第3章 直流电机原理

第3章直流电机原理直流电机基本结构直流电机基本原理直流电机主要工作特性1/31/20231直流电机3.1.1概述直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。

用作发电机可以获得直流电源，用作电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。

1/31/20232直流电机直流电机的优、缺点

本章分析直流电机工作原理、结构及换向等问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识。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。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高；由于存在换向器，其应用场合受到限制。1/31/20233直流电机3.1.2直流电机基本工作原理一、交流发电机基本工作原理物理模型:①e=BXlv;②磁极都是成对出现;③整流;电子式机械式aBe1/31/20234直流电机二、直流发电机基本工作原理①换向器;②内部(ab,cd):交流;

外部(AB):直流;③实质:带有换向器的交流电机;④实际电机:多根导体有规律连接te1/31/20235直流电机三、直流电动机基本工作原理①f=Bxli;②DMDG的可逆性;③直流电机仅是能量转换工具;直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。1/31/20236直流电机3.2直流电机的主要结构1/31/20237直流电机直流电机由静止的部分定子和旋转的部分转子两大部分构成：1、定子：机座、主磁极、换向极和电刷装置等。主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势(E)和产生电磁转矩(T).1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。1/31/20238直流电机2）换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。3）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。1/31/20239直流电机2、转子：电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。

1）电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。参P31图1/31/202310直流电机3.2.2直流电机的铭牌数据(额定值)

为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。

1．额定功率PN

（kW）:输出的最大功率；

2．额定电压UN（V）:3．额定电流IN

（A）:4．额定转速nN

（r／min）:5．励磁方式和额定励磁电流IfN（A）ML+-IaU1/31/202311直流电机额定功率，对直流发电机来说，是指输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。直流发电机的额定功率为：直流电动机的额定功率为：直流电动机的额定输出转矩：额定过载欠载运行状态

eg3.1,3.2(p32)1/31/202312直流电机3.4直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。

a.据原理:两个有效边组成一个元件;b.许多元件互联组成一个绕组;c.元件组成的原则:两个相邻异性极相对应的位置.1/31/202313直流电机S(元件数)=K(换向片数)=Z(槽数)NS1/31/202314直流电机几何中性线：磁极之间的平分线，

极对数p：2p:极数;极距

:在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可表示为:NS元件节距（第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数(整距、长距、短距),整数1/31/202315直流电机

eg:单叠绕组展开图已知某直流电机的极对数P=2,Z=K=S=16,试画出单叠绕组展开图。1．计算绕组数据1/31/202316直流电机2．画绕组展开图（1）先画16根等长、等距的实线;（2）放磁极:N.S(0.7);（3）换向片;（4）联绕组;（5）确定感应电势方向;（6）放电刷.画图3.151/31/202317直流电机12161/31/202318直流电机单叠绕组并联支路图:1/31/202319直流电机单叠绕组的特点元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；并联支路数等于磁极数，2a=2p；整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；由正负电刷引出的电枢电流Ia

为各支路电流之和，即

Ia=2ia

（式中ia

为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。1/31/202320直流电机3.3直流电机的磁场、电枢反应一、直流电机的磁路和励磁方式：1.磁路换向极1/31/202321直流电机2.直流电机的磁势主极磁势:Ff=IfNf电枢磁势:Fa=IaNa换向极磁势:FK=IKNK(

IK=Ia)3.直流电机的励磁方式(NaNf的供电方式)ML+-IaUUf1/31/202322直流电机(不同励磁方式电机的特性不同)1/31/202323直流电机二、空载时直流电机的磁场分布：空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。那么，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，又称励磁磁场。漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩。主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩。1/31/202324直流电机极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙，显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。磁管宽为任主磁路磁势相同1/31/202325直流电机应用磁路欧姆定律求出如上图示:磁管宽为1/31/202326直流电机磁极中心及附近处:靠近极见尖处:极靴以外:两极之间的几何中心线处:1/31/202327直流电机三、直流电机的电枢反应电枢反应:电枢磁场对主极磁场的影响.1/31/202328直流电机电刷位置、交轴磁场几何中性线物理中性线交轴(q)磁动势直轴(d)磁动势1/31/202329直流电机电枢反应对主极磁场的影响A:电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变;B:使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线,物理中性线偏移;C:考虑饱和时，起到去磁作用。问题:1.如何抑制电枢反应?2.电枢磁场是静止的吗?1/31/202330直流电机3.5直流电机的电枢电动势和电磁转矩一、电枢电动势E(每条并联支路的感应电动势)一个磁极极距范围内，平均磁密用表示，极距为，电枢的轴向有效长度为，每极磁通为Ф，则电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。1/31/202331直流电机一根导体的平均电动势为：所以：又因为：1/31/202332直流电机因为一条支路里的串联总导体数（z为电枢总导体数），于是，电枢电动势为：式中，

