电机拖动第二章

第二章直流电机第一节直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力B

—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i

—导体中的电流(A)l

—导体的有效长度(m)1

下图为直流电动机的简化模型。N,S为固定不动的定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的转子线圈，线圈的首端a，末端d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷实现的。在定子与转子间有间隙存在，称其为气隙。

23（二）直流发电机的工作原理

用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势确是直流电动势。4

一台直流电机作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。5二、直流电机的结构直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心67（一）直流电机的静止部分1、主磁极2、换向极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座1—换向极铁心2—换向极绕组3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。8（二）直流电机的转动部分4、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心92、电枢绕组——由许多按一定规律连接的线圈组成。1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器——由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片10第二节直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：1、额定功率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、额定励磁电压UfN(V)11在额定工况下，电机出线端的平均电压发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速指轴上输出的机械功率指电刷间输出的额定电功率电动机发电机额定条件下电机所能提供的功率额定功率PN＝UNIN

PN＝UNINηN

12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指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式

此外，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；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。13例一台发电机PN=145KWUN=230VnN=1450r/minηN=90%，求输入功率P1和额定电流IN。解：14第三节直流电机的绕组一、简单的绕组

对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈

右图只是说明原理的示意图。它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。1516171819二、绕组的基本形式（一）单叠绕组单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。

元件的跨距：上层元件边与下层元件边的距离（用槽数表示）称为跨距。一般要求元件的跨距等于电机的极距。右上图中，跨距为4槽。202122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。若以a表示支路对数，P表示极对数则2a=2p2、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。23（二）单波绕组单波绕组—不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。2425直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。26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即a=1,与磁极对数P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（采用全额电刷）；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。27第四节直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式1．他励电动机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。

他励直流电动机的电枢电流和电源供给的电流相同+-282．并励电动机励磁绕组与电枢绕组并联。满足-+293．串励电动机励磁绕组与电枢绕组串联。满足-+304．复励发电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。

有并励和串励两个励磁绕组，它也分积复励和差复励两类，因为差复励电动机运行时转速不稳定，实际上不采用。+-314．复励发电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。

有并励和串励两个励磁绕组，它也分积复励和差复励两类，因为差复励电动机运行时转速不稳定，实际上不采用。+-32二、直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。33气隙中主磁场磁通密度的分布磁化曲线34三、直流电机负载时的磁场及电枢反应

当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。354个元件所产生的电枢磁动势波形电枢反应后磁动势波形1、有负载时气隙磁场发生了畸变2、电枢反应呈现去磁作用36第五节感应电动势和电磁转矩的计算一、感应电动势的计算直流电机无论作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势。大小: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).为电机的结构常数（电动势常数）其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。式中n单位为r/min，Φ单位为Wb，Ea单位为V。37其中为电机的转矩常数，有二、电磁转矩的计算性质:

发电机——制动(与转速方向相反)；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。式中Ia单位为A，Φ单位为Wb，Tem单位为N·m。38第六节直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式（一）电动势平衡方程式若电机稳态运行，对于电动机-+式中Ra——电枢电路的电阻（包括电刷与换向器的接触电阻）有的书认为Ra电枢电阻不包括电刷与换向器的接触电阻39若电机稳态运行，对于发电机I式中Ra——电枢电路的电阻（包括电刷与换向器的接触电阻）若Ra电枢电阻不包括电刷与换向器的接触电阻40（二）转矩平衡方程式电动机的电磁转矩是个驱动转矩，当电动机变速运行时其中T2为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩惯性转矩。当电动机以恒定的转速稳定运行时，对于发电机：其中T1为原动机拖动转矩。稳态运行时41+-功率平衡方程式（电动机）42功率平衡方程式（电动机）Ω电枢旋转的机械角速度+-空载损耗43功率平衡方程式（发电机）I稳态运行时输入功率为空载损耗，等于铁耗加机械损耗，称为不变损耗44功率平衡方程式（发电机）I电磁功率45二、直流电动机工作特性

直流电动机的工作特性是指、电枢回路中无外加电阻，励磁电流、电动机转速n、电磁转矩Te、和效率三者与输出功率P2之间的关系。

46（一）并励直流电动机的工作特性1.转速特性当U=UN

,If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线当负载增加时，输出功率P2增加，则输入功率UIa增加，电枢回路中的电阻压降RaIa增大，故电动机的转速n下降47（一）并励直流电动机的工作特性其中2.转矩特性当U=UN

,If=IfN时，Te=f(Ia)的关系曲线3.效率特性当U=UN

,If=IfN时，η=f(Ia)的关系曲线48（二）串励直流电动机的工作特性电动势平衡方程式电动势公式转矩平衡方程式转矩公式（其中，Rfc为串励绕组电阻，，）49（三）复励直流电动机的工作特性50[例2-1]一台他励直流电动机的额定数据为：电枢绕组的电阻电刷接触压降设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求（1）在电枢回路中突然串入电阻RΩ=0.0743Ω,求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使磁通Φ减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？解

串入电阻瞬间，因惯性惯性，转速来不及下降，因此感应电动势Ea不变。串入电阻前感应电动势Ea51（1）电枢回路中突然串入电阻RΩ最初瞬间稳态时由于负载不变，根据电磁转矩不变，解法二由电动机的额定数据：又因为根据，磁通不变，所以电枢电流等于串入电阻前的稳态电枢电流52（2）串入电阻前的稳态下的电磁转矩磁通减少为原来的0.9时稳态下的电磁转矩

总的制动转矩不变，两种情况下的电磁转矩相等53电动机的功率、转矩、转速间的关系对于旋转的物体电动机电磁转矩电动机输出转矩电动机额定输出转矩54三、直流发电机的工作特性a)他励直流发电机b)并励直流发电机c)复励直流发电机（一）空载运行1空载特性当他励直流发电机被原动机拖动，n=nN

时，励磁绕组端加上励磁电压Uf,调节励磁电流If0,得出空载特性曲线U0=f(I0)。55三、并励直流发电机

并励发电机是一种自励电机，它的励磁电流不需要由外电源供给，而是取自发电机本身，所以称“自励”。自励过程设发电机已由原动机拖动至额定转速，由于电机磁路中有一定的剩磁，在发电机的端点将会有一个不大的剩磁电压。这时把并励绕组并接到电枢上去，便有电流流过励磁绕组，产生一个励磁磁动势。励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向，使电机内的磁场得到加强，从而使电机的端电压升高。在这一较高端电压的作用下，励磁电流又进一步升高，如此反复作用，发电机的端电压便“自励”起来。562并励和复励直流发电机空载电压的建立自励电压的建立有三个条件：1）电机必须有剩磁；2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确；3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻。（二）负载运行无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在

n=nN的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。1——积复励发电机外特性；2——他励发电机外特性；3——并励发电机外特性；57如右图所示，发电机在原动机以1500r/min顺时针方向的拖动下，发出的端电压是220V。若在原动机以1500r/mi