNSN Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理Step3：画换向片。画16个小方块，并标上号码。为连出形状对称的元件，换向片编号与槽号有一定的对应关系15161234567891011121314161

30、5SSNSN12345678910 11121314161514 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理151612345678910111213141615SSNSN12345678910 11121314161514Step4：连接绕组(右行绕组)，校核y2=3 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理Step4：连接绕组，校核y2=3151612345678910111213141615SSNSN12345678910 11121314161514 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理1231516123456789101

31、1121314161545678910 11121314161514电枢转向SSNSNStep5：确定元件里导体感应电动势的方向 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理12315161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514电枢转向SSNSNA1A2B1B2B2Step6：放电刷。电刷组数（刷杆数目）等于主极个数，宽度等于换向片宽度。原则是正负电刷间感应电动势最大，或所短路的元件感应电动势最小。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理23478610111214161551391A1A2B1B2

32、12109561314下下层层元元件件边边上上层层元元件件边边y1yyy212345678910111213141615678910111213141615123451闭闭合合ap Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理单叠绕组特点单叠绕组特点n同一磁极下的各元件串联起来组成一个支路，同一磁极下的各元件串联起来组成一个支路，即支路对数即支路对数a等于极对数等于极对数p；n当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的中心当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的中心线时，正负电刷间感应电动势最大，被电刷短路线时，正负电刷间感应电动势最大，被电刷短路的元件感应电动势最小；的元件感应电动势最

33、小；n刷杆数等于极数刷杆数等于极数 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理pKyKpyKK11Kyy 12yyy确定确定y1与叠绕组一样与叠绕组一样确定确定y与与yk，原则是，原则是使相串联的元件感应电动势方向相使相串联的元件感应电动势方向相同，在空间位置相距约同，在空间位置相距约2；其次，当沿圆周方向绕了一；其次，当沿圆周方向绕了一周后，经过周后，经过p个串联的元件后，末尾换向片个串联的元件后，末尾换向片pyk必须落在必须落在换向片换向片1的相邻位置，才能继续往下连的相邻位置，才能继续往下连确定y2正负号的选择先满足正负号的选择先满足yk为整数，一般取负为整数，一般取负

34、号（左行绕组）号（左行绕组） Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理以一台以一台 的直流电机为例。的直流电机为例。24,p 7kyy21743yyy115 172kKyp15KSZe44141521pZye Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理121213141512345678910111312345678910 1112 131514电枢转向NSSN14 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理121213141512345678910111312345678910 1112 131514电枢转向NSSN14 Chapter

35、3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理1212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN14 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理1212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN14 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理1212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN14A2B1B2 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理2347610

36、11121415A1A2B1B2115895413912815单波绕组并联支路对数与电机极对数无关，单波绕组并联支路对数与电机极对数无关，1a 下层元件边下层元件边上层元件边上层元件边y1yyy212345689101112136789101112131415123451闭合闭合15714 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理单波绕组的特点单波绕组的特点n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形式似波浪向前延伸。两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。n支路对数支路对数a a等于等于1 1，与

37、极对数，与极对数p p无关无关 a a=1=1；n当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的中心线时，正负当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的中心线时，正负电刷间感应电动势最大；电刷间感应电动势最大；n为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b b等于极对数等于极对数p p。单叠、单波绕组的应用场合单叠、单波绕组的应用场合n单叠单叠( (并联支路多，每个支路元件数少并联支路多，每个支路元件数少) )较低电压较大电较低电压较大电流的电机流的电机n单波单波-较高电压较小电流的电机较高电压较小电流的电机 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理 3.5

38、电枢电动势和电磁转电枢电动势和电磁转矩矩3.5.1 电枢电动势电枢电动势 指一对正负电刷之间的感应电动势，也即电枢绕组每指一对正负电刷之间的感应电动势，也即电枢绕组每个支路里的感应电动势，记作个支路里的感应电动势，记作Ea。思路：思路：先求出一根导体在一个极距范围内所产生的平均电动先求出一根导体在一个极距范围内所产生的平均电动势，再乘上支路的总导体数势，再乘上支路的总导体数z/2a ，便得到电枢电势。，便得到电枢电势。n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Bav ，极距为，极距为 ，l为电枢为电枢轴向有效长度，轴向有效长度，v为导体切割磁场的速度为导体切割磁场的速度则一根导

