第2章 直流电机

第2章直流电机

直流电机的功能是将直流电能与机械能相互转换，把机械能转换为直流电能的装置称为直流发电机，而把直流电能转换为机械能的装置称为直流电动机。直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值!直流电机的基本原理2.1直流电机的结构2.2直流电机的铭牌数据2.3直流电机的空载磁场2.4直流电机的电枢绕组2.5直流电机的负载磁场及电枢反应2.6感应电动势和电磁转矩的计算2.7直流发电机2.8直流电动机2.92.1.1直流发电机的工作原理直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。2.1直流电机的基本工作原理

图2-2a线圈电动势的波形图2-2b电刷间的电动势波形2.1.2直流电动机的基本工作原理直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。2.1.3直流电机的可逆性可逆性原理：一台直流电机，在一种条件下可以作为发电机，而在另一种条件下它又可以作为电动机运行。图2-5国产直流电机的结构2.2直流电机的结构1.定子（1）机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；磁路的一部分。（2）主磁极（3）换向极（4）电刷装置2、转子（1）电枢铁心（2）电枢绕组：按一定规律连接并嵌放到电枢铁心槽中。（3）换向器：由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。2.2直流电机的结构总结

定子转子主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承定、转子之间有一间隙气隙2.3直流电机的铭牌数据

直流电机的额定值有：1、额定电压UN(V)：直流电机电刷端的电枢电压。2、额定电流IN(A)：直流电机电刷端的电枢电流。3、额定功率PN(W或kW)：电机的输出功率。

4、额定转速nN(r/min)：直流电机的旋转速度。发电机是指输出的电功率：电动机是指输出的机械功率：2.4直流电机的空载磁场2.4.1直流电机的励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。1、他励式

其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。2.4.1直流电机的励磁方式2、并励式：励磁绕组与电枢绕组并联；3、串励式：励磁绕组与电枢绕组串联；2.4.1直流电机的励磁方式3、复励式：装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。2.4.1直流电机的励磁方式2.4.2直流电机的空载磁场空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时（可忽略不计），由励磁磁动势单独建立的磁场。2.4.3磁路分析直流电机的主磁路可分为五段：（1）两气隙段，长度为2；（2）两电枢齿段，长度为2l1；（3）转子扼段，长度为lr1；、（4）两主磁极铁心段，长度为2lp

；（5）定子轭段，长度为lsl。2.4.4直流电机的磁化曲线2.4.5气隙磁通密度的分布图2-15气隙磁密分布情况极靴极身平顶波2.5直流电机的电枢绕组对直流电机的电枢绕组的要求是：1．能通过规定的电流，能产生足够的感应电动势，且电量的波形较好；2．绕组结构简单、运行可靠、方便制作、便于维护；3．尽可能节省有色金属和绝缘材科。2.5.1直流电机电枢绕组的基础知识1、几何中性线：是指直流电机结构中两个相邻主磁极(N、S极)之间的几何平分线。2、磁极轴线：是指每个主磁极上，将磁极分成左右对称的两部分的中心线。3、元件：直流电机中构成电枢绕组的线圈基本单元为元件。

4、元件的首末端：每一个元件有两端，分别引出两根线与换向片相连，绕制元件的开始端称为首端，结束端称为末端。2.5.1直流电机电枢绕组的基础知识有效边：置于槽内，能“切割”主极磁场而感应电动势，两条元件边端接线：在铁心之外，不“切割”磁场，仅起连接线作用。6、波绕组：电枢上所有处于同一极性下的元件串联构成一条支路，相邻元件对应边的跨距约为（不可等于）两个极距，形成波浪型结构。

5、叠绕组：组成绕组的元件依次串联，后一个元件紧叠着前一个元件镶嵌放置。叠绕组波绕组上层边：有效边放在槽的上层下层边：另一有效边放在槽的下层双层绕组7、实槽：电机铁心实际所开的槽，实槽数用Z来表示。8、虚槽在大型电机中、每层可能有N个并列圈边 为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。实槽虚槽7、极距：相邻主磁极在定子圆周上的间距称为极距。8、节距：节距是指元件边之间的距离。节距分为第一节距、第二节距、合成节距和换向节距四种。1）第一节距y1：是指一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。

