电机拖动2直流电机

第二章 直流电机

直流电机的用途和基本工作原理

直流电机的结构和铭牌数据

直流电机的电枢绕组

直流电机的磁势和磁场

电枢电势、电磁转矩和电磁功率

直流发电机

直流电动机

直流电机的换向简介§1 直流电机的工作原理及结构一、直流电机的用途一切电机都是以电磁感应定律作为主要依据设计而成的。它的基本功能是实现机电能量的相互转换。直流电机电动机发电机——将电能转换成机械能。——将机械能转换成电能。.二直流电机的工作原理发电机（右手定则）机械能→电能电动机（左手定则）电能→机械能注意：电刷固定在空间不动，而半圆铜片与导体一起旋转。发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用,利用静止的电刷把同一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出。电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电流方向不变，导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。

直流发电机结论：⒈在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电动势。⒉虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个

恒定不变的磁场。⒊电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。⒋当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是

制动性质。.直流电动机结论：⒈虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。⒉虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个

恒定不变的磁场。⒊当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势。⒋转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。.电机的可逆原理对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。.电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。三、直流电机的结构1、直流电机的主要结构部件直流电机定子转子主磁极换向极机座电刷装置电枢铁心电枢绕组换向器起机械支撑，产生磁场的作用

产生电磁转矩、产生感应电势

气隙——耦合磁场

部件名称作用材料主磁极励磁绕组通入直流，建立气隙磁场1~1.5mm低碳钢片叠制，降低涡流损耗换向极改善换向整块钢或1~1.5mm钢片叠制机座机械支撑并构成磁回路铸钢（小电机），厚钢板焊接（大中型电机）电枢铁心构成磁路、嵌放电枢绕组0.35~0概述.5mm硅钢片叠制，降低涡流损耗电枢绕组感应电势，承载电流，产生转矩圆截面铜线或扁导线、空心导线换向器与电刷配合，用机械换接的方法引入（出）直流电势铜换向片和片间绝缘云母构成换向片电刷装置与换向器配合，实现直流量和交流量之间的转换石墨碳刷§2直流电机的铭牌数据和额定值额定容量PN(w或kw)；直流电机的输出功率额定电压UN(V)额定电流IN(A)额定转速nN(r/min)励磁方式和额定励磁电流IfN(A)

直流电动机直流发电机额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载

§3 直流电机的电枢绕组一、有关技术名词1.极轴线它是将主磁极平分左右两部分的直线。极轴线2.极距τ它是相邻两主磁极极轴线之间的距离。3.几何中线n—n它是在相邻两极轴线之间，并且与这两极轴线等距离的直线。τnn.4.电角度定义在空间相邻两主磁极之间的角度恒为180°电角度。注意：电角度与几何角度的区别：空间一周的几何角度恒等于360°；空间一周的电角度与磁极对数p有关，即为p×360°。5.绕组元件绕组元件简称元件，又称为线圈。它有两个平行边为有效边，是放在电枢槽中，切割磁通用。绕组元件可以是单匝，也可以是多匝。单匝多匝.6.绕组所有线圈（元件）按一定规律连接起来就构成绕组。7.双层绕组一个电枢槽分为上下两层。将一个线圈的两个边分别放在电枢槽的上层和下层而形成的绕组称为双层绕组。8.实槽与虚槽一个电枢槽的上下两层共放2个元件边称为实槽。一个电枢槽的上下两层可以放4、6、8、…个元件边称为虚槽。虚槽虚槽实槽9.第一节距y1它是同一元件的第一元件边(上层边)和第二元件边(下层边)在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。y1选取的原则为：应使元件产生最大电动势。故y1=τ。虚槽总数10.第二节距y2它是第一元件的第二元件边（下层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。11.合成节距y它是第一元件的第一元件边（上层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。12.换向器节距yk它是同一元件的首端和末端在换向器表面上的跨距，以所跨换向片数表示。二、单叠绕组1.特点单叠绕组是一个线圈压住另一个线圈的一大半。换向器节距等于合成节距，且恒为1。即yk=y=12.展开图设一电机Zi=16，2p=4线圈是通过换向片串联起来的，使整个单迭绕组在电枢上形成一个闭合电路。注意：换向片本身是互不相通的。适合于大电流的电机

将展开图简化表示为换向片上层边下层边5′6′7′4′5′3′8′121163154123161154电刷放置：

a)

电枢绕组形成一个闭合回路，绕组产生的电动势要靠电刷引出（入）b)

