第03章 直流电机

第三章直流电机

本章概述实现电能与机械能相互转换的设备称为电机。应用旋转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机，把机械能转换为电能的旋转电机称作发电机，根据电磁原理把电能转换为机械能的旋转电机称为电动机。船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流种类电机分交流电机和直流电机。船舶电气设备与系统

2023/1/31课件直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转电器装置。直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在作为电动机使用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结构复杂，造价高和维护工作量大等。现在大多数船舶采用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如远洋捕捞船的拖网机。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要类型之一。本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。第三章直流电机本章主要讲解内容

第一节直流电机的工作原理与结构

第二节

电枢绕组的感应电势和电磁转矩

第三节

直流发电机的运行特性

第四节直流电动机的运行特性

第五节

无刷直流电动机第一节直流电机的工作原理与结构返回直流电机的结构下面通过观看一段视频（第03章直流电机的结构）来学习电机的结构基本构造：——定、转子。电刷、换向器作用：——起机械整流器作用。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）。注意：各部件的作用。定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷风叶磁极电刷电枢转子转轴换向器换向片压紧环电枢绕组绕组端部换向器转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇直流电机工作原理下面观看视频（第03章直流电动机工作原理）直流电机工作原理下面观看视频（第03章直流发电机工作原理）在发电机线圈内部是一个方向不断改变的交变电动势，而电刷之间的电动势则是方向不变的直流。注意：在发电机中，换向器起到整流的作用。(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下图3-1直流发电机的原理图(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下图3-6直流电动机原理图那么，在电动机中呢？图3-2电刷间的电势只有一个线圈的直流发电机，电刷间所得的电势是脉动的，如图3-2所示图3-3直流电机绕组示意图图3-3是由12个线圈组成的电枢绕组示意图。电刷将12个线圈对称地分成两条并联的支路。

电刷的位置正确与否,将影响到正负电刷间的电动势E,从而影响到发电机的电压和电动机的转速;同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。确定电刷正确位置的原则是:

使正负电刷间能获得最大电动势。图3-5电刷偏离几何中性线示意图如果电刷位置移动，偏离几何中性线，如图3-5所示。由于电刷之间各支路中并非所有的线圈都处于同一磁极下，所以同一支路的电势方向不再相同，电势相互抵消，使总电势减小；同时被电刷短路的线圈也不处在几何中性面上，线圈中有电动势，因而有通过电刷的短路环流，当线圈脱离电刷短路时将产生断路火花。为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间设置了正确装配的“标记”。在运行管理中应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记”加以校正和固定。四、直流电机的额定值1.额定容量（KW）:是指额定状态下,发电机输出的电功率PN=UNIN,或电动机轴上输出的机械功率PN=UNINN;2.额定电流（A）：发电机输出的或电动机输入的额定电流IN;3.额定电压（V）：端电压UN;4.额定转速nN

：额定状态下的转速;此外,还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。5.额定励磁电压UFN(V);6.额定工作方式第二节电枢绕组的感应电势和电磁转矩

一、电枢绕组的感应电势●以发电机为例●推导思路：一根导体感应电动势：经过整理计算，其感应电势的计算公式可以表示为：二、电枢绕组的电磁转矩●以电动机为例●推导思路：一根导体受力：经过整理计算，其电磁转矩的计算公式可以表示为：三、直流电机的电磁功率电磁转矩所对应的功率称为电磁功率Pm，是电枢电流与电枢电动势的乘积，是电枢绕组因切割主磁通而产生的电功率。直流电机的损耗有以下几种：机械损耗PM、铁芯损耗PFe、励磁回路功率Pf（即励磁回路铜耗If2Rf）和电枢绕组的铜损耗PCu和附加损耗(杂散损耗)PΔ等.在能量转换的过程中必然有损耗。M并励UIf对于电动机即输入电功率P1等于励磁回路损耗Pf和电枢回路的输入功率在电枢回路IIa即输入至电枢回路的功率除小部分化作铜损Pcu，大部分为电磁功率Pm，电磁功率就是转变为机械功率的功率。由电磁功率转变而来的机械功率尚不能全部被利用，还需克服机械损耗PM、铁芯损耗PFe、附加损耗(杂散损耗)PΔ，才是电动机轴上的输出功率P2.当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率P1应与输出的电功率P2和电机内部各种损相平衡.即：对于发电机M并励UIfIIa即电枢回路输出电功率等于励磁回路损耗Pf和输出功率P2。来分析电路在电枢回路第三节直流发电机的运行特性

一、直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式分他励和自励，自励包括并励、串励和复励。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，直流电机可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM(短)复励U因为E=CeΦn,而Φ与If之间为磁化曲线关系,所以空载特性曲线与磁化曲线相似。（1）剩磁电压Eor：励磁电流等于零时的开路电压,约为额定电压的2~5％。当发电机空载(I=0)及保持额定转速不变时,电枢电动势(或空载电压U0)与励磁电流If之间的关系E=f(If)。EEor0If（2）正常工作在弯曲段（3）调节If可以调节发电机电压二、直流发电机的空载特性三、自励发电机建压条件（1）发电机必须有剩磁。若剩磁消失可用外电源充磁。（2）励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向相同。这与

