第2章 直流电机

电机学第2章直流电机2.1直流电机的工作原理和基本结构

2.2直流电枢绕组

2.3空载和负载时直流电机内的磁场

2.4电枢的感应电动势和电磁转矩

2.5直流发电机的运行

2.6直流电动机的运行2.7直流电动机的起动和调速

2.8换向和火花Page3提问什么是直流电机？有什么作用？

作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设备。把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机，把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。直流电机是将直流电能转换为机械能或将机械能转换为直流电能的一种装置。2.1直流电机的工作原理和基本结构1.直流电机的工作原理

2.直流电机的基本结构

3.励磁方式

4.直流电机的额定值1.直流电机的工作原理图2-1两极直流电机模型

a)ωt=0时b)ωt=180°时直流电机的组成——定子、转子、气隙。Page6a）wt=0°时，A端⊙X端⊕b）wt=180°时，A端⊙X端⊕电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图直流发电机工作原理

给励磁绕组通入直流电，将在固定的主磁极呈现上为N极、下为S极。N和S极之间是电枢，电枢铁心上安放着由A和X两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（A）和末端（X）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上，换向片形成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，且与转轴绝缘。

直流电机的组成——定子、转子、气隙。换向片上安放着一对固定不动的电刷B1和B2，电刷能与外电路联接。固定不动的部分（主磁极、电刷等）被称为定子，随转轴转动的部分（线圈、电枢铁心、换向器等）被称为转子（又称电枢）。Page7a）wt=0°时，A端⊙X端⊕b）wt=180°时，A端⊙X端⊕电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图直流发电机工作原理

磁极N和S所产生气隙磁通密度沿空间分布如图所示。定、转子之间有一空隙，称为气隙。图气隙磁通密度分布和线圈AX感应电动势直流电机的组成——定子、转子、气隙。当原动机拖动电枢逆时针方向旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电动势。Page8a）wt=0°时，A端⊙X端⊕b）wt=180°时，A端⊙X端⊕电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图直流发电机工作原理

直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。直流发电机的工作原理

当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。直流发电机的工作原理

当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。

与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,电刷A的极性总是正的，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。

导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。直流发电机的工作原理发电机工作时，N极下导体电动势指向纸外，电刷B1总为“+”；S极下导体电动势指向纸内，电刷B2总为“－”，不难看出，线圈中的电动势是交流的，而通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流的，如图所示。Page11a）wt=0°时，A端⊙X端⊕b）wt=180°时，A端⊙X端⊕电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图直流发电机工作原理

图

电刷B1B2间的电动势

直流发电机的工作原理换向器和电刷的共同作用：①将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；②把转动的电路与外面不转的电路联接。Page12a）wt=0°时，A端⊙X端⊕b）wt=180°时，A端⊙X端⊕电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图

直流发电机工作原理

图

电刷B1B2间的电动势

从刷间电动势波形看，脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，可获得所需的直流电。直流发电机的工作原理NS课堂练习：判别图中发电机的电动势的方向？NS－E＋－E＋输出直流电换向原动机感应电动势、电流Φ电磁转矩（阻转矩）做功

电磁关系1.直流电机的工作原理图2-2两极电机的气隙磁场分布磁极N和S所产生气隙磁通密度沿空间分布如图所示。1.直流电机的工作原理图2-3电枢线圈的电动势和电刷B1B2间的电动势

a)线圈电动势b)电刷间的电动势线圈中的电动势是交流的，而通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流的，如图所示。如图所示，将直流电加到电刷上（B1为+、B2为－），线圈AX上就有电流通过（A端⊕、X端☉），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为f=Bxli

，式中，i为流过导体的电流（A），方向由左手定则确定。

Page16展开左手使大拇指与四指呈90°，当磁力线指向手心时，四指的指向则为导体中电流的方向，大拇指指向为导体受力方向；f的单位为N。

图

直流电动机的工作原理换向器和电刷的共同作用：①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；②把外面不转的电路与转动的电路连接起来。直流电动机的工作原理

在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。直流电动机的工作原理

原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。

与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。

当电枢旋转到右图所示位置时直流电动机的工作原理图2-4通过电刷和换向器，把外部通入的直流电流变成线圈内的交变电流

a)ωt=0°时b)ωt=180°时直流电动机的工作原理

把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。

直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理示意图:直流电动机的工作原理NS－U＋NS＋U－课堂练习：判别图中电动机转动的方向?NSNS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片课堂练习：判别图中电动机转动的方向?直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载Φ旋转克服反电动势做功

