电机与拖动基础3章

第3章直流电机原理本章主要内容1.直流电机工作原理2.直流电机的结构与型号3.直流电机的磁路4.直流电机的电枢绕组5.直流电机的电枢电动势与电磁转矩6.直流发电机的运行原理7.直流电动机的运行原理8.他励直流电动机的的机械特性9.串励和复励直流电动机10.直流电机的换向3.1直流电机的用途及基本工作原理3.1.1直流电机的用途直流发电机：机械能直流电能直流电动机：直流电能机械能直流发电机直流电动机直流电动机的优势：

1）调速范围广，易于平滑调速

2）启动、制动和过载转矩大

3）易于控制，可靠性较高。用于对调速要求高的场合。城市电车电动自行车电动汽车造纸机直流电动机应用实例3.1.2基本工作原理交流发电机的模型N、S：主磁极线圈abcd：电枢K、L：滑环A、B：电刷磁场方向N→S原动机拖动电枢逆时针旋转。n3.1.2基本工作原理直流发电机的工作原理用两个相对放置的导电片(换向片)代替交流发电机的两个滑环，电刷接触的换向片始终是相同一侧的线圈边，所以N极一侧的电刷得到的电压始终是（+），S极一侧的电刷得到的电压始终是（-）。ABabdcabdcinF’FabdcnF’Fi3.1.2

基本工作原理直流电动机的工作原理直流电源通过静止的电刷与随电枢转动的换向器的滑动接触把直流电源转换成电枢中的交流电，保证电枢转矩的方向不变，电枢保持逆时针旋转。线圈不由原动机拖动；电刷接直流电源；AB3.1.2基本工作原理直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。3.2

直流电机的主要结构与型号模型的改进：1.电枢，改用多线圈，相应换向器的改进。2.磁路，增加电枢铁芯。3.可根据需要增加磁极对数。4.改进电机的换向等。3.2直流电机的主要结构与型号3.2.1主要结构3.2.1主要结构1.定子部分直流电机由定子、转子两大部分构成。定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它主要由主磁极、机座、电刷、端盖和轴承组成。机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。1.定子部分主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，主磁极铁心用1～1.5mm厚的低碳钢板叠压铆合而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。1.定子部分电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。2.转子部分直流电机转子部分：电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2.转子部分电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。换向器：由许多换向片组成，每两个换向片中间是绝缘片。换向片数与线圈元件数相同。3.端盖：把定子和转子连为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座两端，并支撑着转子。电刷杆也固定在端盖上。3.2.2电机的铭牌数据

1．额定容量（功率）PN（kW）2．额定电压UN（V）；3．额定电流

IN（A）；4．额定转速

nN（r／min）；5．励磁方式和额定励磁电流

IfN（A）。3.2.2电机的铭牌数据额定电压UN、额定电流

IN：直流发电机，出线端输出的电压、电流的额定值；直流电动机，出线端输入的电源的电压电流的额定值；额定容量PN：对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率的额定值，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率的额定值。所以，直流发电机的额定容量为：

PN=UNIN而直流电动机的额定功率为：

PN=UNINηNηN额定效率，是电动机额定输出机械功率与电源输入电功率之比。3.2.2电机的铭牌数据电动机轴上的输出额定转矩T2N：直流电动机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态过载运行：电枢电流超过额定值欠载运行：电枢电流小于额定值例题：一台直流发电机，其额定功率PN=145kW，额定电压UN=230V，额定转速nN=1450r／min，额定效率ηN=90％，求该发电机的输入功率P1及额定电流IN各为多少?解额定输入功率额定电流例题：一台直流电动机，其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V，额定效率ηN=90％，额定转速nN=1500r／min，求该电动机的输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少?解额定输入功率额定电流或额定输出转矩3.3磁路、空载气隙磁密与磁化特性3.3.1直流电机的磁路绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的。空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。那么，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。3.3.1直流电机的磁路当励磁绕组流过励磁电流If时，每极励磁磁通势：

Ff=IfNf

漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩。约有20%的主极漏磁通。

主磁通：经过主磁极、气隙、电枢齿及电枢磁轭、定子磁轭构成磁路，它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通主磁路漏磁路3.3.2

