电机学第一章 直流电机基本知识

1、电 机 学电力机车电机机车车辆系 1第一章 直流电机基本知识第一节 直流电机基本工作原理第二节 直流电机的基本结构第三节 直流电机的电枢绕组第四节 直流电机的磁场第五节 直流电机的感应电动势和电磁转矩第六节 直流电机的基本方程第七节 直流发电机的运行特性2第一节 直流电机基本工作原理直流电机直流发电机：将机械能转换成直流电能输出。直流电动机：将直流电能转换成机械能输出。直流电机具有可逆性，既可作直流电动机使用，也可作直流发电机使用。 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一，是直流发电机和直流电动机的总称。3一、直流电机的模型结构4 直流电机模型图如上图 磁场：图中 N和 S是一对静止的主

2、磁极，用以产生磁场。主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁。 励磁绕组：容量较小的发电机用永久磁铁做磁极的。容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。 电枢绕组：在N极和 S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中abcd)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。 换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片-换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。 在定子上装有两个电刷

3、A和B，接通电枢电路和外电路。5二、直流发电机的工作原理1.感应电动势的产生1）如右图，直流电动机的电枢绕组以恒定转速n逆时针旋转，线圈有效边ab和cd将切割磁力线，产生感应电动势e。由右手定则可确定，感应电动势方向为ba，dc。若接通外电路，电流流向为：红换向片A负载B绿换向片。负载ee62）当电枢转过90时，如图，线圈有效边ab和cd转到N、S极的几何中心线上，此处磁密Bx为零，故这一瞬间感应电动势e为零。73）当电枢转过180时，导体ab和cd及红绿换向片位置互换，如右图所示。由右手定则可确定感应电动势方向分别为ab，cd。此时，电动势方向刚好与开始瞬时方向相反。外电路中电流方向为：绿换

4、向片A负载B红换向片。由此可见，电刷A始终与N极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷的极性不变。82.感应电动势的波形根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电动势为：e=BxLvBx导体所在位置的磁通密度 （T）；L 导体切割磁力线的有效长度（m）；V 导体切割磁力线的线速度（m/s）。1）导体电动势随时间的变化规律与磁通密度的分布规律相同。在电机中L一定，先假定电枢以恒转速n旋转，则v也恒定，即v=常数。那么eBx。9若以线圈位置为横坐标，线圈所在位置的磁通密度为纵坐标，绘制出Bx分布曲线如右图。由于eBx，电动势波形和磁密波形变化趋势一样，如右图。磁通密度变化波形线圈内感应电动势变化波形10

5、2）通过电刷和换向器的作用，线圈内的交变电动势转换成电刷两端的直流电动势。电枢绕组内虽是一交流电，但由于换向器的作用，使得电刷 A总是接触 N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流由A流出 B流回，方向不变，从而将交流电变换成直流电，做直流发电机运行，如右图。但它的大小仍然是脉动的。欲获得在方向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增加。电刷两端电动势波形113）增加导体数可以减少感应电动势的脉冲。实际应用中，电极电枢由许多线圈组成电枢绕组，线圈均匀的分布在电枢表面，并按一定规律连接起来。多个线圈电刷两端的电动势波形实践证明，

6、当每极下线圈边数大于8，电动势脉动的幅值将小于1%。123.直流发电机产生的电磁转矩 直流发电机电刷两端获得直流感应电动势后，若接通电外路负载，线圈内便产生一电流，电流i方向与电动势e方向相同。同时通电导体在磁场又会产生一电磁力f，形成以电磁转矩T，T的方向由左手定则判断可知，T与线圈转动方向相反。即电磁转矩将阻碍线圈的旋转，称为阻转矩。ff13三.直流电动机的工作原理 直流电动机结构与直流发电机相同，在A、B电刷之间外接一直流电源，如下图。直流电机工作原理图ff14电流方向为：A换向片abcd换向片B。根据电磁力定律，通电导体ab、cd将受到电磁力f的作用，大小为： f=BxLii导体中流过

