第一章.直流电机

第一章直流电机直流电机的基本原理和结构直流电机的电枢绕组直流电机的磁场直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率直流电机的换向

1－1直流电机的原理和结构直流电机分为直流发电机和直流电动机。⃝直流电动机用于驱动负载。优良的启动性能和调速性能，控制简单，在电气传动系统中应用广泛。⃝直流发电机是将机械能转换为电能。直流电机的工作原理直流电机的物理模型电势正方向：abcdB+,A-1直流发电机的工作原理abcdABabcdABdcabAB电势正方向：dcbaB+,A-直流发电机运行时的几点结论电枢线圈内电势、电流方向是交流电；电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；产生的电磁转矩M与转子转向相反，是制动性质；2

直流电动机的工作原理abcdabcddcab电流正方向：dcba转矩方向：顺时针电势方向：abcd电流正方向：abcd转矩方向：顺时针电势方向：dcba直流电动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；线圈中感应电势与电流方向相反；线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩M与转子转向相同，是驱动性质；直流电机的可逆原理同一台直流电机，通过改变外界条件，可当发电机运行，也可当电动机运行。1－2直流电机的结构定子和转子定子示意图直流电机电枢结构1直流电机电枢结构2线圈（绕组）下线焊接碳刷直流电机电刷结构直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组1－3直流电机分类－励磁方式他励串励并励注：：电源输入电流；：电枢电流；：励磁电流复励永磁材料励磁1－4直流电机的额定值额定容量PN：输出功率额定电压UN：额定状态下出线端电压；额定电流IN：额定状态下出线端电流；额定转速n：额定状态下的电机转速直流发电机：PN＝UN·IN直流电动机：PN＝UN·IN·

★直流电机的铭牌数据作业：0－31－71－8§1-2

直流电机电枢绕组对电枢绕组的要求：在通过规定的电流时产生尽可能大的电势和电磁转矩前提下，所消耗的材料最少、

强度高（机械、电气、热）、运转可靠、结构简单、下线方便等。

电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分。转子＝电枢绕组实物图电枢绕组的基本形式叠绕组波绕组边在NS下，转子移动有关电枢绕组名词、术语极轴线：磁极中心线几何中心线：磁极之间的平分线极距：铁心表面，一个极所占的距离。有关电枢绕组名词、术语y=y1-y2有关电枢绕组名词、术语元件：第一节距y1第二节距y2合成节距y：换向器节距yk：一、单迭绕组：迭：两个相临联接的元件，后以元件的端部紧迭在前一元件的端部。特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相等单迭：首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。y=yk=1换向器单迭绕组分析实例1。数据计算：y＝yk＝1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极实例：P＝2，Z＝S＝K＝16绕组放置元件1：上元件边在1槽，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。元件2：上元件边在2槽，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推元件连接顺序图绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。展开图1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－V连接图某一瞬间电刷、磁极放置磁极：磁极宽度约0.7τ（极距）,均匀分布，N、S极交替安排。

电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电势为零的元件：在磁极的几何中心线上电势为零。

1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－单迭绕组的特点元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，2a=2p;整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即a为支路对数§1-3直流电机的磁场一、励磁方式直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不同的联接，决定了不同的励磁方式。不同的励磁方式，电机的性能将不同。

励磁方式他励串励并励注：：电源输入电流；：电枢电流；：励磁电流励磁方式复励永磁材料励磁直流电机的磁场和磁路（1）线圈套在铁心上产生磁场。磁力线集中在铁磁物质内。（2）磁路：使磁力线集中经过的路径。（3）磁路计算：磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组共同产生。励磁绕组起主要作用。二、空载时磁场分布二、空载时磁场分布直流电机空载时的磁场分布磁路从气隙1出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1磁通、磁路主磁通、主磁路：由N极出发，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入S极，再经定子轭回到原来N极。主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电势，产生电磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。影响饱和程度主磁通和漏磁通主磁通φ0在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩；漏磁通φσ不会在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩；主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁动势建立；φ0所走的路径气隙小，磁阻小；漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；励磁磁势的计算*磁路：两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个主极铁心和一个定子轭。磁势：计算方法：1。先求经过某一段的磁通；

2。根据该段的截面积SX计算该段的磁密BX；3。由Bx在磁化曲线上查HX。

气隙磁场在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，Bδ大小完全与气隙长度成反比。主磁场磁密的分布在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。每极主磁通：空载磁化曲线磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间的关系曲线，Φ0＝f（Ff）。通过实验或计算得到。FfΦ0直线，不饱和部分膝点饱和部分F0’Fδ’(约1.1~1.35)饱和系数：三、直流电机负载时磁场主极磁场电枢磁场合成磁场电枢磁场、电枢反应的定义直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。

当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同建立。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。各支路电流都是通过电刷引入或引出，电刷是电枢表面电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。电刷位置对电枢反应的影响交轴磁势与主极轴线正交的轴线通常称为交轴

与主极轴线重合的轴线称为直轴；2交轴电枢反应NS主极产生磁场的磁密波形电枢绕组产生磁场的磁密波形合成磁场的磁密波形3直轴磁势电刷不在几何中心线上，电枢磁势分为交轴和直轴分量4直轴电枢反应增磁与去磁与电刷的旋转角度有关。若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。★★直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。