电刷放在换向器上的位置是根据电机空载时，在正、负电刷之间获得最大电动势为原则。c)

电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触，否则不能保证b)的要求，并且如果感应电动势不为零的话，还会产生短路电流。d)

只要元件轴线与主磁极轴线重合，元件中的电动势就是零。电刷放置：

e)

电刷必须放在换向器的几何中性线上。元件端接对称时，主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合元件端接不对称时，主磁极轴线、元件轴线重合，但与换向器的几何中性线不重合，电刷必须放在换向器的几何中性线上。注意：它与电枢上的几何中性线无关。f)

叠绕组的电刷数=极数g)

根据电路图，将同极性端接在一起，得电枢电动势。3.基本性质⑴.并联支路数等于电机的主磁极数，即2a=2p每个磁极下，元件电势串成一路，有几个磁极就有几路。⑵.电刷数等于电机的主磁极数，即2b=2p缺少一个电刷，电枢绕组将不能正常工作。⑶.电枢电势Ea等于支路电势es，即⑷.电枢电流Ia等于极数与支路电流ia的乘积，即Ea=esIa=2a×ia=2p×ia三、单波绕组1.单波绕组的节距y=yk；y1+y2=y2.展开图设一电机的K=15，2p=44槽3槽一般地，y1取3，若y1取4，则浪费材料和有效电势。今取y1=4（1----5下线）.两个绕组紧相串联后形似波浪，故称之为“波”绕组。换向片数适合于小电流高电压的电机

将展开图简化表示为换向片上层边下层边下层边上层边换向片12′11′10′6′5′7′9′8′87126354115141091113125′4′3′14′13′15′2′1′1159101411131287621354它也是一个闭合回路。单波绕组的特点：将所有N极下的元件串联起来；将所有S极下的元件串联起来。3.基本性质⑴.电枢绕组的并联支路数：不论主磁极数目是多少，单波绕组的并联支路数恒等于2。2a=2⑵.电刷数目：一般地，2b=2p（即全额电刷）.电刷位置：电刷也应安装在极轴线处，且固定在空间不动。四、电枢绕组小结3.电枢绕组本身一定是交流的。4.不管是什么绕组，均构成一个闭合回路。5.全额电刷，且位于极轴线处。⒈在能通过规定的电流和产生足够大的感应电动势及电磁转矩的前提下，所消耗的有效材料（包括导线和绝缘）最省；强度（机械、电气和热的强度）高；运行可靠；结构简单；下线方便等。.2.要根据电机额定电压或电流要求选择绕组形式。（叠--大电流，波--高电压）

单叠绕组单波绕组总元件数极数并联支路数每条支路中的元件数电压电流电阻适用范围SS2p2p2p2EaEa低压、大电流电机容量为几百千瓦高压、小电流电机容量为几十千瓦以下6.单叠绕组与单波绕组比较：例题例：今有S=100个线圈（元件），每个线圈的平均电势eav=10V，

每个线圈的电阻r=0.01Ω，每个线圈的电流ia=10A，电机的主磁极数2p=4，试分别求出单迭绕组和单波绕组的电枢电势Ea=？电枢电流Ia=？总电阻R=？解：对于单迭绕组.对于单波绕组§4 直流电机的磁势和磁场一、直流电机的励磁方式主磁极是用来建立磁场的。这个磁场是由励磁绕组产生的。按励磁绕组与电枢绕组连接关系的不同，励磁方式分为1.他励U与Uf相互独立。Ia=I2.并励U=Ua=UfIa=I+If3.串励Ia=I4.复励一套为并励绕组，另一套为串励绕组。两个励磁绕组的磁势相加，称为积复励；两个励磁绕组的磁势相减，称为差复励。一个励磁绕组与电枢的连接是先并联，称为短复励；一个励磁绕组与电枢的连接是先串联，称为长复励。线路电流由两套励磁绕组组成。.(a)他励(b)并励(c)串励(d)复励

