电机学第3章 直流电机

1、第第3 3章章 直流电机直流电机 本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机和直流电动机的工作特性运行特性。机和直流电动机的工作特性运行特性。3.1 直流电机的工作原理与基本结构直流电机的工作原理与基本结构3.2 直流电枢绕组直流电枢绕组3.3 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势

2、和电磁转矩3.5 直流电机的基本方程直流电机的基本方程3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性3.8 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3.9 换向换向 直流电机直流电机 实现机械能和直流电能相互转换的实现机械能和直流电能相互转换的电磁机械装置。电磁机械装置。 把机械能转换成直流电能的电机是直流发电机；反把机械能转换成直流电能的电机是直流发电机；反之，则为直流电动机。之，则为直流电动机。 直流电机的用途直流电机的用途l直流电动机直流电动机w 特点特点 调速范围宽，易于平滑调节调速范围宽，易于平滑调节 过载、起动、制动

3、转矩大过载、起动、制动转矩大 易于控制，可靠性高易于控制，可靠性高 调速时能量损失较小调速时能量损失较小w 应用于对调速要求高的场所：轧钢机、舰船推进、造应用于对调速要求高的场所：轧钢机、舰船推进、造纸、挖掘机等。纸、挖掘机等。l直流发电机直流发电机w 给直流电动机、电解、电镀、冶炼、充电、交流发电给直流电动机、电解、电镀、冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。机励磁等的直流电源。w主要缺点主要缺点 换向困难，使容量受到限制。换向困难，使容量受到限制。 有换向器，费工费料、造价昂贵，需有换向器，费工费料、造价昂贵，需要经常维护，寿命较短。要经常维护，寿命较短。 可靠性差。可靠性差。 对环境要

4、求高。对环境要求高。3.1 3.1 直流电机的工作原理和结构直流电机的工作原理和结构1 1、直流电机的工作原理、直流电机的工作原理 直流电机的构成直流电机的构成右图为直流电机的物理模型，右图为直流电机的物理模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固是固定在可旋转导磁圆柱体上的线定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首电机的转子或电枢。线圈的首末端末端a、d连接到两个相互绝缘连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不是通过

5、放置在换向片上固定不动的电刷进行的。动的电刷进行的。 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 此时，导体此时，导体ab在在N极下，极下，a点高电位，点高电位，b点低电位（右点低电位（右手定则）手定则） ；导体；导体cd在在S极下，极下，c点高电位，点高电位，d点低电位；电点低电位；电刷刷A极性为正，电刷极性为正，电刷B极性为负。极性为负。逆时针旋转逆时针旋转 因此电刷因此电刷A的极性总是正的，电刷的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，的极性总是负的，在电刷在电刷A、B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。实际直流发电机的电枢是根据实际需要

6、有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是需要接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是需要N、S极交极交替且成对。替且成对。 当原动机驱动电机转子当原动机驱动电机转子逆时针旋转逆时针旋转 1801800 0 后后 ，如右，如右图。图。 导体导体ab在在S极下，极下，a点低电点低电位，位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在N极下，极下，c点低电位，点低电位，d点高电点高电位；电刷位；电刷A极性仍为正，极性仍为正，电刷电刷B极性仍为负。极性仍为负。BlvBe导体感应电势导体感应电势直流发电机实

7、质是带换向器直流发电机实质是带换向器的交流发电机的交流发电机 直流电动机工作原理直流电动机工作原理 把电刷把电刷A、B接到直流接到直流电源上，电刷电源上，电刷A接正极，电接正极，电刷刷B接负极。此时电枢线圈接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。中将电流流过。如右图。 在磁场作用下，在磁场作用下，N极性极性下导体下导体ab受力方向从右向左受力方向从右向左，S 极下导体极下导体cd受力方向从受力方向从左向右。该电磁力形成逆时左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电机转针方向的电磁转矩，电机转子逆时针方向旋转。子逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示当电枢旋转到右图所示位置时位置时, ,原原

8、N N极性下导体极性下导体 ab ab 转转到到 S 极下，受力方向从左向极下，受力方向从左向右，原右，原S 极下导体极下导体cdcd转到转到N极极下，受力方向从右向左。该电下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。旋转。直流发电机工作原理：直流发电机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换向器的作用将元

9、件内的交流电动势转换为电刷间的直向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直流电动势流电动势, ,经电刷将直流电输出。经电刷将直流电输出。 直流电动机工作原理：直流电动机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流电动机旋转。电动机旋转。 2. 直流电机的主要结构直流电机的主要结构直流电机的转子直流电机的转子 电枢铁心电枢铁心 电枢

