第1章直流电机

1、 出版社 理工分社电机及拖动基础1电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机能将直流电能转换为机械能，或将机械能换转为直流电能。将直流电能将直流电能转换为机械能，或将机械能换转为直流电能。将直流电能转换为机械能的叫做直流电动机，将机械能转换为直流电能的叫做能转换为机械能的叫做直流电动机，将机械能转换为直流电能的叫做直流发电机。直流发电机。 出版社 理工分社电机及拖动基础2 直流电动机的主要优点直流电动机的主要优点是启动和调速性能好，过是启动和调速性能好，过载能力大，因此应用于对启动和调速性能要求较载能力大，因此应用于对启动和调速

2、性能要求较高的生产机械，例如电力机车，造纸机和纺织机高的生产机械，例如电力机车，造纸机和纺织机械等械等 直流发电机主要用作直流发电机主要用作直流电源，供给直流电动机，直流电源，供给直流电动机，电解，电镀等所需的直流电能。电解，电镀等所需的直流电能。 直流电机的主要缺点直流电机的主要缺点是结构复杂，使用有色金属是结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差 出版社 理工分社电机及拖动基础31.3 直直流电机的电枢绕组流电机的电枢绕组1.1 直直流电机的基本工作原理流电机的基本工作原理1.4 直直流电机的磁场流电机的磁场1.2 直直流电机的

3、结构，额定值和主要系列流电机的结构，额定值和主要系列1.5 直直流电动机流电动机1.6 直直流发电机流发电机1.7 直直流电机的换向流电机的换向 出版社 理工分社电机及拖动基础41.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 出版社 理工分社电机及拖动基础5 出版社 理工分社电机及拖动基础6（二）直流发电机的工作原理（二）直流发电机的工作原理1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 出版社 理工分社电机及拖动基础7图1.1 直流电动机的工作原理图 出版社 理工分社电机及拖动基础8图1.2 直流发电机的工作原理图 出版社 理工分社电机及拖动基础91.2 1.2 直流电机的结构、额定值和主要系列

4、直流电机的结构、额定值和主要系列1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构(1)(1)定子：产生磁场并作为机械支撑定子：产生磁场并作为机械支撑1)1)主磁极主磁极：建立主磁场：建立主磁场2)2)换向极换向极: :改善换向，减小产生火花改善换向，减小产生火花3)3)机座机座：电机的结构构架：电机的结构构架4)4)电刷装置电刷装置：用以引出或引入直流电压或电流：用以引出或引入直流电压或电流 出版社 理工分社电机及拖动基础10 出版社 理工分社电机及拖动基础11 出版社 理工分社电机及拖动基础122)2)转子转子( (电枢电枢) )部分部分1)1)电枢铁芯电枢铁芯：主磁路的一部分，电枢绕组

5、的支撑部件主磁路的一部分，电枢绕组的支撑部件2)2)电枢绕组电枢绕组：直流电机的电路部分，产生电磁转矩和：直流电机的电路部分，产生电磁转矩和 感应感应电动势。3)3)换向器换向器：在直流电动机中，使得流入磁极下的电流方向保：在直流电动机中，使得流入磁极下的电流方向保持不变，从而电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，能将持不变，从而电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，能将电枢线圈中产生的交变电动势转换为直流电动势。电枢线圈中产生的交变电动势转换为直流电动势。4)4)转轴转轴：转轴起转子旋转的支撑作用，具有一定的强度和刚：转轴起转子旋转的支撑作用，具有一定的强度和刚度。度。 出版社 理工分社

6、电机及拖动基础13 出版社 理工分社电机及拖动基础14 出版社 理工分社电机及拖动基础151.2.2 1.2.2 直流电机的额定值直流电机的额定值为了保证电机安全而有效地运行，电机制造厂都对它所生为了保证电机安全而有效地运行，电机制造厂都对它所生产的电机工作条件加以规定。电机按制造工厂所规定的条件工产的电机工作条件加以规定。电机按制造工厂所规定的条件工作的情况，叫额定工作情况。表征电机额定工作情况的各种数作的情况，叫额定工作情况。表征电机额定工作情况的各种数据叫做额定值。据叫做额定值。直流电动机型号Z3-95产品编号7009结构类型励磁方式他励功率30kW励磁电压220V电压220V工作方式连

