第一直流电机

第一直流电机第一页，共五十一页，2022年，8月28日第一章直流电机直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。直流发电机：机械能——直流电能直流电动机：直流电能——机械能直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，但结构复杂，成本高，运行维护较困难。主要应用于起动和调速要求较高的生产机械中，如金属切削机床，轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中。本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性（以直流电动机为重点）。第二页，共五十一页，2022年，8月28日第一节直流电机的基本工作原理与结构一、直流电机的基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理基于电磁感应原理：右手定则产生磁场：（N、S极）运动导线ab、cd切割磁场线圈感应电动势——交变换向整流——电刷间输出直流电动势直流发电机的工作原理模型第三页，共五十一页，2022年，8月28日例1-1如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的变化？解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。由右手定则可知：决定感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。+-NS注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。第四页，共五十一页，2022年，8月28日2、直流电动机的基本工作原理基于电磁力定律：左手定则载流导体ab、cd在磁场中产生电磁力f形成电磁转矩带动转子旋转换向器作用：在发电机中起整流作用，使线圈中的交变电动势——电刷间的直流电协势。在电动机中起逆变作用，使电刷间的直流电——线圈内的交变电，保证电动机的转向恒定。直流电动机工作原理模型第五页，共五十一页，2022年，8月28日例1-2电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转)?解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知：电磁力的方向取决于磁场极性或导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向改变。注意：两者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。-+ffn改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图第六页，共五十一页，2022年，8月28日3、电机的可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。电机的实际运行方式由外施条件决定：第七页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电机的基本结构1-电枢铁心2-主磁极3-励磁绕组4-电枢齿5-换向极绕组6-换向极铁心7-电枢槽8-底座9-电枢绕组10-极掌(极靴）11-磁轭（机座）直流电机的结构图直流电机的径向剖面示意图第八页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电机的基本结构静止部分:定子旋转部分:转子中间有气隙电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。作用主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等作用感应电动势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等第九页，共五十一页，2022年，8月28日主磁极1、定子部分产生磁场，N、S相隔，用p表示极对数导磁和机械支撑机座由磁极铁心和励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.第十页，共五十一页，2022年，8月28日作用:改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。安装在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。用整块钢制成，也可用厚1~1.5mm厚钢板或硅钢片叠成1-刷握2-铜丝辫3-压紧弹簧4-电刷块（石墨材料）换向极电刷作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出第十一页，共五十一页，2022年，8月28日2、转子部分材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。

作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。电枢铁心铁心冲片第十二页，共五十一页，2022年，8月28日上层有效边端接部分端接部分下层有效边线圈首端线圈尾端作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。电枢线圈电枢绕组：电枢线圈按一定规律连接形成。其并联支路对数用a表示。单叠绕组：a=p单波绕组：a=1单波、单叠绕组联接示意图第十三页，共五十一页，2022年，8月28日换向器材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。作用：实现电刷内外交直流的转换。由许多燕尾状的铜片间隔绝缘云母片而成第十四页，共五十一页，2022年，8月28日主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。3、气隙作用：保证了电机的转子的正常旋转，又是磁路的重要组成部分。小型电机气隙约为0.7～5mm；大型电机气隙可达5～10mm。第十五页，共五十一页，2022年，8月28日三、直流电机的铭牌数据电机型号铭牌数据主要有：额定功率额定电压额定电流额定转速额定励磁电流励磁方式出厂数据如出厂编号、出厂日期等第十六页，共五十一页，2022年，8月28日Z2—72

一般用途直流电机

第二次改型设计

机座号

电枢铁心长度1、电机型号1号为短铁心，2号为长铁心1号最小，12号最大型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。第十七页，共五十一页，2022年，8月28日2、额定值(1)额定功率PN

PN(kw)是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压ＵN

UN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。(3)额定电流IN

IN(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。对于发电机，三个额定值之间的关系为PN=UNIN

对于电动机，三个额定值之间的关系为PN=UN·IN·N

(4)额定转速nNnN(r/min)是指电机额定运行时的转速。额定效率；

N=（PN/P1）*%第十八页，共五十一页，2022年，8月28日例1-3一台直流发电机，

PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。。解

第十九页，共五十一页，2022年，8月28日例1-4一台直流电动机，PN=17KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=83%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。解

第二十页，共五十一页，2022年，8月28日3、励磁方式直流电机运行性能与励磁方式密切相关，因此直流电机的分类以励磁方式分类电枢绕组与励磁绕组并联电枢绕组与励磁绕组串联励磁绕组单独供电有并励又有串励绕组第二十一页，共五十一页，2022年，8月28日

