第三章直流电机的稳态分析

第三章直流电机的稳态分析直流电机是电机的主要类型之一，与交流电机相比，较复杂，成本较高，维修不便，特别是换向问题使其应用受到了限制，近年来，由于电力电子技术的发展，有被取代的趋势；但在过载要求较高，调速范围大，调速性能较好的场合仍在使用，同时在目前无刷电机的研究是一个热点。河北科技大学电气信息学院§3.1直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理1、直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力方向：左手定则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)河北科技大学电气信息学院

当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。

当线圈ab和cd中通入电流时，线圈边ab和cd上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。河北科技大学电气信息学院2、直流发电机工作原理

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端的电动势却是直流电动势。

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。直流发电机河北科技大学电气信息学院直流电机河北科技大学电气信息学院直流电机河北科技大学电气信息学院直流电机河北科技大学电气信息学院小型直流电机河北科技大学电气信息学院ZQ-76直流牵引电机河北科技大学电气信息学院ZQ-76直流牵引电机河北科技大学电气信息学院直流牵引电机河北科技大学电气信息学院二、直流电机的基本结构河北科技大学电气信息学院直流电机的结构河北科技大学电气信息学院（一）直流电机的静止部分河北科技大学电气信息学院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。

河北科技大学电气信息学院4、电刷装置

1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫直流

电机

的定

子装

配图河北科技大学电气信息学院直流电机的定子铁心和绕组河北科技大学电气信息学院河北科技大学电气信息学院（二）直流电机的转动部分1、电枢铁芯直流电机的转子河北科技大学电气信息学院小型直流

电机

的定转子河北科技大学电气信息学院2、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—连接片河北科技大学电气信息学院换向器河北科技大学电气信息学院三、励磁方式●他励●自励（并励、串励、复励）河北科技大学电气信息学院四、直流电机的额定值

在电机的铭牌上标着以下数据：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)河北科技大学电气信息学院在额定工况下，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河北科技大学电气信息学院对应于额定电压、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

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。若运行电流小于额定电流——欠载运行；长期欠载运行将造成电机浪费，若运行电流大于额定电流——过载运行。长期过载运行会缩短电机的使用寿命。河北科技大学电气信息学院§3.2直流电枢绕组

电枢绕组是直流电机的电路部分，其作用是产生足够的感应电动势或电磁转矩，并能通过一定的电枢电流。类型：叠绕组（包括单叠、复叠绕组）波绕组（包括单波、复波绕组）混合绕组–是叠绕组和波绕组的组合形式一、直流电枢绕组的构成

河北科技大学电气信息学院介绍：元件，上层边，下层边，端接部分，单层绕组，双层绕组考虑到开槽不可能太多，因此设置虚槽数，这样：元件数S=换向片数K=虚槽数Qu(=uQ)河北科技大学电气信息学院二、直流电枢绕组的节距第一节距y1

：元件中两个有效边之间的距离当y＜τ时，称为短距绕组当y＝τ时，称为整距绕组当y＞τ时，称为长距绕组第二节距y2

：第一个元件下层边与第二个元件上层边之间的距离合成节距y：两个元件对应边之间的距离

河北科技大学电气信息学院极距τ：三、单叠绕组以2p=4,s=k=Qu=16,u=1,右行为例：步骤：1、首先计算相关数据：因是叠绕组：

y=yc=1

设为整距绕组：y1=τ=Qu/2p=16/4=4y2=y1-y=4-1=32、画16条线设为16个槽河北科技大学电气信息学院对单叠绕组：y=y1–y2

对波绕组：y=y1+y2

换向器节距yc：yc=y

3、按以上计算出的规律放置绕组4、放置磁极5、放置电刷6、求并联支路对数河北科技大学电气信息学院河北科技大学电气信息学院河北科技大学电气信息学院结论：1、单叠绕组的并联支路数等于极数，即：2a=2p2、当绕组左右对称时，电刷应放置在磁极的中心线上3、端电压即为支路电压，端电流为支路电流的2a倍。4、在绕组元件数一定的情况下，并联支路数越多，端电压越低，端电流越大。反之亦然。河北科技大学电气信息学院§3.3空载和负载时直流电机的磁场一、空载时直流电机的磁场