7、续电流160.5A绝缘等级定子B转子B转速750r/min重量685kg标准编号JB1104-68出厂日期年 月 出版社 理工分社电机及拖动基础16额定条件下电机额定条件下电机所能的供给功率所能的供给功率NP额额定定功功率率指电刷间输出的指电刷间输出的额定额定电功率电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的额定的额定机械机械功率功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的出线端的平均电压平均电压NU额定电压额定电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定

8、功率时对应的电流NI额额定定电电流流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.Nn额额定定转转速速fNI额额定定励励磁磁电电流流对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。 出版社 理工分社电机及拖动基础17 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。 电机运行

9、时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运欠载运行；运行电流大于额定电流行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。作性能等比较好。 出版社 理工分社电机及拖动基础18 例例1-1 一台直流发电机的额定数据如下：一台直流

10、发电机的额定数据如下：PN200kW，UN230V，nN1450r /min，N90，求该发电机，求该发电机的额定电流和输入功率各为多少的额定电流和输入功率各为多少? 解：解：NNNIUPAAUPINNN6.869230102003kWkWPPNN2.2229.02001NNNIUPAAUPINNN6.869230102003kWkWPPNN2.2229.02001上一页下一页返回 出版社 理工分社电机及拖动基础19 例例1-2 一台直流电动机额定数据如下：一台直流电动机额定数据如下：PN160kW，UN=220V，nN1500r/min，N90，求额定电流和，求额定电流和输入功率各为多少输入

11、功率各为多少? 解：解： NNNNIUPAAUPINNNN8082209.0101603kWkWPPNN8.1779.01601上一页下一页返回 出版社 理工分社电机及拖动基础201 结构相同，用途相似，容量递增的一系列电机构成一个系列。我国目前生结构相同，用途相似，容量递增的一系列电机构成一个系列。我国目前生产的主要有以下系列型号：产的主要有以下系列型号： Z2-9 2Z2-9 2 铁心长度代号铁心长度代号 机座号机座号 第二次改型设计第二次改型设计 直流直流 Z2Z2系列功率范围为系列功率范围为0.4-200KW,0.4-200KW,转速范围为转速范围为600-3000600-3000 Z

12、3 Z3，Z4Z4系列是一般用途中小型直流电机的新产品。与系列是一般用途中小型直流电机的新产品。与Z2Z2相比，体积小，重相比，体积小，重量轻，惯量小，调速范围大，还适用于静止的整流电源供电。量轻，惯量小，调速范围大，还适用于静止的整流电源供电。 ZD2ZD2，ZF2ZF2系列是一般用途的中型直流电机，系列是一般用途的中型直流电机，ZD2ZD2是中型直流电动机，是中型直流电动机，ZF2ZF2是是中型直流发电机，功率范围为中型直流发电机，功率范围为55-1000KW,55-1000KW,转速范围为转速范围为900-155900-155 ZZF ZZF系列是起重冶金用直流电动机，功率范围为系列是起

13、重冶金用直流电动机，功率范围为3-30KW,3-30KW,转速范围为转速范围为900-900-155015501.2.3 1.2.3 直流电机的主要系列直流电机的主要系列 出版社 理工分社电机及拖动基础211.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机产生电磁转矩和感应电动势，实现机电电枢绕组是直流电机产生电磁转矩和感应电动势，实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的转子称为电枢转子称为电枢电枢绕组由许多线圈（元件）按一定规律链接而成。按链接电枢绕组由许多线圈（元件）按一定规律链接而成。