4.直流电机出线端子的标志

绕组名称

出线端标志绕组名称出线端标志

电枢绕组

A1

A2串励绕组D1

D2换向极绕组

B1

B2并励绕组E1

E2

补偿绕组

C1

C2他励绕组F1

F2注：下标“1”是首端，为正极；下标“2”是末端，为负极第二十二页，共五十一页，2022年，8月28日例1-5在下图中画出并励直流电动机的实际接线图解：换向级绕组应与电枢绕组串联，励磁绕组再与它们并联。第二十三页，共五十一页，2022年，8月28日Z系列：一般用途直流电动机

（如Z2，Z3，Z4等系列）；ZF系列：一般用途直流发电机ZT系列：广调速直流电动机；ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机；ZQ系列：直流牵引电动机；ZH系列：船用直流电动机；ZA系列：防爆安全型直流电动机；ZKJ系列：挖掘机用直流电动机；ZJ系列：精密机床用直流电动机；四、直流电机的主要系列简介第二十四页，共五十一页，2022年，8月28日第二节直流电机的磁场一、直流电机的空载磁场直流电机空载时（发电机与外电路断开；电动机轴上不带机械负载），电枢电流为零或近似为零。因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势Ff所建立的。

直流电机的磁场，是直流电机产生电动势和电磁转矩必不可少的因素，而且直流电机的运行特性，在很大程度上也取决于磁场特性第二十五页，共五十一页，2022年，8月28日

由励磁磁通势Ff所建立的空载磁场分为两类磁通：主磁通0、漏磁通。一般0》主磁通0对应的主磁路其组成分为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭五部分，或简化为主磁路由气隙和铁磁材料两大部分组成。

由于空气的磁导率远比铁磁材料的磁导率小，磁路的励磁磁通势Ff几乎都消耗在气隙部分，而对应产生的磁场常称为空载气隙磁场。直流电机空载磁场分布1-极靴2-磁身3-定子磁轭4-励磁线圈5-气隙6-电枢齿7-电枢磁轭第二十六页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电机的负载磁场和电枢反应直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主极磁场一起，在气隙内建立一个负载（合成）磁场。由于负载后电枢磁场的出现，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场（空载磁场）的影响称为电枢反应。第二十七页，共五十一页，2022年，8月28日直流电动机合成磁场形成：主极磁场+电枢磁场电枢反应性质：1）使磁力线扭斜，主极磁场发生畸变，物理中性线偏移；2)使每极合成磁通比空载时每极主磁通0略小，称去磁作用。电动机拖动的机械负载越大，电枢反应的影响就越大，但正是电枢磁通势与主极磁场相互作用而产生电磁转矩，从而实现机电能转换。第二十八页，共五十一页，2022年，8月28日第三节电磁转矩和电枢电动势

一、电磁转矩T

在直流电机中,电磁转矩T是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示：

T＝CTIa

式中ＣT——转矩常数；ＣT=Np/(2a)取决于电机的结构，即在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、

a均为定值；——每极下的合成磁通(Wb)；

当Ia为(A)时,电磁转矩单位为N.m。

可见对已制成的电机,电磁转矩T正比于气隙每极磁通及电枢电流Ia。第二十九页，共五十一页，2022年，8月28日第三节电磁转矩和电枢电动势二、电枢电动势Ea

在直流电机中,感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动,即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得：

Ea＝Cen式中Ce——电动势常数，Ce

＝Np/(60a)。取决于电机的结构

当每极磁通、转速n的单位分别是Wb、r/min时,电枢电动势的单位为V。

可见：对已制成的电机,Ea正比于每极磁通和转速n；另：转矩常数CT与电势常数Ce之间有固定的比值关系：

CT／Ce＝(N·p/2a)/(N·p/60a)=9.55第三十页，共五十一页，2022年，8月28日例1-6一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469r/min，每极磁通Φ=2.2×10-2Wb，求：

1）此发电机电枢绕组的感应电动势。2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为800A时，能产生多大电磁转矩？解先求出电动势常数第三十一页，共五十一页，2022年，8月28日Pem=EaIa=(pN/60a)nIa=(pN/2a)Ia(2n/60)=T第三节电磁转矩和电枢电动势三、电磁功率Pem

对电动机而言电动势Ea是反电动势，电源电压U必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem，所以Pem是机电能量转换的桥梁。桥梁电功率属性机械功率属性Pem第三十二页，共五十一页，2022年，8月28日第四节直流电动机的运行原理一、直流电动机的基本方程式他励直流电动机的结构示意图及电路图电动机惯例：Ea与Ia反向,T与n同方向TL与n反方向电动机稳定运行时的基本方程式：电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式第三十三页，共五十一页，2022年，8月28日一、直流电动机的基本方程式1、电动势平衡方程式根据电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式：

U=Ea＋IaRa

式中Ra——电枢回路总电阻

Ia——他励电动机Ia=I

；并励电动机Ia=I-If

对于电动机：U>Ea，Ea与Ia反方向第三十四页，共五十一页，2022年，8月28日一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式