电磁关系直流电动机的工作原理脉动的减小上述模型电机，由于电枢上只装有一个线圈，电枢绕组的感应电动势和作用在电枢上的电磁转矩，其脉动性很大。为减小脉动，实际的电枢绕组是由嵌装在电枢槽内的多个位于不同角度的线圈串联组成。图2-5电枢上装有6个线圈

(11′到66′)的情况2.直流电机的基本结构图2-7直流电机剖面图直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动部分，又称电枢）。2.直流电机的基本结构小型直流电机的剖面图Page28主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置定子

转子(电枢)直流电机励磁磁场电动势、电磁转矩直流电机的主要结构磁路电路Page29直流电机的主要结构定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。（1）定子

主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，铁心用1~1.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列，如图所示。

换向极也由铁心和绕组组成，铁心一般由整块钢组成，安放在相邻两主磁极之间，作用是改善电机的换向。图

主磁极与换向极示意图

电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。

图

电刷装置

Page30直流电机的主要结构转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。（2）转子（电枢）Page31直流电机的主要结构

电枢铁心一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时又是电机主磁路的一部分。

电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。

换向器由许多相互绝缘的换向片组成，如图所示，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。换向片与换向器

Page32直流电机的主要结构为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，也是主磁路的一部分。（3）气隙

2.直流电机的基本结构2.直流电机的基本结构2.直流电机的基本结构图2-8主磁极2.直流电机的基本结构37主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）主磁极由钢板冲片叠压而成励磁绕组套在主磁极极身上极靴2.直流电机的基本结构2.直流电机的基本结构2.直流电机的基本结构2.直流电机的基本结构图2-9电枢铁心2.直流电机的基本结构图2-10电枢线圈2.直流电机的基本结构图2-12换向器换向器2.直流电机的基本结构2.直流电机的基本结构图2-13电刷装置3.励磁方式图2-14直流电机的励磁方式

a)他励式b)并励式c)串励式d)复励式直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。图

直流电机励磁方式示意图

Page463.励磁方式1）他励。励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关，如永磁直流电机也属他励。2）并励。励磁绕组与电枢绕组并联，如图所示。3）串励。励磁绕组与电枢绕组串联，如图所示。图直流电机励磁方式示意图

Page473.励磁方式4）复励。主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组，如图所示。d）复励

若两套励磁绕组产生的磁动势是相加的，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁动势是相减的，则称差复励，如图所示。实际应用中常用积复励。a）积复励b）差复励图复励示意图Page483.励磁方式4.直流电机的额定值(1)额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，用千瓦(kW)表示。

(2)额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以伏(V)表示。

(3)额定电流IN指电机在额定电压下运行、输出功率为额定功率时，电机的线电流，以安(A)表示。

(4)额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以转/分(r/min)表示。Page50为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示。直流电机的铭牌数据及主要系列直流电机的铭牌数据及主要系列额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.直流电机的铭牌数据及主要系列在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。

电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；电机的运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。本讲小结：

直流电机的工作原理和基本结构作业：

P45

2-12-22-3本讲小结和作业直流电机的工作原理直流电机的基本结构上一讲内容回顾2.2直流电枢绕组1.电枢绕组的构成和绕组的节距2.单叠绕组3.单波绕组a）单叠b）单波单匝元件示意图

a）单叠b）单波两匝元件示意图直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、复叠、复波、复合绕组等，其基本形式是单叠绕组和单波绕组。

直流电枢绕组两匝元件1.电枢绕组的构成和绕组的节距元件组成绕组的基本单元（线圈）称为元·件·。一个元件由两条元件边和前、后端接线连接组成，如图2-15所示。元件边(元件的直线部分)置于电枢槽内，能“切割”主极磁场并产生感应电动势，故称为有·效·边·；两端的端部连接线在电枢铁心以外，不“切割”主磁场，故不产生感应电动势，仅起连接线作用。元件可以是单匝，也可以是多匝。图2-15电枢绕组的元件1.电枢绕组的构成和绕组的节距元件的首末端：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。1.电枢绕组的构成和绕组的节距双层绕组：元件的一个有效边置放在槽的上层，另一个有效边置放在隔开几个槽的下层，构成双层绕组。元件的首端和尾端依次连接到同一个换向片上。通过换向片，直流电枢绕组应当形成一个连续的闭合回路。图2-15电枢绕组的元件1.电枢绕组的构成和绕组的节距1.电枢绕组的构成和绕组的节距虚槽多数直流电枢中，每槽中包含u个元件，这u个元件外面包上绝缘后就构成一个线·圈·，如图2-16所示(图中u=2)。由于线圈数与电枢的槽数相等，所以元件数S应为电枢槽数Q的u倍，即S=uQ(2-3)式中，u为槽内每层置放的元件数。为使画绕组图时元件数与槽数形成“一与一”的对应关系，常常人为地把一个槽划分成u个“虚槽”，每个虚槽内置有一个上层边和一个下层边(例如在图2-16中把一个槽分成2个虚槽)。引入虚槽后·，虚槽数Qu就等于元件数S·。Page62

