第三章直流电机的稳态分析.ppt(修改)

1、主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结 构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对 直流电机的起动、调速和制动进行了讨论。直流电机的起动、调速和制动进行了讨论。第三章直流电机的稳态分析第三章直流电机的稳态分析3-1直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构n直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 图3.1所示为直流电动机的原理模型，电刷A、B接至直流电源，线圈abcd中有电流流过，电流的方向如图3.1所示。 载流导体受到的电磁力为：Blif 图3.

2、1 直流电动机原理模型 1-磁极 2-电枢 3-换向器 4-电刷 直流电机的基本结构直流电机的基本结构电机是由两大部分组成电机是由两大部分组成 1.静止部分静止部分定子定子 2.旋转部分旋转部分转子转子 1、主磁极、主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。主磁主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成。铁心是由组组成。铁心是由11.5mm厚的钢板冲厚的钢板冲片叠压紧固而成。极靴的作用是使主磁片叠压紧固而成。极靴的作用是使主磁通在通过气隙时分布的更合理并且固定通在通过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。励磁绕组。一、直流电机的静止部分（定子

3、）一、直流电机的静止部分（定子）2、机座、机座 其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。3、换向极、换向极 换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。4、电刷装置、电刷装置 电刷装置是电枢电路的引入电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电（或引出）装置，通过它

4、可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。获得直流电机的效果。二、直流电机的转动部分二、直流电机的转动部分1、电枢铁心、电枢铁心 电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢部分绕组的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅钢片叠压而成.2、电枢绕组、电枢绕组. 电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧.3、换向器、换向器 换向器也是直流电机的重要

5、部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。 换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上.直流电机换向器直流电机换向器三、电流电机的工作原理三、电流电机的工作原理1、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理电机学图33-1.SWF前面分析了直流电机简单物理模型，图中N.S是一对磁铁,它可以是永久磁铁,也可以为电磁铁。导体受力的大小为 f=BLI 方向由左手定则判断应保持每极下导体中电流的方向不变，即流过线圈中的电流方向及时的加以变换，即进行所谓”换向”，为此

6、必须增加换向器装置.作用在线圈上的转矩 T=BLID2、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电势靠换向器的作用，从电刷端引出变为直流电势的原理，如上图所示模型中,电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢按逆时针方向旋转,根据电磁感应定律导体ab和cd分别切割不同极下的磁力线而感应电势E=BLV 方向由右手定则判定方向由右手定则判定插入动态图电机学图33ZHUAN.SWF整个线圈的电势整个线圈的电势. Ead=2BLV当电枢逆时针转过1800时,线圈边中和整个线圈电势反向,随着电枢的旋转线圈中感应出交变电势，而在电刷两端的电势却为直流电势。由于换

7、向器的作用,电刷B1通过换向片所引出的电势始终是切割N极磁力线的线圈中的电势，因此B1始终是正极性，同理B2始终是负极性.所以电刷端引出方向不变,但大小变换的脉振电势,这就是直流发电机的工作原理.3 、直流电机运行的可逆性、直流电机运行的可逆性 从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一台直流电从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一台直流电机即可作为发电机运行机即可作为发电机运行,也可以作为电动机运行也可以作为电动机运行,只是外界条件不只是外界条件不同而已同而已.一个是输入机械能一个是输入机械能,一个是输入电能一个是输入电能,这种既能作发电机运这种既能作发电机运行行,又能作电动机运行的

8、原理又能作电动机运行的原理,在电机理论中称为可逆原理在电机理论中称为可逆原理.4 、脉动的减小、脉动的减小四个线圈组成的转子电路由B1和B2刷引出的是两条并联支路的电动势。一条是1、2线圈的串联电动势，另一条是3、4线圈的串联电动势 我们知道直流电机的磁场我们知道直流电机的磁场,可以由永久磁场产生可以由永久磁场产生.也可以由励磁绕组也可以由励磁绕组产生产生.前者为永久磁场后者为电磁场前者为永久磁场后者为电磁场,一般来讲永久磁铁的磁场较弱一般来讲永久磁铁的磁场较弱,所以所以现在绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生现在绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生

9、的的.我们称这种磁场为直流电机的主磁场我们称这种磁场为直流电机的主磁场,有时也称为励磁磁场有时也称为励磁磁场. 励磁绕组的供电方式称为励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式.直流电机的运行性能因励磁方式直流电机的运行性能因励磁方式的不同而不同的不同而不同,按照励磁方式的不同按照励磁方式的不同,直流电机分他励和自励两大类直流电机分他励和自励两大类.四、励磁方式四、励磁方式短复励长复励差复励积复励复励串励并励自励他励励磁方式 1、他励直流电机、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源供电的直流电机电枢电流等于负载电流而由其他直流电源供电的直流电机电枢

10、电流等于负载电流 Ia=I 2、并励直流电机、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联后加同一电压励磁绕组与电枢绕组并联后加同一电压. 对发电机对发电机: Ia=I+If 对电动机对电动机: I=Ia+If3、串联直流电机、串联直流电机励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组与电枢绕组串联 I=Ia=If4、复励直流电机、复励直流电机 具有两个励磁绕组,一个与电枢并联.一个与电枢绕组串联.电枢绕组与并励绕组并联后再与串励磁绕组串联称短复励.电枢与串联绕组串联后再与并励磁绕组并联称长复励.若串励绕组与并励绕组产生的磁势方向相同为积复励,相反为差复励.(短复励）1、额定功率、额定功率 PN （千瓦（千瓦KW）2、

