直流电机原理与技术

第2章直流电机

DCMachines结构基本原理电磁关系一、直流电机的基本结构风扇机座电枢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1.1定子转子

（固定部分）（转动部分）主磁极换向极机座端盖轴承电刷装置产生磁场、电机的机械支撑电枢铁心电枢绕组换向器轴风扇感应电势，而实现能量转换的部分

1.2直流电机的磁路电枢铁心

由0．5mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定。1.2直流电机的磁路电枢铁心由0．5mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定。1.2直流电机的磁路磁极铁心由l-1.5mm厚的钢片叠成，与励磁线圈一起固定在磁轭上极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极上沿空气隙圆周表面的距离称为极距，极弧与极距比为极弧系数，约0.6—0.7极靴极靴较磁极极芯向外引伸，使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均匀，有利于固定励磁线圈由于齿槽效应，表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由叠片制成磁轭在磁极外围将磁路闭合的部分，磁轭和底座相连其中磁通不变（当直流励磁电流不变时），由铸刚构成换向极磁路换向极，是位于两个主磁极之间的小磁极，用于改善换向。换向极常用整块钢或厚钢板制成换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极1.3直流电机的电路励磁绕组 套在磁极铁芯上。 并励绕组——和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小 串励绕组——和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大

从电阻和能量消耗的角度考虑电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中 叠绕组和波绕组换向极绕组与电枢绕组串联，激励换向极磁通。

换向器 将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电势。1.4电刷装置电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直流电压电刷组数一般等于电机极对数

1.5直流电机的励磁方式直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响他励——励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接自励——励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给

自励的形式励磁回路的功率占总功率的1-5%。二、直流电机电枢绕组二、直流电机电枢绕组作用：电枢绕组——功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。用环型绕组说明直流绕组的闭合情况电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端

2.1双层绕组线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割磁场而产生感应电势。两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距。线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。虚槽概念在大型电机中、每层可能有N个并列圈边 为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。每层有3个圈边实槽虚槽每一元件有两个圈边，每一换向片上接有两个圈边，每一虚槽内放置有两个圈边，元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数

每线圈有Nc匝，则总导体数N2.2直流绕组的节距第一节距y1 元件的宽度，虚槽数，两个圈边之间的距离第二节距y2 联至同一换向片的两个圈边之间的距离合成节距y 紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距换向器节距yk 每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示2.3单叠绕组每个元件出线端依次连在相邻的换向片上，后一个绕组元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。右行左行例：绕组20虚槽，四极，双层为获得对称的绕组，每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合由右手定则判电流方向在电枢几何中心线上的元件边感应电势为0例：绕组20虚槽，四极，双层电刷被电刷短路，处于换向状态并联支路数2a=2p

N极

S极

S极

N极直流绕组是闭合绕组每一极面下的元件串联成一支路每支路中一个元件被电刷短路，处于换向状态中在整个闭合回路中，感应电势总和为0，绕组内部无环流电刷数等于极数。同极性的电刷连接形成一个“极”电刷之间的引出电势为每一支路个元件的电势和电刷放置法使电刷间导出的电势有最大值使与电势为零的元件所连接的换向片相连接

当导体转至交轴时，感应电势为零，电刷应与处于交轴位置的导体相连如导体对称，则磁极的几何中心线处为电刷位置换向绕组的绕组轴线、磁极轴线和电刷位置在同一位置上。

N2.4单波绕组每一绕组元件的出发点和终端不在相邻的两换向片上，而相隔近似为一个极距相邻两元件相隔近似一对极距连接p个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽例：电枢绕组19槽，四极例：电枢绕组19槽，四极只有两条并联支路：所有N极下的导体并联为一支路，所有S极下的并联为另一支路。2a=2电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷电刷位置：应与电势为零的元件所连接的换向片相连2.5单叠绕组和单波绕组的差别单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数 电枢间电势较下，电枢电流较大，称并联绕组单波绕组：N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2 电刷间电势较大，电枢电流较下，称串联绕组。NNSS叠绕波绕三、直流电机的简单工作原理三、直流电机的简单工作原理旋转电枢式的直流电机电枢旋转、磁极固定，带有换向器磁极——定子电枢线圈——转子旋转换向片静止电刷通过换向片，电刷1总与位于N极下的导体相连，极性为正电刷2与位于S极下的导体相连，极性为负3.1单线圈导体的感应电势电刷l、2间的电势e12为一含有很大脉动分量的直流电势，如单相全波整流一样。电势和电流脉动的很大

