自动化新员工培训-第一章直流电机

根据电流性质的不同，旋转电机分为直流电机和交流电机两大类。将机械能变换为电能的称为发电机，将电能变换为机械能的称为电直流电，它们的结构特点是转轴上带有换向器。具有良好的起动和制动性能，且能在较大的第一章直流电机范围内平滑地调节速度。因此在可逆、可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用以直流电 为原的直流电力拖动。但是，直流电机制造工艺复杂，造价较高，，特别是在运行过程中易产生火花，因而在易爆场合和对干扰敏感场合，直流电机几乎不能采用。随着电力电子技术的发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被电力电子变流装置所取代。但化学工业中的电镀、电解等设备的电源还是用直流发电机来供给。本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性。一、直流发电机的基本工作原理1．电磁感应与右手定则从物理学中可知，在一个均匀磁场B中，当放置一根有效长度为l的导体，作垂直切割磁力线运动时，则在导体l上产生感应电动势。这种由于导体切割磁力线而在

导体上感应电动势的现象，称为电磁感应。其电动势的大小，取决于单位时间内切割

磁力线多寡，按法拉第定律来计算：e＝Blv第一节直流电机的基本工作原理其中v为导体运动的速度；而电动势e的方向按右手定则确定，即将右手掌伸开，让磁力线指向掌心，大拇指指向导体运动方向，则与大拇指成90°的其余四指所指方向，便是导体中感应电动势的方向，如图1-1所示。图1-1如果一匝对称线圈abcd（两有效边为lab及lcd)，置于按正弦规律变化磁场（Bx

=Bmsinx）中，线圈两个端点a和d分别与线圈一起转动的两个铜环焊接，再在两个铜环上分别压着固定不动的两个电刷A和B（见图1-2)。当线圈以

v速度作逆时针旋转时，则在A、B两刷间电动势为eAB＝ead＝edc＋eba＝2Bmlabvsinx图1-2由此可见，导体等速运动切割磁力线时，导体上感应电动势在时间上也按正弦律变化，即同Bx的规律变化。显然，如果磁场波形呈礼帽形的话，则导体中感应电动势在时间上也呈礼帽形，如图

1-3a所示。图1-3图1-4一、直流发电机的基本工作原理交流电动势到直流电动势的变换如果将图1-2中的两个铜环去掉

一个，而将留下的一个剖成互相绝缘的两半圆环，线圈两个端点分别接在两半环上，将A、B两

刷也分别压在两个半圆环上，且固定不动，其位置分别与磁极N、S对正，电机线圈仍以逆时针方

向旋转，如图1-4所示。那么在

图示瞬间，导线ab处于N极下，

与A刷连接，电动势eab由b指向a，则A刷为“＋”；当线圈转过

180°时，导体cd处于N极下，且与A刷连接，电动势ecd由c指向d，则A刷仍为“＋”。可见，A刷始终与处于N极下导体连接，不管哪根导体，一旦转到N极下，所产生电动势方向都一样， 指向A刷，故A刷为正极。同理，B刷始终为“－”刷，永为负极。显

然，对某根导体来说，如lab，在N极下电动势由b指向a，转过180°后，处于S极下，电动势由a指向b，即导体

电动势为交流电动势，但电刷两端间电动势却不变，A刷永为正，B刷永为负，都是直流电动势。如图1-3

b所示。它显然是半波整流状态，有明显脉动。如果把一个圆铜环剖为互相绝缘的四等分（每等分称换向片，整个环称换向器），分别与两个线圈连接，则脉动将减半。图1-3为了使电动势的脉动程度减少，在实际发电机中，转动部分不是一个线圈，而是由许多个线圈均匀分布在电机转动部分表面，按一定的规律连接起来。若发电机每磁极下的导体数大于8时，电动势脉动的幅度将小于1％。从上述的直流发电机工作原理表明，发电机线圈中所感应电动势是交流的，借助于换向器和电刷，才把交流电动势“换向”成为直流电动势。由于这个原因，则把上述这种发电机称为换向器式直流发电机。二、直流电的基本工作原理直流电的工作原理是基于电磁力定律的基础上，若磁场Bx与导体互相垂直，且导体l中通以电流i，则作用于载流导体l上的电磁力（用字母fx表示）为fx＝Bxil力的方向按左手定则来确定。欲使电机连续旋转，必须使载流导体在磁场中所受到的电磁力形成 向不变的转矩。这一点，也是用换向器和电刷装置配合来实现。图1-5是直流电 工作原理示意图。它的电刷A、B两端恒加直流电压U，在图示位置瞬间，导体lab处于N极下，而电流从a到b，则导体lab受到电磁力作用而向左，当导体lab处于S极下，电流是从c到d，所受到电磁力作用而向右，从而形成一转矩，使线圈逆时针方向旋转；当转过90°时，电刷不与换向片接触，而与换向片间绝缘接触，此时线圈无电流，转矩