11、额定电压、额定电压 UN （伏（伏V）3、额定电流、额定电流 IN （安（安A）4、额定转速、额定转速 nN (转转/分分 r/min)5、额定励磁电压、额定励磁电压 UfN （伏（伏V）6、额定励磁电流、额定励磁电流 IfN （安（安A）注、对发电机额定功率为注、对发电机额定功率为 PN= UN IN 对电动机额定功率为对电动机额定功率为 PN= UN INN P1= UN IN五、直流电机的额定值五、直流电机的额定值每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌,上面标注一些额定数据上面标注一些额定数据,若电机运行时若电机运行时,各数据符合额定值各数据符合额定值,这样

12、的运行情况称为额定工况这样的运行情况称为额定工况,在额定下运行在额定下运行,可保证电机可靠的运行可保证电机可靠的运行,并具有优良的性能并具有优良的性能.根据国标，直流电机的额定数据有：根据国标，直流电机的额定数据有：n 电枢绕组是直流电机的电路部分电枢绕组是直流电机的电路部分,也是直流电机的核心部分也是直流电机的核心部分,是实现是实现机电能量转换的枢纽机电能量转换的枢纽,无论是电动无论是电动机还是发电机机还是发电机,它们的电枢绕组在它们的电枢绕组在磁场中旋转磁场中旋转,都会感应出电势，当都会感应出电势，当电枢中有电流时，又产生电磁转电枢中有电流时，又产生电磁转矩，从而实现了机电能量的转换。矩，

13、从而实现了机电能量的转换。n电枢绕组的构成应能产生足够的电枢绕组的构成应能产生足够的感应电势，并允许通过一定的电感应电势，并允许通过一定的电枢电流，此外还要节省有色金属枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可和绝缘材料，结构简单，运行可靠。靠。n本节主要介绍单叠和单波绕组的本节主要介绍单叠和单波绕组的组成及连接规律。组成及连接规律。 3-2直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组混合绕组复波单波波绕组复叠单叠叠绕组电枢绕组一一 直流电枢绕组的构成直流电枢绕组的构成组成绕组的基本单元称为元件组成绕组的基本单元称为元件.元件有单匝元件有单匝,也有多匝也有多匝,一个元件由两条导体边和端接

14、线组成。元件边置于槽内称为有效边一个元件由两条导体边和端接线组成。元件边置于槽内称为有效边,端接端接线置于铁心外线置于铁心外,不切割磁场，仅起连接线作用不切割磁场，仅起连接线作用一条有效边放在上层，另一条有效边放在下层构成双层绕组，一条有效边放在上层，另一条有效边放在下层构成双层绕组，元件首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕元件首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕组通过换向片连接城一个闭合回路。组通过换向片连接城一个闭合回路。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则整个绕组则整个绕组元件数元件数S 应等于应等于槽数槽数Q 即即S=Q 在大型

15、电机中每槽上、下层包含在大型电机中每槽上、下层包含u个元件，此时个元件，此时S=UQ u为槽内一层嵌放的元件边数为槽内一层嵌放的元件边数.通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间作为一个虚槽通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间作为一个虚槽Qu 则则: Qu=S=uQ由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接,所以所以换向片数换向片数 K=S 则则K=S=Qu二二 、直流电枢绕组的节距、直流电枢绕组的节距电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的,下面分别叙述各个节距的定义和计算方法下面分别叙述各个节

16、距的定义和计算方法.1、第一节距、第一节距y1一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距用一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距用y1表示表示整数PQyu21长距绕组短距绕组整距绕组1y常采用短距绕组常采用短距绕组,可节省端部用铜可节省端部用铜,有利于换向有利于换向：极距2PD2PQu 2、第二节距、第二节距y2相串连的两个元件中相串连的两个元件中,第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离电枢表面上所跨的距离,称为第二节距。用称为第二节距。用y2表示表示,也用虚槽数计算也用虚槽数计算.3、合成节距、合成节距

17、y相串连的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离。相串连的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离。不同类型绕组的差别不同类型绕组的差别,主要表现的合成节距上。主要表现的合成节距上。所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上，所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上，波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串连起来波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串连起来,像波浪一样向前延伸。像波浪一样向前延伸。 叠绕组叠绕组 21yyy波绕组波绕组21yyy4、换向器节距、换向器节距yc一个元件的两个出线端所连接的两个换向片之间所跨的距离一个元件的两

18、个出线端所连接的两个换向片之间所跨的距离,其大小用换向片数计算其大小用换向片数计算.yyc三、单叠绕组三、单叠绕组单叠绕组的连接规律是，所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个单叠绕组的连接规律是，所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾与第一个元件的首端连在一起元件的尾与第一个元件的首端连在一起.构成一个闭合回路。构成一个闭合回路。1cyy+1为右行，为右行，-1为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较

