《电机应用与检修》课件-第1章 直流电机

电机应用与检修今日主题Topic1——课程基本情况Topic2——1.1直流电机基本原理与结构课程性质学习内容及考核形式几点注意事项123Topic1——课程基本情况：公共基础课专业基础课专业课学习内容1—5章为主考试形式考试课。平时成绩40%，期末测试60%。第1章直流电机1.2电磁转矩和电枢电动势1.3直流电机运行原理1.4直流电机的换向1.1直流电机基本工作原理与结构1.1直流电机基本原理与结构直流电机是一种旋转电器，完成直流电能与机械能的转换。直流电机直流电动机：将直流电能转换成机械能。直流发电机：将机械能转换为直流电能。具有调速性能好，过载倍数大，控制性能好的特点，但结构复杂，成本高，维护困难。1.1.2基本结构1.1.3额定值和主要系列1.1.1直流电机基本工作原理1.1直流电机基本原理与结构直流电动机模型一、直流电动机的基本工作原理（通电导线在磁场中受到力的作用）固定磁极线圈电刷换向器1.1.1直流电机基本工作原理分析：无换向器时的工作状态图一（1）受力分析：由左手定则得：线圈ab受力向上，cd受力向下，这两个力不是平衡力。（2）运动分析：在这对力作用下，线圈做顺时针运动。（1）受力分析：由左手定则得：线圈ab受力向上，cd受力向下，这两个力是平衡力。（2）运动分析：由于惯性，线圈再顺时针转过一点。图二（1）受力分析：由左手定则得：线圈ab受力向上，cd受力向下，这两个力不是平衡力。（2）运动分析：这对力阻碍线圈顺时针转动，甚至使线圈反转。线圈最终停在平衡位置。图三（3）结论：无换向器，线圈不能在磁场中持续转动。分析：有换向器时的工作状态（1）受力分析：由左手定则得：线圈ab受力向上，cd受力向下，这两个力不是平衡力。（2）运动分析：在这对力作用下，线圈做顺时针运动。图一（1）受力分析：线圈转过90度时，换向器与电刷没接触，线圈不受力。（2）运动分析：由于惯性，线圈将继续转动。图二（3）换向器：线圈转过90度后，换向器换向，线圈上电流发生变化。（1）受力分析：线圈转过90度后ab受力向下，cd受力向上。（2）运动分析：线圈将继续顺时针转动。（3）结论：换向器能自动改变线圈中的电流方向，从而使线圈能不停地转动下去。图三图一电流方向分析：线圈ab中的电流由b->a，cd中的电流d->c。负载中的电流方向由上到下。二、直流发电机的基本工作原理（通电导线切割磁力线运动产生电流）通过机械能带动线圈在磁场中转动切割磁力线来产生电动势图二电流方向分析：线圈转过180

°后，

ab中的电流由a->b，cd中的电流c->d。负载中的电流方向由上到下。结论：1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电，线圈中感应电势与电流方向一致。2）电刷间为直流电。三、直流电机的可逆性从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可作为电动机运行，也可作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为可逆原理。1.1.2直流电机基本结构直流电机可以分为静止和转动两大部分。静止部分称为定子，转动部分称为转子，这两部分之间称为气隙。直流电机定子转子主磁极（励磁绕组、主极铁心）换向极（绕组、铁心）机座端盖电刷装置电枢绕组电枢铁心换向器转轴风扇1.1.2基本结构轴1.1.2基本结构直流电机基本结构图1—轴承；2—轴；3—电枢绕组；4—换抽极绕组；5—电枢铁心；6—后端盖；7—刷杆座；8—换向器；9—电刷；10—主磁极；11—机座；12—励磁绕组；13—风扇；14—前端盖一.定子部分1、主磁极

其作用是产生恒定的主磁场，绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。铁心的上部叫极身。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N、S极交替出现。主磁极1－主极铁心2－励磁绕组3－机座2、机座

