电机原理课件

第一章直流电机

1.1直流电机的工作原理与结构

1.2直流电机的铭牌数据及主要系列

1.3直流电机的电枢绕组

1.4直流电机的磁场

1.5直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算

1.6直流电机的换向

1.7直流发电机

1.8

直流电动机直流电机特点直流电机优点—易于控制，可靠性高—调速范围广，平滑。—过载能力强、起动、制动转矩大。直流电机缺点—换向困难—结构复杂—价格高第一节直流电机的工作原理及结构直流发电机的工作原理

一、直流电机的工作原理换向器的作用：直流发电机中，换向器将绕组中的交变电势变为电刷间的直流电势（整流作用）。

*实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动直流电动机的工作原理NS＋U－电刷换向片abdcNS＋U－adbc换向器的作用：在直流电动机中将电刷端的直流转换为绕组中的交变电流（逆变作用）。从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。这种一台电机既能作电动机又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为电机的可逆原理。直流电机的可逆性二、直流电机的结构由两大部分组成定子部分转子（电枢）部分①主磁极②换向磁极③机座④电刷定子—产生磁场，做电机的机械支撑主磁极作用：建立主磁场。

构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。换向极:作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。构成：由铁心和绕组组成主磁极换向磁极机座作用：1)作为磁路的一部分；

2)固定主磁极、换向极和端盖。构成:通常由铸钢或厚钢板焊成机座电刷构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。作用：把直流电压、直流电流引入或引出转子（电枢）①电枢铁心②电枢绕组③换向器④转轴与风扇电枢铁心硅钢片(0.5mm)电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。

构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。电枢绕组作用：感应电动势和通过电流，使电机实现机电能量转换，是电机的主要电路部分。构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。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换向器作用：和电刷配合将直流电引入或引出的装置。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V形云母绝缘。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励自励三、

励磁方式1、他励式（图a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。复励式(图d)：

装有两个励磁绕组，一为与电2、自励式并励式(图b)：

励磁绕组与电枢绕组并联；串励式(图c)：

励磁绕组与电枢绕组串联；枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。MIf+Ua－Ia+Uf－(a)他励(b)并励(c)串励(d)复励

直流电动机按励磁方式分类M+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I(1)额定电压UN

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。(2)额定电流IN

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。(3)额定功率PN

发电机的PN

：指输出电功率的额定值(UNIN)

。

电动机的PN

：指输出机械功率的额定值

(UNINηN)

。四、额定值(4)额定转速nN：

额定状态下的电机转子的转速。

※

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。※

欠载状态：指I<IN

的状态。※

过载状态：指I>IN的状态。

第二节直流电机的电枢绕组直流电枢绕组的结构对电枢绕组的要求：(1)产生足够的感应电动势；(2)允许通过一定的电流；(3)节省有色金属和绝缘材料；(4)结构简单，运行可靠。上元件边下元件边后端接前端接有效边:元件边钳放在槽内，切割磁力线感应出电动势。结论：直流电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组。这是直流电机电枢绕组构成的原则。一个元件有两个元件边，同一个换向片上，连有一个元件的首端和另一个元件的末端。因此，电枢绕组的元件数等于换向片数，即S=K，其中

K为换向片数，S为元件数。“虚槽”概念

设槽内每层有u个元件边，则意味着一个实际槽内包含了u个“虚槽”，而每个虚槽的上、下层依然只有一个元件边。

实槽数用Z表示，虚槽数用Zi表示，则有

Zi=uZ注意：元件数S，换向片数K，虚槽数Zi满足下式

S=K=Ziu=2（2）磁极轴线：平分主极成左右两部分的直线。（3）几何中性线：相邻两主极的几何分界线,该处的气隙磁密为零。直流电枢绕组的基本概念（1）极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。D-电枢外径；p-磁极对数；绕组的型式节距（1）第一节距y1一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称为第一节距，用y1表示。y1y2单叠绕组单叠绕组的特点:每个元件的两个出线端连接在相邻的两个换向片上。是指被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。（2）合成节距y相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为合成节距。单叠绕组y=1，y=+1，右行绕组，y=-1，左行绕组。y1y212yyky1y2161yyk右行绕组左行绕组为了获得最大感应电动势，

y1是等于或接近于一个极距（3）换向器节距yk一个元件的首末端在换向器上的距离称为换向片节距,用换向片数表示。由于S=K，元件边在电枢表面跨过的槽数，等于其出线端在换向片上跨过的换向片数

yk=y单叠绕组，yk=1。y1y212yyk（4）第二节距y2连至同一换向片上的两个元件中相邻有效边的距离称为第二节距，用y2表示，也用虚槽数计算。直流电机的，试将其绕成单叠右行绕组。1、单叠绕组的节距2、画绕组展开图ττττ电枢转向τ1231516123456789101112131416154567891012131415161514τττ电枢转向3、单叠绕组的元件联结次序4、单叠绕组的并联支路图单叠绕组并联支路对数等于电机的极对数，即：23478610111214161551391A1A2B1B212109651314单叠绕组的的特点：