19、多，很少采用。很少采用。例：例：2P=4 S=K=Qu=16 u=1 绘制单叠绕组展开图绘制单叠绕组展开图1cyy441621PQyu312yyy解：解：由已确定的各节距，可绘出绕组展开图由已确定的各节距，可绘出绕组展开图插入动态绕组展开图电机学图33-19.SWF编号方法：元件号、元件上层边所放槽号、上层边连接换向片号一致按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图由绕组电路图可清楚地看出，从电刷外面看绕组时是由四条支路并联组成。由绕组电路图可清楚地看出，从电刷外面看绕组时是由四条支路并联组成。1，5，9，13号元件被电刷短路，同极下元件电流方向一致。号元

20、件被电刷短路，同极下元件电流方向一致。综上所述，单叠绕组有以下特点：综上所述，单叠绕组有以下特点： 1. 单叠绕组的并联支路数单叠绕组的并联支路数2a=应等于电机的极数应等于电机的极数2P；2. 当元件几何形状对称时，电刷应放在主极中心线上，此当元件几何形状对称时，电刷应放在主极中心线上，此 时正、负时正、负电刷间感应电势最大，被电刷所短路元件感应电势为零；电刷间感应电势最大，被电刷所短路元件感应电势为零；3. 电刷数等于极数；电刷数等于极数；4. 电刷间引出的电势为每一支路电势，正、负电刷间引出的电流为电刷间引出的电势为每一支路电势，正、负电刷间引出的电流为各支路电流之和。各支路电流之和。：

21、极对数：支路对数papa四四 单波绕组单波绕组单波绕组的连接规律是单波绕组的连接规律是:从某从某一一换向片出发把相隔约为两个极距的同极性磁场换向片出发把相隔约为两个极距的同极性磁场中对应位置的所有元件串连起来。这种绕组连接的特点是元件两出线端所连中对应位置的所有元件串连起来。这种绕组连接的特点是元件两出线端所连换向片相隔较远换向片相隔较远,相串连的两元件也相隔较远相串连的两元件也相隔较远.形状如波浪一样向前延伸形状如波浪一样向前延伸,所以所以称为波绕组称为波绕组.PKyyc1“-”表示左行，表示左行，“+”表示右行。上式表示右行。上式的含义是，绕组绕电枢一周后，经的含义是，绕组绕电枢一周后，经

22、过过P对极，就由对极，就由P个元件串联起来，每个个元件串联起来，每个元件在换向器上跨过元件在换向器上跨过yc换向片，绕换向片，绕一一周后需接到换向片的左边（周后需接到换向片的左边（k-1），），或右边（或右边（k+1）一个换向片上。）一个换向片上。例：例：2P=4 S=K=Qu=15 u=1绘制单波绕组展开图绘制单波绕组展开图采用左行）(72115cyy短距绕组）(34341521PQyu43712yyy解：解：插入动态绕组展开图电机学图33-21A.SWF1a按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图去掉一组电刷不影响支路电势的引出，但每刷承受的电流加大

23、，去掉一组电刷不影响支路电势的引出，但每刷承受的电流加大，一般取电刷数等于极数。一般取电刷数等于极数。 单波绕组有以下特点单波绕组有以下特点 1. 同极性下各元件串连起来组成一条之路同极性下各元件串连起来组成一条之路. 2. 几何形状对称时电刷应放在主磁极中心线上几何形状对称时电刷应放在主磁极中心线上 3. 电刷数也应等于极数电刷数也应等于极数.可减小每组电刷上的电可减小每组电刷上的电流，改善换向。流，改善换向。1a除单叠和单波外除单叠和单波外.还有复叠还有复叠.复波和混和绕组复波和混和绕组.五、各种绕组的应用范围五、各种绕组的应用范围各种绕组的差别主要在于它们的并联支路数上，支路数越多，各种

24、绕组的差别主要在于它们的并联支路数上，支路数越多，相应的每条支路所串联的元件数越少，原则上电流大、电压相应的每条支路所串联的元件数越少，原则上电流大、电压低的直流电机采用叠绕组。若电流小，电压高采用波绕组。低的直流电机采用叠绕组。若电流小，电压高采用波绕组。综上所述，直流电枢电路是一个有源多支路电路。当电机综上所述，直流电枢电路是一个有源多支路电路。当电机旋转时元件中感应交流电势。从内部看是一个闭合回路，旋转时元件中感应交流电势。从内部看是一个闭合回路，从外部看通过电刷组成多支路电路。从外部看通过电刷组成多支路电路。3-3 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空

25、载时主磁极的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。空载时主磁极的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。 本节分别研究电机的空载和负载磁场，从而了解稳态运行时直流电本节分别研究电机的空载和负载磁场，从而了解稳态运行时直流电机内部的电磁过程。机内部的电磁过程。一、空载时直流电机的气隙磁场一、空载时直流电机的气隙磁场n空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零），空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零），n励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。由于磁极极靴宽度总是小于极距，在极靴下气隙较小，所以由于磁极极靴宽度总是小于极距，在极靴下气隙较小，所以极靴下沿电枢