机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。机座3、换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。4、端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。5、电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，如图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。1刷握；2铜丝辫；3压紧弹簧；4电刷二、转子部分1、电枢铁心电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。2、电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。线圈在槽内安放示意图1、2—上层有效边；3—下层有效边；4—线圈尾端；5—端接部分；6—线圈首端3、换向器换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。云母环V型套筒换向片连接片1－换向片；2－垫圈；3－绝缘层；4－套筒；5－螺帽12345换向片换向器切面图三、直流电机的气隙在静止的主磁极与电枢之间，有一空气间隙，由于空气的磁阻较大，因而它在电机的磁路中有重要的影响。小型电机的气隙约为1~3mm，大型电机的约为10~12mm。1.1.3额定值和主要系列1.直流电机的额定值额定值：是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。该条件下可保证设备安全、高效、长期地使用。应尽量使电机工作于额定状态。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各设备的铭牌上，故又叫铭牌值。1.额定功率PN

额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是指电枢输出的电功率。单位为kW(千瓦)。2.额定电压UN额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V(伏)。3.额定电流IN额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安培)。4.额定转速nN额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为r/min(转/分)。注意:对于直流发电机：PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN

对于直流电动机：PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN，ηN

是直流电机的额定效率。欠载运行额定运行状态过载运行运行效率低，浪费过热损坏机器电机利用充分，运行可靠1.3.1直流电机的励磁方式1.励磁方式定义直流电机励磁绕组的供电方式（接线方式）称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励和自励（串励、并励和复励）。他励——励磁电流由其他直流电机单独供给的称为他励。自励——电机的励磁电流由电机自身供给的称为自励。不同励磁方式的直流电机有不同的特性。2.直流电机分类按照励磁方式的不同，直流电机可以分为4类：（1）他励直流电机（2）并励直流电机励磁绕组采用单独的直流电源供电。励磁绕组与电枢绕组并联。－－电枢电流－－额定电流（回路电流）－－励磁电流注：（3）串励直流电机（4）复励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组分两部分，一部分与电枢绕组并联，一部分与电枢绕组串联。两部分产生的磁场方向相同称为积复励，方向相反称为差复励。短分接法长分接法二、直流电机的主要系列

所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系列电机，我国目前生产的直流电机的主要系列有：Z3系列:为一般用途的小型直流电机系列，是一种基本系列。“Z”表示直流，“3”表示第三次改型设计。ZF和ZD系列:为一般用途的中型直流电机系列。“F”表示发电机，“D”表示电动机。

ZZJ系列:为起重、冶金用直流电动机系列。此时还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机和发电机系列等。1.2电磁转矩和感应电动势一、电枢绕组的电磁转矩补充：什么是力矩？作用力使物体绕转动轴或支点运动的趋向。单位：N·m（牛顿·米）1、电磁转矩的定义电枢绕组中所有通电导体在磁场中受电磁力产生力矩的总和，代表了电动机的原始拖动力矩。物理意义：电磁力与电枢铁心半径之积。2、计算总的电磁转矩为：式中，为直流电机的转矩常数，取决于电机结构。Φ为每极磁通，Ia为电枢电流电磁转矩式子表明：电磁转矩与每极磁通和电枢电流成正比。1.4感应电动势和电磁转矩2.电枢绕组的电磁转矩总的电磁转矩为：式中，为直流电机的转矩常数，取决于电机结构。电磁转矩式子表明：电磁转矩与每极磁通和电枢电流成正比。3.电磁功率功率可以表示为转矩和转动角速度的乘积，克服电磁转矩所消耗的机械功率称为电磁功率。电磁功率是直流电机中进行能量转换的桥梁和纽带。1.2感应电动势和电磁转矩1.电枢绕组的感应电动势电枢电动势——直流电动机正、负电刷之间的感应电动势，即电枢绕组每个支路里的感应电动势。相对一个元件：感应电动势的大小和方向都在变化（所处支路在变）。相对一个支路：所含元件数量相同，支路的电动势相同且方向不变。算法：①求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均电动势eav；②乘上一个支路里总的导体数N/2a；③得电枢电动势Ea=eav·N/2a。1.4感应电动势和电磁转矩1.电枢绕组的感应电动势一个磁极极距范围内的平均磁密度：一根导体内的平均电动势为：注：——电枢导体的有效长度（槽内部分）；

