电机学课件+第3章+2016-2017第1学期+直流电机

第3章直流电机重点内容：（1）直流电机的工作原理（2）直流电机的基本概念（3）电枢感应电势和电磁转矩（4）基本方程难点：（1）电枢绕组及电路图（2）电枢反应直流电机概述一.直流电机的用途.作电源用-->直流发电机

.作动力用-->直流电动机

.信号的传递

==>作为测量元件-->直流测速发电机

==>作为执行元件-->直流伺服电动机

作电源用-直流发电机

将机械能转化为直流电能；作动力用-直流电动机

将直流电能转化为机械能；直流电机概述

做励磁机用一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。

信号传递-直流测速发电机将机械信号转换为电信号信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。直流电机概述二.直流电机的优缺点1.直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。2.直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。

直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。

3.由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。(缺点)

结构较复杂直流电机成本较高使它的应用受到限制

可靠性稍差

NS3.1直流电机的工作原理及结构1.直流电动机的工作原理NS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片直流电机模型产生旋转磁极半环形金属环支柱直流电机模型电刷转轴换向片直流电机模型转向电流方向换向片线圈磁极直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载Φ旋转克服反电动势做功

电磁关系NS2.直流发电机的工作原理NS－E＋－E＋输出直流电换向原动机感应电动势、电流Φ电磁转矩（阻转矩）做功

电磁

关系*实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动

电动势脉动的减小轴承机座转子电枢主磁极电刷换向器接线盒转子轴端盖励磁绕组

直流电机的结构3.直流电机的基本结构电机装配图直流电机模型直流电机的定子(1)定子①主磁极②换向磁极③机座④端盖等

直流电机的定子(a)主磁极(b)机座

直流电机的主要部件主磁极

构成：1-1.5mm厚的钢板叠压成主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。

*主极下部的扩大部分称为极靴作用：建立主磁场。换向极构成：由铁心和绕组组成。作用：改善换向。机座

构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。*磁轭：机座中作为磁通通路的部分作用：1、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。(2)转子（电枢）①电枢铁心②电枢绕组③换向器④转轴与风扇

直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢铁心冲片电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。

构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530电枢绕组作用：直流电机的电路部分。

构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。换向器作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V形云母绝缘，两端再用两个环形夹紧而构成。电刷装置电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。M4.励磁方式If+Ua－Ia+Uf－他励并励串励复励(1)直流电动机按励磁方式分类M+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－IG(2)直流发电机按励磁方式分类自励GIa+Ua－他励串励复励并励Ia+U－IfIGGIfIa+U－I+U－IfIIaIf+Uf－(1)额定电压UN

发电机的UN

：指输出电压的额定值。

电动机的UN

：指输入电压的额定值。(2)额定电流IN

发电机的

IN

：指输出电流的额定值。

电动机的IN

：指输入电流的额定值。(3)额定功率PN

发电机的PN

：指输出电功率的额定值(UNIN)

。

电动机的PN

：指输出机械功率的额定值(UNINηN)

。5.额定值(4)额定转速nN(5)额定励磁电压UfN(6)额定励磁电流IfN※

额定状态：

指U、I、P、n均为额定值的状态。※满载状态：

指I=IN的状态。3.2直流电机的电枢绕组1、直流电枢绕组的构成

组成绕组的基本单元称为元件。元件有单匝的，也有多匝的。一个元件由两个元件边和端接线组成。元件边置于槽内称为有效边，端接线置于铁心外，不切割磁场，仅起到连接作用。上元件边下元件边后端接前端接电枢绕组是电机能量转换的枢纽。构成原则：产生足够的感生电势；允许一定的电流；

结构简单，运行可靠。电枢绕组元件两匝元件单匝元件叠绕组元件波绕组元件元件的一条有效边放在槽的上部，另一条有效边放在另一槽底部，每一槽内有上层和下层两个元件边构成双层绕组。元件首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕组通过换向片连接成一个闭合回路。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则整个绕组元件数S应等于槽数Z，即S=Z。在大型电机中每槽上、下层包含u个元件，此时S=uZ.u为槽内一层嵌放的元件边数。通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间作为一个虚槽，故虚槽数为：Zi=S=uZ一个线圈内有两个元件（u=2）的绕组由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接，所以换向片数K=S,则K=S=Zi2、直流电枢绕组的节距电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。（1）第一节距y1一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称为第一节距，用y1表示。常采用短距绕组，可节省用铜。=整数整距绕组短距绕组长距绕组y1y2NSNS12345（2）第二节距y2相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为第二节距，用y2表示，也用虚槽数计算。（3）合成节距y相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为合成节距。不同类型绕组的差别，主要表现在合成节距上。叠绕组元件在电枢上的联接波绕组元件在电枢上的联接（4）换向片节距yk叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上；波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪一样延伸。一个元件的两个出线端所连接的两个换向片之间所跨的距离，其大小用换向片数表示。（5）绕组的型式按照绕组的连接方法，电枢绕组可分为5种：单叠绕组，复叠绕组，单波绕组，复波绕组，蛙绕组（混合绕组）叠绕组波绕组单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：y=yk=1。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、直流电枢绕组展开图