26、表面主磁场较强，极靴以外，气隙加大，主磁极靴下沿电枢表面主磁场较强，极靴以外，气隙加大，主磁场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。不计齿槽场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。不计齿槽影响气隙磁场磁密分布波形为一礼帽形，如下图：影响气隙磁场磁密分布波形为一礼帽形，如下图：FHB00二、负载时的电枢磁动势二、负载时的电枢磁动势 负载时电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立，电负载时电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立，电枢磁动势的出现使气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现了机电能量枢磁动势的出现使气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现了机电能量的转换。的转

27、换。1、交轴电枢磁动势、交轴电枢磁动势当电刷位于几何中性线时，电枢磁动势的轴线与主极轴线正交当电刷位于几何中性线时，电枢磁动势的轴线与主极轴线正交故称故称交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势2/2/取一经过原点为+X及-X的闭合回路，设Za为电枢绕组总导体数，D为电枢直径根据安培环路定律此回路所包围的总电流为DiXZaa2作用在X点处每个气隙磁势为在几何中性线处，即 ,交轴电枢磁势达到最大值2X2AFaqDiZAXAXDiXZxfaaaaa22/()2(21)(极）安安培导体数称电负荷）电枢表面单位长度上的(2、直轴电枢磁动势、直轴电枢磁动势若电刷从几何中性线移过若电刷从几何中性线移过角，将电枢磁势分

28、为两部分角，将电枢磁势分为两部分交轴电枢磁动势的最大值为：交轴电枢磁动势的最大值为：角的电枢表面弧长：对应bbAFaq)2(直轴电枢磁动势的最大值为：直轴电枢磁动势的最大值为：AbFad当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动，每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动，即它与主磁场是相对静止。即它与主磁场是相对静止。三、电枢反应三、电枢反应负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应如果电枢磁动势有交轴和直轴分量，则电枢反应如果

29、电枢磁动势有交轴和直轴分量，则电枢反应相应的称为相应的称为交轴电枢反应交轴电枢反应和和直轴电枢反应直轴电枢反应。1、交轴电枢反应、交轴电枢反应电刷处于几何中性线上电刷处于几何中性线上当电枢在几何中当电枢在几何中性线时，由电枢性线时，由电枢磁势波（三角波）磁势波（三角波）可得电枢磁密波可得电枢磁密波形呈形呈“马鞍马鞍”形形分布分布)()()()(00FHLHxxfxbaa将主磁场与电枢磁场合成，合成后磁场与主磁场比较将主磁场与电枢磁场合成，合成后磁场与主磁场比较得出两点结论：得出两点结论： 气隙磁场畸变气隙磁场畸变 一半削弱，一半加强，电枢表面磁密为零处离开几何中一半削弱，一半加强，电枢表面磁密

30、为零处离开几何中 性线性线 顺电机转向移过顺电机转向移过角（发电机），对于电动机逆角（发电机），对于电动机逆 电机转向移过电机转向移过角。角。 去磁作用去磁作用 磁路不饱和时磁路不饱和时, ,主磁场削弱数量和增加数量相同，图中主磁场削弱数量和增加数量相同，图中实线所示，磁路饱和时，图中虚线所示。实线所示，磁路饱和时，图中虚线所示。 所以所以磁路磁路饱和时交轴电枢反应呈去磁作用饱和时交轴电枢反应呈去磁作用2、直轴电枢反应、直轴电枢反应若电刷不在几何中性线上若电刷不在几何中性线上除交轴电枢磁动势外，还有除交轴电枢磁动势外，还有直轴电枢磁动势。直轴电枢磁动势。由右图可见，若为由右图可见，若为发电机发

31、电机电刷顺电枢旋转方向移动电刷顺电枢旋转方向移动角，则直轴电枢反应是角，则直轴电枢反应是去磁的去磁的；若逆转向转过；若逆转向转过角角则直轴电枢反应是增磁的。则直轴电枢反应是增磁的。电动机与发电机恰好相反。电动机与发电机恰好相反。3-4直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩本节推导电枢的感应电动势和电磁转矩的计算公式一、电枢绕组的感应电动一、电枢绕组的感应电动势势感应电动势指一条支路的电势（也就是电刷间的电势）感应电动势指一条支路的电势（也就是电刷间的电势）称电枢电势。称电枢电势。每根导体的电势为：lvbexxxb为导体所在处气隙磁密l电枢导体的有效长度v导体切割气隙磁场的

32、速度设电枢总导体数为Za，支路数为2a=，则每条支路串联导体数aZa2则支路电势为：aZaZxxaaablvlvbE2121），除导体数得平均磁密一极下各导体磁密之和(2121aZxaavabaZBnCnapZlBnapZBaZnplEnPRnRvBaZlvEeaavaavaaavaa60)(6026026026022aZBbaavaZxa221电势常数aPZCae60不计饱和时，ffIKfeaffafffeffeffaaaKCGIGIKCIKCInKapZnapZE2602602606060当磁路饱和时，Ea与磁通和转速成正比当磁路不饱和时，Ea与励磁电流和转速成正比运动电动势系数二、直流电