14、按链接规律不同可以分为单叠绕组和单波绕组等多种形式。规律不同可以分为单叠绕组和单波绕组等多种形式。(1)电枢绕组元件电枢绕组元件(2)节距：表征电枢绕组本身和元件之间链接规律的数据为节节距：表征电枢绕组本身和元件之间链接规律的数据为节据。据。1.3.1 1.3.1 元件与节距元件与节距 出版社 理工分社电机及拖动基础22图图1.121.12 电枢绕组元件电枢绕组元件1 1 端接部分端接部分 2 2 有效边有效边 3 3 末端末端 4 4 换向片换向片 5 5首端首端 元件一般放在电枢槽中，线圈嵌入槽内的部分称为有效元件一般放在电枢槽中，线圈嵌入槽内的部分称为有效边，伸出槽外的部分称作端接部分。

15、每个元件由两个出线边，伸出槽外的部分称作端接部分。每个元件由两个出线端。，均与端。，均与4 4相连相连 出版社 理工分社电机及拖动基础23 （1 1）第一节距）第一节距 y1y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 （2 2）第二节距）第二节距 y2y2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边：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。与第二个元件的上层边间的距离。 （3 3）合成节距）合成节距 y y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。（4 4

16、）换向节距）换向节距yk yk ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 出版社 理工分社电机及拖动基础24元件数等于换向片数等于槽数元件数等于换向片数等于槽数虚槽数与实槽数之间的关系虚槽数与实槽数之间的关系极距：一个磁极在电枢圆周上所跨的距离极距：一个磁极在电枢圆周上所跨的距离 出版社 理工分社电机及拖动基础25 后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分之上，称为叠绕组之上，称为叠绕组 首末端之间的距离接近两个极距，两个元件串联首末端之间的距离接近两个极距，两个元件串联起来称波浪形，称为波绕组起来称波浪形，称

17、为波绕组 出版社 理工分社电机及拖动基础261.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场直流电机无论是作发电机运行还是作电动机运行，都直流电机无论是作发电机运行还是作电动机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。转换的媒介。 直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。如图所示，以直流电动机为例有四种励磁方么样的励磁方式。如图所示，以直流电动

18、机为例有四种励磁方式式。1.4 .1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 出版社 理工分社电机及拖动基础27（一）他励直流电机一）他励直流电机 这种电机的励磁电流是由另外的直流电源供给，如图（这种电机的励磁电流是由另外的直流电源供给，如图（a a），其），其特点是励磁电流特点是励磁电流IfIf与电枢电压与电枢电压U U及负载电流及负载电流I I无关。无关。（二）并励直流电机（二）并励直流电机 这种电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图（这种电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图（b b），其特点是励），其特点是励磁电流磁电流IfIf不仅与励磁回路电阻有关，还受电枢端电压不仅与励磁回路电阻有关，还受电

19、枢端电压U U的影响。的影响。 出版社 理工分社电机及拖动基础28 ( (三）串励直流电机三）串励直流电机 这种电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图（这种电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图（c c），其特），其特点是励磁电流点是励磁电流IfIf电枢电流电枢电流I I相等，电枢电流变化励磁电流就变相等，电枢电流变化励磁电流就变化，串励电机极少采用。化，串励电机极少采用。（四）复励直流电机（四）复励直流电机 这种电机的励磁绕组即有并联线圈，又有串联线圈，串励这种电机的励磁绕组即有并联线圈，又有串联线圈，串励绕组和并励绕组共同接在主极上，并励匝数较多，串励匝数绕组和并励绕组共同接在主极上，并励匝数较多

20、，串励匝数较少，如图（较少，如图（d d）。所以具有串励和并励电机的特点。若串、）。所以具有串励和并励电机的特点。若串、并励磁势方向相同为积复励（常用），若串、并励磁势方向并励磁势方向相同为积复励（常用），若串、并励磁势方向相反为差复励相反为差复励 出版社 理工分社电机及拖动基础29直流电机的空载是指电枢电流等于零或者直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，可以不计其影响的一种运行状态。很小，可以不计其影响的一种运行状态。直流电机空载时的气隙磁场可以认为就是直流电机空载时的气隙磁场可以认为就是主磁场，即由励磁绕组产生的磁动势（称主磁场，即由励磁绕组产生的磁动势（称为励磁磁动势）单独建立的磁场

