电气第二章直流电机

《电机学》第二章直流电机1第二章直流电机2.1概述2.4直流发电机的基本特性2.5直流电动机的基本特性《电机学》第二章直流电机2直流电机是实现机械能与直流电能相互转换的电磁装置。直流发电机把机械能转换为直流电能，直流电动机把直流电能转换为机械能。直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值!《电机学》第二章直流电机3直流电动机的调速性能和起动性能优异，被广泛应用于电力机车、轧钢机、无轨电车等对调速性能要求高的场合。直流发电机主要用作直流电源，供电质量好，一般用于电镀、电解及交流发电机的励磁机等。《电机学》第二章直流电机4做励磁机用

一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。《电机学》第二章直流电机5作电源用-直流发电机将机械能转化为直流电能；《电机学》第二章直流电机6动力用-直流电动机将直流电能转化为机械能；《电机学》第二章直流电机7信号传递-直流测速发电机将机械信号转换为电信号信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。《电机学》第二章直流电机82.1概述

2.1.1直流电机的工作原理1、直流发电机的工作原理

一台直流电机：固定部分（定子）：主磁极N和S、电刷；旋转部分（转子）：电枢铁心、电枢绕组AX(一个线圈)、换向器。定子与转子之间为气隙。图2.1直流电机原理模型

1-磁极2-电枢3-换向器4-电刷《电机学》第二章直流电机9abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。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进行的。《电机学》第二章直流电机10在图2.1所示瞬间，感应电动势方向如图所示，这时电刷A呈正极性，电刷B呈负极性。《电机学》第二章直流电机11线圈逆时针方向旋转180°，导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，电刷A仍呈正极性，电刷B仍呈负极性。与电刷A接触的导体永远位于N极下，与电刷B接触的导体永远位于S极下。因此，电刷A始终为正极性，电刷B始终为负极性，电刷两端能引出方向不变的电压。《电机学》第二章直流电机122、直流电机电动势波形线圈abcd切割磁力线产生感应电动势。由右图可以看出：换向器使线圈内的交变感应电动势转变为电刷两端的直流电压，该直流电压有较大的脉动。在实际电机中，电枢上线圈数很多，并按照一定的规律连接起来，可使电压脉动较小以获得波形较好的直流电压。这就是直流发电机的工作原理。图2.2气隙磁密、线圈内感应电动势和电刷之间的电压《电机学》第二章直流电机13《电机学》第二章直流电机143、直流电动机的工作原理

图示为直流电动机的原理模型。与发电机不同的是：线圈没有原动机拖动，电刷A、B接至直流电源，线圈abcd中有电流流过，电流的方向如图示。载流导体受到的电磁力为：

《电机学》第二章直流电机15导体受力的方向用左手定则确定。图示受力方向，都产生逆时针方向的转矩，使电枢沿逆时针方向转动。《电机学》第二章直流电机16电枢转过180o，直流电源供给的电流方向不变，但线圈内电流方向发生了变化，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向，使线圈继续沿逆时针方向旋转。《电机学》第二章直流电机174、直流电机的可逆运行

从上述电磁现象可以看出，直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，机械能从电机轴上输入，电刷端输出直流电压，将机械能转换成电能；反之，如在电刷端加直流电压，将电能输入电机，从电机轴上输出机械能，拖动机械负载工作，将电能转换成机械能。同一台电机既能作发电机又能作电动机运行，称为电机的可逆运行。《电机学》第二章直流电机18《电机学》第二章直流电机192.1.2直流电机的主要结构部件图2.7直流电机的结构剖面图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《电机学》第二章直流电机20直流电机由静止的定子和转动的转子构成，定、转子之间有一间隙，称为气隙。直流电机的定子，主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。直流电机的转子，主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等组成。《电机学》第二章直流电机211、主磁极

在直流电机中，主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成，其作用是在气隙内产生气隙磁场。图是主磁极的装配图。各主磁极上励磁绕组的连接必须使励磁电流产生的磁极呈N、S极交替排列。图直流电机的主磁极1—主极铁心2—励磁绕组《电机学》第二章直流电机222、换向极

