第四章 直流电机

船舶电机与电气控制系统机电系电气教研室第4章直流电机

(DCelectricitymachine)4.1直流电机的构造4.2

直流电机的基本工作原理4.4

直流电动机4.3

直流发电机思考题第4章直流电机(dcmachine)本章要求：(demand)1.掌握直流电机的结构。2.会分析直流发电机和电动机的工作原理。3.掌握直流电机的励磁方式。4.掌握直流发电机的起压条件。5.掌握直流电动机的机械特性。

主要内容：(content)

直流电机的结构 主要掌握：定子机转子结构

直流电机的铭牌数据

主要掌握：电压、电流、容量等参数

直流电机的励磁方式

主要掌握：串励、并励、复励4.1直流电机的构造及励磁方式

structureandexcitetypeNS············NS直流电机的构造structure极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路Magneticpoleandmagneticcircuit直流电机由定子(磁极,机座、电刷),转子(电枢、换向器)构成。2.转子(电枢)rotor由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极magneticpole永磁式:

由永久磁铁做成。励磁式:

磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:

磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：由结构、形状相同的线圈组成用来在电机中产生磁场magneticfield直流电机的构造一、定子主要部件1．主磁极：主极铁心由薄钢板冲片叠成，其上套有励磁绕组，通入直流励磁电流产生主磁场。2．换向极：铁心由整块钢制成，尺寸比主极小；与主磁极相间分布。换向极用于改善换向，以减少因电磁原因而引起的电刷下的火花。换向极绕组与电枢电路串联，换向极磁场与交轴电枢反应磁场方向相反。它不仅用来抵消电枢反应磁场，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。图4-2-1直流电机解体图

3．机座：是直流电机的固定支撑和防护的部件，又是磁路的一部分。有磁通经过的部分称为磁轭。机座通常是由铸钢制成或由钢板卷焊而成。4．电刷装置：主要有刷架、刷杆、刷握、炭刷及压紧弹簧等组成。为减少由机械原因而引起的电火花，炭刷插在刷握中应既能上下自由移动又不晃动，

而且随着炭刷的磨短应及时调整压紧弹簧，以保持与换向器适当的接触压力。2．电枢绕组：各绕组线圈的两个出线端按一定的规律焊接到换向器片上，形成一闭合回路。1．电枢铁心：由硅钢片叠成，固定在转子支架或转轴上。铁心圆周上均匀分布的槽内嵌放电枢绕组。电枢铁心是磁路的一部分，二、转子主要部件3．换向器：换向器的作用是将电枢线圈中的交流变为直流或相反。由许多楔形铜片（换向片）叠成圆筒形，片间用云母绝缘。换向器片放置在套筒上；用压圈固定，压圈本身又用螺帽固紧。换向器装在轴上。电枢线圈的出线端就焊接在换向器片端部的升高片的小槽中。一、构造(structure)基本构造：定、转子statorandrotor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。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结构细说换向器二、主要铭牌数据(mainnameplatedata)1.额定容量capability（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.额定电压（Vvoltage）：端电压Un;

3.额定电流（Aampere）

：发电机输出的或电动机输入的额定电流In;

4.额定转速nN(rotatespeed)：额定状态下的转速;他励电动机separatelyexcited

：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机shunt-woundmotor

：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机serieswoundmotor

：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机compound-woundmotor

：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复励U三、直流电机的励磁方式ExcitationMode

主要内容：content

直流发电机及电动机的工作原理 主要掌握：区分电动机与发电机原理

直流电机电动势与电磁转矩

主要掌握：区分发电机与电动机的转矩与电动势

直流电机的电刷位置 主要掌握：电刷在那个位置产生的火花最小4.2直流电机的基本工作原理

operationalprinciple

一、工作原理（workprinciple）直流电源Electricsource电刷brush换向器commutator线圈windinga.电动机motor电动机的电磁转矩是驱动转矩.在旋转的过程中,电枢线圈也切割磁场而产生电动势,该电动势的方向总是与电流方向相反,故称为反电动势.b.发电机generators电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转

