电机与拖动-第2章直流电机原理

第2章直流电机原理2.1直流电机的结构和基本原理2.2直流电机的电枢绕组和磁场

2.3直流电机的感应电动势和电磁转矩2.4直流电动机运行原理2.5直流发电机运行原理2.1直流电机的结构和基本原理2.1.1直流电机的结构2023/2/52直流电机结构图端盖

端盖磁轭主磁极励磁绕组

电枢铁心电枢绕组换向器电刷装置轴轴承风扇换向极绕组换向磁极2023/2/531.定子(stator)产生磁场和作电机的机械支撑2023/2/54主磁极机座主磁极铁心励磁绕组绝缘框架电枢铁心螺栓机座换向极主磁极主磁极和机座2023/2/55换向极和电刷换向极绕组换向极铁心铜丝辫压紧弹簧电刷刷握2023/2/562.转子(rotor)

(电枢armature)电枢铁心和绕组换向器转轴和风扇2023/2/572.1.2直流电机工作原理电动机工作原理

NSAX＋U－iaiaffTemNS－U＋XAiaiaffTem线圈边中电流不改变方向，则平均Tem=0。2023/2/58电动机工作原理

NSAXB1B2换向片电刷＋U－iaiaffTemNS＋U－XB1B2AiaiaffTem电刷和换向片的作用是什么？

线圈边切割磁力线会产生什么？

eaeaeaea2023/2/59有磁场，电源通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电。根据电磁力定律，直流电动机电枢绕组产生电磁力矩，驱动机械负载。同时，根据电磁感应定律，电枢绕组内部也产生感应电势——反电动势。输入的直流电能克服反电动势，通过气隙磁场做功，电能转换成机械能。2023/2/510直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载旋转克服反电动势做功电动机的电磁关系外加电源电刷和换向器电枢绕组内部气隙磁场转子2023/2/511NST1AXeaeaB2B1－Ea＋B1XANST1B2eaea－Ea＋电刷和换向片的作用是什么？

载流导体在磁场中会产生什么？

ffff直流发电机

2023/2/512原动机拖动转子旋转，根据电磁感应定律，直流发电机电枢绕组产生感应电势，同时，根据电磁力定律，旋转的电枢绕组切割磁场，也产生电磁转矩——与旋转方向相反。2023/2/513气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形0Bt

23AX0eXAtNS0πAX×

+e－0eB1B2t2023/2/514每极下有3个串联线圈时的电动势波形0et

2

3

在直流发电机中，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。2023/2/515电磁关系输出直流电换向原动机感应电动势和电流电磁转矩

(阻转矩)做功气隙磁场电枢绕组内部机械能电刷和换向器转子2023/2/5162.1.3直流电机额定值1.铭牌直流电动机型号Z3－95产品编号7001结构类型励磁方式他励功率30kW励磁电压220V电压220V工作方式连续电流160.5A绝缘等级定子B转子B转速750r/min重量685kg标准编号JB1104－68出厂日期年月2023/2/517额定电压UN(V)

发电机的UN

：指输出电压的额定值。电动机的UN

：指输入电压的额定值。额定电流IN(A)

发电机的

IN

：指输出电流的额定值。电动机的IN

：指输入电流的额定值。额定功率PN(kW)

发电机的PN

：指输出电功率的额定值。

电动机的PN

：指输出机械功率的额定值。额定转速nN(r/min)2.额定值2023/2/518额定励磁电压UfN(V)额定励磁电流IfN(A)※

额定状态

：指U、I、P、n均为额定值的状态。※满载状态

：

指I=IN的状态。[例2－1]一台Z2型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW，N＝90％，求该发电机的额定电流和额定输入功率[例2－2]一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，N＝84％，求该电动机的额定电流和额定输入功率2023/2/519

Z2系列是普通中小型直流电机。ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。2.直流电机的型号和系列国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表示短铁心）。2023/2/5202.2电机的电枢绕组和磁场2.2.1直流电机电枢绕组1.绕组的基本概念单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。(1)元件是构成电枢绕组的基本单元，其两端分别与两片换向片相连的单匝或多匝线圈。

后端接上元件边前端接下元件边2023/2/521(2)叠绕组和波绕组

叠绕元件波绕元件元件边(有效边)匝数为1的是单匝元件，匝数大于1的是多匝元件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边。将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Z等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：Z=uQ=Qu，Qu为虚槽数。2023/2/522(3)节距

各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距表示2023/2/523第一节距y1指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其表达式为：式中ε为把y1凑整的小于1的分数。当ε=0，y1=τ（极距）称为整距元件；当ε>0称为长距元件；当ε<0称为短距元件，实际电机中采用短距元件，可节省铜。

第二节距y2指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边所跨的距离，用槽数表示。2023/2/524合成节距y指直接串联的两个元件的对应边所跨的距离。换相器节距yk指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间所跨的距离，用换相片数表示。(4)极距相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，记作