39、体的平均电动势为则一根导体的平均电动势为lvBeavavlvl又因为又因为60nDv602np6022npDp Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理nCe 称为电势常数，它是与电机结构有关的参数称为电势常数，它是与电机结构有关的参数nCenapz60avaeazE26022npaz602npeav一条支路中的串联总导体数为一条支路中的串联总导体数为z/2a (z为电枢总导体数为电枢总导体数)于是电枢电动势为于是电枢电动势为nEan，改变，改变或或n的大小，可使的大小，可使Ea大小发生变化，当大小发生变化，当磁通磁通单位为单位为Wb，转速，转速n单位为单位为r/min，则

40、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（即改变励磁的方向（即改变励磁电流电流If的方向），就可改变的方向），就可改变Ea的方向。的方向。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理例题例题3-34 .12160372260apzCe已知一台直流发电机，10kW，4极，2850r/min，单波绕组，z=372。当Ea=250V时，求气隙每极磁通解WbnCEea4107 .7028504 .12250 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.5.2 直流电机的电磁直流电机的电磁转矩转矩n电磁转

41、矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转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。矩的总和。zDfTav2zDliBaav2nCt称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。atICaIapz2zpaIlla222n设设D为电枢直径，为电枢直径，z为电枢总导体数，为电枢总导体数，fav每根导体平均所每根导体平均所受的力，则电磁转矩为：受的力，则电磁转矩为： Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理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：所以有：所以有：Ct=9.55Ce55. 9260

42、602azpazpCCet例3.4 已知一台直流电动机，100kW，4极，330V，730r/min，N=0.915，单波绕组，z=186，N=6.9810-2Wb。求TN2 .591218622apzCtAUPINNN331915. 0330101003解解:mNICTNtN7 62 .592 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.5.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应n直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为的磁动势称为电枢反应磁动势电枢反应磁动势。电枢磁动势

43、的出现使电机。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。的磁场发生变化。空载时主磁极磁通的分布情况(a)(a) 励磁磁通势产生的磁力线励磁磁通势产生的磁力线 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理励磁电流为零，只有电枢电流时主磁极磁通的分布情况(b)(b) 电枢磁通势产生的磁力线电枢磁通势产生的磁力线 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理1、当电刷在几何中性线上时、当电刷在几何中性线上时将主磁场和

44、电枢磁场叠加，得到负将主磁场和电枢磁场叠加，得到负载后电机的磁场分布情况载后电机的磁场分布情况( (图图C)C)。图图(C)电刷在几何中性线时的电电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：枢反应的特点：1)使气隙磁场发生畸变 由于主磁极磁场和电枢反应由于主磁极磁场和电枢反应磁场垂直，由它们合成的磁磁场垂直，由它们合成的磁场轴线必然不在主磁极中心场轴线必然不在主磁极中心线上线上(见磁密波形见磁密波形)，而发生，而发生了磁场扭曲了磁场扭曲磁密波形磁密波形 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理xB0axBxB主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密

45、度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线的磁通密度分布曲线 2）使物理中性线偏移 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后物理空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后物理中性线偏离几何中性线中性线偏离几何中性线角。角。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理（3）当磁路饱和时有去磁作用）当磁路饱和时有去磁作用 磁场合成时，若电机磁路不饱和，半个磁极范围内磁磁场合成时，若电机磁路不饱和，半个磁极范围内磁密相加，另半个磁极范围内磁密相减，合成磁密的平均值密相加，另半个磁极范围内磁密相减，合成磁

46、密的平均值不变，因此每极磁通量与空载时相同。不变，因此每极磁通量与空载时相同。饱和后，合成磁场的磁密需用磁化曲线求得。饱和后，合成磁场的磁密需用磁化曲线求得。结果：一个磁极下平均磁密减少了。即电刷在几何中性结果：一个磁极下平均磁密减少了。即电刷在几何中性线时的电枢反应为线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。电机正常运行于磁化曲线的膝部。磁通势增加，磁密增加电机正常运行于磁化曲线的膝部。磁通势增加，磁密增加的很少（饱和）；磁通势减少，磁密跟着减少。即的很少（饱和）；磁通势减少，磁密跟着减少。即半个磁半个磁极范围内合成磁密增加的少，另半个磁极范围内合成磁密极范围内合成磁密增加的少，另半个磁极范

