电机原理及拖动（第4版）课件：直流电机原理

《电机原理及拖动》

第4版2024/12/272第一节

直流电机的结构、用途、基本工作原理直流电机原理第二节

直流电机的空载磁场第三节

直流电机的电枢绕组第四节

直流电机的电枢反应第五节

直流电机电枢电势与电磁力矩第六节

直流发电机第七节

直流电动机第八节

直流电机换向2024/12/27直流电机原理

直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。本章主要研究换向器式直流电机。首先介绍其基本原理和基本结构，分析其磁路系统和电力系统，然后重点研究不同运行状态时的电磁过程及工作特性。主要学习8个方面内容：直流电机结构、用途、基本工作原理、空载磁场、电枢绕组、电枢反应、电枢电势、电磁力矩、直流发电机、直流电动机、直流电机换向。32024/12/274第一节直流电机的结构、用途、基本工作原理一、用途励磁机电源测速伺服

二、直流电机的结构（P14图1-4）2024/12/275主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机的结构2024/12/276直流电机的结构（P14图1-5）直流电机的截面图2024/12/277主磁极的作用是建立主磁场。它由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

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。机座的主体是极间磁通路径的一部分，称为磁轭。定子-主磁极和机座2024/12/278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。定子-换向极2024/12/279电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置。电刷由四部分构成：1.连线2.刷杆3.电刷4.刷握定子-电刷装置（P15图1-6）2024/12/2710截面转子-电枢铁芯2024/12/2711

电枢绕组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。槽楔线圈绝缘槽底绝缘导体槽绝缘层间绝缘转子-电枢绕组2024/12/2712在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用转子-转向器（P15图1-7）2024/12/2713直流电机的结构(视频）2024/12/2714二极简化模型三、

直流电机基本工作原理2024/12/2715原理视频原动机驱动电机转子逆时针旋转，导体ab在N极下感应电势e的方向由b指向a；转子旋转180后，导体ab在S极下感应电势e的方向由a指向b。电刷A的极性始终为正，电刷B的极性始终为负，因此在电刷A、B两端可获得直流电动势。直流发电机原理2024/12/2716直流发电机原理（视频）2024/12/2717发电机电势波形2024/12/2718把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过，如图。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。原理视频直流电动机原理2024/12/2719直流电动机的工作原理（视频）2024/12/2720

四、直流电机的铭牌数据2024/12/2721额定条件下电机所能提供的输出功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机电动机发电机直流电机的铭牌数据额定功率PN2024/12/2722在额定工况下，电机出线端的平均电压是指输出额定电压发电机是指输入额定电压电动机直流电机的铭牌数据额定电压UN在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速额定转速nN在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定电流IN2024/12/2723

此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。直流电机的铭牌数据对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流额定励磁电流IfN指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式2024/12/27241.为什么直流电机能发出直流电？如果没有换向器，直流电机能不能发出直流电流？2.试判断下列情况下，电刷两端电压性质：磁极固定，电刷与电枢同时旋转：电枢固定，电刷与磁极同时旋转。3.已知某直流电动机铭牌数据如下，额定功率750kW，额定电压220V，额定转速1000r/min，额定效率88.5％，试求该电机的额定电流。

4.已知某直流发电机的额定功率240kW，额定电压460V，额定转速1500r/min，试求该电机的额定电流。

5.一台直流发电机额定容量180kw，额定电压230伏，额定转速1450r/min，额定效率89.5%,求额定输入功率和额定电流。答答答答答作业：1-1~1-42024/12/27251.答：由于换向器的作用，电刷短接的元件始终连接相同磁极，感应电势在电刷两端不变，故直流机能发出直流电。如果没有换向器，直流机不能发出直流电，只能发出交流电。答案2024/12/27262.答：（1）电刷两端的是交流电压：（2）电刷两端的是直流电压。

