船舶电气设备及系统课件第五章

第五章直流电机第五章直流电机第五章小结§5-1直流电机的工作原理和结构特点§5-2直流电机的励磁方式和运行特性§5-3无刷直流电动机概述

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：(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：(1)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。

(2)用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。§5-1直流电机的工作原理和结构特点

本节的主要内容有三部分：构造：主要点：主要组成及作用，如换相器等。铭牌数据：参数个数、数据含义。励磁方式：种类。

直流电机模型：磁极、线圈、电刷和换向片。5.1.1直流电机(directcurrentmotor)的工作原理

电枢转子感应电动势：电枢转子由原动机拖动旋转，电枢线圈切割N、S极磁场，线圈每个边导体中产生感应电动势（方向根据右手定则判断）。

换向：转子转过180º后，线圈边接触的电刷更换而线圈边所处位置的磁极极性也变了。因此，线圈边感应的电动势方向变反，但电刷极性却不变。

结论：线圈感应电动势和流过电流都是交流，而电刷两端电压和电刷导出电流却都是直流的。电刷与换向器配合是起“机械整流器”作用。电磁力F=BlI——电磁转矩——反转矩

直流发电机(directcurrentgenerator)工作原理

转子的转动：电枢绕组通入直流电流在定子磁场的作用下，受力产生转矩，转子转动。转动方向由左手定则判断。换向：转子转过180º后，线圈边接触电刷更换而线圈边所处位置磁极极性也变了。因此，线圈流过电流方向变反，线圈边产生的转矩方向也变反。转子转动后线圈感应电动势与电源电压平衡。结论：电源电压是直流的，线圈感应电动势和流过电流却都是交流，而产生电磁转矩方向不变。

直流发电机(directcurrentgenerator)工作原理直流电动机的基本工作原理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–+电刷换向片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。直流电动机的基本工作原理IU–+SbNacdU–+U–+IFFTnEE

线圈在磁场中旋转，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。

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。直流电动机的基本工作原理电刷换向片

直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置

直流电机的电枢绕组：电刷的正确位置：这两点与电机结构有关，放在下一小节中介绍。5.1.2直流电机的构造

基本组成：定子和转子两大部分。定子：主磁极、换向极、电刷装置和机座等。转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器等。直流电动机的构造极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路

直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。SN++++N+++++S+++2.转子(电枢，armature)

由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极永磁式：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：单个绕组元件组成。用来在电机中产生磁场。

解剖示意图(自画)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注：书P.69.图5-5的电机是较大型的电机，其电枢绕组中间开有通风槽。换向器

定子结构（主要掌握作用）

主磁极：主极铁心由薄钢板冲片叠成，用螺栓固定在机座上，其上套有励磁绕组。励磁绕组中通入直流励磁电流产生主磁场。——参见“示意图”。换向极：其铁心尺寸比主极小，也用螺钉固定在机座上；在定子机座圆周上的安装位置与主磁极相间分布。换向极用于改善换向，减少因电磁原因而引起的电刷火花。机座：是直流电机的固定支撑和防护部件，又是磁路的一部分。机座通常是由铸钢制成。

主磁极

结构示意图截面图

定子结构（续）（主要掌握作用）

电刷装置组成：刷架、刷杆、刷握、炭刷及压紧弹簧等。安装位置：中小型电机刷架装在端盖，或轴承内盖上，大中型电机刷杆座固定在机座上。电刷装置则装在刷架的刷杆上。接线：多对磁极、多对电刷的直流电机，正、负电刷分别并联在一起，然后只引出两个接线端到接线盒上。定子结构

两种刷握结构

转子结构（主要掌握作用）

电枢铁心：电枢铁心是磁路的一部分，由固定在转轴上的硅钢片叠成。铁心圆周上有均匀分布的槽，槽内用于嵌放电枢绕组。电枢绕组：电枢绕组由绝缘铜线绕制而成，用以产生电动势和通过电流，是实现机电能量转换的重要部件。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。换向器：又称为“铜头”，主要由铜质换向片组成其作用是与电刷配合起“机械整流器”的作用。转子结构转子剖面图