叠绕组电气连接图AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。AB12345678eeeeeeee1

2

3

48

7

6

5AB

直流电枢电势电动机＋－E发电机＋－IaeeeeeeeeE两匝元件A1

2

3

48

7

6

5BIa单叠绕组的展开图(电刷位于单个换向片上)A1B1A2B2S

N

S

N+n123456789101112123456789101112A1A2B1B222'

3

3'

44'7'7

6'6

5'588'

9

9'

1010'1'1

12'1211'11与电刷相连的转子导体槽是电流分界线A1B1A2B2S

N

S

N+n123456789101112123456789101112A1A2B1B222'

3

3'5'5

6'688'

9

9'11'11

12'12单叠绕组的展开图(电刷位于两个换向片上)1010'

11'

77'

44'

※并联支路对数：a=2。※电刷的中心线对着磁极的中心线。A1B1A2B2S

N

S

N+n123456789101112123456789101112单叠绕组的展开图(电刷位于两个换向片上)磁极中心线几何中心线※

电刷的中心线对

着磁极的中心线：①

电刷之间的电动

势最大。②被电刷短接的元

件电动势为零。※习惯称“电刷放在

几何中心线位置”。单叠绕组的特点：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。电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。电枢电流等于各支路电流之和。单叠绕组的适用范围：中等容量、正常电压、转速直流电机。单波绕组合成节距与换向节距相等。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片前面相邻一片的位置。然后从此换向片继续出发，继续绕连，直到把元件全部连完，最后回到起始换向片，构成一个闭合电路。单波绕组py=Qu-1y=yc=(Qu-1)/p单波绕组的电路图单波绕组的特点:同极下各元件串联组成一条支路，支路对数为1，与极对数无关；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；电枢电动势等于支路感应电动势.电刷数等于磁极数；1、直流电机的空载磁场空载时的气隙磁密为一平顶波空载时主磁极磁通的分布情况（b）气隙磁密分布3.3直流电机的磁场及电枢反应（a）主磁通与漏磁通直轴交轴电刷放置位置：真实电刷一般放在主磁极中心线上，一个元件的两个引出线到换向片的距离相等。有时为了方便，转子铁心和绕组不动，可将换向片连同电刷沿一个方向旋转90°，此时元件的两个引出线到换向片的距离不相等。但转子槽内导体的电流分界线正好与移动后的电刷轴线重合。可简化表示电刷。2、直流电机负载时的负载磁场

直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。

假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。3、直流电机的合成磁场及电枢反应当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢反应与电刷的位置有关。(1)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，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。

电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线NS几何中心线NS励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中性线2)对主磁场起去磁作用1)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角，磁通密度的曲线与空载时不同。

磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：(2)当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移β角，电枢磁动势轴线也随之移动β角。这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量:交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。顺电枢转向移刷逆电枢转向移刷发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁NS－U＋3.4电枢的感应电动势和电磁转矩NS＋U－一、电枢绕组的感应电动势空载时直流电机气隙磁场Bl极距R平均磁密：B=Φl(1)产生

电枢旋转n

磁场Φ(2)大小

每个导体：e=Blv

导体切割磁场的线速度：

电动势：E=N1e

e→∑e→Ev=n2R60=N1Blv=N1··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn2pN60*2a注意：N1为串联支路的总导体数，而电枢总导体数N=N1*2a