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。电刷数等于主磁极数，电刷位置对准磁极轴线（使正、负电刷之间得到的感应电动势最大）。电枢电动势等于并联支路电动势，电枢电流等于各支路电流之和。并联支路数多，每条支路中串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。单波绕组

单波绕组:每个元件是和相距约两个极距的元件相连，即是与相邻的一对极下所处磁场位置相近的元件相连。单波绕组的节距

(1)第一节距

(2)合成节距

(3)第二节距1、单波绕组的节距以一台的直流电机为例。（长距元件）（左行绕组）2、单波绕组的展开图3、单波绕组的元件联结次序4、单波绕组的并联支路图单波叠绕组并联支路对数与电机极对数无关，234761011121415A1A2B1B2151985413112895单波绕组的特点:

同极下各元件串联组成一条支路，支路对数为1，与极对数无关；

电刷数等于主磁极数，电刷位置对准磁极轴线（使正、负电刷之间得到的感应电动势最大）。

电枢电动势等于并联支路电动势，电枢电流等于各支路电流之和。并联支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压，较小电流的电机GIa+Ua－EM+Ua－IaIf+Uf－直流电机的磁场一、直流电机的空载磁场Ia=0,P2=0Ia=0,P2=0四极直流电机空载时的磁路漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。

空载气隙磁密波形—空载时，忽略铁心磁阻时，励磁磁动势主要消耗在气隙上—气隙磁密的分布就取决于气隙的大小和形状—平顶波（梯形波）磁化曲线或A-膝点气隙线二、直流电机负载时的磁场直流电机负载后，电枢绕组有电流通过,并产生电枢磁场（与电枢电流分布有关）。负载时气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同作用电枢磁场会对主磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应。电枢反应会使气隙磁场发生畸变，从而影响电机的性能。NS·······++++++++X1.电枢磁场直轴：与主极轴线重合的轴交轴：与主极轴线正交的轴A-表示电枢圆周单位长度上的安培数，主磁场电枢磁场物理中性线电枢表面磁通密度的实际过零点的连线。物理中性线交轴电枢反应电枢表面磁通密度的实际过零点的连线。Bδ(x)·······++++++++NSB0(x)Ba(x)

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，因此每极磁通量与空载时相同。磁路饱和时，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。由图可知，交轴电枢反应的特点：将电刷位置逆时针（顺时针）移动β角，则电枢磁势可分为两部分。（1）(π-2β)角度内的磁势为交轴电枢磁动势Faq

（2）2β范围内的磁势为直轴电枢磁动势Fad。直轴电枢磁势的作用为：1.发电机，电刷顺转向去磁；电刷逆转向去增磁；2.电动机，电刷顺转向为增磁，逆转向为去磁。2.电刷不在几何中性线时的电枢反应直流电机的感应电动势和电磁转矩每根导体的感应电动势为一、电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势为一条支路内所有串联导体的电动势之和。

Bav

极距（1）大小每个导体的平均感应电动势：eav=Bav

lv

导体切割磁场的线速度：

v=nDa60=n2p60

电枢感应电动势：

与无关，与导体每秒切割的总的磁通量

有关

Ea

=CeΦn

Ce

电动势常数：Ce=

pN60a单位：Wb单位：r/min(V)(2)方向：

由Φ和n共同决定。(3)性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。二、直流电机的电磁转矩(1)产生电枢电流

i

磁场ΦTem

(2)大小总电磁转矩Tem=总导体数Tav

Tem=CTΦIaCT转矩常数：单位：Wb单位：A(N·m)CTCe=602=9.55

CT

=

9.55CeCT

=pN2aCe

=pN60a(2)

方向：由Φ和Ia

共同决定。(3)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)。

直流发电机按励磁方式分类GIf+Ua－Ia+Uf－他励并励串励复励G+U－IIfIaG+U－IIaGIaIf+U－I直流发电机一、直流发电机的基本方程式直流发电机

1.电压平衡方程式UfIfGEa+-UIa励磁回路：电枢回路：注：Ea>U2.转矩平衡方程式iaTemT0Tn·············+++++++++++++NS3.功率平衡关系直流发电机功率流程图P1=TΩPem=TemΩ=EaIapCua，pCubUIa=P2定义：当、时，