u=2示意图由于工艺等方面的原因，有时电枢不宜开太多的槽，在一个实际的槽中，上、下层嵌放多个（设为u个）元件边，通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数S等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，如图所示，则有S=uQ=Qu，Qu为虚槽数。

1.电枢绕组的构成和绕组的节距Page63式中，p为主磁极的极对数，S为总元件数。

1.电枢绕组的构成和绕组的节距极距一个主磁极在电枢表面所跨的距离称为极距，用τ表示。极距既可以用长度来表示，也可以用虚槽数来表示。若电机的极对数为p，则用虚槽数表示时，1.电枢绕组的构成和绕组的节距图2-16含有2个元件的线圈图2-17叠绕元件的连接1.电枢绕组的构成和绕组的节距叠绕组：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。图2-18波绕元件的连接1.电枢绕组的构成和绕组的节距波绕组：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。第一节距元件的两条有效边在电枢表面所跨的距离(即线圈的宽度)称为第一节距。第一节距也称为线圈节距，用y1表示，如图2-17和图2-18所示。第一节距通常用所跨过的虚槽数来表示，此时它是一个整数。1.电枢绕组的构成和绕组的节距各种绕组的连接规律取决于它们的节距。有关节距的意义如下。合成节距

相串联的两个元件，其对应元件边在电枢表面所跨过的距离，称为合·成·节·距·，用y表示。y也用虚槽数来计算。元件的连接次序和连接规律就取决于合成节距。换向器节距同一个元件的两个出线端所连接的两个换向片，在换向器上所跨的距离，称为换向器节距，用yc表示。yc用换向片数来计算。1.电枢绕组的构成和绕组的节距第二节距：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1.电枢绕组的构成和绕组的节距1.电枢绕组的构成和绕组的节距2.单叠绕组2.单叠绕组图2-19单叠绕组展开图(2p=4,S=K==16)

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：

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。2.单叠绕组2.单叠绕组单叠绕组的展开图2.单叠绕组绕组展开图1123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－2.单叠绕组1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－一个换向片连接一个元件的上边和另一个元件的下边，其编号和上边所在的元件号相同2.单叠绕组NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2

单叠绕组的展开图※并联支路对数：a=2。※电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2n36'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'122.单叠绕组

单叠绕组的展开图NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※

电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线2.单叠绕组NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2

单叠绕组元件连接顺序※并联支路对数：a=2。※电刷的中心线对着磁极的中心线。n2.单叠绕组根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图: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。2.单叠绕组Page82单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。其特点：①支路对数a等于极对数p，同时还等于电刷对数b，即a=p=b；②电枢电流Ia等于各支路电流ia之和，即Ia=2aia。2.单叠绕组图2-20图2-19所示瞬间电枢绕组的电路图3.单波绕组3.单波绕组图2-21单波绕组的展开图(2p=4,=S=K=15)

a)部分展开图b)全部展开图

单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。

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。3.单波绕组334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷绕组展开图3.单波绕组单叠绕组将每一个主极下的元件串成一条支路；单波绕组则是将所有相同极性下的元件串成一条支路。绕组相邻两串联的元件间的距离约为两个极距，从而形成如图的波浪形构型，称为波绕组，若将所有相同极下的元件串联后，回到原来的那个出发换向片相邻的换向片上，则称为单波绕组。3.单波绕组3.单波绕组单波绕组的并联支路图: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；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。Page91

单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点：①支路对数a等于1，与极对数p无关，即a=1；②电枢电流Ia等于2倍支路电流ia，即Ia=2ia；③为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p。3.单波绕组图2-22图2-21所示单波绕组的电路图本讲小结：直流电机的电枢绕组作业：