2.5.1直流电机电枢绕组的基础知识整距元件短距元件长距元件2）第二节距y2：连至同一换向片的两个元件中的前一个元件的下层边与后一个元件的上层边在电枢表面跨过的距离。3）合成节距y：串联的两个相邻元件的对应上下层边在电枢表面跨过的距离。4）换向节距yk：一个元件的首、末端所连接的两个换向片在换向器表面跨过的距离。

2.5.2单叠绕组

单叠绕组的特点是合成节距等于一个虚槽，换向器节距等于一个换向片长。例：设有一台直流电机，极对数p＝2，双层绕组结构，槽数Z、元件数S、换向片数K都为16，若Z=K=S=16。试分析单叠绕绕组的情况。分析步骤如下：1．计算单叠绕组的节距双层绕组元件数与槽数、换向片数相等，节距单位用槽数表示。合成节距和换向节距计算：单叠绕组的合成节距和换向节距相同，即一般取：

元件的依次串联顺序为从左向右进行，这样完成的直流电机绕组称为右行绕组。第二节距计算：第一节距计算：编号的原则：把元件和原件上层边所在的槽和元件首端所连接的换向片编上相同的号码。元件进行编号：1-16号槽进行编号：1-16号元件边进行编号：上层边：1-16号下层边：1’-16’号2．确定绕组元件的连接顺序设1号元件上层边放在1号槽中1+y1=5’5’-y2=25’连接22+y1=6’6’-y2=36’连接33+y1=7’7’-y2=47’连接4......连接顺序：3．绘制绕组展开图4．并联支路图对于单叠绕组，支路数应等于极对数，即：单叠绕组有以下特点：并联支路对数a=主磁极对数p=电刷对数b电枢的电动势等于支路的电动势电枢电流等于各支路电流的总和，即Ia=2aia2.6直流电机的负载磁场及电枢反应

电机负载运行时，有负载电流通过电枢绕组，即可认为在电枢绕组内通过电流而产生了一个新的磁动势——电枢磁动势。电枢反应：我们把电枢磁动势对励磁磁动势所建立的气隙磁场的影响。线负荷：电枢圆周表面单位长度上的安培导体数设电枢绕组导体总数为N，导体电流为ia，电枢直径为D，A表示线负荷，则有全电流定律：忽略铁磁部分中的磁压降，则电枢磁动势在每段气隙中为：电枢磁场物理中性线电枢反应对气隙磁场的影响如下：(1)直流电机负载时的电枢反应使气隙磁场发生畸变；(2)电枢反应使电枢表面磁密为零的物理中性线偏离了几何中性线。在电动机中，物理中性线逆电枢旋转方向移过一个不大的角度；在发电机中，顺电枢旋转方向移过一个不大的角度；(3)电枢反应使主磁极下的总磁通量减少，呈去磁作用。2.7感应电动势和电磁转矩的计算

2.7.1感应电动势的计算元件有效边导体的感应电动势：与每极有效磁通的平均值的关系为：导体切割磁力线的速度与电机的旋转速度有关：假设电机中元件的有效边导体数为，则电机的感应电动势即支路电动势可以记为：直流电机的电枢感应电动势定义表达式为：2.7.2电磁转矩的计算导体所受电磁力大小为：为简化分析，可作如下假定处理：(1)假设组成电枢绕组的元件数足够多，沿电枢圆周均布，且均是整距元件。(2)忽略电枢圆周的齿、槽对电机各个元件导体受电磁力的不同影响。(3)用每个主磁极下的有效磁通的平均值来参与计算直流电机元件所受电磁力的大小。导体所受的电磁力的平均值为：电磁转矩的平均值为：电机所受总的电磁转矩为:例2-1一台直流电机,，单叠绕组，总导体数N＝256，每极磁通Wb,求当转速为nN＝3000r／min时的电枢绕组电动势；设电枢电流A，磁通保持不变，则此时的电磁转矩又为多大？解：(1)已知这台直流电机的极对数，则单叠绕组的并联支路对数，于是电动势常数Ce与CT的关系根据电枢电动势公式(2)转矩常数根据电磁转矩公式2.8直流发电机