答案2024/12/27273.解：对于直流电动机，

故该电机的额定电流答案2024/12/2728解：故该电机的额定电流讨论：此处为什么没有？答案2024/12/27295.解：电机的额定输入功率

额定电流直流电机的铭牌数据2024/12/2730《电机原理及拖动》

第4版空载：

直流电机的空载磁场是由流过励磁绕组的电流If产生的，它是直流电机中的主要磁场。第二节直流电机的空载磁场2024/12/2732

极轴线：磁极平分线几何中性线：相临两磁极极轴线的平分线。物理中性线：气隙磁密由正到负过零的分界线。注意：几何中线与物理中线不一定重合！主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：走漏磁路的磁通一、电机磁路中的磁通分布（2极）2024/12/2733NSSN几何中性线极轴线极距主磁通漏磁通电机磁路中的磁通分布（4极）2024/12/2734N极铁芯－气隙－电枢齿－电枢轭－相邻S极电枢齿－气隙－S极铁芯－定子轭－回到N极.构成闭合路径二、直流电机磁路2024/12/2735主磁路的分段：全电流定律简化：（1-1）（1-2）主磁路分析2024/12/2736气隙电枢齿电枢轭主磁极定子轭封闭回路中包含Nf匝线圈的2倍（1-3）前面图中封闭回路总磁势各段磁压降为：即主磁路分析2024/12/2737这个关系即直流电机的磁化曲线121.11~1.35饱和系数：

：气隙磁势：总磁势：铁心饱和引起磁势增加主磁路分析2024/12/2738当励磁电流不变时：平均磁通密度：极距：铁心长度每极磁通与平均磁密的关系：气隙磁通密度分布波形2024/12/2739e，Bπ2πωtαeπ2πωt气隙磁密与线圈电势刷间电势空载时的气隙磁通密度为一平顶波2024/12/27401.何谓饱和现象？电机的磁路为什么会出现饱和现象?饱和对电机运行性能有何影响？2.磁路如图所示，由两段铁心加两段气隙构成，气隙长度δ=1mm。铁心材料为硅钢片,气隙磁场强度Hδ＝9.6×104A/m。线圈匝数N=1000，通入的电流I=0.2A。试求磁路中铁芯磁势。答答三、习题2024/12/27411.答：磁导率随着H增大而减小，即磁阻增大的现象叫做饱和现象。电机磁路中由于有非线性铁磁材料，所以会出现饱和现象。由于饱和现象的存在，使电机设计时对H和B的值不能取得过高，材料利用率受到限制，励磁电流需要增大。答案2024/12/27422.解：总磁势＝NI＝1000×0.2＝200A气隙磁势＝2Hδlδ＝2×9.6×104×0.001

＝192A铁芯磁势＝200－192＝8A结论：气隙磁势>>铁芯磁势答案2024/12/27432024/12/2744第三节

直流电机的电枢绕组电枢绕组: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，亦是实现机电能量转换的枢纽。因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组的构成要求：1.能产生足够的感应电动势，并允许通过一定量的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率；2.还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。2024/12/2745电机绕组分类与电枢绕组形式直流电机绕组电枢绕组2024/12/27461.有关技术术语及绕组元件1）极轴线2）几何中线3）极距：相邻极轴线沿电枢表面的圆弧距离，通常用槽数表示，如：

2024/12/27474）元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，两端分别与两个换向片连接的线圈，分单匝和多匝两种。单匝多匝有效边1.有关技术术语及绕组元件2024/12/2748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。首端末端1.有关技术术语及绕组元件2024/12/2749y1必须是整数1.有关技术术语及绕组元件第一节距y15）绕组节距2024/12/27505）绕组节距y=y1-y2＝1第一节距y1第二节距y2合成节距y换向节距ykyk＝y＝11.有关技术术语及绕组元件2024/12/27512.单叠绕组连接原则：单叠绕组的后一个元件紧接着前一个元件嵌放，接完一个元件移过一个槽（也移过一个换向片），后一个元件的首端与前一元件的末端连接在同一个换向片上，最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起，构成闭合绕组。特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同合成节距与换向节距均为1:

y=yk=12024/12/27522.1单叠绕组连接顺序图例:一台电机P＝2，Z＝S＝K＝16合成节距＝换向节距y＝yk＝1第一元件末端与第二元件的首端连接第一节距：2024/12/27532.2单叠绕组展开图1123456789101112131416152345678910111213141615+－++－－运动方向NSNSττττ1,5,9.13在几何中线上同一磁极元件串联2024/12/27542.3绕组的并联支路电路图a＝p＝b单叠绕组输出电势：一条支路电势输出电流：2a条支路电流和2024/12/2755绕组小结直流电机的电枢绕组为闭合回路。其中：电势为零；环流为零。并联支路成对出现。并联支路对数=极对数，即：a＝p。电枢电势（即刷间电势）=支路电势。电枢电流=各支路电流之和。即：电刷成对出现(单叠绕组中，刷对数=极对数)为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接2024/12/2756作业1-8.1-9一台四极单迭绕组的直流电机。如果取出相邻的两组电刷，只用剩下的两外两组电刷是否可以？对电机性能有何影响？端电压有何变化？此时发电机能供给多大的负载（用额定功率的百分数表示）；如果有一元件断线，电刷间的电压有何变化？电流有何变化？若只用相对的两组电刷是否能够运行？若有一极失去励磁，将会产生什么后果？答答答答2024/12/27571.取出相邻的两组电刷2024/12/2758(2)如果有一元件断线2024/12/2759（3）只用相对两组电刷不能运行

若只用相对两组电刷不能运行，因为此时，感应电势与感应电势相抵消，端电压为零不能发电。2024/12/2760（4）若有一极失去励磁

假定一极失去励磁，在电机的各个磁极中磁通不相等，故在每极下的感应电势也不等，这样单迭绕组中并联的每条支路产生的感应电势不等，因此形成环流。由于电机绕组电阻很小，环流将很大使电机过热。第四节

直流电机的电枢反应直流电机负载后，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。电枢磁场的出现，使主磁极气隙磁场发生畸变，即电枢反应。各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。电枢磁动势与电枢磁场

右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。电枢NS分界线磁势为零交轴磁动势在空间分布引入电枢线负荷的概念：导体总数N；导体电流ia；电枢直径为D，则线负荷在原点O左右x处取磁力线闭合回路，应用全电流定律有整个回路的磁压降近似为两个气隙上磁势：电枢磁动势为零电枢磁动势、磁通密度空间分布电枢展开直流电机负载时的磁场主极磁场电枢磁场合成磁场1、当电刷在几何中性线上时将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，得到的负载电机磁场分布情况如图。合成磁通密度分布曲线主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线不饱和两条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物理中性线偏离几何中性线饱和时磁阻不为常数不能简单叠加这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势

如图(a)(b)所示。2.当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)(b)所示。交轴磁势和直轴磁势分析直流电动机电刷移位NN逆向移刷顺向移刷电刷偏移对主磁场的作用电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴去磁、直轴助磁电动机交轴去磁、直轴助磁交轴和直轴去磁以直流电机为例思考电枢反应什么时候只有交轴电枢反应？什么时候既有交轴又有直轴电枢反应？什么情况下直轴电枢反应是去（助）磁的？(课堂练习)四极直流电机123456789101112131415161718几何中线图示时刻1、10号的上层边；6、15号的下层边处在几何中线上。2024/12/2775第五节电枢电势与电磁转矩

电枢电势：电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、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。2024/12/27761.5.1

电枢电势一根导体在一个极距范围内平均感应电势：Bav：平均磁密；l：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2024/12/27771.5.1

电枢电势)(电动势常数为电机的结构常数其中每条支路导体数（每极下导体数），总导体数N常数2024/12/27781.5.1

电枢电势性质:

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).（1-18）NN电势方向2024/12/27791.5.2

电磁转矩

电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩一根导体的所受平均电磁力：作用在电枢上的总电磁力（N/S极下导体受力方向一致）：2024/12/2780大小:为电机的转矩常数其中1.5.2