10、绕组电枢绕组电枢铁心冲片电枢铁心冲片 (0.5mm厚厚) （硅钢片）（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成轴向通风孔轴向通风孔直流电机的主要结构直流电机的主要结构1换向极铁换向极铁心心2换向极绕换向极绕组组3主极铁心主极铁心4励磁绕组励磁绕组5电枢齿电枢齿6电枢铁心电枢铁心7换向器换向器8电刷电刷9电枢绕组电枢绕组10机座机座11底脚底脚直流电机的主要结构直流电机的主要结构换向器结构换向器结构1换向片；换向片；2垫圈垫圈3绝缘层；绝缘层；4套筒套筒安装在机座上的主极安装在机座上的主极 1极身；极身；2极靴；极靴；3励磁绕组；励磁绕组；4绝缘板；绝缘板；5机座机座主磁极主磁极 构成：

11、主极铁心和套装在铁心上的励磁构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。绕组。机座机座 构成：构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：建立主磁场。作用：建立主磁场。作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2 2、电机的结构框架、电机的结构框架。电枢铁心电枢铁心作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2 2、电枢绕组的支撑部件。、电枢绕组的支撑部件。 构成：一般用厚构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽且冲有齿、槽硅钢片叠压硅钢片叠压 而成而成电枢绕组电枢绕组作用：直流电机的电路部分。作用：直流电机的电路部分。 构成：用绝缘的圆形或矩形截

12、面的导线绕成，上下构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。槽楔压紧。换向器换向器 作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而电刷装置电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。构成。构成。faIII并faII

13、I串faII 串faIII串fII 他励并励串励复励3 3、 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式指励磁绕组获得励磁电流的方式。（指励磁绕组获得励磁电流的方式。（他励、自励他励、自励）除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁除永磁式微型直流电机外，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。绕组通入电流激励而建立的。4 4、 直流电机的额定值直流电机的额定值额定功率额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以出功率，以 “kW” 为量纲单位。为量纲单位。 对于直流发电机，对于直流发电机，PN是指是指线端线端

14、输出的输出的电功率电功率。PN= UNIN 对于直流电动机，对于直流电动机，PN是指是指转轴转轴上输出的上输出的机械功率机械功率。PN= UN INN 额定电压额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。为单位。额定电流额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的指电机在额定电压、额定功率时的线电流线电流（电机出线（电机出线端的线路电流），以端的线路电流），以 “A” 为单位。为单位。 额定转速额定转速 n nN N 指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/minr/min为单位。为单位。额定励磁电压额定励磁电

15、压 U UfNfN 指电机在额定状态时的励磁电压值（他励）。指电机在额定状态时的励磁电压值（他励）。额定励磁电流额定励磁电流I IfNfN 指电机在额定工作状态时的励磁电流值。指电机在额定工作状态时的励磁电流值。 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效率、出厂日期、出厂编号等。率、出厂日期、出厂编号等。 国产直流电机的国产直流电机的系列产品代号系列产品代号采用采用大写汉语拼音字母大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进

16、设计型，表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表表示机座号，示机座号，7后面的后面的2表示长铁心（表示长铁心（2号表示长铁心，号表示长铁心，1号表号表示短铁心）。示短铁心）。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或其他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。相关的手册中查到。 电枢绕组的特点电枢绕组的特点 电枢绕组的型式电枢绕组的型式单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组 按联结方法，可分为：按联结方法，可分为：单叠绕组、单波绕组单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。 区别在于电枢绕组的区别在于电枢绕组的并联支路数不同并联支路

17、数不同。电枢绕组产生感应电动势，通过电流，从而产生电枢绕组产生感应电动势，通过电流，从而产生电磁转矩和电磁功率，是实现机电能量转换的重电磁转矩和电磁功率，是实现机电能量转换的重要部件。要部件。w 电枢绕组由结构相同的线圈组成，电枢绕组由结构相同的线圈组成，可以是单匝或多匝的。可以是单匝或多匝的。w 线圈由线圈边和线圈端部组成，线圈由线圈边和线圈端部组成，有首端和末端，有首端和末端，首、末端分别与首、末端分别与不同的换向片联结不同的换向片联结。w 每个槽内放置两层线圈边。每个槽内放置两层线圈边。w 线圈的一个线圈边放在槽的上线圈的一个线圈边放在槽的上层，称为上层边；另一线圈边层，称为上层边；另一