，但由于惯性作用，转子仍向前转，那么导体lab与lcd对换位置，即lcd处于N极下，与A刷连接，lab处于S极下，与B刷连接，电流从d进a出，导体lcd受电磁力作用，其方向向左，导体lab受电磁力作用，方向向右，保持原来转矩方向不变，从而使电机继续沿着逆时针方向旋转。图1-5显然，此时产生转矩是脉动的，如果每极换向片数增至8片以上（相应也增加线圈数），就可使转子上得到几乎不变的转矩。

从电工知识可知，当直流电机为发电机运行时，电机

的电动势Ea必然大于电刷两端电压（电网电压）UN，才有电流Ia输出。但由于Ia与励磁磁场作用，则在转子上将产生一个转矩，它的方向与电机旋转方向相反，故称为制动转矩，该转矩和空载转矩（主要是摩擦转矩）一起，与原转矩平衡，故发电机不断从原 吸取机械能而转换为电能，供给电网。如果降低发电机转速（即降低切割速度）或减弱磁场（未改变方向），则发电机电动势必将下降。当Ea＜UN时，则

Ia将向相反方向流动，但端电压UN极性未变，励磁磁场极性也未变，则从电磁力定律可知，转子上转矩改变方向，而与原转矩方向一致，那么原可脱开，而电机从电网吸取电能转换为机械能，电机从发电机状态过渡到电状态。在电

运行时，转子导体切割磁力线，也要产生电动势，但与电网电压方向相反，故称为反电动势。由此可见，发电机与电

两者并无本质上差别，只是外界条件不同而已。所以，同一台电机，既可为发电机运行，也可为电

运行，只仅仅改变电流Ia的方向，这就是直流电机的可逆原理。、直流电机的结构由两个主要部分组成：一是部分（称为定子），主要用来产生磁场；二是转动部分（称为转子，通称电枢），是机械能变为电能（发电机）、或电能变为机械能（电）的枢纽。在定子转子之间，有一定的间隙称为气隙。图1-6是一台直流电机外形图第二节直流电机的结构图1-6图1-7是直流电机的主要部件图。a)前端盖

b)风扇

c)定子

d)转子e)电刷装置

f)后端盖图1-7图1-8图1-8是四极直流电机的截面图。1—电枢铁心2—主磁极3—励磁绕组4—电枢齿5—换向极绕组6—换向极铁心7—电枢槽8—底座9—电枢绕组10—极掌（极靴）11—磁轭（机座）下面简要介绍直流电机主要部件结构及其作用。一、 部分——定子1．主磁极图1-9沿气隙表面处作成弧形，使极下气隙磁通密度分布更合理。整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极总是N、S两极成对出现。各主磁极的励磁绕组通常是相互串联连接，连接时要能保证相邻磁极图1-9为直流电机主磁极的结构图。的极性按N、S交替排列。主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。当励磁绕组中通入直流电流后，铁

心中即产生励磁磁动势及其磁通，

并在气隙中建立励磁磁场。励磁绕

组通常用圆形或矩形的绝缘导线制

成一个集中的线圈，套在磁极铁心

外面。磁极铁心一般用（1～1.5）mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而

成，主磁极铁心柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴与极身交界处形成一个突出的

肩部，用以支撑住励磁绕组。极靴2．换向极图1-10为换向极的结构图1-10换向极也是由换向极铁心和换向极绕组组成，目的是为了改善换向，使电刷与换向片之间火花减小。换向极绕组总是与电枢绕组串联，它的匝数少、导线粗。换向极铁心通常都用厚钢板叠制而成，用螺杆安装在相邻两主磁极之间的机座上。直流电机功率很小时，换向极可以减少为主磁极数的一半，甚至不装置换向极。3．机座图1-8与图1-9所示。机座通常由铸钢或厚钢板焊接制成，它有两个用途：一是用来固定主磁极、换向极和端盖；二是组成磁路的一部分，称该部分为磁轭。4．电刷装置如图1-11所示。电刷装置是把直流电压和直流电流引入或引出

