直流电动机结构

第一章直流电机★四川机电职业技术学院.电子电气工程系2024/7/1511.8小结1.6直流电动机基本特性

第一章直流电机1.4直流电机的感应电动势及电磁转矩1.5直流电机的换向

1.2直流电机的电枢绕组1.3直流电机的磁场

1.1直流电机原理及结构1.7直流发电机特性

1.8直流电动机的起动、调速和制动2024/7/152直流电机是一种旋转电器，完成直流电能与机械能的转换。能将直流电能转换成机械能的，称直流电动机或称其工作于直流电动状态。将电能转换成机械能的，则称为直流发电机或称其工作于直流电动状态。1.1直流电机原理及结构2024/7/1531.1.1直流电机的基本结构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2024/7/154直流电机的基本结构剖面图

1—电枢绕组；1—电枢铁心；1—机座；1—主磁极铁心；1—励磁绕组；1—换向极绕组；1—换向极铁心；1—；主磁极磁靴；机座底脚2024/7/1551.定子部分：

主磁极其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。铁心的上部叫极身，下部叫磁靴。磁靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。机座有两个作用，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电机的机械支撑。换向极换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机格不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。电刷装置其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电机外部直流与内部交流的互换。2024/7/1562.转子部分转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。电枢铁心有两个作用：一是作为磁路的一部分；二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁心通常采用0.35～0.5mm硅钢片冲压叠成。电枢绕组作用是产生感生电动势和电磁转矩，从而实现电能和机械能的相互转换。1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；2024/7/1572.转子部分转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。换向器是直流电机的关键部件，它与电刷配合，在直流电机中，能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。换向器的种类很多，主要取决于电机的容量与转速。在中小型直流电机中最常用的为拱形换向器。1—换向片；2—套筒；3—V形环；4—片间云母；5—云母；6—螺母2024/7/1582.转子部分转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。转轴转轴、支架和风记扇对于小容量的直流电机，电枢铁心装在轴上。对于大容量的直流电机，为减少硅钢片的消耗和转子重量，轴上装有金属支架，电枢铁心装在金属支架上。为了加强电机的散热，轴上还装有风扇。1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；2024/7/159

1.1.2直流电机工作原理直流电机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的。直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。直流发电机则是根据切割磁场的导体会产生感生电势这一基本理论工作的。2024/7/1510直流电动机原理分析2024/7/1511首先要在励磁绕组上通入直流励磁电流，产生所需要的磁场再通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电流，提供电能于是电枢电流在磁场的作用下产生电磁转矩，驱动电机转动。直流电动机原理分析2024/7/1512在电刷A和B间加上一直流电压时，则在绕组元件中就有一个直流电流产生，其方向是：a到b，根据基本的电磁力定律可知，通有电流的导件ab和cd在磁场中会受到电磁力的作用。其大小为：

f=BxLI直流电动机原理分析2024/7/1513f—电磁力，单位是牛顿（N）Bx—导件所在位置的磁感应强度，单位是特斯拉（T）l—导件ab和cd的有效长度，单位是米（m）I—导件中流过的电流，单位是安培（A）直流电动机原理分析2024/7/1514由左手定则可以判断出电枢绕组所受的电磁力是逆时针方向的。为了使电动机能沿着一定的方向连续转动，就必须在线圈转动的情况下，保持进入N极下的线圈电流始终是一个方向，而S极下的电流是另一个方向。直流电动机原理分析2024/7/1515为了保证电机逆时针方向受力实现连续地逆时针方向转动，当导体ab在N极下的时候，电流方向是a，当导体ab转到S极下时，电流就应该由，同样导体cd中和电流也应作相应的改变。直流电动机原理分析2024/7/1516线圈中电流方向的改变是电刷和通过换向器来完成的，换向器是由很多换向片组成的，换向片与电枢的每一个线圈相连，随电枢旋转，而电刷A、B接外部固定电源，与换向片交替接触，使换向片获得不同极性的电压，这样在线圈中的电流方向也相应地改变，从而使每一个磁极下导体中的电流方向保护恒定不变，实现直流电机的连续运行。直流电动机原理分析2024/7/1517直流发电机工作原理直流发电机是根据导体在磁场中作切割运动就会产生感生电动势这一基本的电磁理论而制成的。2024/7/1518直流发电机工作原理原动机拖动转子逆时针方向旋转，在线圈abcd中就有感生电动势产生，根据电磁感应定律可知，导体ab和cd中主生的感生电动势e相等.2024/7/1519直流发电机工作原理感生电动势的方向由右手定则确定，线圈中的感生电动势是导体ab和cd感应电势之和。电动势的方向是由低电位指向高电位。2024/7/1520直流发电机工作原理

d点应为低电位，a点应为高电位，相应电刷A端为高电位，输出电源的正极性，电刷B端为低电位，输出电压为负极性。2024/7/1521直流发电机工作原理线圈在外力作用下连续不断地旋转，所以导体ab和cd在不同一极下感应的电动势方向也随之变化，因此线圈中产生的感生电动势是交变的。2024/7/1522直流发电机工作原理通过换向片和刷的配合，使N极下的导体始终与电刷的A相连，S极下的导体始终与B相连，从而就可在电刷间获得一个极性不变的电动势。2024/7/1523直流电机的铭牌参数①

