电机拖动第二章

第二章直流电机本章重难点重点直流电机的工作原理及额定数据；直流电机的励磁方式及电枢反应；直流电机的基本方程式，包括感应电动势、电磁转矩、电压平衡方程、转矩平衡方程式及功率平衡方程式；直流电机的工作特性；直流电动机的固有机械特性和人为机械特性；难点：直流电机电枢绕组的设计；直流电机带负载后的磁场；直流电机换向不良产生的原因。电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机电装置。直流电动机的功能是将直流电能转换成机械能带动机械负载，而直流发电机的功能是将机械能转化成直流电能供给电负载。直流电动机具有良好的起动和宽广平滑的调速性能，因而被广泛应用于对起动和调速性能要求较高的生产机械上，如电力机车、轧钢机、船舶机械、造纸机和纺织机等。直流发电机主要用作直流电源，供给直流电动机及电解、电镀设备等所需要的直流电能。下面重点讲直流电动机和直流发电机的工作原理。一、直流发电机的工作原理要解决的问题是直流发电机是如何发起电来的？依据定理：方向由右手定则判定假设原动机拖动电枢逆时针恒速旋转原动机拖动目前位置：ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下ab边：感应电势（电流）b→a

cd边：感应电势（电流）d→c线圈电势方向：

d→c→b→a电刷电势方向：A+；B-所以，直流发电机原理（原理三部曲）（1）原动机使转子以每分钟n转旋转（2）发电机内部有磁场存在（图中给出的是永久磁铁）（3）当电枢被原动机驱动，线圈abcd按逆时针方向转动后，线圈的有效边ab和cd切割磁力线产生感应电动势e，大小为Blv，用右手定则判断出感应电势的方向。于是，对外电路来说，电刷A极性为“+”，电刷B极性为“-”。二、直流电动机工作原理要解决的问题是怎样转起来的？依据：电磁力定律

B—磁密，l—导体有效长度，i—电流方向由左手定则判定磁极电枢换向器电刷(静止）目前位置：ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下线圈中电流方向A→a→b→c→d→B电枢逆时针方向旋转ab边:电流a→b

,电磁力方向逆时针

cd边:电流c→d

,电磁力方向逆时针目前位置：cd线圈边在N极下，ab线圈边在S下线圈中电流方向A→d→c→b→a→B电枢逆时针方向旋转ab边:电流b→

a

,电磁力方向逆时针

cd边:电流d

→c,电磁力方向逆时针直流电动机工作原理（三步曲）：（1）将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流流过。（2）电机内部有磁场存在。（3）载流的转子（即电枢），将受到电磁力的作用(左手定则)，所有导体产生的电磁力作用于转子产生的电磁转矩，以便拖动机械负载旋转。（1）在直流电动机中，虽然外加电压和电流都为直流，但在电枢绕组内部，电流是交变的，靠换向器和电刷的作用将外部直流转变成内部交流，从而得到方向固定的电磁转矩，使得电枢朝一个方向连续旋转。这时，电刷和换向器起到了机械式逆变器的作用。结论：（2）在直流发电机中，电枢内的感应电动势和电流都是交变的，靠换向器和电刷的作用将内部交流电动势转变成外部电刷间的直流电动势，从而使外部电路得到直流电流。这时电刷和换向器起到了机械式整流器的作用。（3）虽然电枢线圈是旋转且其中的电流是交变的，但它们在N极下和S极下的电枢电流方向是不变的，因此，电枢电流所产生的磁场从空间上看也是恒定不变的。三、直流电机的结构、额定值及主要系列静止部分——定子旋转部分——转子（电枢）电机由两大部分组成定子由主磁极、换向磁极、机座以及电刷装置等组成，如图所示。（1）主磁极主磁极用来产生主磁场，使电枢绕组感应电动势，它由铁心和主磁极绕组（励磁绕组）组成，铁心用0.5~1.5mm的低碳钢板叠压而成的，主磁极N，S交替布置，均匀分布并用螺钉固定在机座上。为使主磁通在气隙中分布更合理，铁心的下部比套绕组的部分更宽些。（2）换向极用来改善直流电机的换向，它由铁芯和套在铁芯上的换向极绕组构成。铁芯常用整块钢或厚钢板制成的，匝数不多的换向与电枢绕组串联。换向极的极数一般与主磁极的极数相同。（3）机座定子机座即是电机的外壳，又是电机磁路的一部分。一般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成。机座的两端有端盖。中小型电机前后端盖都装有轴承，用于制成转轴。大型电机则采用座式滑动轴承。（4）电刷装置其作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入电阻绕组。它与转换器相配合，起整流或逆变器作用。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和汇流条等零件组成，如下图所示：转子部分转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等部件组成，如图所示。（1）电枢铁芯