——一个磁极下气隙磁密的平均值；

——电枢表面的线速度，单位：m/s；

——电枢转速，单位：r/min;

——极对数。1.4感应电动势和电磁转矩1.电枢绕组的感应电动势设电枢绕组总的导体数为N（N=2SNy），则每一条并联支路总的串联导体数为N/2a，因此电枢绕组的感应电动势为：式中：，称为直流电机的电动势常数，取决于电机结构。上式表明：电枢电动势与每极磁通和转速成正比。1.4感应电动势和电磁转矩2.电枢绕组的电磁转矩在直流电机中，当电枢绕组中有电流流过时，会与气隙磁场相互作用产生电磁力，从而产生电磁转矩。磁场越强，电流越大，电磁转矩越大。一根导体所受的平均磁力：导体里的电流：——电枢总电流——支路对数一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，大小为：

为直流电机的电枢直径，大小为：1.3.2直流电机的空载磁场电机运行时磁场：励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组等共同产生。空载运行：直流电机不带负载(即不输出功率)空转时的状态。空载运行时，励磁绕组里有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。主磁场：由励磁绕组通以直流励磁电流单独产生，也即是空载磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布如下图所示：励磁绕组主磁通漏磁通气隙1.3.2直流电机的空载磁场1.主磁通和漏磁通磁通选择导磁回路的原则：最小磁阻最短磁路主磁通：当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极铁芯气隙电枢齿电枢铁心的磁轭(电枢磁轭)

S极下的电枢齿气隙S极铁芯机座(定子磁轭)N极铁芯，形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用Φ0表示。1.3.2直流电机的空载磁场1.主磁通和漏磁通主磁路：主磁通经过的路径。包括：主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分。漏磁通：有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以Φσ表示。漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。1.3.2直流电机的空载磁场2.空载磁场气隙磁密分布曲线主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，而主磁极下气隙磁密的分布又取决于气隙δ大小的分布情况。几何中性线极靴极身极轴线有关技术术语：极轴线:是将每个主磁极分成左右对称两部分的直线；

几何中性线：相邻两个主磁极之间的几何分界线，到两个主磁极轴线的距离相等；气隙磁通：经过气隙进入电枢铁芯的磁通。1.3.2直流电机的空载磁场2.空载磁场气隙磁密分布曲线注：1——均匀气隙时的气隙磁密

2——不均匀气隙时的气隙磁密

气隙磁通密度：假定：电枢表面光滑；铁芯磁阻较小。空载磁场气隙磁密分布曲线极身极靴几何中线几何中线漏磁通主磁通气隙形态气隙磁密分布主磁通与漏磁通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。因此，空载气隙磁通密度分布为一礼帽形的平顶波。电枢表面磁通密度与气隙长度成反比1.3.2直流电机的空载磁场3.直流电机的空载磁化特性在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，要求气隙磁场在每个极下有一定数量的主磁通，称为每极磁通Ф

。这就要求在设计电机时进行磁路计算，以确定产生一定数量气隙每极磁通Ф需要加多大的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数Ny一定时，需要加多大的励磁电流If。我们把空载时气隙每极磁通Ф与空载励磁磁通势Ff0或空载励磁电流If0的关系，即Ф＝f(Ff

0)或Ф＝f(If0)，称为直流电机的空载磁化特性。磁化曲线：表示磁通与励磁电流的关系的曲线。1.3.2直流电机的空载磁场3.直流电机的空载磁化特性由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时有饱和现象，磁阻是非线性的，电机中的磁场一般选择在临近饱和状态。因此额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。曲线特性：

■较小时，铁芯磁阻较小，与呈线性关系；

■增大时，铁芯饱和，磁阻增加，曲线出现饱和。磁化曲线NS电枢磁场1.3.3直流电机的电枢反应1.电枢反应的定义直流电机的负载运行时，电枢绕组中有电流通过，将产生电枢磁场，从而对气隙磁场产生影响。直流电机负载运行时，电枢磁动势对气隙磁场的影响叫做电枢反应。负载运行时的磁场是由电枢磁场和主磁极磁场合成。2.直流电机的电枢磁场