18、线圈边放在另一槽的下层，称为下层放在另一槽的下层，称为下层边。边。w 每个槽内放置两个线圈边，每个槽内放置两个线圈边，电枢槽数电枢槽数 Q 等于线圈数等于线圈数 S 。w 实际电机中，常在槽的上、下实际电机中，常在槽的上、下层放置多个线圈边。层放置多个线圈边。w 用用虚槽虚槽来描述，如果每个实槽来描述，如果每个实槽中有中有u个虚槽，则个虚槽，则虚槽数虚槽数与实与实槽数的关系为槽数的关系为QuuQ 。w 通过换向器联结而成的闭合绕组通过换向器联结而成的闭合绕组 为使旋转的各线圈能不断的依次改变电流方为使旋转的各线圈能不断的依次改变电流方向（换向），必须使用闭合式绕组；向（换向），必须使用闭合式绕

19、组； 从某一线圈边出发，按一定的规律依次串联从某一线圈边出发，按一定的规律依次串联所有线圈边后，再回到出发点，构成一个闭所有线圈边后，再回到出发点，构成一个闭合回路；合回路； 各线圈间的联结通过换向器完成。各线圈间的联结通过换向器完成。w 线圈间通过换向片相互联结，线圈间通过换向片相互联结，同一换向片既联一个线圈的同一换向片既联一个线圈的首端，又联另一线圈的末端，首端，又联另一线圈的末端，换向片数换向片数 K 等于线圈数等于线圈数 S 。w 虚槽数、线圈数和换向片数虚槽数、线圈数和换向片数的关系为的关系为 Qu S K 。w 节距节距：表示相关的两个线圈边之间的距离，用虚槽：表示相关的两个线圈

20、边之间的距离，用虚槽数或换向片数表示。数或换向片数表示。w 第一节距第一节距 y1 ：一个线圈的：一个线圈的两个线圈边在电枢圆周表两个线圈边在电枢圆周表面上跨过的距离。面上跨过的距离。w 为使线圈的感应电动势最为使线圈的感应电动势最大，大，y1应接近极距应接近极距p 。 整距线圈：整距线圈：y1p 短距线圈：短距线圈：y1p 长距线圈：长距线圈：y1p 整数pQyu21极距极距：相邻两个磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用：相邻两个磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用p 表示表示 (以虚槽数计）。以虚槽数计）。 =Qu/2p 注：注：p为极对数。为极对数。w 第二节距第二节距 y2 ：一个线：一个线圈

21、的下层边和与其串圈的下层边和与其串联的另一线圈的上层联的另一线圈的上层边间的距离。边间的距离。 w 合成节距合成节距 y ：两个串联的：两个串联的线圈的对应边的距离。线圈的对应边的距离。 单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组单叠绕组：单叠绕组： y = y1 - y2单波绕组：单波绕组： y = y1+ y2w 换向片节距换向片节距 yK ：一个线圈的首、末端在换向器表：一个线圈的首、末端在换向器表面跨过的距离，用面跨过的距离，用换向片数换向片数表示。表示。 yK y 。单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组单叠绕组：单叠绕组：yK1 ；单波绕组：单波绕组：yK2p 。单叠绕组单叠绕组w 联结规律联结规

22、律 将同一个主极下的线圈将同一个主极下的线圈联成一条支路，所有的联成一条支路，所有的相邻线圈依次串联，后相邻线圈依次串联，后一个的首端与前一个的一个的首端与前一个的末端相连；末端相连； 每个线圈的两端联到两每个线圈的两端联到两个 相 邻 的 换 向 片 上个 相 邻 的 换 向 片 上（yk=1）；）； 由同一个换向片联结的由同一个换向片联结的两个线圈在电枢表面圆两个线圈在电枢表面圆周 上 相 距 一 个 虚 槽周 上 相 距 一 个 虚 槽（y=1）。）。单叠绕组单叠绕组w 单叠绕组的联结规律单叠绕组的联结规律以以 2p4，QuSK16 的直流电机为例。的直流电机为例。整数441621pQy

23、uK1yy单叠绕组单叠绕组w 绕组展开图绕组展开图 电枢在旋转，电枢在旋转，取某一时刻，取某一时刻，磁极在上面。磁极在上面。 电动势方向。电动势方向。 电 刷 的 位 置电 刷 的 位 置（磁极中心线磁极中心线下）。下）。 实线表示上层实线表示上层边，虚线表示边，虚线表示下层边。下层边。几何中性线几何中性线：相邻两个主极间的中心线。：相邻两个主极间的中心线。单叠绕组单叠绕组w 单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图 绕组并联支路数绕组并联支路数2a=等于电机的等于电机的极数极数2p，即，即 电刷数与极数相同，称为电刷数与极数相同，称为全额电刷全额电刷。 电刷数与并联支路数相等。电刷数与并联支

