第3章 直流电机

第3章直流电机3.1直流电机的工作原理及结构3.2直流电机的电枢绕组3.3直流电机电枢磁动势对电机运行的影响3.4直流电机的电枢电动势与电磁转矩3.5直流电机的运行原理小结直流电机的用途1、直流发电机：用于同步发电机励磁电源和直流电动机的直流电源；2、直流电动机：用于对调速要求较高的电力拖动系统。优点：调速范围广;调速平滑性好;机械特性硬;起制、制动性能好；缺点：由于换向的问题限制了电机容量。3.1直流电机的工作原理及结构

3.1.1直流电机的工作原理及电路符号图3-1直流电机的原理示意图图3-2直流电机的电路符号电机模型及工作原理交流1.直流发电机的工作原理图3-3直流发电机的工作原理2.直流电动机的工作原理图3-4直流电动机的工作原理特点：导体电势、线圈电势为交变电势电刷及换向器的作用：①把旋转电路与外电路联系起来②把电枢绕组中的交流电整流为外电路中的直流电

电刷引出电势：经换向器和电刷的整流作用，电刷引出的电势为直流电势特点：导体电势、线圈电势为交变电势3.1.2直流电机的主要结构部件图3-5直流电机的剖面图图3-6直流电机横截面示意图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电机结构定子转子（一）

定子：产生磁场，支撑电机1、主磁极

包括：①主极铁心：导磁，固定绕组②励磁绕组：通直流电产生磁场图3-7主磁极2.换向极：作用：改善换向，消除电刷与换向器间的火花包括：换向极铁心、换向极绕组主磁极换向极容量大于1kW的直流电机，在相邻两主磁极之间装设换向极，其作用是帮助换向。图3-8换向极3、机座（也称为定子磁轭）

作用：①支撑电机②导磁4、电刷装置：把转动的电枢电路与外电路接通图3-9电刷装置

直流电机的电枢绕组和电流均通过电刷装置与外电路相接。电刷本身是由石墨等做成的导电块，放在刷握内。刷握再装于刷架上，每个刷架上装有一个电刷或一组并联的电刷，同极性刷架上的电流汇集到一起后，引向接线板，再通向机外。（二）转子（也称为电枢）作用：产生感应电势和电磁转矩

包括：电枢铁心和电枢绕组图3-10直流电机的转子转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承。1)电枢铁心：导磁，固定电枢绕组2)电枢绕组：作用：产生感应电势（和通过电流），实现机电能量转换用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放在电枢铁芯的槽中，各元件按一定的规律连接到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。图3-11换向器3）换向器：由许多换向片组成。与电刷配合，起整流作用。额定值是制造厂对各种电气设备在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠的工作，并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。3.1.3直流电机的铭牌数据：额定值额定值通常标在各电器的铭牌上，故又叫铭牌数据。（1）额定电压UN，单位：V。

额定电压指在额定工作情况下电机出线端的电压值。直流电动机的额定电压多为110V，220V，440V；发电机的额定电压为115V，230V，460V。（2）额定电流IN，单位：A。

额定电流是电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，通过出线的线路电流。输出电压输出电流（3-3）直流发电机（3-4）直流电动机额定运行时的效率（3）额定功率PN，单位：W或kW。

额定功率是在铭牌规定的额定运行条件下的输出功率。对发电机，额定功率是指：出线端所输出的电功率；对电动机，指轴上输出的机械功率。三者关系为：（4）额定转速nN，单位：r/min。

额定转速是在额定电压下运行，输出功率为额定功率时转子的转速。（5）额定效率ηN。

额定效率是电机在额定工况下，输出功率与输入功率之比的百分数。（6）额定励磁电压Uf，单位：V。

额定励磁电压是指电机在额定工况下，励磁绕组两端的电压。（7）额定励磁电流If，单位：A。

额定励磁电流是指电机在额定工况下，励磁绕组中的电流。直流电动机轴上的额定输出转矩用T2N表示，其大小为

式中：PN的单位为W；nN的单位为r/min；T2N的单位为N·m。若PN的单位为kW，则系数9.55应改为9550。

【例3-1】一台直流电动机的额定值为PN=160kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=90%，求该电机的额定输入功率P1N、额定电流IN、额定输出转矩T2N。解：额定输入功率为额定电流为额定输出转矩为或练习题：一台直流发电机，铭牌数据如下：求发电机的输入功率及额定电流为多少？解：输入功率为：额定电流为：这个条件并没起作用！思考题1）磁极固定，电刷与电枢同速同向旋转时，电刷两端电压的性质？2）电枢固定，电刷与磁极同速同向旋转时，电刷两端电压的性质？

