《电机及拖动基础》第二版第三章-直流电机

第三章直流电机第一节

绪论第二节

直流电机的电枢绕组第三节

直流电机的空载磁场第四节

直流电机的电枢磁场第五节

电枢电动势与电磁转矩第三章直流电机第六节直流发电机工作原理第七节直流电动机工作原理第八节

直流电动机的机械特性第九节

串励和复励直流电动机第十节

直流电机的换向第一节直流电机的基本工作原理一．直流电机的特点

直流电机是实现直流电能与机械能相互转换的电磁装置。把直流电能转换为机械能的电机是直流电动机，多用于对调速要求较高和特殊性能要求的电气传动装置；将机械能转换为直流电能的电机是直流发电机，主要用于发出直流电作为直流电源。第一节直流电机的基本工作原理一．直流电机的特点

直流电动机具有以下突出的优点：速度调节方便，调速范围宽广，易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；系统简单，易于控制，可靠性较高。

直流电机的主要缺点是电刷与换向器的接触式换向，它影响了电机的可靠性，需要定期维护，也限制了直流电机的极限容量。

第一节直流电机的基本工作原理二．基本工作原理 下图是一台直流发电机的模型。

主磁极

第一节直流电机的基本工作原理二．基本工作原理 下图是一台直流发电机的模型。

线圈第一节直流电机的基本工作原理二．基本工作原理 下图是一台直流发电机的模型。

线圈的两端分别接到两个相对放置的导电片(称换向片)，换向片之间用绝缘材料隔开。第一节直流电机的基本工作原理二．基本工作原理 下图是一台直流发电机的模型。

电刷电刷第一节直流电机的基本工作原理

当原动机拖动电枢以恒定转速逆时针方向旋转时，在线圈

abcd中有感应电动势。感应电动势的大小为：相对线速度磁密导体ab或cd的长度第一节直流电机的基本工作原理

感应电动势的方向，用右手定则确定。在右图所示瞬间，导体ab、cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向

c。第一节直流电机的基本工作原理这时电刷A呈高电位，电刷B呈低电位。

第一节直流电机的基本工作原理当电枢逆时针方向转过180°时，导体ab与cd互换了位置。此时，导体ab、cd的感应电动势方向都与刚才的相反，即分别由a指向b和由c指向d。

第一节直流电机的基本工作原理但由于换向片随着线圈一道旋转，本来与电刷B相接触的那个换向片，现在却与电刷A接触了；与电刷A相接触的换向片与电刷B接触了。显然这时电刷A仍呈正极性，电刷B呈负极性。第一节直流电机的基本工作原理从右图看出，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。可见，A电刷总是呈正极性，B电刷总是呈负极性。第一节直流电机的基本工作原理如果电枢继续逆时针方向旋转180°，导体ab、cd又回到左图所示位置，显然电刷A呈高电位；电刷B呈低电位。

第一节直流电机的基本工作原理由此可见，尽管线圈abcd中的感应电势方向是交变的，但由于换向器的作用，电刷A、B的极性始终不变，即电刷A、B两端输出直流电能。

第一节直流电机的基本工作原理右图所示为直流电动机的物理模型，电刷A、B接到直流电源上。电流的方向如图所示。

第一节直流电机的基本工作原理根据电磁力定律可知，载流导体ab、cd上受到的电磁力为：第一节直流电机的基本工作原理导体受力的方向用左手定则确定。导体ab和cd的受力方向如右图所示。

第一节直流电机的基本工作原理这个力乘以转子的半径，就是转矩，称为电磁转矩。此时电磁转矩的作用方向是逆时针方向。

第一节直流电机的基本工作原理当电枢旋转了180°后，导体cd转到N极下，ab转到S极下。此时，电磁转矩的方向仍为逆时针方向。第一节直流电机的基本工作原理由此可见，虽然直流电动机电枢线圈里的电流方向是交变的，但由于电刷和换向器的缘故，电磁转矩的方向是不变的。第一节直流电机的基本工作原理三．主要结构

下图是一台常用的小型直流电机的结构图

第一节直流电机的基本工作原理三．主要结构 下图是一台两极直流电机的剖面图：

电枢换向极主极机座第一节直流电机的基本工作原理 直流电机主要是由定子和转子两大部分构成，定子和 转子由前后两个端盖联接和支撑。定子部分主要包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇和转轴 等。第一节直流电机的基本工作原理定子部分——机座机座有两方面的作用：一是导磁，二是机械支撑。 机座导磁部分称为定子磁轭，是主磁路的一部分，一般多用导磁的铸钢或厚钢板制成。

定子部分——主磁极

主磁极又称主极，它在气隙中产生按照一定波形分布的气隙磁密。主磁极上还装有励磁线圈或永久磁铁。第一节直流电机的基本工作原理下图是主磁极的示意图。主极铁心是用0.5～1.0mm厚的硅钢片冲制而成，然后叠装在一起。绕制好的励磁线圈套在主极铁心上，用螺钉把整个主磁极紧固在机座的内表面上。

第一节直流电机的基本工作原理为了让气隙磁密沿电枢的圆周方向分布得更加合理，主磁极的铁心做成下图所示形状，其中较窄的部分叫极身，较宽的部分叫极靴。第一节直流电机的基本工作原理定子部分——换向极 换向极又称附加极，容量较大的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极以改善直流电机的换向。定子部分——电刷

电刷通过换向片把电机转动部分的电流引出或引入。电刷与换向器需要配合使用。

第一节直流电机的基本工作原理转子部分——电枢铁心电枢铁心是直流电机主磁路的一部分。电枢旋转时，铁心中磁通方向的变化将在铁心中引起涡流损耗与磁滞损耗。转子部分——电枢绕组 电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，线圈的出线端与换向器的换向片按照一定的规律相连，构成电枢绕组。第一节直流电机的基本工作原理 下图为直流电机电枢示意图：转轴换向器电枢铁心电枢绕组风扇