7、的电流（A）电磁力方向有左手定则确定，方向如图所示。电磁力对转轴形成一电磁转矩T，在T的作用下，电枢轴逆时针旋转起来。15当电枢转过90，电刷不与换向片接触，此时线圈中没有电流，i=0，T=0。但由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个角度。A、B线圈分别与两个换向片相接触，位置互换。线圈中又有电流i流过，此时，导体ab、cd中电流方向为ba，dc，导体所受电磁力由左手定则判定，方向如图所示。ff因此，线圈仍受到同一方向的电磁转矩的作用，电枢保持同一方向旋转。16 在直流电动机中，通过电刷和换向器的作用，将外电源直流电转换成线圈内部的交流电。产生单方向的电磁转矩，驱动电机持续旋转。同时，电枢在转动

8、时，线圈又会切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右手定则判定)的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。直流电动机若要维持继续旋转，外加电压就必须高于反电动势，才能不断克服反电动势而流入电流，正是这种不断克服，实现将电能转换为机械能。由此可见，直流电机具有可逆性，即一台直流电机既可作发电机运行，也可以作电动机运行。例如电力机车牵引电机，在牵引工况时，作电动机运行，产生牵引力；在制动工况时，牵引电机作发电机运行。17 本次课要点（作业）： 1、直流电机的概念及其分类。 2、电磁感应定律、公式。 3、直流发电机的工作原理，阻转矩概念。 4、直流电动机的工作原理，反电

9、动势概念。18第二节 直流电机的基本结构19一、直流电机的基本结构定子：机座、主磁极、换向极、电刷装置等转子（电枢）：转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。气隙：定子与转自之间的间隙。1-风扇2-机座3-电枢4-主磁极5-换向器6-刷架7-接线板8-出线盒9-换向磁极10-端盖11-转轴20直流电机定子励磁绕组和串换向极后的电枢绕组出线定子机座换向极铁心换向极绕组主磁极铁心 主磁极绕组（励磁绕组）换向极绕组与电枢绕组的串联接线211.定子 定子：产生磁场和机械支撑（1）机座：兼起机械支撑和导磁磁路两个作用。通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成，对于换向要求较高的电机，可以采用叠片结构的机座。22（

10、2）主磁极 :产生电机的主磁场。由主极铁芯和主极线圈组成。用螺栓固定在机座内壁。励磁绕组用绝缘铜线绕制并进行绝缘处理后套在主磁极极身上主磁极的铁芯由1 1.5mm厚钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧而成23（3）换向极：又称附加极，用来改善直流电机的换向。 由换向极铁芯和换向极绕组构成，同样用螺栓固定在机座内壁。换向极绕组用绝缘铜线绕制并进行绝缘处理后套在换向磁极铁芯上主磁极的铁芯一般由整块钢，也可用叠片结构24（4）电刷装置：通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。1刷杆座2弹簧3刷杆4电刷5刷握6绝缘件。25刷辫电刷刷握汇流条26转轴端盖电枢铁心电枢绕组和槽碶电枢绕组端部换向

11、器轴承直流电机转子2.转子27（1）转轴：用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。（2）电枢铁芯：电机磁路的一部分，承受电磁力作用的部件；嵌放电枢绕组。均匀开槽电枢铁心冲片 (0.350.5mm厚) （硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成，减小磁滞和涡流损耗28（3）电枢绕组：切割磁场产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。电枢绕组通常用圆形或者矩形截面的的导线绕制而成，再按一定规律嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁芯之间都要妥善的绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部分用无纬玻璃丝带绑紧。绕组端头则按一定规律嵌放在换向器铜片的升高片槽内

12、，并用锡焊或氩弧焊焊牢。29（3）换向器：机械整流和逆变。即在直流电动机中，将外加直流电流逆变成电枢绕组内的交流电流 ；直流发电机中，将电枢绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势。3031直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组32二、直流电机的额定值铭牌值33电动机铭牌34 根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电机性能的主要数据，称为电机的额定值 1.额定功率PN 指电机按固定的工作方式运行时，所能提供的输出功率。发电机：电枢两出线端输出的电功率；电动机：指电动机轴上输出的机械功率。单位为千瓦（kW

13、）。 发电机： 电动机： 2.额定电压UN 指电机安全工作时，电枢绕组允许输出的最高电压或外加电压，单位为伏（V）。 353.额定电流IN 指电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大安全电流，单位为安（A）。4.额定转速nN 指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时，电机的旋转速度，单位为 转/分（r/min）。 此外，还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、额定温升、额定效率N等。 额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望电机按额定值运行。实际上，电机运行时的各种数据可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。36本次课要点1.直流电机的组成及各部件的作用。2.直流发电机和直流电

