电机学直流电机课件

第六章直流电机的工作原理及结构直流电机的多媒体动画1直流电机的多媒体动画2第一节直流电机及其用途直流发电机把机械能转化为电能；直流电动机把电能转化为机械能。用途：直流电动机的优点：①调速范围宽，且易于平滑调速；②过载、起动、制动转矩大；③易于控制，可靠性高；④

调速时能量损耗小。第二节直流电机的基本工作原理1交流电动势的产生（交流发电机模型）电磁感应定律：满足右手定则为随时间正负交变的电动势结论：交流电机模型动画2直流电动势的产生（直流发电机模型）直流电机模型动画结论：为脉动的直流电动势。由于旋转电刷和静止换向器的作用，3电磁转矩的产生（直流电动机模型）电磁力定律：满足左手定则以单线圈简化模型为例，进行分析。显然，在电刷间接入直流电源后，在线圈中就有直流电流流过。直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流。图中电刷相对于磁极的位置保证了，无论线圈边处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生逆时针方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩。第三节直流电机的主要结构风扇机座铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖电枢直流电机主要结构部件动画主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置定子转子直流电机（产生励磁磁场）（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）直流电机的额定值①额定功率：

PN（kW）②额定电压：

UN（V）③额定电流：

IN（A）④额定转速：

nN（r/min）直流发电机：直流电动机：

直流电机的共同问题本部分主要内容：

1了解电枢绕组联结的基本知识；理解直流电机主磁极磁场、电枢电流产生的磁场及直流电机的电枢反应的基本知识；理解电枢绕组感应电动势和电枢绕组产生电磁转矩的知识。1电枢绕组与换向片（器）通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。结论：一电枢绕组的基本知识2电枢绕组与电刷连接位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。3

电枢绕组感应电动势和电流方向根据主极磁场方向和电枢转向，可知：上半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向外；下半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向内。思考：N、P电刷放在换向器什么位置，可在两个电刷间获得最大的感应电动势？结论：只有把N、P电刷放在主磁极轴线对应的换向器表面（如图中时刻电刷和1、4换向器接触），这样通过电刷，1、2、3、4号换向片把1（红）、2（湖兰）、3（紫）号3个元件串联组成的一条并联支路感应电动势最大。对称的关系，4、5、6、1号换向片把剩余3个元件串联组成的另外一条并联支路电动势完全一样。电枢元件感应电动势的方向，决定了元件中电流的方向。3

电枢绕组感应电动势方向和电流的方向4

直流电机电枢简化模型

右图的模型图中不再画出换向器和绕组端接线，直接将电刷移到几何中心线位置处的元件边相接触。另外，在模型中，每个极下电枢表面均匀分布的导体表示绕组的一条支路，两个极下的两条支路通过电刷并联，电刷外部电路中的电流为一条支路电流的2倍。还有，电刷中心线也是电枢表面电流分布的分界线。二直流电机磁场的基本知识1直流电机主极磁场主磁极电枢附加磁极主磁通漏磁通Bδ

τ

N

根据全电流定律，并不考虑铁心磁路的磁压降，励磁绕组通过励磁电流建立的磁动势，认为全部消耗在气隙里。再不考虑电枢齿槽影响，在极弧范围内的气隙处处相等，那么整个主磁极下主极磁密的分布为一平顶波。2直流电机主极磁场产生方式（励磁方式）

他励：主极励磁电流由专门独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接。永磁直流电机也可认为是他励方式。直流电机励磁方式，主要分为他励和自励两类。自励：励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给。具体又可分为并励、串励和复励等形式：3直流电机电枢电流产生的磁场发电机1－主磁极产生的气隙磁密波2－电枢电流产生的气隙磁动势波3－电枢电流产生的气隙磁密波

4直流电机的电枢反应1－主磁极产生的气隙磁密波2－电枢电流产生的气隙磁密波

3－磁路不饱和的合成气隙磁密波4－磁路饱和的合成气隙磁密波

5直流电机电枢绕组的感应电动势空载时单根导体的电动势：空载时电刷间电枢绕组感应电动势：负载时的感应电动势：其中，空载每极磁通量：切割速度和电枢转速关系：电动势常数：6直流电机电枢绕组的电磁转矩电枢绕组产生电磁转矩：其中，为转矩常数一根载流导体产生的电磁力：电动势常数和转矩常数的关系为：bδ

Bavbδx0..............niaT

第十一章直流电动机

1直流电动机的作用原理电枢绕组和励磁绕组分别施加直流电源。气隙中主磁通与电枢电流相互作用产生电磁转矩:

电磁力矩为原动力矩，在电磁力矩的作用下，驱动轴上的机械负载旋转。电枢绕组感应电势为2直流电动机的平衡方程式

电压平衡式电流平衡式（并励时）2直流电动机的平衡方程式

转矩平衡式2直流电动机的平衡方程式

功率平衡式（他励式）输入电功率:电磁功率:电枢回路总的铜损耗:为输出的机械功率;空载损耗功率：电磁功率包括：3他励电动机的工作特性(1)转矩特性励磁电流不变。当负载电流很小时，电枢反应的去磁作用很小，近似认为主磁通不变，则与电枢电流成线性关系。当负载电流较大时，电枢反应去磁作用使主磁通有所减小，曲线向下弯曲。工作特性曲线3他励电动机的工作特性(2)(2)转速特性负载电流增加，电枢电阻压降增大，如不计电枢反应的去磁作用即主磁通不变，减小一些，，则随的下降而有所减小，形成向下的机械特性。如考虑电枢反应的去磁作用将使每极磁通减少，他（并）励电动机的转速变化很小。电阻电压降的影响影响较大，转速特性是略为下倾的。——硬特性工作特性曲线3他励电动机的机械特性主磁通由于负载电流去磁作用的影响随电流增加而略有减小。是理想空载转速是机械特性的斜率4他励直流电动机的起动与调速4.1直流电动机的起动

起动要求：

足够的起动转矩

一定范围的起动电流

起动时间符合生产要求、起动设备简单、经济、可靠。（1）直接起动缺点：最初起动时，起动电流很大，容易损坏电枢绕组、导致换向困难，产生强烈环火。并励电动机起动时，励磁回路中串联的电阻应最小：因为起动中要求有较大的转矩，励磁回路电阻小，励磁电流大，较大，有利起动。电机起动后，感应电势建立，使起动电流很快减小。（2）电枢串电阻起动他励电动机的电枢回路串入起动电阻（一般采用可多级切除的变阻器），就能限制最初起动电流的大小。（3）降压起动一般只适用于大容量频繁起动的直流电动机，须用专门的调压电源。优点：起动电流小，起动消耗能量少，升速比较平稳。在起动过程中，可逐步提升电源电压，使按需要的加速度上升。在实用中，发电机-电动机组即采用降压起动法，其中，发电机及电动机均采用他励，以保证起动时有足够的励磁电流。“整流器-电动机”组也采用此方法。4.2直流电动机的调速调速的基本要求与方法：（1）要求：调速幅度宽广、调速连续平滑、损耗小、经济指标高等。

（2）方法：①调节励磁电流以改变每极磁通；②调节外施电源电压；③电枢回路中引入可调电阻量。

（1）仅调节电枢回路总电阻调速

效率低；负载转矩较小时，电枢电流小，调节作用不大；电动机机械特性变软，使转速变化率增大；（2）调节励磁电流调速优点：控制功率小；设备简单；效率高。缺点：受换向和机械强度限制