第一节直流电机的基本工作原理转子部分——换向器

换向器由一系列换向片组成，每两个相邻的换向片用绝缘薄片隔开。通常换向片数与线圈元件数相同。端盖

端盖把定、转子联成一个整体，前后两个端盖分别固定在定子机座的两端，端盖还对电机起着防护作用。第一节直流电机的基本工作原理 四．直流电机的额定值额定功率(容量)，单位为W或kW；额定电压，单位为V；额定电流，单位为A；额定转速，单位为r/min；额定励磁电压，单位为V；额定励磁电流，单位为A。

额定转矩

，单位为

；

额定效率

。第一节直流电机的基本工作原理直流电动机的额定功率，定义为转轴上输出的机械功率：直流发电机的额定容量，定义为电刷端的输出电功率：电动机轴上输出的额定转矩为额定功率除以额定角速度， 即：

第一节直流电机的基本工作原理 直流电机运行时，若各个物理量都达到额定值，就称为额定运行状态。 如果电机电流小于额定电流，称为欠载或轻载运行；超过额定电流，称为过载运行。过载会造成电机过热而烧毁；欠载运行效率不高，浪费资源。第一节直流电机的基本工作原理例3.1

一台直流发电机，额定功率=160kW，额定电压=230V，额定效率=90%，计算该发电机的输入功率及额定电流。 解:额定输入功率

额定电流第二节直流电机的电枢绕组一．绕组的基本特点 电枢绕组在电机的磁场中旋转，会感应出电动势；当电枢绕组中有电流流过时，会产生电枢磁势，它与气隙磁场相互作用产生了电磁转矩。有了电动势与电流便可产生电磁功率。第二节直流电机的电枢绕组 对直流电机电枢绕组的基本要求如下：产生尽可能大的电动势，且波形良好；能通过足够大的电流；结构简单，工艺性好，可靠性高；换向良好。第二节直流电机的电枢绕组 电枢绕组是由许多个形状相同的线圈按照一定规律联接起来的。每个线圈都称为元件，元件的个数用S表示。左图是一个多匝元件，用Ny代表元件的匝数，图中Ny=2。同一个元件的首端和尾端接到不同的换向片上，各个元件通过换向片彼此联接起来的。可见，电枢绕组总的元件数S等于换向片数K，即S=K。第二节直流电机的电枢绕组 电枢绕组是由许多个形状相同的线圈按照一定规律联接起来的。每个线圈都称为元件，元件的个数用S表示。第二节直流电机的电枢绕组

元件嵌放在电枢铁心的槽里，如下图所示。第二节直流电机的电枢绕组同一个元件的一个元件边占了某个槽的上半槽（该元件边称为上层边），另一元件边占了另一槽的下半槽（该元件边称为下层边）。

第二节直流电机的电枢绕组同一个槽里能嵌放两个元件边，一个元件有两个元件边，所以电枢槽数等于元件数。

第二节直流电机的电枢绕组元件嵌放在槽内的部分能切割气隙磁通，产生感应电动势，称为有效部分。第二节直流电机的电枢绕组槽外的部分是端接部分，简称端部，在主磁极磁场之外，端部不产生感应电动势。 在直流电机中，往往在一个槽里上、下层并列嵌放了几个元件的元件边。

第二节直流电机的电枢绕组第二节直流电机的电枢绕组把一个上层元件边与一个下层元件边视为一个虚槽。第二节直流电机的电枢绕组一个实槽中的虚槽数等于该实槽里上层或下层并列的元件边数，用u表示。下图中，虚槽数u

=3。用代表电机的总虚槽数，Z代表总实槽数，则有：第二节直流电机的电枢绕组用N代表电枢绕组总的导体数，则有式中是每个元件的匝数。第二节直流电机的电枢绕组第二节直流电机的电枢绕组 直流电机电枢绕组分为以下三种类型：叠绕组：又分为单叠绕组和复叠绕组。波绕组：又分为单波绕组和复波绕组。蛙绕组：由叠绕组和波绕组混合绕制。第二节直流电机的电枢绕组二．单叠绕组 电枢绕组中任何两个串联元件都是后一个叠在前一个上面的称为叠绕组。1.节距 节距是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，用所跨过的虚槽数或换向片数来度量。第二节直流电机的电枢绕组第一节距 第一节距是同一个元件的两个元件边之间的跨距。第二节直流电机的电枢绕组确定的原则是使元件中感应电动势最大，即等于或接近一个极距。第二节直流电机的电枢绕组(2)合成节距y

相邻串联的两个元件对应边之间的跨距称为合成节距。对单叠绕组有:

y=1第二节直流电机的电枢绕组(3)换向器节距每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距称为换向器节距，用换向片数目表示。对单叠绕组有。第二节直流电机的电枢绕组(4)第二节距与同一个换向片相联的两个元件中元件1的下层元件边到元件2的上层元件边之间的跨距称为第二节距。对单叠绕组有第二节直流电机的电枢绕组连接元件时，联接的顺序是从左向右进行，称为右行绕组。左图就是右行绕组。第二节直流电机的电枢绕组2.

