第1章直流电动机的基本原理

电机及拖动基础主讲：符永刚电信学院电工电子教研室绪论第一章直流电动机的基本原理第二章直流电动机的拖动基础第三章变压器基本原理及应用第四章异步电动机的基本原理第五章异步电动机的拖动基础电机及拖动课件绪论

本课程是电气自动化技术专业的一门技术基础课。0.1本课程的性质、任务和内容

本课程的任务是让学生掌握电机制基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。

本课程的内容有直流电机的基本原理、直流电动机的拖动基础、变压器基本原理及应用、异步电动机的基本原理、异步电动机的拖动基础五个部分。绪论

电机及拖动基础是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。0.2本课程的特点及学习方法

为了学好本门课程，必须做到以下几点：1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5、充分预习和复习。

绪论

电机是利用电磁感应原理工作的机械。

电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。0.3电机及电力拖动系统概述两种方法归纳如下：电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机绪论

电力拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下

电动机传动机构生产负载控制设备电源补充：电机的作用

☆能源系统的关键设备电能——电机发电——输电——用电

☆各领域中有特殊要求的动力装置1.发电环节——各种电机

引进600MW汽轮发电机

国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V

为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的20kV左右的电压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。为了输送一定大小的功率、采用高电压。2.输配电环节——变压器

连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线

与电网相连的高压出线端3.用电环节——电动机1）各行业广泛使用电动机2）在高新技术领域的新应用☆信息技术（雷达驱动）☆航天航空航海☆生物医学工程（多种医疗设备）二、电机发展历程及当前状况

1833年直流电机

1885年异步电动机

1889年三相系统1.历程

至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机

2.我国目前实际应用情况☆汽发：消化引进，设计600MW☆700MW水发,三峡电站

500kV输电线路以及相应的变压器

500kV直流输电，西电东送运行中

400MW燃气轮机联合循环机组☆引进建设

600MW核电机组各种电动汽车3.当前研究、开发与创新（1）国内外与电机相关的研究领域

☆精确模型研究☆新能源技术（风力发电，波浪发电，高速“电、热、冷”三联供机组）

☆机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)

☆特殊新用途（电磁发射，纳米电机）☆

新能源技术风力发电波浪发电波浪能电站外景

波浪能电站内景

☆

新能源技术高速“电、热、冷”三联供机组☆

新能源技术压气机燃气轮机发电机排气利用型冷温水机燃料室电力负荷采暖负荷制冷负荷进气排气进气热水负荷☆

机电一体化

如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通电动机,效果如下：

电冰箱：>1000万台/年，电量少15%洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%/cwc/永磁直流无刷直流电动机外形图☆

特殊新用途（电磁发射，纳米电机）

电磁发射技术的发展及其军事应用，王静端，Vol.26,No.1March,2001，火力与指挥控制超微电机与微型机器人技术人工心脏技术(2)电机领域我国正在研究的项目举例

在国家自然科学基金网站

输入搜索词“电机”、“电动机”、“变压器”，获取目前项我国正在研究的项目。选择“信息检索”，进入

/project/search下面是几个实例：☆

航天超声波电机☆

高速发电的发电机☆

人工肌肉直线电机

☆超导电机☆电动机故障诊断

☆舰船驱动用电动机

☆

智能型电力电子变压器1.2

直流电机的电枢绕组1.3直流电机的负载磁场

本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的电枢电动势、电磁转矩，直流发电机和电动机。1.5直流发电机的基本方程

1.4直流电动机的基本方程1.1直流电机的原理与结构第一章直流电机的基本原理直流电机的基本特点定义：一种能够进行直流电能与机械能转换的电磁装置。优点：起动能力较强、调速性能较好、制动方法较多、携带比较方便。缺点：结构复杂、制造困难、容易损坏、经常维护、价格较高、适应性差、效率较低、电源不便。用途：电力机车、可逆轧机、矿用汽车、大型电铲。分类：直流电动机：直流电能＝＞旋转机能，直流发电机：旋转机能＝＞直流电能。1.1直流电机的基本原理与基本结构1、直流发电机的简单工作原理

