第三章 直流电机

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com22024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com32024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com42024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com52024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com6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!优点调速范围宽广、平滑、经济；过载、起动、制动转矩大。缺点结构复杂、成本高；可靠性较差。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com73.1直流电机的工作原理和基本结构（基础）3.2直流电枢绕组（难点）3.3空载和负载时直流电机的磁场（难点+重点）3.4电枢的感应电动势和电磁转矩（重点）3.5直流电机的基本方程（重点）3.6直流发电机的运行特性（重点）3.7直流电动机的运行特性（重点）3.8

直流电动机的起动、调速和制动

（提高）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com8了解直流电机的基本结构和基本工作原理。学会分析直流电机空载和负载时的磁场以及负载时的电枢反应。掌握直流电机的感应电动势、电磁转矩和基本方程。掌握直流发电机和直流电动机的运行特性。了解直流电动机的起动、调速和制动。本章要求2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com9直流电机的基本结构直流电机的工作原理直流电机的励磁方式直流电机的额定值2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com101直流电机的基本结构整体结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com111直流电机的基本结构整体结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com121直流电机的基本结构二维截面2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com13定子结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com14转子结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com15转子结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com16直流电机定子机座端盖定子主磁极励磁绕组定子铁轭电刷转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴1直流电机的基本结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com17直流电机电路系统电枢绕组励磁绕组换向器电刷磁路系统定子铁轭定子主磁极转子铁轭结构系统机座端盖转轴1直流电机的基本结构2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com18机座和端盖机座：支撑定子端盖：支撑转子2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com19定子主磁极和励磁绕组2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com20定子主磁极和励磁绕组定子主磁极用于安装励磁绕组，是主磁路的一部分极身极靴主磁极由钢板冲片叠压而成励磁绕组套在主磁极极身上2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com21定子主磁极和励磁绕组2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com22电枢铁心和电枢绕组电枢绕组2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com23电枢铁心和电枢绕组电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚)（硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com24电枢铁心和电枢绕组槽展开绕组放置安放磁极、电刷334567891110121314152145678910111213141512SNNSττττ2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com25换向器为什么需要换向器？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com26换向器2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com27电刷固定部分与运动部分间滑动接触直流电机绕线式异步电机同步电机为什么需要电刷？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com28电刷为什么需要换向器和电刷？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com29磁极建立磁场外加直流电压在线圈中产生电流载流导体在磁场中产生电磁力克服阻力旋转对外输出机械能(1)状态一为什么需要换向器和电刷？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com30(2)状态二（相对一旋转180°）直流电源供电电流方向不变旋转180电角度后电磁力方向反向平均电磁转矩为0为什么需要换向器和电刷？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com31(3)两种转子受力状态对比若要维持电磁力方向不变，必须:改变磁极极性改变电流方向二者改变且仅改变一个为什么需要换向器和电刷？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com32(4)两种状态电枢感应电动势对比若要维持电磁力方向不变，必须:改变磁极极性改变电流方向二者改变且仅改变一个2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com332直流电机的工作原理直流发电机和电动机都满足电磁感应定律和电磁力定律两个基本定律。分析发电机时以电磁感应定律为主（转速n已知条件），分析电动机时以电磁力定律为主（电流i为已知）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com342直流电机的工作原理B0π2π3πθ首先分析气隙中磁场的分布和波形四极直流电机简化示意图θ2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com35如右图所示为一台两极直流发电机的简化示意图，其转子与原动机同轴相连接。根据右手定则，在图中所示的旋转方向下，在N极下的导体感应电动势向外，而在S极下的导体感应电动势向里。通过端部连接，最终形成线圈中的感应电动势方向为d—c—b—a。通过换向器与电刷的变换作用，最终输出A为正，B为负直流电。2.1直流发电机的工作原理（机械能电能）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com36如右图所示为一台两极直流电动机的简化示意图，在其电刷AB间施加直流电压（A正，B负）。由于电刷固定，所以电压UAB始终为正。那么通过换向器和电刷的变换作用，始终形成N极下电流向里，S极下电流向外的电流。根据左手定则，电机转子上得电枢绕组将形成如图所示的受力，从而带动转子旋转，输出机械功率。2.2直流电动机的工作原理（电能机械能）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com37结论（1）电机内部（电刷为界）线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。（2）电机外部（电刷两端）电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电发电机电动机交流内电路直流外电路（旋转电路）（静止电路）因此说，直流电机实质上是一台带有换向装置的交流电机2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com382.3直流电动机和发电机的可逆性一台直流电机，既可作发电机运行也可作电动机运行结构一样所处状态，由运行环境决定输出电能为发电机，输出机械能为电动机如何判断直流电机的运行状态？2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com392.3直流电动机和发电机的可逆性电网容量无限大网压U=常数外转矩T1