的装置。它由电刷、刷握、刷杆座、压紧弹簧和铜丝辫等组成。从图中可见，电刷放在刷握

内，用压紧弹簧压紧在换向

器上，而刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，且与刷

杆座绝缘。刷杆座装在端盖

上或轴承内盖上，然后将其

整个装置固定。图1-111—刷握2—铜丝辫3—压紧弹簧4—电刷二、转动部分——转子1．电枢铁心电枢铁心是主磁路的一部分，同时也要安放电枢绕组。图1-12为小型直流电机的电枢冲片形状和电枢铁心装配图。由于电机运行时，电枢与气隙磁场间有相对运动，铁心中也会产生感应电动势而出现涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚表面涂绝缘漆的圆形硅钢冲片叠压而成。冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内可安放电枢绕图1-12组，有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔。2．电枢绕组电枢绕组是直流电机电路的主要部分，它的作用是产生感应电动势和流过电流而产生电磁转矩实现机电能量转换，是电机中重要部件。电枢绕组由许多个线圈按一定的规律连接而成。这种线圈通常用高强度聚酯漆包线绕制而成，它的一条有效边嵌入某个槽中的上层，另一有效边则嵌入另一槽中的下层，如图1-13所示。线圈的两个端头按一定的规律分别焊接在两片不同的换向片上。图1-131—上层有效边3—下层有效边6—线圈首端2、5—端接部分4—线圈尾端3．换向器换向器的作用是与电刷一起将直流电 输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体，每片换向片的一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用。所有换向片均放置在与它配合的具有燕尾状槽的金属套筒内，然后用V形钢环和螺纹压圈将换向片和套筒紧固成一整体。换向片组与套筒、V形钢环之间均要用云母环绝缘，如图1-14所示。这样的换向器称为金属套筒式换向器。图1-141—换向片

2—云母片

3—V形云母套筒4—V形钢环5—钢套6—绝缘套筒7—螺旋压圈三、气隙气隙是电机磁路的重要部分。它的路径虽然很短，但由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，（一般小型电机的气隙为（0.7~5）mm，大型电机为（5~10）mm左右），对电机性能有很大的影响。在拆装直流电机时应予以重视。第三节直流电机的铭牌及主要系列一、直流电机的铭牌数据图1-15是一台直流电 的铭牌。直流电型号Z2—72励磁方式并励功

率22kW励磁电压220V电

压220V励磁电流2.06A电

流116A连续转

速1500r/min温

升80℃号数╳╳

╳

╳出厂日期╳╳╳╳年╳月╳╳╳╳电机厂图1-15铭牌钉在电机机座的外表面上，上面标明电机主要额定数据及电机产品数据，供使用者使用时参考。在电机运行时，若所有的物理量均与其额定值相同，则称电机运行于额定状态。若电机的运行电流小于额定电流，称电机为欠载运行；若电机的运行电流大于额定电流，则称电机为过载运行。电机长期欠载运行使电机的额定功率不能全部发挥作用，造成浪费；长期过载运行会缩短电机的使用

，因此长期过载和欠载都不好。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、工作性能等均比较好。现对其中几项主要数据说明如下。1．电机型号型号表明该电机所属的系列及主要特点。掌握了型号，就可以从有关

册及资料中查出该电机的许多技术数据。如型号为Z2-72的电机含义如下图所示。2．额定值额定功率PNPN是指在规定的工作条件下，长期运行时的允许输出功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电，则是指轴上输出的机械功率。额定电压UN

UN对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电 来说，是指在按规定正常工作时，加在电 两端的直流电源电压。额定电流IN

IN是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。对于发电机，三个额定值之间的关系为

PN=UNIN对于电 ，三个额定值之间的关系为

PN=UNINηN额定效率1式中P

为输入功率（4）额定转速nN

nN(r/min)是指电机在上述各项均为额定值时的运行转速。P1PN

N

100％（5）额定温升是指电机允许的温升限度，温升高低与电机使用的绝缘材料的绝缘等级有关，电机的允许温升与绝缘等级的关系如下表所示。绝缘耐热等级AEBFHC绝缘材料的允许温度/℃105120130155180180以上电机的允许温升/℃607580100125125以上例1-1

一台直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=2850r/min，ηN=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。解由式（1-3）得NNA

43.48

A230IUP

10

103

N由式（1-5）得N1NW

11760W

11.76kW0.85P

P

10

103例1-2

一台直流电

，PN=17kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=83%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。解由式（1-5）得1N

0.83P

PN

17

kW

20.482kWU

NP

20.482

103IN

1

A

93.1A2203．励磁方式直流电机在进行能量转换时，不论是将机械能转换为电能的发电机，还是将电能转换为机械能的电

，都以气隙中的磁场作为媒介。除了采用磁钢制成主磁极的永磁式直流电机以外，直流电机都是在励磁绕组中通以励磁电流If产生磁场的。励磁绕组获得电流的方式称作励磁方式。直流电机的运行性能与它的励磁方式有密切的关系。励磁方式分为（1）他励励磁绕组的电流由单独的电源供给，如图1-16

a）所示。（永磁式也是他励的一种形式）图1-16并励励磁绕组与电枢绕组并联，如图1-16

b）所示。串励励磁绕组与电枢绕组串联，如图1-16

c）所示。复励励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，是主要部分；另一部分与电枢绕组串联，如图1-16d）所示。两部分励磁绕组的磁通势方向相同时称为积复励；方向相反时则称为差复励。对于直流发电机，由于电枢绕组为输出直流电的电源部分，因此，并励、复励式励磁绕组的电流都由自己的电枢电动势所提供，统称为自励发电机。4．直流电机出线端子的标志电机每个绕组的出线端子都有明确的标志，用字母标注在接线柱旁或引出导线的金属牌上，标志如下表所示。绕组名称出线端标志国家新标准国家老标准电枢绕组A1A2S1S2换向极绕组B1B2H1H2补偿绕组串励绕组C1D1C2D2BC1C1BC2C2并励绕组E1E2B1B2他励绕组F1F2T1T2注：下标“1”是首端，为正极；下标“2”是末端，为负极。的实际例1-3