是一个常数，称为电动势常数

1/31/202333直流电机二、电磁转矩(所有导体)2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：1）先求一个导体的平均电磁力：SN1/31/202334直流电机3）电机总的电磁转矩则为：式中：是一个常数，称为转矩常数，是电枢总电流，1/31/202335直流电机

，对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系，三、直流电机的电磁功率（物理意义）1/31/202336直流电机四、几点说明1.大小及物理意义2.方向Ea:右手定则

T:左手定则3.T,Ea同时存在（举例）4.稳态:问题:如何改变电磁转矩及感应电势的方向?TNSnE1/31/202337直流电机3.6直流发电机一、运行原理(他励、并励)发电机规定正方向:Ea

Ia同向TNSn并励直流发电机：1/31/202338直流电机二、基本关系电动势平衡方程式:他励直流发电机UIaEa+-nTT1T0IfRa1/31/202339直流电机

转矩平衡方程式：直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩T1

；一个是电磁转矩T；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用T0表示,.空载转矩是一个制动性转矩,永远与转速n的方向相反

UIaEa+-nTT1T01/31/202340直流电机功率平衡方程式：电磁功率PM:转换成电枢回路的电功率：他励并励铜损耗1/31/202341直流电机附加损耗为：发电机的效率为：P50,eg3.51/31/202342直流电机UIaEa+-nTT1T0IfRa1/31/202343直流电机三、直流发电机的运行特性（1）负载特性(n=常数,Ia=常数)U=f(If)

当Ia=0时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性。主要物理量:U,Ia,If,n;n≡c(在发电机中)（2）

外特性(n=常数,If=常数)U=f(Ia)（3）调节特性(n=常数,U=常数)If=f(Ia)（4）效率曲线运行特性:研究两者之间的关系UIaEa+-nTT1T01/31/202344直流电机他励直流发电机的空载特性(n≡cIa=0)与相似1/31/202345直流电机1/31/202346直流电机他励直流发电机外特性

(n≡cIf=IfN)理想空载电压：Ia=0U=Ea=

U0电流增大时，端电压下降UIaEa+-nTT1T0IfRa1/31/202347直流电机(1)电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。

(2)负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小并励方式下，端电压下降的更快一些：负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一步也影响了励磁电流使之减小，这样一来，又使得的电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。1/31/202348直流电机他励直流发电机的效率曲线：不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小无关，称为不变损耗。可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与电流平方成正比，称为可变损耗。1/31/202349直流电机并励直流发电机在自励过程中，发电机的电压是否会无限制地增长下去呢？1/31/202350直流电机并励发电机的自励条件：1）电机必须有剩磁。

2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。3）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。发电机的转速不同时，空载特性也不同。因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻。

1/31/202351直流电机3.7直流电动机运行原理一、直流电机的可逆原理UaEaIaIfT1Tn直流电动机工作简介1/31/202352直流电机二、他励直流电动机稳态运行的基本方程UaEaIaIfUaTTLnTNSnEa原理图电动机惯例定正方向Ra1/31/202353直流电机基本方程：负载电流（稳态时）UaEaIaIfUaTTLn1/31/202354直流电机功率平衡方程式：他励(并励)直流电动机从电源输入的电功率为：1/31/202355直流电机三、直流电动机的工作特性：转速特性：IfN的定义考虑电枢反应的转速特性1/31/202356直流电机2）转矩特性：3）效率特性：1/31/202357直流电机3.8他励直流电动机的机械特性一、机械特性：n=f（T）TLUaEaRaIaIfTRR:电枢回路附加电阻（可变）1/31/202358直流电机二、固有机械特性与特性曲线分析决定于电机本身性能，唯一的Tnn00TNnN1/31/202359直流电机固有机械特性特点：理想空载转速：额定转速降：起动电流：直接起动电流很大，不能直接起动（eg3.9）1/31/202360直流电机三、人为机械特性（调速的需要）1.电枢回路串电阻2.降低电枢电压3.减少气隙磁通量Tn01/31/202361直流电机四、机械特性的绘制据产品目录的数据可绘出固有特性

n=f(T)为一直线，只要两个点即可理想空载点：T=0,n=n0额定运行点：T=TN,n=nNTnn00TNnN1/31/202362直流电机计算n0TN估算EaN=(0.93~0.97)UN伏安法实测Ra精确：近似：1/31/202363直流电机3.10直流电机的换向(简)一、什么是换向1/31/202364直流电机二、换向元件中的感应电动势1