电机在机电能量转换中，一部分能量不能被利用，这部分能量称为损耗。直流电机的损耗可分为：

pm：由各类摩擦引起的机械损耗

pFe：铁心损耗(磁滞与涡流之和)pcua：电枢回路铜耗pcua=Ia2Rapf：励磁回路铜耗pf（=UIf=RfIf2）；

ps：附加损耗空载损耗p0即不变损耗因此，功率平衡方程式，就是扣除损耗的过程。——可变损耗第三十五页，共五十一页，2022年，8月28日一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式

P1=UI=UIa=(Ea＋IaRa)Ia=EaIa＋Ia2Ra=Pem＋pcua

上式说明：当他励直流电动机接上电源U时,电枢绕组中流过电流Ia,电网向电动机输入的电功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于电枢铜耗，大部份作为电磁功率转换成了机械功率。但转变成机械属性的Pem还要扣除铁耗、机械损耗、附加损耗才是输出的机械功率P2

P2=Pem－pFe－pm－ps=Pem－p0

第三十六页，共五十一页，2022年，8月28日一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式

注意：他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。而并励电动机的pf由同一电源提供，所以并励电动机的功率平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf。上述的功率平衡关系可用功率流程图形象的表示：第三十七页，共五十一页，2022年，8月28日一、直流电动机的基本方程式3、转矩平衡方程式由：P2/=Pem/-p0/得：T2=T-T0或T=T2+T0T2—电动机轴上输出的机械转矩。它与轴上所带的负载转矩TL

相平衡,即T2=TL。T0—电动机空载转矩,与转向相反；由空载损耗产生,数值很小。

电动机稳定运行时，拖动性质的T与制动性质的TL+

T0相平衡电动机转矩的常用计算公式：负载转矩：T2=P2/=P2/(2n/60)=9.55P2/n(N·m)在额定情况下,TN=9.55×PN/nN

(N·m)同理：T=9.55Pem/n(N·m)第三十八页，共五十一页，2022年，8月28日例1-7一台他励直流电机接在220V电网上运行，已知，，求：1）此电机是发电机运行还是电动机运行？2）电磁转矩、输入功率和效率各为多少？

解1）判断一台直流电机是何种运行状态，可比较电枢电动势和端电压的大小，即因为故此电机是电动机运行状态。

第三十九页，共五十一页，2022年，8月28日2）求

根据

则

电磁转矩输入功率输出功率效率第四十页，共五十一页，2022年，8月28日例1-8一台Z2-17型直流电动机，额定数据为：空载时测得电流为10A。求：

1）空载损耗（忽略空载铜耗）。2）空载转矩。3）额定负载下的电磁转矩。解1）空载损耗

2）空载转矩3）额定负载下的电磁转矩第四十一页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指U=UN=常数,电枢回路不串入附加电阻,励磁电流If=IfN时,电动机的转速n、电磁转矩T和效率与输出功率P2之间的关系,即：当P2P1IIa所以，工作特性也可看成n、T、与Ia的关系。第四十二页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电动机的工作特性1、转速特性当电机轴上的机械负载增大时,输出的机械功率P2随之增大,输入功率P1和电枢电流Ia也随之增加,电枢电阻压降增大,使转速n降低。但随着电枢电流的增加,电枢反应的去磁作用使气隙磁通减小,又使转速n上升。一般情况,电枢电阻压降的影响较大,所以,转速特性是一条略微向下倾斜的曲线,

如曲线1所示。第四十三页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电动机的工作特性2、转矩特性T=T2+T0=9.55P2/n+T0如果n不变,则输出转矩T2与P2成正比关系。T2=f(P2)特性曲线是一条过坐标原点的直线。考虑到P2增大时,n略有下降,故T2=f(P2)曲线呈略为上翘趋势。而T=f(P2)特性曲线与比T=f(P2)曲线高一个空载转矩T0,如图所示的曲线2。第四十四页，共五十一页，2022年，8月28日二、直流电动机的工作特性2、效率特性当P2从零,Ia值很小,可变损耗Ia2Ra很小,电机损耗以不变损耗p0为主，损耗小。这样,输出功率P2的增大比P1增大的快，效率上升很快。随后因可变损耗Ia2Ra随电流按平方关系增大，使总损耗的增加很快,P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如图曲线3所示。。可见效率曲线存在最大值，电机在空载、轻载时效率低,因此在使用和选择电机上应尽量使电机工作在高效率的区域。

第四十五页，共五十一页，2022年，8月28日第五节直流电机的换向直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会在电刷下产生电火花，严重时出现环火将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。换向问题涉及电磁、机械、化学等方面因素。这里仅对换向过程、影响换向的电磁原因、改善换向的方法作简要介绍。第四十六页，共五十一页，2022年