第3章直流电机

第三章直流电机

本章概述实现电能与机械能相互转换的设备称为电机。应用旋转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机，把机械能转换为电能的旋转电机称作发电机，根据电磁原理把电能转换为机械能的旋转电机称为电动机。船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流种类电机分交流电机和直流电机。船舶电气设备与系统

2023/2/4课件直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转电器装置。直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在作为电动机使用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结构复杂，造价高和维护工作量大等。现在大多数船舶采用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如远洋捕捞船的拖网机。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要类型之一。本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。第三章直流电机本章主要讲解内容

第一节直流电机的工作原理与结构

第二节

电枢绕组的感应电势和电磁转矩

第三节

直流发电机的运行特性

第四节直流电动机的运行特性

第五节

无刷直流电动机第一节直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理1.直流电机工作原理

1）图3-1直流发电机的原理图

2）图3-2电刷间的电势2.直流电机的电枢绕组

1）图3-2电刷间的电势

2）图3-3直流电机绕组示意图

3）图3-4电枢绕组的连接电路图返回(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下图3-1直流发电机的原理图返回图3-2电刷间的电势返回图3-3直流电机绕组示意图返回B-10991011121234567834A+图3-4电枢绕组的连接电路图图3-5电刷偏离几何中性线示意图二、直流电动机的工作原理(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下图3-6直流电动机原理图三、直流电机的结构

直流电机主要由定子和转子两大部分组成。图3-7是直流电机的解体图。定子由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成，转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图3-7直流电机解体图返回图3-8换向器的结构四、直流电机的额定值

（1）额定功率（）

（2）额定电流

（3）额定电压

（4）额定转速

（5）额定励磁电压

（6）额定工作方式第二节电枢绕组的感应电势和电磁转矩

一、电枢绕组的感应电势

无论是直流发电机还是直流电动机，当它们运行时，

即电枢以一定的转速向一个方向旋转时，嵌在电枢铁

心槽内的电枢绕组便切割主磁通，产生感应电势。

图3-9表示直流电机在空载时，空气隙磁密B沿电枢圆

周分布曲线及电枢绕组电势。图中只画出绕组元件的

上层边，而电刷通过换向片与几何中性线的元件相连

返回

图3-9主磁场磁密分布曲线及电枢绕组电势当电枢旋转时，分布在电枢上的绕组元件便产生感应电势，根据电磁感应定律，距中性线x处导体的感应电势为：式中,Bx表示距离中性线x处的气隙磁密；l表示电枢绕组导体的有效长度；v表示电枢旋转的线速度。也是导体切割主磁场的线速度。正、负电刷间总的感应电势是由每个支路电势决定的，因此必须把任一瞬间构成一条支路的全部串联导体所感应的电势相加起来。若以图3-3环形绕组电机为例，设为电枢绕组总导体根数，则每条支路全部串励导体根数为N/2。总电势为:实际上，由于气隙磁密沿电枢圆周分布是梯形的，因而在一条支路中，每根导体的感应电势也随其所在位置的磁密不同而不同。为了简化计算，我们将Bx等效为平均值B，其等效磁通为。经过整理计算，其感应电势的计算公式可以表示为：二、电枢绕组的电磁转矩根据电磁力定律，无论是直流发电机还是直流电动机，当电枢绕组中流过电流时，导体便受到电磁力的作用，电磁力的方向根据左手定则确定。如图3-10所示。电磁力对于电枢轴心又形成转矩，该转矩即为电枢绕组的电磁转矩。

电磁转矩是由电磁力产生的，而电磁力与气隙中的

磁密和电枢绕组电流成正比，所以电磁转矩T正比

于电枢电流Ia及每极磁通φ，其计算公式为:三、直流电机的电磁功率电磁转矩所对应的功率称为电磁功率Pm，根据功率的计算公式和电磁感应的公式可以推导出电磁功率表达式。电磁功率Pm即可以由电磁转矩T和角速度Ω相乘而得，也可以由感应电势Ea和电枢电流Ia的乘积来求得，所以电磁功率是机械能与电能的转换环节。电磁功率的表达式为:在能量转换的过程中必然有损耗。直流电机的损耗有以下几种：机械损耗PM、铁芯损耗PFe、励磁和电枢绕组的铜损耗PCu和附加损耗(杂散损耗)PΔ等.附加损耗PΔ≈（0.5～1）％P2(P2为输出功率)。当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率P1应与输出的电功率P2和电机内部各种损相平衡.即：其功率可用流程图表示。如图3-11所示。T1为原动机输入机械转矩，U、I分别为发电机的输出电压和电流。由功率流程图可见，电磁功率Pm为输出功率P2和铜损PCu之和。当直流电动机带负载运行时，输入的电功率P1应与轴上输出的机械功率P2和电机内部的各种损耗相平衡。电磁功率为输出功率和机械损耗功率、铁损、附加损耗之和。直流电动机的功率流程图如图3-12所示图3-11直流发电机的功率流程图返回图3－12直流电动机的功率流程图第三节直流发电机的运行特性

一、直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式分他励和自励，自励包括并励、串励和复励。图3-13为直流发电机4种励磁方式的电路图。（1）他励发电机：励磁绕组电路与电枢电路无关，励磁电流取自其它的直流电源。其励磁功率约为直流电机额定功率的1～3％。（2）并励发电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流小。并励发电机的电流关系为。励磁功率约为直流电机额定功率的2～10％。返回（3）串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。因此串励绕组匝数少、导线粗、电阻极小。串励发电机的电流关系为：。（4）复励发电机：主磁极上有两个励磁绕组，其中一个和电枢回路并连（称并励绕组），另一个和电枢回路串连（称串励绕组）。当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相同时，称为积复励；当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相反时，称为差复励。复励发电机还分长复励和短复励（长复励：电枢绕组与串励绕组串励后再与并励绕组并励；短复励：电枢绕组与并励绕组并励后再与串励绕组串联）。图3-13发电机的励磁方式二、直流发电机的空载特性