→转速n旋转感应电势E>U→输出电能,电枢电流Ia

稳定运行（1）发电机运行状态2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com402.3直流电动机和发电机的可逆性（2）电动机运行状态电网容量无限大网压U=常数→Ia

产生电磁转矩感应电势E<U→从电网吸收电能克服阻力T2旋转,输出机械功率稳定运行2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com412.3直流电动机和发电机的可逆性（3）发电机调节到电动机运行初始发电机状态理想空载状态电动机状态2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com422.3直流电动机和发电机的可逆性保持磁场不变，不计电机损耗减小机械输入转矩T1→转速n下降→感应电势E减小→Ia减小/输出电功率减小→电磁转矩减小重新稳定后T1=Tem

，达到新平衡结果输入机械功率减小输出电功率减小初始发电机状态2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com432.3直流电动机和发电机的可逆性理想空载状态减小T1到T1=0，达到新平衡后输入机械功率＝0，电机转速n≠0感应电势E＝U，电枢电流Ia＝0输出电功率＝0结果不将机械能转换成电能也不将电能转换成2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com442.3直流电动机和发电机的可逆性电动机状态在T1=0，再减小T1（T1<0)

→转速n下降→感应电势E减小(E<U)→Ia减小(Ia<0)/输出电功率减小(<0)→电磁转矩减小(<0)输入机械功率<0，输出机械能输出电功率<0，从电网吸收电能结果：电机进入电动机运行状态2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com453直流电机的励磁方式定义：励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按照励磁绕组与电枢绕组的连接关系励磁方式主要包括他励，并励，串励和复励四种类型。Ia=IUfIfEaUIIaIa=I=IfUIIfIaIa=I+IfUIIfIaIa=I+IfIfUIIa他励并励串励复励2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com463直流电机的额定值（1）额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行下的输出功率，以kW表示。对电动机，额定功率是指输出的机械功率；对发电机，额定功率是指输出的电功率。（2）额定电压UN：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。（3）额定电流IN：指额定状态下电枢出线端的电流，以A表示。（4）额定转速nN

：指额定运行时转子的转速，以r/min表示。（5）额定励磁电压UfN

（仅对他励电机）：额定状态时施加的励磁电压2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com47电枢绕组的作用电枢绕组的构成原则直流电枢绕组的分类直流电枢绕组的相关基本概念单叠绕组2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com481电枢绕组的作用及构成原则绕组由一系列元件边和端接线按一定规律排列构成的感应电势和产生电磁力的导体集合作用将导体感应电势有效组织起来将电枢电流有效分布旋转电机实现机电能量转换的枢纽要求产生尽可能大的感应电动势，并且波形良好能通过足够大的电流用以产生并承受足够的电磁力结构简单、连接可靠，制造维护方便2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com491电枢绕组的分类单叠绕组复叠绕组单波绕组复波绕组波绕组叠绕组混合绕组电枢绕组元件2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com502直流电枢绕组的相关基本概念元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。上元件边前端接前端接下元件边首端末端端接有效部分有效部分：置于槽内的直线部分，用以切割主磁极，产生感应电动势的部分。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com512直流电枢绕组的相关基本概念虚槽Qu

：通常把一个上层和一个下层元件边在槽内所占的空间称为一个虚槽。虚槽数Qu=u×Q，u为每个槽上下层各有元件边数若每个槽上下层只有一个元件边，则u=1。

槽数Q：位于电枢铁心中，用来放置电枢绕组绕组元件数S:S=Qu=uQ=K换向片数K一般情况下，u=1则Qu=K=S=QNSy1yyky22024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com522直流电枢绕组的相关基本概念第一节距y1：元件两有效边在电枢表面所跨的距离。y1=τ为