24、路数相等。ap 单叠绕组自成一单叠绕组自成一个闭合回路。个闭合回路。 单叠绕组的每一单叠绕组的每一条并联支路都是条并联支路都是由同一主极下的由同一主极下的全部线圈串联构全部线圈串联构成。成。单波绕组单波绕组w 联结规律联结规律 每一条支路都是由同一极性下的全部线圈串联构成。每一条支路都是由同一极性下的全部线圈串联构成。 同一个换向片连接的两个线圈相隔约一对极的距离；同一个换向片连接的两个线圈相隔约一对极的距离； 从第一个线圈开始，沿电枢圆周方向行进一周，联结从第一个线圈开始，沿电枢圆周方向行进一周，联结p个个线圈后，回到与起始线圈相隔一个槽的线圈，继续串联下线圈后，回到与起始线圈相隔一个槽的线

25、圈，继续串联下去，直到所有线圈都串联起来。去，直到所有线圈都串联起来。单波绕组单波绕组w 单波绕组的联结规律单波绕组的联结规律整数pQyu21Kyy K1pyK 经过经过p对极后，应与换对极后，应与换向片向片1相邻，即相邻，即 y1 接近极距接近极距p 。K1Kyp整数单波绕组单波绕组w 单波绕组的联结规律单波绕组的联结规律以以2p4，QuSK15 的直流电机为例。的直流电机为例。整数44141521pQyuK7yyK115 172Kyp整数单波绕组单波绕组w 绕组展开图绕组展开图单波绕组单波绕组w 并联支路图并联支路图 实际中，电刷数通常与极数相同（全额电刷）。实际中，电刷数通常与极数相同（

26、全额电刷）。 绕组并联支路数绕组并联支路数2a=2，即，即 。1a 单波绕组自成一个闭合回路。单波绕组自成一个闭合回路。 单波绕组的单波绕组的每一条并联每一条并联支路都是由支路都是由同一极性下同一极性下的全部线圈的全部线圈串联构成。串联构成。w 并联支路对数并联支路对数 闭合式绕组无固定的出线端，电枢旋转时，闭合式绕组无固定的出线端，电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为出线端；各线圈依次通过电刷作为出线端； 为使闭合绕组内不产生循环电流，需使整个为使闭合绕组内不产生循环电流，需使整个闭合回路的总电动势为闭合回路的总电动势为0； 从正、负极性电刷看进去，电枢绕组至少有从正、负极性电刷看进去，电枢绕

27、组至少有2条并联支路，而且两者的电动势应该大小相条并联支路，而且两者的电动势应该大小相等、方向相反。等、方向相反。 因电刷是正、负成对出现，并联支路数一定因电刷是正、负成对出现，并联支路数一定为偶数，一般用并联支路对数为偶数，一般用并联支路对数a=表示。表示。直流电机电刷放置的原则直流电机电刷放置的原则w 使正、负电刷间的电动势最大；使正、负电刷间的电动势最大；w 使被电刷短路的线圈的电动势最小（电使被电刷短路的线圈的电动势最小（电刷位于主极中心线上）。刷位于主极中心线上）。单叠绕组与单波绕组的异同点单叠绕组与单波绕组的异同点w 单叠绕组单叠绕组是将一个主极下的线圈联成一是将一个主极下的线圈联

28、成一条支路，相邻两条支路的电动势方向相条支路，相邻两条支路的电动势方向相反，形成反，形成2p条并联支路，有条并联支路，有2p组电刷。组电刷。w 单波绕组单波绕组是将同一极性的主极下的所有是将同一极性的主极下的所有线圈联成一条支路，只能形成两条支路，线圈联成一条支路，只能形成两条支路，理论上只需两组电刷，但为了减小每组理论上只需两组电刷，但为了减小每组电刷的接触面积从而缩短换向器轴向长电刷的接触面积从而缩短换向器轴向长度，实际上一般放置度，实际上一般放置2p组电刷。组电刷。应用：应用： 叠绕组并联支路数多，通常用于电流叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常（较低）和转速正常的较大、电压正

29、常（较低）和转速正常的大中型直流电机。大中型直流电机。 波绕组并联支路数少，通常用于电流波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高和转速较低的中小型直较小、电压较高和转速较低的中小型直流电机。流电机。1. 直流电机空载时的磁场直流电机空载时（直流电机空载时（Ia0）的气隙磁场仅由励磁电流）的气隙磁场仅由励磁电流If 产生的励磁磁动势产生的励磁磁动势Ff 建立。建立。 磁动势磁动势Ff 产生的磁场产生的磁场 2. 直流电机负载时的气隙磁场 主要分析电枢绕组流过负载电流时产生的主要分析电枢绕组流过负载电流时产生的电枢磁动势及其作用。电枢磁动势及其作用。 电枢磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产电枢