电磁转矩（1-20）2024/12/2781电势常数Ce和转矩常数CT取决于电机结构，其关系为：电磁转矩性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。（1-21）1.5.2

电磁转矩2024/12/27821.5.3

电磁功率

直流电机中机械能转换为电能或电能转换为机械能的那部分功率，是由于电和磁的相互作用产生的。2024/12/27831.5.3

电磁功率直流发电机：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。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；

从发电机的角度看：电磁功率是转换成电功率的那部分输入机械功率

从电动机的角度看：电磁功率是转换成机械功率的那部分输入电功率。2024/12/2784习题一台四极直流发电机，元件数S=120，每元件电阻为0.2Ω，当空载转速为1000r/min时，此时每个元件的平均电动势为10V。电枢绕组为单叠绕组，求当电机空载时正负电刷间的电压U和电枢绕组电阻Ra各为多少？2024/12/2785计算过程解：电枢绕组为单叠绕组时，2a=4，每支路串联的元件数为120/4=30。因此端电压U和电枢绕组电阻分别Ra为：2024/12/2786习题一台二极、82kw、230V、970r/min（固定不变）的直流发电机的电枢上共有123个元件，每元件为1匝，如果额定运行时的磁通比空载电压为额定电压时的磁通多5％，试求电机的额定电磁转矩。2024/12/2787

解：此发电机的总导体数N＝123*2*1＝246根电势常数转矩常数空载电压为额定电压时所以则额定负载时的额定磁通韦电机额定负载电流A故电机额定电磁转矩（N·m）2024/12/2788解法二2024/12/2789N支路导体数＝每极下导体数《电机原理及拖动》

第4版2024/12/2791第六节直流发电机供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。直流发电机的励磁方式按照励磁方式直流发电机的分类（1）他励发电机：励磁电源由其他独立直流电源提供（2）自励发电机：用发电机本身发出的电给励磁绕组供电（3）自励发电机又可以分为：并励发电机、串励发电机、复励发电机2024/12/2792他励发电机：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：一、直流发电机的分类2024/12/2793并励发电机：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。如图所示并励直流发电机的电枢电流等于负载电流与励磁电流之和，即：一、直流发电机的分类2024/12/2794串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联。如图所示串励直流发电机的电枢电流、负载电流、励磁电流三者相等，即：一、直流发电机的分类2024/12/2795复励发电机：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。如图所示一、直流发电机的分类长分接法短分接法2024/12/2796二、直流发电机的基本方程式（一）电压平衡方程式规定各物理量的参考方向如图－＋电枢电动势：为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：从方程式可见直流发电机2024/12/2797二、直流发电机的基本方程式（二）电磁转矩和转矩平衡方程直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入的驱动转矩电磁转矩：机械摩擦及铁损引起的空载转矩为

转矩平衡方程为：2024/12/2798二、直流发电机的基本方程式（三）功率平衡方程式将（1-23）式两边同乘旋转角速度：原动机输入给发电机的机械功率为输入直流发电机后扣除空载损耗，为电磁功率空载损耗包括：机械摩擦损耗铁损耗附加损耗2024/12/2799二、直流发电机的基本方程式（三）功率平衡方程式将（1-22）式两边同乘电枢电流：电磁功率是转换出的总功率，他与输出功率之间还差电枢回路的电阻铜损耗2024/12/27100二、直流发电机的基本方程式他励直流发电机功率流程图如果是自励发电机，还应考虑励磁功率2024/12/27101三、直流发电机运行特性（一）空载特性定义：当n=C1I=0U=f(If)时，空载时，U=Ea。由于因此空载特性实质上就是。由于正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。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。2024/12/27102三、直流发电机运行特性（一）空载特性Uo＝f(If)

空载特性可以通过实验的手段得到。电位计接法平均空载特性曲线2024/12/27103三、直流发电机运行特性（二）外特性定义：当n=nNIf=IfN

U=f(I)时，负载电流增大时，端电压有所下降。外特性曲线2024/12/27104三、直流发电机运行特性（二）外特性根据以下公式可知，发电机端电压下降有两个原因：一、在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；

