第1章直流电机

第1章直流电机电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机能将直流电能转换为机械能，或将机械能换转为直流电能。将直流电能转换为机械能的叫做直流电动机，将机械能转换为直流电能的叫做直流发电机。1直流电动机的主要优点是启动和调速性能好，过载能力大，因此应用于对启动和调速性能要求较高的生产机械，例如电力机车，造纸机和纺织机械等直流发电机主要用作直流电源，供给直流电动机，电解，电镀等所需的直流电能。直流电机的主要缺点是结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差21.3直流电机的电枢绕组1.1直流电机的基本工作原理1.4直流电机的磁场目录1.2直流电机的结构，额定值和主要系列1.5直流电动机1.6直流发电机1.7直流电机的换向31.1直流电机的工作原理45（二）直流发电机的工作原理1.1直流电机的工作原理6图1.1

直流电动机的工作原理图7图1.2

直流发电机的工作原理图81.2直流电机的结构、额定值和主要系列1.2.1直流电机的结构(1)定子：产生磁场并作为机械支撑1)主磁极：建立主磁场2)换向极:改善换向，减小产生火花3)机座：电机的结构构架4)电刷装置：用以引出或引入直流电压或电流910112)转子(电枢)部分1)电枢铁芯：主磁路的一部分，电枢绕组的支撑部件2)电枢绕组：直流电机的电路部分，产生电磁转矩和感应电动势。3)换向器：在直流电动机中，使得流入磁极下的电流方向保持不变，从而电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，能将电枢线圈中产生的交变电动势转换为直流电动势。4)转轴：转轴起转子旋转的支撑作用，具有一定的强度和刚度。1213141.2.2直流电机的额定值为了保证电机安全而有效地运行，电机制造厂都对它所生产的电机工作条件加以规定。电机按制造工厂所规定的条件工作的情况，叫额定工作情况。表征电机额定工作情况的各种数据叫做额定值。直流电动机型号Z3-95产品编号7009结构类型励磁方式他励功率30kW励磁电压220V电压220V工作方式连续电流160.5A绝缘等级定子B转子B转速750r/min重量685kg标准编号JB1104-68出厂日期年月15额定条件下电机所能的供给功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的额定机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。16

此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。

电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。17[例1-1]一台直流发电机的额定数据如下：PN＝200kW，UN＝230V，nN＝1450r/min，ηN＝90％，求该发电机的额定电流和输入功率各为多少?

解：上一页下一页返回18[例1-2]一台直流电动机额定数据如下：PN＝160kW，UN=220V，nN＝1500r/min，ηN＝90％，求额定电流和输入功率各为多少?解：

上一页下一页返回191

结构相同，用途相似，容量递增的一系列电机构成一个系列。我国目前生产的主要有以下系列型号：

Z2-92

铁心长度代号机座号第二次改型设计直流

Z2系列功率范围为0.4-200KW,转速范围为600-3000Z3，Z4系列是一般用途中小型直流电机的新产品。与Z2相比，体积小，重量轻，惯量小，调速范围大，还适用于静止的整流电源供电。

ZD2，ZF2系列是一般用途的中型直流电机，ZD2是中型直流电动机，ZF2是中型直流发电机，功率范围为55-1000KW,转速范围为900-155ZZF系列是起重冶金用直流电动机，功率范围为3-30KW,转速范围为900-15501.2.3直流电机的主要系列201.3直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机产生电磁转矩和感应电动势，实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的转子称为电枢电枢绕组由许多线圈（元件）按一定规律链接而成。按链接规律不同可以分为单叠绕组和单波绕组等多种形式。(1)电枢绕组元件(2)节距：表征电枢绕组本身和元件之间链接规律的数据为节据。1.3.1元件与节距21图1.12

电枢绕组元件1端接部分2有效边3末端4换向片5首端

元件一般放在电枢槽中，线圈嵌入槽内的部分称为有效边，伸出槽外的部分称作端接部分。每个元件由两个出线端。，均与4相连22

（1）第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。（2）第二节距y2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。（3）合成节距y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。（4）换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。23元件数等于换向片数等于槽数虚槽数与实槽数之间的关系极距：一个磁极在电枢圆周上所跨的距离24后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分之上，称为叠绕组首末端之间的距离接近两个极距，两个元件串联起来称波浪形，称为波绕组251.4直流电机的磁场直流电机无论是作发电机运行还是作电动机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。如图所示，以直流电动机为例有四种励磁方式。1.4.1

直流电机的励磁方式26（一）他励直流电机这种电机的励磁电流是由另外的直流电源供给，如图（a），其特点是励磁电流If与电枢电压U及负载电流I无关。（二）并励直流电机这种电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图（b），其特点是励磁电流If不仅与励磁回路电阻有关，还受电枢端电压U的影响。27