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。主磁路路径：漏磁路路径：河北科技大学电气信息学院气隙中主磁场磁通密度的分布磁化曲线河北科技大学电气信息学院二、负载时的电枢磁动势和电枢反应

当直流电机带上负载以后，电枢绕组中的电流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。

若电刷放在几何中心上，则电枢磁动势的方向（即磁动势的轴线）总是与电枢轴线重合。通常把主磁极的轴线称为直轴。与之正交的轴线称为交轴。

河北科技大学电气信息学院1、交轴磁动势

当不考虑其他因素，且电刷放在几何中心线上时，电枢磁动势所在的位置即为交轴磁动势。

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。电枢反应后磁动势波形河北科技大学电气信息学院2、直轴磁动势

电刷从几何中心线转过β角，磁动势也随之转过β角，如图a）此时可将磁动势分成两个分量，交轴电枢磁动势（交轴电枢反应）如图b)和直轴磁动势（直轴电枢反应）如图c)。交轴电枢反应使主磁场变形和减小。直轴电枢反应使主磁场减弱或加强。··结论：1、有负载时必发生电枢反应2、电枢反应使气隙磁场发生了畸变2、电枢反应呈现去磁作用§3.4直流电机的感应电动势和电磁转矩一、电枢绕组中的感应电动势

直流电机无论作电动机，还是发电机运行，导体都要“切割”磁场，电枢内部都感应产生电动势。设电枢导体总数为Za，并联支路数为2a，则电枢电动势为：Bδ(x)互不相同，为简单计算求其平均值河北科技大学电气信息学院对制成的电机，Ce=pZa/60a为一个常数，称为电动势常数若不计饱和影响，有其中Kf

为比例常数，则代入上式得：因为其中Gaf=CTKf

；

Ω为机械角速度。河北科技大学电气信息学院其中为电机的转矩常数，不计饱和时其中Gaf=CTKf

二、直流电机的电磁转矩

电磁转矩的推导方法类似，省略，其结果为：河北科技大学电气信息学院§3.5直流电机的基本方程对于电动机:对于发电机一、电压方程1、他励电机电枢回路：I=Ia

励磁回路：河北科技大学电气信息学院2、并励直流电机对直流电动机对直流发电机3、串励直流电动机对电动机对发电机河北科技大学电气信息学院·河北科技大学电气信息学院二、转矩方程根据发电机和电动机的工作状况可知：在发电机中电磁转矩是一个制动转矩。而在电动机中，电磁转矩是一个驱动转矩。河北科技大学电气信息学院发电机电动机三、电磁功率和功率方程1、电磁功率2、功率方程（以并励电机为例）对电动机：它是能量转换过程中将电能转换成机械能或进行相反转换的的转换功率，发生在电枢电路和机械系统之间。即：由转矩方程得即：河北科技大学电气信息学院则：对并励发电机考虑到可得：河北科技大学电气信息学院四、直流电机的可逆性从原理上讲，一台直流电机既可以作为电动机使用，也可以作为发电机使用，这就是它的可逆性。但考虑到效率问题，一般情况下，直流电机只运行在某一种情况下。河北科技大学电气信息学院§3.6直流发电机的运行特性1、他励发电机的负载运行按规定的转向，用原动机将发电机拖动到规定的转速，给励磁并调整到额定励磁。