E=CEΦn

CE电动势常数：CE=pN60a单位：Wb单位：r/min(V)(3)方向：

由Φ和n共同决定。(4)性质：

发电机为电源电动势；电动机为反电动势。二、直流电机的电磁转矩(1)产生

电枢电流i

磁场ΦF→T(2)大小

电磁力：F=B

li

平均磁密：

每根导线上电磁力所

形成的电磁转矩：FRB=ΦlBl极距RR电枢绕组总导体数:N电枢绕组串联支路总导体数：N1=N/2a

电枢绕组并联支路数：2a电枢的周长：2R=2p

电磁转矩：

T=N·FR=N··B

lip

=N··

lip

Φl

=N··Φi

p

=·Φ·2ai

pN

2a电枢电流Ia(2)大小T=CTΦIaCT转矩常数：(3)方向

由Φ和Ia

共同决定。(4)性质CT=pN2a单位：Wb单位：A(N·m)CTCE=602=9.55CT

=

9.55CECT

=pN2aCE

=pN60a3.5直流电机基本方程一、电压方程基本方程：电压方程，转矩方程，功率方程1、他励直流电机他励电动机电枢电流与线路电流相等：电压方程：电枢绕组内阻电枢回路总电阻I*电动机惯例：以输入电流作为电枢电流正方向，Ia与Ea方向相反他励发电机电枢电流与线路电流相等：电压方程：电枢绕组内阻电枢回路总电阻I电机向负载供电，电枢感应电势Ea作为电源电势必定大于端电压U，采用发电机惯例。*发电机惯例：以输出电流作为电枢电流正方向，Ia与Ea方向相同2、并励直流电机I并励电动机电枢电流与线路电流：电压方程：并励发电机励磁电流由电枢供给：电压方程：二、转矩方程电动机发电机NSNS1、电动机转矩平衡方程2、发电机转矩平衡方程Te为电磁转矩，T2为输出的负载机械转矩，T0为空载转矩。T1为原动机动力转矩，Te为电磁转矩，T0为空载转矩。三、功率方程电动机电磁功率：转子机械角速度：则有：1.他励电动机功率平衡方程输入功率：P1=UI电枢回路功率平衡方程:输出功率平衡方程:空载损耗功率平衡方程:他励电动机总损耗pe

=p2+(pFe＋p∆＋pΩ)p0

=pFe＋p∆＋pΩ∑p

=pcua+pFe＋p∆＋pΩ2.直流发电机的功率（并励）(1)输入功率P1:(2)空载损耗p0:(3)电磁功率Pe:(4)铜损耗pCu:(5)输出功率P2:P1=T1Ωp0=pFe＋p∆＋pΩPe=P1－

p0

=TΩ=EaIapCu=RaIa2＋RfIf2P2=UI=Pe－

pCu260=

T1n(6)

效率=×100%P2P1P1p+pΩpFePepCuP2功率流程图※小型发电机：N=70%~85%

中大型发电机：

N=91%~96%※发电机功率平衡方程式：P1=P2+Σ

pΣp=pCua+pCuf＋p∆

+pFe＋pΩ

∆一.并励直流发电机3.6直流发电机及运行

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。GIa+U0－IfE+

-rfrjAIVARLn定子铁心RLB定子铁心转子电枢定子采用永磁体励磁NSIaIaIan定子铁心RLФ0r定子铁心转子电枢定子采用电流励磁绕组NS EaEa定子铁心有剩磁,向上空载转子顺转Фa剩磁通和励磁电流磁通方向相同，正反馈n定子铁心RLФ0r定子铁心转子电枢定子采用电流励磁绕组NS EaEa定子铁心有剩磁,向上空载转子逆转Фa剩磁通和励磁电流磁通方向相反，负反馈1、并励发电机自励条件E＋Ua－GIfIaI

E

→Φ

?Φ→

E

?

①

主磁极必须有剩磁Φr

：Φr→Er→Ifr→Φ→E＞ErΦ与Φr方向相同→E＜ErΦ与Φr方向相反②

励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：Φr→Er→Ifr→E＞Er→If＞Ifr→Φ→E

···※E与If

既应满足空载特性又应满足欧姆定律。当Rf

Rk

时，EEr，能够自励。当Rf=Rk

时，E不确定，不能自励。当Rf

Rk

时，

E≈Er，不能自励。③

励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If=ERa＋RfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线的斜率：=Ra＋Rftan=EIfOIfEErRf

=RkRf

＜RkRf＞Rk2、并励发电机运行分析I

=Ia－IfU

=Ua

=UfUa

=E－RaIaI→IaRaIaE(电枢反应)Uf

→ΦUa

外特性

U=f(I

)E＋Ua－GIfIaIn=nNRf

=常数OIUU0他励并励①负载增加时，U下降较快。

VR

≈20%②外特性有拐弯现象。OIUU0他励并励INUNRL

→I(Ia)