单叠绕组的展开图

绕组展开图就是将电枢槽中沿圆周方向分布的绕组展开成平面。在画绕组展开图之前，首先要根据电机的参数计算出元件的各种节距。

下面通过一个具体的例子加以说明。

第二节直流电机的电枢绕组例3.3 一台直流电机的极数，，画出右行单叠绕组的展开图。第二节直流电机的电枢绕组（1）节距计算： 第一节距

合成节距

换向器节距

第二节距

第二节直流电机的电枢绕组（2）画出虚槽 画出16根等长等距离的实线，在实线旁边，再画16根等长等距的虚线，分别代表各槽上层和下层元件边。一根实线和一根虚线代表一个虚槽，依次把槽编上号码，如下图所示。（3）放置磁极 每个磁极的宽度大约等于

0.7倍极距，图中用表示极距，4个磁极均匀分布在各槽之上，并标上

N，S极性。第二节直流电机的电枢绕组（4）画换向器 在槽的下方，画16个小方块代表换向片，换向片的编号应与槽的编号有一定对应关系。如下图所示。第二节直流电机的电枢绕组第二节直流电机的电枢绕组（5）联接绕组 元件1由换向片1经第1槽上层，跨过节距，联到第5槽的下层，然后回到换向片2。第二节直流电机的电枢绕组元件2由换向片2经第2槽上层和第6槽下层相联，然后回到换向片3。按此规律依次联接，如下图所示。(6)确定导体感应电动势方向

N极的磁场在气隙里的方向是进纸面的，S极是出纸面的。第二节直流电机的电枢绕组第二节直流电机的电枢绕组

1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该处气隙磁密为零，所以不感应电动势。第二节直流电机的电枢绕组（7）放置电刷

在直流电机里，电刷组数与主极的个数一样多。它们均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度大于等于每一个换向片的宽度。 放置电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小。第二节直流电机的电枢绕组在下图中，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。第二节直流电机的电枢绕组被电刷所短路的元件正好是1、5、9、13，这4个元件中的电动势为零。这四个元件把回路分成四段，每段串联三个电动势方向相同的元件。第二节直流电机的电枢绕组由于对称关系，这四段电路中的电动势大小相等，方向两两相反。第二节直流电机的电枢绕组3.

单叠绕组元件联接次序

第1虚槽上层元件边经联接到第5虚槽的下层元件边，构成了第1个元件。第二节直流电机的电枢绕组第2虚槽上层元件边经联接到第6虚槽的下层元件边，构成了第2个元件。3.

单叠绕组元件联接次序

第二节直流电机的电枢绕组第5虚槽的下层元件边经联接到第2虚槽的上层元件边，这样就把第1、2两个元件联接起来了。3.

单叠绕组元件联接次序

第二节直流电机的电枢绕组3.

单叠绕组元件联接次序

依此类推，如下图所示：第二节直流电机的电枢绕组3.

单叠绕组元件联接次序

从下图中看出，从第1元件开始，相邻元件依次串联，绕电枢一周后又回到第1元件的起始点。可见，整个绕组构成一个闭合回路。第二节直流电机的电枢绕组第二节直流电机的电枢绕组4.

单叠绕组的并联支路图 按照之前各元件联接的顺序，可以得到如下图所示的并联支路图：第二节直流电机的电枢绕组4.

单叠绕组的并联支路图单叠绕组并联支路对数等于极对数。即

第二节直流电机的电枢绕组

综上所述，单叠绕组具有以下特点：位于同一个磁极下的各元件串联起来组成一个支路，有几 个磁极就有几条支路，即。对于对称元件，电刷的位置与主磁极中心线位置一致时， 正、负电刷间感应电动势最大。电刷组数等于极数。第二节直流电机的电枢绕组 电刷的位置，虽然对准主磁极的中心线，但被电刷所短路元件的两个边位于几何中性线处。 所以，电刷放在几何中性线上，是指被电刷所短路的元件的元件边位于几何中性线处。第二节直流电机的电枢绕组三．单波绕组

单叠绕组是把同一个磁极下的元件串联起来组成一个支路，以保证支路中的元件电动势同方向。

如果把相同极性磁极下的元件都串联起来组成一个支路，相邻串联元件对应边的距离约为两个极距，就形成了如图3.12所示的波浪形态，称为波绕组。第二节直流电机的电枢绕组三．单波绕组1.节距 (1)第一节距 与单叠绕组一样，等于或接近一个极距。第二节直流电机的电枢绕组(2)换向器节距

单波绕组应使相串联的元件感应电动势同方向。需要把相邻两个串联的元件放在同极性磁极的下面，使它们在空间位置上相距约两个极距。第二节直流电机的电枢绕组(2)换向器节距

当p个串联的元件沿着圆周向一个方向绕了一周，其末尾所联的换向片必须与起始的换向片1相邻，才能使第二周继续联结下去，即 因此第二节直流电机的电枢绕组 在满足为整数时，上式一般都取负号。这种绕组联接的顺序是从右向左进行，称左行绕组，如下图所示。第二节直流电机的电枢绕组(3)合成节距

合成节距与换向器节距相等。即：第二节直流电机的电枢绕组(4)

第二节距

第二节直流电机的电枢绕组2.

单波绕组的展开图下面通过一个具体的例子加以说明。例3.4 一台直流电机，，，试联成单波绕组。

第二节直流电机的电枢绕组（1）节距计算：第二节直流电机的电枢绕组 其余步骤同例

3.3，不再赘述。下图是它的绕组展开图。第二节直流电机的电枢绕组3.

单波绕组的并联支路图

第二节直流电机的电枢绕组3.

单波绕组的并联支路图 从上图可以看出，单波绕组把所有N极下的全部元件串联起来构成一条支路，所有S极下的全部元件串联起来构成另一支路。所以单波绕组的支路对数恒等于1，即

第二节直流电机的电枢绕组 单波绕组具有以下特点：同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数。对于对称元件，电刷位置与主磁极中心线位置一致时，支 路电动势最大。电刷组数也应等于极数。第二节直流电机的电枢绕组

单叠绕组并联支路数多，支路元件数少，适合电压较低、电流较大的电机。 单波绕组支路对数恒等于1

，支路元件数较多，适合电压较高、电流较小的电机。第三节直流电机的空载磁场一．直流电机的励磁方式 励磁方式是指励磁绕组的供电方式。直流电机可分为以下几种类型：他励直流电机并励直流电机串励直流电机复励直流电机第三节直流电机的空载磁场1.