额定容量(功率)PN(kW)。②

额定电压UN(V)。③

额定电流IN(A)。④

额定转速nN(r/min)。⑤

励磁方式和额定励磁电流IfN(A)有些物理量虽然不在电机铭牌上，但它也是额定值。例如在额定运行状态下的转矩、效率分别为额定转矩和额定效率等，这些额定数据也叫铭牌数据。2024/7/1524直流发电机的额定容量、电压、电流、效率、输入功率关系额定容量，对直流发电机而言，是指发电机带额定负载时，电刷端输出的功率2024/7/1525直流发电机的额定容量、电压、电流、效率、输入功率关系输出功率为机械功率，为输出功率与发电机损耗的总和，所以等于额定功率除以效率。2024/7/1526直流电动机的额定容量电压、电流、效率关系直流电动机的额定功率为输出机械功率，其值为输入电功率乘以效率。2024/7/1527直流电动机的额定容量电压、电流、效率关系直流电动机的输入功率为电功率。2024/7/1528电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，其大小应该是输出的额定机械功率除以转子额定角速度。2024/7/1529如果运行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行：而运行时电机的负载超过额定容量，称为过载运行。长期的过载或欠载运行都不好。长期过载有可能因过热而损坏电机，长期欠载则运行效率不高，浪费容量。在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能让电机在额定状态。返回目录2024/7/1530直流电机的电枢绕组是直流电机的重要部件，电势、转矩的产生，电能、机械能的转换都在这里进行，其结构对电机的参数与性能都有大的影响，也是最容易出现故障的地方，它将直接影响直流电机的正常运行。基本规律基本绕法电气特点。1.2直流电机的电枢绕组2024/7/1531电枢绕组的基本要求及绕制规律对电机绕组的基本要求直流电机绕组绕制的基本规律2024/7/1532对电机绕组的基本要求直流电机绕组绕制的基本规律（1）感应出规定的电势，能够承受规定的电流。（2）绕组能够承受足够大的电磁转矩。（3）结构合理，工艺简单，工作可靠，节省材料。电枢绕组的基本要求及绕制规律2024/7/1533对电机绕组的基本要求直流电机绕组绕制的基本规律保证在电机运行的任一时刻，同一极性磁极下的电流要方向相同，不同极性磁极下的电流方向相反。最基础的有两种；单波绕法单迭绕法电枢绕组的基本要求及绕制规律2024/7/1534对电机绕组的基本要求直流电机绕组绕制的基本规律单波圆形图电枢绕组的基本要求及绕制规律2024/7/1535对电机绕组的基本要求直流电机绕组绕制的基本规律单迭圆形图电枢绕组的基本要求及绕制规律2024/7/1536电枢绕组的基本术语及关系元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距电枢绕组是由许多线圈组成，这些线圈是组成绕组的基本单元，称绕组元件2024/7/1537一个元件由两条元件边和端接线组成。元件边放在槽内，能切割磁力线产生感应电势，叫有效边，端接线放在槽外，通过接入换向片，使所有线圈形成一个闭合回路。为了便于嵌线，元件的一个边放在一个槽的上层（称上层边），这个元件的另一边放在另一槽的下层（称下层边）电枢绕组的基本术语及关系元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距2024/7/1538电枢绕组的基本术语及关系元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距电机电枢上实际开出的槽叫实槽。所谓“虚槽”，即单元槽，一个实槽内有个n虚槽，每一虚槽都有上下两层边。若电枢开的实槽数为Q，则总的虚槽数为Z，2024/7/1539电枢绕组的基本术语及关系元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距每一元件有两个边，而每一个换向片接两个元件边，又因为每一虚槽有两个边，所以一般来说，绕组的元件数S，换向片数K与虚槽数Z相等。2024/7/1540电枢绕组的基本术语及关系元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距

极距就是一个磁极沿电枢表面所占距离，用长度表示为：2024/7/1541电枢绕组的基本术语及关系元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距绕组节距是反应元件边的位置关系的一组专用术语，是制作绕组的基本依据2024/7/1542元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距同一个元件的两个有效边之间的距离称为第一节距电枢绕组的基本术语及关系2024/7/1543相串联的两个元件的对应边之间的节距称为合成节距。它表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，是反映不同形式绕组的一个重要标志。元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距电枢绕组的基本术语及关系2024/7/1544一个元件的两个出线端所连接的换向片之间的节距称为换向器节距。元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距电枢绕组的基本术语及关系2024/7/1545它表示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之间的距离。元件的上下边实槽、虚槽元件数、换向片及虚槽极距绕组节距第一节距合成节距换向器节距第二节距电枢绕组的基本术语及关系2024/7/1546单迭绕组单迭绕组的基本特点是绕组元件嵌入电枢槽内后，同一元件的首尾端焊接相邻的两个换向片上，相邻的两个元件的首尾相连，往复绕制，按此规律，将所有的元件通过换向片构成闭合回路。2024/7/1547单迭节距计算：已知一台直流电机接成单迭绕组，Z=K=S=16，2p=4