30、磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产生影响，称为生影响，称为电枢反应电枢反应。 电枢反应对气隙磁通密度的大小、分布、电枢反应对气隙磁通密度的大小、分布、电机的换向、运行性能都有影响。电机的换向、运行性能都有影响。(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(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(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枢磁动势及其产生的磁通密度波形电枢磁动势及其产生的磁通密度波形 Fa使几何中性使几何中性线处的气隙磁线处的气隙磁通密度不为零。通密度不为零。(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性

31、线时的电枢反应(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(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w使磁场畸变，几何使磁场畸变，几何中心线处的气隙磁中心线处的气隙磁通密度不为零。通密度不为零。w不饱和时，去磁、不饱和时，去磁、增磁作用相抵消增磁作用相抵消 ，每极磁通量不变每极磁通量不变。w饱和时，每极磁通饱和时，每极磁通量略有减小，有去量略有减小，有去磁作用。磁作用。(2)电刷电刷不不位于几何中性线时的电枢反应位于几何中性线时的电枢反应(2)电刷电刷不不位于几何中性线时的电枢反应位于几何中性线时的电枢反应直轴电枢反应：直轴电枢反应：发电机发电机：

32、电刷顺电枢旋转方向移动，直轴电枢反应为去磁；：电刷顺电枢旋转方向移动，直轴电枢反应为去磁； 电刷逆电枢旋转方向移动，直轴电枢反应为增磁。电刷逆电枢旋转方向移动，直轴电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。电动机：与发电机的情况相反。 3.4 3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩 设气隙磁场的分布如图所示，则每设气隙磁场的分布如图所示，则每lvbe根导体的感应电动势根导体的感应电动势为为blv一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势式中，式中， 导体所在处的气隙磁密；导体所在处的气隙磁密； 导体的有效长度；导体的有效长度； 导体相对气隙磁场的速度导体相对气隙磁

33、场的速度。电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的 令令 为平均气隙磁密，则上式改写为为平均气隙磁密，则上式改写为 aZiaZaaxblvlvbE2121)(avBavaaBaZlvE2602npv将将 代入上式得出代入上式得出电动势的代数和，则电动势的代数和，则电动势公式电动势公式 ：nCnapZlBaZpnEeaavaa60)(2602nCEealBav式中，式中，apZCae60 每极的总磁通量每极的总磁通量； 电动势常数；电动势常数； 电动势公式。电动势公式。 二 、直流电机的电磁转矩 电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距电枢表面任一点处的载流

34、导体上的电磁转距 为为 式中，式中， 该点处的气隙磁密。该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为应为 式中，式中， 气隙平均磁密。气隙平均磁密。 cT2DlibTabpT22)(221DliBpZxbDliTaavapZiapa)(2121ipzaavxbpZBa整个电枢上的电磁转矩为整个电枢上的电磁转矩为22DliBZpTTaavapepD2lBavaIiaa2 aTaaaavaeICIaZppaIlBZT22nCTTe 可得直流电机的转矩公式为可得直流电机的转矩公式为 则则 再考虑到再考虑到 一、电压方程一、电压方程 ；基本方程基本方程 二、转

35、矩方程二、转矩方程 。 一、电压方程 1、他励直流电机 IIa 3.5 3.5直流电机的基本方程直流电机的基本方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 。fUfIaRaIU 直流发电机的稳态电路图直流发电机的稳态电路图aEUEaaasaaRIUURIUE2fUfIaRaIU直流电动机的稳态电路图直流电动机的稳态电路图aEUEaaaasaaRIEURIEU22 2、并励直流电机、并励直流电机 其电枢回路的电压方程与他励时相同，但其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁激磁UUffaIIIafIIIIIIsa 3 3、串励直流电机、串励直流电机 其电枢回路的

36、电压方程与他励时亦相同，但因励其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励 另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。电压为电枢端电压，即电压为电枢端电压，即发电机：发电机：电动机：电动机：磁绕组与电枢绕组相串联，有磁绕组与电枢绕组相串联，有 。二、转矩方程二、转矩方程eTeTTT011T0T 为电磁转矩。为电磁转矩。1 1、发电机情况下、发电机情况下原动机的驱动转矩原动机的驱动转矩； 电机本身的机械阻力转矩电机本身的机械阻力转矩；电磁转矩为制动转矩，有电磁转矩为制动转矩，有 电动机轴上的负载转矩。电动机轴上的负载转矩。2T式中，式中，20TTTe 2 2、