3.2直流电机的电枢绕组3.2.1电枢绕组的特点

直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件构成的。所谓元件，是指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。元件有两个引出线，即首端和末端。图3-12元件图（a）单匝元件；（b）两匝元件每一元件有两个有效部分，称为元件边，用于切割磁场感应电动势。元件在槽外（电枢铁芯两端）的部分，不感应电动势，称为端部。构成元件线匝的两个有效边称为导体。按照绕组的连接方法，直流电机的电枢绕组可分为三种类型：叠绕组、波绕组和蛙绕组等。图3-14单叠绕组的节距绕组节距：分为第一节距y1、第二节距y2、合成节距y及换向片节距yk。3.2.2单叠绕组

1.节距

节距是指被连接的元件边或换向片之间的距离，用槽数表示。1）第一节距y1

y1是指同一元件两个边之间的距离，以虚槽数来计算。为了使元件感应出最大电动势，就要使y1等于一个极距τ，（3-8）2）第二节距y2

y2为元件的下层边与其相连接的元件上层边之间的距离，以虚槽数计。3）合成节距y和换向片节距yk

y是相串联的两个元件的对应边间的距离。y与y1、y2的关系为

y=y1+y2 （3-10）2.单叠绕组展开图

y=yk=±1的直流电机的电枢绕组称为单叠绕组，y=yk=+1的为右行绕组，y=yk=－1为左行绕组，直流电机通常选用右行绕组。

右行绕组为

y=yk=1

第二节距为

y2=y－y1=-3例：2p=4，Zi=S=K=16的直流电机为例，构成右行单叠绕组，并画出绕组展开图。1）计算节距

第一节距y1为图3-15单叠绕组展开图2）绕组展开图

绕组展开图就是把放在电枢铁芯槽里的元件构成的电枢绕组画在一张图里，用来表示槽内各元件在电路上的连接情况。

3.单叠绕组的并联支路

把相同极性的电刷并联起来，并按照其中各元件连接的顺序，以及被电刷所短路的元件，可以画出下图所示的并联支路图。单叠绕组的并联支路图由图可以看出：每一个支路所串联的元件是位于同一磁极下的全部元件。本例中，磁极数2p=4，所以共有4个支路并联。

单叠绕组的特点：电枢绕组的并联支路对数等于电机的极对数，即

a=p （3-11）当电枢旋转时，电刷位置不动，并联支路图中的整个电枢绕组在移动，每个元件不断地顺次移到它前面一个元件的位置上，但总的支路情况不变。3.3直流电机电枢磁势对电机运行的影响

直流电机空载时，电机磁路中只有主极磁场，直流电机负载后，电枢绕组也要产生磁场。图3-20直流电机的磁路3.3.1直流电机的磁路、磁密与磁通由于空气的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，因此可以忽略铁磁材料的磁阻，认为所有磁势全部落在气隙上，则有：（3-14）主磁通所经过的磁路应分为以下几段：主磁极、气隙、转子齿、转子铁轭、定子铁轭。根据磁路欧姆定律有（3-15）根据Bδ=μ0Hδ，并在忽略铁磁材料的磁阻后，有2IfNf≈2Hδδ。此时气隙磁密为（3-16）可见，当励磁磁势一定时，气隙δ越大（磁阻Rmδ越大），气隙磁密Bδ（磁通Φ）越小；当电机制成以后，气隙δ为定值，若励磁电流If增加，则气隙磁密Bδ增加，即磁通Φ增加。3.3.2直流电机的空载磁场及磁化曲线

1.直流电机的空载磁场

对于实际电机，由于主极中心处气隙均匀，而极尖处气隙加大，因此主极下的磁密分布均匀，极尖处磁密逐渐减小，两极之间的几何中心线处磁密为零。几何中性线图3-21空载时直流电机气隙磁密分布（a）空载磁场分布；（b）空载气隙磁密波形