2024/7/1548单迭绕组的连接顺序图2024/7/1549单迭绕组的展开图所谓“展开图”，就是假想从电枢的某一槽沿轴向切开并展开成平面，所得到的绕组的连接图形，如图1-13所示。其绘制步骤：2024/7/1550（1）画16根平行竖实线代表16槽的上层，16根虚线表示对应的16个槽的下层，并顺序标号。单迭绕组的展开图2024/7/1551（2）按第一节距Y1连接元件，例如将1号元件的上边放入1号槽的上层，则下边放入5号槽的下层（1+Y1=1+4=5），上下边分别接入1、2号换向片。顺序连接2、3、4、…16号元件即可，整个图形是一个通过换向片连成的闭合回路单迭绕组的展开图2024/7/1552（3）画出电刷，并标出电源极性。电刷的间隔与磁极的极矩是相同的，极性是交替的，电刷的对数与极对数一致。单迭绕组的展开图2024/7/1553（4）

各电刷所对应槽号为起点，均匀画出对应的磁极。单迭绕组的展开图2024/7/1554单迭绕组的支路图支路图是用来分析绕组电气特征的重要图形。其连接的方式是省去换向片，将顺序图接上对应元件上接入相应的电刷，形成由各绕组元件组成的闭合回路（在此图中元件用简易符号表示）将正负电刷分别置于两则即成。

2024/7/1555单波绕组一个元件的尾端与下一个同极性磁极下对应位置元件的首端共同焊接于一个换向片上，相串联的两个元件象波浪式的推进，其换向器节距接近一倍极距的宽度，但不能相等。单波绕组沿电枢表面绕行一周时，串联了p个元件，第p个元件绕完后恰好回到起始元件所连换向片相邻的左边或右边的换向片上。2024/7/1556单波节距计算第一节距合成节距与换向节距第二节距2024/7/1557单波展开图与顺序图2024/7/1558单波绕组支路图所有N极下的元件串成一个支路，而在S极下的元件串成了另一个支路。2024/7/1559（1）无论极数的多少，单波绕组只有一对支路。即a=1单波绕组支路图2024/7/1560（2）电枢电流等于两条支路电流之和。电枢电动势等于支路电动势（一条支路各元件电动势和总和）。单波绕组支路图2024/7/1561（3）单波绕组支路数少，则相应每一支路串联的绕组元件就较多，故这种绕法适用于制作高压小电流电机。返回目录单波绕组支路图2024/7/1562直流电机的磁场是产生感应电势和是电磁转矩不可缺少的条件。直流电机的运行性能在很大程度上取决于磁场特性。直流电机除了主磁场外，若电机带有负载，电枢绕组中有电流流过，就将产生电枢反应磁场。这两个磁场在气隙中互相影响、叠加，合成了气隙磁场。本节主要是讨论主磁场的特点及电枢反应磁场对电机的影响。1.3直流电机的磁场2024/7/1563直流电机的空载磁场直流电机空载运行时，气隙中的磁场由主磁极形成，故称这种运行状态下的气隙磁场为主磁场。2024/7/1564主磁通密度的分布气隙中的磁通密度的分布如图所示，由于极靴下的气隙小而均匀，所以在其下的磁密分布较均匀，形成“平顶”状，而在极尖处，气隙迅速增大，所以在此外的磁密也迅速减小，这就是常称的“帽形波”分布。2024/7/1565负载时的电枢磁场电枢磁场电枢磁场的分布2024/7/1566电枢反应合成磁场合成磁密分布2024/7/1567电枢反应合成磁场有负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电刷在几何中心线处时，电枢磁场与主磁场垂直，此时的电枢反应称交轴电枢反应。利用迭加原理，将空载时的主磁通密度BOX与负载时电枢磁通密度逐点相加，就得到负载时气隙中的合成磁通密度BX分布曲线。2024/7/1568电枢反应合成磁场交轴电枢反应的性质有以下两点：（1）气隙合成磁场发生了畸变。在每一磁极下，主极磁场的一半被削弱，而另一半被加强，此时的物理中心线偏离了几何中心线。当运行于发电状态时，其物理中心线顺转动方向偏离几何中心线一个角度；当运行于电动状态时，其物理中心线逆转动方向偏移了一个角度。2024/7/1569电枢反应对主磁场有附加去磁作用。在磁路不饱和时，主极磁场被削弱的数量恰好等于被加增的量，因此负载时的合成磁通量与空载时相同。但实际电机一般运行于磁化曲线的临界饱和点，主磁极因磁饱和的影响，增磁部分少而减磁部分多，从而使负载时合成磁通量略比空载时少，起到了去磁作用。合成磁场2024/7/1570电枢反应若电刷不在几何中心线处，此时的电枢反应磁场可以分解为交轴与直轴两个分量，产生的电枢反应除了有交轴电枢反应外，还存在直轴电枢反应。合成磁场2024/7/1571电枢反应直轴电枢反应磁场与主极轴线重合，若电枢反磁场与主磁场同向，则起增磁作用；若电枢反应磁场与主磁场相反，则起去磁作用。合成磁场2024/7/1572电枢反应为了保证电机的正常换向，就必须使直轴电枢反应不能起增磁作用，从而要求在电机运行时，最好是将电刷由几何中心线移到物理中心线上，即作电动机运行时，可逆转动方向移一个合适的角度，作发电机运行时，则要顺时针移动一个合适角度。合成磁场返回目录2024/7/1573