1.1.1直流电机的工作原理

发电机基本理论——法拉第电磁感应定律——力磁生电定律法拉第电磁感应定律：当磁场强度方向、导体运动方向和感应电势方向三者相互垂直时，感应电势的大小为：e=BlV

，感应电势的方向为：右手定则。右手（发电机）定则：若磁场与导体之间存在相对运动，则导体必感应电动势。

右手手心迎着磁力线，拇指指向导体运动方向，则四指指向导体电势方向。（1）基本结构：定子：N、S为固定在机壳上的磁极——产生磁场，A、B为固定在机壳上的电刷——引导电势；转子：点划线为固定在轴承上的转轴——输入机能，圆柱体为固定在转轴上的铁心——传导磁通，abcd为固定在铁心上的线圈——感应电势，1、2为固定在转轴上的换向片——机械整流；a端连接的为1号换向片，b端连接的为2号换向片.

在发电机工作过程中，磁极与电刷固定不动。在发电机工作过程中，转轴、铁心、线圈与换向片同速同向旋转。（2）工作原理：条件：①主磁极线圈通电→产生恒定磁场，原理：磁场与导体之间产生相对运动，磁场中的导体感应电动势(N极下)eN和(S极下)eS：②转轴输入机械能→转子定向旋转（逆时针）：原始位置：ab(处于N极下)—→根据右手定则—→eN(b→a)—→a(+)—→1(+)—→A(+)

cd(处于S极下)—→根据右手定则—→eS(d→c)—→d(-)—→2(-)—→B(-

)

在图示条件下，直流发电机的极性为：电刷A为正，电刷B为负。当直流发电机连接负载时，在电动势作用下，电流将从电刷A流出，从电刷B流入。

由于电刷A总是与位于N极下的导体相接触，而电刷B总是与位于S极下的导体接触。

因此电刷A的极性总是正的，而电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。当原动机驱动发电机的转子逆时针旋转180°后，如右下图所示。ab(处于S极下)—→根据右手定则—→eS(a→b)—→a(-

)—→1(-)—→B(-)

cd(处于N极下)—→根据右手定则—→eN(c→d)—→d(+)—→2(+)—→A(+)

在图示条件下，直流发电机的极性为：电刷A仍为正，电刷B仍为负。当直流发电机连接负载时，在电动势作用下，电流将从电刷A流出，从电刷B流入。

实际直流发电机的电枢绕组是根据实际需要，由多个线圈按照一定的规律连接起来，分布在电枢铁心表面的不同位置，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替，放置多对，一般以四极机为主。结论（1）在转子线圈边上的感应电势e和电流i都是交流电，通过换向片及电刷的整流作用。才变成了两个电刷之间的直流电动势，使外电路获得方向不变的直流电流；（2）在发电机中，e和其i的方向始终一致；（3）虽然电枢线圈是旋转的，且电枢线圈中的电流也是交流的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向不变→由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是恒定不变的磁场；在发电机中换向器的作用：

将转子导体上的交变电势转变为定子电刷间的直流电势。

即：变交为直—整流。（4）当直流发电机接上负载时，电枢绕组中就有电流i，i与磁场相互作用产生电磁力f（左手定则）→f，f使转轴受到一个力矩T=f*R(R是导体对转轴中心的半径)，称为电磁转矩T（electromagnetictorque），方向与转子转向相反，是制动性质→原动机必须输入机械功率克服电磁转矩T的制动作用才能使转子继续恒速旋转，不断地发出电能输给负载→将机械能（mechanicalenergy）通过电磁感应作用变成了电能（electricalenergy）。2、直流电动机的简单工作原理电动机基本理论——毕奥沙发电磁力定律——电磁生力定律毕奥沙发电磁力定律：若磁场中的导体通过定向的电流，则导体必产生电磁力。

当磁场强度方向、导体电流方向和导体受力方向三者相互垂直时，导体受力的大小为：f=Bli，

导体受力的方向为：左手定则。

左手（电动机）定则：

左手手心迎着磁力线，四指指向导体电流方向，则拇指指向导体受力方向。

（1）基本结构：定子：N、S为固定在机壳上的磁极——产生磁场，A、B为固定在机壳上的电刷——引导电流；转子：点划线为固定在轴承上的转轴——输出机能，圆柱体为固定在转轴上的铁心——传导磁通，abcd为固定在铁心上的线圈——感应转矩，1、2为固定在转轴上的换向片——机械整流；连接a端的为1号换向片，连接b端的为2号换向片.