2.直流电机空载磁化曲线

直流电机的磁化曲线Φ0=f（F0）。图3-22直流电机空载磁化曲线3.3.3直流电机的励磁方式

直流电机因其励磁方式不同，它们的基本特性亦不同。图3-23直流电机的励磁方式（a）他励；（b）并励；（c）串励；（d）复励他励直流电动机并励直流电动机串励直流电动机复励直流电动机I=Ia，If与Ia无关I=Ia+IfI=Ia=IfI=Ia+If

，Ia=If'

3.3.4直流电机负载时电枢磁动势对电机运行的影响

当直流电机负载以后，电枢绕组中有电流Ia通过。电枢电流Ia产生的磁动势称为电枢磁动势。此时，直流电机的气隙磁场由主磁极磁动势（空载磁动势）与电枢磁动势共同建立。电枢绕组产生的磁场对励磁绕组磁场的影响称为电枢反应。电枢反应对气隙磁通的大小和波形、电机的运行性能、换向能力都有影响。1.电枢磁场的特点

当不考虑铁芯饱和影响时。1）电刷在几何中心线上据安培环路定律，该闭合回路所包围的导体中的总电流，就是作用于该闭合回路的电枢磁动势f（x）。忽略铁芯磁压降，则作用于每段气隙上的电枢磁动势为fa（x）=f（x）/2。图3-25fa（x）、Ba（x）空间分布曲线将图沿电枢圆周表面展开正负（3-17）设电枢绕组的导体总数为N，导体电流为ia，则可见，当x=τ/2，即在几何中心线（交轴处）时：可见，每极电枢磁动势fa（x）沿电枢圆周的分布波形是三角波，在主极极面下，由于气隙很小且均匀，因此Ba（x）的大小与fa（x）成正比；而在极靴以外的交轴附近，虽然fa（x）很大，但由于气隙很大，因此Ba（x）较小。可见，Ba（x）在空间呈马鞍形分布。当电刷偏离几何中心线β角时，电枢磁动势的轴线不在几何中心线上。此时可以将电枢磁动势分解到直轴和交轴，其直轴分量可引起空载磁通大小发生变化；直轴分量Fad与主极磁动势方向相反，可引起主极磁动势减小。图3-26电刷偏离几何中心线时的电枢磁动势2.电枢反应

1）直轴电枢反应

直轴电枢磁动势Fad的轴线与主极磁动势轴线重合，其作用是直接影响主极下磁通的大小。以发电机为例，当电刷逆旋转方向转动β，其直轴电枢反应磁动势的方向与主极励磁磁动势的方向相反，所以直轴电枢反应是去磁的。如果电刷顺旋转方向转动β，则直轴电枢反应是增磁的。主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线2）交轴电枢反应图3-27负载时合成气隙磁密示意图电枢反映总体上是去磁的同时，与空载相比，合成气隙磁密Bδ（x）的零点不再处于几何中心线上，而是偏移了一个角度。通常将合成磁密为零的点所在的直线称为物理中心线，显然电枢反应使物理中心线偏离几何中心线。这将造成电机换向恶化，有可能引起环火损坏电机。综上所述，直流电机电枢反应对气隙磁场的影响如下：

（1）物理中心线偏离几何中心线，气隙磁场畸变；

（2）气隙合成磁场被削弱，磁通减少，交轴电枢磁动势对主极磁通有去磁作用。

3.4直流电机的电枢电动势与电磁转矩

3.4.1电枢电动势

直流电机的电枢电动势指电机正、负电刷间的电动势。电机正、负电刷间的电动势就是电枢绕组支路的感应电动势，它等于支路中各串联元件感应电动势之和。1.导体的感应电势

根据电磁感应定律，一根导体的感应电势为（3-18）（3-19）每极下的平均磁密为一根导体的平均感应电势为（3-20）2.电枢的感应电势直流电机每条支路上的导体为，其支路电势（也就是刷间电动势）为（3-22）线速度与转速的关系：（3-21）则：

【例3-2】一台直流发电机，功率为10kW，2p=4，转速为2850r/min，单叠绕组，电枢的总导体数N=372。当每极磁通Φ=70.7×10－4Wb时，求发电机的空载输出电压。电势为