整距绕组（常用）；y1<τ

短距绕组（常用）；y1>τ

为长距绕组。第二节距y2：相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。合成节距y：相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离。叠绕组y=y1-y2；波绕组y=y1+y2换向（器）节距yK：在换向器表面上，同一个元件的出线端所接的两个换向片之间所跨的距离。yK=y2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com532直流电枢绕组的相关基本概念第一节距y1：元件两有效边在电枢表面所跨的距离。y1=τ为

整距绕组（常用）；y1<τ

短距绕组（常用）；y1>τ

为长距绕组。单叠绕组元件

右行

左行

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com542直流电枢绕组的相关基本概念第二节距y2：相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。单叠绕组元件

右行

左行

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com552直流电枢绕组的相关基本概念合成节距y：相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离。叠绕组y=y1-y2；波绕组y=y1+y2单叠绕组元件

右行

左行

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com562直流电枢绕组的相关基本概念换向（器）节距yK：在换向器表面上，同一个元件的出线端所接的两个换向片之间所跨的距离。yK=y单叠绕组元件

右行

左行

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com57单叠绕组元件

右行

左行

单波绕组元件

右行

极距τ第一节距y1第二节距y2合成节距y换向节距yK

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com583单叠绕组的画法及连接规律单叠绕组：所有相邻元件依次串联，同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。y=1，右行；y=-1，左行所有元件电势全部串联成一环状，由电刷分割电刷放在(感应电势为零的元件上)几何中心线上支路为2p偶数，对称单叠绕组元件

右行

左行

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com593单叠绕组的画法及连接规律第一节距y1合成节距y和换向器节距yk第二节距y2

某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为16。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com603单叠绕组的画法及连接规律(1)画槽(实质是元件的有效边)2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com613单叠绕组的画法及连接规律(1)画槽(实质是元件的有效边)2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com623单叠绕组的画法及连接规律(2)放磁极2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com633单叠绕组的画法及连接规律(2)放磁极电枢的几何中心线主磁极轴线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com643单叠绕组的画法及连接规律(3)画换向片2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com653单叠绕组的画法及连接规律(4)连接绕组元件轴线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com663单叠绕组的画法及连接规律(4)连接绕组2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com673单叠绕组的画法及连接规律(5)电动势方向换向器的几何中心线2024/3/13683单叠绕组的画法及连接规律(6)放电刷2024/3/13693单叠绕组的画法及连接规律(6)放电刷2024/3/13703单叠绕组的画法及连接规律(6)放电刷综上可知，电刷应固定放置在换向器上的几何中性线上。对于端接对称的元件，元件轴线、主极轴线和换向器上的几何中性线三线合一，故电刷也就放置在主极轴线下的换向片上。若端接不对称，则电刷应移过与换向器轴线偏离主极轴线相同的角度，即电刷与换向器上的几何中性线总是保持重合。2024/3/13713单叠绕组的画法及连接规律(6)绕组展开图沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com2024/3/13723单叠绕组的画法及连接规律(7)绕组瞬间电路图next图示瞬间电枢绕组的电路图沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com图示下一瞬间电枢绕组的电路图4极电机，Qu=S=K=16单叠右行整距绕组并联支路对数a=2=p

单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路，并联支路数等于极数

2024/3/1373沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.comA1B1A2B2负载AB123456789101213141516Iiaiaiaia1234567891011111213141516++--电动机状态发电机状态A1B1A2B2电源AB123456789101213141516Iiaiaiaia1234567891011111213141516--++4极电机，Qu=S=K=16单叠右行整距绕组并联支路对数a=2=p