3.2两线圈串联后的合成电势与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度，换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角度。当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相距90电角度当有足够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电势。若电机每极下的导体数大于8，电势脉动幅度可小于1%

直流发电机实质是带换向器的交流发电机电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电势——电机正、负电刷之间的电势，即每一并联支路的电势。位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电势之和假设电枢导体是连续均匀分布的，则电势为恒定的直流电势1电枢绕组的感应电势设电枢总导体数为W，有2a条并联支路，则每一支路中的串联导体为W／2a电刷间的感应电势为每一支路中的串联导体的感应电势之和

直流电机的感应电势与每极磁通量及转速有关。如将每极磁通量保持不变，直流电机的感应电势将和转速成正比。如将转速保持不变，直流电机的感应电势将和每极磁通量成正比。电刷间的感应电势仅和极面下的总磁通量有关，而和极面下磁通密度的分布情况无关n

电刷在交轴，如果移动电刷位置，则支路中一部分导体的感应电势将因方向相反而互相抵消，导致电刷间电势Ea的减小。n使用负载时的每极磁通，得负载时电刷感应电势Ea。n当负载时，由于电枢回路的电阻电压降，直流发电机电刷间的端电压U比负载时的电刷电势Ea小解释电刷位置偏移对电势的影响电刷偏移后，极面下电刷间包含的磁通量减小2直流发电机的平衡方程式并励发电机IaILΔU——每一电刷的接触电压降电刷接触电阻随电流的增大而减小，通常假定为常数，当用石墨电刷或碳石墨电刷时，取为1V电压平衡式2直流发电机的平衡方程式并励发电机IaIL功率平衡式电磁功率输入功率空载损耗负载损耗ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。附加损耗产生P的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗3直流电动机的平衡方程式IaIIa电压平衡式电流平衡式（并励时）3直流电动机的平衡方程式IaIIa功率平衡式（并励时）并励回路损耗电枢回路铜损电刷接触电损耗机械损耗铁损耗杂散损耗电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩设流过电刷的电流为Ia电枢导体中的电流是Ia／2a设电枢直径为Da，电枢导体的有效长度为l电枢总的电磁转矩1直流发电机的转矩平衡并励发电机IaIL转矩平衡式输入机械转矩电磁转矩2直流电动机的转矩平衡IaIIa转矩平衡式思考题电刷之间的感应电势与某一导体的感应电势有什么不同各种数量之间的相互关系：导体总数、换向片数、元件数、圈边数、槽数、每元件匝数、每一槽中并列圈边数思考题一台六极电机原为单波绕组，加改绕成单叠绕组，并保持元件数、导体数、每元件匝数、每槽并列圈边数不变，问该电机的额定容量要不要改变?其它额定量要不要改变