在电动机工作过程中，磁极与电刷固定不动。在电动机工作过程中，转轴、铁心、线圈与换向片同速同向旋转。当电磁转矩T大于阻转矩时，在电磁转矩作用下，直流电动机的转子将沿逆时针方向旋转。（2）工作原理：条件：①主磁极线圈通电→产生恒定磁场，原理：磁场中导体通过定向的电流，a→b→c→d磁场中的导体感应电磁力(N极下)fN和(N极下)fS：②电刷接直流电源→转子通入电流(A+，B-)

：原始位置：ab(处于N极下)—→iN(a→b)—→根据左手定则—→fN(从右向左)

—→T(逆时针)

cd(处于S极下)—→iS(c→d)—→根据左手定则—→fS(从左向右)

—→T(逆时针)

在图示条件下，直流电动机的转矩方向为：T逆时针方向。

同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢绕组也并非单一线圈，磁极也并非一对。当转矩驱动电动机的转子逆时针旋转180°后，如右下图所示。ab(处于S极下)—→iS(b→a)—→根据左手定则—→fS(从左向右)

—→T(逆时针)

cd(处于N极下)—→iN(d→c)—→根据左手定则—→fN(从右向左)

—→T(逆时针)

在图示条件下，直流电动机的转矩方向为：T逆时针方向。在电磁转矩作用下，直流电动机的转子将继续沿逆时针方向旋转。结论（1）在直流电动机中，虽然直流电源U和I是直流，但线圈边的电流i却是交流，这是由于换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流；（2）同上，虽然电枢线圈是旋转的且电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流产生的磁场也是一个恒定磁场。（3）当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电势（右手定则）→可知电枢电势也是交变的，而且其方向与i的方向相反，故称为反电势（counter-electromotiveforce）。（4）在直流电动机中，转子是在T的作用下才能旋转的，所以T的方向与转子转向一致，是驱动性质的，此时，电机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出来带动生产机械转动。在电动机中换向器的作用：

将定子电刷间的直流电流转变为转子导体上的交变电流。

即：变直为交—逆变。

同一台直流电机，既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，电机的实际运行状态由外部条件决定。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷两端引出直流电动势，并作为直流电源对负载供电；如果在电刷两端外施直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，把电能变成机械能。这种同一台电机由于外界条件不同，既可作为发电机也可作为电动机运行原理，不仅适用于直流电机，而且也适合于交流电机，是电机理论中的普遍原理，称为电机的可逆原理。三、电机的可逆原理1.1.2直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机的结构主要分为两大部分，即定子和转子。电机结构

爆炸图

装配图定子定子主磁极铁心：材料——低碳钢片、形状——极身极掌、位置——几何对称、宽度——0.6～0.7τ。1、定子——相对静止部分的总称定子主要由机座、主磁极、换向极、电刷四大部分组成，此外还有接线盒、端盖、轴承等。（1）机座作用：固定定子部件、传导恒定磁通、散发铁心热量。材料：铸铁或者钢板。构成：机壳、底座、接线盒等。（2）主磁极作用：产生恒定磁场、磁密梯形分布、协助能量转换。材料：铁心外缠线圈。构成：主磁极线圈，主磁极铁心。主磁极线圈：材料——铜质线圈、形式——集中线圈、极性——N.S相间、连接——相互串联。端盖（3）换向极作用：克服电枢反应、改善换向过程。材料：铁心外缠线圈。构成：换向极线圈，换向极铁心。换向极线圈：材料——铜质线圈、形式——集中线圈、极性——N.S相间、连接——相互串联。换向极铁心：材料——低碳钢板、形状——矩形结构、位置——主极之间、宽度——0.1τ左右。（4）电刷作用：输入输出电能、疏导电枢电流、平衡电枢电势。材料：石墨。构成：电刷、刷盒、刷压、刷杆、刷架。后端盖为克服涡流损耗钢片之间必须绝缘，为克服磁滞损耗钢片里必须添加硅。钢片厚0.35mm，绝缘厚0.10mm。2、转子——相对转动部分的总称转子主要由转轴、转子铁心、转子绕组、换向器四大部分组成，此外还有风扇、配重片等。（1）转轴作用：输出输入机能、固定转子铁心、固定换向器等。材料：锻造过的钢材。构成：类似车轴形状。（2）转子铁心作用：固定转子绕组、传导交变磁通、散发铁心热量。材料：含硅绝缘钢片。构成：环形钢片，外侧开铁心槽，安放转子绕组，中间开轴孔。直流电机的铁心损耗：交变磁通在电枢铁心上产生的涡流损耗与磁滞损耗之和。

