第3章 直流电机原理

第三章直流电机原理陈小要内容3.1直流电机的用途及基本工作原理3.2直流电机的主要结构与额定值、型号和励磁方式3.3直流电机电枢绕组3.4直流电机的磁路与电枢反应3.5电枢电动势、电磁转矩和平衡关系3.6直流发电机的运行特性3.7直流电动机的运行特性3.8直流电机的换向与改善方法直流电机概述直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机要既可作为发电机使用，也可作为电动机使用。用作发电机可以获得直流电源，用作电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。直流电机的优缺点直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。3.1直流电机直流电机的用途及基本工作原理一、直流电机的用途作电源用:发电机作动力用:电动机信号的传递:测速发电机,伺服电动机做励磁机用：一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。直流电动机工作原理：建立主极磁场→外加直流电压→在线圈中产生电流→载流导体在磁场中受到力的作用F=BIL→克服阻力转动→对外输出机械能二、直流电机的基本工作原理转子旋转180电角度：直流电源供电，电流方向不变→旋转180度后电磁力方向反向→平均电磁力矩为零→若要保持电磁力方向不变，则：改变磁极极性或改变电流方向两种位置电磁力对比直流电动机原理—换向几何中心线：磁极的几何分界线电刷和换向器配合电流换向=电流逆变：导体运动经过磁极的几何中心线期间→交换线圈电源极性→交换线圈电流方向→电磁力方向维持不变直流电发机工作原理：建立主极磁场→外加机械转矩→线圈在磁场中旋转→运动导体在磁场中产生感应电动势e=Blv→带电负载→对外输出电能换向：线圈旋转方向不变→导体感应电动势（在不同极下感应电势方向不同，导体感应电势交变）→感应电势换向=整流：经过磁极的几何中心线，交换线圈输出极性，输出直流，否则输出交流线圈电动势的波形电刷间的电动势波形脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈串联而构成的。直流电动机：

建立磁场→产生电磁力的条件载流导体→产生电磁力线圈运动→对外输出机械功换向器和电刷→换流，产生持续电磁力直流发电机建立磁场→产生感应电动势的条件导体运动→产生感应电势负载→对外输出电能换向器和电刷→整流，产生直流电，方向不变直流电机原理要求结构组成直流电机模型3.2直流电机的基本结构及额定值和励磁方式风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖定子与转子之间为气隙。定子转子NS············NS直流电机剖面图极掌/极靴极心励磁绕组机座转子基本构造：——

定、转子。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换向器直流电机的电枢电枢铁心冲片直流电机换向器结构换向器图换向器拼装二、电机的铭牌数据（额定值）为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有：

1．额定容量（功率）（kW）：PN

2．额定电压（V）：UN3．额定电流（A）：IN4．额定转速（r／min）：nN5．励磁方式和额定励磁电流IfN

（A）

另外：还有额定转矩TN和额定效率ηN注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。所以，直流发电机：的额定容量为：而直流电动机的额定功率为P32：国产直流电机的型号（略）一、直流电机的工作原理从一个简单的直流发电机模型（一个电枢线圈）开始，根据可逆原理，该电机也可作直流电动机运行。实际直流电机，是由很多电枢线圈敷设在电枢铁心表面上，从而形成电枢绕组，其基本构成原则和绕组形式---------单叠和单波绕组。还有复叠、复波和混合绕组。3.3直流电枢绕组二、直流电枢绕组的基本特点三、单叠绕组（单波绕组略）201234567891011121314151617181920-+1234567891011121314151617181920NSNSn①画20个槽→②放磁极→③画换向片→④连绕组→⑤定感应电动势方向→⑥放电刷元件连接次序绕组展开图和并联支路图从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；并联支路数等于磁极数（2a=2P），整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia.说明：在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中心线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此时电刷的位置，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。P67：3-23.4直流磁场和电枢反应空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。忽略铁磁材料磁阻时，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气隙空载时主磁极磁通分布空载时，气隙磁通Φ0与空载磁动势Ff0或空载励磁电流If0的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如下图所示。一般直流电机额定运行时，额定磁通ΦN

设定在图中A点几何中心线o空载气隙磁场电枢磁场负载时合成磁场Fad去磁作用Fad磁化作用NSNS绕组展开图和并联支路图3.5电枢感应电势、电磁转矩、电压平衡方程和功率方程3.5电枢感应电势、电磁转矩、电压平衡方程和功率方程例

已知一台四极直流电动机额定功率为100kW，额定电压为330V，额定转速为720r/min，额定效率为0.915，单波绕组，电枢总导体数为186，额定每极磁通为6.98×10-2Wb，求额定电磁转矩是多少？ee他励直流发电机功率流程并励直流发电机功率流程他励直流发电机功率流程他励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程他励直流电动机功率流程+-P67：3-4，3-5一．他励直流发电机的特性注意：无论是并励还是串励发电机的都要改为他励来测取，否则无法实现空载。3.6直流发电机的运行特性随着I的增加，为了抵消电枢反应的去磁作用需增加If.并励：励磁绕组两端与电枢绕组两端并联，励磁电流取自发电机本身，不需要其他直流电源供电。二、并励直流发电机的自励过程及特性1.并励直流发电机电压建立的物理过程2.建立电压的条件3.不能建立电压的原因和解决办法4.并励直流发电机的外特性他励并励5.并励直流发电机的调节特性由于并励直流发电机负载电流增大时电压下降较多，为维持电压恒定所需增加的励磁电流也就较大，所以调节特性上翘程度超过他励，

并励直流发电机的调节特性他励

并励结论：并励不需要别的励磁电流用途更广一些。三、串励直流发电机的外特性结论：串励直流发电机的端电压随负载变化很大，不适于恒压系统。实用价值小，有时用于特殊线路中作升压机。积复励=并励+串励①平复励——在额定负载时，串励补偿了因负载引起的电压降

∴U0=满载电压②过复励——串场太强，使U0＞满载电压③欠复励——串场太弱，使U0＜满载电压差复励=并励—串励，即：串励起去磁作用，使端电压随I增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机四、复励直流发电机的外特性3.7直流电动机的运行特性一、他（并）励直流电动机的工作特性一、他（并）励直流电动机的工作特性由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速（1）固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。当T=TN时，n=nN，此点为电动机额定工作点，转速差Δn=n0-nN，为额定转速差。当n=0时，即电动机起动时，电磁转矩T=Tst，称为起动转矩。a.电枢串电阻时的人为机械特性保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性特点：1）不变，变大；

2）越大，特性越软。（2）人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性直线。b.降低电枢电压时的人为机械特性保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：1)

随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。

因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。c.减弱励磁磁通时的人为特性保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：特点：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大注：他（并）励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。3.机械特性求取（1）固有特性的求取已知，求两点:1）理想空载点和额定运行。具体步骤：1）估算2）计算3）计算理想空载点：4）计算额定工作点：（2）人为特性的求取在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得到人为机械特性方程式。二、串励直流电动机的工作特性串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机相似。串励直流电动机不能空载，否则“飞速”特点：1）起动转矩大与过载能力强；2）恒功率特性，充分利用电动机和电源。3）牛马特性：适用于牵引，如电力机车、电车等一类牵引机械。复励直流电动机

三、复励直流电动机的机械特性复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险，复励电动机的转速特性如