在图1-17

a）上画出并励直流电接线图。解换向极绕组应与电枢绕组串联，励磁绕组与电枢绕组并联后接直流电源，如图1-17

b）所示。图1-17二、直流电机的主要系列简介所谓系列电机，就是在应用范围、结构型式、性能水平、生产工艺等方面有共同性，功率按某一系数递增的成批生产的电机。搞系列化的目的是为了产品的标准化和通用化。我国直流电机主要系列有Z2系列一般用途的中小型直流电机。Z和ZF系列一般用途的中大型直流电机，其中“Z”为直流电

系列，“ZF”为直流发电机系列。ZT系列用于恒功率且调速范围较宽的宽调速直流电。（4）ZZJ系列

冶金辅助拖 械用的冶金起重直流电，它具有快速起动和承受较大过载能力的特性。（5）ZQ系列电力机车、工矿电机车和蓄电池供电的电车用的直流牵引电

。（6）Z-H系列

船舶上各种辅机用的船用直流电

。ZA系列用于矿井和易爆气体场合的防爆安全型直流电。ZU系列

用于龙门刨床的直流电

。，在快速响应的伺服系统ZW系列是无槽直流电中作执行元件。ZLJ系列是力矩直流电件。，在伺服系统中作执行元，用于盒式录（11）BFG系列是直流三换向片永磁电音机、电动玩具等。还有许多系列，请参阅电机手册。小

结直流电机的工作原理建立在电磁感应定律和电磁力定律的基础上。在不同的外部条件下，电机中能量转换的方向是可逆的。如果从轴上输入机械能，电枢绕组中感应电动势并产生电流，则电机运行于发电机状态；如果从电枢输入电能，从轴上输出机械能，则电机运行于电状态。直流电机的结构可分为定子、转子两部分。定子主要用于建立磁场，转子主要通过电枢绕组作能量转换。虽然绕组元件中的感应电动势和电流都是交变的，但由于换向器和电刷的作用，使电刷间的外电电动势、电压和电流都是直流的。第四节直流电机电枢绕组和磁场简述一、直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的 部分。无论是发电机还是电

，感应电动势和电磁转矩都在电枢绕组中产生，以实现机电能量的相互转换。在实际电机中，电枢绕组是由许多分布在转子表面的线圈按一定的规律连接而成的闭合绕组。根据连接规律的不 枢绕组可分为叠绕组和波绕组两种类型，叠绕组有单叠绕组和复叠绕组；波绕组有单波绕组和复波绕组之分。每个槽中的线圈边分上下两层叠放，一个线圈边放在一个槽的上层，另一个边放在另一个槽的下层。所以直流电机电枢绕组一般都是双层绕组。下面以单叠绕组为例说明直流电机电枢绕组的联接规律和电枢电路的组成特点。单叠绕组联接的特点是同一个线圈（也称作元件）两个出线端联接于相邻的两个换向片上，如图1-18所示，图中上层元件边用实线表示；下层元件边用虚线表示。相邻的两个元件依次

，互相错开一个槽，换向片节距yk=1（yk为线圈的两端所连接的换向片之间的距离，用该线圈跨过的换向片数来表示）。单叠绕组所有相邻元件依次串联，即后一个元件的首端与前一个元件的末端联在一起，最终形成一个闭合的回路。图1-18通过分析可得出如下结论：单叠绕组并联支路对数a（每两条支路是一对）等于磁极对数p，即a=p。单波绕组并联支路对数a与磁极对数p无关，支路对数a=1。电机端电压，即为每条支路的电压；而电枢电流Ia，则为每条支路ia的总和，即Ia=2aia二、直流电机的磁场1．直流电机的空载磁场直流电机空载（发电机断开电负载或电