画出单叠绕组展开图和电路图图2-19和图2-20本讲小结和作业直流电枢绕组的基本概念单叠绕组和单波绕组上一讲内容回顾2.3空载和负载时直流电机内的磁场1.空载时直流电机内的磁场

2.负载时的电枢磁动势和电枢反应直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。

空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。Page961.空载时直流电机内的磁场1.空载时直流电机内的磁场图2-23空载时直流电机内的磁场

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，每极的励磁磁动势为：1.空载时直流电机内的磁场NS1.空载时直流电机内的磁场

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1.空载时直流电机内的磁场

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。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。1.空载时直流电机内的磁场

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。1.空载时直流电机内的磁场

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.空载时直流电机内的磁场

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。

2.负载时的电枢磁动势和电枢反应NS几何中心线NS励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中性线

电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应

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。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应

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。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应

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。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应交轴电枢反应磁场分布

物理中性线是指电机中N极与S极的分界线，此处磁场为零。

几何中性线是指电气结构上两磁极的中线。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应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。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应1、当电刷在几何中性线上时

交轴电枢反应磁场分布NS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2.负载时的电枢磁动势和电枢反应由图可知，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.负载时的电枢磁动势和电枢反应2.负载时的电枢磁动势和电枢反应(1)在主极N极的右半部分，交轴电枢磁场的方向为从电枢表面指向主极，对主极磁场起去磁作用；在N极的左半部分，交轴电枢磁场为从主极指向电枢表面，对主极磁场起增磁作用；从而使气隙磁场发生畸变，气隙磁通密度等于0的位置(称为)将偏离几何中性线。

(2)不计磁饱和时，交轴电枢磁场对主极磁场的去磁和增磁作用两者相等，因此总体而言，交轴电枢磁场既无增磁、也无去磁作用。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应(3)气隙磁场的畸变，将使前极尖下的气隙磁通密度达到较高的值，当电枢元件旋转到此位置时，元件中的感应电动势和与之相接的换向片的片间电压将显著升高，容易引起片间的“电位差火花”。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应图2-25电刷置放在几何

中性线上时的电枢磁动势和磁场2.负载时的电枢磁动势和电枢反应2.负载时的电枢磁动势和电枢反应图2-26交轴电枢反应

a)负载时的合成磁场b)空载气隙磁场和负载时气隙内的合成磁场2.负载时的电枢磁动势和电枢反应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。

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。交轴电枢磁动势——磁动势轴线与主磁极轴线垂直。直轴电枢磁动势——磁动势轴线与主磁极轴线相重合。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应电刷不在几何中性线上的电枢反应NS假设电刷从几何中性线顺电枢转向移动β角度，因为电刷是电枢表面导体电流方向的分界线，故电枢磁动势轴线也随之移动β角。β

这时电枢磁动势可分解为两个相互垂直的分量：交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。FaqFad

交轴电枢反应的性质在前面作了分析，直轴电枢反应若Fad和主磁场方向相同，起增磁作用；相反则起去磁作用。n2.负载时的电枢磁动势和电枢反应电刷从几何中性线顺电枢转向偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)所示。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应电刷从几何中性线逆电枢转向偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(b)所示。2.负载时的电枢磁动势和电枢反应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2.负载时的电枢磁动势和电枢反应图2-27电刷不在几何中性线上时，电枢磁动势的交轴和直轴分量

a)电枢磁动势b)交轴分量c)直轴分量2.负载时的电枢磁动势和电枢反应2.4电枢的感应电动势和电磁转矩1.电枢绕组的感应电动势

2.作用在电枢上的电磁转矩

3.电磁功率

4.直流电机的可逆性2.4电枢的感应电动势和电磁转矩

设电枢表面为光滑，气隙磁场bδ的分布如图2-28所示，电刷置放在几何中性线上。若电枢导体的有效长度为L，导体“切割”气隙磁场的线速度为υ，则导体感应电动势的瞬时值e=bδLυ。由于导体运动时，不同位置处的磁场是不同的，所以导体中的电动势也是时刻不同的。为计算方便，引入导体感应电动势的平均值1.电枢绕组的感应电动势图2-28气隙磁场分布和导体中的

感应电动势1.电枢绕组的感应电动势Page130直流电机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷之间引出的电动势，也称为电枢电动势，记作Ea。如果设N为电枢绕组的总导体数，a为并联支路对数，Bav为一个磁极内的平均磁通密度，l为导体的有效长度，v为导体切割磁场的速度，则电枢电动势为