21、。为励磁磁动势）单独建立的磁场。图图3.183.18是一台四极直流电机空载时的磁场是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极）。图中，同时交链分布示意图（一对极）。图中，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通，称为主磁通，励磁绕组和电枢绕组的磁通，称为主磁通，用用 表示。此外还有一小部分磁通不表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合磁路，仅与励磁绕组交链，磁轭形成闭合磁路，仅与励磁绕组交链，称为漏磁通，用称为漏磁通，用 表示。表示。01.4 .2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场00（1 1）主磁通和漏磁通）主磁通和漏

22、磁通 出版社 理工分社电机及拖动基础30 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得多，大约是主磁通的小得多，大约是主磁通的20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通

23、主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路 出版社 理工分社电机及拖动基础31 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大

24、且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。（2 2）空载磁场气隙磁密分布曲线）空载磁场气隙磁密分布曲线 出版社 理工分社电机及拖动基础32 空载时的空载时的气隙磁通密度为气隙磁通密度为一平顶波，一平顶波，如下图如下图(b) (b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c) (c) 所示。所示。 出版社 理工分社电机及拖动基础33 为

25、了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。如右图所示。000fF0fI 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。NfNI0fF0fIINfIA

26、0N0（3 3）直流电机的空载磁化曲线）直流电机的空载磁化曲线 出版社 理工分社电机及拖动基础34 当直流电机带负载时，电枢绕组中有电流通过，该电流也当直流电机带负载时，电枢绕组中有电流通过，该电流也会产生磁场，称之为电枢磁场。它与主磁场相互作用，产会产生磁场，称之为电枢磁场。它与主磁场相互作用，产生电磁转矩，实现能量转换。电枢磁场对主磁场的影响称生电磁转矩，实现能量转换。电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。为电枢反应。 1.4 .3 1.4 .3 直流电机的电枢反应及负载磁场直流电机的电枢反应及负载磁场（1 1）直流电机的电枢反应）直流电机的电枢反应（2 2）直流电机的电枢磁场）直流电机的电

27、枢磁场电枢反应与电刷的位置有关。电枢反应与电刷的位置有关。 出版社 理工分社电机及拖动基础351 1、当电刷在几何中性线上时，将、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a a）所示。）所示。 出版社 理工分社电机及拖动基础36xB0axBxB励磁磁场励磁磁场的磁通密的磁通密度分布曲度分布曲线线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密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物理中性线物理中性线几何中

28、性线几何中性线 出版社 理工分社电机及拖动基础37由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2)2)、对主磁场起去磁作用、对主磁场起去磁作用1)1)、使气隙磁场发生畸变、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。 磁路饱和时，有去磁作用，使

29、每个磁极下总的磁通有所减小磁路饱和时，有去磁作用，使每个磁极下总的磁通有所减小 出版社 理工分社电机及拖动基础382 2、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所示。所示。adFaqF 电枢磁动势可以分电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势轴电枢磁动势 和直轴和直轴电枢磁动势电枢磁动势 。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和直轴助磁交轴和直轴助磁电动

30、机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 出版社 理工分社电机及拖动基础391.4.4 1.4.4 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势无论是电动机还是发电机，电枢导体相对于磁场运动，就会产生感应电动势；无论是电动机还是发电机，电枢导体相对于磁场运动，就会产生感应电动势；载流导体在磁场中受力，将产生电磁转矩。载流导体在磁场中受力，将产生电磁转矩。 一、直流电机电枢绕组的感应电一、直流电机电枢绕组的感应电动动势势 产生：从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，也就是电枢绕组一产生：从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。