长复励IIaIfIIaIIaIfIIaIf二、直流电机的空载磁场当只有励磁绕组中有电流，而其他绕组中均无电流时的磁场称为空载磁场。1.电机的磁化曲线电机的磁路①主磁磁极②空气气隙③电枢齿④电枢磁轭⑤定子磁轭以四极直流电机空载磁场为例由全电流定律，得每个主磁极的磁势为Ff=IfWf=Hδδ+Htlt+Hala+Hmlm+Hjlj气隙磁化曲线主磁极定子磁轭电枢齿空载时励磁磁势几乎全部消耗在空气气隙上每对磁极的励磁磁势空载时的气隙磁场分布(不计电枢影响)1).不计电枢齿的影响，在磁极中心部分气隙小而均匀，所以磁阻小，磁密较高。2).在极靴范围以外，气隙长度显著增加，因此磁阻增大，磁通密度迅速下降。3).在两极之间的几何中心线处，磁密下降为零。气隙线膝点空载磁化特性1).磁场强度较小时磁路中铁磁材料没有饱和，铁内磁阻及磁压降均较气隙中的小，即励磁磁势全部消耗在气隙上。2).随铁磁材料的饱和，铁磁材料中所消耗的磁势迅速增长，磁化曲线开始弯曲，渐呈饱和状。磁化曲线与气隙线之间的横向线段表示在产生一定的磁感应强度时铁心部分所消耗的磁势。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应励磁电流产生主极磁场电枢电流产生电枢磁场负载磁场两个磁场共同作用形成合成磁场。电枢磁势Fa对主极磁势Ff的影响称为电枢反应。.不仅励磁绕组中有电流，而且电枢绕组中也有电流的磁场，称为负载磁场。设主极磁场为垂直方向，且为均匀磁场；则电枢磁场为水平方向。它不是均匀磁场。1.电枢磁势和电枢磁场一个元件所消耗于气隙的电枢磁势三个元件的电枢磁势.×.×.×.×xx电枢如果电机的磁极对数为p，电枢绕组的总元件数为S，则每对磁极下的元件数为S/p，那么阶梯波的最大高度为电枢表面任一点x处(相对极轴线)的电枢磁势Fax为而电枢表面任一点x处的电枢磁密Bax为(忽略铁心中磁压降)Fax=Ax.电枢磁密沿电枢圆周分布规律为一马鞍形磁密波。电枢表面单位周长上的安培导线数小结：电枢磁场的特点：①.电枢磁势Fa与主极磁势Ff互相垂直；②.电枢表面各点的电枢磁势Fa不等；在几何中性线处电枢磁势Fa最大，在极轴线处电枢磁势等于零，即Fa=0。③.电枢磁密Bax在几何中性线处的值不为零。2.合成磁场及交轴电枢反应电枢磁场对主极磁场的影响称为交轴电枢反应。交轴电枢反应产生的结果：①

波形发生畸变，产生峰值；②

在几何中性线处，Ba+Bδ≠0；每极磁通下降。.考虑饱和时，由于交轴电枢反应的作用，对被削弱的一半磁场影响不大，而被加强的另一半的磁场出现了饱和的情况

3.直轴电枢反应电枢磁势Fa交轴电枢磁势Faq直轴电枢磁势Fad直轴电枢磁势Fad与主极磁势Ff同方向时起增磁作用，直轴电枢磁势Fad与主极磁势Ff反方向时起去磁作用。对于发电机若电刷顺转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起去磁作用，若电刷逆转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起助磁作用。若电刷顺转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起助磁作用，若电刷逆转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起去磁作用。对于电动机.——与主极磁势相平行的磁势——与主极磁势相垂直的磁势FaFadFaq1.在有换向极的直流电机中，电刷总是严格地放在几何中心线上，一般不出现直轴电枢反应。2.为了补偿交轴电枢反应的去磁效应，在电机主磁极上加一个串联绕阻(稳定绕组)，其中流过电流，所产生的磁通刚好补偿电枢反应的去磁效应。直流电机负载运行时，电枢反应引起每极磁通变化，这将影响电机性能，采取以下措施：§5