用pFe表示。构成：由许多相同的换向片叠成圆桶形状。（3）转子绕组作用：产生电枢电势、产生电磁转矩、完成能量转换。材料：绝缘铜质导线。构成：由许多相同的线圈按照一定规律串联成一个闭合回路。（4）换向器作用：完成机械整流、变交流为直流、变直流为交流。材料：绝缘铜换向片。换向器转子铁心转子铁心冲片1.1.3直流电机的铭牌数据及主要系列在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的运行特性。额定值通常标在各电气设备的铭牌上，故又叫铭牌值。1、直流电机的额定数据直流电机的额定数据：

根据电机设计标准以及实验数据所规定的电机技术参数。

（1）直流电机的额定功率：

直流电机在额定条件下长期运行时的最大允许输出功率。

用PN表示，单位：W、KW、MW。

直流发电机：PN=UNIN

——输出电功率；

直流电动机：PN=TNΩN

——输出机械功率。

直流电机在正常运行时所能够允许的最高端线工作电压。

用UN表示，单位：V、KV。

直流发电机：UN——输出端电压

直流电动机：UN——输入端电压。

（2）直流电机的额定电压：

直流电动机：IN——输入端电流。（3）直流电机的额定电流：直流电机在长期运行时所能够允许的最大端线工作电流。用IN表示，单位：A、KA。直流发电机：IN——输出端电流；（4）直流电机的励磁方式：直流电机的主磁极励磁绕组与电枢绕组之间的连接形式。分为：他励电机、并励电机、串励电机、复励电机。（5）额定转速：在额定条件下的转子转速。用nN表示，单位：r/min、rpm。n与Ω转换关系：nN=60ΩN/2π，ΩN=2πnN/60。（6）额定效率：在额定条件下的电机效率。用ηN表示。效率：η=P2/P1，额定效率：ηN=PN/P1N。用E、B、F、H等表示。（7）直流电机的绝缘等级：直流电机按着电枢绕组的绝缘材料等级规定的耐热级别。分为连续、断续、短时。（8）直流电机的工作方式：直流电机按着设计标准和电机发热程度规定的工作制式。系列：指结构和形状基本相似，而容量按一定比例递增的一系列电机；其电压、转速、机座号、铁心长等都有一定的等级。2、国产直流电机系列课堂总结：1.直流电机的简单工作原理；2.直流电机的主要结构，主要元件的作用、材料、构成；3.直流电机的额定功率。Z2—31Z2——小型直流第二次设计、3——机座大小顺序号、

1——铁心长度顺序号。主要分类

叠绕组、波绕组。波绕组示意图叠绕组示意图1.2.1直流电枢绕组基本知识元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。1.2直流电机的电枢绕组合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距：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。单叠绕组单波绕组换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。绕组节距1.2.2单叠绕组

单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：。一、单叠绕组的的特点1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。

单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。

二、单叠绕组的展开图三、绕组的并联支路电路图1.2.3单波绕组单波绕组的合成节距与换向节距相等。一、单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；5）电枢电流等于两条支路电流之和。4）电枢电动势等于支路感应电动势；

两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。

二、单波绕组的展开图三、单波绕组的并联支路图1.3.1直流电机的空载磁场

直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应。

右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为，流过电流为，每极的励磁磁动势为：一、直流电机的磁路1.3直流电机的负载磁场1.3.1直流电机的空载磁场

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

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。

如右图(a)所示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。二、空载时气隙磁通密度的分布图形

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。（b）气隙磁密分布

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。1.3.2直流电机负载时的负载磁场

直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。

右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。

假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。

如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中所示。

由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中所示。三、直流电机的电枢反应

当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、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。主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。

磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。2、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。这时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。如图(a)(b)所示。电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明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1.直流电机的电枢电势1.3.3直流电机的电枢电势与电磁转矩无论直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组旋转，导体就会因切割磁力线而产生电枢电势。直流电机的电枢电势：在每极磁通作用下，旋转电枢在绕组两端上产生的电势。1、电枢电势表达式的一般形式Ea=CeΦn，★

法拉第电磁感应定律的另一种形式

Ce=pN/60a——电势常数，结构常数；p——磁极对数；N——导体根数；a——支路对数。2、电枢电势表达式的公式分析（1）若Φ=C，则Ea∝n，

①大小：n↑—→Ea↑，

②方向：n＜0

—→Ea＜0；（2）若n=C，则Ea∝Φ，

①大小：Φ↑—→Ea↑，

②方向：Φ＜0

—→Ea＜0。

3、改变发电机电压极性的方法（1）通过改变电枢旋转方向，改变电枢电压的极性：n＜0

—→Ea＜0—→U＜0；

（2）通过改变励磁电压方向，改变电枢电压的极性：Uf＜0

—→If＜0

—→Φ＜0

—→Ea＜0—→U＜0。4、电枢电势在电机中的作用在发电机中，电机利用电枢电势输出电功率，所以电枢电势与电枢电流同向，电枢电势被称为电源电势。在电动机中，电机利用电枢电势平衡端电压，所以电枢电势与电枢电流反向，电枢电势又被称为反电势。2.直流电机的电磁转矩无论直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组通电，导体就会因切割磁力线而产生电磁转矩。直流电机的电磁转矩：1、电磁转矩表达式的一般形式T=CTΦIa，★

毕奥沙发电磁力定律的另一种形式

CT=pN/2πa——转矩常数，结构常数；CT=pN/2πa=(60/2π)Ce。

2、电磁转矩表达式的公式分析（1）若Φ=C，则T∝Ia

，

①大小：Ia↑—→T↑

，

②方向：Ia＜0

—→T＜0；（2）若n=C，则T∝Φ，

①大小：Φ↑—→T↑

，

②方向：Φ＜0—→T＜0

。

在每极磁通作用下，电枢电流在电枢表面上产生的转矩。

3、改变电动机转动方向的方法（1）通过改变电枢电压极性，改变电枢旋转的方向：U＜0

—→Ia＜0

—→T＜0

—→n＜0（2）通过改变励磁电压极性，改变电枢旋转的方向：Uf＜0

—→If＜0

—→

Φ＜0

—→T＜0

—→n＜0。

4、电磁转矩在电机中的作用在发电机中，电机利用电磁转矩平衡输入转矩，所以电磁转矩与电枢转向反向，电磁转矩被称为制动转矩。在电动机中，电机利用电磁转矩输出机械功率，所以电磁转矩与电枢转向同向，电磁转矩被称为驱动转矩。1.4.1直流电机的励磁方式

直流电机的励磁方式分为四种形式：（1）他励电机；（2）并励电机；（3）串励电机；（4）复励电机。1、他励电机：直流电机的励磁绕组与电枢绕组没有电的直接联系，分别接在两个不同的独立直流电源上，励磁电流由另一个直流电源单独供给。如图所示。1.4直流电动机的基本方程直流他励电动机的端电流与电枢电流为同一个电流。I=Ia

2、并励电机：直流电机的励磁绕组与电枢绕组的两端并联在一起，然后接在一个独立直流电源上，励磁电流与电枢电流由同一个直流电源供给。如图所示。直流并励电动机的端电流等于电枢电流与励磁电流之和。I=Ia+If。

3、串励电机：直流电机的励磁绕组与电枢绕组的两端串联在一起，然后接在一个独立直流电源上，励磁电流与电枢电流由同一个直流电源供给。如图所示。直流串励电动机的端电流与电枢电流和励磁电流是同一个电流。I=Ia=If。

4、复励电机：复励电机是将串励与并励两种励磁形式组合在一起，然后接在一个独立直流电源上，励磁电流与电枢电流由同一个直流电源供给。如图所示。直流复励电动机的端电流等于两个励磁电流之和，同时电枢电流与一个励磁电流是同一个电流。I=If1+If2