当保持发电机的转速n不变，负载电流I=0时（发电机主开关处于断开状态），发电机的电枢电势（或空载电压U0）与励磁电流If之间的关系，即曲线称为空载特性。空载特性曲线如图3-14所示。空载特性曲线与磁化曲线相似，这时直流发电机的感应电势为，与励磁电流之间为磁化曲线关系。

图3-14直流发电机空载特性三、自励发电机建压条件（1）发电机必须有剩磁。若剩磁消失可用外电源充磁。（2）励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向相同。这与

并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向

有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路

的连接极性。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁电阻过

大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转

速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变

低，而无法建立起正常的电压。如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列两种方法改正：（1）改变电枢绕组与励磁绕组的相对联接；（2）改变电枢的旋转方向。注意四、直流发电机的外特性

直流发电机的外特性是指在保持额定转速和励磁回路总电阻不变的条件下，改变负载大小时，发电机的端电压随负载电流而变化的关系。

图3-16为他励和并励发电机的外特性曲线。曲线1为他励发电机，曲线2为并励发电机。

图3-17是复励发电机的外特性曲线。当供电线路较长时通常采用过复励发电机；而船舶主电源直流发电机多为平复励发电机。

图3-18给出三种励磁方式的发电机的接线图。

图3-16他激、并激发电机的

外特性曲线

图3-17复激发电机的外

特性曲线返回第四节直流电动机的运行特性按励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，直流电动机和直流发电机一样，也可分为四种：他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。由于他励和并励电动机的励磁电路都是接到外电源上，励磁电流不受电枢电流变化的影响。因此，他励和并励电动机的特性基本相同。图3-19（a）、（b）、（c）分别为并励、串励和复励电动机的接线图。图中表示串入电枢电路的起动或调速用的电阻；表示调节励磁电流的外串电阻。返回一、直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程是指电动机稳定运行时，电系统的电势平衡方程；能量转换过程中的功率平衡方程；机械系统的转矩平衡方程。直流电动机接上直流电源时，电枢绕组中流过电流，电网便向电动机输入电功率，电枢受到电磁转矩的作用而旋转起来，电动机的轴上输出机械功率。当电动机在电磁转矩T的作用下旋转时，电枢绕组切割磁场产生感应电势E，其方向与电枢电流方向相反，因此电动机的感应电势称为反电势，它将抵制电流的流入。电网要向电枢流进电路，必须克服反电势的作用，即要求电源电压,由于反电势的作用，电动机便从电网吸收电功率，通过电磁感应的作用，将一部分电功率转换为机械功率。1.电势平衡方程参照图3-19，不考虑和，根据基尔霍夫电压定律，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为：

其中，而,由于励磁电流要远远小于负载电流，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，即。或2.功率平衡方程3.转矩平衡方程

二、直流电动机的机械特性直流电动机的转速与转矩之间的关系称为直流电动机的机械特性，它表明了直流电动机在一定的条件下，转速与电磁转矩两个机械量之间的对应关系。直流电动机的自然机械特性关系式：

图3-20直流电动机的机械特性积复励直流电动机的机械特性与励磁方式有关：

(1)并(或他)励电动机：由于每极磁通、理想空载转速和系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图3-20所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大，其转速变化率仅为3％～8％，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动的生产机械。

(2)串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，从而使转速随负载的增加而迅速下降，如图3-20所示。该特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较软。当负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限度的数值，导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电动机绝对不允许空载起动及空载运行。它的软特性、起动力矩比较大，适用于起动困难的场合。三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向1．直流电机的电枢反应当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。所示

如图3-21（a）（b）、（c）所示(a)

(b)

(c)图5-4电刷位置与电枢反应2．直流电机的换向

图3-22无刷直流电动机原理框图直流电机在运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。理想的换向条件是换向时绕组中的电流及电势为零。而一般情况下，除了绕组本身原因换向绕组中感应电抗电势不为零外，电枢反应引起的气隙磁通的畸变，也使换向绕组产生感应电势。电抗电势和电枢反应电势都会阻碍电枢绕组的换向性能，导致电刷与换向片之间产生火花。为了改善换向性能，通常在定子主磁极之间放置换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。一般在负载变化较大的中、大型电机中。在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法，补偿绕组与电枢绕组串联，其作用原理与换向极相同。此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。图3-22无刷直流电动机原理框图返回第五节无刷直流电动机

无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以电子换向装置代替了一般直流电动机的机械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。返回一、无刷直流电动机的基本结构

无刷直流电动机的基本结构框图如图3-23所示，是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检测，产生信号触发开关电路中的电力电子元件使之导通或截止。电动机定子各相逐次通电产生电流，并和转子磁极主磁场相互作用产生转矩，从而控制电动机的转动。如图3-23所示，无刷直流电动机一般由下列几个部分组成。图3-23无刷直流电动机的组成框图1．电动机本体无刷直流电动机基本结构如图3-24所示。电动机本体与永磁式同步电动机（或永磁步进电动机）相似，转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体，但不带鼠笼绕组或其他启动装置，主要结构形式有两种，如图3-25（a）和（b）所示。第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢，称为凸极式；第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中，称为内嵌式或隐极式。初期永磁材料多采用铁氧体或铝