空载特性ARfUf-+IfGA+-VKRLn二、他励直流发电机的运行特性研究条件：保持转速n不变且等于额定转速nN.三个物理量：端电压U、负载电流I、励磁电流If空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UNIfN空载特性（续）空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UNIfN分析：

U0=Ea-IaRa=Ea=CeΦnN

If=Ff/N结论：1.经过一定比例转换后，开路特性U0=f(If)曲线与电机的磁化曲线Φ=f(Ff)形状完全相同。

2.一台电机的磁化曲线只有一条，而空载特性曲线会随着转速n的升降而成比例的上升或下移。3.一般电机的工作点位于开路特性上曲线开始弯曲的膝点A附近。据此可以判断电机的饱和程度。定义：当、时，

外特性

ARfUf-+IfGA+-VKRLnOIUn=nNIf

=IfNINUNU0外特性

电压平衡方程式

U

=Ea－RaIa当IaRaIaEa

(电枢反应)U

电压调整率（当额定负载过渡到空载时）U0－UNUN∆UN

=×100%(5%~10%)调节特性当n

=nN，U=UN时：

If=f(I)OI

If

IfNIN调节特性

效率是指输出功率与输入功率之比P2/PN0η效率特性当n

=nN，U=UN

时,效率与负载的关系令=0可求得效率最高点，得到效率最大的条件：当电动机中不变损耗等于可变损耗时，效率最高。且通常出现在（75%~100%）PN区域内。三、并励直流发电机自励：励磁绕阻并接于电枢绕组两端，由发电机本身的端电压提供励磁，而发电机的端电压又必须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的U=0到正常运行时U为一定值，有一个自己建立电压的过程(自励过程).G+U－IIfIa自励条件：（1）发电机必须有剩磁，如果无剩磁，必须用另外的直流电源充磁。（2）励磁绕组并联到电枢两端，线端的接法应与旋转方向配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。空载特性励磁回路场阻线临界电阻线AG+U－IIfIa励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。并励发电机的外特性

n=nN

、励磁回路总电阻不变时，U=f(I)关系曲线。并励他励UI

U=Ea-Ra(I+If

)=(CeΦn–RaIf

)-RaI

一般ΔU=（10～30）%。

并励比他励电机外特性下降得快原因：（1）电枢电阻压降（2）电枢反应去磁（3）UIfG+U－IIfIa

【例】

一他励直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ

保持不变，求1000r/min时的空载电压U0和900r/min时的满载电压U

。解：在nN和UN时的电枢电流9001000E'

=E

U0=E

=UN＋RaIaN

=(230＋0.4×43.5)V=247V在Φ

保持不变时，E

∝n10×103230=A=43.5APNUNIaN=9001000=×247V=222VU=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V

P2=UI=230×100W=23000WIa=I＋If=(100＋2)A=102APCu=RaIa2

＋RfIf2

=(0.2×1022＋115×22)W=2540.8WPem

=P2＋PCu=25540.8W

【例题】

一并励直流发电机，输出电压U

=230V，输出电流I

=100A，Ra=0.2Ω，Rf=115Ω，n

=1500r/min，T0=17.32N·m。求发电机的输出功率P2

、电磁功率Pem

、输入功率P1

和效率。解：230115=A=2AURfIf=P0

=T0n260=

×17.32×1500W260

=2719.24W

P1=Pem＋P0

=(25540.8＋2719.24)W=28260W=×100%P2P1=

×100%=81.39%2300028260

直流电动机按励磁方式分类MIf+Ua－Ia+Uf－他励并励串励复励M+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I直流电动机

直流电动机1.直流电动机的基本方程(1)电压平衡方程式

U=Ua=Ea+R

Ia

+2△Ub

R=Ra+Rpa

电动机NS(2)转矩平衡方程式MIf+Ua－Ia+Uf－(3)功率平衡方程式电动机从电网吸收的电功率P1=UI，减去电枢绕组铜损pcua，电刷接触损耗pcub以及励磁回路铜损pcuf，余下的转换为机械功率的电磁功率Pem。直流电动机功率流程图P1PCuPemP0P2

并励电动机输入电压

U

=Ua

=

Uf

=Ea+RaIa+2△Ub(2)

输入电流

I

=Ia+If(3)

输入功率

MIa+U－IIf

【例】

某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求该电机在额定状态下运行时的：

(1)If；

(2)Ia；

(3)E

；

(4)Tem

。解：(1)励磁电流IfUfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流IaIa=IN－

If=(12.5－0.35)A=12.15A(2)电动势EE=UN－

RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215VCTΦ=9.55CeΦ=0.685Tem=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)电磁转矩CeΦ=EnN2153000==0.0717直流电动机的工作特性

一、并(他)励电动机的工作特性

（1）转速特性

据转速公式指