37、电动机情况下、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率三、电磁功率 发电机：发电机： 机械能机械能 转化为电能转化为电能 ； 电动机：电动机： 电能电能 转化为机械能转化为机械能 。 ePaaeIEP 602 neaaaaTIapZIE2eTaaIEaaIEeT电磁功率用电磁功率用 表示，则表示，则将将 代入上式，得代入上式，得直流发电机的功率流程图直流发电机的功率流程图 并励时并励时电枢得到的电磁功率电枢得到的电磁功率 Pem 扣除电枢铜耗扣除电枢铜耗 pCu 和励磁铜耗和励磁铜耗 pCuf ，等，等于输出功率于输出功率P2 。 轴上输入的机械功率轴上输入的机械功

38、率P1扣除空载损耗扣除空载损耗 p0 ，等于电磁功率，等于电磁功率Pem。 空载损耗空载损耗p0包括机械损耗包括机械损耗 pm 、铁耗、铁耗 pFe 和附加损耗和附加损耗 pad （或杂散损耗）。（或杂散损耗）。他励时，他励时，功率平衡方功率平衡方程式中不计程式中不计励磁铜耗励磁铜耗 pCuf =0。 空载损耗空载损耗p0w 机械损耗机械损耗 pm ：轴承摩擦、电刷与换向器轴承摩擦、电刷与换向器表面摩擦、电机旋转部分与空气的摩擦、表面摩擦、电机旋转部分与空气的摩擦、风扇消耗功率等。与电机转速有关。风扇消耗功率等。与电机转速有关。w 铁耗铁耗 pFe ：电枢铁心中的涡流与磁滞损耗，电枢铁心中的涡

39、流与磁滞损耗，与铁心中磁通密度的大小和交变频率有与铁心中磁通密度的大小和交变频率有关。关。w 附加损耗附加损耗 pad：产生原因复杂，且较小，产生原因复杂，且较小，一般按（一般按（0.5%1%）PN估算。估算。直流电动机的功率流程图直流电动机的功率流程图 并励时，输入功率并励时，输入功率P1扣除电枢铜耗扣除电枢铜耗 pCu 和励磁铜和励磁铜耗耗 pCuf ，等于电磁功率，等于电磁功率 Pem 。 他励时，功率平衡方程式中不计励磁铜耗他励时，功率平衡方程式中不计励磁铜耗 pCuf 。 四、直流电机的可逆性四、直流电机的可逆性UEa 电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为电机的可逆性：从原理上

40、讲，任何电机既可作为发电机运行；发电机运行；电动机运行。电动机运行。UEa发电机、亦可作为电动机运行。发电机、亦可作为电动机运行。基本关系式基本关系式w 每极磁通量；每极磁通量；aeTTCIaeECn1.他励发电机的负载运行他励发电机的负载运行w 原动机将发电机拖动到额定转速，励磁原动机将发电机拖动到额定转速，励磁绕组接到励磁电源，使端电压达到绕组接到励磁电源，使端电压达到UNw 机械方面：负载后转速下降，需增加机械方面：负载后转速下降，需增加T1恢复至额定转速恢复至额定转速w 电磁方面，电枢反应使得端电压下降，电磁方面，电枢反应使得端电压下降，需调节励磁电流，恢复至需调节励磁电流，恢复至UN

41、w P2=UI，正常运行时保持，正常运行时保持UN， P2与与I成正成正比，满载（比，满载（I=IN）、半载（）、半载（I=0.5IN） 、空载（空载（I=0）eTTT01I 、U、 If 这3个主要变量之间的关系发电机励磁方式不同，特性也不一样。发电机励磁方式不同，特性也不一样。w 负载特性负载特性：负载电流：负载电流 I =Const时，时，Uf ( If )。w 空载特性：空载特性：I0时，时，Uf ( If )。w 外特性外特性： If =Const，Uf ( I)w 调整特性调整特性： U =Const， If f ( I) 保持转速保持转速 n 为常数，一般为额定转速。为常数，一般

42、为额定转速。Ia Il空载特性空载特性 E0f ( If )原动机拖动转子以恒原动机拖动转子以恒速旋转速旋转(nN)，电枢绕，电枢绕组开路（组开路（Ia0），改），改变励磁电流变励磁电流 If ，端电，端电压压 U0（E0）与与If 的关的关系。系。aaaEI RUU=Ea=E0f ( If )l空载特性空载特性 E0f ( If )有磁滞、剩磁、饱和有磁滞、剩磁、饱和现象。现象。If=0时时Er ：剩磁电动势：剩磁电动势 Er=2%4%UN各种直流电机的空载特性都在他励方式下测定。各种直流电机的空载特性都在他励方式下测定。aeECnl外特性外特性 Uf ( I )通常指转速通常指转速nnN