式中，称为电动势常数，它是与电机结构有关的参数。

1.电枢绕组的感应电动势产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。Page131由电动势表达式Ea=CeΦn可知：①Ea∝Φn，改变Φ或n的大小，可使Ea大小发生变化，当磁通Φ单位为Wb，转速n单位为r/min，则电枢电动势Ea单位为V；②Ea方向取决于Φ和n的方向，改变Φ的方向（改变励磁电流If的方向），就可改变Ea方向。1.电枢绕组的感应电动势性质:发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).1.电枢绕组的感应电动势平均磁通密度为,电机转速为n时导体的线速度为

一根导体切割气隙磁通产生的电动势的平均值为每一条并联支路串联导体数为N/2a,则电枢绕组感应电动势为式中称为直流电机的电动势常数。公式表明电枢电动势与磁通和转速的乘积成正比。1.电枢绕组的感应电动势(1)产生

电枢旋转n

磁场Φ(2)大小

每个导体：e=BLv

导体切割磁场线的线速度：每条支路的感应电动势：Ea

e→∑e→Ea

v=nD60N/2a··

L·n

2p60ΦL=n2p60=Φn

pN

60aEa=1.电枢绕组的感应电动势CTCE=602=9.55CT

=

9.55CECT

=pN2aCE=pN60a

Ea=CEΦn

CE

电动势常数：CE=pN60a单位：Wb单位：r/min（3）方向：由Φ和n共同决定。（4）性质发电机为电源电动势；电动机为反电动势。1.电枢绕组的感应电动势2.作用在电枢上的电磁转矩Page137

设D为电枢直径，N为电枢总导体数，fav为每根导体平均所受的力，则电磁转矩为式中，称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。

由电磁转矩表达式T=CTΦIa可知：①T∝ΦIa，改变Φ或Ia的大小，可使T大小发生变化，当磁通Φ单位为Wb，电枢电流Ia单位为A，则电磁转矩T单位为N·m；②T方向取决于Φ和Ia的方向，改变Φ的方向（改变励磁电流If的方向），就可改变T的方向。

直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。

2.作用在电枢上的电磁转矩

作用在电枢上的电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质:发电机——制动(与速转方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。

可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比为电机的转矩常数，有其中2.作用在电枢上的电磁转矩电磁转矩(1)产生

电枢电流ia

磁场ΦF→T(2)大小

电磁力：

F=B

lia

：平均磁密BlB=Φl极距2.作用在电枢上的电磁转矩电磁转矩(1)产生电枢电流ia

磁场ΦF→T(2)大小

一根到他的电磁力：F=B

lia

平均磁密：

每根导线上电磁力所形成的电磁转矩：FRB=ΦlBl极距R2.作用在电枢上的电磁转矩R元件的导体中流过支路电流电枢绕组中流过电枢电流Ia

电枢绕组并联支路数：2a

总导体数：N

电枢的周长：2R=2p

电磁转矩：

T=N

·FR=N··B

li=N··

li

pΦl

p=

pN

2a

Ia

2aΦIa

pΦl

pΦl

p

pΦl

p

Ia

2a

pΦl

p

p=N··Φ

Ia

2a

pΦl

p=

pN

2aΦIa(2)大小

T=CTΦIaCT转矩常数：(3)方向由Φ和Ia

共同决定。(4)性质发电机：电动机：T与n方向相反，为制动转矩。T与n方向相同，为拖动转矩。CT=pN2a单位：Wb单位：A(N·m)电磁转矩T与每极磁通和电枢电流的乘积成正比2.作用在电枢上的电磁转矩当电枢绕组中流过电枢电流时,元件的导体中流过支路电流

一根导体所受电磁力的平均值为其对转轴产生的电磁转矩为

2.作用在电枢上的电磁转矩对于电枢绕组而言,凡是位于N极下的导体中的电流方向都相同,凡是位于S极下的导体中的电流方向都与N极下的相反,这样,电枢所有导体产生的电磁转矩方向都是相同的,因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值乘以电枢绕组总的导体数N,即2.作用在电枢上的电磁转矩根据和可得到电动势常数与转矩常数之间的关系为CT=9.55Ce

