第2章-直流电机的基本理论及运行特性

1、第2章直流电机的基本理论及运行特性2.1直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应2.2直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩2.3直流电机的换向直流电机的换向2.4直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式2.5直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性2.6直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性2.1直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应直流电机的磁场是由电机中的各个绕组，包括励直流电机的磁场是由电机中的各个绕组，包括励磁绕组、电枢绕组、换向绕组、补偿绕组等共同磁绕组、电枢绕组、换向绕组、补偿绕组等共同产生的，其中励磁绕组起着主要作用。产生的，其中励磁绕组起着主要作用。 2.1

2、.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场2.1.2直流电机的负载磁场直流电机的负载磁场 直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流输出；电动机轴上不带机械负载）运行时，其电枢电流等于零或近似等于零。因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的主磁场。 直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流流过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主极磁场共同作用，在气隙内建立一个合成磁场。 （a）主磁场 （b）电枢磁场 （c）合成磁场2.1.3直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应直流电机在工作过程中，定子主磁极产生主磁场，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场对主磁

3、场的影响叫做电枢反应。电枢反应的结果：电枢反应的结果：一是使气隙磁场畸变，一极尖磁场加强，另一极尖磁场减弱；二是去磁效应，由于磁会饱和，每一磁极的两个极尖磁通的增加量与减少量不相等，减少量大于增加量，从而使总磁通量有所减小。明显表现在：原来的几何中性线n-n处的磁感应强度不等于零，磁感应强度为零的位置，即电磁物理中性线m-m逆旋转方向移动一角度（电动机），物理中性线与几何中性线不再重合。如果电枢电流越大，电枢磁场越强，电枢反应的影响就越大，物理中性线偏移的角度也就越大，这样会给电机的换向带来困难。 返回返回2.2直流电机电枢电动势和电磁转矩2.2.1直流电机的电枢电动势产生产生:电枢旋转时,主

4、磁场在电枢绕组中感应的电动势，简称为电枢电动势.大小:nCnapNEea60)(60电动势常数为电机的结构常数其中apNCe性质性质: :发电机:电源电势(与电枢电流同方向); 电动机:反电势(与电枢电流反方向).P为极对数；N为电枢导体总数；a为并联支路对数产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁芯半径之积称为电磁转矩.大小:aTaemICIapNT2)(55.92转矩常数为电机的其中eTCapNC性质性质: :发电机:制动(与转速方向相反); 电动机:驱动(与转速方向相同).2.2.2直流电机的电磁转矩P为极对数；N为电枢导体总数；a为并联支路对数；返回返

5、回2.3直流电机的换向直流电机运行时，随着电枢和换向器的旋转，电枢绕组的元件将依次地由一个支路转入另一个支路，元件中的电流将改变方向，这个过程称为换向。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花，如果火花过大，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能继续运行。 直流电机的换向过程直流电机的换向过程 换向前元件1属于右边支路，流过其中的电流i=ia（图a）；换向后元件1转入左边支路，元件中的电流i由ia变为-ia（图c）。流经换向片1的电流i1由2ia减小至零，流经换向片2的电流i2由零增至2ia，在换向过程中，i1+i2=2ia不变。 如果i1、i2的变化和换向片与电刷接触面积的变化成正比，即i1均匀

6、地减小，i2均匀地增大，这种理想的换向称为直线换向。直线换向时，当片1将与电刷脱离前，流经片1的电流已趋近于零，所以当片1与电刷断开时，在电刷与换向器之间不会出现火花。实际上，将产生火花，当火花超过一定限度时，将影响电机的正常运行，甚至可能烧坏电刷和换向器。改善换向的方法改善换向的方法1、安装换向极、安装换向极 2、选择合适的电刷、选择合适的电刷 1、安装换向极、安装换向极 （1）换向极的安装位置）换向极的安装位置：换向极必须安装在主磁极之间的几何中性线处。（2）换向极的极性：）换向极的极性：对于发电机，换向元件边即将进入的换向极极性应与它即将离开的主极极性相反；对于电动机，换向元件边即将进入

7、的换向极极性应与它即将离开的主极极性相同。（3）换向绕组的连接方式：）换向绕组的连接方式：换向绕组与电枢绕组串联。 2、选择合适的电刷、选择合适的电刷 电机用电刷的型号规格很多，其中炭石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜石墨电刷的接触电阻最小。直流电机如果选用接触电阻大的电刷，有利于换向。在使用维修中，欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷，如果实在配不到相同牌号的电刷，应尽量选择特性与原来接近的电刷，并全部更换。 返回返回2.4.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式励磁绕组获得电流的方式称作励磁方式。直流电机按励磁方式的不同，可分为他励和自励两大类。他励绕他励绕组由其