发电机的电动势(electromotiveforce)为电源电动势。电枢中有电流以后,电流与磁场相作用产生电磁转矩。方向与转动方向相反,故称反转矩（阻转矩countertorque

）。在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。在线圈内部(inside)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。电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。二、恒定(invariablenes)的电动势和电磁转矩FFU+–NS电刷换向片IIEEKE:与电机结构有关的常数称为电势常数KT:与电机结构有关的常数,称为转矩常数Torqueconstant位置不正确，产生增磁性电枢反应电刷在“几何中心线”上三、电刷的正确位置rightposition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。位置不正确，产生去磁性电枢反应

主要内容：content

直流发电机的空载特性 主要掌握：区分电动机与发电机原理

自励直流发电机的起压

主要掌握：起压条件

直流发电机的外特性及电压变化律 主要掌握：电压与电流的关系4.3直流发电机

DCgenerator因为E=KeΦn,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。一.空载特性noloadcharacteristics（1）剩磁(remanence)电压Er：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)。EEr0If（2）正常工作在弯曲(blend)段（3）调节If可以调节发电机电压二.自励发电机的起压(voltagebuild-up)自励发电机的自励(self-excitation)起压过程(靠剩磁建立电压)EE=f（If）Er0IfE=IfRfα以并励为例：非线性的空载特性曲线(E=f(If))与线性的场阻线(Rf=E/If)的交点即为自励的稳定电压(stablevoltage)。EE=f（If）Er0IfE=IfRfα分析起压过程(process)：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A3.励磁电路的电阻要适当。自励发电机的自励起压条件(voltagebuildupcondition):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。三.外特性externalcharacteristic

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(armature)电路的电压平衡方程(equation)为a.他励发电机(separatelyexcitedgenerator)

电枢电流Ia等于负载电流Ib.并励发电机(shuntwoundgenerator

)电枢电流只有电枢电阻引起端电压的微小变化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compoundgenerator

电枢电流armaturecurrent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。

积复励cumulativecompoundexcitation

：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

差复励differentialcompound

：串励与并励磁场方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。直流发电机从空载到满载端电压变化的程度用电压变化率表示,即过复励的u％<0。电压变化率(varietyrate)他励发电机的u％≈(5~10)％;并励的u％≈(10~30)％;平复励的u％=0;欠复励的u％>0;四.转矩和功率的平衡(balance)当发电机稳定运行时,发电机机械转矩T1=T+T0

电磁阻转矩空载转矩机械功率mechanismpower

P1=Pe+P0发电机的效率(efficiency):

主要内容：content

直流电动机的构造 主要掌握：结构

直流电动机的分类 主要掌握：他励、并励、串励、复励

直流电动机的工作原理 主要掌握：工作原理4.4直流电动机

DCmotor直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：excellency(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:application轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。

1.他励电动机(separatelyexcitedmotor)励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。直流电机的分类(sort)直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机2.并励电动机(shuntwoundmotor)

励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。UUfIaM+_+_If他励IaUM+_If+_IE并励4.复励电动机(compoundwoundmotor)励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3.串励电动机(serieswoundmotor)励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM复励U+_IMIa4.4.2

直流电机的基本工作原理IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷brush换向片commutatorU–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的交流电，以保持转矩方向不变。U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷brush线圈(winding)在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。KE:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速：磁通magneticflux

1.电枢感应(induction)电动势

E=EKnU–+EETnSbNdFFacII换向片电刷由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。式中：U—外加电压

Ra

—绕组电阻2.电枢回路(armatureloop)电压平衡式–RaIaE+–+UMKT:与电机结构有关的常数

:线圈所处位置的磁通magneticfluxIa：电枢绕组中的电流3.电磁转矩(magnetismtorque单位:(韦伯)，Ia

(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为4.转矩平衡toquebalance关系电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=KT