根据电磁定律可知，无论是直流发电机还是直流电动机，当其运行时，电枢绕组切割了磁场，就要产生感应电势，由于电枢绕组中又有电流通过（带负载），其与磁场的作用就会产生电磁转矩。1.4直流电机的感应电动势及电磁转矩2024/7/1574电枢感应电动势由电磁感应定律确定一根导件产生的感应电动势，一由电枢绕组的总导体与支路数确定一条支路中的串联导体数；求支路导体质感应电动势之和。得到直流电机感应电动势。其表达式为因此：2024/7/1575电枢感应电动势N—电枢总导体数aa—枢绕组并联支路对数Φ—气隙磁通，单位是韦伯（Wb）n—电机转速，其单位是转/分（r/min）2024/7/1576电枢感应电动势直流电机感应电势的方向，上由磁场的方向和转速的方向来确定的，只要改变其中的任一量的方向，则感生电动势的方向就会改变，其实际方向由右手定则确定。2024/7/1577电枢感应电动势当直流电机运行于电动状态时，感应电动势的方向与电枢电流的实际方向相反，电机吸收电网电能，故称这时的感应电势为反电势。2024/7/1578电枢感应电动势当直流电机运行于发电状态时，感应电动势的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通过电刷输出电能。2024/7/1579直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场的相互作用产生的电磁力所形成的。由于电枢绕组中各元件所产生的电磁转矩是同方向的，因此，只要根据电磁力理论计算出一根导体的平均电磁力及其转矩，乘上电枢绕组所有的导体数，就可计算也总的电磁转矩。其表达式为：—转矩常数2024/7/1580直流电机的电磁转矩电磁转矩的方向：电磁转矩的方向是由电枢绕组电流与磁场方向来确定的，只要改变其中任一个量的方向，则电磁转矩的方向就要改变，其实际方向由左手定则判断。—转矩常数2024/7/1581直流电机的电磁转矩当直流电机运行于电动工作状态时，电磁转矩的方向与转速的方向相同，起驱动的作用，为拖动转矩，说明此时的电机输出了机械能。—转矩常数2024/7/1582直流电机的电磁转矩当直流电机工作于发电（制动）状态时，其电磁转矩的方向与转速的方向相反，是阻转矩，说明此时电机在吸收机械能。—转矩常数