33、机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩当电枢内有电流时，载流导体与气隙磁场相作用产生电磁转矩首先计算一个导体的电磁转矩，再计算一个极下所有导体产生的电磁转矩，最后乘2P即得整个电枢产生的电磁转矩导体的电磁转矩为：2DlibTaxc一极下导体数为Za/2p一极下导体产生的电磁转矩为：222122212121DliBpZTbpZBbDliDlibTaavappZxaavpZxapZaxpaaa作用于整个电枢上的转矩为作用于整个电枢上的转矩为：eeaTaTaTaaaaeaaavaavapeCCapZCapZCICIapZpaIllZTaIilBpDDliBZpTT55. 9260222)2(21)2)(

34、2222转矩常数22DliBpZTaavap不计饱和时，ffIKafafaffeaffTeIIGIIKCIIKCT260当磁路饱和时，Te与磁通和电枢电流成正比当磁路不饱和时，Te与励磁电流和电枢电流成正比eeafafaaPTIIGIE电磁功率fafaIGEfeafKCG2603-5 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式 直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入）的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入）转矩和转速的机械端口

35、。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。转矩和转速的机械端口。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。基本方程式：基本方程式：1、电端口的电压平衡方程式、电端口的电压平衡方程式 2、机械端口的转矩平衡方程式、机械端口的转矩平衡方程式一、电压方程一、电压方程 1.他励直流电机他励直流电机aII fffRIU对电枢回路： 发电机 aaSaaRIUURIUE2 电动机 aaaSaaRIEURIEU22、并励磁直流电机、并励磁直流电机UUf对发电机faIII 对电动机faIII励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励相同式中 R：电枢绕组电阻， ：正、负一对电刷上的接触电压降， 石墨电刷 ，金属石墨

36、 Ra：电枢回路总电阻，包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻， Rf：励磁绕组电阻。注：发电机 且输出电流作为电枢电流的正方向 电动机 且输入电流作为电枢电流的正方向SU2UEaaEU VUS6 . 02VUS223、串励直流电机、串励直流电机saIII IS：串励绕组中励磁电流 二、转矩方程二、转矩方程1、直流发电机、直流发电机原动机以T1 的转矩拖动转子沿逆时针方向旋转，则Ea、Ia 、Te的方向如图所示，Te的方向与T1相反，为制动性质的转矩，T1为拖动转矩。则：01TTTe2、直流电动机、直流电动机 Te为驱动转矩，所以02TTTe2T：轴上输出转矩拖动性质的转矩Te与制动性质的负载转矩2T

37、及电机本身的机械阻力转矩相平衡。三、电磁功率及功率方程三、电磁功率及功率方程1、电磁功率、电磁功率采用电动机惯例励磁绕组输入的功率为：ffffffffRIIRIIUP2这部分功率全部变为励磁绕组内的电阻损耗。 电枢绕组输入的功率为：aaaaaaaaaRIIERIEIUI2)(由两部分组成：1） 电枢回路铜损耗aaRI2 2）电磁功率aaIE前已证明：eeaaPTIE对于电动机， 为电枢绕组中运动电势所吸收的电功率， 为电磁转矩对机械负载所作的机械功率，由于能量守恒，两者相等。是电功率转换为机械功率。所以无论是电动机还是发电机， 是能量转换过程中的转换功率，能量转换发生在电枢电路和机械系统之间，

38、 的大小与 的大小（即耦合磁场的强弱）有关。 aaIEeTePePfITe与n同向，与T2、To反向T1与n同向，与Te、To反向2、功率方程、功率方程以并励磁直流电机为例研究功率方程以并励磁直流电机为例研究功率方程并励电动机：并励电动机：cufcuaefffaaaaffaaaafafaPPPIRIRIIEIUIRIEUIUIIIUUIP21)()( 式中：1P：输入功率 cuaP：电枢回路总铜耗 cufP：励磁回路铜耗020202)(PPTTTTTPee：为电动机输出的机械功率式中：22TPcufcuacufcuaePPPPPPPP021由上式可直观的画出功率流程图P：杂散损耗，由于电枢有齿

39、槽的存在产生的损耗，难于精确计算，国标规定有补偿绕组的按1%NP无补偿绕组的0.5%NP估算机械损耗铁损耗式中：:0PPPPPFeFe并励发电机并励发电机PPPPPTTTTTPFeeeee00011)(cuacufaafaafaaaaaaaaePPPRIUIUIRIIIURIUIIRIUIEP2222)()(UIP 2为发电机输出的电功率 PPPPPPPPPFecufcuaFee21n直流发电机在拖动系统中多作为电源使用，目前直流发直流发电机在拖动系统中多作为电源使用，目前直流发电机有被大功率可控硅整流电源取代的趋势，但有些系电机有被大功率可控硅整流电源取代的趋势，但有些系统中还要使用。统中还

40、要使用。n发电机的特性一般指发电机运行时，端电压发电机的特性一般指发电机运行时，端电压u、负载电流、负载电流I、励磁电流、励磁电流If 这三个物理量之间的关系，保持其中的一这三个物理量之间的关系，保持其中的一个量不变，其余两个量就构成一种特性。个量不变，其余两个量就构成一种特性。 因此有（因此有（1）空载特性）空载特性 （2）外特性）外特性 （3）调整特性）调整特性 （4）效率特性）效率特性 n发电机的运行特性与励磁方式有关，下面按他励、并励、发电机的运行特性与励磁方式有关，下面按他励、并励、复励三种不同励磁方式分别进行研究。复励三种不同励磁方式分别进行研究。四、四、 直流发电机的运行特性直流