当电机在负载下运行时，电枢绕组中有负载电流流过，电枢电流产生的磁场称为电枢磁场。电枢磁场的磁力线由电枢铁芯出发气隙

主磁极铁芯

气隙电枢铁芯形成一个闭合回路。1.3.3直流电机的电枢反应2.直流电机的电枢磁场

当电机在负载下运行时，电枢绕组中有负载电流流过，电枢电流产生的磁场称为电枢磁场。二极直流电机的电枢磁场■以电刷为极轴线，电刷处（几何中性线）磁动势最强，主磁极轴线处电枢磁动势为零;■电枢磁动势轴线与主磁极轴线正交，称为交轴电枢磁动势。特点：1.3.3直流电机的电枢反应3.电枢磁场的磁通密度分布电枢展开图

－磁动势波形

－磁通密度波形主磁极下，和基本成正比，与成反比；极靴下气隙变化很小，在极尖处，由于气隙增大，

反而减小，波形出现凹槽，呈马鞍形。根据磁路的欧姆定律，得电枢磁场密度的表达式为：式中：为气隙中x处的磁密；

为气隙中x处的磁势。1.3.3直流电机的电枢反应4.负载时的气隙合成磁场nn′NSmm′两极电机的主磁场（1）几何中性线nn´（2）物理中性线mm´

在电枢电流为零的情况下，主极磁场的nn´和mm´是重合的。NS电枢磁场1.3.3直流电机的电枢反应4.负载时的气隙合成磁场（1）直流发电机的电枢反应NS直流发电机电枢磁场NS直流发电机主磁场NS直流发电机合成磁场nn′m′mβ1.3.3直流电机的电枢反应4.负载时的气隙合成磁场（2）直流电动机的电枢反应NS直流电动机主磁场nn′NS直流电动机电枢磁场NS直流电动机合成磁场mm′β1.3.3直流电机的电枢反应4.负载时的气隙合成磁场（3）电枢反应的磁通密度分布曲线主磁场（空载磁场）的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线－励磁磁场；－电枢磁场；－负载合成磁场（气隙磁场）1.3.3直流电机的电枢反应5.电枢反应的影响使气隙磁场发生畸变负载后由于电枢反应的影响，每一磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，磁通密度曲线与空载时不同。对于发电机，是前极端（电枢进入端）的磁场削弱，后极端（电枢离开端）的磁场加强；对于电动机，则反之。对主磁场起去磁作用不考虑磁路饱和时，主磁场被削弱的数量等于被加强数量，但实际中，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁芯磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。

气隙此磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对于发电机，是顺转方向偏离；对于电动机，是逆转方向偏离。1.5直流电动机1.直流电动机的基本方程式以他励（并励）直流电动机为例。接通直流电源时，励磁绕组中流过励磁电流If，建立主磁场，电枢绕组中流过电枢电流Ia，电枢元件导体中流过支路电流ia，与磁场作用产生电磁转矩Tem，使电枢朝Tem的方向以转速n旋转。电枢旋转时，电枢导体又切割气隙合成磁场，产生电枢电动势Ea，在电动机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相反，称为反电动势。下面分别讨论当电动机稳态运行时，电动机的电势、功率与转矩平衡关系。1.5直流电动机1.直流电动机的基本方程式（1）电压平衡方程式根据右图中用电动机惯例所设各量的正方向，用基尔霍夫电压定律，可以列出电压平衡方程式式中：Ra为电枢回路电阻，其中包括电刷和换向器之间的接触电阻。此式表明：直流电动机在电动机运行状态下的电枢电动势Ea总小于端电压U。1.5直流电动机1.直流电动机的基本方程式（2）转矩平衡方程式稳态运行时，作用在电动机轴上的转矩有三个：一个是电磁转矩Tem，方向与转速n相同，为拖动转矩；一个是电动机空载转矩T0，是电动机空载运行时的阻转矩，方向总与转速n相反，为制动转矩；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩T2，即电动机轴上的输出转矩，一般亦为制动转矩。稳态运行时的转矩平衡关系式为拖动转矩等于总的制动转矩，即1.5直流电动机1.直流电动机的基本方程式（3）功率平衡方程式将电压平衡方程式式两边乘以电枢电流Ia，得可写成式中：P1=UIa为电动机从电源输入的电功率；PCua=I2aRa为电枢回路的铜损耗；Pem=EaIa为电磁功率。又由式中：Ω=2πn/60，是电动机的机械角速度，单位为rad／s。1.5直流电动机1.直流电动机的基本方程式（3）功率平衡方程式从上式中Pem=EaIa可知，电磁功率具有电功率性质；从Pem=TemΩ可知，电磁功率又具有机械功率性质，其实质是因为电磁功率属于电动机由电能转换为机械能的那一部分功率。将转矩平衡方程式两边乘以机械角速度Ω，得可写成1.5直流电动机1.直流电动机的基本方程式（3）功率平衡方程式式中：Pem=TemΩ为电磁功率；P2=T2Ω为轴上输出的机械功率；P0=T0Ω为空载损耗，包括机械损耗pΩ和铁损耗pFe，此外还有励磁绕组的铜损耗pCuf，称为励磁损耗。并励直流电动机的功率平衡方程为：其中∑p=pCua+pCuf+pFe+pΩ，为并励直流电动机的总损耗。1.5直流电动机2.他励（并励）直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压U=UN