2024/7/1583【例】一台4极直流发电机，单波绕制，有31槽，每槽元件数为12，额定

转速为1450转，在额定工作时，测出的电枢电势为115V。求：

（1）

每极磁通。

（2）

当作电动运行时，电枢电流为600A时，能产生多大的电磁转矩。

解：1）

每极磁通。由题意已知2024/7/1584【例】一台4极直流发电机，单波绕制，有31槽，每槽元件数为12，额定

转速为1450转，在额定工作时，测出的电枢电势为115V。求：

（1）

每极磁通。

（2）

当作电动运行时，电枢电流为600A时，能产生多大的电磁转矩。解：2）

当作电动运行时，电枢电流为600A时，能产生的电磁转矩。由题意已知返回目录2024/7/1585

直流电机的换向是指电枢绕组元件经过电刷从一个支路进入另一个支路,该元件的电流也从一个方向变换成另一个方向的过程。换向过程是否顺利、良好，关系到直流电机能否正常工作直流电机的换向火花是影响直流电机正常运行及使用寿命的关键问题，解决换向火花过大，是直流电机维护的关键技术。本节将讨论直流电机换向火花的产生的主要原因，改善换向的基本方法。1.5直流电机的换向2024/7/1586火花等级等级火花特点电刷及换向器状况1没有火花（有称黑暗换向）换向器表面不变黑电刷也不发热在电刷下有一小部分发生微弱的点状火花在一大半电刷下有轻微的火花换向器表面有黑点（可用汽油洗掉），电刷要发热3在全部电刷边缘均有火花（仅在短时过载或短时冲击负载下允许）换向器表面有黑斑（用汽油洗不掉），电刷要发热4在全部电刷边缘上有很大的火花，且火星向外飞溅（仅在无变阻器起动与电机反转时才允许，但应保证换向器与电刷能正常工作）换向器表面上有很大的黑斑（用汽油洗不掉）电刷可能烧坏2024/7/1587换向过程及影响直流电机换向时，会在电刷与换向片之间产生有害火花（俗称环火），使换向恶化，当火花强度超过一定限度时，就会损坏电刷和换向器表面，从而使直流电机不能正常运行。2024/7/1588换向火花产生的主要原因换向火花产生的原因很复杂，它受到电磁、机械、电热、电化学等多种原因的影响，如电刷压力过大、过小；换向器不平，造成的机械振动；维护不当，换向器表面受灰尘污染等。但最主要的原因是电磁因素。以下就从电磁理论方面对直流电机的换向进行分析。阻碍电枢绕组电流换向的电磁因素是换向元件在换向过程中产生的附加电动势，这种附加电动势可分为两类：电抗电动势电枢反应电动势。2024/7/1589换向火花产生的主要原因换向火花产生的原因很复杂，它受到电磁、机械、电热、电化学等多种原因的影响，如电刷压力过大、过小；换向器不平，造成的机械振动；维护不当，换向器表面受灰尘污染等。但最主要的原因是电磁因素。以下就从电磁理论方面对直流电机的换向进行分析。阻碍电枢绕组电流换向的电磁因素是换向元件在换向过程中产生的附加电动势，这种附加电动势可分为两类：电抗电动势电枢反应电动势。当换向元件通过电刷进行换向时，在这极短的换流时间内，而电流方向改变，其变化率是很大的，换向元件本身就是一个线圈，所以这个线圈中就产生了感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。由电磁感应定律可知，电抗电动势始终是阻碍其换向电流变化的，是阻碍了换向的重要电磁因素。2024/7/1590换向火花产生的主要原因换向火花产生的原因很复杂，它受到电磁、机械、电热、电化学等多种原因的影响，如电刷压力过大、过小；换向器不平，造成的机械振动；维护不当，换向器表面受灰尘污染等。但最主要的原因是电磁因素。以下就从电磁理论方面对直流电机的换向进行分析。阻碍电枢绕组电流换向的电磁因素是换向元件在换向过程中产生的附加电动势，这种附加电动势可分为两类：电抗电动势电枢反应电动势。

由于电刷放置于磁极轴线下的换向器上,而换向元件的有效边正好处于主磁极的几何中心线上，虽然主磁场在几何中心上的磁密为零，但电枢磁场的磁密确不为零，也就是说换向元件不切割主磁场，但切割了电枢磁场，于是在换向元件中就要产生感应电动势，这个电动势称电枢反应电动势。可以证明，电枢反应电势的方向也是与换向元件的换向电流变化的方向相反的，即是阻碍换向电流变化的。故也是阻碍换向的一重要电磁因素。2024/7/1591改善换向的主要方法：装置换向磁极安装补偿绕组调整电刷合理选择电刷其它安装换向磁极是目前改善换向的有效方法。其基本原理是利用换向磁极产生的磁动势方向与电枢反应磁动势的方向相反，大小略大于电枢反应磁动势。这就使换向磁动势可以抵消电枢反应磁动势，剩余的换向磁动势产生的磁通会在换向元中产生感应动势，其方向正好与电抗电势相反，迭加的结果可抵消。从而消除火花，改善换向。2024/7/1592改善换向的主要方法：装置换向磁极安装补偿绕组调整电刷合理选择电刷其它补偿绕组专门嵌在主磁极极靴下槽内，其绕组通过电刷与电枢绕组串联，连接的原则是必须保证其电流方向应与该极下的电枢电流相反，它产生的磁动势是与电枢磁动势相反，所以能补偿电枢反应的影响。2024/7/1593改善换向的主要方法：装置换向磁极安装补偿绕组调整电刷合理选择电刷其它