电枢铁芯是电机磁路的一部分，电枢绕组放置在铁芯的槽内，为减少磁滞损耗及涡流损耗，电枢铁芯通常用0.35mm或0.5mm的硅钢片叠装而成。（2）电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分。它的作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量的转换。电枢绕组是用绝缘铜线制成的元件，然后嵌放在电枢铁芯槽内，每个线圈有两个出线端，分别接到换向器的两个换向片上。所有线圈按一定规律连接成一个闭合回路。（3）换向器换向器是直流电机的重要部件。在直流发电机中，它将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换为绕组内的交流电流。如下图，换向器由许多梯形铜排制成的彼此绝缘的换向片组成。换向片数与线圈元件数相同。四、直流电机的额定值（1）额定功率：电机按规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。

●对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率；●对于发电机，额定功率则是指电刷输出端输出的电功率。

（2）额定电压：电枢绕组能够安全工作的最大电压。●对于电动机是电刷输出端的输入电压；●对于发电机是电刷输出端的输出电压。（3）额定电流：

电机按规定的工作方式运行时，电枢绕组允许通过的最大电流。（并励机和复励机指得是总电流）（4）额定转速：

在额定电压、额定电流、和输出额定功率运行时，电机的转速。（5）额定效率：

在额定条件下电机的输出功率与输入功率之比。直流电动机：

直流发电机：电动机轴上输出的额定转矩：

（上式中的单位为kw）五、直流电机的电枢绕组从直流电机的工作原理可知，直流电机必须有能在磁场中转动的绕组才能正常工作。对于电动机，处在磁场中的载流电枢绕组产生电磁转矩，拖动机械负载；对于发电机，原动机拖动电枢旋转时，电枢绕组切割磁场从而产生感应电动势，作为直流电源带动电负载，电枢绕组是直流电机实现机电能量转换的重要部分。电枢绕组的一般知识对电枢绕组的主要要求：正、负电刷间所感应的电势应尽量大；绕组所用的导线和绝缘材料尽可能节省；结构简单运行可靠。

1．电枢绕组的元件电枢绕组是由若干个线圈按照一定的规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈称为元件，一个元件有两个有效边，其匝数为NY，见下图，其中一个有效边嵌放在电枢槽的上层，称为上层边；另一个有效边放在相距约一个极距的电枢槽的下层，称为下层边。电枢槽外的部分称为元件的端部，如下图所示。

■一个元件有两根引出线，称为首端和尾端，它们分别接到两个换向片上，而每个换向片又与不同元件的两根引出线相连接，所以整个电枢绕组的元件数S应等于换向片数K，即：S=K●每个元件有两个有效边，而每电枢槽分上下两层嵌放两个有效边，所以元件数S应等于电枢的槽数Z，即

S=Z对于小容量的电机，电枢直径较小，其外圆不可能冲有很多槽，往往在一个槽的上层和下层各放u个元件边，把一个上层边和一个下层边看成一个虚槽，虚槽数Zu与实槽数Z的关系。Zu=uZ=S=K当一个槽的上层和下层各放1个元件边时，u=1●相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆的对应弧长表示的距离，称为极距，当用槽数表示时，有；2节距表征电枢绕组元件本身和元件连接规律的数据称为节据。（1）第一节距Y1Y1是同一个元件的两个元件边的距离，一般用槽数表示，为了使每个元件的感应电动势最大，应接近或等于极距，有

称为整距线圈称为短距线圈称为长距线圈短距线圈和整距线圈多被采用，长距线圈因为端部长，用铜多而造成浪费，很少被采用。（2）第二节距：连接同一个换向片的两个元件边之间的距离。

（3）合成节距：直接相连的两个元件的对应边的距离。（4）换向器的节距

：同一线圈的两个首尾线端所接两个换向片之间的距离。单叠绕组单叠绕组的连接特点是：同一元件的两个出线端分别连接到相邻的两个换向片上，即换向片节距Yk=1，相邻元件通过换向片依次相连，从而组成整个闭合绕组，后一元件的端部紧紧叠在前一个元件的端部上，故而称为单叠绕组，单叠绕组绕制时，每绕过一个元件便在电枢表面移过一个虚槽。例题：例2-1一台直流电机的绕组数据为：极对P=2，槽数Z=16，，换向片数K=16，试设计单叠绕组连接图。1．单叠绕组的展开图（1）计算节距解：