答：单波时，并联支路数恒为2，设导体额定电流为I，则电刷的电流为2I；电刷间感应电势为Ea=E2。 单叠时，并联支路数等于极数，2a=2p=6，则电刷的电流为6I；电刷间电势为Ea=E6=E2/3。思考题有一四极直流电机，电枢为单叠绕组，如发生以下故障：（1）有一主磁极失磁；（2）有一对相邻电刷跌落试分析电机会发生什么现象？直流发电机的运行特性1直流发电机的平衡方程式并励发电机IaILΔU——每一电刷的接触电压降电刷接触电阻随电流的增大而减小，通常假定为常数，当用石墨电刷或碳石墨电刷时，取为1V电压平衡式1直流发电机的平衡方程式并励发电机IaIL功率平衡式电磁功率输入功率空载损耗负载损耗ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。附加损耗产生P的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗1直流发电机的平衡方程式并励发电机IaIL转矩平衡式输入机械转矩电磁转矩2他励发电机的特性励磁电流不随负载电流变化励磁可调，电压调节范围大，适用于要求电压广泛可调的应用场合。工业上低压（4-24V）及高压（>600V）以上均为他励。如何改变电机端电压极性？取决于电枢电势的方向，改变转向，而磁通方向不变改变磁通方向，而转向不变他励时的空载特性空载特性通过磁路计算，或空载实验得到。即电机的磁化曲线负载特性假设电枢反应的去磁作用与负载电流成线性正比。如电枢反应起助磁作用，则特性三角形应翻转，负载曲线比空载曲线高IfU0U=E-IraEI’f1If1Ira他励时的外特性端电压下降的因素：①电枢回路中引起的电压降②电枢反应的去磁作用通常约为0．05—0．10他励时的调节特性当有负载电流时，为要维持端电压不变，随着负载电流的增大，励磁电流相应增大UIN并励发电机的特性励磁绕组与电枢绕组并联、励磁电流由发电机电枢绕组自己供给，随电枢电压变化作为短线路的电源，如同步电机的励磁机、蓄电磁的充电电源等。如何改变电机端电压极性？取决于电枢电势的方向改变电刷间极性时应注意电压建立的问题。即改变原动机转向时必须改变绕组的相对连接。《使感应电势与剩磁方向一致》2.3.1并励时的空载特性并励发电机在空载时，电枢电流等于励磁电流。由于励磁电流很小，它流过电枢绕组所产生的电阻压降和电枢反应很小，故空载时的感应电势即可认为是与空载端电压相等。所以，并励发电机的空载特性和它的磁化曲线相同

2.3.2并励时的外特性端电压下降的因素①电枢回路的电压降；②电枢反应的去磁作用；③端电压下降引起的励磁电流减小。电压变化率约为20%当负载电阻不断减小时，负载电流IL增加。但当降至某一临界数值Icr以后，若负载电阻继续减小，则负载电流IL反将逐渐减小。当电枢两端直接短路，负载电流将降为微小的短路电流Ik。拐点拐点产生的原因：负载电阻减小后，一方面使负载电流增加，端电压下降；另一方面，端电压下降后，使励磁电流减小，电势下降，使负载电流下降。当电压较高时，磁路饱和，励磁电流对电势影响不大；（负载电流随电阻下降而增大）当电流达到临界值时，磁路退出饱和，励磁电流的微小变化引起感应电势的较大变化（负载电流下降）短路电流的解释：直接短路时，端电压U=0，励磁绕组电压等于0。励磁电流为零，感应电势仅为剩磁电势，并引起短路电流。短路的影响主要在于突然短路的瞬间：由于励磁绕组有很大的电阻，磁通不能立即变为零，imax可达8-12IN。2.4串励发电机特性空载特性（另外励磁）外特性场阻线（包括外电阻）串励发电机的端电压当负载变化时很大。3电压建立过程端电压与负载电阻有关，若负载电阻减小，则端电压升高；若负载电阻大于一临界电阻，则电势不能建立。2.5复励发电机的特性复励发电机的外特性界于并励发电机与串励发电机外特性之间。复励的程度决定于串联励磁与并联励磁的相对强度，并联励磁通常要比串联励磁强的多。有平复励（恰好补偿）、超复励（过补偿）、欠复励之分。 直流电动机三、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3.1直流电动机的平衡方程式IaIIa电压平衡式电流平衡式（并励时）3.1直流电动机的平衡方程式IaIIa功率平衡式（并励时）并励回路损耗电枢回路铜损电刷接触电损耗机械损耗铁损耗杂散损耗并励电动机3.1直流电动机的平衡方程式IaIIa转矩平衡式直流电动机的机械特性