并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向

有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路

的连接极性。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁电阻过

大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转

速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变

低，而无法建立起正常的电压。分析起压过程：剩磁通剩磁电动势励磁电流励磁磁场剩磁磁场磁场方向一致…稳定在A点EE=f（If）Eor0IfE=IfRfαA3.励磁电路的电阻要适当。自励发电机的自励起压条件:1.发电机要有剩磁；2.励磁电流磁场与剩磁场方向相同；4.转速要适当。如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列两种方法改正：（1）改变电枢绕组与励磁绕组的相对联接；（2）改变电枢的旋转方向。注意在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下,发电机的有载端电压与负载电流之间的关系U=f(I)。直流发电机电枢电路的电压平衡方程为四、直流发电机的外特性电压变化率计算公式1、他励发电机电枢电流Ia等于负载电流I只有电枢电阻引起端电压的微小变化2、并励发电机电枢电流电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小,电动势的减小,又使电压进一步下降3、复励发电机电枢电流复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流(短复励)或电枢电流(长复励),复励发电机又分为积复励发电机和差复励发电机。串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机串励与并励磁场方向相反的复励发电机称为差复励发电机。根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为平复励、欠复励和过复励发电机。当供电线路较长时，一般采用过复励。船上采用平复励。差复励发电机一般是作为特殊用途的专用电源，例如直流电焊发电机、船舶电动舵机、某些起货机的专用电源发电机等。第四节直流电动机的运行特性返回按励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，直流电动机和直流发电机一样，也可分为四种：他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。他励电动机并励电动机串励电动机复励电动机一、直流电动机的基本方程电系统的电势平衡方程能量转换过程中的功率平衡方程机械系统的转矩平衡方程1.电势平衡方程参照图3-19，不考虑和，根据基尔霍夫电压定律，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为：

其中，而,由于励磁电流要远远小于负载电流，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，即。或并励电动机2.功率平衡方程其中：P1为输入电功率；Pm为电磁功率；Pcu为电枢铜损。P1=Pm+Pcu近似电磁功率Pm与轴上输出的机械功率P2和空载损耗功率P0（机械损耗PM和铁损PFe之和）之间关系为：Pm=P2+P0并励电动机3.转矩平衡方程直流电动机产生的电磁转矩与负载转矩和空载转矩保持相平衡二、直流电动机的机械特性将反电动势E=Cen代入的电压方程中,并当电枢电路的外串电阻R=0时,可得直流电动机的转速特性n=f(Ia)的表示式,即并励电动机电动机的转速与转矩之间的关系n=f(T)曲线,称为机械特性曲线。将Ia=T/(CT)代入上式中,则得自然机械特性关系式,即n0：

理想空载转速,即T=0时的转速。系数k=Ra/(CeCT2)表明特性曲线的斜率。当电枢的外串电阻R0时,斜率k变大,这时的机械特性称为人为机械特性。直流电动机的机械特性与励磁方式有关：

(1)并(或他)励电动机：由于每极磁通、理想空载转速和系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图3-20所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大，其转速变化率仅为3％～8％，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动的生产机械。图3-20直流电动机的机械特性积复励(2)串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，从而使转速随负载的增加而迅速下降，如图3-20所示。该特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较软。当负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限度的数值，导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电动机绝对不允许空载起动及空载运行。它的软特性、起动力矩比较大，适用于起动困难的场合。图3-20直流电动机的机械特性积复励船上起货机多采用串励电动机，它具有轻载快行，重载慢行的特点。三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向1．直流电机的电枢反应当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。

如图3-21（a）（b）、（c）所示并励电动机(a)

(b)

(c)图5-4电刷位置与电枢反应直流电机在运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。2．直流电机的换向理想的换向条件是换向时绕组中的电流及电势为零。而一般情况下，除了绕组本身原因换向绕组中感应电抗电势不为零外，电枢反应引起的气隙磁通的畸变，也使换向绕组产生感应电势。电抗电势和电枢反应电势都会阻碍电枢绕组的换向性能，导致电刷与换向片之间产生火花。为了改善换向性能，通常在定子主磁极之间放置换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。一般在负载变化较大的中、大型电机中。在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法，补偿绕组与电枢绕组串联，其作用原理与换向极相同。此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。第五节无刷直流电动机(自己看)无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以电子换向装置代替了一般直流电动机的机械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。图3-22无刷直流电动机原理框图一、无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成图3-22无刷直流电动机原理框图一、无刷直流电动机的基本结构直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检测，产生信号触发开关电路中的电力电子元件使之导通或截止。电动机定子各相逐次通电产生电流，并和转子磁极主磁场相互作用产生转矩，从而控制电动机的转动。图3-23无刷直流电动机的组成框图图3-24无刷直流电动机基本结

构

1电动机定子；2电动机转子；3传感器定子；4传感器转子；5电子开关电路2．转子位置传感器无刷直流电动机中的位置传感器的作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发出信号控制功率放大元件，使定子绕组中的电流进行切换。从原理上说，与转子安装在同一个轴上的任何一种角位移传感器都可以作无刷电机的位置传感器用。如光电位置传感器、电磁式位置传感器和磁敏式传感器。下面以电磁式位置传感器为例，对其原理予以简单的介绍．电磁式位置传感器由定子1和转子2两部分组成。定子