单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路，并联支路数等于极数

2024/3/13743单叠绕组的画法及连接规律(8)单叠绕组总结沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同，2a=2p。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。2024/3/13754单波绕组的画法及连接规律(1)单波绕组介绍沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com单波绕组：同一极性下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后在从此换向片出发，继续绕连，一直到把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭合电路为止。2024/3/13764单波绕组的画法及连接规律(1)单波绕组介绍沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com334567891110121314152145678910111213141512SNNSττττ槽展开磁极、电刷放置安放磁极、电刷2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com774极电机，Q=Qu=S=K=15单波左行短整距绕组并联支路对数a=1单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路并联支路数等于2单波绕组展开图2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com782024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com794单波绕组小结单波绕组特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。单叠绕组与单波绕组比较并联支路对数不同每条并联支路所串联的绕组不同2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com805直流电枢绕组总结直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组直流电机电枢绕组至少有2条并联支路单叠绕组a=p即并联支路对数恒等于电机极对数单波绕组a=1即并联支路对数恒等于1电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com812024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com82直流电机的磁场空载磁场（Ia=0）主磁场漏磁场负载磁场（电枢反应）直轴电枢反应交轴电枢反应2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com831直流的空载磁场4极直流电机空载磁场分布电枢绕组电枢铁心定子磁轭主极铁心励磁绕组主磁通：经过气隙，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通，用

表示，它是机电能量转换的桥梁。漏磁通：不经过气隙，不与电枢绕组交链，用表示，它不参与机电能量转换。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com841直流的空载磁场4极直流电机空载磁场分布电枢绕组电枢铁心定子磁轭主极铁心励磁绕组2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com851直流的空载磁场4极直流电机主磁路当励磁绕组的串联匝数为，流过电流为，每极的励磁磁动势为：气隙线磁化曲线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com861直流的空载磁场根据磁路欧姆定律：气隙磁密在一个极下按平顶波规律分布B0NSNS平顶波2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com872直流的负载磁场直流电机的磁场空载磁场（Ia=0）主磁场漏磁场负载磁场（电枢反应）直轴电枢反应交轴电枢反应2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com882直流的负载磁场电枢磁动势：电枢电流产生的磁动势。电枢反应：电枢磁场对主磁场的影响。直轴（d轴）：主极轴线。交轴（q轴）：与直轴正交的轴线。几何中性线：相邻两主极之间的中心线，也就是交轴。物理中性线：电枢圆周上通过圆心和磁通密度为0点的直线。dq几何中性线物理中性线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com89负载磁场：电枢绕组中有电流通过，产生电枢磁场，电机磁场由励磁绕组主磁场和电枢磁场共同合成建立。叠加原理励磁电流形成的主磁场负载磁场电枢电流形成的电枢磁场2直流的负载磁场2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com902直流的负载磁场（1）

电刷在几何中心线上的电枢磁场及电枢反应Fa(x)Ba(x)A称为线负荷：表示电枢圆周表面单位长度上的安培导体数。直轴交轴S电枢的几何中心线直轴N交轴2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com912直流的负载磁场（1）

电刷在几何中心线上的电枢磁场及电枢反应电枢几何中心线物理中心线主磁场电枢磁场气隙磁场负载磁场不计饱和计饱和2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com922直流的负载磁场（1）

电刷在几何中心线上的电枢磁场及电枢反应主磁场电枢磁场气隙磁场交轴电枢反应的性质：

气隙磁场畸变，物理中心线偏离几何中心线一个角度。对于发电机，偏移为顺着电枢转向；对于电动机，则是逆电枢转向。不计饱和时每极磁通量不变。每个主极下一半去磁，另一半增磁；计饱和时每极磁通量减少。使得气隙磁场畸变兼去磁2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com932直流的负载磁场（2）

电刷不在几何中心线上的电枢磁场及电枢反应直轴交轴2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com942直流的负载磁场（2）

电刷放在几何中心线上的电枢磁场及电枢反应交轴电枢磁场直轴电枢磁场电枢磁场交轴电枢磁场直轴电枢磁场2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com952直流的负载磁场（2）