41、发电机的运行特性。)(00fNIfUICnn一）、他励发电机的运行特性一）、他励发电机的运行特性用实验方法测取空载特性时，接线如下图用实验方法测取空载特性时，接线如下图Nnn发电机由原动机拖动，保持发电机由原动机拖动，保持1、空载特性、空载特性)(0fIfU 调节励磁电流调节励磁电流 ，使发电机空载端电压达到，使发电机空载端电压达到1.2UN 然后使励磁电流逐渐降至零，测取然后使励磁电流逐渐降至零，测取U0 和和If 即得即得与磁化曲线)(0fIf相同注：注：单方向调节单方向调节2、外特性、外特性的关系常值)(IfUICnnfN使用实验方法测取外特性时，发电机电枢加入负载电阻RL，当CnnN时

42、，调RL 和fIfNfNNIIIIUU此时,然后保持NfI不变，变 RL 使I 逐渐减小测取U，I，即得)(IfU aaeaaaRInCRIEU由电压方程U下降的原因1）去磁作用U 2）URIIaaa发电机端电压随负载而变化的程度用电压调整率来衡量，发电机从额定负载过渡到空载时，端电压变化的数值与额定电压的比值，称为额定电压调整率。%100UUUU)II (NN0NNffU他励发电机的 大约在510%这一范围内。随负载变化基本上可看成是一个恒压的直流电源。 aaKREI他励发电机在额定励磁下短路时，短路电流由于aR 很小，所以KI很大，可达（2030）IN ，故不允许在额定励磁下短路。3、调整

43、特性、调整特性的关系常值)(IfIUUCnnfNNfI曲线是一条上升的曲线。由外特性可知，当负载电流I增加时，发电机端电压下降。如需维持U为常值，I增加时， 要相应的增加以补偿去磁的电枢反应和电枢回路电阻压降，通过调节特性实验可求出空载时和额定负载时所需的励磁电流0fI和NfI 4、效率特性、效率特性的关系常值)(,2PfUUCnnNNaffaSaFeffaSaFeUIIUIURIPPPIUIURIPPPPPPPPPPPPP2211221112212P：总损耗 式中：RIa2为电枢绕组铜损耗； SU2：一对电刷的接触电压降 对石墨VUS6 . 02 对金属石墨VUS22将以上损耗分别分为两大类

44、 1、不变损耗，不随P2的变化而变化PPFe,2、可变损耗，随P2变化而变化 bcufcuaPPPP,0adId 解出最大效率 即当不变损耗=可变损耗时发生最大效率一般在3/4PN左右发生最大效率小型直流发电机%9070中大型直流发电机%9691二）、并励发电机的自励和运行特性二）、并励发电机的自励和运行特性1、并励发电机的自励、并励发电机的自励并励和复励都是一种自励发电机，即不需要外部电源供励磁电流，这种自励发电机首先是在空载时建立电压即所谓“自励”，然后再加负载下面以并励为例研究其自励过程。（1）自励过程）自励过程励磁绕组是并联在电枢绕组两励磁绕组是并联在电枢绕组两端，励磁电流是由发电机本

45、身端，励磁电流是由发电机本身提供。发电机由原动机拖动至提供。发电机由原动机拖动至额定转速，由于额定转速，由于发电机磁路里发电机磁路里总有一定的剩磁总有一定的剩磁，当电枢旋转，当电枢旋转时，发电机电枢端点将有一个时，发电机电枢端点将有一个不大的剩磁电压不大的剩磁电压E0r，E0r同时加同时加在励磁绕组两端，便有一个不在励磁绕组两端，便有一个不大的励磁电流通过，从而产生大的励磁电流通过，从而产生一个不大的励磁磁场。一个不大的励磁磁场。如励磁如励磁绕组接法适当绕组接法适当，可使励磁磁场，可使励磁磁场的方向与电机剩磁方向相同，的方向与电机剩磁方向相同，最终稳定在空载特性和励磁电最终稳定在空载特性和励磁

46、电阻线的阻线的交点交点A （2）自励条件）自励条件1）电机必须有剩磁电机必须有剩磁。如电机失磁，可用其他直流电源激励。如电机失磁，可用其他直流电源激励 一次，以获剩磁。一次，以获剩磁。2）励磁绕组并到电枢绕组的极性必须正确。励磁绕组并到电枢绕组的极性必须正确。否则电枢电势否则电枢电势 不但不会增大反而会下降，如有这种现象，可将励磁绕不但不会增大反而会下降，如有这种现象，可将励磁绕 组对调。组对调。3）励磁回路的电阻应小于临界电阻励磁回路的电阻应小于临界电阻。否则与空载特性。否则与空载特性 无交点，不能建立电压无交点，不能建立电压2、并励发电机的运行特性、并励发电机的运行特性与他励相同，也有外特