轴子不带机械负载）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。如图1-19所示分别为两极电机及四极电机的空载磁场（又称极场）。图1-192．直流电机的负载磁场和电枢反应直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，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，亦称气磁场与主极磁场一起，在气隙内建立一个隙磁场。图1-20是以直流电动机为例来分析直流电机带负载后的 磁场的分布示意图。为分析简单起见，以两极电机为例。为了画图方便，换向器通常不画出来，所以把电刷画在电枢圆周上，且处在两极间的几何中性线位置，如图1-20所示。图1-20图1-20a为空载磁场的分布情况。按照图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则，便可确定主极磁场的方向。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m，它与磁极的几何中性线n-n重合，几何中性线与磁极轴线互差电角90°，即正交。图1-20b为电枢磁场，它的方向由电枢电流来确定。由图1-20

b中可以看出，不论电枢如何转动，电枢电流的方向总是以电刷为界限来划分的。在电刷两边，N极面下的导体和S极面下的导体电流方向始终相反，只要电刷固定不动，电枢两边的电流方向不变。因此，电枢磁场的方向不变，即电枢磁场是手定则可判定该电不动的。根据图上的电流方向用左旋转方向为逆时针。图1-20c为 磁场，它是把主极磁场和电枢磁场合在一起而产生的。比较图1-20a和c，可见由于电机带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。电刷位于几何中性线上时的电枢反应性质是：（1）使气隙磁场发生畸变 电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，使物理中性线离开几何中性线。在电 中，物理中性线逆电机旋转方向移过一个不大的α角。而在发电机中，物理中性线则顺电机旋转方向移过一个不大的α角。（2）呈去磁作用 每个磁极下，主极磁场的一半被削弱，另一半被加强。对图1-20所示的电 而言，前极尖（电枢进入磁极边）的磁场被加强，后极尖被削弱。由于电枢磁场磁力线是闭合的，所以电枢磁通势对主极磁通势的削弱数量等于对主极磁通势的增加数量。在磁路不饱和时，因磁阻是常数，所以根据磁路欧姆定律，主极磁场被削弱的磁通数量也恰好等于被增强的磁通数量。因此，负载时每极下的

磁通量仍与空载时的磁通相同。不过在实际情况下，电机的磁路总是处在比较饱和的非线性区域。这样磁通势增强处（饱和度增加）的铁磁磁阻大于被削弱处（饱和度降低）的磁阻，因此增强的磁通量小于减少的磁通量，故负载时每极磁通比空载时每极磁通略小。我们称此为电枢反应的去磁作用。因此，负载运行时的感应电动势略小于空载时的感应电动势。但工程计算时，一般不考虑电枢反应的去磁作用。（3）换向从图1-21可见，在电刷下的元件旋转时，电流方向将变化一周，即从“⊙”到“0”再到“”或相反，这种现象称为换向。当磁通密度分布不均匀，使电枢绕组中每线圈感应电动势不等，造成换向片间电位差不等，使换向电流滞后或超前，从而增加换向。图1-21电 拖动的机械负载越大，电枢电流Ia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。尽管电枢反应对电动机运行会有种种影响，但正是电枢磁通势与主极磁通势相互作用而实现机电能量转换。3．装设换向极改善换向改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。目前

改善直流电机换向最有效的办法，是安装换向极。换向极

装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图1-21所示。换向极绕组应与电枢绕组相串联，使换向极磁场也随电枢磁场的强弱而变化，换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反。1kW以上的直流电机，几乎都安装换向极。图1-21第五节直流电机的电磁转矩和电枢电动势一、电磁转矩T在直流电机中，电磁转矩是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。按电磁力

定律，作用在电枢绕组每一根导体（线圈的有效边）上的电磁力为：f=Bxlia对于给定的电机，磁感应强度B与每极的磁通Φ成正比；每根导体中的电流ia与从电刷流入（或流出）的电枢电流Ia成正比；导线长度l在电机制成后是个常量。因此电磁转矩T与电磁力f成正比，即电磁转矩与每极

磁通Φ和电枢电流Ia的乘积成正比。因此，电磁转矩

的大小可用下式来表示：T=CTΦIaT取决于电机的结构，即在已制成的电机中，磁极对数p和N（电枢绕组总导体根数）、a均为定值；Φ是每极磁通（Wb）（电枢反应后的合成磁通）；当电枢电流的单位为A时，电磁转矩单位为N·m。2

aT式中

C

是转矩常数，

C

pN二、电枢电动势Ea在直流电机中，感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律，电枢绕组中每根导体的感应电势为e=Bxlv。对于给定的电机，电枢绕组的电动势即每一并联支路的电动势，等于并联支路每根导体电动势之总和，线速度v与转子的转速n成正比。因此，电枢电动势可用下式表示：Ea=CeΦne当每极磁通Φ的单位为wb，转速n的单位为r/min时，电枢电动势的单位为V。e60a式中

C

——电动势常数，C

pN

，取决于电机的结构。由式Ea=CeΦn可知：对已制成的电机，电枢电动势Ea正比于每极磁通和转速。Ea与每极磁通Φ的数值有关，而和磁通分布的形状无关，如果分布形状变化，而每极磁通量保持不变，则电枢电动势Ea大小保持不变。转矩常数CT与电动势常数Ce之间有固定的比值关系：

(

pN

)

/(

pN

)