他励直流电机 他励直流电机励磁电流由其他直流电源单独供电。第三节直流电机的空载磁场2.

并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电机电枢的两端并联，电枢电压等于励磁电压。第三节直流电机的空载磁场3.

串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢回路串联，电枢电流等于励磁电流。第三节直流电机的空载磁场4.

复励直流电机 复励直流电机的励磁绕组分为两部分，一部分与电枢回路串联，一部分与电枢回路并联。第三节直流电机的空载磁场二．直流电机的磁场 直流电机在负载运行时，其磁场是由电机励磁绕组电流和电枢绕组电流共同产生的，其中励磁绕组起着主要作用。 首先研究励磁绕组里有励磁电流，电枢绕组无电流时的磁场情况。我们把这种情况称为电机的空载运行，又称无载运行。第三节直流电机的空载磁场1.磁通与磁动势第三节直流电机的空载磁场磁通分为两部分，绝大部分磁通闭合路径如下图所示，称为主磁通。另一小部分磁通经主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，称为漏磁通。第三节直流电机的空载磁场第三节直流电机的空载磁场 设每极主磁通为

Φ0，漏磁通为

ΦS，则通过每个主极铁心中的总磁通为为主极漏磁系数，其大小与磁路结构有关，通常kS=1.15～1.25第三节直流电机的空载磁场 设每极主磁通为

Φ0，漏磁通为

ΦS，则通过每个主极铁心中的总磁通为

设产生主磁通

Φ0的每对极励磁磁动势为

F0，则由全电流定律有:

Nf

为每个主极上的励磁绕组匝数

第三节直流电机的空载磁场 针对直流电机的特点，为便于求解，将主磁路分为五部分：定、转子之间的气隙电枢齿电枢磁轭主磁极定子磁轭两个气隙，磁路长度为2

，磁场强度为Hδ

。第三节直流电机的空载磁场两个电枢齿，磁路长度为2hz

，磁场强度为

Hz

。第三节直流电机的空载磁场两个主磁极，磁路长度为

2hm

，磁场强度为

Hm

。第三节直流电机的空载磁场一个定子磁轭，平均磁路长度为

Lj

，磁场强度为Hj

。第三节直流电机的空载磁场一个转子(电枢)轭，平均磁路长度为

La

，磁场强度为

Ha。

第三节直流电机的空载磁场第三节直流电机的空载磁场

运用全电流定律，参照磁路计算方法进行求解，求得磁动势F0，以及相应的励磁电流If

第三节直流电机的空载磁场2.

主磁场分布

设电枢表面光滑无齿，气隙磁动势为，x处的气隙长度和气隙磁密分别为

和，则有：第三节直流电机的空载磁场 由于极靴宽度小于极距，主极下的气隙是不均匀的，气隙磁密在一个极下的分布规律如下图所示。

第三节直流电机的空载磁场3.磁化曲线 直流电机的磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线Φ0=f(F0)。

磁化曲线的起始部分基本上是一条直线 随着Φ0的增大，磁通密度不断增加，铁磁材料逐渐开始饱和，磁导率开始下降，磁化曲线出现弯曲，斜率逐渐趋近于零。

第三节直流电机的空载磁场第三节直流电机的空载磁场

为了充分利用导磁材料，电机磁路的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的拐点附近。第三节直流电机的空载磁场

F0与

If

之间只差一个励磁绕组匝数的倍数；当电机转速恒定时，U与

Φ0

之间也只相差一个比例系数。 因此，磁化曲线可表示为

Φ0=f(F0

)

、U=f(If

)

、Φ0=f(If)

或U=f(F0)等多种形式。第四节直流电机的电枢磁场

当电枢绕组中有电流流过时，该电流也会在电机中产生磁场，称为电枢磁场。 下面分别在电刷位于几何中性线和偏离几何中性线两种情况下对该磁场进行分析。第四节直流电机的电枢磁场一．电刷位于几何中性线上只考虑电枢磁场。将电刷直接画在电枢表面被电刷短路的元件边所在的位置，即几何中性线上。如右图所示。第四节直流电机的电枢磁场一．电刷位于几何中性线上

图中，根据右手定则定性地给出了电枢电流所建立的磁场的分布情况。第四节直流电机的电枢磁场 将电枢沿左侧几何中性线处展开成直线，画出电刷和主极，以主极轴线与电枢表面的交点为原点O。第四节直流电机的电枢磁场 在一个极距范围内，取距原点为+x和–x的两点形成一矩形闭合回路，该回路包围的总电流数为

第四节直流电机的电枢磁场由全电流定律可知：

为消耗在该闭合回路各段磁路上的总磁动势。假设磁路不饱和，则铁磁材料中的磁压降可忽略不计，全部磁动势都消耗在两个气隙上，则全电流定律转化为下式：其中，为x处电枢磁动势第四节直流电机的电枢磁场x处的电枢磁动势为为电机的线负荷，表示沿电枢表面单位长度上安培导体数。在一个极距范围内运用上式，可得到电枢磁动势沿电枢表面的分布第四节直流电机的电枢磁场电枢磁动势沿空间的分布为三角形波，奇函数，在主极轴线处过零，在几何中性线处有最大值第四节直流电机的电枢磁场 电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势的轴线也位于几何中性线上，与主极轴线（直轴）正交，故称为交轴电枢磁动势，其最大值用表示。第四节直流电机的电枢磁场 由于主极下的气隙不均匀，并且相邻两主极之间的气隙很大，因此磁通密度的分布曲线为左图所示的马鞍形。第四节直流电机的电枢磁场二．电刷偏离几何中性线