47、性，调整特性和效率特性。与他励相同，也有外特性，调整特性和效率特性。调整特性和效率特性与他励十分相近，仅说明其外特性。调整特性和效率特性与他励十分相近，仅说明其外特性。外特性：外特性：的关系常值)(IfURCnnfN与他励外特性比较，并励的外特性有三个特点：与他励外特性比较，并励的外特性有三个特点：1）同一负载电流下，端电压较低。）同一负载电流下，端电压较低。2）外特性有）外特性有“拐弯拐弯”现象。现象。3）稳定短路电流小）稳定短路电流小1）去磁作用U 2）URIIaaaURUIUff) 3所以并励外特性比他励低。电压调整率一般在20%左右 端电压低端电压低外特性外特性“拐弯拐弯”现象的出现是

48、因为现象的出现是因为 当稳态短路时（ ），U=0， ，此时电枢绕组中的电流由剩磁电动势产生， ，因 不大，所以 不大。0LR0fIarKREI0rE0KI三）、复励发电机的运行特性三）、复励发电机的运行特性 复励发电机有并励绕组和串励绕组两个励磁绕组，而串励绕组的作用是随着负载电流的增加增磁，从而补偿了并励绕组的去磁作用。所以复励发电机的外特性较平直 稳定短路电流小IRUEIUIRRUILafLL导致下降幅度大于积复励发电机应用很广，因可灵活的调整并励和串励磁场，从而设计出所需要的外特性。一般希望随负载变化发电机端电压稳定。这一点只有复励发电机能达到。 对串励，因励磁磁势直接随负载变化，端电压

49、极不稳定，故不采用 过复励：补偿有余平复励：恰好补偿欠复励：补偿不足 3-6 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性直流电动机是直流发电机的一种逆运行状态，将电能变为机械能，由于表征机械能的参数为转矩和转速。所以直流电动机稳定运行特性最主要的就是（转矩转速）特性即机械特性。再是工作特性。直流电动机运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面分别加以研究一、并励电动机的运行特性1、机械特性（转矩、机械特性（转矩转速特性）转速特性）)(efNTfnCRUU转矩转速特性（机械特性）aTeeaaaRCTnCRIEU),(2CRUUTCCRCUnfNeTeaeCRUUfN,如不计磁饱和效应（忽略电枢反应影

50、响） C并励电动机机械特性为一稍微下降的直线 nfI机械特性具有以下特点：机械特性具有以下特点：eNeCUnnT00时，称为理想空载转速 （1） NNennTT时，（2） 2TeaCCR（3）特性为一斜率为 的向下倾斜的直线 2TeaCCR 为稍微下降的直线，这种特性称为硬特性 （4）电枢反应的影响 如考虑磁饱和，交轴电枢反应呈去磁作用 eTeaeTCCRCUn2 n机械特性的下降减小，或水平，或上翘 为避免上翘，采取一些措施，可加串励绕组，其磁势抵消电枢反应的去磁作用。 2、工作特性、工作特性 直流电动机的工作特性指： )(,2PfTnRUUefN常值 因在实际运行时电枢电流 可直接测量，且

51、电枢电流 随 增加而增大，两者增大趋势相差不多，所以可将工作特性表示为： aIaI2P)(,aeIfTn1) 转速特性)(),(affNfNIfnRIIUU常值aeaaeaeaaeaaaICRnICRCUnRInCRIEU0如不计电枢反应的去磁作用 aInn0如考虑电枢反应的去磁作用会使n 趋于上升，为保证电机稳定运行，在电机结构上采取一些措施，使并励电动机具有略微下降的转速特性。转速调整率为 %1000NNnnnn并励电动机负载变化时，转速变化很小， )%83(n注：并励电动机在运行时，励磁绕组绝对不允许断开。所以转速特性为一斜率 为的直线。eaaCRIUnnIf0, 0分析：1、轻载“飞车

52、”；2、重载电机停转，电流大烧坏电机； 3、电机静止电势小，电流大烧坏电机。2）转矩特性)(),( ,aefNIfTRUU常值aTeICT 不计饱和时aeIT aeIT 与成正比 计饱和时， 较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线，如图实线所示。aI3）效率特性)(),( ,afNIfRUU常值%100)(21 (%100)1 (%100%100211112faffaSaFeIIUIUIURIPPPPPPPPPP二、串励电动机的运行特性二、串励电动机的运行特性串励电动机的特点是 随 变化IIISaaIIkIKSaS1、机械特性、机械特性（转矩转速特性）)(,eSNTfnRUU常值)()()

53、()(SaSeSaSeSaeSaaeSfaaaRRnKCIRRIInKCRRInCRRInCRIRIEU)()(2IKCICTRRnKCKCTUSTaTeSaSeSTe)(1SaeSTSeRRUTKCKCnn反比于 ，转速随转矩的增加迅速下降，这种特性称为软特性2、工作特性、工作特性（1）转速特性)(,aSNIfnRUU常值eaaSaaaSeSaeCRIUnRRRRIInKCRRInCU)(串励的转速特性与并励截然不同，它随负载增加迅速降低，变化很大。 “飞车”现象，因此串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。转速特性与纵轴无交点。其转速调整率定义为： nIIaaeT%1004/1NNn