在小容量的直流电机中，常用适当地调整电刷来改善换向。将电刷由几何中心线移到物理中心线位，即电动运行时，逆时针移刷；发电运行时，顺时针移刷。移多大角度为好呢？实践中常用经验法或感应法来确定，所谓经验法，就是在几何中心点试着调移电刷，无论移反、移多、移少，其火花都会增大，只有恰好移到物理中心点，火花最小或消失。感应法，就是采用感应器在几何中心附近测试，当其指针为零或偏转最小时的位置就是所要找的物理中心点。2024/7/1594改善换向的主要方法：装置换向磁极安装补偿绕组调整电刷合理选择电刷其它电刷与换抽片接触电阻是影响换向好坏的重要因素，其电阻的过大、过小都不能正常换向，.常用几种国产电刷的性能及适用范围:石墨,适用于80-120V的直流电机。电化石墨，适用于220V以上带冲击负载直流机,汽轮发电机的励磁机；角速度较高的微型机,功率放大机。金属石墨，电压在60V以下的充电或电解直流启动电动机；电压在40V以下，低电压、大电流直流电机，汽车辅助电动机。2024/7/1595改善换向的主要方法：装置换向磁极安装补偿绕组调整电刷合理选择电刷其它保持适当的环境温度、湿度，使换向器表面产生一层溥的氧化膜，增大点换向接触电阻，有利换向。常维护，保护换向片清洁，以防换向片间的尘积短路。调整好电刷压力，防止电刷压力失平而造成偏振。返回目录2024/7/1596直流电机特性，主要指直流电机工作时的电流、转矩、效率、转速与负载的关系统特性。对直注电动机来说，有工作特性与机械特两类。本节从功率平衡出发，重点分析直流电机的电压、功率、转矩的平衡关系，运行特性，机械特性。1.6直流电动机基本特性2024/7/1597直流电机的励磁方式：他励电机并励电机积复励电机差复励电机串励电机连接特点：励磁电源与电枢电源分别为独立的电源，这两个电源电压可以相同，也可以不同。他励式直流电机和励磁电流与电枢电流无关，不受电枢回路的影响，机械特性较硬，适用于精密加工直流电动机拖动系统。2024/7/1598直流电机的励磁方式：他励电机并励电机积复励电机差复励电机串励电机连接特点：励磁电源与电枢电源由同一电源供电，与他励方式相比，可节省一个直流电源。并励直流电机的特性基本与他励相同，机械特性较硬，一般用于恒压拖动系统，故中小型直流电机多采用并励方式。2024/7/1599直流电机的励磁方式：他励电机并励电机串励电机积复励电机差复励电机接线特点：这种电机有两励磁绕组，即并励绕组和串励绕组。若使并励磁通与串励磁通方向相同，称积复励积复励直流电机具有较大的起动转矩，机械特性软，介于并励与串励之间。多用于起动转矩要求较大，转速变化不大的负载2024/7/15100直流电机的励磁方式：他励电机并励电机积复励电机差复励电机串励电机这种电机有两励磁绕组，即并励绕组和串励绕组；若使这两个磁通相反则称差复励。2024/7/15101直流电机的励磁方式：他励电机并励电机积复励电机差复励电机串励电机差复励起动转矩小，机械特性较硬（有时会出现还上翘，影响其稳定性），一般用于起动转矩要求较小的小型恒压拖动系统中。2024/7/15102直流电动机平衡方程式直流电机平衡方程式是分析电机运行的重要关系式:电压平衡方程式，功率平衡方程式转矩平衡方程式。电压平衡方程式：为用基尔霍夫电压定律列出的电枢回路的方程2024/7/15103直流电动机平衡方程式直流电机平衡方程式是分析电机运行的重要关系式电压平衡方程式，功率平衡方程式转矩平衡方程式。功率平衡方程式：由能量守恒基本定律得到2024/7/15104直流电动机平衡方程式直流电机平衡方程式是分析电机运行的重要关系式电压平衡方程式，功率平衡方程式转矩平衡方程式。转矩平衡方程式由牛顿运动定律可知，当电动机稳定运行时，作用在轴上的牛矩应保持平衡。2024/7/15105直流电动机平衡方程式直流电机平衡方程式是分析电机运行的重要关系式电压平衡方程式，功率平衡方程式转矩平衡方程式。2024/7/15106功率与转矩的基本关系返回目录2024/7/15107直流电动机工作特性直流电机的工作特性是指在直流电机外加电压额定时，励磁不变：电枢电阻不变时的电动机的转速n、电磁转矩T、效率η与输出功率P2之间的关系。2024/7/15108转速特性2024/7/15109转矩特性2024/7/15110效率特性2024/7/15111直流电机械特性2024/7/15112人为机械特性

为了满足生产机械加工的要求,还需要人为地改变电动机的参数,从而获得新的机械特性,称此为人为机械特性,从机械特性方程中可知,人为改变的参数有电枢电压、电枢回路电阻、气隙磁通，从而可得到三种人为机械特性电枢回路电阻变电枢电压变气隙磁通返回目录2024/7/15113平衡方程式电压平衡转矩平衡功率平衡运行特性空载特性外特性直流发电机电枢电势与电枢电流的方向相同，根据基尔霍夫电压定律列写电枢回路方程称电压平衡方程式。1.7直流发电机特性2024/7/15114直流发电机特性平衡方程式电压平衡转矩平衡功率平衡运行特性空载特性外特性在直流发电机中,电磁转矩T与转速的方向相反是阻转矩,而原动机的拖动转矩T1与转速方向相同，所以直流发电机转矩平衡方程式为2024/7/15115直流发电机特性平衡方程式电压平衡转矩平衡功率平衡运行特性空载特性外特性结合电能则和机械能则的功率平衡表达式，得到直流发电机总的功率平衡表达式2024/7/15116直流发电机特性平衡方程式电压平衡转矩平衡功率平衡运行特性空载特性外特性直流发电机运行特性主要包括空载特与外特性两部分,其空载特性主要分析发电机电势与励磁的关系,从而其发电的特点；外特性则将分析负载对输出电压的影响。2024/7/15117直流发电机特性平衡方程式电压平衡转矩平衡功率平衡运行特性空载特性外特性

