第三章：直流电机

1、第三章第三章 直流电机直流电机学习要点：学习要点：1 1、直流电机的工作原理；、直流电机的工作原理；3 3、直流电动机的机械特性；、直流电动机的机械特性；2 2、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；4 4、并励直流发电机的自励条件；、并励直流发电机的自励条件；直流电机的优点：直流电机的优点：（1 1）调速性能好）调速性能好: :调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2 2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3 3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1 1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等）

2、轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。调速范围大的大型设备。（2 2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3 3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具直流发电机把机械能转化为电能；直流发电机把机械能转化为电能；直流电动机把电能转化为机械能。直流电动机把电能转化为机械能。 用途：用途：直流电机的用途直流电机的用途电源励磁机测速伺服直流电机的物理模型直流电机的物理模型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3.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理一、

3、一、 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理E+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈IaIaAB12abcd电枢线圈电枢线圈注意：注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFE+NS电刷电刷换向片换向片IaIaAB12abdc由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，

4、将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。eeFFE+NS电刷电刷换向片换向片IaIaAB12abdc反电反电动势动势直流电动机的工作原理动画演示直流电动机的工作原理动画演示用右手定则判用右手定则判感应电动势感应电动势e的方向的方向电枢绕组电枢绕组电阻电阻RaaaRIEU输出电压输出电压eeNSAB12二、二、 直流发电机直流发电机的工作原理的工作原理abcdaIFF+-直流发电机动画演示直流发电机动画演示 3.1.2 3.1.2 直流电机的结构直流电机的结构主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖电枢绕组

5、电枢绕组电枢铁心电枢铁心换向器换向器转轴转轴磁极铁心磁极铁心励磁绕组励磁绕组电刷电刷刷握刷握绝缘支架绝缘支架压紧力调整装置压紧力调整装置定子定子转子转子直直流流电电机机（产生励（产生励 磁磁场）磁磁场）（产生电动势，流过电（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩流，产生电磁转矩 Z2系列直流电动机系列直流电动机外形外形 Z4系列直流电动机系列直流电动机外形外形直流电机的纵剖面图小型直流电动机的横剖面结小型直流电动机的横剖面结构构直流电动机的各种主要部件图 定子主要包括：定子主要包括：主磁极（励磁绕组主磁极（励磁绕组 主极铁心），主极铁心），换向极（绕组和铁心），机座，端盖和电刷装置换向极（绕组和铁

6、心），机座，端盖和电刷装置图图1.5直流电机主磁极的结构直流电机主磁极的结构1机座；2主磁极铁芯；3励磁绕组图图1.6 直流电动机换向极结直流电动机换向极结构构1换向极铁芯；2换向极绕组图图1.7 电刷的结构电刷的结构1刷握；2电刷；3压紧弹簧；4铜丝辫 图图1.8电枢冲片形状电枢冲片形状1齿；2槽；3轴向通风孔图图1.9 换向器结构换向器结构1V形套筒；2云母片；3换向片；4联结片3.1.3 3.1.3 直流电机的额定值直流电机的额定值 额定功率：额定功率： P PN N，kW kW 输出功率输出功率 额定电压：额定电压： U UN N，V V 额定状态下出线端电压额定状态下出线端电压 额定

7、电流：额定电流： I IN N，A A 额定状态下出线端电流额定状态下出线端电流 额定转速：额定转速： n nN N，r/min r/min 额定状态下电机转额定状态下电机转速速直流发电机：直流发电机：310I NNNPAU直流电动机：直流电动机：310I NNNNPAU3.2.1 直流枢绕组的构成直流枢绕组的构成3.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组元件：元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。pZ2叠绕组：叠绕组：

8、指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，整个绕组成折叠式前进。波绕组：波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。电枢绕组的元件及在槽内的放置情况电枢绕组的元件及在槽内的放置情况1、2有效部分；3端接部分；4换向器；合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y 第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距第二节距 ：连至同一换向片上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间的距离。2y21yyy单叠绕组21yyy单波绕组换向器节距换向器节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间