功率在1kW以上的直流电机，通常要在相邻两主磁极之间装设换向极，又称附加极或间极，其作用是改善换向。换向极也由铁心和绕组构成。铁心一般用整块钢或薄钢板加工而成，换向极绕组与电枢绕组串联。《电机学》第二章直流电机233、机座机座有两方面的作用：一是导磁，二是作机械支撑。

《电机学》第二章直流电机244、电枢铁心

电枢铁心有两方面作用：一是作为主磁路的一部分，二是用于嵌放电枢绕组。《电机学》第二章直流电机255、电枢绕组电枢绕组由许多线圈按一定规律排列和连接而成，是产生感应电动势和电磁转矩以实现机电能量转换的关键部件。线圈用绝缘圆形线或扁铜线绕制而成，也称为元件。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元件有两个出线端。所有元件按一定规律连接，就构成电枢绕组。《电机学》第二章直流电机266、换向器换向器也是直流电机的重要部件。在直流发电机中，换向器将绕组内的交变电动势转换为电刷两端的直流电动势；在直流电动机中，换向器将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，由许多换向片组成，换向片之间用云母进行绝缘，换向片数与元件数相等。《电机学》第二章直流电机277、电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是连接转动和静止之间的电路。是将直流电流引入或引出的装置。电刷组的数目可以用电刷杆数表示，电刷杆数与电机的主磁极数相等。《电机学》第二章直流电机282.1.3直流电机的额定值额定功率（W或kW）指电机在额定状态时的输出功率。对于电动机，是指轴上输出的机械功率；对于发电机，是指线端输出的电功率。额定电压（V）指额定状态下电枢两端的电压

额定电流（A）指电机在额定电压下输出额定功率时的电流额定转速（r/min）指电机在额定状态下的转速额定励磁电压（V）(仅对他励电机)指额定状态下的励磁电压《电机学》第二章直流电机29有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定数据，如额定转矩、额定效率等。直流发电机的额定功率为直流电动机的额定功率为式中，ηN为直流电动机的额定效率电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，为上面三式中，P的单位都是W，n的单位为r/min，TN的单位为N.m。此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。《电机学》第二章直流电机30《电机学》第二章直流电机31《电机学》第二章直流电机322.4直流发电机基本特性励磁方式——励磁绕组的供电方式。他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由其他直流电源对励磁绕组供电。《电机学》第二章直流电机33并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流就是电枢电流《电机学》第二章直流电机34复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁动势方向相同，称为积复励。若两个磁动势方向相反，则称为差复励。《电机学》第二章直流电机352.4.1基本方程1、电动势平衡方程电枢绕组电动势E，电枢绕组电阻ra，励磁绕组电阻rf，励磁回路调节电阻rj，发电机端电压U，输出电流I，电枢电流Ia，励磁电流If。电枢回路2ΔUb:正、负一对电刷上的接触电压降，一般2ΔUb=0.5-2V。Ra:电枢回路总电阻(电枢绕组的电阻ra和电刷接触电阻)《电机学》第二章直流电机36励磁回路的电压方程为

为励磁回路总电阻。电流方程为

《电机学》第二章直流电机372、功率平衡方程直流电机的电磁功率转子的机械角速度《电机学》第二章直流电机38发电机输出的电功率励磁铜耗电枢回路的总铜耗由总铜耗、可变损耗《电机学》第二章直流电机39直流发电机的功率机械功率P1的一部分被用于平衡转子转动和实现能量转换所必然产生的损耗，这些损耗有：1）机械损耗，包括轴承、电刷摩擦损耗，空气摩擦损耗以及通风损耗等。2）铁耗，电枢铁心中磁场交变产生的磁滞损耗和涡流损耗。3）杂散损耗，又称附加损耗，包括主磁场脉动和畸变引起的铁耗、漏磁场在金属紧固件中产生的铁耗和换向元件内的附加损耗等。因此有《电机学》第二章直流电机40直流发电机的功率平衡方程发电机的功率平衡方程为

式中：

——为空载损耗

——为发电机的总损耗《电机学》第二章直流电机41根据功率平衡方程，可画出直流发电机的功率图。《电机学》第二章直流电机423、转矩平衡方程式两边同除以角速度

输入转矩，拖动性质:电磁转矩，制动性质:空载转矩，制动性质:

《电机学》第二章直流电机43《电机学》第二章直流电机44《电机学》第二章直流电机452.4.2他励发电机的运行特性

直流发电机的稳态运行特性包括：表征输出电压质量的外特性、励磁调节用的调整特性和表征力能指标的效率特性。空载特性

n=c，I=0时，电枢的空载端电压与励磁电流之间的关系1、空载特性《电机学》第二章直流电机46实验时，发电机空载，保持n=nN，调节励磁电流If，使空载电压为1.1~1.3UN，然后将If逐步减小到零。《电机学》第二章直流电机47※空载特性与磁化曲线关联电机空载时，电枢电流为零或很小，可以认为发电机的空载端电压就是空载感应电动势U0=Ea0，因此正比于主磁通，所以空载特性与磁化曲线的纵坐标之间仅相差一个比例常数，空载特性实质上就是电机的磁化曲线。空载特性常用来确定磁路的饱和程度。《电机学》第二章直流电机48直流电机励磁后，再将励磁切断，磁路中就会有剩磁，此后即使If=0，电枢仍会出现由剩磁所感应的剩磁电压，通常由于铁心磁滞现象，所得到的空载特性相当于整个磁滞回线的左半边。根据对称关系，可画出磁滞回线的另外半边，然后找出整个磁滞回线的平均曲线，如图虚线所示，此虚线即为电机的空载曲线。空载特性《电机学》第二章直流电机492、负载特性n=c，I=c，U=f(If)随时调节RL，以保证I不变。《电机学》第二章直流电机503、外特性n=c、If=c时，外特性是一条随负载电流增大而下降的曲线。额定电压调整率:发电机端电压随负载电流变化而变化的程度可用来衡量，当、时，发电机从额定负载过渡到空载时的电压变化率，即《电机学》第二章直流电机514、调节特性n=c，U=c，调节特性表征负载变化时如何调节励磁电流才能维持发电机端电压不变。调节特性If随负载电流I增大而上翘，以补偿电枢反应的去磁作用。《电机学》第二章直流电机522.4.3并励发电机的自励和运行特性1、并励发电机的自励

由于磁极铁心中存在剩磁，电枢在剩磁磁场内旋转时，就会产生剩磁电动势。剩磁电动势由电枢端点输出，加到励磁绕组上，产生一个较小的励磁电流，其磁动势方向既可能与剩磁方向相同而形成正反馈作用，也可能与剩磁方向相反而形成负反馈作用。《电机学》第二章直流电机53负反馈时，剩磁磁场被抑制，电压建立不起来；正反馈时，气隙磁场加强，使电枢的感应电动势升高，从而使励磁电流和气隙磁场进一步加强，如此往复，发电机的端电压将逐步建立起来。要实现励磁电流的正反馈，励磁绕组端点与电枢绕组端点的连接要正确。《电机学》第二章直流电机54《电机学》第二章直流电机55空载时励磁回路的电压方程自励时发电机的空载运行点应由空载特性和励磁回路的伏安特性（励磁电阻线）的交点A来确定。与空载特性相切的电阻线，称为临界电阻线，对应的电阻称为临界电阻。临界电阻《电机学》第二章直流电机56综上所述，并励发电机的自励条件是：1）气隙中必须有剩磁；2）励磁磁动势与剩磁磁场的方向必须相同；3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。《电机学》第二章直流电机572、外特性n=c，Rf=c时由于并励发电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电流与负载电流互相影响，导致其外特性与他励发电机有明显的差别。《电机学》第二章直流电机58并励发电机的外特性三个特点：负载增大时，端电压下降较快在同一负载下，并励发电机的端电压要比他励时下降得多。

《电机学》第二章直流电机59外特性有拐弯现象当负载电阻减小，负载电流增大，端电压下降到一定值时，磁路将处于不饱和状态，此时若进一步减小负载电阻，端电压的下降使励磁电流下降，而励磁电流的下降将导致气隙磁通和感应电动势较大幅度的下降，结果使端电压的下降比负载电阻减小得更快，于是外特性就出现“拐弯”现象，即端电压下降，负载电流亦下降。《电机学》第二章直流电机60稳态短路（端电压等于零）时，电流较小

《电机学》第二章直流电机612.4.