设电刷偏离几何中性线的电角度为，相当于在电枢表面偏移了弧长为的距离，如右图所示。由于电刷总是电流分布的分界点，可以把电枢磁动势分为两部分来讨论。

第四节直流电机的电枢磁场一部分为2角之外的范围内的导体电流产生的交轴电枢磁动势，如左图所示，其最大值为：第四节直流电机的电枢磁场另一部分为范围内的导体电流产生的磁动势，该磁动势的轴线与主极轴线重合，如左图所示。称为直轴电枢磁动势，其最大值为：

第四节直流电机的电枢磁场下图为电刷偏离几何中性线时的电枢磁动势分布曲线。第四节直流电机的电枢磁场

的波形保持不变，但位置从几何中性线向右平移了

的距离。其交轴分量和直轴分量的分布曲线分别如下图所示。第四节直流电机的电枢磁场第四节直流电机的电枢磁场三．电枢反应 电机的负载磁场是由励磁磁场（空载磁场）和电枢磁场共同建立的。电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。 电枢磁场的交轴分量与直轴分量对励磁磁场的作用与影响分别称为交轴电枢反应和直轴电枢反应。

第四节直流电机的电枢磁场1.

交轴电枢反应 电刷在几何中性线上时，电枢磁场只有交轴分量，如下图所示。

第四节直流电机的电枢磁场 下图中为空载气隙磁密。第四节直流电机的电枢磁场为电刷在几何中性线上时电枢磁场产生的气隙磁密。第四节直流电机的电枢磁场为合成气隙磁密波形。第四节直流电机的电枢磁场 从下图可知，合成后的气隙磁场波形发生了畸变，电枢的几何中性线过零点也偏移了一个角度。第四节直流电机的电枢磁场 交轴电枢反应对气隙磁场的影响总结如下：电枢表面磁通密度过零点，即物理中性线偏离几何中性线一个角。对电动机，偏移方向是逆着电枢转向，对发电机，则是顺着电枢转向； 若不考虑饱和影响，合成磁场在每个主极下的磁场， 一半被削弱，一半被加强，总磁通不变，既不去磁，也不 增磁。第四节直流电机的电枢磁场

考虑饱和影响，合成磁场

为左图中的红线所示。被削弱的一半，磁密波形与不考虑饱和时相同；但对于被加强的一半，由于饱和影响，磁密曲线会下降，每极磁通量也会减少，呈现出去磁作用。第四节直流电机的电枢磁场 以电动机为例，当电刷逆电枢转向从几何中性线偏移角度时，直轴电枢磁场与励磁磁场方向相反，起去磁作用。2.

直轴电枢反应 由于直轴电枢磁场轴线与主极轴线重合，其作用只是影响每极磁通的大小。第四节直流电机的电枢磁场 反之，顺电枢转向偏移，直轴电枢磁场将起助磁作用。第五节电枢电动势与电磁转矩一．电枢电动势

电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组每个支路里的感应电动势。求解时可以先求出一根导体切割气隙磁场产生的平均电动势，再乘上支路总导体数，即为电枢电动势。

第五节电枢电动势与电磁转矩 设在每个磁极极距范围内，气隙平均磁密为，极距为，电枢的轴向有效长度为，每极磁通为，则一根导体的平均电动势为气隙平均磁密导体的线速度第五节电枢电动势与电磁转矩 将以上两式代入，可得 电枢电动势为式中为常数，称为电动势常数。电枢电动势与每极磁通量和转速成正比第五节电枢电动势与电磁转矩 将以上两式代入，可得 电枢电动势为式中为常数，称为电动势常数。电枢电动势的方向由电机的转向和主磁场方向决定第五节电枢电动势与电磁转矩例3.5

一台4极直流发电机，电枢绕组是单波绕组，电枢总导体数为360。当转速为2850r/min时，发出的电动势=240V，求气隙每极磁通量。第五节电枢电动势与电磁转矩 解： 电动势常数 由公式，气隙每极磁通为第五节电枢电动势与电磁转矩二．电磁转矩 根据电磁力定律，一根导体所受的平均电磁力为

式中

为导体里流过的电流；

是电枢总电流第五节电枢电动势与电磁转矩二．电磁转矩 根据电磁力定律，一根导体所受的平均电磁力为

式中

为导体里流过的电流；

是支路对数第五节电枢电动势与电磁转矩二．电磁转矩 根据电磁力定律，一根导体所受的平均电磁力为

式中

为导体里流过的电流；

一根导体受平均电磁力的作用而产生的转矩为：

是电枢的直径第五节电枢电动势与电磁转矩 总电磁转矩为： 将代入上式得： 式中，是一个常数，称为转矩常数。直流电动机的电磁转矩与每极磁通和电枢电流成正比第五节电枢电动势与电磁转矩 总电磁转矩为： 将代入上式得： 式中，是一个常数，称为转矩常数。电磁转矩的方向由磁场方向和电流方向决定第五节电枢电动势与电磁转矩三.电动势常数与转矩常数的关系 比较电动势常数和转矩常数，有

即：第五节电枢电动势与电磁转矩 转速

n和角速度

Ω之间存在下述关系 则可得电机常数

第五节电枢电动势与电磁转矩例3.6 一台四极直流电动机，额定功率为150kW

，额定电压为440V，额定转速为850r/min，额定效率为92.0%，单波绕组，电枢总导体数为200

，额定每极磁通为8.8，求额定电磁转矩是多少？第五节电枢电动势与电磁转矩 解： 转矩常数 额定电流 额定电磁转矩第六节直流发电机工作原理一．基本方程电机的基本方程包括电动势平衡方程、转矩平衡方程等。在列写基本方程式之前，首先要规定好各物理量的正方向。左图给出了直流发电机各量的正方向。发电机惯例第六节直流发电机工作原理一．基本方程 根据基尔霍夫第二定律，可得到电动势平衡方程：