9、的距离。3.2.2 直流枢绕组的节距直流枢绕组的节距cy 单叠绕组的连接规律连接规律是相邻元件(线圈)依次串联,每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上。合成节距与换向器节距均为1，即： 1cyy单叠绕组的展开图：单叠绕组的展开图：3.2.3 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。3. 单叠绕组的连接单叠绕组的连接 单叠绕组：相邻元件单叠绕组：相邻元件(线圈线圈)相互叠压相互叠压,合成节距与换向节距均为合成节距与换向节距均为1。以以2p=4，S=K=Qu=16，u=1为例说明

10、单叠绕组绕法的特点为例说明单叠绕组绕法的特点 。441621pQyu31412yyy1cyy绕组的并联支路电路图单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：1. 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2. 电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电势等于并联支路电势。势等于并联支路电势。3. 电枢电流等于各支路电流之和。电枢电流等于各支路电流之和。单单叠叠绕绕组组电电路路图图 单波绕组的合成节距与换向节距相等。单波绕组的合成节距与换向节距相等。以以2p=4，S

11、=K=Qu=15，u=1，左行为例，左行为例 ：721151pKyyc34341521pQyu43712yyy单单波波绕绕组组展展开开图图 3.2.4 单波绕组单波绕组单单波波绕绕组组电电路路图图 单波绕组的特点单波绕组的特点1. 同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2. 当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主当元件的几何形状对称时，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；磁极中心线，支路电动势最大；3. 电刷数等于磁极数；电刷数等于磁极数；5. 电枢电流等于两条支路电流

12、之和。电枢电流等于两条支路电流之和。4. 电枢电动势等于支路感应电动势；电枢电动势等于支路感应电动势；他励电机：他励电机：励磁绕组与电枢绕组的电源分开。励磁绕组与电枢绕组的电源分开。并励电机：并励电机：励磁绕组与电枢绕组并联到同一电源上。励磁绕组与电枢绕组并联到同一电源上。串励电机：串励电机：励磁绕组与电枢绕组串联接到同一电源励磁绕组与电枢绕组串联接到同一电源上。上。复励电机：复励电机：励磁绕组与电枢绕组的联接有串有并，接在励磁绕组与电枢绕组的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M并励并励UIfM串励串励UM复励复励U直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式M他励他励UfIfIaU3.3

13、直流电机的磁场和基本方程式直流电机的磁场和基本方程式 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由永久磁铁做成。由永久磁铁做成。磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。形成电磁铁。磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。为励磁。直流电动机气隙磁场分布示意图直流电动机气隙磁场分布示意图（a） 主磁极磁场； （b） 电枢磁场； （c） 合成磁场 3.4 直流电机电枢绕组的感应电动势直流电机电枢绕组的感应电动势 电枢绕组在磁场中旋转运行而产生的感应电动势电枢绕组在磁场中旋转运行而产生的感应电动势一个

14、磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，每极磁通为，则，则avBllBav一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：lvBeavav又因为：又因为：602npv602npeav因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为电枢总导体数，为电枢总导体数， ），），6022npaNaN2cSNN2avaeaNE2apNCe60式中，式中，电动势常数。电动势常数。 于是，电枢绕组的感应电动势为：于是，电枢绕组的感应电动势为：nCnapNe601）一根导体的平均电磁力：）

15、一根导体的平均电磁力：aavavilBf2DfTavav3.5 电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩2）一根导体的平均电磁转矩：）一根导体的平均电磁转矩：（D电枢外径电枢外径）3）电机总的电磁转矩为：）电机总的电磁转矩为：avNTT 2DliNBaavpaIllNa2212aIapN2aTIC 电机总的电磁转矩为：电机总的电磁转矩为：式中，式中，apNCT2转矩常数转矩常数aaaiI2电枢总电流电枢总电流单位：单位： T（牛（牛 米）米）55. 9260eTCCeTCC55. 9电动势常数与转矩常数的关系：电动势常数与转矩常数的关系：aTaICIapNT23.6.1 直流电动机稳态运行的基本关