★★而直流发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。

直流电机的电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙磁场的影响。具体表现：使气隙磁场分布发生畸变；使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生偏转；呈去磁作用§1－4直流电机的感应电势和电磁转矩一、直流电机的电枢电势电枢电势：直流电机正、负电刷之间的感应电势，即每个支路里的感应电势。计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。直流电机的感应电势具体计算：一根导体：Bav：平均磁密；li：导体长度；v：电枢旋转线速度n：电枢旋转速度（r/min)：每极磁通支路电势：Ce：电势常数N：总导体数电枢电势的认识一台制造好的电机，它的电枢电势(V)正比于每极磁通φ（韦伯)和转速n（r/min),与磁密分布无关。对电枢电势的认识：二、电磁转矩一根导体的平均电磁力：电磁转矩：CM:转矩常数电磁转矩的认识一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流，与磁密分布无关。电势常数Ce和转矩常数CM决定于结构常数。它们的关系为：三、电磁功率电枢电磁功率：直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。电磁功率作业1－18，1－19单波绕组不作P31:1－1，1－8，1－9下面复习1、励磁方式：他励、并励、串励、复励、永磁2、空载时磁场分布直流电机空载时的磁场分布磁路从气隙1出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1主磁通和漏磁通3、空载磁化曲线磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间的关系曲线，Φ0＝f（Ff）。通过实验或计算得到。FfΦ0直线，不饱和部分膝点饱和部分F0’Fδ’(约1.1~1.35)饱和系数：4、电刷位置对电枢反应的影响5、交轴电枢反应NS主极产生磁场的磁密波形电枢绕组产生磁场的磁密波形合成磁场的磁密波形6、

直轴电枢反应增磁与去磁。7、直流电机的感应电势具体计算：一根导体：Bav：平均磁密；li：导体长度；v：电枢旋转线速度n：电枢旋转速度（r/min)：每极磁通支路电势：Ce：电势常数N：总导体数§1-5直流电动机的运行原理直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。以并励为例推导直流电动机的基本方程式。各物理量正方向的规定：电枢电动势Ea与电流Ia方向相反；电磁转矩T与转速n方向一致。电流与电压的参考方向如图示；RarfIaIfIEaT,nUrΩ

一、基本方程式（1）电势平衡式电枢回路：U>Ea重要的转速公式：励磁回路：基本方程式（2）转矩平衡式T＝T0＋T2＝TZT2：输出转矩;

T0:空载制动转矩;TZ:总负载转矩推论：（1）若制动TZ不变，

φ不变，稳定后的Ia不变。（2）实际空载时，Ia0。（3）功率平衡式电动机从电源输入的电功率为：0p：空载损耗：机械损耗：附加损耗：铁耗功率平衡式

直流电动机的功率平衡式：效率：二、直流电动机的工作特性工作特性，

是指在U＝UN，If＝IfN时，转速n、电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系。即或Ian并励（他励）电动机转速特性时，的关系为转速特性。根据转速公式，可得n0：理想空载转速转速下降不多，考虑电枢反应，有可能升高。机械特性机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律。从

可得Memn硬特性IaT并励（他励）电动机转矩特性根据转矩公式：考虑去磁，曲线有所下降。时，的关系为转矩特性。并励（他励）电动机效率特性当时，的关系叫效率特性。其中，为不变损耗为可变损耗并励（他励）电动机效率特性η与Ia之间存在二次关系，效率曲线存在一个最大值。

令可得忽略励磁电流Ia

电动机效率特性结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，此时效率最高。推论：（1）额定运行时总损耗；（2）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。上述结论和推论具有普遍性Ian串励电动机转速特性（）根据转速公式，可得串励电动机的特点，结论：串励电动机不允许在小于15～20％的额定负载下起动。串励IaT串励电动机转矩特性T＝f（Ia）根据转矩公式：特点：串励电动机有较大起动转矩与过载能力。结论：适用于重载起动的场合，不允许在空载和很轻负载下运行。Ian复励电动机的工作特性复励是串励和并励共同合成得励磁方式。

并励起主要作用，接近并励特性；串励起主要作用，接近串励特性；并励串励复励直流电动机的总结（1）三个平衡式，以及U>E的电动状态判据。（2）不同励磁方式对工作特性的影响。作业1－21，1－22P32:复习（1）2、电磁转矩：CM:转矩常数1、电枢电势：：电势常数N：总导体数3、电磁功率：基本物理量复习（2）（1）电势平衡式（并励电动机）U>Ea电枢回路：重要的转速公式：励磁回路：（2）转矩平衡式T＝T0＋T2＝TZT2：输出转矩;

T0:空载制动转矩;TZ:总负载转矩（3）功率平衡式基本方程式例题1某并励直流电动机额定数据如下：电枢回路总电阻，电枢反应忽略不计。试求：（1）额定运行时的输出转矩和电磁转矩；例题1解：例题1（2）理想空载转速与实际空载转速；例题1（3）额定运行时突然在转子回路中串入的电阻，串入瞬时的电枢电流和转速各为多少？转速不能突变。（4）串入且稳定后的电枢电流和转速各为多少？由于负载不变，故而由可知稳定后的电枢电流为：转速：§1-7直流电机的换向1.换向过程？（假设电刷宽度等于换向片宽度）电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束，从一条支路转换到另一条支路，电流改变了方向。换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程。从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期直线换向如果换向元件中电势为零，则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。

换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线是一条直线，称为直线换向。但是换向过程中，不可能没有电势！t+ia-iai2.换向元件中的感应电势(1)电抗电势er换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势和互感电势之和，称为电抗电势。Lr：换向元件的电抗系数，包括自感和互感er的平均值：设电刷宽度bs等于换向片宽度bk，换向片数为K，换向周期Tk：电抗电势的特点

电机负载越重或转速越高，电抗电势越大。

电抗电势的方向阻止换向电流的变化，因此er的方向必与换向前的元件电流ia的