31、也称为记作条并联支路的电动势。也称为记作E Ea a。 如果设如果设N N为电枢绕组的总导体数，为电枢绕组的总导体数，2 2a a为并联支路数，为并联支路数，B Bavav为一个磁极内的平均磁为一个磁极内的平均磁密，密，l l为导体的有效长度，为导体的有效长度，v v为导体切割磁场的速度，则电枢电势为每一条并为导体切割磁场的速度，则电枢电势为每一条并联支路总的串联导体数乘以一根导体的平均感应电动势联支路总的串联导体数乘以一根导体的平均感应电动势： nCnapNnpllaNlvBaNEeava6060222 出版社 理工分社电机及拖动基础40apNCe60nCEea 出版社 理工分社电机及拖动基

32、础411.4.5 1.4.5 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, ,该该 力力与电枢铁心半径之积称与电枢铁心半径之积称为一根导体所受电磁力形成的电为一根导体所受电磁力形成的电磁转矩磁转矩。一根一根导体电磁转矩的平均值为导体电磁转矩的平均值为 aaaavavIapNNpaIllNDliBNDfT222222乘以总的导体数为所有导体产生的电磁转矩，乘以总的导体数为所有导体产生的电磁转矩，D D为电枢为电枢外径外径 ，等于等于等于等于 出版社 理工分社电机及拖动基础42aTICTapN

33、Ce60apNCe255. 9260602apNapNCCeT 出版社 理工分社电机及拖动基础431.51.5 直流电动机直流电动机按励磁方式的不同，直流电动机分他励直流电动机、并励直按励磁方式的不同，直流电动机分他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机4类。类。1.5.1 1.5.1 直流电动机直流电动机稳态运行时的基本关系式稳态运行时的基本关系式如图为并励直流电动机。如图为并励直流电动机。接通电源时，励磁绕组中流过接通电源时，励磁绕组中流过励磁电流励磁电流IfIf建立主磁场，电枢建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流绕组流过电枢电流I

34、a,Ia,一方面一方面形成电枢磁通势形成电枢磁通势Fa,Fa,另一方面使另一方面使得电枢元件导体流过支路电流得电枢元件导体流过支路电流与磁场作用产生电磁转矩与磁场作用产生电磁转矩T,T,电电枢朝枢朝T T的方向以转速的方向以转速n n旋转，电旋转，电枢旋转时，产生电枢电动势枢旋转时，产生电枢电动势Ea.Ea. 出版社 理工分社电机及拖动基础44(1)(1)电压平衡方程式电压平衡方程式(2)(2)转矩平衡方转矩平衡方程式程式有三个转矩，一个是有三个转矩，一个是T T，方向与，方向与n n同，拖动转矩同，拖动转矩；一个是空载转矩；一个是空载转矩To,To,，方向与，方向与n n反，制动转矩反，制动

35、转矩一个是机械负载转矩一个是机械负载转矩T2,T2,也就是电动机轴上的输出转矩，制动转矩也就是电动机轴上的输出转矩，制动转矩(2)(2)功率平衡方程式功率平衡方程式 出版社 理工分社电机及拖动基础45（a) 并励直流电动机功率流程图并励直流电动机功率流程图（b) 他励他励功率流程图功率流程图图中图中，PcufPcuf为励磁绕组的铜损耗，并励时，为励磁绕组的铜损耗，并励时， PcufPcuf 由输入功率P1P1供给，他励时，供给，他励时， PcufPcuf由其他直流电源供给由其他直流电源供给 。 出版社 理工分社电机及拖动基础461.5.2 1.5.2 并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工

36、作特性并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压U=UN,U=UN,励励磁电流磁电流If=IfN.If=IfN.电枢回路不串外加电阻时，转速，转矩，效率，与电枢回路不串外加电阻时，转速，转矩，效率，与电枢电流之间的关系电枢电流之间的关系（1 1）转速特性）转速特性当当U=UNU=UN时，时，I=IfNI=IfN时，转时，转速速n n与电枢电流与电枢电流IaIa之间的关系之间的关系n=f(Ia)n=f(Ia)称为转速特性，将电称为转速特性，将电动势公式带入电压平衡方程式动势公式带入电压平衡方程式得到得到 出版社 理工分社电机及拖动基础47图1.30