，励磁电流If=IfN，电枢不串外加电阻时，转速n、电磁转矩T、效率η分别与输出功率P2之间的关系。由于电枢电流的大小与输出功率成正比，因而为了简化分析，工作特性中通常用Ia代替P2

。（1）转速特性当U=UN、Iƒ=IƒN(Φ=ΦN)时，转速n与电枢电流Ia之间的关系称为转速特性。将电动势公式代入电压平衡方程式，可得转速特性公式可见，如果忽视电枢反应的影响，保持Φ=ΦN不变，则Ia增加时，转速n下降。但因Ra一般很小，所以转速n下降不多，n=f（Ia）为一条稍稍向下倾斜的直线，如下图中的曲线所示。如果考虑负载较重、Ia较大时电枢反应去磁作用的影响，则随着Ia的增大，Φ将减小，使转速特性出现上翘现象。1.5直流电动机2.他励（并励）直流电动机的工作特性（1）转速特性并励电动机的工作特性1.5直流电动机2.他励（并励）直流电动机的工作特性（2）转矩特性当U=UN、Iƒ=IƒN(Φ=ΦN)时，电磁转矩Tem与电枢电流Ia之间的关系称为转矩特性。由 可知，不考虑电枢反应影响时，Φ=ΦN不变，Tem与Ia成正比，转矩特性为过原点的直线。如桌考虑电枢反应的去磁作用，则当Ia增大时，转矩特性略为向下弯曲。1.5直流电动机2.他励（并励）直流电动机的工作特性（3）效率特性η=f(Ia)当U=UN、Iƒ=IƒN时，效率η与电枢电流Ia的关系称为效率特性。他励直流电动机效率：上式中的铁损耗pFe是电机旋转时电枢铁心切割气隙磁场而引起的涡流损耗与磁滞损耗之和，其大小决定于气隙磁密与转速；机械损耗pΩ包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗，其大小主要决定于转速；励磁绕组的铜损耗p

Cuf=UIf

，每极磁通不变时，If不变，pCuf

也不变。由此可看出，以上三种损耗都不随电枢电流变化，亦即不随负载变化的，通常将这三种损耗之和称为不变损耗。电枢回路的铜损耗pCua

=Ia2Ra，与电枢电流的平方成正比，亦即随负载的变化明显变化，故称为可变损耗。1.5直流电动机2.他励（并励）直流电动机的工作特性（3）效率特性η=f(Ia)当电枢电流Ia开始由零增大时，可变损耗增加缓慢，总损耗变化小，效率η明显上升；忽略式中的If（因If<<Ia)时，可由dη/dIa＝0求得当Ia增大到电动机的不变损耗等于可变损耗，即当pCuf+pFe+pΩ=I2aRa时，电动机的效率达到最高。Ia再进一步增大时，可变损耗在总损耗中所占的比例增大，可变损耗和总损耗都将明显上升，使效率η反而略为下降。一般电动机在负载为额定值的75％左右时效率最高。1.5直流电动机3.串励直流电动机的工作特性（1）转速特性