换向器

电枢绕组

电枢绕组的实质

直流电机的电枢绕组是一个闭合回路：——见书P.67，“实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构成一个闭合回路。”被电刷分割成几个支路并联，引接到外部电路。随着转子的转动，电刷接触不同的换向片，每个绕组元件将从一个支路换接到其它支路去（即换向）。但某个磁极作用下的元件，固定与一对电刷连接。——参见下页的“电枢绕组并联支路图”。

电枢绕组支路图

电枢绕组（展开图）另一半电枢绕组也构成另外一条支路。不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应总电势大小基本不变（微小脉动）。

电刷的正确位置

原则：电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势。——即，应将位于磁场几何中心线的元件短接。——参见“展开图”。展开图的画法：元件几何形状对称时，电刷与磁极的轴线重合。原理示意图的画法：原理示意图的绘制原则是尽量简单，每个元件只画出上层边，用一个“○”表示。此时的电刷就与“位于磁场几何中心线”的元件直接接触（画在其旁边）。也就是电刷就不能再画在磁极的轴线上了。——书P.68，图5-4。

电刷位置在展开图上的位置在原理示意图上的位置

原则：都是将几中线上的元件短接。若不在→反电动势→E下降→火花。电枢反应——去磁或增磁——电压和转速5.1.3直流电机的额定值

在直流电机外壳的铭牌上，给出了直流电机的型号和额定运行时各物理量的数值。额定值主要有：额定功率(kW)：指额定状态下，发电机输出功率Pn=UnIn或电动机轴上输出功率Pn=UnInn

；额定电流(A)/额定电压(V)：指额定状态下，发电机输出的或电动机输入的额定电流I/额定电压U；其它：额定转速(r/min)；励磁方式及额定励磁电流If(A)；绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。1.额定功率PN：电机轴上输出的机械功率。2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流IN：额定电压下轴上输出额定功率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。三者关系：PN=UNIN（：效率）直流电动机的额定值4.额定转速nN：在PN,UN,IN

时的转速。直流电机的转速一般在500r/min

以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN

。直流电动机的额定值(3)恒功率负载（P一定时，T和n

成反比)，要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择：(1)恒转矩的生产机械（TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。(2)通风机械负载，机械负载TL

和转速n的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。

直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。电动机的连接：他励(并励)电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。(1)绕组的阻值范围电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。（2）绕组的符号S1T1B1C1H1

BC1Q1S2T2B2C2H2

BC2Q2电枢绕组他励绕组并励绕组串励绕组换向极绕组补偿绕组起动绕组始端绕组名称末端

直流电机工作原理（电枢两端电压、电流和电动势都是直流的，元件的电流与电动势则都是交流的）；组成结构（主要理解各个部件的作用）；额定参数（额定功率是指输出功率）。第一节要点§5-2直流电机的励磁方式和运行特性

本节的主要内容有五部分直流电机的励磁方式直流电机的基本理论直流发电机的运行特性直流电动机的运行特性直流电机的电枢反应和换向

复励：⑴从磁通叠加效果看有：积复励、差复励；⑵从绕组连接情况看有：长复励、短复励。

积复励又分为：平复励、过复励、欠复励。注意：一般情况下，直流电动机不采用差复励，发电机不采用串励。5.2.1直流电机的励磁方式基本励磁方式：根据励磁绕组与电枢绕组连接情况分，有他励、并励、串励和复励等4种。1.他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。以电动机为例

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。UUfIaM+_+_If他励IaUM+_If+_IE并励2.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。3.串励电动机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.复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。5.2.2直流电机的基本理论

两种运行状态：发电机和电动机。只要转子转动，电枢绕组都会感应电势；只要电枢绕组有电流流过。都会产生电磁转矩。——公式：P.70-71，5-1/5-2。发电机：Ia与E0同向（∵Ia是E0产生的），T与n反向（∵原动机要克服T才有n）。电动机：Ia与E0反向（∵E0要平衡U，才不会使Ia太大），T与n同向（∵有T转子才动，才有n）。电磁功率：P=T=E0Ia

，T是机械功率，E0Ia是电功率。机电转换前后功率相等。IU–+SbNacdU–+U–+电刷换向片IFFTnEE

线圈在磁场中旋转，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。（发电机不同）CE:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速：磁通1.电枢感应电动势E=CEnIU–+SbNacdU–+U–+电刷换向片IFFTnEE