电枢电势电磁转矩和电磁功率一、电枢电势直流电机中的电枢电势是指正、负电刷之间的电枢绕组感应电势的总和，也就是每条支路上感应电势之和。设导体在电枢表面均匀分布，气隙磁密的平均值为Bav，电枢表面的线速度为v，导体在磁场中的轴向长度为l，则每根导体的感应电动势的平均值eav为若电枢总导体数为N，并联支路数为2a，那么一条支路的总电动势，即电枢电势Ea为则每条支路中串联导体数为N/2a，电势常数.注：以上分析假设所有元件都是整距。若为短距，则总电枢电势要小些，但这种影响很小，可忽略。二、电磁转矩设电枢电流为Ia，流过每根导体的电流为ia，并联支路数为2a，则每根导体所受到的平均电磁力fav为fav=Bavlia产生的平均电磁转矩mav为电枢表面共有N根导体，且ia=Ia/2a则总的电磁转矩M为转矩常数电枢直径=2p/Da截面积S=l三、电磁功率在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，或由机械能转换为电能的这部分功率称为电磁功率。常用PM表示。它体现了能量的互相转换作用。.电势常数和转矩常数都决定于电机的结构数据。对于一台已制成的电机，电势常数和转矩常数都是恒定不变的常数，且两者之间有一固定的关系，即：机械角速度§6 直流发电机一、直流发电机稳态运行时的基本方程和功率关系⒈直流发电机的分类根据励磁方式分为①他励直流发电机②并励直流发电机③复励直流发电机⒉发电机惯例电枢电势Ea与电枢电流Ia方向相同拖动转矩M1与电机转速n的方向相同制动性质的电磁转矩M与转速n的方向相反空载转矩Mo与n相反⒊基本方程式（并励）Ea=U+IaRaEa=CeΦn⒋功率关系(对应43页图2-35b)原动机的拖动转矩M1=电磁转矩M+空载转矩M0M1Ω=MΩ+M0ΩP1=Pem+p0而EaIa=UIa+Ia2Ra+

2ucIaPem=P2+pcuf+pcua+pc⒌效率发电机的输出电功率pN=UIp0=pmec+pFeIa=I

+IfIa=

I

+If二、直流发电机的运行特性

描述直流发电机运行特性的物理量端电压U电枢电流Ia或输出电流I励磁电流If发电机的运行特性当I=0时，称为空载特性。①负载特性③调节特性②外特性.1.他励直流发电机①空载特性调节

rs(励磁回路串接的调节电阻)可以改变If，但只能在一个方向上调节，不可来回调。②外特性保持If=IfN不变，调节RL(负载电阻)

，得到U=f(I)。外特性下垂的原因：a)I↑，IaRa↑，U↓；b)I↑，电枢反应的去磁作用使Φ↓，Ea↓,U↓。③调节特性当U=UN时，If=f(I)。UI上翘曲线2.并励直流发电机①.自激过程负载开路，I=0；电枢以转速为n正常运转；且有剩磁Φ剩存在，但其值很小很小，产生E剩=CeΦ剩n；由于励磁回路闭合，则有If，并产生Φf；如果Φ剩与Φf同相，使Ea↑→If↑→Φf↑这样循环往复，星星之火，可以燎原，电势(电压)就建立起来了，直到稳定工作。R↑，α↑；当α〉αcr

时，发电机不能自激。对应αcr

的总电阻叫临界电阻，即Rc=tgαcr。励磁回路串接的调节电阻并励直流发电机的自激条件：a)电机要有一定的剩磁;b)并联在电枢两端的励磁绕组的极性要正确；c)励磁回路的总电阻必须小于该转速下的临界电阻。②空载特性③外特性电压下降的原因有：a)电枢反应的去磁效应；b)电枢回路电阻的压降；c)U↓→If↓→Φ↓→Ea↓→U↓。④调节特性....(与他励差不多)§7直流电动机一、直流电动机稳态运行时的基本方程和功率关系⒈电动机惯例⒉基本方程（并励）U=Ea+IaRaM=M2+M0Ea=CeΦnM=CmΦIaIf=Uf/RfΦ=f(If，Ia)⒊功率关系而MΩ=M2Ω+M0ΩUIa=EaIa+Ia2RaP1=UI=U(If+Ia)=UIf+(Ea+IaRa+2uc)Ia=pcuf+pcua+pc+Pem⒋效率Pem=P2+p0

其中P2为输出的机械功率U=UfI

=Ia+If二、他励直流电动机的运行特性1.工作特性工作特性是指U=UN，If=IfN时，

n=f(P2)，M=f(P2)，η=f(P2)，①.转速特性

n=f(Ia)②.转矩特性M=f(Ia)理想空载转速机械特性斜率③.效率特性η=f(Ia)∴η=f(Ia)为一条二次曲线。可以证明：当可变损耗pcu等于不变损耗p0时，效率η

达到最大值。2.机械特性机械特性是指当电源电压U，励磁电流If以及电枢回路总电阻Ra+Rc为常数时，电动机的电磁转矩M与转速n之间的关系，即n=f(M)。当U=UN，If=IfN，Rc=0时，的机械特性称为固有机械特性或自然机械特性。注意：在电动机运行中，绝对不允许励磁回路开路。若Φ→0，则n↑↑，Ia↑↑↑，将烧毁电动机。.例题例：一台Z2—61型他励直流电动机，PN=17KW，UN=220V，

IN=90A，nN=1500r/min，UfN=110V，ηN=86%