16、系式直流电动机稳态运行的基本关系式3.6 直流电动机直流电动机1、电压平衡方程式：电压平衡方程式：2、转矩平衡方程式：、转矩平衡方程式：T0T2T U=Ea+IaRaI=Ia+IfIfIaUM+_fR+_IEa并励直流电动机示意图并励直流电动机示意图3、功率平衡方程式：、功率平衡方程式：并励直流电机从电源输入的电功率为：并励直流电机从电源输入的电功率为：UIP 1)(faIIUfaaaaUIIIRE)(faaaaUIIRIE2CufCuaMPPPaaeaaMnIapNnICIEP60电磁功率：电磁功率：TnIapNa602202TT602 n02PP FemecPP2P机械角速度机械角速度所以

17、，综合以上分析可得：所以，综合以上分析可得：pPppppPPmecFecuacuf221mecFecuacufppppp式中式中为电机的总损耗。为电机的总损耗。mecPCuapCufpFepTIEPaaMUIP 13.6.2 3.6.2 并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性NUU fNfIIaIfn aNaNNICeRCeUnaIfNfII直流电动机的工作特性，是指在直流电动机的工作特性，是指在U=UN，时时, , 转速转速n n、电磁转矩电磁转矩T T和效率和效率 随电枢电流随电枢电流 而变化的关系。而变化的关系。1 1 转速特性转速特性条件：条件：2 2 转矩特性转矩特性aIf

18、aIfT 3 3 效率特性效率特性思考：并励直流电动机的励磁绕思考：并励直流电动机的励磁绕组可否允许开路运行？为什么？组可否允许开路运行？为什么？3.6.3 3.6.3 串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性faII 特点：特点：)af(I)f(Ina1. 1. 转速特性转速特性当当I Ia a较小时，较小时，afIK aeaeICRCUn可得可得根据根据eaaefeaafeCRICUKCRIKCUn 思考：串励直流电动机可否允许空载运思考：串励直流电动机可否允许空载运行？为什么？行？为什么？UIf+_IaMEaRaRf)f(ITa2. 2. 转矩特性转矩特性当当I Ia a较小时，

19、铁心不饱和较小时，铁心不饱和2aTaTICICT当当I Ia a较大时，铁心饱和较大时，铁心饱和aTICT 与并励类似与并励类似aIf3 3 效率特性效率特性与并励类似与并励类似aI1、 机械特性方程机械特性方程3.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性)(Tfn nnn 0aI IT TTCaeeICRCUnT2TeeCCRCUnCUneoTT2TeCCRnMUfIfIaUR：理想空载转速理想空载转速：转速降转速降式中：式中：n0nNTN他励电动机在负载变化他励电动机在负载变化时，时， 转速转速n 的变化不大的变化不大硬机械特性（自然特性）。硬机械特性（自然特性）。n0T100

20、%nnnnNN0NnnTo2NTeaNeNCCRCUn2、固有机械特性、固有机械特性3、人为机械特性人为机械特性1)电枢回路串电阻电枢回路串电阻RT2TeeCCRCUn电电压压降降低低磁磁通通减减弱弱2)降低电枢电压降低电枢电压U3)减弱磁通减弱磁通 TLT2NTeaNeNCCRRCUnT2NTeaNeCCRCUnT2TeaeNCCRCUn3.8 直流发电机直流发电机3.8.1 直流发电机稳态运行的基本关系式直流发电机稳态运行的基本关系式（以他励为例）（以他励为例）aaaRIUE1、电动势平衡方程式：电动势平衡方程式：2、转矩平衡方程式：、转矩平衡方程式：1T0TTfRIaUG+-EaaR+-