37、并励电动机的工作特性可见，如果忽略电枢可见，如果忽略电枢反应的影响，磁通保持不反应的影响，磁通保持不变，电流增加时，电枢回变，电流增加时，电枢回路电阻一般很小，所以转路电阻一般很小，所以转速下降不大，如果考虑负速下降不大，如果考虑负载较大，随着电流的增加载较大，随着电流的增加，磁通将减小，因而转速，磁通将减小，因而转速可能出现虚线所示的情况可能出现虚线所示的情况 出版社 理工分社电机及拖动基础48 （2 2）转矩特性）转矩特性 当当U=UNU=UN时，时，I=IfNI=IfN时，电磁时，电磁转矩转矩T T与电枢电流与电枢电流IaIa之间的关之间的关系系T=f(Ia)T=f(Ia)称为转矩特性。

38、转称为转矩特性。转矩特性为过原点的直线矩特性为过原点的直线 出版社 理工分社电机及拖动基础491.5.3 1.5.3 串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性IIIfaNUU )(aIfn)(fRRInCUaeefaCRIUnaR 出版社 理工分社电机及拖动基础500IIIfan则0%1004/1NNnnnn4/1n41 出版社 理工分社电机及拖动基础51NUU )(aIfT 22aTafTaffTaTICIKCIIKCICT2aIT aIT 出版社 理工分社电机及拖动基础521.5.4 1.5.4 复励直流电动机的工作特性复励直流电动机的工作特性 复励直流电动机其转速特性介于并励和串

39、励之间，如果是复励直流电动机其转速特性介于并励和串励之间，如果是并励绕组磁通势起主要作用，它的转速特性与并励直流电并励绕组磁通势起主要作用，它的转速特性与并励直流电动机相接近，反之和串励接近动机相接近，反之和串励接近 出版社 理工分社电机及拖动基础53图1.34 复励直流电动机的转速特性 一般情况下，积复励一般情况下，积复励转速特性，如曲线转速特性，如曲线2所示，既有较高的启所示，既有较高的启动能力和过载能力，动能力和过载能力，又可空载或轻载运行又可空载或轻载运行 1：并励直流电动机：并励直流电动机转速特性转速特性 3：串励直流电动机：串励直流电动机转速特性，不允许空转速特性，不允许空载或轻载

40、运行载或轻载运行 出版社 理工分社电机及拖动基础541.6 1.6 直流发电机直流发电机根据励磁方式的不同，直流发电机可以分为他励直根据励磁方式的不同，直流发电机可以分为他励直流发电机、并励直流发电机、串励直流发电机和复励直流发电机、并励直流发电机、串励直流发电机和复励直流发电机。现在主要采用他励直流发电机，为此本节只流发电机。现在主要采用他励直流发电机，为此本节只介绍这种发电机。介绍这种发电机。如图为一台他励直流发电机的如图为一台他励直流发电机的示意图，电枢旋转时，电枢绕组切割示意图，电枢旋转时，电枢绕组切割主磁通，产生电动势主磁通，产生电动势Ea,外电路接有外电路接有负载，则产生电枢电流负

41、载，则产生电枢电流Ia,根据基尔根据基尔霍夫定律：霍夫定律：(1)(1)电动势平衡方程式电动势平衡方程式1.6.11.6.1 直流发电直流发电机稳态运行时的基本方程式机稳态运行时的基本方程式 出版社 理工分社电机及拖动基础55(2)(2)转矩平衡方程转矩平衡方程式式三个转矩：一个是原动机的拖动转矩三个转矩：一个是原动机的拖动转矩T1，方向与，方向与n同，为拖动转矩同，为拖动转矩 一个是电磁转矩一个是电磁转矩T，方向与，方向与n相反，为制动转矩相反，为制动转矩 一个是空载转矩一个是空载转矩T0，方向与，方向与n相反，为制动转矩相反，为制动转矩(3)(3)功率平衡方程式功率平衡方程式 出版社 理工