Page1452.作用在电枢上的电磁转矩3.电磁功率

电机负载运行时，电枢绕组中的感应电动势与电枢电流的乘积称为电磁功率。根据电磁功率的定义，则有3.电磁功率由动力学可知，机械功率为转矩与角速度的乘积。对直流电机而言，电磁功率为电磁转矩Tem与转子角速度Ω的乘积，它反映了直流电机机电能量转换的功率。

电磁功率表征在机械能转换为电能或电能转换为机械能的能量转换过程中的转换能量，因此它既具有电功率性质，又具有机械功率性质，这是因为就数值而言有可见，上式左边是电功率，右边是机械功率，因此电磁功率是机电能量转换的桥梁，同时具有两种功率的性质，也正因如此，才能实现机电能量转换。

3.电磁功率

上面给出了电磁功率在电气和机械两个方面的不同表达形式，它正好符合能量守恒定律。

物理意义：对于直流发电机，从原动机吸收的机械功率TmeΩ全部转化为电功率EaIa输出；而对于直流电动机，从电源吸收的电功率EaIa全部转化为机械功率TmeΩ输出。3.电磁功率3.电磁功率图2-29直流电机电枢中的能量转换

a)发电机(G)b)电动机(M)4.直流电机的可逆性

从原理上看，任何直流电机既可用作为发电机，也可用作为电动机，它们仅是直流电机的两种不同运行状态，这就是直流电机的可·逆·性·。以后可以知道，一台直流电机是作为发电机还是电动机，从原理上看，主要取决于电枢电动势Ea是大于还是小于电机的端电压U，电磁转矩Te是制动性转矩还是驱动性转矩；如果是前者就是发电机，如果是后者则是电动机。【例题】

注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。

已知某四极他励直流电动机的额定功率PN=100kW，额定电压UN=330V，额定转速nN=730r/min，额定效率hN=91.5%，额定运行时每极气隙磁通FN=6.98×10-2Wb，电机电枢绕组采用单波绕组，电枢总导体数N=186。求额定感应电动势和额定电磁转矩。解：（1）计算额定感应电动势

（2）计算额定电磁转矩

Page152极对数为p=2；

支路对数：a=1；电动势常数为

感应电动势为

电枢电流为

电磁转矩为

【例题】

注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。

已知一台永磁直流电动机的电枢电阻Ra=1.03W，当在50V直流电源供电下空载运行时，电动机转速为2100r/min，吸收电流是1.25A。试计算：（1）电动势常数Ce′（Ce′=

CeΦ）；（2）电动机的空载损耗p0；解：（1）求电动势常数Ce′（2）求空载损耗

Page153电动势常数为感应电动势为空载损耗为一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，总导体数为N=372，电枢回路总电阻为Ra=0.21W。电机接在电网电压U=220V上运行，此时转速n=1500r/min，每极磁通F=0.011Wb，空载损耗p0=566W。试求（1）电机运行在发电机还是电动机状态；（2）电磁转矩；（3）电机的输入功率；（4）效率。Page154解:(1)电机的运行状态由题意得知，并联支路数a=1，则电枢感应电动势为可见，电机运行在电动机状态。

(2)电磁转矩电枢电流为

【例题】

Page155

(3)输入功率

电磁转矩为

输入功率为

(4)效率

输出功率为

效率为

本讲小结：空载和负载时直流电机内的磁场电枢的感应电动势和电磁转矩作业：

P45

2-52-8本讲小结和作业直流电枢绕组的基本概念单叠绕组和单波绕组上一讲内容回顾2.5直流发电机的运行1.他励发电机的运行

2.他励发电机的特性

3.并励发电机的自励和外特性

4.复励发电机及其外特性1.他励发电机的运行图2-30他励发电机的空载和负载运行1.他励发电机的运行2.他励发电机的特性他励发电机的特性是指发电机的端电压U、负载电流I和励磁电流If这三个主要变量间的关系。为简单计，通常把这三个量中的某一个量保持为常值，然后找出其余两个量之间的函数关系，这样就可以得到三条特性曲线。第一条是I=常值时，U=f(If)，称为负载特性；其中I=0时，U0=f(If)，就称为空载特性。负载特性因为是恒电流特性，故很少应用，但空载特性却是十分有用的。第二条是If=常值时，U=f(I)，称为外特性。第三条是U=常值时，If=f(I)，称为调整特性。2.他励发电机的特性图2-31他励发电机的空载特性2.他励发电机的特性2.他励发电机的特性图2-32他励发电机的外特性2.他励发电机的特性2.他励发电机的特性图2-33他励发电机的调整特性2