If2=Ia

1.4.2直流电动机的基本方程直流电动机基本方程：反映直流电动机运行时各个物理量之间联系的数学方程。

直流电机电动机惯例：

以U为参考，I与U同向，Ia与I同向，Ia与Ea反向；以n为参考，T与n同向，T2与n反向，T0与n反向。

1、电路形式：2、电路方程：①励磁电压方程：

Uf=If(rf+rC)=IfRf；

Uf——励磁电压，If——励磁电流，Rf=rf+rC——励磁电阻，rf——绕线电阻，rC——调节电阻。②电枢电压方程：

U=Ea+IaRa=CeΦn+IaRa；

U——电枢电压，Ia——电枢电流，Ra=ra+rj——电枢电阻，ra——绕线电阻，rj——接触电阻。

③电流平衡方程：

I=Ia。

I——输入端电流。

3、转矩方程：T=T2+T0=TL。

(n=C)

T

——电磁转矩，TL=T2+T0——负载转矩，T2——输出转矩，T0——空载转矩。

4、功率方程：

UI=EaIa+Ia2Ra—→P1=PM+pCua，

P1——输入功率，PM——电磁功率，pCua——电枢铜损。

TΩ=T2Ω+T0Ω—→PM=P2+p0，

PM——电磁功率，P2——输出功率，p0——空载损耗。

他励电动机电磁功率PM：

他励电动机中能够将直流电能转换为旋转机械能的功率。PM

=EaIa=CeΦnIa=(pN/60a)ΦnIa——电功率。

=(pN/60a)Φ(60Ω/2π)Ia=(pN/2πa)ΦIaΩ=CTΦIaΩ=TΩ——机械功率。

PM

=EaIa=TΩ。

P2=P1-p0-pCua=P1-∑p——功率平衡方程。

p0=pm+pFe——空载损耗——不变损耗；pCua=Ia2Ra——电枢铜损——负载损耗。

他励电动机能流图：

[例1-2-1]已知：他励电动机，PN=185W，UN=220V，IN=1.1A，nN=1600r/min，IfN=85mA。试求：（1）ηN=?（2）TN=?（3）T2N=?（4）T0=?1.4.2直流电动机的工作特性（1）转速特性1、直流他励电动机的工作特性定义：当、时，由方程式可得

忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图所示。（2）转矩特性定义：当、时，转矩表达式

考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。（3）效率特性定义：当、时，由方程式可得

空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上，电动机的效率较低；随着负载电流的增加，输入的功率大部分都输出到机械负载上，电动机的效率也随之提高；但当负载电流增大到一定程度时，铜损随着快速增大，此时电动机的效率又逐步变小。电动机的效率特性如图所示。例题1

一台并励直流电动机，PN=7.5kW，UN=110V，IN=82.2A，nN=1500r/min，Ra=0.1014Ω，Rf=46.7Ω，忽略电枢反应。求（1）T2N；（2）TN；（3）n0；（4）Ia0；（5）n0`；二、直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向1、电枢电动势和电动势平衡方程

为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：电枢电动势：从方程式可见，直流发电机2、电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩：直流发电机的励磁电流直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。平衡方程为：3、励磁特性公式每极气隙磁通4、功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率电磁功率机械摩擦损耗、铁损耗、附加损耗。空载损耗包括：

电磁功率一方面代表电动势为的电源输出电流时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗三、他励发电机的运行特性1、空载特性定义：当、时，

直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。

空载时，。由于，因此空载特性实质上就是。由于正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线2、外特性定义：当、时，外特性曲线如图所示

由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励

根据可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。3、调节特性定义：当、时，外特性曲线如图所示

由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。四、并励发电机的自励条件和外特性

并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。1、自励条件

曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻特性曲线，也称场阻线。

原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与相等时，达到稳定的平衡工作点A。增大，场阻线变为曲线3时，称为临界电阻。如图所示。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。可见，并励直流发电机的自励条件有：2、空载特性

并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确3、外特性4、调节特性

并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。

对并励发电机，除了像他励发电机存在的