解：单叠绕组a=2，电势常数为3.4.2直流电机的电磁转矩电机正常运行时，电枢绕组流过电流，载流导体在磁场中受力形成的总转矩。1、一根导体所受的平均电磁力：导体电流（支路电流）2、一根导体的平均转矩D-----电枢直径假定绕组为整距元件，均匀分布，电刷在几何中性线上。3、电磁转矩

转矩常数，由于重要关系

3.5直流电机的运行原理

3.5.1直流电机的可逆原理

从原理上讲，不论是交流电机还是直流电机，都可以在一种条件下作为发电机运行，把机械能转变为电能，而在另一种条件下作为电动机运行，把电能转变为机械能。这叫做电机的可逆原理。图3-28他励直流发电机运行原理

1.直流电机作发电机运行在发电机状态运行时，电机向电网输出电功率。由原动机输入机械功率。发电状态:此时电磁转矩为制动转矩图3-29他励直流电动机运行原理2.直流电机作电动机运行由上面两图可见：发电机惯例和电动机惯例两种定义方法只是电流方向不同。根据电动机惯例定向时，直流电机的运行状态可以进行如下判断：

·当Ea>U，Ia与Ea方向相同，则Tem与n不同向，是发电机运行状态；

·当Ea<U，Ia与Ea方向相反，则Tem与n同方向，是电动机运行状态。3.5.2直流电机的基本方程

1.直流电机的稳态电压平衡方程

直流电机的稳态是指电机的电压、电流、转矩和转速均保持不变的一种运行状态。图3-30他励直流电动机等效电路及参考方向1）直流电动机稳态电压平衡方程式根据上图可列出他励直流电动机的电压平衡方程式为励磁电流if产生主磁场，电枢电流Ia与主磁场作用产生电磁转矩，使电动机旋转。

当直流电机的电压、电流、转矩和转速中有部分参数随时间发生变化时，电机处于暂态（即过渡过程），其电压方程为图3-31他励直流发电机等效电路及参考方向2）直流发电机稳态电压平衡方程式他励直流发电机按发电机惯例确定参考方向。

直流发电机由原动机带动电枢旋转，电枢绕组感应电动势。当直流发电机接负载后，有电流流向负载，电枢电流方向与电动势方向相同，对应电枢回路的电压平衡方程为其暂态方程为2.功率平衡方程式

1）电磁功率

直流电机的电磁功率反映了直流电机经过气隙传递的功率。在直流电机中，电磁功率Pem可以用电机感应电势Ea和电枢电流Ia来表示，即（3-29）注意：电磁功率均指能量转换过程中机械能转换为电能或者电能转换为机械能所对应的那部分功率。2）电动机的功率平衡方程式

在直流电动机电压平衡方程式两边同乘以电枢电流Ia，可得电动机的功率平衡方程式根据以上功率的定义，电动机电枢回路的功率平衡方程式可写为当电动机电枢转动时，转动部分有如下机械损耗：

（1）机械损耗pmec。机械损耗pmec包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、转子与空气的摩擦损耗及通风的风摩损耗。（2）铁芯损耗pFe。铁芯损耗pFe是由于电枢转动时主磁通在电枢铁芯内交变，引起齿部及电枢铁轭中的磁滞损耗和涡流损耗。铁芯损耗pFe与磁通交变频率及磁通密度最大值有关，实际计算中统称为铁芯损耗。（3）杂散损耗pad。杂散损耗pad又称附加损耗。无补偿绕组直流电机在额定负载时的杂散损耗约为额定功率的1%，有补偿绕组直流电机在额定负载时的杂散损耗约为额定功率的0.5%。（3-31）直流电动机的功率平衡方程式为功率流程图如图3-32所示。