42、分社电机及拖动基础56图1.36 他励直流发电机的功率流程图图中图中，PcufPcuf为励磁绕组的铜损耗，他励时，为励磁绕组的铜损耗，他励时， PcufPcuf 由其他直他直流电源供给，不在流电源供给，不在P1P1的范围内的范围内 出版社 理工分社电机及拖动基础571.6.2 1.6.2 他励直流发电机的运行特性他励直流发电机的运行特性直流发电机的四个基本物理量：直流发电机的四个基本物理量： U U、I I、IfIf、n n。（n n由原动机拖动，保持不变），运行特性指在由原动机拖动，保持不变），运行特性指在U U、I I、IfIf之间之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系，保

43、证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系 空载特性空载特性n n常数，常数， I I常数，常数， U Uf f（IfIf）；）； 外特性外特性n n常数，常数， IfIf常数，常数，U Uf f（I I）；）； 调节特性调节特性n n常数，常数， U U常数，常数，IfIff f（I I）。）。 (1)(1)空载特性空载特性 出版社 理工分社电机及拖动基础58发电机由原动机拖动，转速发电机由原动机拖动，转速保持恒定，闸刀保持恒定，闸刀K K断开，断开，（a)a)逐步调节励磁回路的分逐步调节励磁回路的分压电阻压电阻rfrf, ,使得励磁电流使得励磁电流IfIf单方单方向由向由0 0逐步增加

44、直到逐步增加直到UO=1.25UN.UO=1.25UN.(b)(b)单方向逐步减小单方向逐步减小If,If,直到直到If=0,If=0,测取相应的测取相应的UOUO和和If,If,作作出特性曲线出特性曲线 图图 他励直流发电机试验线路他励直流发电机试验线路 出版社 理工分社电机及拖动基础59他励直流发电机的空载特性他励直流发电机的空载特性由于铁磁材料的磁滞现象，由于铁磁材料的磁滞现象，所求特性的上升分支所求特性的上升分支3 3和下降分和下降分支支1 1不重合，一般取其平均值作不重合，一般取其平均值作为该电机的空载特性，如图中曲为该电机的空载特性，如图中曲线线2 2图中图中If=0If=0时，时

45、，U0=U0=ErEr为剩磁为剩磁电压，为额定电压的电压，为额定电压的2%-4%2%-4%IfIf比较小时，铁芯磁路不饱比较小时，铁芯磁路不饱和，特性近似为直线和，特性近似为直线. .IfIf较大时，铁芯随着较大时，铁芯随着IfIf的增的增大而逐渐饱和，空载特性出现大而逐渐饱和，空载特性出现饱和段，一般情况下，电机的额饱和段，一般情况下，电机的额定电压处于定电压处于A A附近附近. .这样既能使得这样既能使得磁通势的较小变化不致引起端电磁通势的较小变化不致引起端电压的变化，同时又能通过调节压的变化，同时又能通过调节IfIf在一定范围内调节输出电压在一定范围内调节输出电压 出版社 理工分社电机及

46、拖动基础60(2)(2)外特性外特性外特性是一条稍稍向外特性是一条稍稍向下倾斜的曲线下倾斜的曲线 出版社 理工分社电机及拖动基础61直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经从一条支路经过电刷换到另过电刷换到另一条支路一条支路，该元，该元件中的电件中的电流就流就要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向。 出版社 理工分社电机及拖动基础62 为了分析方便假定换向片的宽度等为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。于电刷的宽度。 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元接触时

47、，元件件1 1的被短路，电流被分流。的被短路，电流被分流。 电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 aii 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为aii直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经从一条支路经过电刷换到另过电刷换到另一条支路一条支路，该元，该元件中的电件中的电流就流就要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向。1.7

48、 1.7 直流电机的换向直流电机的换向 出版社 理工分社电机及拖动基础63图1.40 电枢绕组元件的换向过程 出版社 理工分社电机及拖动基础64 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期