2.8.1直流发电机的基本平衡方程1．电动势平衡方程电枢回路的电动势平衡方程为：励磁回路的电平衡方程为:下页上页返回2．转矩平衡方程空载稳态运行时，机械系统转矩平衡方程为：负载稳态运行时，机械系统转矩平衡方程为：将空载转矩忽略。即有如下近似公式：3.功率平衡方程

直流发电机的功率关系是把原动机输入给直流电机的机械功率转换成电功率输出供应负载

电磁功率根据上式可以画出直流发电机的功率流程传递过程的总损耗为：直流发电机的效率为：2.8.2他励直流发电机的运行特性1．他励直流发电机的空载特性定义:当、时，空载时空载特性实质上就是。所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。

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．他励发电机的外特性定义：当、时，端电压下降有两个原因：？（1）在保持转速和励磁条件不变条件下，随负载电枢电流的增大，电枢反应的去磁效应使每极磁通量减小，因此使电枢电动势减小而导致输出端电压下降。（2）随着负载电枢电流增大，这里负载电流即电枢回路电流，电枢回路电阻上的压降将随着负载电流的增加而增加，从而使输出端电压减小。3．他励发电机的调节特性为什么调节曲线是一条微向上倾斜的特性？定义：当、时，2.8.3并励直流发电机的运行特性

1．并励直流发电机的自励

自励过程剩磁Er→If1→气隙磁场↑→电动势↑E1→...→A临界电阻线励磁回路电压平衡方程并励发电机自励必须具备以下三个条件：(1)电机内部应有剩磁。(2)励磁绕组两端并联至电枢绕组两端的极性和接法应与电枢旋转方向正确配合，使励磁电流产生的磁动势与剩磁方向一致。(3)励磁回路的总电阻应小于临界电阻。实际应用

实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先减小励磁回路的外串电阻，看电压是否能建立，不行再改变励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应考虑可能没有剩磁，充磁后，再进行自励发电。2．并励发电机的外特性外特性，是指转速等于额定转速，励磁回路总电阻不变时，发电机的端电压与负载电流的关系。1、负载增加时，端电压比他励下降较快2、拐弯现象3、短路电流2.9直流电动机

2.9.1直流电动机的基本方程式1.电动势平衡方程电枢回路电压方程式为：并励电动机的励磁回路电压方程式为：结论：发电机：；电动机：；即根据与U的大小判断直流电机的运行状态。电动机发电机2.转矩平衡方程空载稳定运行状态：负载稳定运行状态：3.功率平衡方程以并励电动机为例电磁转矩为驱动转矩电磁功率发电机：

机械能转化为电能；

电动机：

电能转化为机械能。

2.9.2直流电动机的工作特性1．并励直流电动机的工作特性(1)转速特性以及理想空载转速

注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。

工作特性是指在额定电压、额定励磁以及电枢回路不外串联其他电阻的额定运行状态下，以及(2)转矩特性考虑电动机的电枢反应1、电动机轻载时，电枢电流较小，电枢反应微弱，电动机转矩特性仍是直线2、随着电动机负载增加，电枢电流加大，电枢反应增强，其去磁效应也增强，电动机转矩特性略向下弯曲。

是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，T=ƒ(Ia)关系。

根据转矩公式T=CTΦIa忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。3.效率特性当U=UN

，If=IfN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，η=f(Ia)的关系曲线并励电动机效率是电枢电流的二次函数，存在一个最大效率。当不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点，对其它电机、变压器也适用，具有普遍意义。当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小。损耗说明2．串励电动机的工作特性(1)串励电动机的转速特性曲线大致为一双曲线。串励电动机的转速特性随负载增加而迅速降低，原因：1、P2↑→Ia↑→电枢回路压降↑→Ea↓

2、Ia=If

，当P2↑→Ia↑→If↑→气隙磁通↑

是指时，或→n↓；(2)串励电动机的转矩特性负载增加，磁路饱和，常值

轻载时，、＝常值

空载时，Ia很小→气隙磁通、压降IaRa’都很小→要产生一定的反电动势与电源电压平衡→

n极高→导致转子破坏串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行！！飞车第2章(3)串励电动机的效率特性

串励电动机的铁耗随负载的增大而增大，机械耗则因转速的降