(三）串励直流电机这种电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图（c），其特点是励磁电流If电枢电流I相等，电枢电流变化励磁电流就变化，串励电机极少采用。（四）复励直流电机这种电机的励磁绕组即有并联线圈，又有串联线圈，串励绕组和并励绕组共同接在主极上，并励匝数较多，串励匝数较少，如图（d）。所以具有串励和并励电机的特点。若串、并励磁势方向相同为积复励（常用），若串、并励磁势方向相反为差复励28直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，可以不计其影响的一种运行状态。直流电机空载时的气隙磁场可以认为就是主磁场，即由励磁绕组产生的磁动势（称为励磁磁动势）单独建立的磁场。图3.18是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极）。图中，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通，称为主磁通，用表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合磁路，仅与励磁绕组交链，称为漏磁通，用表示。1.4.2

直流电机的空载磁场（1）主磁通和漏磁通29

直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路30

空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。几何中性线极靴极身（a）气隙形状

磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。（2）空载磁场气隙磁密分布曲线31

空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。

空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。32

为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通，空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。（3）直流电机的空载磁化曲线33

当直流电机带负载时，电枢绕组中有电流通过，该电流也会产生磁场，称之为电枢磁场。它与主磁场相互作用，产生电磁转矩，实现能量转换。电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。1.4.3直流电机的电枢反应及负载磁场（1）直流电机的电枢反应（2）直流电机的电枢磁场电枢反应与电刷的位置有关。341、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。35励磁磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线物理中性线几何中性线36由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：

2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变

空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不同。磁路饱和时，有去磁作用，使每个磁极下总的磁通有所减小372、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)(b)所示。

电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁381.4.4电枢绕组的感应电动势

无论是电动机还是发电机，电枢导体相对于磁场运动，就会产生感应电动势；载流导体在磁场中受力，将产生电磁转矩。

一、直流电机电枢绕组的感应电动势产生：从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。也称为记作Ea。如果设N为电枢绕组的总导体数，2a为并联支路数，Bav为一个磁极内的平均磁密，l为导体的有效长度，v为导体切割磁场的速度，则电枢电势为每一条并联支路总的串联导体数乘以一根导体的平均感应电动势：39称为电势常数，它是与电机结构有关的参数。

电势表达式可见：

1.Ea∝Φn，改变Φ或n的大小，可使Ea大小发生变化，当磁通Φ单位为Wb，转速n单位为r/min，则电枢电势Ea单位为V；2.Ea方向取决于Φ和n的方向，改变Φ的方向（即改变励磁电流If的方向），就可改变Ea的方向。401.4.5直流电机的电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为一根导体所受电磁力形成的电磁转矩。一根导体电磁转矩的平均值为

乘以总的导体数为所有导体产生的电磁转矩，D为电枢外径，等于等于41从电磁转矩表达式可见：

1.T∝ΦIa，改变Φ或Ia的大小，可使T大小发生变化，当磁通Φ单位为Wb，电枢电流Ia单位为A，则电磁转矩T单位为N·m；2.T方向取决于Φ和Ia的方向，改变Φ的方向（即改变励磁电流If的方向），就可改变T的方向。电势常数与转矩常数之间的关系式：根据和可得到电势常数与转矩常数之间的关系式

421.5直流电动机按励磁方式的不同，直流电动机分他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机4类。1.5.1直流电动机稳态运行时的基本关系式如图为并励直流电动机。接通电源时，励磁绕组中流过励磁电流If建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流Ia,,一方面形成电枢磁通势Fa,另一方面使得电枢元件导体流过支路电流与磁场作用产生电磁转矩T,电枢朝T的方向以转速n旋转，电枢旋转时，产生电枢电动势Ea.43(1)电压平衡方程式(2)转矩平衡方程式

有三个转矩，一个是T，方向与n同，拖动转矩

；一个是空载转矩To,，方向与n反，制动转矩

一个是机械负载转矩T2,也就是电动机轴上的输出转矩，制动转矩(2)功率平衡方程式44（a)并励直流电动机功率流程图（b)他励功率流程图图中，Pcuf为励磁绕组的铜损耗，并励时，Pcuf由输入功率P1供给，他励时，Pcuf由其他直流电源供给

。451.5.2并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压U=UN,励磁电流If=IfN.电枢回路不串外加电阻时，转速，转矩，效率，与电枢电流之间的关系（1）转速特性当U=UN时，I=IfN时，转速n与电枢电流Ia之间的关系n=f(Ia)称为转速特性，将电动势公式带入电压平衡方程式得到46图1.30