43、，If为额为额定值时，定值时，U 与与 I 的关系。的关系。w U随随I 的增大而降低，是一条下的增大而降低，是一条下垂的曲线。原因：垂的曲线。原因：IaRa，电枢，电枢反应的去磁作用。反应的去磁作用。w 电压调整率电压调整率 uN。w 额定励磁下不允许持续短路，额定励磁下不允许持续短路，原因：原因：Ra很小，很小，Ik很大很大。0NN100%NUUuU他励发电机的他励发电机的 U约为约为5%1010%，变化不大，特性比较硬。变化不大，特性比较硬。U0为为IfIfN时的时的空载端电压。空载端电压。aaaaaeUEI RC nI Rl调整特性调整特性 Iff ( I )nnN，保持，保持U =U

44、N恒定时恒定时， If 与与I 的关系。的关系。w If一定时，一定时，U 会随会随 I 变。变。原因：原因：IaRa，电枢反应的，电枢反应的去磁作用。去磁作用。w 为保持为保持U不变，需调节不变，需调节If 。负载增加时，负载增加时， U下降，若下降，若维持维持U不变，必须增加不变，必须增加 If 。w I= IN，U =UN时时， If = IfNaaaaaeUEI RC nI R 3. 并励发电机的自励和外特性l并励发电机的自励建压并励发电机的自励建压w 并励发电机要有一个自行建并励发电机要有一个自行建立励磁和端电压的过程，称立励磁和端电压的过程，称为建压。为建压。 w 空载时，空载时，

45、I0，IaIf 0。但。但 If 较小，故可近似认为较小，故可近似认为Ia0，利用空载特性来分析电压建利用空载特性来分析电压建立过程。立过程。l建压建压1 空载特性曲线；空载特性曲线；2 励磁回路的励磁回路的 伏安特性曲线；伏安特性曲线； 励磁电阻线励磁电阻线3 临界电阻线临界电阻线 （空载特性直线段）；（空载特性直线段）； 建压临界电阻建压临界电阻Rcr =Rf+Rfs。（1）电机主磁路必须有剩磁；）电机主磁路必须有剩磁；（2）励磁绕组并联到电枢绕组）励磁绕组并联到电枢绕组两端的极性正确，即励磁磁动两端的极性正确，即励磁磁动势与剩磁磁场方向必须相同；势与剩磁磁场方向必须相同；（3）励磁回路总

46、电阻必须小于）励磁回路总电阻必须小于建压临界电阻建压临界电阻w 自励建压条件自励建压条件l外特性外特性w 电压调整率电压调整率U比他励的大比他励的大，约为约为20%30% （因（因If 还随还随U下降而减小）。下降而减小）。 w 负载电流有负载电流有“拐弯拐弯”现象。现象。w 稳态短路电流稳态短路电流Ik0Er/Ra并不很大，常小于并不很大，常小于IN（因（因Er数值很小）。数值很小）。转速转速nnN，励磁回路总励磁回路总电阻不变时，电阻不变时，U 与与 I 的关的关系系Uf ( I ) 。w 积复励积复励:串、并励绕组的励磁串、并励绕组的励磁磁动势方向相同。磁动势方向相同。 w 差复励差复励

47、:串、并励绕组的励磁串、并励绕组的励磁磁动势方向相反。磁动势方向相反。w 复励发电机通常采用复励发电机通常采用积复励积复励 并励磁动势为主，空载时能达并励磁动势为主，空载时能达到额定电压。到额定电压。 串励磁动势主要补偿负载时电串励磁动势主要补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢电路枢反应的去磁作用和电枢电路的电阻压降。的电阻压降。4. 复励发电机的外特性 按照串励绕组磁动势按照串励绕组磁动势补偿作用的强弱，可补偿作用的强弱，可分为三类：分为三类： 平复励平复励 过复励过复励 欠复励欠复励w 并励电动机的负载运行并励电动机的负载运行w 并励电动机的运行特性并励电动机的运行特性 工作特性（重点掌握转