14、动的额定功率有何不同，额定功率、额定电压和额定电流的关系是什么？37第三节 直流电机的电枢绕组 电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽 研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组的线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。不同类型的电枢绕组，具有不同的连接规律。 直流电机的电枢绕组分为单叠绕组、复叠绕组、单波绕组、复波绕组等几种类型。对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单等。 38构成 直流电机电枢绕组的基本单元为元件； 一个元件两个有效边，其中一个有效边嵌放在某个槽的上层（上元件边），另一个有效嵌放在另一

15、个槽的下层（下元件边）,元件的首末端分别接于两个换向片上。元件在铁芯槽内部分称为有效部分，槽外部分仅起连接作用，称端接部分。1、电枢绕组元件一、电枢绕组概述392、元件数S、换向片数K、虚槽数Zu之间的关系 每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又与两个不同线圈单元的两个出线端相连接，因而线圈元件数等于换向片数，即 每个实槽内嵌放上、下两个有效边，成为一个单元槽或一个虚槽。但有些电机一个实槽上、下层常并列嵌放多个元件边，如图，这时总的虚槽数为Z电枢铁芯实槽数；u一个实槽内所包含的虚槽数。由此可得S、K、 Zu之间的关系为404.极距 以虚槽表示为电枢表面圆周上相邻两主磁极之间的距离，以长度表示为

16、Da：电枢外径 P：主磁极对数415.绕组节距 指被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离，通常用虚槽数或换向片数表示。(1)线圈节距y1： 同一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一般取“-”, y1,为短矩绕组，有利于电机换向。42(2)后节距y2 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。(3)合成节距y 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 (4)换向器节距yK 同一元件首末端连接的换向片之间的距离。4344第四节 直流电机的磁场一、直流电机的励磁方式 指直流电机励磁绕组与电枢绕组的连接方式，分为他励、串励、并励、复励4种，不同励磁方式的直

17、流电机特性差异很大。45461. 他励电机 他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个相互独立的电源供电，励磁电流If 的大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压及负载基本无关。2. 并励电机 并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。47 3. 串励电机 串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩

18、，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速。串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求起动转矩很大且转速允许有较大变化的负载等。484. 复励电机 复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成:一个与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁（或并励）绕组，通常他磁（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势方向相反，称为差复励。49绕组名称电枢绕组换向极绕组补偿绕组串励绕组并励绕组他励绕组线端符号A1、A2B1、B2C1、C2D1、D2E1、E2F1、F2IEC国际标准所规定各绕组线端的

19、符号见表50二、直流电机的空载磁场 直流电机空载运行时，电枢电流为零。这时的气隙磁场是由励磁电流If通过励磁绕组产生的磁动势Ff所建立。所以，直流电机空载时的气隙磁场又称励磁磁场。511. 空载磁场的分布 以四极电机为例，当励磁绕组流过励磁电流If时，每极的励磁磁动势为建立的空载磁场的分布如图所示。其中绝大部分的磁通是从N极出来，经过气隙进入电枢的齿槽，再经过电枢的铁轭到电枢的另一边齿槽，又通过气隙进入S极，通过定子铁轭回到N极。这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通。另外，还有一小部分磁通不进入电枢铁芯，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭

20、合回路，这部分称为漏磁通。漏磁通只是增加主磁极磁路的饱和程度，使电机的损耗加大，效率降低。一般情况下，漏磁通为主磁通的15% 20%。52四极电机空载磁场示意图532.电机的磁化曲线电机的磁化曲线是指电机主磁通 与励磁磁势 的关系曲线。543.气隙磁密分布曲线55三、电枢磁场 直流电机负载运行时，电枢绕组中通过电流，所产生的磁场称为电枢磁场。 如图，电刷在几何中心线上时，电枢磁场分布。56 电枢反应：电机负载运行时，电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。四、电枢反应57电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2) 对主磁场起去磁作用1) 使气隙磁场发生畸变 58课堂小结1.电枢绕组的类型。2.电