47、围内合成磁密减少的多减少的多。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理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设电动机电刷逆旋转方向偏离设电动机电刷逆旋转方向偏离角，产生电枢磁势为角，产生电枢磁势为Fa，可分解成交轴电枢磁势可分解成交轴电枢磁势Faq和直轴电枢磁势和直轴电枢磁势Fad，n交轴电枢磁势交轴电枢磁势F Faqaq对主磁场的影响：去磁，而直轴电枢磁势对主磁场的影响：去磁，而直轴电枢磁势F Fadad与主磁极轴线重合，方向相反，有去磁作用与主磁极轴线重合，方向相反，有去磁作用n当电刷顺电动机旋转方向偏离当电刷顺电动机旋转方向偏离角角时，时

48、， F Fadad有助磁作用。有助磁作用。电刷顺转向偏移电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 交轴去磁和直轴交轴去磁和直轴助磁助磁电动机电动机交轴去磁和直轴交轴去磁和直轴助磁助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.6 直流发电机直流发电机n3.6.1直流发电机稳态运行的基本方程式直流发电机稳态运行的基本方程式n1.电动势平衡方程式电动势平衡方程式 直流发电机的基本方程与励磁方式有关。以他励直流发电直流发电机的基本方程与励磁方式有关。以他励直流发电机为例：机为例：如图规定各物理量正方向如图规定

49、各物理量正方向2aaabaaEUI RUUI R电枢回路方程式电枢回路方程式Ra:电枢回路总电阻电枢回路总电阻(含电刷接触电阻含电刷接触电阻)从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足aEU励磁回路方程为：励磁回路方程为：Uf=If RfRf为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。串电阻和励磁绕组内阻。 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理2.转矩方程式转矩方程式01TTT发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩T1、电、电磁转矩磁转矩T和空载转矩和空载转矩T

50、0。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：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，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。atICTaaaRIUE01TTTnCEea共六个方程共六个方程: :fffRUIafIIf, Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.6.2 功率关系功率关系0101TTTTTTCuaaaaaapPRIUIIE22aaaRIUE输给负输给负载的电载的电功率功率总铜总铜损损FemMMppPpPP01电磁电磁功率功率空载空载损耗损耗机械机械损耗损耗铁损：包含磁滞和铁损：包含磁滞和涡流。与

51、磁密大小涡流。与磁密大小及交变频率有关及交变频率有关究竟传究竟传到哪呢？到哪呢？ Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理TPM杂散损耗：无补偿绕组的杂散损耗：无补偿绕组的按额定功率的按额定功率的1%估算，有估算，有补偿的按补偿的按0.5%估算估算aIapz2602naaaIEnIapz60电机在发电状态运行时，具有机械功率性质的电磁功率电机在发电状态运行时，具有机械功率性质的电磁功率T转转变为电功率后输出给负载。（机械能变为电功率后输出给负载。（机械能电能）电能）01pPPM综上，功率平衡关系为：综上，功率平衡关系为：FemcuappPP2供给负载供给负载的电功率的电功率

52、电枢回路电枢回路铜损耗铜损耗机械损机械损耗耗ffcufRIp2smFepppp0aacuaRIp2图3.22 他励直流发电机的功率流程 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理效率效率pPpPpPPP211121CufsCuaFemCufppppppp若是他励，不包含效率与容量有关。10KW以下，为7585%；10100KW，8590%；1001000KW，8893% Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理例题例题3-5n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=20kW，UN=230V，nN=1500r/min，电枢绕组总电阻，电枢绕

53、组总电阻Ra=0.156，并励绕组内，并励绕组内阻阻Rf=73.3，pFe+pm=1kW，附加损耗，附加损耗ps=0.01PN，试求额，试求额定负载时各绕组的铜损、电磁功率、输入功率和效率。定负载时各绕组的铜损、电磁功率、输入功率和效率。)(14. 33 .77230ARUIfNf)(96.8623010203AUPINNN解:)( 1 .9014. 396.86AIIIfNaWRIpffCuf7233 .7314. 322kWppPPCufCuaM989.21723. 0266. 1202WRIpaaCua1266156. 01 .9022 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直