因为Ia=If，当Ia较小时，磁路没有饱和，Φ=kfIf=kfIa，代入上式可得式中： ，为常数；kf

为磁通与励磁电流的比例系数。1.5直流电动机3.串励直流电动机的工作特性（1）转速特性

由上式可知。电枢电流不大时，串励直流电动机的转速特性具有双曲线性质，转速随电枢电流增大而迅速降低。当电枢电流较大时，由于磁路趋于饱和，磁通近似为常数，转速特性与并励时相似，为稍稍向下倾斜的直线。要注意的是当电枢电流较小时，电动机的转速将升的很高，因为Ia较小时，气隙磁通Φ

和电阻压降IaR'a均很小，为使Ea=CeΦn

能与电源电压U相平衡，转速n

必须很高才行。理论上，Ia

接近于零时，电动机转速将趋近于无穷大，导致转子损坏，所以串励直流电动机不允许在空载或轻载下运行。1.5直流电动机3.串励直流电动机的工作特性串励时，电动机的转矩公式：（2）转矩特性式中：CT′=CTkf，对已制成的电机，磁路不饱和时为常数。当磁路不饱和时，Tem∝I2a；当磁路饱和时，Φ为常数，Tem∝Ia，一般可看成Tem∝I2a，Tem按大于一次方的比例增加。上式表明：电磁转矩与电枢电流的平方成正比，转矩特性如图中的曲线所示。这一特性使串励直流电动机在同样电流限值（一般为额定电流的2倍左右）下具有比他励直流电动机大得多的起动转矩和较大转矩，适用于起动能力或过载能力要求较高的场合，如拖动闸门、电力机车等负载。1.5直流电动机3.串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的效率特性与并励直流电动机相同。（3）效率特性

串励电动机的工作特性1.6直流发电机1.直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式包括电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式。（1）电动势平衡方程式以他励直流发电机为例。此式表明：直流发电机在运行状态下的电枢电动势Ea应大于端电压U。（2）转矩平衡方程式式中：T1为原动机的拖动转矩；Tem为电磁转矩；T0为发电机的机械损耗及铁损耗引起的空载损耗转矩。1.6直流发电机1.直流发电机的基本方程式（3）功率平衡方程式将转矩平衡方程式乘以电枢机械角速度w，得：可写成：式中：，为原动机传输给发电机的机械功率，即输入功率；，为发电机的电磁功率；为发电机的空载损耗功率，包括机械损耗pmec和铁损耗pFe。1.6直流发电机1.直流发电机的基本方程式（3）功率平衡方程式电磁功率Pem又由电动势平衡方程式两边乘以电枢电流Ia得：即：式中：P2=UIa，为发电机输出的功率；PCua=Ia2Ra，为电枢回路的铜损耗。功率平衡方程式为：总损耗为：效率为：1.6直流发电机2.他励直流发电机的运行特性直流发电机运行时，可以测得的物理量有发电机的端电压U、负载电流I（他励时I=Ia）、励磁电流If和转速n。一般发电机都应在额定转速nN下运行，则其它三个物理量之间的关系就用来表征发电机的特性。（1）空载特性定义：当n=nN、Ia=0时，端电压U0与励磁电流If之间的关系U0=f（If）称为空载特性。直流发电机的空载特性是非线性的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。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1.6直流发电机2.他励直流发电机的运行特性（2）外特性定义：当n=nN、