空载特性指当发电机的转速恒定，空载电动势与励磁电流的关系2024/7/15118直流发电机特性平衡方程式电压平衡转矩平衡功率平衡运行特性空载特性外特性

外特性是指在、等于额定状态下,常数的情况下，直流发电机端电压与负载电流之间的关系2024/7/15119并励发电机并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，由发电机自已供给励磁电流，而不需要另外励磁电源。2024/7/15120并励直流发电机自励过程（1）电机必须要有剩磁，如果电机失去剩磁或剩磁太弱，则应先允磁。（2）励磁绕组的接线要正确，以使励磁电流产生的磁通方向与剩磁一致。（3）励磁回路的总电阻应小于与电机转速相对应的临界电阻值。返回目录2024/7/15121起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动1.电枢起动电流应限制到允许值之内.2.具有足够量的起动转矩.1.8直流电动机的起动、调速、制动2024/7/15122直流电动机的起动起动过程分析串入全部的电枢电阻通电起动，进入第一组起动当到达切换点A，第一级起动完成。切除第一级电阻r1，电枢电流增大，电磁转矩增大，进入第二级起动点B，转速沿BC继续上升，重复上述过程，到C点后完成第二组起动。­切除第二级电阻r2，进入第三级起动­点D，转速上升到E点后,完成第三级起动。切除第三级电阻r3，进入固有曲线F点，最后转速沿固有曲线上升到稳定运行点G。起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动2024/7/15123直流电动机的起动起动过程分析串入全部的电枢电阻通电起动，进入第一组起动当到达切换点A，第一级起协完成。切除第一级电阻r1，电枢电流增大，电磁转矩增大，进入第二级起动点B，转速沿BC继续上升，重复上述过程，到C点后完成第二组起动。­切除第二级电阻r2，进入第三级起动­点D，转速上升到E点后,完成第三级起动。切除第三级电阻r3，进入固有曲线F点，最后转速沿固有曲线上升到稳定运行点G。起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动2024/7/15124直流电动机的起动起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动（1）起动电流IS1的选择，技术标准规定，一般直流电动机的起动电流应限制在额定电流的2.5倍以内。相应的起动转矩基本上也在额定转矩的2.5以内2024/7/15125直流电动机的起动起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动（2）切换电流IS2必须大于起动时的负载电流，或切换转矩应大于起动时的负载转矩。一般选取为:2024/7/15126直流电动机的起动起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动（3）起动极数m据的选取应根据控制设备的要求来定，一般不超过6级。（4）起动各段电阻值的确定，要求达到和级起动的起始电流和终点分与起动电流和切换电流一致。起动电阻计算

2024/7/15127直流电动机的起动起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动起动电阻计算

RS1RS2RS3——各级电枢总电阻（3）起动极数m据的选取应根据控制设备的要求来定，一般不超过6级。（4）起动各段电阻值的确定，要求达到和级起动的起始电流和终点分与起动电流和切换电流一致。2024/7/15128直流电动机的起动起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动起动电阻计算

推广到m级（3）起动极数m据的选取应根据控制设备的要求来定，一般不超过6级。（4）起动各段电阻值的确定，要求达到和级起动的起始电流和终点分与起动电流和切换电流一致。2024/7/15129【例】他励直动机数据三级起动，求各段起动电阻

解：取起动电流:2024/7/15130直流电动机减压起动直流电动机的起动，可以通过降低电枢电压的方式来限制起动电流。起动开始瞬时：2024/7/15131直流电动机的调速所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出（1）调速范围调速范围是指电动机在额定负载正（电动机的电枢电流保持在额定值不变），允许达到的最大转速与最小转速之比。即2024/7/15132直流电动机的调速（2）调速的平滑性通常有电动机的两个相邻调速级的转速之比来衡量调速的平滑性。K——称平滑系数ni——上一调速级转速

ni-1——相邻下一级调速转速所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出2024/7/15133直流电动机的调速（3）调速的稳定性调速的稳定性是指负载转矩发生变化时，电动机的转速随之变化的程度，工程上通常用静差度来衡量。它是指电动机运行于某一机械特性上时由空载增至满载时的转速降对理想空载转速之比所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出2024/7/15134直流电动机的调速（4）调速的经济性主要由调速设备的投资，电机运行时的能量损耗来决定所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出2024/7/15135直流电动机的调速5）调速时电动机的允许输出它指电动机得到允分利用情况下，在调速过程中所能输出的功率和转矩。所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出2024/7/15136直流电动机调速方法电枢回路串电阻调速过程分析串电枢电阻调速特点保持直流电机的输入电压不变，保持额定励不变，电枢回路串入附加电阻，其工作特性与机械特性为:2024/7/15137直流电动机调速方法设调速前电机稳定运行于固有特性A点，电磁转矩等于负载转矩，稳定动行于转速nA。串入电枢电阻R瞬间，转速不能突变，固电流、转矩减小切换到人为特性曲线上A`，由于这时的电磁转矩小于负载转矩，电机作减速运动，转速A`下降，随着转速降低，反电势下降，电流回升，电磁转矩回升，直到B点，电磁转矩与负载转矩相等，电机稳定到下降后的转速nB。若串入的电阻更大，则曲线越软，运行转速越低。电枢回路串电阻调速过程分析串电枢电阻调速特点2024/7/15138直流电动机调速方法