电枢电动势

发电机惯例第六节直流发电机工作原理 作用在直流发电机电枢上的转矩共有三个：原动机的输入转矩，电磁转矩和电机的机械摩擦以及铁损耗引起的空载转矩，用表示。空载转矩是一个制动性的转矩，与转速方向相反。

稳态运行时转矩平衡方程为： 电磁转矩：

第六节直流发电机工作原理

发电机的励磁电流

是励磁绕组的端电压，

是励磁回路总电阻。 气隙每极磁通由空载磁化特性和电枢反应而定。以上六个方程就是直流发电机稳态运行的基本方程式。第六节直流发电机工作原理二．功率关系 把电动势平衡方程乘以电枢电流得式中，是直流发电机输出的电功率；是电枢回路总电阻损耗，也称为铜损。式中为发电机从原动机输入的机械功率；为电磁功率；是发电机空载损耗功率，其中是发电机机械摩擦损耗，是铁损耗。第六节直流发电机工作原理 把转矩平衡方程乘以电枢机械角速度，得 即

第六节直流发电机工作原理 从上式中看出，具有机械功率性质的电磁功率转变为电功率性质的电磁功率后输出给负载。第六节直流发电机工作原理 综合以上功率关系，可得

总损耗为：励磁损耗杂散损耗第六节直流发电机工作原理 综合以上功率关系，可得

总损耗为：发电机的效率为第六节直流发电机工作原理例3.7

一台四极并励直流发电机，额定数据为：=6kW，230V，=1450r/min，电枢回路电阻=0.92Ω，并励回路电阻=177Ω，电刷压降2V，空载损耗。试求额定负载下的电磁功率、电磁转矩及效率。第六节直流发电机工作原理 解: 额定电流

励磁电流

电枢电流 电枢电动势第六节直流发电机工作原理

电磁功率

电磁转矩

输入功率

效率

第六节直流发电机工作原理三．他励直流发电机的运行特性 直流发电机的主要的物理量有：电枢端电压、励磁电流、负载电流、转速。一般情况下，转速是恒定的，为额定值。另外三个物理量只要保持一个不变，就可以得出另外两个物理量之间的关系曲线，称之为特性曲线。特性曲线有如下四种：第六节直流发电机工作原理1.空载特性 指的是在转速不变的条件下，空载时电枢电动势与励磁电流的关系，空载特性即为：电枢电动势，因此。与的关系为空载磁化曲线。显然空载特性与电机的空载磁化曲线一致。第六节直流发电机工作原理2.

外特性

保持励磁电流为额定值，改变其负载的大小，端电压U随负载电流变化的曲线即为外特性，如右图中曲线所示。

从曲线可以看出，电流增大，端电压下降。

第六节直流发电机工作原理 由空载到额定负载，电压下降的程度用电压变化率来表示，即% 式中，是空载时的端电压，一般他励直流发电机的电压变化率约为5%~10%。3.调节特性 当负载电流变化时，保持他励直流发电机的端电压不变，需要调节励磁电流：负载电流增大时，励磁电流也增大，调节特性如右图所示。第六节直流发电机工作原理第六节直流发电机工作原理4.效率特性

负载运行时，电枢绕组的铜损耗与正比，称为可变损耗； 铁心损耗和机械损耗与负载大小无关，称为不变损耗。若继续增加负载，可变损耗随着的增大而急剧增加，成为总损耗的主要部分，效率便反而随着输出增大而降低。第六节直流发电机工作原理随着负载增加，增大，效率增高。当可变损耗与不变损耗相等时，可达最高效率。负载很小，很小时，以不变损耗为主，但因输出功率小，效率低。第六节直流发电机工作原理 下图所示为他励直流发电机的效率特性。通常将最高效率点设计在额定点附近。第六节直流发电机工作原理四．并励直流发电机 右图所示为并励直流发电机的接线图。并励发 电机存在着在内部自己建 立电压的过程，称为自励。第六节直流发电机工作原理1.

并励直流发电机的自励条件 下图中曲线1是电机的空载特性曲线，即，曲线2是励磁回路的伏安特性曲线，即关系。

发电机以额定转速运转时，主磁极的剩磁会在电枢绕组产生电动势，并在励磁回路产生励磁电流。第六节直流发电机工作原理

第六节直流发电机工作原理

如果励磁回路极性正确，在磁路里产生的磁通与剩磁方向相同，使主磁路里的磁通增加，于是电枢电动势增大为，电枢端的剩磁电压又增大，产生更大的励磁电流。

第六节直流发电机工作原理该过程不断增长，直到稳定的工作点A。此时，励磁电流与端电压相对应。第六节直流发电机工作原理 曲线

2的斜率为

式中是励磁绕组的电阻；是励磁回路外串的电阻。

第六节直流发电机工作原理

当增大时，角会增大。从下图看出，当大于时，发电机也不能自励。

第六节直流发电机工作原理

对应的励磁回路的总电阻称为临界电阻，用表示，即

第六节直流发电机工作原理 综上所述，并励直流发电机的自励条件为：电机的主磁路有剩磁；励磁绕组极性正确；励磁回路的电阻小于该转速下的临界电阻。第六节直流发电机工作原理2.

外特性曲线 下图中的曲线2是并励直流发电机的外特性曲线。并励时的电压变化率要大得多。第六节直流发电机工作原理2.

外特性曲线并励发电机外特性还有一个特点就是负载电流有“拐弯”现象。第六节直流发电机工作原理2.