54、流电机原理%25PpWppppppsFemCufCua31892000001. 010007231266WpPP2318931892000021 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理电机的可逆原理电机的可逆原理 直流电机的运行是可逆的，同一台电机既可在一定直流电机的运行是可逆的，同一台电机既可在一定条件下作发电机运行，又可在另一条件下作电动机运行。条件下作发电机运行，又可在另一条件下作电动机运行。3.7 直流电机运行原理直流电机运行原理以他励直流电机为例说明可逆原理。以他励直流电机为例说明可逆原理。 如图：按发电机惯例规定各物理量

55、的正方向如图：按发电机惯例规定各物理量的正方向 01TTT01pPPM保持发电机励磁电流不变，令保持发电机励磁电流不变，令P1=0来不及变化nT, 01dtdJTT0Ea,Ia,T瞬间不变 E此后此后 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理0TT 当n000aeaIUnCE此时此时T=0由于由于T0 ,UEa从电网吸能0aI电磁转矩反向成拖动转矩电磁转矩反向成拖动转矩n维持恒定维持恒定(若带上负载，若带上负载，n还要降低还要降低)但已经成为电动机但已经成为电动机 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理 3.7.1 他励直流电动机稳态运行的基本方程式他

56、励直流电动机稳态运行的基本方程式从可逆原理分析发电机作电动运行时从可逆原理分析发电机作电动运行时, ,电流、电磁功率、输电流、电磁功率、输入输出功率都反向。计算不方便，为此重新规定正方向。入输出功率都反向。计算不方便，为此重新规定正方向。图图3.23 电动机惯例电动机惯例共六个方程共六个方程:atICTaaaRIEULTTTT02nCEeafffRUIafIIf, Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理 3.7.2 他励直流电动机的功率关系他励直流电动机的功率关系图图3.24 他励直流电动机功率流程图他励直流电动机功率流程图pPp21sFemCuasCuapppppppp

57、0aaaaaRIIEUI2aaaRIEUCuaMpPP102TTT02TTT02pPPM Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理例题例题3-64 .12160372260apzCeVnCEea6 .2041500011. 04 .12解：解：因此为电动状态,2206 .204UEa已知一台已知一台4极他励直流电机，单波绕组，总导体数极他励直流电机，单波绕组，总导体数z=372，Ra=0.208。电机运行在。电机运行在U=220V， n=1500r/min ，=0.011Wb时，时，pFe=362W，pm=204W，忽略，忽略ps。发电还是电动状态？发电还是电动状态？T=？

58、P1=？及？及=？AREUIaaa74208. 06 .204220mNICTae38.9674011. 04 .1255. 955. 9 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理WUIPa16280742201%5 .89162801705111PpWppRIpmFeaa1705204362208. 07422 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理mNnPTNNN6 .18335009600055. 955. 92AIIIfNNa2505255 VRIUEaaa5 .420078. 0250440解：解： 例例3.7 已知一台并励直流电动机，PN=

59、96kW，Ra=0.078。UN=440V，IN=255A，IfN=5A， nN=500r/min ，忽略电枢反应的影响。 额定输出转矩额定电流时的电磁转矩WIEPaaM1051252505 .420mNnPTNMN89.2007500125.10595509550 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1.转速特性aNeaaNeaNeNICRnICRCUn0转速特性曲线fNfNIIUUaIfn)(此时此时aaNaRIUEnCENea得得可见：可见：Ia，n即即 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理2.转矩特性n忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。转矩特性曲线fNfNIIUUaIfT)(atICT由由n考虑去磁效应，随着考虑去磁效应，随着Ia，T略微3.效率特性fNfNIIUUaIf)(aIUpPP112aaFemcuaRIppppp20不变不变可变可变损耗损耗效率特性曲线 Chapter3 Chapter3 直流电机原理直流电机原理3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性n 是指电动机加上一定的电压是指电动机加上一定的电压