Q打开时，为空载运行，原动机只需克服自身的空载转矩T0即可。

Q闭合后，由于产生电流，电枢将受到制动性的电磁转矩Te的作用，是原动机的转速下降，此时原动机必须输入更大的转矩T1，使T1与T0+Te平衡，使机组重新恢复额定转速。电磁方面，当电枢有电流后，便产生了电磁功率EaIa，它是由机械功率转换而来，欲保持电功率的输出，就应不断地向发电机输入机械功率。河北科技大学电气信息学院二、他励发电机的运行特性河北科技大学电气信息学院是指发电机的端电压U、负载电流I、和励磁电流If这三个主要量之间的关系.1、外特性当n=nN=常数，If=常数时，接线图如右图可见为一条向下倾斜的直线河北科技大学电气信息学院为衡量下降的大小，引入电压调整率.他励：△u=5～10%，并励：△u=30%左右

他励发电机短路电流可达额定电流的二三十倍，故不允许短路2、调整特性当n=nN=常数，U=UN=常数时，河北科技大学电气信息学院这是因为当If增大时，使Ea增大，以抵消IaRa的下降，才能保持U不变。3、效率特性当n=nN=常数，U=UN=常数时，小型：η=70～90%中、大型：η=90～96%河北科技大学电气信息学院二、并励直流发电机的自励和外特性1、并励发电机的自励自励过程河北科技大学电气信息学院.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。2、外特性△u比他励发电机大的原因由可知：1)Ia增大时，IaRa增大，使U下降，2）Ia增大时，电枢反应加强，φ减小，使Ea下降，U下降3）U下降时，If减小，φ减小，使Ea下降，U进一步下降河北科技大学电气信息学院外特性出现“拐弯”可从来解释，当RL减小时，I增大；Ia也增大，由上面分析可知U减小，当U减小到一定程度时，磁路将退出饱和，此时若RL再减小，端电压的下降程度要大于Ra的减小程度，从而造成I不但不增大，反而减小。拐点的电枢电流约为（2～3）IN由于并励发电机的短路电流较小，因此允许短路。河北科技大学电气信息学院三、复励电动机的运行特性根据励磁方式可分为过复励、平复励、欠复励，其接线图和外特性如下图河北科技大学电气信息学院§3.7直流电动机的运行特性一、并励电动机的负载运行见课本P100二、并励电动机的运行特性

1、工作特性1）转速特性当U=UN

,If=IfN时，n=f(Ia)河北科技大学电气信息学院..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)的关系曲线河北科技大学电气信息学院·2、机械特性二、串励直流电动机的特性特性从电压方程当时结合得：1、转矩-转速方程这种特性称为软特性，不允许空载运行，因会“飞车”，特别适合于电钻、挖掘机类重负载河北科技大学电气信息学院2、工作特性1、转速特性U=UN时，n=f(Ia)或n=f(P2)的曲线上式表明：转速和电流之间的关系近似成双曲线的关系3、转矩特性U=UN时，Te=f(Ia)或Te=f(P2)的曲线河北科技大学电气信息学院三、复励直流电动机的运行特性1、以并励为主2、以串励为主3、串励河北科技大学电气信息学院§3.8直流电动机的起动、调速和制动

起动要求

①尽可能晓得起动电流IST

②尽可能大的起动转矩TST1、直接起动起动瞬间：n=0，E=0，

IST=UaRa=(10~20)IN——换向决不允许!T

=

TST=CTΦIST=(10~20)TN2、降低电枢电压起动需要可调直流电源。一、直流电机的起动河北科技大学电气信息学院3、电枢回路串电阻起动Ra

的估算公式Rａ

=UaN－

IaN

PNIaN可通过起动变阻器来完成，如图RST=Ua

IST－Ra

最大起动电阻为河北科技大学电气信息学院二、直流电机的速度调节由可知：1）电枢回路串电阻调速由上式可知：Ra越大，n越低。2）改变电源电压调速可见，U变化时，n发生变化。特性见右图对并励或他励电动机河北科技大学电气信息学院3）改变磁场调速

因励磁电流变化时，磁场也要发生变化，故可将机械特性变形为可见改变励磁电流，即可调速河北科技大学电气信息学院对串励电动机对公式（3-45