8、它直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联组由其它直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系；系；自励电机的励磁由电机本身供给。自励电机，按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又可分为并励、串励和复励三种。 2.4直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式 直流电机的励磁方式I-+If他励IaIIf并励I=Ia=IfRf串励IaIIf1复励If2RfRfRf并励电机，励磁绕组与电枢绕组并联。他励和并励的励磁电流通常仅为电机额定电流的1%3%。串励电机，励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流即是电枢电流。复励电机，既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组流过的电流小，导线细，匝数多；串励绕组流过的电流大，导线粗，匝

9、数少。2.4.2直流电机的损耗直流电机的损耗直流电机的损耗按其性质可分为机械损耗、铁耗、铜耗和附加损耗四种。 1 1.机械损耗pm 不论是发电机还是电动机，当电机转动时，必须先克服摩擦阻力，因此产生机械损耗。它包括轴与轴承摩擦损耗，电刷与换向器摩擦损耗，以及电枢旋转部分与空气的摩擦损耗等。这些损耗与转速高低有关。 2.铁芯损耗pFe 当直流电机旋转时，电枢铁芯中因磁场反复变化而产生的磁滞损耗和涡流损耗叫铁芯损耗。 以上分析的机械损耗和铁芯损耗合起来又称为空载损耗p0。因为这两种损耗在直流电动机转起来，但还没有带负载时，已经存在了。 Femppp0 3铜耗 当直流电机运行时，在电枢回路和励磁回路

10、中都有电流流过 ，因此在绕组电阻上产生的损耗叫铜耗。 （1）电枢回路铜耗pcua 它包括以下几项，电枢绕组铜耗；与电枢绕组串联的串励绕组、换向极绕组及补偿绕组的铜耗；电刷与换向器的接触电阻上的铜耗。 （2）励磁回路的铜耗pcuf 由于励磁回路的铜耗很小，而且是一个不变的值，一般把它归入不变损耗范畴。不论发电机还是电动机，电枢电流都随负载的变化而变化，因而电机中的电枢铜耗又叫可变损耗。电机的机械损耗和励磁一定时的铁耗只与转速有关，当电机的转速变化不大时，由机械损耗和铁芯损耗合成的空载损耗是基本不变的，故空载损耗又叫不变损耗。4附加损耗pad 附加损耗又称杂散损耗，对于直流电机，这种损耗是由于电枢

11、铁芯表面有齿槽存在，使气隙磁通大小脉振和左右摇摆，在铁芯中引起的铁损耗和换向电流产生的铜耗等。这些损耗是难以精确计算的，一般约占额定功率的0.0050.01。 1、电动势平衡方程式 根据发电机的工作原理，在图中将有关各物理量按惯例标出正方向。 根据电路基尔霍夫定律可得电枢回路的电动势平衡方程式：式中 ；I是发电机的输出电流。aaaRIUEfaIII2.4.3直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式并励发电机电路图IaIIfURfad+RfEa)/(pfffRRUI2、功率平衡方程式 P1PcuaPFePemPmPadP2并励直流发电机的功率流程图PcufadFemempppPP1ememT

12、PaaaaIEnIapNnIapN606022CuaCufemppPP23、转矩平衡方程式01TTTem2.4.4直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式1电压平衡方程式电压平衡方程式fffaaaRIURIEU功率平衡方程式CuaemaaaaaaaaapPPRIIEIRIEPUIUIP1211)(pPppPPpPppPPpppPPCuaemmFeemadmFeem1012022%100%1002212pPPPP3、转矩平衡方程式0TTTLem电磁转矩Tem应与电动机轴上的负载转矩TL和电动机本身的空载转矩T0之和相平衡，才能保持匀速旋转 返回返回2.5.1他励发电机的空载特性1Cn0I)(

13、fIfU 定义：当 、 时， 直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。 空载时， 。由于 ，因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。aEUnCEea)(faIfE aE空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfI2.5直流直流发电机的运行特性2.5.2直流发电机的外特性Nnn fNfII )(IfU 定义：当 、 时， 外特性曲线如图所示 由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励U0U0IaaeRInCU 根据 可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流

14、一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。2.5.3直流发电机的调节特性1Cn2CU )(IfIf定义：当 、 时， 外特性曲线如图所示 由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，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输出端电压的影响。fI0I2.5.4 并励发电机的自励条件和外特性 并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。1、自励条件fI0U10fI

15、A20U3 曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线 。 fffRIUfR 原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，达到稳定的平衡工作点A。fIfIfIffRI增大 ，场阻线变为曲线3时， 称为临界电阻 。如图所示。fRfRcrR若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。可见，并励直流发电机的自励条件有：2、空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也

16、是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确3、外特性4、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。 对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。返回返回（1）、转速特性2.6.1他励（并励）直流电动机的工作特性NUU 定义：当 、 时，fNII )(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图所示。（2）、转矩特性NUU 定义：当 、 时，fNII )(aemIfT转矩表达式aNTemICT 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。aIn0n2T0TemTT2.6直流电动机的工作特性（3）、效率特性NUU 定义：当 、 时，fNII )(aIf由方程式可得aNaaIUIRPPPPn20111 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电