，一般用槽数表示，即有：=Z2p

电枢总槽数主磁极极对数2023/2/5252.单叠绕组连接

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。[例2－3]以总元件数为6的电机为例，说明单叠绕组的联接。设S（元件数）=K（换相片数）=Z（槽数）=6，u=1，2p=2，则合成节距y=1，极距τ=第一节距y1=3，换相器节距yk=1（右行绕），第二节距y2=y1-y=3-1=2，上述数据所表示的实际电机绕组安放如图。

2023/2/5262023/2/527展开图虽然能反应电枢绕组联接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。无论电机有多少对磁极都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。

2023/2/528电动机发电机eeeeeeee＋－EA1

2

3

48

7

6

5BIa结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。1

2

3

48

7

6

5AB＋－IaeeeeeeeeE电枢电流支路电流并联支路对数a

一个串联支路上的导体数

N为电枢的全部导体数2023/2/529MM2.2.2直流电机的励磁方式IfIa他励并励串励复励1.直流电动机按励磁方式分类IIfIaUaUfU

MMU

IIaUIIfIfIa2023/2/5302.直流发电机按励磁方式分类GIUfUaIfIa分为他励和自励。GIIaU

IfGIaIfIU

GIaU

IfI他励串励（自励）并励（自励）复励（自励）2023/2/5312.2.3直流电机的磁场1.空载磁场

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。直流电机空载时，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。2023/2/532气隙电枢齿转子铁心轭主磁极铁心定子铁心轭主磁通漏磁通主磁通漏磁通主磁通产生感应电动势和电磁转矩主磁通和漏磁通2023/2/533

Bav0BBBm产生主磁通时整个闭合磁路所需的磁通势为磁感应强度B的分布2023/2/534电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定气隙线abc

磁化曲线磁感应强度B的分布I00I0较小时铁心不饱和，磁通势主要作用在气隙上。I0较大时铁心饱和，励磁电流与磁通是非线性关系。2023/2/5352.负载时的电枢磁动势几何中性线直轴d交轴qFa22OxxFa(x)Ba(x)直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中由电枢电流Ia产生电枢磁动势Fa。2023/2/5363.电枢反应

当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁动势。电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。把电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为电枢反应(thearmaturereaction)。当电刷位于几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移,当磁路饱和时有祛磁作用。直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。2023/2/537Ba

22OxNSB0B

※

将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为零的点连接成的直线——物理中性线。NS几何中性线物理中性线2023/2/5382.3直流电机的感应电势和电磁转矩2.3.1直流电机的感应电动势1.感应电动势的产生B电枢旋转n磁场ex→ex

→Ea2.感应电动势的大小(1)每根导体的感应电动势

ex

=Bxlv※

Bx——导体所在处的气隙磁密。

l——导体的有效长度。

v——导体切割磁场线的线速度。2023/2/539=npN60a(2)电枢电动势的大小

设电枢总导体数为N，则每条支路的导体为，故v=n2R60=n2p60N2aEa=ex1N/2a

=

Bxlv1N/2a

=lv

Bx1N/2a

BBav平均气隙磁密=lvBavN2a=ln

2p

60

lN2a=Cen每极下的磁通2023/2/540

E=Cen

※

Ce

——电动势常数。单位：Wb单位：r/min(V)3.感应电动势的方向和性质

方向：由

和n共同决定。

性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。2023/2/5411.电磁转矩的产生电枢电流ia

磁场f→Tem

2.电磁转矩的大小设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为

fav

=Bavlia※

ia——导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转矩为

Tav=

fav=

BavliaD

2D

22.3.2直流电机的电磁转矩

2023/2/542电枢直径为：

电枢电流与支路电流的关系为：则D=2p

ia=Ia

2aTem=

NTav=N

BavliaD

2=Nl

lIa

2ap

=IapN2a(N·m)

Tem=CTIa

※

CT

——转矩常数。单位：Wb单位：A2023/2/5433.电磁转矩的方向和性质

方向：由

和Ia共同决定。

性质：发电机为制动转矩，Tem

与n方向相反。电动机为拖动转矩，Tem

与n方向相同。4.电动势常数和转矩常数的关系，CT=pN2aCe=pN60a因为则问题如何使他励、并励、串励直流电动机反转？2023/2/5442.4.1基本方程式(以他励电机为例)TemTL=T0+T2IfIaEaMGU+-+-Ufn1.电压方程电枢回路电压

U=Ea+IaRa励磁回路电压2.

转矩方程电磁转矩转矩平衡方程Tem=T2+T0输出转矩空载转矩稳定运行时T2+T0=TL2.4直流电动机运行原理2023/2/5453.功率(1)输入功率电压平衡方程

U=Ea+IaRa等式两边同时乘以电源电流I(他励电机的I＝Ia)(2)电磁功率2023/2/546(3)输出功率根据转矩平衡方程等式两边同时乘以空载损耗铁损耗机械损耗(4)总损耗附加损耗(5)效率2023/2/547(6)功率流程图P1pCuPemp0P2当忽略空载损耗不计，Tem=TL，电动机的电枢电流由负载转矩TL和磁通决定电枢电流2023/2/5482.4.2直流电动机的工作特性