为了得到最大感应电势，取整距绕组。（2）连接元件先画出16根等长、等距的实线，代表各槽元件的上层边，再画出16根等长、等距的虚线，代表各槽元件的下层边，并编上槽号，如下图，画16各小方块代表换向片，1号元件由1号换向片经第1槽上层（实线），根据Y1=4连到第5槽的下层（虚线），然后回到2号换向片；2号元件由2号换向片经第2槽上层（实线），根据Y1=4连到第6槽的下层（虚线），然后回到3号换向片；照此方法依次连接完16个元件，组成一个闭合回路，（3）画磁极和电刷首先根据均匀划分4个极区，再画出4个主磁极，主磁极的中心线与极区的中心重合，其厚度应小于元件有效边的长度，习惯上规定主磁极位于电枢绕组的上方，对于N极，磁力线的方向是进入纸面的；对于S极，磁力线的方向是由纸面穿出的。电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为4个。电刷安放原则是：空载时，正、负电刷间获得最大感应电动势，或者说被电刷短接的元件中感应电动势应为最小，即被电刷短接的元件的两个有效边应处于磁密为零的物理中性线上。空载时，物理中性线与几何中性线重合，几何中性线为两个异性磁极的分界线。如果把电刷中心线对准主磁极的中心线，则被电刷短接的元件的元件边正好位于几何中心线处，其中的感应电动势为零。如上图1、5、9、13的元件边正好处于几何中心线上，这几个元件的感应电动势为零。单叠绕组的并联支路图在绕组展开图所示的瞬间，根据电刷之间元件连接顺序，可画出相应的电枢绕组并联电路图，（1）对于单叠绕组，电刷总是把上层边处于同一主磁极下的元件串联成一条支路，所以有几个极就有几条支路，即2a=2p。即

式中，a为支路对数，p为极对数。（2）电刷杆数等于极数。（3）电枢总电流Ia为支路电流ia的2a倍，即

结论：六、直流电机的磁场由直流电机的基本工作原理可知，气隙磁场是直流电机进行电能量转换的重要介质。无论是发电机还是电动机，具有一定强度的磁场是产生足够大的感应电动势及电磁转矩不可缺少的必要条件，而且电机气隙内磁场的大小、分布及产生该磁场的励磁方式，将直接影响与决定电机的运行性能，因此，对电机磁场的分析、了解是学习直流电机运行原理及工作特性的重要基础知识。直流电机的励磁方式主磁极上励磁绕组通以直流而产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁方式是指励磁绕组的供电方式与电枢绕组的关系。按励磁方式不同，励磁方式可以分为以下4种类型。1、他励直流电机励磁绕组用其他的直流电源供电，与电枢绕组之间无电的联系，见下图。对于小容量电机，常采用永磁铁提供主磁场。永磁式直流电机也属于他励直流电机。2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。见下图，励磁绕组电压与电枢绕组电压相等，两者的电流之和等于总电流，即。3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。见下图，励磁绕组电流与电枢绕组电流相等。4、复励直流电机主磁极上装有两套绕组，一组与电枢绕组并联，称为并励绕组；一组与电枢绕组串联，称为串励绕组，见下图。若两组绕组产生的磁动势相同，称为积复励；若两组磁动势相反，称为差复励。

七、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁化曲线直流电机运行时，要求每极下有一定数量的主磁通，称为每极磁通。当励磁绕组Nf一定时，主磁通的大小由励磁电流决定。三、空载磁场气隙磁通密度分布曲线直流电机的主磁路由5部分组成：主磁极、定、转子之间的气隙，电枢铁心，定子磁轭。包围主磁路的总磁动势为：

2Ff=2Hδδ+2Hll1+H2l2+2H3l3+H4l4式中，Hδ、H1、H2、H3、H4——气隙、电枢齿、电枢铁心、主磁极和定子磁轭的平均磁场强度。忽略铁心饱和影响，一般铁心中的磁阻大大小于气隙磁阻，主磁路中的磁动势主要消耗在两个气隙上。所以：2Ff=2Hδδ而上式中的Hδ=Bδ/u0那么有：在极靴内，气隙长度较小且均匀不变，则气隙磁密度较大且基本为常数。极靴两侧，气隙长度逐渐增大，气隙磁密度明显减小，在两主磁极之间的几何中心线处，磁密度为零，这时物理中性线与几何中性线重合。空载时气隙磁密度分布为一礼帽形的平顶波。八、直流电机的电枢反应和负载磁场空载时，由主磁极的励磁磁动势单独产生的气隙磁密度分布为一平顶波；负载时，电枢绕组中流过电枢电流，产生电枢反应磁动势Fa,与励磁磁动势Ff共同建立负载时的气隙合成磁动势，Fa的出现必然会引起原来空载时气隙磁密度的大小和分布发生变化，把电枢反应磁动势Fa对主磁极气隙磁场的影响，称为电枢反应。1、电枢磁势电枢磁势分布与电枢电流有关(电流产生磁势，磁势建立磁场)。电枢电流的方向由电刷来决定。电枢磁势的轴线总是与电刷接触的导体的连线重合。或者说电刷位置决定了电枢磁势的轴线。当电刷与处于几何中性线上的导体相接处时，电枢磁势的轴线在交轴方向，并把这一磁势称为交轴电枢反应磁势。1、单个元件所产生的电枢磁势一个整距元件所产生的磁动势Fa为以两个极距为周期，幅值为的矩形波。如图2-21b所示。