If=Ifn

时，端电压U

与负载电流I

之间的关系U

=f（I）称为外特性。他励发电机的外特性是条略微下垂的曲线，即随着负载的增加，电机的端电压将有所下降。引起端电压下降的因素有两个：：

1）电机有负载后，电枢反应的去磁作用，使电枢电动势Ea比空载时小。

2）电区回路的压降IaRa。1.6直流发电机2.他励直流发电机的运行特性（3）调节特性定义：当n=nN、电压U

为常数时，励磁电流If与负载电流I之间的关系If=f（I）称为调节特性。从外特性可知，当负载增大时，端电压下降，若要维持U=UN不变，则随着负载的增大，必须增大励磁电流，所以他励发电机的调节特性是一条上升的曲线调节特性曲线1.7直流电机的换向1.直流电机的换向过程直流电机运行时，电枢绕组的线圈由一条支路经电刷短路进入另一条支路时，该线圈中的电流方向会发生改变，这种电流方向的改变称为换向。当换向不良时，会在电刷下产生电火花，电火花超过一定的强度，会烧环电刷和换向器，使电动机不能运行。下图表示了一个单叠绕组线圈的换向过程：1.7直流电机的换向1.直流电机的换向过程图中设电刷宽度等于一片换向片的宽度，电枢从右向左运动。换向开始时，电刷正好与投向片1完全接触，元件l位于电刷右边一条支路，设电流为+ia

，方向为顺时针，如图(a)所示。换向过程中，电刷同时与换向片1和2接触，1号元件被短路；元件中电流为i

，如图（b）所示。当电枢转动到电刷与换向片2完全接触时，1号元件从电刷右边的支路进入电刷左边的支路，电流变为逆时针方向，即为–ia，如图（c）所示,至此，1号元件换向结束。处于换向过程中的元件称为换向元件。从换向开始到换向结束所经历的时间称为换向周期，用Tk表示。直流电机的换向周期Tk一般只有千分之几秒甚至更短的时间，但换向的过程比较复杂，而且如果换向不良，会在电刷换向器之间产生较大的火花。微弱的火花，对直流电机的正常运行没有影响，如果火花超过一定限度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能正常工作。1.7直流电机的换向1.直流电机的换向过程图中设电刷宽度等于一片换向片的宽度，电枢从右向左运动。换向开始时，电刷正好与投向片1完全接触，元件l位于电刷右边一条支路，设电流为+ia

，方向为顺时针，如图(a)所示。换向过程中，电刷同时与换向片1和2接触，1号元件被短路；元件中电流为i

，如图（b）所示。当电枢转动到电刷与换向片2完全接触时，1号元件从电刷右边的支路进入电刷左边的支路，电流变为逆时针方向，即为–ia，如图（c）所示,至此，1号元件换向结束。处于换向过程中的元件称为换向元件。从换向开始到换向结束所经历的时间称为换向周期，用Tk表示。直流电机的换向周期Tk一般只有千分之几秒甚至更短的时间，但换向的过程比较复杂，而且如果换向不良，会在电刷换向器之间产生较大的火花。微弱的火花，对直流电机的正常运行没有影响，如果火花超过一定限度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能正常工作。1.7直流电机的换向2.影响换向的电磁原因影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。换向过程所经过的时间极短，只有几豪秒，如果换向过程中，换向元件中没有附加其它的电动势，则换向元件中的电流i均匀地从+ia变化到-ia(+ia→0→-ia)，如右图中1所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。换向元件在换向过程中流过的变化电流称为均衡电流。（1）直线换向换向过程中电流的变化1.7直流电机的换向2.影响换向的电磁原因直流电机在实际的换向过程中，换向元件中会产生电抗电动势和电枢反应电动势，阻碍换向元件中电流的变化，从而产生延迟换向。（2）延迟换向

1)电抗电动势ex由于换向元件在换向过程中会发生电流的变化，由于线圈的自感和互感作用，会在换向元件中产生感应电动势，这个电动势称为电抗电动势ex，电抗电动势总是阻碍换向元件中电流的变化，也即与换向开始时换向元件中的电流方向一致。

2)电枢反应电动势ea直流电机在负载运行时，由于电枢反应使得两个主磁极中间位置处的磁场不为零，而换向元件正好处于两个主磁级的中间位置，换向元件切割磁力线从而在换向元件中产生一个感应电动势，这个电动势称为电枢反应电动势ea，电枢反应电动势的方向也与换向开始时换向