（1）

属于恒转矩调速性质（2）由于串入电枢电阻，其转速就降低，固在调速范围内不会超过额定转速，一般称在基速以下调速。（3）理想空载转速不变，斜率随电阻的增在而增大，特性越软。若恒转矩负载，调速前后的电流、转矩不变，输入功率不变，但串入的电阻越大，则电枢电阻损耗越大，转速越低，转出机械功率越小，所以电机工作效率越低，其效率与速度成正比。电枢回路串电阻调速过程分析串电枢电阻调速特点2024/7/15139直流电动机调速方法电枢回路串电阻调速改变电枢电压调速过程分析调速的特点降低给电枢供电的电源电压时，电动机由原先稳定的特性曲线A点，切换到降压后的特性曲线A`点，通过减速过程，到B点处，电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，于是就稳定运行于此。2024/7/15140直流电动机调速方法

电枢回路串电阻调速改变电枢电压调速过程分析调速的特点（1）属于恒转矩调速性质（2）由于电枢端压不允许超过其额定值，其转速就降低，固在调速范围内不会超过额定转速，一般称在基速以下调速。（3）随电压的降低而减小，不变，增大，但机械特性的硬度不变。（4）若恒转矩负载，调速前后的电流、转矩不变，随输入电压降低，输入功率减小，转速下降，输出功率减小，其损耗基本不变，所以调压调速的效率是较高的。2024/7/15141直流电动机调速方法电枢回路串电阻调速改变电枢电压调速弱磁调速过程分析调速特点按高效工作设计原则，直流电动机在额定工作状态时，其磁场是处于临界饱和，所以要通过改变磁通来进行调速，就只能在额定磁通以下进行调节，所以称其为弱磁调速。2024/7/15142直流电动机调速方法电枢回路串电阻调速改变电枢电压调速弱磁调速过程分析调速特点

当磁通减弱时瞬时，其电磁转矩的大小不但取决于磁通，更与电枢电流密切相关，磁通减小，电枢反电势减小，电枢电流增大，所以电磁转矩反而增加，超过负载转矩（切换到弱磁特性A`点），电机作加速运动，转速沿特性上升到B，电磁转矩与负载转矩相等，进入稳定运行。2024/7/15143直流电动机调速方法电枢回路串电阻调速改变电枢电压调速弱磁调速过程分析调速特点（1）弱磁调速属于恒功率调速性质。（2）由于弱磁升速的原因，调磁范围又只能在额定磁通以下调节，所以其转速超过额定转速，或说在基速以上调速。（3）

随磁通减小，则、、增大，硬度减小。（4）

若负载转矩恒定，由于电动机输入电压不变，弱磁后，电流增大，输入功率增加，但转速升高，则输出功率也增大了，所以电机运行效率较高。2024/7/15144直流电动机的制动

生产机械的制动，可以通机械和电气两种基本方式来实现，通常这两种方法配合使用。以下重点分析直流电动机的电气制动方法、特性及使用特点。电气制动是指电机运行时，当电磁转矩与转矩的方向相反时的工作状态。因为此时的电磁转矩对运动的电机而言，起到了阻碍的作用，故称为电气制动，或称制动工作状态。由于在电气制动工作状态下，电机是将机械能转换成了电能，所以也被称为发电状态。根据运行电路和能量传递的不同特点，可分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。2024/7/15145能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点将直流电动机的电枢绕组从直流电源断开，即；保持额定励不变；将制动电阻与电枢绕组串联成回路，能耗制动2024/7/15146在电机运行于电动状态，电机以稳定的速度运行。进行能耗制动切除电枢电源，输入功率为零，但由于惯性的作用（电机贮存的动能作用），转子继续旋转，切割磁场，产生感应电动势，由电枢电势向闭合的电枢回路提供电流，电流方向与电枢电势方向相同，所以称其为发电状态，而磁场方向不为，而电流的方向变了，所以电磁转矩的方向变了，与转速方向相反，故称其为制动工作状态，能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动2024/7/15147（1）在能耗制动时，机械特性方程为：能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动2024/7/15148（2）电枢电流反向，其产生的转矩也反向，成制动转矩，所以此时的电枢电流称制动电流。其最大值在能耗制动的起点。为了保证能耗制动过程的安全，通常限制最大制动电流不超过2~2.5IN，所以能耗制动限流电阻的取值范围能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动2024/7/15149

（1）能量传递关系系统将本身贮存的动能发电，转换成电能，，消耗在电枢回路的电阻上。能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动2024/7/15150反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（1）电源反接制动的条件将电枢电源的极性接反，同时电枢中串入制动电阻，磁场方向不变2024/7/15151反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（2）电源反接动运行分析：假若电机原先处于电动运行状态，现将电源接反，从图1-46a中可知，其电枢电流反向，所以电磁力矩反向，与电机转速方向相反，成为制动力矩，所以称此状态为电源反接制