电刷不在几何中心线上的电枢磁场及电枢反应NS运行状态电刷顺旋转方向偏移电刷逆旋转方向偏移发电机电动机电枢反应的作用：交轴电枢反应具有使主磁场畸变和去磁的作用。直轴电枢反应具有增磁或者去磁的作用发电机电动机直轴交轴增磁效应增磁效应去磁效应去磁效应2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com96运行状态交轴电枢磁场直轴电枢磁场发电机气隙磁场畸变兼去磁无电动机气隙磁场畸变兼去磁无运行状态交轴电枢磁场直轴电枢磁场电刷顺向偏移电刷逆向偏移发电机气隙磁场畸变兼去磁去磁增磁电动机气隙磁场畸变兼去磁增磁去磁负载：电刷在几何中心线上负载：电刷不在几何中心线上空载无交轴磁场，仅为直轴磁场（波形为平顶波）小结2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com972024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com982024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com991直流的感应电动势设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路导体感应电势每条支路串联导体数支路感应电势导体切割磁场速度2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1001直流的感应电动势定义平均磁密电枢绕组感应电势2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1011直流的感应电动势大小:性质:发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).电动势常数为电机的结构常数其中：可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1021直流的感应电动势其中，电动势常数：n：r/min当n＝C1时：Ea∝Φ当Φ＝C2时：Ea∝n2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1032直流的电磁转矩设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路电枢绕组总电流为Ia，电枢外径为Da一根导体产生的电磁力每条支路电流一根导体产生的电磁转矩2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com104定义平均磁密电枢绕组产生的电磁转矩电磁转矩2直流的电磁转矩2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com105其中，转矩常数：Te：N.m当Ia＝C1时：Te∝Φ当Φ＝C2时：Te∝Ia2直流的电磁转矩2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1062直流的电动势常数和转矩常数转速与旋转角速度的关系2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com107电磁转矩转矩常数感应电势电势常数3小结2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1082024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com109直流电机感应电动势和电磁转矩方程直流电机机械运动方程直流电机电压电流方程直流电机转矩功率方程2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1101电压方程参考方向的规定：发电机：电动机：

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com111电动势平衡方程＋－＋－1电压方程A.他励直流发电机2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com112B.他励直流电动机1电压方程＋＋－－电动势平衡方程2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1131电压方程并励电动机C.并励直流电动机2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1141电压方程串励电动机D.串励直流电动机2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1152转矩方程NS发电机nT1TeT0Tem

-为电磁转矩发电机情况下，电磁转矩为制动转矩，有T0-为电机本身的机械阻力转矩T1-为原动机的驱动转矩电磁转矩方向和转速方向相反2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com116NS电动机nTeT0T22转矩方程Tem

-为电磁转矩电动机情况下，电磁转矩为驱动转矩，有T0-为电机本身的机械阻力转矩T2

-为电动机的输出转矩电磁转矩方向和转速方向一致2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1172024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1183功率和效率方程通过气隙磁场进行机电能量转换的功率(1)电磁功率=Pem=EaIa

TemΩ2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com119铜耗铁耗机械损耗杂散（附加）损耗(2)损耗空载损耗3功率和效率方程2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1203功率和效率方程发电机：2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1213功率和效率方程电动机：2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com122小结能量关系:机械能转变成电能电能转变成机械能电枢电势:电源电势反电势电磁转矩:制动驱动电势平衡方程:2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com123【例】一台并励直流发电机，电动机的额定数据为：额定功率25kW，额定电压230V，额定转速1455r/min，励磁电阻130Ω，电枢电阻0.15Ω；带额定负载时杂散损耗为3.8％PN，铁耗582W，机械损耗305W，求发电机额定负载时：

（1）电磁功率与电磁转矩；（2）输入功率；（3）效率。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com124（1）解：

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com125（2）输入功率：（3）效率：2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com126输入机械能输出直流电能2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com127直流发电机的运行特性：指发电机在转速不变的情况下，发电机端电压U、负载电流I和励磁电流If三者之间的关系。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1281.1他励直流发电机的空载特性Ea=CenNΦ=U+IaRa=U0U0∝Φ，Φ=f(If)空载特性实质上就是电机的磁化曲线。剩磁电压U0r≈(2～4)%UN空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1291.2他励直流发电机的外特性U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa随着I的增加，有两个因素使端电压U下降：（1）I↗→IaRa↗→U↘（2）I↗→Ia↗→Fa↗→交轴电枢反应↗→去磁效应使Φ↘→U↘IUO2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1301.2他励直流发电机的外特性（续）IUOU0UNIN基本上属于恒压源2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1311.3他励直流发电机的调整特性If0U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa随着电枢电流I的增加，端电压U有下降的趋势。为了维持U=UN，必须使：If↗→Φ

↗→Ea↗IIf0IfNIN2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1321.4他励直流发电机的效率特性不变损耗p0＝机械损耗pΩ＋基本铁耗pFe＋杂散损耗pΔ可变损耗pCu＝基本铜耗pCua＋电刷损耗psP2ηOPNηN2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1332.1并励直流发电机的自励并励发电机并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRaUf

=U=Rf

IfΦ=f(If)2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1342.1并励直流发电机的自励（续）阶段1阶段2BA2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com135自励产生过程剩磁2.1并励直流发电机的自励（续）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1362.1并励直流发电机的自励（续）AIf0U0O励磁电阻线U0r磁化曲线临界电阻线（1）电机必须有剩磁；（2）励磁磁动势的方向必须与剩磁的方向一致；（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。ΦrΦf并励发电机的自励条件：1.自励发电机的电路结构特点：电枢绕组和励磁绕组可以构成一个闭合回路；2.当转子在原动机的拖动下，切割剩磁磁场，从而产生感应电动势，并且在闭合回路当中产生电流Ia=If；3.分两种情况，如果励磁电流所产生的磁场与剩磁磁场方向相反，则使得磁通减小，导致电动势下降，电流下降，最后整个电动势为0，电流为0，自励失败4.反之，如果励磁电流所产生的磁场与剩磁磁场方向相同，则使得磁通增加，导致电动势增加，只要U0大于IfRf，则电流处于增加状态，最后当线端电压等于励磁绕组电阻压降的时候，完成自励的状态2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1382.2并励直流发电机的外特性当n=nN，Rf

=C时：U=f(I)U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa与他励发电机比较，随着I的增加，还有第三个因素使端电压U下降：U↘→If↘→Φ↘→Ea↘→U↘↘并励直流发电机：ΔuN≈20％UNINIkIUOU0他励并励根据：I=U/RL≈Ea/(Ra+RL)(1)RL↘→I↗→U↘(2)RL↘↘→U↘↘→If↘↘→Ea↘↘→I↘→拐弯(3)当U=0时：I=Ik，稳态短路电流不大。IfUEaI+-IaRfRL2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1392.2并励直流发电机的外特性UNINIkIUOU0他励并励特点1：负载增大时，端电压下降厉害对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降特点2：发电机短路时，端电压等于零，于是励磁电流也等于零，电枢的短路电流仅由剩磁电动势所引起的，所以稳态短路电流不大2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1403复励直流发电机的外特性复励：既有并励绕组，又有串励绕组的励磁方式。积复励：串励磁动势与并励磁动势的方向相同。差复励：串励磁动势与并励磁动势的方向相反。IfEaI+-IaUUIOINUN差复励欠复励平复励过复励积复励2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1413复励直流发电机的外特性复励发电机外特性一般采用积复励并励占主要作用串励补偿电枢反应的去磁作用电枢回路的电阻压降①

平复励发电机当I

=IN时的UN

=

U0。

②

过复励发电机当I

=IN时的UN＞U0。③

欠复励发电机当I

=IN时的UN

＜U0。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com142输入直流电能输出机械能2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com143工作特性机械特性（转矩-转速特性）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1441.1并励直流电动机的工作特性—转速特性前提：U=UN，If=IfN

(Rf

=C)电枢反应有去磁作用使转速趋于上升总体作用使转速略有下降励磁回路不允许断开！2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1451.2并励直流电动机的工作特性—转矩和效率特性转矩特性效率特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。并励电动机的工作特性Te和P2之间近似线性，略微上翘2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1461.3并励直流电动机的机械特性TeN前提：U=UN，Rf