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。（发电机不同）式中：U—外加电压

Ra

—绕组电阻2.电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UMCT:

与电机结构有关的常数:

线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3.电磁转矩单位:(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（D---拖动转矩、F---制动转矩）T=CT

Ia4.转矩平衡关系

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

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T0:空载转矩例：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

E发电机：P1=P2+P5.2.3直流发电机的运行特性

空载特性：条件：I=0，n=nN。特性：E0=f（If）。实质：——磁化曲线。与同步发电机相似，也是电机磁路的磁化曲线。空载特性：1、与励磁方式无关。

2、剩磁电压2%5%Ue。

3、改变励磁电流，可调发电机的电压。E=CEn

过程：转子转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的数值上。

自励起压过程以并激机为例：红线以并激机为例条件：1.有剩磁（若无，应可充磁）

2.接线正确（励磁与剩磁同向）

3.场阻线与空载特性有一个确定的交点（励磁电路电阻适当——不太大）。

外特性(external)他励和并励特性：他励的励磁电流If与Ia没有关系，并励则随端电压下降有所减小。——P.73，图5-11。复励特性：∵有复励绕组，根据两个磁通方向是否相同及相同磁通时补偿情况有所不同（差复励如直流电焊机）——P.73，图5-12。重新解释：——直流发电机不用串励的原因。5.2.4直流电动机的运行特性

励磁方式：直流电动机的励磁方式有并励(parallelexcitation)、串励(seriesexcitation)、复励(Phasecompoundexcitation)三种。因为他励与并励没有什么区别，都由外部电源提供，因此统统归为“并励”。——书P.74，图5-13。直流电动机不采用差复励的励磁方式。因为，从P.74，式5-6可见，Ia=(U-E)/Ra，而由P.70，式5-1可知，E=Ce

n，若接成差复励，则随着Ia↑→E↓，这又引起：Ia↑↑，最终，E↓≈0，电机将因为大电流而烧毁(实际设有熔断器保护)。

直流电动机的机械特性利用E0=cen、T=KTIa和电压平衡方程可得：机械特性方程式：特点：并（他）励特性，直线、硬特性；串励，∵空载时≈0，∴无理想空载转速，注意“飞车”；（积）复励，介于并励和串励之间。自然机械特性：又称为“固有机械特性”（无人为改变参数）；人工机械特性：是人为改变参数（弱磁、降压、串电阻）。直流电动机的机械特性（求解）特点：励磁绕组与电枢并联由图可求得由上分析可知：

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。IaUM+_If+_IE直流电动机的机械特性（求解）则

T=KTIa=KTIa

IaUM+_If+_IE令：即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。

由以下公式求得直流电动机的机械特性（求解）式中：IaUM+_If+_IE直流电动机的机械特性（求解）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）。

改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线。n0Tn2.反转例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。电磁转矩：T=CTIa

(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：5.2.5直流电机的电枢反应和换向发电机的电枢反应如右图，将其展开，则为下图。电动机若通入这样的电流，则转向及前后极尖正好相反。电枢反应的波形见下页。

电枢反应波形（发电机）

主磁通

f

(磁密Bf)波形是平顶波。电枢反应磁势Fa波形是三角波。电枢反应磁通a(磁密Ba)波形是马鞍形波。马鞍形波与平顶波叠加，气隙波形发生畸变。若磁路饱和则后极尖增磁量小于前极尖的去磁量，每极总磁通减小，即“电枢反应饱和时具有去磁效应”。由图可见，物理中性线偏离几何中性线。

换向过程

直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。——绕组元件换向过程见下页。如果处于换向的元件，两个边所处的位置存在磁场(不在几中线上)，换向时间感应电动势，被电刷短接时，将产生电磁性换向火花，使电刷和换向器磨损加重，称为换向变坏（或换向恶劣）。由于电枢磁场的存在，使几中线偏离物中线，则换向元件将感应电势，产生电磁火花。直流电机换向器火花还可能由于其它原因造成。

绕组元件换向过程：——元件1-5´的换向过程。

绕组元件的换向过程

改善换向的方法说明

改善换向的方法：①