外特性曲线第七节直流电动机工作原理一．电机的可逆原理

一台电机在某一种条件下作为发电机运行，而在另外一种条件下又可以作为电动机运行，并且这两种运行状态可以相互转换，称为电机的可逆原理。第七节直流电动机工作原理 一台他励直流发电机向直流电网供电，发电机中各物理量的正方向为右图所示。第七节直流电动机工作原理 发电机把从原动机输入的机械功率转换为电功率输送 给电网。电机的功率和转矩平衡关系为:第七节直流电动机工作原理 如果保持发电机励磁电流不变，撤去原动机，则，。在撤去的瞬间，因发电机有机械惯性，转速来不及变化，作用在电机转轴上仅剩下两个制动性质的转矩和，电机的转速开始下降。 当转速降到某一转速时，感应电势恰好与端电压平衡，即，此时，电枢电流，发电机输出的电功率。第七节直流电动机工作原理 当直流发电机的转速下降到以下，，电枢电流就变为负值，电机从电网输入电流，电机由原来向电网发出电功率变为从电网吸收电功率，即。电磁转矩为负，与转速同方向，成为拖动性质的转矩，直流电机进入电动机运行状态了。

第七节直流电动机工作原理二．他励直流电动机的基本方程

为了方便，当直流电动机运行时，对各物理量的正方向要重新规定，他励直流电动机各物理量采用电动机惯例时的正方向如左图所示。电动机惯例第七节直流电动机工作原理在该正方向下，如果乘积为正，表明向电机输入电功 率；和都为正，电磁转矩为拖动性转矩；输出转矩也为正，电机轴上带的是制动性的阻转矩。第七节直流电动机工作原理 稳态运行时，他励直流电动机的基本方程式为：电动势平衡方程：

第七节直流电动机工作原理转矩平衡方程：以上六个方程就是他励直流电动机的基本方程。各物理量都取决于负载，负载发生变化，各物理量也随之改变。第七节直流电动机工作原理三．直流电动机的功率平衡关系

把电动势平衡方程两边都乘以，得到： 即式中为电动机从电源输入的电功率；为电磁功率，指电功率向机械功率转换；为电枢回路总的铜损耗。第七节直流电动机工作原理 把转矩平衡方程两边都乘以机械角速度，得 即

式中为电磁功率；为电动机转轴上输出的机械功率；为空载损耗，包括机械摩擦损耗和铁损耗 。第七节直流电动机工作原理 他励直流电动机的总损耗 若是并励直流电动机，还应包括励磁损耗。 电动机的效率 式中，是电动机转轴上输出的机械功率。第七节直流电动机工作原理例3.8 一台他励直流电动机，四极，单波绕组，电枢总导体数N=400，电枢回路总电阻。电源电压，电机的转速，气隙每极磁通，此时电机的铁损耗，机械摩擦损耗，忽略附加损耗。计算： (l)感应电动势； (2)电磁转矩； (3)输入功率 (4)效率。第七节直流电动机工作原理 解（1）电枢电势 （2）电枢电流电磁转矩第七节直流电动机工作原理（3）输入功率（4）输出功率 总损耗 效率第七节直流电动机工作原理四．直流电动机的工作特性1.

转速特性当，时，的关系就称为转速特性。由电动势平衡方程式，可得

第七节直流电动机工作原理 转速特性是一条向下倾斜的直线，如下图所示。通常，较小，特性的斜率不大。

1.

转速特性2.

转矩特性当，时，的关系称为转矩特性。电磁转矩与电枢电流成正比。第七节直流电动机工作原理3.

效率特性当，时，的关系叫效率特性。的曲线如左图所示。

第七节直流电动机工作原理3.

效率特性第七节直流电动机工作原理负载电流从零开始增大时，效率逐渐增大；当增大到一定程度后，效率又逐渐减小。3.

效率特性第七节直流电动机工作原理通常，电机在额定功率附近效率最大，此时电机的可变损耗与不变损耗基本相等。第八节直流电动机的机械特性一．机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系，即。不失一般性，在电枢回路中串入电阻。 把式和分别代入电动势平衡方程中，得第八节直流电动机的机械特性式中称为电动机的理想空载转速；称为机械特性的斜率。上式为他励和并励直流电动机的机械特性表达式。第八节直流电动机的机械特性二．固有机械特性 电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时的机械特性，称为固有机械特性。

第八节直流电动机的机械特性 他励和并励直流电动机固有机械特性曲线如下图所示：第八节直流电动机的机械特性 他励和并励直流电动机固有机械特性具有以下几个特点：(1)是一条向下倾斜的直线。随着转矩的增加，转速下降。(2)特性曲线与纵轴的交点，为理想空载转速， 在该点，，，。第八节直流电动机的机械特性(3)特性曲线与横轴的交点，称为起动转矩。此时，起动电流为。和都比额定值大得多。(4)特性曲线斜率。当斜率很小时，特性 较平坦，特性硬；斜率大时，特性较陡峭，特性软。(5)当时，，转速降，为额定转速降。第八节直流电动机的机械特性例3.9 一台他励直流电动机，额定功率，额定电压，额定电流，额定速，电枢回路总电阻，忽略电枢反应的影响，求：(1)理想空载转速；(2)固有机械特性斜率。 (1) 理想空载转速第八节直流电动机的机械特性

解：

(2)由于 斜率第八节直流电动机的机械特性

解：第八节直流电动机的机械特性例3.10

他励直流电动机额定功率，额定电压，额定电流，额定转速，电枢回路总电阻，忽略空载转矩，电动机拖动恒转矩负载运行，计算电动机转速和电枢电流。第八节直流电动机的机械特性 解： 理想空载转速 额定转速降第八节直流电动机的机械特性 负载时转速降 电机运行转速 电枢电流第八节直流电动机的机械特性三．人为机械特性 改变他励和并励直流电动机的参数后得到的机械特性称为人为机械特性。人为机械特性有以下三种：电枢回路串电阻的人为机械特性改变电枢电压的人为机械特性减少气隙磁通量的人为机械特性

第八节直流电动机的机械特性1.