空载时气隙磁通密度的分布波形电路欧姆定律磁路欧姆定律E+-IR1R2FΦRmRmδEFIΦRRm3.3.2

空载时气隙磁通密度的分布波形简化主磁路，根据磁路欧姆定律，磁管的磁通：Rmδ，Rmt，Rma，Rmm，Rmf分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭的磁阻。在磁路不饱和情况下，μ>>μ0

。有：3.3.2

空载时气隙磁通密度的分布波形磁管气隙段磁路的磁阻气隙处的磁密：磁极中心磁密大，两极极靴外磁密小，在两极之间的几何中心线处，磁密为零。3.3.3

空载磁化特性空载时Φ=f(Ff)或Φ=f(If)

称为直流电机的空载磁化特性。空载磁化特性具有饱和现象。0IfNIfΦΦNA在额定状态下，电机往往工作在空载磁化特性开始拐弯的A点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。3.3.4

直流电机的励磁方式直流电机按励磁方式（即获得磁通Φ的方式）可分为M他励式M并励式M串励式M复励式永磁式M3.4

直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件（线圈）以一定的规律连接起来的，Ny代表元件的匝数。一个元件不论匝数多少，只有两个引出端：首端和尾端。各元件通过换向片彼此连接，一个元件的首端和另一个元件尾端接在同一个换向片上。可见元件数S等于换向片数K。S=K绕组元件3.4

直流电机的电枢绕组实槽数Z，一个实槽中的虚槽数u，总虚槽数Ze。

Ze=uZ=S=K用z代表电枢绕组的全部导体数，则有

z=2NyuZ=2NyZe·3.4.1

单叠绕组1.节距：（1）第一节距y1：同一个元件两条边之间的距离，以虚槽数计，总是整数。（2）合成节距y和换向器节距yk

：元件1与和它相连的元件2对应边之间的跨距是y，用虚槽数表示。每个元件首、末端所连两个换向片之间的跨距是yk，用换向片数来表示。单叠绕组y=yk=1。（3）第二节距y2：连至同一个换向片的两个元件边之间的距离，用虚槽数表示。单叠绕组：

y2=y1-y2.

单叠绕组的展开图1.计算节距：y1=Ze/2p=4y＝yk＝1y2=y1-y=3计算节距画绕组展开图安放电刷和磁极极距τ：在电枢铁心表面上，一个主磁极所占的距离。用槽数表示。实例：已知一台电机的极数2P＝4，Ze＝S＝K＝16，画出它的右行单叠绕组的展开图。2.

单叠绕组的展开图161234567891011121315141415234567891011121314161511615+－++－－NSNSSττττ电枢转向A1A2B1B23.

单叠绕组元件连接次序56789101112131415161234123456789101112131415161整个绕组是一个闭合绕组上层元件边下层元件边y1yy24.

单叠绕组的并联支路图1)每个极下的元件组成一条支路,并联支路对数a等于极对数p:a=p2)正负电刷间感应电动势最大，被电刷短路的元件里感应的电动势最小。3）电刷杆数等于极数。

3.4.2

单波绕组节距1）第一节距y1：与单叠绕组相同。2）合成节距y和换向器节距yk

：y=yk3）第二节距y2：2.

单波绕组的展开图实例：2P＝4，Ze=S＝K＝15

单波绕组计算节距画绕组展开图安放电刷和磁极1.绕组数据计算2.

单波绕组的展开图2.

单波绕组的展开图从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815714613512411310291815714613512411310291512411310291815714613上层边下层边3.

单波绕组的并联支路图1815714613512411310291512411310291815714613上层边下层边单波绕组特点单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数a与极对数p多少无关，永远为1，即a＝1。

2.正负电刷间感应电动势最大。3.电刷杆数等于极数。单叠绕组与单波绕组的比较在电机的极对数（大于1）、元件数以及导体截面积相同的情况下，单叠绕组并联支路数多，是单波绕组的p倍，允许较大的总电流，每个支路里的元件数少，总电势较低，适用于较低电压较大电流的电机。单波支路对数始终为1，允许的总电流较小，每个支路里含有的元件数多，是单叠绕组的p倍，总电势较高，所以适用于较高电压、较小电流的电机。3.5