54、nnn4/1n为输出功率等于1/4PN 时的转速。(2)转矩特性)(,aeSNIfTRUU常值22aTaSTafSTaTeICIKCIIKCICT当磁路不饱和时：2aeIT 当磁路饱和时：aeIT 一般可看成 ， 按大于一次方的比例增加。2aeIT eT它对起动和过载能力有重要意义，在同样大小的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。（用于电气牵引）（3）效率特性其效率特性与并励电动机相似三、复励电动机的运行特性三、复励电动机的运行特性 复励电动机通常接成积复励，即有并励绕组，又有串励绕组，故其特性介于并励与串励之间。 若励磁绕组以并励为主，则其特性接近于并励电动机但由于有串励磁势的存在，

55、 补偿电枢反应的去磁作用，不致使转速特性上翘。 aI若励磁绕组中串励磁动势起主要作用，则特性接近于串励电动机，由于有并励磁势存在，不会使电动机空载时出现“飞车”现象。复励电动机的转矩转速特性1：复励（并励为主） 2：（串励为主） 3：串励四、直流电动机稳定运行条件电动机工作过程中能否稳定运行与其机械特性和负载特性密切相关。 电动机的机械特性用 曲线表示，负载的机械特性用 曲线表示，二者的交点就是运行工作点，如图3.46所示。图3.46(a)、(b)画出了直流电动机带负载运行的两种情况。n (a)不稳定运行 (b)稳定运行n图3.46 电动机运行稳定的条件( )enT( )LnT对于图对于图3.

56、46(a)所示的情况，设初始工作点为所示的情况，设初始工作点为 ，由于，由于某种扰动，电动机转速有一增量某种扰动，电动机转速有一增量 ，转速由，转速由 变化变化到到 ，由于负载转矩小于电磁转矩，即使扰动消失，由于负载转矩小于电磁转矩，即使扰动消失，电机也将继续加速，不能恢复到初始工作点电机也将继续加速，不能恢复到初始工作点 ；反之，；反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由由于某种原因，电动机转速降低，转速由 变化变化到到 ，负载转矩大于电磁转矩，电机继续减速，也不，负载转矩大于电磁转矩，电机继续减速，也不能恢复到初始工作点能恢复到初始工作点 。因此图。因此图3.46(a)所示为不稳定所示为

57、不稳定运行的情况。不稳定运行的条件是运行的情况。不稳定运行的条件是0ndn2n0n0n0n1n0neLdTdTdndn对于图3.46 (b)所示的情况，设初始工作点为 ，由于某种扰动，电动机转速有一增量 ，转速由 变化到 ，此时负载转矩大于电磁转矩，扰动消失后，电机将减速，恢复到初始工作点 ；反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由 变化到 ，负载转矩小于电磁转矩，电机加速，也能恢复到稳定工作点 。因此图3.46 (b)所示为稳定运行的情况。稳定运行的条件是 若负载为恒转矩负载，则负载转矩不随转速变化，上式变为即电动机稳定运行的条件是其机械特性必须是下降的电动机稳定运行的条件是其机械特性必须

58、是下降的。0ndn2n0n0n1n0n0neLd Td Td nd n0ed Td n3-8 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动本节介绍直流电动机的起动、制动和调速原理及方法。 一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动直流电机接到电源后，转速从零达到稳定转速的过程称为起动过程，是一动态过程，情况较为复杂，仅介绍起动要求和起动方法。 直流电动机起动的基本要求是： （1）起动转矩要大 （2）起动电流要小，限制在安全范围之内 （3）起动设备简单、经济、可靠 aSTaaRUIIEn0, 0aI可突增至额定电流的十多倍，故此必须加以限制 在保证产生足够的起动转矩下（ ），尽量减小起

59、动电流，一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.52）IN 。 aTeICT常用的起动方法有三种，分别介绍如下 1、直接起动、直接起动加全压起动，起动电流 达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。 aaRUI优点：操作简单，不需起动设备。缺点：冲击电流太大 1、对电网电压影响 2、对电机本身影响只适用于小型电动机起动2、电枢回路串变阻器起动、电枢回路串变阻器起动为限制起动电流，在起动时将多个起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，再逐级将起动电阻切除。StaStRRUI只要 选择适当，能将起动电流限制在允许范围内，随n的上升可切除一段电阻。采用分段切除电阻，可使电机在起动过程中获较大加速，且加速均匀，

60、缓和有害冲击。如下图为分二级起动的机械特性曲线。StRTenTNRst=0Rst1Rst221ststaStRRRR切除可手动完成，也可自动完成。 优点： 起动设备简单，操作方便。缺点：电能损耗大，设备笨重 常用三点起动器接线图3-49A),(2CRUUTCCRCUnfNeTeae、降压起动、降压起动采用降压起动时，需专用调压电源，直流发电机或可控硅整流电源。用发电机，调节励磁达到调压；用可控硅整流电源，用触发信号控制输出电压。 优点：起动电流小，能量损耗小，缺点：设备投资大。二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速许多生产机械需要调节转速，直流电动机具有在宽广的范围内平滑而经济的调速的性能。