和工作特性4.1直流电动机的机械特性转矩特性转速特性转速与转矩特性（机械特性，T-n曲线）在不同的励磁方式下，主磁通随负载电流的变化不同，导致电机特性的差异。4.2电动机稳定运行在恒负载转矩条件下，下降的机械特性电动机能稳定运行，上升的机械特性电动机不能稳定运行。在交点处，转速之上则T<Tz,转速之下则T>Tz4.3并励电动机的特性如何改变并励电动机的旋转方向：R：分别调换励磁绕组或电枢绕组接头。不能简单地改变电源极性，因而电磁转矩方向与主磁通和电枢电流方向的有关。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。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，Ea减小一些，Ea=CeIa，则n随Ea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φ减少，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4.3并励电动机的特性3.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。Ra=0时，称为自然机械特性——硬特性。增加电枢回路串联电阻，则机械特性变软。如改变励磁电流，则If越小时，空载转速越高，电机特性越软。如改变电枢电流（但保持励磁不变）则机械特性为平行的直线，n0不同，硬度不变。并励电动机励磁失磁的分析If=0当励磁回路断路时，气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁，电枢回路中的感应电势也将随着减小。由于惯性，电机速度不能突变，电枢电流将急剧增加，使电动机严重过载。电磁转矩的变化（1）当电枢电流的增加程度不足以补偿每极磁通的减小程度时，电磁转矩减小，因而使电动机减速；（2）当电枢电流的增加程度超过每极磁通的减小程度时，电磁转矩将增大，使电动机加速，直至转速上升到危险的高值（达到电压平衡）。4.4串励电动机的特性转矩特性一般情况下：转矩按大于电流一次方的比例增加，对起动和过载能力有意义。当负载电流（即励磁电流）很小时，铁心处于不饱和状态，主磁通随励磁成正比增加，即当负载电流较大时，铁心饱和，主磁通随励磁变化较小（近似不变）4.4串励电动机的特性转速特性负载较小时，励磁小，磁路不饱和，主磁通与电流成正比负载较大，在磁路饱和后，主磁通近似不变，随电流增加转速略有下降“飞速”的解释在满载或较重负载时，电枢电流较大，If=Ia较大，气隙磁通较大，电机只需不太高的转速便能产生较高的反电势与电网电压平衡。在空载或很轻负载时，If=Ia很小，使主磁通很小，电机必须以很高的转速才能产生反电势保持电压平衡。4.4串励电动机的特性T3.机械特性铁心饱和后在工作范围内，转速随负载电流急剧变化——软特性。不能在极轻载下运行适当地选择并励磁势和串励磁势的相对强弱，可使复励电动机具有负载所需要的特性。以并励为主的积复励：当负载转矩突然增加时，电枢电流增大（电枢反应去磁作用增强），串励磁势增加，使主磁通增大。①使电磁转矩很快的增大以克服突然增大的负载转矩；②使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值。③当电枢反应去磁作用很强时，仍能使电机有下降的机械特性，保持其稳定运行。4.5复励电动机的特性直流电动机的起动、调速和制动5.1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。tIannIaIst直接起动t=0时，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：损坏电枢绕组、导致换向器环火。随着速度增加，反电势增加，电枢电流反而下降。5.2限制起动电流的起动方法变阻器起动——起动时，在电枢回路中串入变阻器，当转速逐渐上升时，可把起动电阻逐级切除。直流并励电动机起动时，励磁回路中串联的电阻取较小的值：起动中要求较大的转矩，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。5.3降压起动方法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。6.1直流电动机的调速基本要求：调速幅度宽广、调速连续平滑、损耗小、经济指标高等。电枢回路中的串联电阻①调节励磁电流以改变每极磁通Φ；②调节外施电源电压U；③电枢回路中引入可调电阻量Ra。调速性能：速比：最高与最低速度之比；平滑性或跳级调速；经济性：损耗、效率调速设备简单、可靠、操作方便等。6.2并励电动机的弱磁调速调节励磁电流以改变主磁通当磁路不饱和，且忽略电枢反应的影响和Iara后，(1)最高转速受机械强度及换向的限制；(2)最低转速受励磁绕组本身固有电阻及磁路饱和的限制。6.3调节电源电压调速在很广的范围内平滑调速，且电动机的机械特性硬度保持不变。励磁恒定时，如他励可用于串励电动机调速。在电力牵引机车中，常把两台串励电动机从并联运行改为串联运行，使每台电动机的端电压从全压降为半压。6.4调节可变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，使转速变化率增大改变电阻Ra，即相当于改变了电动机的电枢绕组两端电压。一般从调速范围、连续平滑性、调速中电能消耗、设备投资经济性等方面比较各种调速的优缺点。适用范围主要指适用于恒转矩或恒功率、有级或无级调速、适用与大中型或小型电机等。7直流电动机的制动即在转动方向产生阻力矩能耗制动nTMABCGH制动时，制动转矩由B点开始沿直线BC下降至零制动过程中，电枢电流为电磁转矩 为制动性质转速转矩特性为