60

9.55Ce

2a

60a

2CT即CT

=9.55Ce例1-4

一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1460r/min，每极磁通Φ=2.2×10-2Wb，求：此发电机电枢绕组的感应电动势。此发电机若作为电 使用，当电枢电流为800A时，能产生多大电磁转矩？解

先求出电动势常数

C

pN

2

216

3.660a

60

2ea

e2E

C

n

(3.6

2.2

10

1460)V

115.6

VCT

9.55Ce

9.55

3.6

34.4

(34.4

2.2

102

800)N

m

605N

mTaT

C

I三、直流电机的能量变换——电磁功率Pem从式T=CTΦIa与式Ea=CeΦn及Ω=2πn/60可得出下列关系aaa

a2

n

pN

nI60

60a2

aT

pN

I

E

I上式表明，发电机的电磁转矩T作为原

拖动转矩的阻转矩来吸收原 输入电机的机械功率TΩ，通过电磁感应作用将其转变为电功率EaIa。反之，作为电

的电源电压的反电动势吸取电功率EaIa，并将其转换为机械功率TΩ。所以无论是电

，还是发电机，其能量变换过程中，机械功率变换为电功率或电功率变换为机械功率的这部分功率称为电磁功率Pem，有Pem=TΩ=EaIa第六节

直流电的运行原理一、直流电的基本方程式直流电的基本方程式是指直流电稳定运行时电路系统的电动势平衡方程式，机械系统的转矩平衡方程式以及能量转换过程中的功率平衡方程式。在列写直流电机的基本方程式之前，各有关物理量都应事先规定好它的正方向。图1-22是一台他励直流电

结构示意图和电路图，将各物理量的正方向按惯例标注在图上。电枢电动势Ea是反电动势，与电枢电流方向相反，电磁转矩T是拖动转矩，T与转速n的方向一致，负载转矩TL与转速方向相反。图1-221．电动势平衡方程式根据电路的动势平衡方程式，即定律可以写出电枢回路的电U=Ea+IaRa式中，Ia是电枢电流，Ia=I

（I为负载电流或称为输入电流，若是并励电 ，则有Ia=I-If）；Ra是电枢回路中总电阻，Ra

=ra

+△Ub

/Ia

。按照技术标准，在求额定运行的铜耗时这些电阻应折算至

75℃时的值；ra是电枢回路中电枢绕组、串励绕组、换向极绕组及补偿绕组的电阻之和；△Ub是一对正负电刷总的接触电压降。对一般的碳刷或石墨电刷而言，一对电刷的接触压降为2V。2．功率平衡方程式以他励直流电流Ia，电网向电为例，接上电源时电枢绕组中流过电输入的电功率为P1=UI=UIa将式U=Ea+IaRa代入上式，得a

a

aP1

Ea

Ia

Ra

I

E

I

I

2

R

P

pa

a

em

Cua式中，pCua是电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的电损耗，称为铜耗。它与电枢电流有关，亦称可变损耗。可见：输入的电功率除一部分被电枢绕组消耗（铜耗）外，绝大部分作为电磁功率转换成了机械功率。由式Pem=TΩ=EaIa可知，电中的电磁功率Pem是将电功率EaIa变换为机械功率TΩ的功率。因为当电机转动后，还要克服机械损耗pm（包括电枢轴与轴承间的摩擦损耗，电刷与换向片间的摩擦损耗、电机旋转部分与空气间的摩擦损耗等，这些损耗与转速有关）、电枢铁心损耗pFe（电枢铁心中因电机旋转使磁场反复变化而产生的磁滞损耗和涡流损耗），以及附加损耗pS（以电枢齿槽影响产生的损耗、电枢反应引起的损耗等），所以电 的电磁功率，扣除了机械损耗、电枢铁心损耗、附加损耗后，大部分从电机轴上输出，故电机输出的机械功率为P2=Pem－pFe－pm－ps忽略附加损耗ps后：P2=Pem－pFe－pm=Pem－p0上式中p0=pFe+pm,称为空载损耗。它与电枢电流无关，亦称不变损耗。因为当电机空载时，P2=0，则此时Pem=p0；空载损耗引起的转矩称为空载转矩T0，用下式表示：p0=T0Ω他励直流电

的功率平衡关系可以用功率流程图形象地表示，如图1-23所示。图1-23

pFe

pm

ps

P2

p综合上述各式可得P1

Pem

pCua

P2

pCua式中Σp=pCua＋pFe＋pm＋ps，称为总损耗，如果不考虑附加损耗ps，则Σp=pCua＋p0。他励电 的励磁铜耗（即励磁损耗）由其他电源提供。而并励电 的励磁铜耗由同一电源提的功率平衡方程式中还应包括励磁铜供，所以并励电耗pCuf。pf