电枢回路串电阻的人为机械特性

电枢加额定电压，每极磁通为额定值，电枢回路串入电阻R后，机械特性为

第八节直流电动机的机械特性

电枢回路串入不同电阻值的人为机械特性如左图所示。

电枢回路串电阻的人为机械特性是一组向下倾斜的放射状直线，均过理想空载转速点，电枢回路串入的电阻值越大，特性斜率就越大。第八节直流电动机的机械特性 与固有机械特性相比，理想空载转速不变，串入的电阻值越大，斜率越大，特性越陡峭。

第八节直流电动机的机械特性2.

改变电枢电压的人为机械特性 保持每极磁通为额定值，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性为

第八节直流电动机的机械特性

理想空载转速随着

U不同而发生变化，并成正比关系。但其斜率不变，与固有机械特性斜率相同。

第八节直流电动机的机械特性 改变电压的人为机械特性如下图所示。

改变电压U的人为机械特性是一组平行直线，随着端电压U的下降，机械特性向下平移。第八节直流电动机的机械特性3.

减少气隙磁通量的人为机械特性

电机磁路接近饱和，改变磁通只能是减少磁通。减小气隙每极磁通的方法是减小励磁电流。 仅改变每极磁通的人为机械特性表达式为 理想空载转速；斜率。第八节直流电动机的机械特性

减少每极磁通的人为机械特性如下图所示。

减少每极磁通的人为机械特性是一组在固有机械特性之上的既不平行又不呈放射状的直线。每极磁通越小，机械特性的位置就越靠上。第九节串励和复励直流电动机一．串励直流电动机串励直流电机的励磁绕组串联在电枢回路中，其原理图如左图所示。励磁电流等于电枢电流，即：第九节串励和复励直流电动机 假设电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流成正比。

式中，是比例常数。第九节串励和复励直流电动机 电机的电磁转矩： 电枢电流： 电枢电流随电机负载而变化，所以磁通也随着负载的变化而不同。第九节串励和复励直流电动机 将上式代入电机的电压平衡方程式，可得串励直流电动机的机械特性表达式为：

如左图中的曲线所示。第九节串励和复励直流电动机 从上式中可以看出，随着电磁转矩增大，转速迅速下降，机械特性呈非线性关系，且特性很软。第九节串励和复励直流电动机直流电动机的机械特性1—他励；2—复励；3—串励随着电磁转矩增大，电流也增加，电机磁路接近饱和，磁通接近常数。此时，串励电动机的机械特性开始变硬，接近于他励电动机的特性。第九节串励和复励直流电动机综上所述，串励直流电动机的机械特性有如下特点：特性呈非线性，且很软；当电磁转矩时，。即理想空载转速很大。因此串励直流电动机不允许空载运行。起动转矩大，过载能力强。第九节串励和复励直流电动机二．复励直流电动机

左图是复励直流电动机的电路图。若其并联的并励绕组与串联的串励绕组极性相同，称为积复励；极性相反，称为差复励。第九节串励和复励直流电动机 积复励直流电动机的机械特性介于他励与串励直流电动机特性之间，具有串励电动机起动转矩大，过载能力强的优点，又避免了空载转速很高的缺点。其机械特性曲线如左图中曲线

2。直流电动机的机械特性1—他励；2—复励；3—串励第十节直流电机的换向一．换向过程

当旋转着的电枢绕组中的某元件从一条支路进入另一条支路时，该元件中的电流将变换方向。把元件中电流方向发生变换的过程称为换向。电刷和换向片宽度分别为、，电刷保持静止，换向器以线速度向左运动。第十节直流电机的换向第十节直流电机的换向当电刷仅与换向片

1接触时，如左图所示，元件

1属于电刷右边的支路，其中电流为，方向为下层边流向上层边。第十节直流电机的换向

随着换向器向左运动，电刷同时与换向片1和2接触，元件

1被电刷短路，如左图所示，换向过程开始。第十节直流电机的换向左图中电刷与换向片

2

完全接触，元件

1属于电刷左边的支路，电流值仍为，从上层边流向下层边，方向相反。第十节直流电机的换向 下图为元件1的理想换向电流曲线。换向周期。通常，的持续时间约为几个毫秒。

换向会直接影响直流电机的运行质量。换向不良会导致电刷与换向器间产生火花。当换向火花超过一定限度时，造成电刷与换向器加剧磨损，严重时会损坏电刷与换向器表面，使电机不能正常工作。

研究表明，换向过程不仅仅是上述电磁过程，还伴随着复杂的化学、热力学、机械等因素，且相互影响，至今尚无完整的理论分析。目前还只能用经典换向理论进行分析。第十节直流电机的换向第十节直流电机的换向二．经典换向理论简介

经典换向理论只考虑换向的电磁过程。

1.

换向元件中的电动势换向元件中存在着两种不同的电动势，下面分别进行讨论。第十节直流电机的换向（1）旋转电动势 设换向区域内的磁通密度为，电枢表面线速度为，换向元件匝数为，元件边长度为，换向元件在换向过程中产生旋转电动势

第十节直流电机的换向（2）电抗电动势

换向元件在换向周期内电流从变为，将在元件中产生试图阻止电流的变化的感应电动势，称为电抗电动势。 换向元件中的电抗电动势包括自感电动势和互感电动势两部分。第十节直流电机的换向 电抗电动势的形式为等效漏电感第十节直流电机的换向 电抗电动势的形式为 综上可知，换向元件中总的电动势应为对于换向良好的电机，和大小相当方向相反，；反之，换向不良时不为零，有可能在电刷下产生火花。第十节直流电机的换向2.

电动势平衡方程及电流变化规律在左图中，i是元件

1中的换向电流，和分别表示其引线

1和2经换向片1和2流过电刷的电流。

第十节直流电机的换向2.

电动势平衡方程及电流变化规律、和分别为