注意，在并励直流电动机功率消耗中还应考虑励磁电阻损耗PCuf=I2fRf。图3-32他励直流电动机功率流程图3）发电机的功率平衡方程式

当原动机拖动发电机转动时，发电机的输入机械功率的功率平衡方程式为（3-33）发电机转矩平衡方程为

T1=Tem+T0 （3-34）

上式表明：当发电机稳定在角速度Ω下运行时，从原动机输入的拖动转矩T1与发电机内部的电磁制动转矩Tem和空载制动转矩T0相平衡。

3.转矩平衡方程

1）发电机转矩平衡方程

根据发电机运行时的机械功率平衡方程，在方程两边同除以角速度Ω，得到转动体的转矩与功率的关系为2）电动机转矩平衡方程式

与分析发电机转矩方程的方法相同，可得电动机的转矩方程为

Tem=T2+T0 （3-35）

上式表明，当电动机稳定在角速度Ω下运行时，电磁转矩Tem与电动机输出的负载转矩T2和空载制动转矩T0相平衡。直流电机的总损耗∑p根据与负载的关系可以分为两部分：第一部分为空载损耗p0，它与负载电流的变化无关，称为定值损耗；第二部分为铜损耗，它随负载电流的变化而变化，称为变值损耗。

4.效率关系

根据直流电机的输入功率P1、输出功率P2和总损耗∑p，可得直流电机的效率为

不难证明：当电机中的定值损耗和变值损耗相等时，电机效率达到最大值。【例】一台四极并励直流发电机的额定数据为：PN=6KW，UN=230V，nN=1450r/min，电枢回路电阻Ra=0.92Ω，并励回路的电阻为Rf=177Ω，空载损耗p0=pFe+pmec=295W。求额定负载下的电磁功率、电磁转矩及效率。解：额定电流为：励磁电流为：额定负载时的电枢电流：额定负载时的电枢电势：额定负载时的电磁功率：电磁转矩：效率：额定负载时发电机的输入功率：其中：3.5.3他励直流电动机的特性特性分为工作特性和机械特性机械特性是指电压为常数，励磁电流为常数，电枢回路电阻与外串电阻之和为常数时，转速与转矩的关系。工作特性指电压为额定电压，励磁电流为额定值，电枢回路不外串电阻时，转速、转矩以及效率与输出功率（或电枢电流）的关系。（一）工作特性1、转速特性：2、转矩特性：当时3、效率特性：忽略附加损耗令可知：

2.串励直流电动机的工作特性

串励直流电动机中Ia=If。此时：串励直流电动机的气隙磁通Φ随电枢电流的变化而变化。图3-34串励直流电动机（a）串励直流电动机的原理图；（b）串励直流电动机的特性（1）串励直流电动机的转速特性：1）当磁路饱和时，为常数2）当磁路不饱和时，不为常数（2）串励直流电动机的转矩特性：同样分为磁路饱和与不饱和的情况讨论不饱和时：饱和时：串励直流电动机不允许空载运行，也不允许以皮带传动方式带动负载（皮带不慎脱落时，可能引起电动机过速）。空载时会产生“飞速”，是串励电动机的不足之处。要保持串励电动机的优点，而又不发生“飞速”现象，应采用复励电动机。图3-35直流电动机的转速特性他励直流电动机并励为主的复励电动机串励为主的复励电机串励直流电动机差复励直流电动机3.复励直流电动机的运行特性3.5.4直流发电机的工作特性

直流发电机的稳态运行特性包括两大类：空载特性和外特性。

1.他励直流发电机的空载特性（一）空载特性当n=常数、=0时，输出电压随励磁电流变化的关系曲线称为空载特性曲线。

图3-37他励直流发电机不同转速的空载特性空载特性实质上反映了励磁电流与由它建立的主磁通在电枢中感应的电动势之间的关系。（二）外特性外特性是指当n=nN、=常数时，发电机电压随负载电流变化的关系曲线称为外特性曲线。

2.他励直流发电机的外特性

他励直流发电机的外特性为Ua=f（Ia）。图3-38他励和并励直流发电机的外特性他励发电机的外特性略微下垂，原因是电枢电流在电枢电阻上的压降以及电枢反应的去磁作用使主磁通减小导致的电动势降低。并励发电机的外特性比他励时下降得更多，因为在并励发电机的励磁电流随着发电机端电压的降低而降低，而他励发电机的励磁电流不变。图3-39并励直流发电机自励过程（a）并励直流发电机空载原理图；（b）自励建压过程

3.并励直流发电机的自励过程对于励磁回路，自励过程中，由于励磁电流在不断增加，励磁绕组上电感产生的感应电压不能忽略，因而励磁回路电