Ia当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程T2:机械负载转矩loadtorqueT0:空载转矩noload

torque

例：设外加电枢电压U一定，T=T2

(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia

、P入)

。T2nIa

T

E4.4.3

直流电动机的运行特性

operationcharacteristic直流电动机在正常运行时，虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。一、并励电动机shuntwoundmotor1.转矩特性IaUM+_If+_IE由图可求得由上分析(analysis)可知：当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数(constant)。则T=KT

Ia=KT

Ia

即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。

n0TIa2.转速特性由以下公式(formula)求得n0TIa式中：n0求得IaUM+_If+_IE3.机械特性式中：n=f(T)

特性曲线n0nNTN并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。n0TnnN很小，大约为3%~8%二、串励电动机(SeriallyExcitedMotor

)1.转矩特性当Ia较小时，铁心不饱和串励UIa+_IfM特点：当Ia较大时，铁心饱和与并励类似2.转速特性当Ia较小时，可得根据当Ia较大时，铁心饱和与并励类似从上式可见，当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30%n0TIa求得3.机械特性串励电动机在负载变化时，转速n的变化大—软机械特性（自然特性）。适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。当负载增加时，转速快速下降，当负载减小时，转速快速上升，这样不仅可以确保安全，而且可以提高生产效率。三、复励电动机(compound-woundmotor

)复励U+_IMIa他励的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。4.4.4

并励电动机的人为机械特性1.电枢回路串联电阻R根据nn0T电阻增大2.降低电枢电压Un0nT0U3.减弱磁通Tn（

减小）Rf增加OHumanmechanicalcharacteristicoftheshuntexcitationgereators4.4.5

并励电动机的起动与反转起动start直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；起动时,n=01.起动问题：(1)起动电流大(2)起动转矩大起动时，起动转矩为(10~20)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。StartandReverse2.起动方法(1)电枢串电阻起动法在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。nn0T电阻增大TLT2T1此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。

3.注意事项(2)降压起动法：直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。TLT2n0nT0T1(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KTIa),

电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。

(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势

E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。

(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。2.反转Reverse

电磁转矩：T=KTIa

(1)改变励磁电流的方向。(2)改变电枢电流的方向。注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。改变直流电机转向的方法有两种：4.4.6

并励(他励)电动机的调速并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特的优点。

1.调速均匀平滑，可以无级调速

2.调速范围大，调速比可达D=8~10以上3.调速静差率小。主要优点：由转速公式:可见直流电机调速方法有三种。shuntwound(Separatelyexcited)generatorspeedregulation4.4.6.1弱磁调速weakenedmagnetismandadjustingspeed

保持电枢电压U不变，减小励磁电流If(调Rf)以减小磁通。由式TLTnO调速过程:直至T=TC达到新的平衡。Rf

EIａnIa

ET

在高于n的转速下运行

弱磁调速时，减小，但Ia保持不变，所以转矩随调速的升高而下降，而允许输出的功率恒定。所以属于恒功率调速，且转速n只能上调。(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其D可达３~４,一般D=2

减小调速的特点：4.4.6.2

降压调速由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n0"n0'电压降低Tc特性曲线n0nT0改变电压调速的特点:(1)工作时电压不允许超过UN

，而nU,所以调速只能向下调。(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。(4)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(5)调速范围较大。一般D=8~10调速过程:保持If

为额定,减小电枢电压。

UIa

T

T

=TC稳定n

E

Ia

T

改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。(3)属于恒转矩调速。4.4.6.3电枢回路串电阻调速nn0T

电枢回路串电阻调速时，和Ia保持不变，所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速下降。且转速n只能下调。特点：(1)设备简单，操作方便。(2)机械特性软，稳定性差。(4)能量损耗大，只用于小型直流机。TL(3)调速范围较小，一般D=2~2.54.4.8串励电动机的启动、调速及制动启动start

串励电动机的启动方法与他励电动机一样，采用电枢串电阻和降压启动。但启动转矩