电机学第三章

电机学第三章第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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!第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一本章主要内容

1、直流电机的工作原理和基本结构2、说明电机的磁动势和磁场4、分析直流电动机的稳态运行性能3、导出电机的电动势和电磁转矩公式第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3.1直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理固定部分（定子）：主磁极N和S；（如图3－1）表示一台直流电机。1、直流电机的结构旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷；电枢绕组AX(一个线圈)；换向器。定子与转子之间为气隙。第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2、直流发电机的工作原理

发电机：虽然线圈AX电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。（图3-2a，图3-2b）第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3、直流电动机的工作原理

电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷、和换向器再加到线圈变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改保持不变。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一4、脉动的减小

电刷上的电动势(如图3－3)。电枢绕组由多个线圈串联而构成的，实现方法：第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一二、直流电机的基本结构旋转电机定子转子气隙第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一1、主磁极

构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。

2、机座

构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：建立主磁场。作用：1、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3、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

4、电枢绕组作用：直流电机的电路部分。

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。或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一5、换向器

作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。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，两端再用两个形环夹紧而6、电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。构成。第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一三、励磁方式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

7、换向极构成：由铁心和绕组组成。作用：改善换向。第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一复励式(图3-5d)：装有两个励磁绕组，一为与电1、他励式（如图3-5a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。2、自励式发电机：利用自身发出的电流励磁；

电动机：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。并励式(图3-5b)：励磁绕组与电枢绕组并联；串励式(图3-5c)：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。第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一四、直流电机的额定值

（1）额定功率

：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，

（2）额定电压：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。（3）额定电流：指电机运行在时电机的线电流，以A表示。

（4）额定转速：指额定状态运行时转子的转速，以r/min表示。

（5）额定励磁电压（仅对他励电机）。

对电动机，—输出的机械功率；对发电机，—输出的电功率。直流电机的额定值有：电机的输出功率，以kW表示。第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3.2空载和负载时直流电机的磁场一、空载时直流电机的磁场(如图3-6)。：空载时的主磁极的磁通：a)主磁通：通过气隙，并形成气隙磁场。b)主极漏磁通极矩：第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一二、负载时的电枢磁动势和电枢反应（介绍）电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应影响：1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等

2）、不计饱和时，交轴电枢反应既无增磁、亦无去磁作用；计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。作用。第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；

电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3.3直流电机的感应电动势和电磁转矩设气隙磁场的分布（如图3－7）所示，则每根导体的感应电动势为一、电枢绕组的感应电动势式中，—导体所在处的气隙磁密；—导体的有效长度；—导体相对气隙磁场的速度。第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的

令

为平均气隙磁密，则上式改写为

将代入上式得出电动势的代数和，则第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一电动势公式：式中，—每极的总磁通量；—电动机常数；—电动势公式。第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

二、直流电机的电磁转矩

电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为式中，—该点处的气隙磁密。

一个极下的载流导体上的电磁转矩应为式中，—气隙平均磁密。

第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一整个电枢上的电磁转矩则为

可得直流电机的转矩公式为

再考虑到第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

一、电压方程；基本方程

二、转矩方程。

一、电压方程

1、他励直流电机

直流电机的稳态电路图（发电机，电动机）

发电机：则有

；

电动机：则有

。3.4直流电机的基本方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故。第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2、并励直流电机

其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁

3、串励直流电机

其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励

另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。电压为电枢端电压，即发电机：电动机：磁绕组与电枢绕组相串联，有。第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一二、转矩方程—为电磁转矩。1、发电机情况下—电机本身的机械阻力转矩；—原动机的驱动转矩；电磁转矩为制动转矩，有第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一—电动机轴上的负载转矩。式中，

2、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一三、电磁功率

发电机：

机械能转化为电能；电动机：

电能转化为机械能。

电磁功率用表示，则将代入上式，得第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一四、直流电机的可逆性电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；电动机运行。发电机、亦可作为电动机运行。第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3.5直流电动机的运行特性

直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并励电动机的运行特性

1、工作特性指时，。特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一（1）、转速特性

据转速公式得出转速特性曲线转速调整率：

注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一（2）、转矩特性

转矩方程（3）、效率特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。得出转矩特性曲线。第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2、转矩—转速特性

指，励磁回路电阻＝常值时，。转速与转矩的关系表达式为得特性曲线（如图3－11）结论：硬特性第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一二、串励电动机的运行特性

1、工作特性特点：

是指时，或（图形3－12）转速公式第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

上式表明曲线大致为一双曲线。

式中为串励绕组的电阻。轻载时，、＝常值

负载增加，磁路饱和，常值

注意：串励电动机不允许空载运行。第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。

2、转矩—转速特性

是指时。

由电压方程可知其转速调整率定义为：第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一式中。于是电磁转矩为

可得

（如图3-13）结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

三、复励电动机的特点

复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和

复励电动机的转矩—转速特性（如图3-14）。串励电动机之间。第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

结构较复杂直流电机成本较高使它的应用受到限制

可靠性较差

第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一1.直流电动机