并励电动机的工作特性可见，如果忽略电枢反应的影响，磁通保持不变，电流增加时，电枢回路电阻一般很小，所以转速下降不大，如果考虑负载较大，随着电流的增加，磁通将减小，因而转速可能出现虚线所示的情况47（2）转矩特性当U=UN时，I=IfN时，电磁转矩T与电枢电流Ia之间的关系T=f(Ia)称为转矩特性。转矩特性为过原点的直线481.5.3

串励直流电动机的工作特性串励直流电动机广泛应用于交通运输中，串励电动机的特点是（1）转速特性串励直流电动机的转速特性指串励的转速特性与并励截然不同，它随负载增加迅速降低，变化很大，如图49图21-5串励直流电动机的工作特性当负载很小时，

所以转速达到危险的高速，称“飞车”现象，因此串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。转速特性与纵轴无交点。其转速调整率定义为：为输出功率等于PN

时的转速。50（2)转矩特性串励直流电动机的转矩特性指电枢回路外串电阻为0，因为当磁路不饱和时，当磁路饱和时，从转矩特性可知，串励直流电动机在同样电流限值下，比他励直流电动机具有大得多的启动转矩和最大转矩，适用于启动能力或过载能力要求较高的场合，如电力机车511.5.4

复励直流电动机的工作特性复励直流电动机其转速特性介于并励和串励之间，如果是并励绕组磁通势起主要作用，它的转速特性与并励直流电动机相接近，反之和串励接近52图1.34

复励直流电动机的转速特性一般情况下，积复励转速特性，如曲线2所示，既有较高的启动能力和过载能力，又可空载或轻载运行1：并励直流电动机转速特性3：串励直流电动机转速特性，不允许空载或轻载运行531.6直流发电机根据励磁方式的不同，直流发电机可以分为他励直流发电机、并励直流发电机、串励直流发电机和复励直流发电机。现在主要采用他励直流发电机，为此本节只介绍这种发电机。如图为一台他励直流发电机的示意图，电枢旋转时，电枢绕组切割主磁通，产生电动势Ea,外电路接有负载，则产生电枢电流Ia,根据基尔霍夫定律：(1)电动势平衡方程式1.6.1直流发电机稳态运行时的基本方程式54(2)转矩平衡方程式三个转矩：一个是原动机的拖动转矩T1，方向与n同，为拖动转矩一个是电磁转矩T，方向与n相反，为制动转矩一个是空载转矩T0，方向与n相反，为制动转矩(3)功率平衡方程式55图1.36

他励直流发电机的功率流程图图中，Pcuf为励磁绕组的铜损耗，他励时，Pcuf由其他直流电源供给，不在P1的范围内561.6.2他励直流发电机的运行特性直流发电机的四个基本物理量：U、I、If、n。（n由原动机拖动，保持不变），运行特性指在U、I、If之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系

空载特性n＝常数，I＝常数，U＝f（If）；外特性n＝常数，If＝常数，U＝f（I）；调节特性n＝常数，U＝常数，If＝f（I）。

(1)空载特性空载特性是指原动机的转速n=nN，输出端开路，负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：U0=E0=ƒ(If)。

57发电机由原动机拖动，转速保持恒定，闸刀K断开，（a)逐步调节励磁回路的分压电阻rf,使得励磁电流If单方向由0逐步增加直到UO=1.25UN.(b)单方向逐步减小If,直到If=0,测取相应的UO和If,作出特性曲线

图

他励直流发电机试验线路58他励直流发电机的空载特性由于铁磁材料的磁滞现象，所求特性的上升分支3和下降分支1不重合，一般取其平均值作为该电机的空载特性，如图中曲线2图中If=0时，U0=Er为剩磁电压，为额定电压的2%-4%If比较小时，铁芯磁路不饱和，特性近似为直线.If较大时，铁芯随着If的增大而逐渐饱和，，空载特性出现饱和段，一般情况下，电机的额定电压处于A附近.这样既能使得磁通势的较小变化不致引起端电压的变化，同时又能通过调节If在一定范围内调节输出电压59(2)外特性外特性是指原动机的转速n=nN，If=IfN,电枢端电压与负载电流之间的关系，即：U=ƒ(I)。

外特性是一条稍稍向下倾斜的曲线60直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷换到另一条支路，该元件中的电流就要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向。61

为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。

电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。

电刷与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为

电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷换到另一条支路，该元件中的电流就要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向。1.7直流电机的换向62图1.40

电枢绕组元件的换向过程63

换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。

产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。

元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。64一、直线换向当时换向元件电流随时间线性变化。当