=C；分析：n＝f(Te)TeOnn0RaR’aR”aRa<R’a<R”a硬特性软特性2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1471.3并励直流电动机的机械特性I’fTeNTeOnn0RaR’aR”aIf=CRa<R’a<R”an0IfI”fRa=CIf>I’f>I”fTeOnTeN结论：增加电枢回路电阻Ra，机械特性变软，转速下降。增加励磁回路电阻Rf，机械特性变软，转速升高。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1482.1串励直流电动机的工作特性前提：U=UN，Ia=Is=I；分析：n,Te,η=f(Ia)n=f(Ia)IaOTe=f(Ia)η=f(Ia)串励电动机不允许空载运行！2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com149前提：U=UN，Ia=Is=I；分析：n=f(Te)n=f(Te)TeOn2.2串励直流电动机的机械特性2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com150RsTeOnR’sR”sRs<R’s<R”s结论：随着电磁转矩Te的增加，串励电动机的转速n迅速下降，其机械特性为软特性。串励回路电阻Rs越大，机械特性越软。2.2串励直流电动机的机械特性1.串励电动机不能运行在空载状态，原因是：从特性曲线上可以看出空载时会造成飞车，所以不适合采用皮带或链条拖动机械负载；2.适合做火车的牵引电机；2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1523他励直流电动机的机械特性前提：If=C；分析：n＝f(Te)TeOnU1>UN>U2>U3UNTeNU1U2U3一组平行线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1534电力拖动系统稳定运行的条件拖动系统的稳态问题是指：由于某种扰动引起系统的转速发生变化，当扰动消失后，系统能否回复到原先状态下持续运行的稳态。能复原：稳定，否则不稳定。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1544电力拖动系统稳定运行的条件不稳定平衡稳定平衡平衡状态平衡状态2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1554电力拖动系统稳定运行的条件1.某种扰动使转速增加(A点)2.对应的Tem下降，而TL却增大，从而使系统的转速趋于下降，一旦扰动消失，系统的转速将回复到原先的转速1.某种扰动使转速增加(B点)2.对应的Tem增加，TL增加，当电磁转矩增量超过负载制动转矩的增量，使转速进一步上升，最后引起飞车2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1564电力拖动系统稳定运行的条件下降的机械特性曲线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1571直流电动机的起动起动：通电后，转速从零达到稳态转速的过程。起动要求起动转矩大起动电流小起动设备简单可靠、经济2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1581直流电动机的起动起动转矩大起动电流小矛盾直接起动电枢回路串电阻起动降压起动2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1591直流电动机的起动2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1601直流电动机的起动—注意事项分析：不限流电流冲击机械冲击起动时必须先保证有磁场(先加励磁电流);保证必须的起动转矩，起动时磁通为最大(满励磁);起动开始时应限流。可达额定电流的10~20倍2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1611)改变电枢电压调速2)电枢电路串附加电阻调速3)改变励磁调速2直流电动机的调速2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1622直流电动机的调速(1)调速定义

根据工作机械的要求人为改变电动机的转速。

(2)调速系统分类速度控制系统、位置控制系统、张力控制系统、多电机同步控制系统（控制的要求）有级调速与无级调速（调速的平滑性）向上调速和向下调速（调速的方向性）恒转矩调速和恒功率调速（适应负载要求）2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1632.1他励直流电动机的调速(1)基于电枢电压调节的机械特性他励直流电动机调压调速机械特性是一族平行的曲线2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1640

n

n0

T

TL

n1

n2

n3

U=UN

U=U1<UNU=U2<U1

改变电枢电压调速过程2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com165改变电枢电压调速方法特点:1）调节平滑，可以实现无级调速。2）人为特性硬度大，稳定性好。3）可以调节至较低转速，调速范围大。4）属于恒转矩调速方式。5）工业中应用广泛。6）调速只能在固有特性之下。

2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1662.1他励直流电动机的调速(2)基于电枢回路串电阻的机械特性1)Rs越大特性越软，静差越大。2)所有串电阻的机械特性都在固有机械特性之下。电枢串调速只能在固有特性之下进行。2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com167OT

nn0

TL

M电枢回路串电阻调速的过程MMM2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com168电枢回路串电阻调速的优缺点优点方法简单控制设备简单缺点1）空载或轻载时调速范围小，效果不明显2）低速调速实现困难，越低特性越陡（特性软，易出现波动）3）调速不平滑，只能有级调速4）电阻消耗大量电能2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com169两种方法实际上都改变电枢电压串联电阻调速，将一部分电压加在所串的电阻上，剩余部分加在电枢上改变电枢电压调速，直接改变电枢上的电压，没有额外的能量损失串联电阻调速方法简单，成本低效率低，电阻上能量白白消耗改变电枢电压调速可控性好，效率高需要增添设备，初期成本高改变电枢电压与串联电阻调速比较2024/3/13沈启平，TelEmail:shenqp1983@163.com1702.1他励直流电动机的调速(2)基于励磁调节的机械特性磁场越弱，机械特性越软。0

I