电枢电动势与电磁转矩3.5.1电枢电动势电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间感应的电动势，也是电枢绕组每个支路里的感应电动势。一根导体的平均电动势：电动势常数电枢电动势：例题3-3已知一台l0kW、4极、2850r／min的直流发电机，电枢绕组是单波绕组，整个电枢总导体数为372。当发电机发出的电动势Ea=250V时，求这时气隙每极磁通量Φ。解已知这台直流电机的极对数p=2，单波绕组的并联支路对数a=1，于是可以算出系数根据感应电动势公式，气隙每极磁通Φ为3.5.2

电磁转矩一根导体所受的平均电磁力导体里流过的电流：一根导体所受的平均电磁转矩T1电枢直径：电枢总的电磁转矩Ct=9.55Ce转矩常数：例题3-4已知一台四极直流电动机额定功率为l00kW，额定电压为330V，额定转速为730r／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5.98×l0-2Wb，求额定电磁转矩。解转矩常数额定电流额定电磁转矩直流电机中的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势—输出电动势(与电枢电流同方向)电磁转矩—制动(与转速方向相反电枢电动势—反电动势(与电枢电流反方向）电磁转矩—拖动(与转速方向相同)。3.5.3

直流电机的电枢反应电枢磁通势改变气隙磁密分布及每极磁通量大小的现象称为电枢反应。τBδ如磁路不饱和，总磁通量不变。但磁路饱和时，总磁通要降低，称为去磁效应。3.6

直流发电机的运行原理3.6.1直流发电机稳态运行时的基本方程式各物理量正方向按发电机惯例EanT1T0TIaUIfUfΦ发电机惯例Ea=U+IaRaEa=CeΦnT=Ct

ΦIaT1=T+T0If=Uf/RfΦ=f(If,Ia)3.6.2

功率关系Ea=U+IaRa两端同乘IaEaIa=UIa+I2aRa=P2+pCuaP2=UIa

电动机输出给负载的电功率pCua=I2aRa总铜损耗（绕组、电刷与换向器）EaIaU3.6.2

功率关系T1=T+T0写成

P1=PM+p0P1=T1原动机输入的机械功率p0=T0=pm+pFe

空载损耗功率pm为机械摩擦损耗，pFe为铁损耗PM=T

为电磁功率PM既是机械性质又是电性质的功率，反映了机械能转换成电能的实质。3.6.2

功率关系综合功率关系：P1=PM+p0=P2+pCua+pm+pFe他励直流发电机的功率流程：p0=pm+pFepCua=Ia2RaP1=T1PM=T=EaIaP2=UIa总损耗：∑p=pm+pFe+pCua+ps杂散损耗发电机效率：解先计算额定电流励磁电流电枢绕组电流例题3-5一台额定功率PN=20kW的并励直流发电机，它的额定电压UN=230V，额定转速超nN=1500r／min，电枢回路总电阻Ra=0.156Ω

，励磁回路总电阻Rf=73.3Ω，已知机械损耗和铁损耗pm+pFe=lkW，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。(计算过程中，令P2=PN，附加损耗ps=0.01PN。)

电枢回路铜损耗励磁回路铜损耗电磁功率总损耗输入功率效率3.7直流电动机运行原理一台他励直流发电机在直流电网上并联运行，电网电压U保持不变，电机中各物理量的正方向为发电机惯例。若保持励磁电流不变，输入机械功率P1=0，由电机的功率和转矩关系而此时由于机械惯性，n

不会立即变化知T1=0T1=T+T0P1=PM+p0直流电机的可逆原理由知转速n

降低，Ea，Ia，T降低

由知Ea保持不变由知Ia保持不变因此保持不变Ea=CeΦnEa=U+IaRaT=Ct

ΦIa转速降到某一数值n0时，

，Ia=0，T=0由于存在T0，电机继续减速，n<n0

后发电机的输出功率T<0电磁转矩T

为负，与转速方向相同，不再是制动性转矩，而是拖动性转矩。当转速降低到某一数值，电磁转矩与空载转矩平衡，转速n就不再降低，维持恒速运行，这时这种状态的直流电机是电动机的运行状态。以上过程可逆。3.7

直流电动机运行原理3.7.1他励直流电动机稳态运行的基本方程式各物理量正方向按电动机惯例EanTLTIaIfUf电动机惯例UU=Ea+IaRaEa=CeΦnT=CtΦIaT=T2+T0=TLIf=Uf/Rf,