Uf

If直流电 的效率P2P1

P2

100%

P2

p100%一般中小型直流电 的效率在75%~85%之间，大型直流电 的效率约为85%~94%之间。3．转矩平衡方程式将式P2=Pem－pFe－pm=Pem－p0的等号两边同除以电的机械角速度Ω，可得转矩平衡方程式P2

得T2=T-T0或T=T2+T0式中，T2是电轴上输出的机械转矩。由于空载转矩T0的数值仅为电 额定转矩的2~5%，所以在重载或额定负载下常忽略不计；而机械转矩T2与电轴上所带的负载转矩TL相平衡，即T2=TL，则由上式可得电 输出转矩的常用计算公式2P2

2

n

/

60T

P2

n

9.55

P2在额定情况下，P2=PN，

T2=TN，n=nN,

则NNnT

9.55

PN例1-5

一台他励直流电接在220V电网上运行，已知，a=1，p=2，N=372，n=1500r/min，Φ=1.1×10-2Wb，Ra=0.208Ω，pFe=362W，pm=204W，求：此电机是发电机运行还是电 运行？电磁转矩、输入功率和效率各是多少？解1）判断一台电机是何种运行状态，可比较电枢电动势和端电压的大小，即an2pN

2

372

E

1.110

1500 V

204.6V60a

601因为U＞Ea，故此电机是电运行状态。2）求T、P1和η根据

U=Ea+IaRa则

U

Ea

220

204.6

A

74AaaR

0.208I电磁转矩aT

pN

I

1.12

a

2

1

输入功率P1=UI=UIa=(220×74)W=16280W=16.28kWP2=Pem－pFe－pm=EaIa－pFe－

pm=(204.6×74-362-204)W=14574W=14.574kW输出功率效率

P2

100%

14.574

100%

89.5%P1

16.28例1-6

一台Z2-17型直流电

，额定数据为：PN=7.5kW，UN=110V，IN=83.6A，nN=750r/min，空载时测得电流为10A。求：1）空载损耗（忽略空载铜耗）。空载转矩。额定负载下的电磁转矩解1）空载损耗p0≈UNI0=（110×10）W=1100W=1.1kW2）空载转矩00Nn

750

9.55

p0

9.55

1100

Nm

14NmPT

3）额定负载下的电磁转矩T=0NNn

750T

9.55

pN

9.55

7500

Nm

=

95.5N

mT=(95.5+14)N·m=109.5N·m二、直流电的工作特性直流电的工作特性是指U=UN=常数，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流If=IfN时，电

的转速n、电磁转矩T和效率η与输出功率P2之间的关系，即n=f

(P2)、T=f

(P2)、η=f(P2)。下面以他励电 为例进行 。并励电

的励磁绕组与电枢绕组并接在同一直流电源上，因为直流电源电压恒定不变，因此并励电 与他励电的运行性能完全一样。1．转速特性n=f

(P2)根据U=Ea+IaRa=CeΦn+IaRa，得U

RaaCe

Cen

I由式P2=Pem－pFe－pm=Pem－p0可知，当不计及p0时，

P2与Pem相等，由式Pem=TΩ=EaIa可知Ia随着P2的增加而增大，两者增加的趋势差不多。如果忽略电枢反应的去磁效应，则转速特性与上式相似，是一条略微向下倾斜的曲线，如图1-24曲线1所示。图1-242．转矩特性T=f

(P2)根据转矩平衡方程式T=T2+T0=9.55P2/n+T0，如果n不变，则输出转矩T2与P2成正比关系。T2=f

(P2)特性曲线是一条过坐标原点的直线。考虑到P2增大时，n略有下降，故T2=f

(P2)曲线呈略为上翘趋势，如1-24曲线2’所示。空载转矩T0在转速变化不大的情况下，可认为是一恒定值，因此T=f(P2)特性曲线与T2=f(P2)曲线平行，并比T2=f(P2)曲线高一个数值T0，即曲线在纵坐标上的截距为T0，如图1-24曲线2所示。3．效率特性η=f(P2)根据效率公式1

1

p

P2

100%

1

100%P

P将p

PCua

p0及P1=UIa代入，得UIa

UIa

p

pp

I

2

R

1

0 Cua

100%

1

0

a a

100%

由上面的分析可知，直流电机的损耗分为不变损耗p0和可变损耗pCua两部分。当P2从零逐渐增大，开始时Ia值很a

a损耗为主。这样输出功率P2增大，而电机损耗极微，效率η上升很快。随后因为可变损耗按电流平方关系增大，使总损耗的增加很快，效率下降，由此可知，效率曲线是一条先上升，后下降的曲线，如图1-24曲线3所示。曲线中出现了效率最大值ηmax。小，可变损耗