21、枢绕组的绕组元件、极距、节距等概念。3.直流电机的励磁方式。4.电枢反应概念及交轴电枢反应的影响。59第五节 直流电动机的感应电动势和电磁转矩一、直流电机的感应电动势产生：电枢旋转时,电枢绕组在主磁场中感应的电动势简称为电枢电动势。设电枢绕组线圈数为S，一个线圈的匝数为Na，则电枢导体总数N为每一支路中串联的导体数为60则平均气隙密度：设主极极距为 ，导体在磁场中的轴向长度为 ，每极磁通为 ，每根导体的平均电动势：则电枢表面线速度：v为电枢表面线速度，若电机转速为n ，电枢直径为Da，主极数为2P，电枢表面周长 ，61支路电动势即电机的感应电动势为：电机电动势常数， ；电机转速（r/min）；

22、每极磁通（Wb）。621）直流电机的感应电动势，仅与电刷间磁通的大小，电机的转速和电机的结构有关。2）感应电动势的大小，仅和磁通的大小有关，而和磁密的分布无关。3）性质：发电机电源电势（与电枢电流同方向） 电动机反电动势（与电枢电流反向）63二、直流电机的电磁转矩产生：电枢绕组通过电流时，在磁场中将受到电磁力的作用，电磁力在电枢轴上产生的转矩称为电磁转矩。设电枢绕组的支路电流为 ，由电磁力定律可得，作用在任一根导体上的的平均电磁力为导体产生电磁转矩为：64电枢受到的总电磁转矩：电枢电流， (A) ；电机转矩常数， 。65对于同一台直流电机电动势常数 和转矩常数 之间有一定的关系。66第六节 直

23、流电机的基本方程电机在稳态运行，即电机的负载、励磁电流以及转速达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在着一定的平衡关系，它们可表达为相应的平衡方程式，称为电机的平衡方程式。67一、电势平衡方程式感应电动势： ，方向用右手定则判定。发电机：电枢绕组接负载后，感应电动势驱动电流流动，所以电枢电流与感应电动势同方向。电动机：电枢绕组经电刷接外电源，外加电压是驱动电流流动的原因，所以电枢电流与电源电压方向相同，感应电动势与电枢电流方向相反，称为反电势。68设U为直流电机的端电压，取U、Ea、Ia的实际方向作为正方向，可得电枢回路的电动势平衡方程式为发电机：电动机：Ra为电枢回路总电阻，包括电枢回路中

24、各串联绕组的电阻和电刷与换向器之间的接触电阻。直流发电机直流电动机69由上可知，发电机： ，电枢电流Ia的方向与电枢电动势Ea的方向一致；电动机： ，电枢电流Ia的方向与U的方向一致，电枢电动势Ea表现为反电动势。发电机：电动机：70二、转矩平衡方程电磁转矩为 ，方向由左手定则判定。发电机，外加转矩T1为驱动转矩使电枢旋转，电磁转矩T与转向相反为阻转矩，同时还存在电机的空载阻力转矩T0。电动机，电磁转矩T使电枢转动为驱动转矩，与电动机转向相同，此时轴上的负载转矩T2和T0均为阻力转矩。直流发电机直流电动机71电机的转速恒定时，加在电机轴上的驱动转矩应为与阻力转矩相等，所得转矩平衡方程式为发电机

25、：电动机：由上可知，发电机， ，作为驱动转矩的是外转矩T1的方向，电磁转矩T是阻力转矩，起平衡外转矩的作用；电动机， ，作为驱动转矩的是电磁转矩T，电机的转向取决于T的 方向，电磁转矩带动负载转动而达到平衡。72三、功率平衡方程电机运行过程中，存在输入功率、输出功率和各种损耗，他们之间满足能量守恒定律。 机械系统为原动机或机械负载，电系统为电源或电负载，由耦合磁场产生T和Ea实现能量的转换。 机械系统的机械功率等于转矩乘以旋转角速度；电系统的电功率等于电压乘以电流；经磁场转换的功率称为电磁功率。731.电机的损耗（1）铜耗 ：由于电机的各种绕组中有电流流过时产生的电阻损耗，铜耗随负载而变化，又称可变损耗。（2）铁耗 ：铁芯中的磁滞、涡流而产生的损耗。（3）机械损耗 ：由于各种机械摩擦、通风而产生的损耗。（4）附加损耗 ：电枢反应使气隙磁场畸变而引起铁耗的增加；电枢表面电流分布不均而引起铜耗的增加；均压电流造成的损耗等。空载损耗，742.功率平衡方程式