结论：制动时，机械特性为过原点的直线制动过程：开始时，由稳定运行的工作点A，突然跳到B；此后，制动转矩将随电机转速的下降而沿BC下降，直至零，转速为零。特点：制动转矩在低速时变化很小，可加上机械制动闸，加快停转。7直流电动机的制动即在转动方向产生阻力矩能耗制动nTMABCGH制动时，制动转矩由B点开始沿直线BC下降至零制动过程中，电枢电流为电磁转矩 为制动性质转速转矩特性为

结论：制动时，机械特性为过原点的直线制动过程：开始时，由稳定运行的工作点A，突然跳到B；此后，制动转矩将随电机转速的下降而沿BC下降，直至零，转速为零。特点：制动转矩在低速时变化很小，可加上机械制动闸，加快停转。制动电阻RZ俞小，机械特性愈平，制动愈快；如带位能负载，当电机停止后，将在反方向加速（第四象限，n<0,T>0）7直流电动机的制动即在转动方向产生阻力矩回馈制动当电动机的转速高于某一数值时，电动机的反电势E大于电机电源电压，即E>U，电枢电流将反向，电机进入发电机的运行状态而起制动作用，可限制转速的持续上升。适用于由串励电动机驱动的升速场合，如电车下坡。为保证励磁，需将串励绕组改为他励，且施加一定的励磁电压。此时，机械特性是原特性在第二象限的延伸。7直流电动机的制动励磁回路不变，电枢回路反接反接制动当转速为零时，制动转矩不为零，应及时将电源切除，否则将反转。制动机械特性直流电机的换向8.1换向的过程用机械方法强制改变电路连接，使绕组元件在极短时间内从—条支路移入另一条支路，从而使该绕组元件中的电流从一数值变换至另一数值。对于直流电机而言，换向前的电流和换向后的电流大小相等、方向相反——电流方向倒转。图b：元件1被短路，称换向元件，元件1、换向片1、电刷、换向片2构成换向回路，其中电流称换向电流。换向过程的影响：在电刷与换向片间产生火花。有电磁、机械、电化学、电热等方面的现象。8.2换向电路分析1．闭合回路存在有多种感应电势；2．回路中换向片和电刷的接触电阻性质较为复杂。电抗电势当换向元件中有电流I流过时，会产生交链该元件的漏磁通，电流i变化时，漏磁通将随之变化，在该元件电路中，产生一感应电势——电抗电势er电抗电势er方向倾向于维持原来的电流不变，即倾向于阻止换向电流i的变化——电抗电势总是阻碍换向的。

由换向元件产生的通过气隙的磁通，已和非换向元件产生的主磁通一起考虑在电枢反应磁通中。电抗电势只考虑换向电流的漏磁通。自感电势互感电势（有多个元件同时换向时）总电抗电势λ为换向元件的等效比漏磁导线速度电枢线负荷2.速度电势在换向周期内，换向元件的两个圈边，切割电机交轴处的磁通而感应速度电势。如果其方向与换向前的电流ia方向相同，则阻碍换向；