→U

低饱和磁路RL

→U→If→Φ→E

(较大幅度)→U的下降比RL的减少得更快I=U/RLRL

→U→I→RL=0，U=0，If

=0→

Φ=Φr，

E=Er

→ISC

较小。③

稳态短路电流不大。P2=UI=230×100W=23000WIa=I＋If=(100＋2)A=102APCu=RaIa2

＋RfIf2

=(0.2×1022＋115×22)W=2540.8WPe=P2＋PCu=25540.8WT=Pe/Ω【例】

一并励直流发电机，输出电压U

=230V，输出电流I

=100A，Ra=0.2Ω，Rf=115Ω，n

=1500r/min，T0=17.32N·m。求发电机的输出功率P2

、电磁转矩T、输入功率P1

和效率

。解：230115=A=2AURfIf=P0

=T0n260=

×17.32×1500W260

=2719.24W

P1=Pe＋P0

=(25540.8＋2719.24)W=28260W=×100%P2P1=

×100%=81.39%2300028260GIa+Ua－If+Uf－二、直流发电机的运行分析1.他励发电机外电源Uf→If→ΦE→n原动机→电枢→Ua(1)空载运行励磁电路：If

=UfRf励磁电路总电阻电枢电路：Ia

=0，Ua

=U0

=E调节Rf→If

可变→Φ可变→E可变→Ua可变。E

U0

=E=f(If)

空载特性OIfU0Er剩磁感应电动势(2)负载运行

输出电压:U

=Ua

输出电流:I

=Ia

电压平衡方程式U

=Ua

=E－RaIa当IaRaIaE

(电枢反应)Ua

n=nNIa

=0空载特性当n、I为常值，发电机端电压U与励磁电流的关系，称为发电机的负载特性。OIfUn=CI=CIf1U0负载特性U=f(If)

电压调整率VR

=U0－UNUN×100%(5%~10%)

调节特性

当n

=nN，U=UN时：

If=f(I)OI

If

IfNIN调节特性

外特性

U=f(I)n=nNIf

=常数OIUn=nNIf

=IfNINUNU0外特性【例】

一他励直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ

保持不变，求1000r/min时的空载电压U0和900r/min时的满载电压U

。解：在nN和UN时的电枢电流9001000E'

=EU0=E

=Ua＋RaIaN

=(230＋0.4×43.5)V=247V在Φ

保持不变时，E

∝n10×103230=A=43.5APNUaIaN=9001000=×247V=222VU=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205VM3.7直流电动机的运行分析1.他励电动机励磁电压Uf→If→Φ电枢电压Ua→Ia↓→T→n→EE(1)电压平衡方程式励磁电路：Uf=Rf

If电枢电路：Ua

=E+Ra

Ia+Ua－IaIf+Uf－

稳态电枢电流Ia

由谁确定？T

=CTΦ

Ia

，

Ua

=E+Ra

Ia例如：负载不变(T不变)，Ua

(Ra)

变化时，

Ia

变化否（设Φ

不变）？Ua(或Ra)

瞬间n不变

E不变Ia

→T

→T＜TLE

←n↓Ia

←T

←T

=TL←Ia不变←

结论：Ia

的大小取决于负载的大小。

当Ia=IaN时为满载，当Ia＞IaN时为过载。※

规定短时过载的最大电枢电流：

Iamax=(1.5~2)IaN=αMCIaN机械特性ECEΦn=Ua－Ra

IaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T(2)转速OnTn0当T

时，n下降不多——硬特性。励磁电路断电的后果当If=0，Φ=Φr

很小，n不能突变，E很小→T=

CTΦrIa仍有一定数值。→Ia

①若T＞TL→n

→飞车！②T＜TL→n

→n=0→闷车！(3)转向取决于电磁转矩T

的方向。

T的方向取决于Φ

和Ia的方向。M+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－磁场反向电枢反向2.并励电动机

并励与他励的区别:(1)输入电压U

=Ua

=

Uf(2)输入电流I

=Ia+If(3)输入功率P1

=UI=UIa+UIfMIa+U－IIf【例】

某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求该电机在额定状态下运行时的：(1)If；

(2)Ia；

(3)E

；

(4)T

。

解：(1)励磁电流IfUfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(2)电动势EE=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215VCTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685