I

2

R

很小，可略而不计，电机损耗以不变用数学方法可以求得η令dη/dIa=0，可得他励电x，在上式中求导，并获得最大效率的条件：p0=pCua可见，当电机的可变损耗等于不变损耗时其效率最高。效率特性还告诉，电机空载、轻载时效率低，满载时效率较高，过载时效率反而降低。在使用和选择电上应尽量使电工作在高效率的区域。第七节直流发电机运行概况发电机的特性一般是指发电机运行时，端电压U、负载电流I和励磁电流If这三个基本物理量之间的函数关系。在分析中，因直流发电机的转速是由原动机给出，故认为转速不变，即n=nN=常数。一、他励直流发电机的空载特性空载特性是指n=nN，空载（Ia=0）时，空载电压U0与励磁电流If的关系，即U0=f(If)。空载特性曲线可用试验方法测定，试验接线如图1-25所示。图1-25。电试验时开关Q断开，发电机由原拖动旋转，励磁电路接到外电源上，调节励磁电路的电阻Rpf，使励磁电流If从零开始逐渐增加，空载电压随之增大，直到U0=（1.1~1.3）UN为止然后逐渐减小If，U0也随着减小，但当

If=0时，U0不等于零，而约等于额定压的2%~5%，称为剩磁电压。改变励磁电流的方向，重复上述步骤，则空载电压由剩磁电压减小到零后又逐渐升高，但极性相反，直到U0=－（1.1~1.3）UN，即可得到磁滞回线的一半，如图1-26所示。然后根据对称的关系，画出磁滞回线的另一半，并找出磁滞回线的平均曲线，如图1-26中的虚线，即为他励发电机的空载特性曲线。图1-26二、并励直流发电机的空载自励过程并励直流发电机的空载特性与他励时无多大差别，因为空载时，通过电枢的电流Ia=If，不超过额定电流的1%~3%，因而不会引起端电压显著变化。并励直流发电机要发电必须有主极磁场才能进行电磁感应，而并励发电机的主极磁场又要靠发电机本身发出的直流电压来提供励磁电流，这对相互制约的，使并励发电机必须在满足一些条件的情况下才能建立起稳定的电压。下面通过分析并励发电机的自励过程来自励条件。图1-27可以用来表示并励发电机的自励过程。曲线1是并励

发电机的空载特性U0=f(If),曲线2是励磁回路电压与励磁电流的关系曲线，U0=IfRf=f(If)。当电阻Rf不变时，空载电压与励磁电流成正比，所以曲线2是一条过原点

的直线，其斜率由励磁回路电阻决定。故曲线2称为磁场电阻线，简称场阻线。图1-27在自励过程中，电压的建立首先依靠剩

磁，由于发电机主磁极是由铁磁材料制成的，一经磁化，便有少量的剩磁存在。当原拖动发电机电枢旋转时，电枢绕组切割主磁极的剩磁，从而产生了最初的必不可少的感应电动势，称为剩磁电动势Er，尽管剩磁电动势不大，约为额定电压的2%~5%，但毕竟使并联在电枢绕组上的励磁绕组产生了一定的励磁电流If1。所以发电机的主磁极要有剩磁，这是自励的先决条件。励磁电流If1产生的磁通，它的方向可能与剩磁方向一致，增强了磁场，使感应电动势增大，也可能与剩磁方向相反，削弱了剩磁，使发电机产生的感应电动势更小。这取决于励磁绕组与电枢绕组并联连接的极性。如果极性连接正确，励磁电

生的磁通与剩磁方向相同，使气隙磁通增强，从而使电枢电动势和端电压升高到E1，参见图1-27。E1的增大，

使励磁电流增大至If2,由If2→E2→If3→E3→If4，如此循环发展，直至运行到曲线1与曲线2的交点A处，感应电动势与励磁电流达到稳定状态，发电机建立了稳定的电压。如果励磁绕组与电枢绕组并联的极性不正确，则电压就不能建立起来。同样，即使励磁绕组极性连接正确，而发电机旋转方向相反使电刷上引出的电动势极性改变，造成If反向，结果也无法建立稳定电压。值得注意的是，建立稳定电压U0的大小取决于空载特性曲线与场阻线的交点。如果调节励磁回路变阻器使Rpf

增大，场阻线（曲线3）的斜率随之增大，交点A就要沿空载特性向左移动，空载电压U0下降。当场阻线与空载特性直线部分相切时，没有固定交点，空载电压不稳定，如图曲线4。这时励磁回路的总电阻Rf=rf+Rpf

称为临界电阻值，如果励磁回路的总电阻大于临界电阻，则场阻线与空载特点很低，约等于剩磁电压，发电机就不能自励，必须 ，对应不同的转速，发电机有不同的空载特性，其临界电阻值也就不同。综上所述，并励直流发电机自励建立稳定电压，必须满足三个条件：发电机主磁极必须有剩磁。励磁绕组与电枢绕组连接必须正确，发电机转向与励磁绕组的连接必须正确配合使励磁电 生的磁