21、UfIfS他励直流发电机他励直流发电机从原动机输入的机械功率：从原动机输入的机械功率：0011)(pPTTTPMaaaaaaaaMRIUIIRIUIETP2)(cuapP 23、功率平衡方程式、功率平衡方程式aacuaRIp20pmecFeppp0mecFeCuapppPP21pP2其中，其中，空载损耗空载损耗为：为：由以上各式可得：由以上各式可得：电磁功率：电磁功率：发电机的效率为：发电机的效率为：%100)1 (%100212pPpPP功率流程图为：功率流程图为：FepCufpmecpTIEPaaM11TPCuapaUIP 2fRIaUG+-EaaR+-UfIfS3.8.2 3.8.2 他

22、励直流发电机的运行特性他励直流发电机的运行特性1.空载特性空载特性UO=f(If)：1 1）曲线）曲线 是一闭合的回线。是一闭合的回线。)(0fIfU2 2）剩磁电压，其值约为额定）剩磁电压，其值约为额定值的值的% %。3 3）空载特性与电机的磁化曲）空载特性与电机的磁化曲线线 形状相似，只形状相似，只差一个比例常数。差一个比例常数。)(0fIfoU空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线特性分析：特性分析：空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支2.外特性外特性U=f(I)：Nnn fNfII )(IfU 定义：当定义：当 时，时， 外特性曲线如图所示外特性曲

23、线如图所示 由曲线可见，负载电流增大由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。时，端电压有所下降。电压变化率电压变化率：由空载到负载，电压下降的程度。由空载到负载，电压下降的程度。%1000NNUUUU3.3.调节特性调节特性:I:If f= =f(If(I) )1Cn2CU )(IfIf定义：当定义：当 、时，、时， 外特性曲线如图所示外特性曲线如图所示fI0I 由曲线可见，在负载电流由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。输出端电压的

24、影响。3.8.3 3.8.3 并励直流发电机的自励过程并励直流发电机的自励过程 和自励条件和自励条件自励过程：自励过程： 并励发电机建立电压的过程。并励发电机建立电压的过程。定义：定义：自励条件：满足建压的条件。自励条件：满足建压的条件。1、自励过程：、自励过程：U)(foIfU fI1234foIA由以上分析可知并励发电机的自励条件：由以上分析可知并励发电机的自励条件：1 1）电机必须有剩磁。）电机必须有剩磁。 2 2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。方向一致。3

25、3）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速下）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速下相对应的临界电阻。相对应的临界电阻。2 2、自励条件：、自励条件：3.8.4 3.8.4 并励直流发电机的运行特性并励直流发电机的运行特性1.空载特性：空载特性：2.外特性：外特性：3.3.调节特性调节特性IfI并励并励他励他励3.9 3.9 直流电机的换向直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 定义：直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一定义：直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时条支路时, ,元件里的电流方向改变。元件里的电流方向改变。 电枢移到电刷与换向片2接触

26、时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。 电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。aii 电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。aii元件1av1 2iiai 2aiai2i1iaiiaii ai 2aiai2i1iaiiaiiai 2aiai2i1i产生火花的原因产生火花的原因：电磁原因、机械原因、化学原因：电磁原因、机械原因、化学原因小结一、直流电机的工作原理、铭牌一、直流电机的工作原理、铭牌二、直流电机的电磁转矩和感应电动势二、直流电机的电磁转矩和感应电动势三、直流电动机稳态运行的基本方程式、工作特性三、直流电动机稳态运行的基本方程式、工作特性四、他励直流电动机的机械特性四、他励直流电动机的机械特性五、直流发电机五、直流发电机 1 1、他励：基本方程式、运行特性、他励：基本方程式、运行特性 2 2、并励：自励建压条件、运行特性、并励：自励建压条件、运行特性思考题：1、在直流电机中，换向器起什么作用？2、在下列情况下，直流发电机电刷两端电压的性质？ 1)、磁极固定，电刷与电枢同时