电动机的转速n、电磁转矩T、效率与输出功率P2或（Ia）的关系叫工作特性。1.他(并励)电动机(1)转速特性：n=f(Ia）①研究条件：U=UN,If=IfN②数学表达式U=Ea+IaRa且Ea=CennIa0n0IaNnN③转速变化率他、并励电机n=（2~8）%当Ia

时，n下降不多(硬特性)。2023/2/549励磁电路断电的后果当If=0，

=r

很小，n不能突变→Ea

很小

→Tem=

CTrIa

仍有一定数值。

→

Ia

①若Tem

＞TL→n

(飞车)②若Tem＜TL→n

→n=0(闷车)(2)转矩特性：Tem=f(Ia）研究条件：U=UN，If=IfNOTemIa

①若不计磁路饱和，则Tem∝Ia；②若计及磁路饱和，则

Tem随着

Ia的增加略有下降。2023/2/550(3)效率特性：=f(P2）研究条件：U=UN，If=IfNIa0PCu－可变损耗；p0－不变损耗；当它们相等时效率最大

2023/2/551【例2－4】

已知某并励直流电动机，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,电枢电阻Ra=0.18，励磁电阻Rf＝628。试求：(1)CeN、CTN

；(2)电磁转矩Tem；(3)额定输出转矩T2；(4)空载转矩T0；(5)理想空载转速n0与实际空载转速n0。解：(1)2023/2/5522023/2/5532.串励电动机特点是I=If=Ia，主磁通随负载电流Ia的变化而变化。MU

IUf

IfUa

Ia(1)转速特性n=f(Ia)电机空载或轻载运行，Tem=0If=Ia≈0(很小)串励直流电动机绝对不允许空载或轻载运行2023/2/554他励电动机的与Ia无关，而串励电动机If=Ia，

与Ia符合磁化曲线关系.轻载时Ia较小，转速与电枢电流是非线性关系nIa0双曲线重载时Ia=If

较大，近似不变转速与电枢电流是线性关系直线当Ia

时，n下降较多(软特性)。2023/2/555(2)转矩特性Tem=f(Ia)根据Tem=CTIa轻载时=kIa抛物线TIa0重载时=常数直线串励直流电动机适用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较大起动转矩及过载能力的生产机械上。2023/2/5563.复励电动机M＋-UIIaIf串励励磁绕组匝数少，导线粗，电阻小并励励磁绕组，匝数多，导线细，电阻大两个励磁绕组磁通势方向相同称为积复励电动机两个励磁绕组磁通势方向相反称为差复励电动机nIa0并励串励复励复励电动机的起动转矩和过载能力大，可以在空载和轻载状态下运行。2023/2/557GIUIfIaUf励磁Uf→If→

Ea→n原动机→电枢→U1.电压平衡方程Uf=

RfIf

U

=

Ea－RaIa

E调节Rf

→If

可调→

可调

→Ea

可调→U可调。2.转矩平衡方程

T1=

Tem＋T02.5直流发电机运行原理2.5.1基本方程式(以他励电机为例)2023/2/558

当发电机P2增加时，输出电流Ia增大、Tem增大，必须加大外力矩T1才能维持正常运转。当发电机空载运行时，其转子的阻转矩只有T0。转矩平衡方程：T1=T0。当发电机负载运行时，其转子的阻（制动）转矩有T0和电磁转矩Tem。转矩平衡方程为：

发电机必须有外力矩T1，才能维持正常运转。其中：2023/2/5593.功率平衡方程T1

=

Tem

＋T0

P1=

Pem＋P0Pem=

EaIaPem=

P2＋pCuap0=

pFe＋pm＋pad=UaIa＋RaIa2输入功率P1：电磁功率Pem

：

空载损耗P0:P1pm+padpFePempCuaP2※外力矩为了克服制动转矩（Tem和T0）提供机械力矩（功率）；并部分转换成了电磁功率传给了电枢。2023/2/5602.5.2直流发电机运行特性

直流发电机中，物理量U（端电压）、Ia（电枢电流）、If（励磁电流）两两间的关系称为发电机运行特性。1.他励发电机(1)空载特性U0=f(If)

当n=nN且Ia=0时，U0与If关系也等于E0与If关系，即

E0=f(If)OIfU0当励磁电流为零时的电压是什么电压？Er剩磁感应电动势2023/2/561(2)外特性U=f(Ia)当If=IfN，n=nN时，U与Ia的关系曲线下降原因：U=Ea-IaRa电枢反应去磁，使Ea减小内阻Ra有压降(主要)电压变化的程度用U表示，称为电压变化率※他励电机ΔU=(5~10)%OIa

UU0UNIN2023/2/562当n

=nN，U=UN时：

If=f(Ia)OIIf

IfNIaN（3）调节特性（4）效率特性

=×100%P2P1※小型发电机：N=70%~90%

中大型发电机：N=91%~96%当n

=nN，U=UN时：

=f(P2)2023/2/5632.并励直流发电机的自励与外特性GIIaU

IfEa问题：Ea

→

？

→

Ea

？

(1)并励直流发电机的自励

主磁极必须有剩磁r

r→Er→Ifr→

与r方向相同→Ea＞Er与r方向相反→Ea＜Er励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向r→Er→Ifr→Ea＞Er→