若每对极下有若干个元件均匀分布，每个元件产生的磁动势仍为矩形波，若干个元件产生的磁势为这些矩形波叠加而成的阶梯波，为了分析简单起见，可近似认为这一阶梯波为一三角波Fax。三角波磁动势的最大值在几何中性线处，主磁极中线处磁势为零。见下图中特性Fax。电枢气隙磁密Bax的分布波形呈马鞍形，见下图特性Bax。2、电磁磁势单独产生的磁感应强度分布：磁密度由磁势和气隙磁阻共同决定。极面下气隙基本不变，磁密度正比喻磁势。两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小，一个周期的磁密波形是马鞍形。波形如下所示：3、电枢磁场和励磁磁场在一个极距内相加时，一半极距内磁密度加强，另一半极距内磁密度减弱。若果电机的磁场不饱和，则半个极距内增加的磁通两与另半个极距减少的磁通量相等。即每极总磁通与空载时一样。实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。磁场发生畸变，0点发生了位移。电枢反应有一定的饱和去磁作用。综上所述：1）气隙磁场发生畸变，半个磁极下的磁场增加，半个磁极下的磁场消弱。物理中性线偏移几何中性线，对于直流发电机是顺转向偏移；对于电动机是逆转向偏移。2）当磁路饱和时，每极总磁通量减少，具有去磁作用。九、直流电机的电枢感应电动势和电磁转矩无论是发电机还是电动机，当电枢在气隙中旋转时，电枢绕组的元件边切割气隙磁力线，就会在其中产生感应电动势。直流电机的电磁转矩无论是电动机还是发电机，当电枢绕组中电流流过时，载流导体处在磁场中就要受到电磁力的作用，其方向由左手定则判定。结论：对于已经制造好的电机，电磁转矩Tem与每极磁通Φ及电枢电流Ia成正比。当Φ及Ia中任一个参量的方向改变时，Tem的方向跟着改变。电枢感应电势和电磁转矩两个公式对于直流发电机和直流电动机都适用。对于直流发电机，与同方向，与反方向，为阻转矩；

对于直流电动机，与反方向，为反电动势，与同方向，为拖动转矩。对于同一台电机，电势常数和转矩常数之间具有确定的关系：从而得十、直流电动机的运行原理根据直流电机可逆原理，一台直流电机即可作为电动机使用，由使用时的外部条件所决定。当他励直流电动机稳态运行时，其电气连接和机械连接如下图：1、电压平衡方程根据基尔霍夫第二定律，由上图可知，当电动机稳态运行时，各物理量都为常数，稳态时的电压平衡方程式为：结论：直流电机在电动机运行状态下的电枢电动势总小于电枢端电压。

2转矩平衡方程式根据牛顿第二定律可知，对于任意瞬间，直流电动机轴上的电磁转矩（驱动转矩），应与电动机轴上的负载转矩、空载转矩及惯性转矩之和相平衡。稳态运行时，结论：电动机稳定运行时，电磁转矩等于负载转矩与

空载转矩之和。3、功率平衡方程式直流电动机运行时，内部存在着各种损耗，如电路中存在着铜损耗，磁路中存在着铁损耗，电机转动时还存在着机械损耗等。输入的电功率除去各种损耗后转化为机械功率输出。现以并励直流电动机为例，分析其功率平衡关系。电枢绕组的铜损耗为：电磁功率为:将两边同乘以机械角速度，可得：其对应的功率为：式中：机械轴上的输出功率；空载损耗；直流电机的铁耗，当电机运行时，电枢铁心在直流磁场中受到反复磁化，产生磁滞损耗和涡流损耗，两者之和为铁耗；机械损耗，转动部分的摩擦损耗和自扇冷式的电机的风阻损耗等；实际中还存在着杂散损耗（附加损耗）。由磁场畸变和齿槽效应等引起的。综合上述关系可得：功率流程图如图。其效率为：4、并励直流电动机的工作特性定义：直流电动机的工作特性定义为：端电压，励磁电流，且电枢回路无外接电阻条件下，电动机的转速n，电磁转矩Tem，运行效率η分别与电枢电流Ia的关系。因为它反映了电动机工作时所具有的电气、机械性能，所以统称为机械特性。

转速特性定义：当并励直流电动机的、、时，转速n与电枢电流Ia的关系被称为转速特性，即将电动势公式代入电压平衡方程式中，整理得