Φ=f(If,Ia)3.7.2

他励直流电动机的功率关系UIa=EaIa+I2aRa写成

P1=PM+pCuaP1=UIa电源输入的电功率PM=EaIa=P2+p0电磁功率

pCua=I2aRa电枢回路铜损耗T=T2+T0写成PM=P2+p0P2=T2转轴上输出的机械功率p0=T0=pm+

pFe空载损耗EanTLTIaIfUf电动机惯例U3.7.2

他励直流电动机的功率关系综合功率关系：P1=PM+pCua=P2+pCua+pm+pFe他励直流发电机的功率流程：p0=pm+pFepCua=Ia2RaP1=UIaPM=EaIa=T

P2=T2

总损耗：∑p=pm+pFe+pCua+ps电动机效率：3.7.3

直流电动机的工作特性转速特性当U=UN，If=IfN时，n=f(Ia)的关系。U=Ea+IaRa

UN=EaN+IaRaEaN=CeΦNn=UN－IaRa当UN，IaN，nN时的励磁电流当Ia↑，n↓。但Ra较小，n↓很小。nIan3.7.3

直流电动机的工作特性2.转矩特性当U=UN，If=IfN时，T=f(Ia)的关系。nIanT,T电磁转矩T与电枢电流Ia成正比。如果考虑电枢反应有去磁效应，随着Ia的增大，T要略微减小。3.7.3

直流电动机的工作特性3.效率特性当U=UN，If=IfN时，η=f(Ia)的关系。nIanT,T∑p中，p0=pFe+pm不随Ia变化，为不变损耗，电枢回路总铜耗pCua随Ia2成正比，是可变损耗，η=f(Ia)曲线如图所示。η，η直流电动机效率约为0.75~0.94，容量大的效率更高。令得pFe+pm=pCua=

Ia2Ra即当不变损耗等于可变损耗时，电机的效率最高。3.8

他励直流电动机的机械特性3.8.1机械特性的一般表达式EanTLTIaIfUfUR他励直流电动机的机械特性是指电动机加上一定的电压U和一定的励磁电流If

，并在电枢回路中串入电阻R，电磁转矩与转速之间的关系，即n=f(T)。电动机的机械特性是分析电动机起动、调速、制动的重要工具。3.8.1

机械特性的一般表达式机械特性n=f(T)的推导将T=CtΦIa，代入转矩特性，考虑到电枢串电阻R可得：为理想空载转速为机械特性的斜率3.8.2

固有机械特性当U=UN，Φ=ΦN

，R=0时的机械特性特点：1）n=f(T)为下斜直线，T↑，n↓；2）当T=0时，n0=UN/CeΦN为理想空载转速，此时，Ia=0，E=UN

；0nTn0nNTNTs3.8.2

固有机械特性特点：3）Ra小，斜率

很小，特性较平，称之为硬特性；（大的特性称为软特性）4）T＝TN时，∆nN=n0-nN=TN为额定转速差。nN约0.95n0，∆nN约0.05n0；5）n=0，电机启动，Ia=UN/Ra=IS，T=CtΦNIS＝TS，很大，约额定值的20倍。会烧坏换向器。以上为第一象限的情况：0<T<TS,0<n<n0,0<Ea<UN6）T>TS，n<0。在第Ⅳ象限。7）T<0，n>n0。在第Ⅱ象限，发电机状态。0nTn0nNTNTsn=0：启动电流；电磁转矩（：启动转矩）例：如果则即因此3.8.2

固有机械特性他励直流电动机固有机械特性是一条斜直线，跨越三个象限，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。固有机械特性是电动机最重要的特性，在此基础上，很容易得到电动机的人为机械特性。3.8.3

人为机械特性1.电枢回路串电阻的人为机械特性UN，ΦN，电枢回路串R后的机械特性。n0Tn0RaR1<R2Ra+R1Ra+R2固有人为特点：n0不变，R增大，⊿n增大，特性变软，一组放射形直线。若T为常数，⊿n（Ra+R）他励直流电动机的电压、励磁电流、电枢回路电阻等改变后，其对应的机械特性称为人为机械特性，主要有三种：3.8.3

人为机械特性2.改变电枢电压的人为机械特性ΦN，R=0，改变U时的机械特性。nn0T0UNn01-n0U1U=0U=-UN特点：1）斜率不变，各条特性互相平行，T一定时，Δn不变，

；2）n0与U成正比。3.8.3

人为机械特性3.减小气隙磁通量的人为