48、速特性）工作特性（重点掌握转速特性） 机械特性机械特性w 串励电动机的运行特性串励电动机的运行特性 工作特性工作特性 机械特性机械特性w 复励电动机的特点复励电动机的特点w 电力拖动系统运行的稳定性电力拖动系统运行的稳定性w并励电动机的负载运行并励电动机的负载运行w有关方程式：nCEeaaaaRIEUaTeICT L0aaeeenEITTTTT电动机带负载后，克服和 。负载越大， 也越大。2. 并励电动机的运行特性并励电动机的运行特性UUN，IfIfN时，时，n、Te、 与与 Ia （或（或 P2）关系）关系。 w转速特性转速特性 nf ( Ia )aaeeI RUnCC转速转速公式公式 n变

49、化变化很小很小nf(Ia)为硬特性。为硬特性。 w工作特性工作特性%1000NNnnnn转速调整率转速调整率n： 并励电动机的转速调整率很小，约为并励电动机的转速调整率很小，约为3%8%。 注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。否则，否则，If=0，主磁通迅速下降为剩磁，主磁通迅速下降为剩磁，电枢电流迅速增大，电枢电流迅速增大，轻载时，轻载时，n迅速上升，造成迅速上升，造成“飞车飞车”；重载时，重载时，Te小于小于TL，可能停转，电枢电流增至启动电流，烧毁电机，可能停转，电枢电流增至启动电流，烧毁电机w转矩特性转矩特性 Tf ( Ia

50、) Te 近似与近似与 Ia 成正比成正比。 （电枢反应的去磁作用）（电枢反应的去磁作用）w效率特性效率特性 f ( Ia )可变损耗等于不变损耗时，可变损耗等于不变损耗时， 最高最高。 p0基本不随基本不随Ia变化变化不变损耗；不变损耗；pCu随随Ia变化变化可变损耗。可变损耗。aTeICT 机械特性机械特性eeTaeTCCRCUn2Tnn0a2eTRC C0eUnC ，机械特性的斜率，机械特性的斜率，理想空载转速，理想空载转速 aaeeI RUnCCUUN ，RfConst，n=f(Te)并励直流电动机的固有机械并励直流电动机的固有机械特性是一条略有下降的直线，特性是一条略有下降的直线，是

51、硬特性（是硬特性（ 很小很小）。）。固有机械特性固有机械特性：UUN ，电枢回路不串任何，电枢回路不串任何电阻时的机械特性。电阻时的机械特性。5. 电力拖动系统运行的稳定性电力拖动系统运行的稳定性 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动受到某种扰动（如电源电压波动，或负载转矩波（如电源电压波动，或负载转矩波动），导致系统的转速发生变化而离开原来的平动），导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡新的平衡状态状态，或者当扰动消失后系统，或者当扰动消失后系统回到原来的转速回到原来

52、的转速下下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。的。机械特性下降机械特性下降A点点：拖动系统的平衡点。拖动系统的平衡点。若扰动使若扰动使n，Te，TL，则，则， Te TL增量增量 n 造成造成“飞车飞车”。扰动消失后，系统转速无法扰动消失后，系统转速无法恢复至原来转速，恢复至原来转速，A点不稳点不稳定定aaeEInT、 、 和w一台并励直流电动机原运行于某一一台并励直流电动机原运行于某一 值下，设负载转矩增大，试分析电机将发生怎样值下，设负载转矩增大，试分析电机将发生怎样的过渡过程，并将最后稳定的的过渡过程，并将最后稳定的 数值数值和原值进行

53、比较。和原值进行比较。 aaeEInT、 、 和w 直流电动机的启动直流电动机的启动 直接启动直接启动 电枢回来串电阻启动电枢回来串电阻启动 降压启动降压启动w 直流电动机转速的调节直流电动机转速的调节 他励和并励电动机的转速调节他励和并励电动机的转速调节w 直流电动机的制动直流电动机的制动 能耗制动能耗制动 反接制动反接制动 回馈制动回馈制动1. 直流电动机的起动直流电动机的起动w 起动要求起动要求 起动转矩大起动转矩大 起动冲击电流小起动冲击电流小 能量损耗小能量损耗小 简单，便于控制简单，便于控制w 起动方法起动方法 直接启动（全压起动）直接启动（全压起动） 电枢串接电阻起动电枢串接电阻起动 降压起动降压起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。速到稳定运行状态的过程。 起动转矩和起动电流分别为：起动转矩和起动电流分别为：aNststTstRUIICT 起动时由于转速起动时由于转速 n=0，电枢电动势，电枢电动势Ea=0 ，而且电枢，而且电枢电阻电阻Ra很小，所以起动电流将达很大值（很小，所以起动电流将达很大值（1020）IN。 一一般直流电动机不允许直接起动。般直流电动机不允许直