二、原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。对于并励电机：端电压下降使If下降，去磁作用更明显，端电压下降更多。2024/12/27105三、直流发电机运行特性（三）电压调整率从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示。U0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%2024/12/27106三、直流发电机运行特性（二）外特性定义：当n=C1

U=C2

If=f(I)时，特性曲线如图所示转速一定，负载电流变化时，为维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，励磁电流也增大。2024/12/27107四、并励直流发电机（一）自励条件

原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生If

。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，If产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，If增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与If

Rf相等时，达到稳定的平衡工作点A。2024/12/27108四、并励直流发电机自励过程

曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻特性曲线也称场阻线。它的斜率就是在建立正常电压过程中励磁电流在上升：增大Rf

，场阻线变为曲线4时，Rf称为临界电阻，与空载特性直线部分重合电机没有稳定运行点。2024/12/27109四、并励直流发电机自励过程

若再增加励磁回路电阻，场阻线变为曲线3时，它可以在很低的稳定点上运行（见书上B点），不能建立正常输出电压，发电机将不能自励。2024/12/27110并励直流发电机自励的特征发电机自励时的稳定点为励磁回路场阻线与空载特性的交点。电机的转速发生变化，空载特性曲线改变，稳定工作点也改变。不同的转速，具有不同的临界电阻四、并励直流发电机2024/12/27111并励直流发电机自励条件（1）电机的主磁路有剩磁，可通过“充磁”获得（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻四、并励直流发电机2024/12/27112并励直流发电机的空载特性并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。但是由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。四、并励直流发电机2024/12/27113并励直流发电机外特性并励发电机的外特性U=f(I)与他励相比，下降更快。因为除了有他励电机的两个下降因素外，还因为电压下降会导致励磁电流的降低，在电压下降较大时励磁电流明显减小磁路退出饱和，外特性出现“拐弯”（见书图中1-27）所以并励电机外特性有以下特点：(1)负载增大时，端电压下降较快；(2)外特性有拐弯现象;四、并励直流发电机2024/12/27114并励直流发电机外特性当负载电阻减到一定程度，由于励磁电流下降导致电压降低，负载电流会随着负载电阻的减小而减小，当负载电阻为零时电压为零，只有剩磁电压产生的短路电流。四、并励直流发电机2024/12/27115直流发电机的小结（1）三个平衡式，以及E>U的发电状态判据；（2）发电机的励磁方式；（3）不同励磁方式对工作特性的影响。五、直流发电机的小结《电机原理及拖动》

第4版2024/12/27117第七节直流电动机直流电动机完成的是电能向机械能的转换。与直流发电机相同，直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。本节以他励直流电动机为例，推导直流电动机的基本方程式。2024/12/27118一台直流电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。以他励电机为例，一台他励直流发电机并联于直流电网上运行，U保持不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当n下降到一定程度时，使得Ea=U，此时I=0

,发电机输出的电功率P2=0，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的空载损耗po。一、直流电机的可逆原理2024/12/27119保持发电机的U不变，继续降低原动机的n，将有Ea<U

,

Ia反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。一、直流电机的可逆原理2024/12/27120一、直流电机的可逆原理2024/12/27121一、直流电机的可逆原理2024/12/27122按电动机惯例规定各物理量的参考方向如图。在外加电压作用下，电枢顺电压U的方向流过电流，电流在磁场中受力产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下旋转，旋转的导体切割主磁场产生一个与电流方向相反的电动势电压平衡方程式：

（1-31）

二、直流电动机的基本方程2024/12/27123二、直流电动机的基本方程（一）电动机转矩平衡方程式直流电机通电后，电枢电流磁场中受力产生电磁转矩在克服了机组摩檫阻转矩T0

后，转换为输出的机械转矩T2

拖动生产机械作功。当负载转矩TL

与输出转矩T2相等时，电机达到稳定平衡有：

（1-32）2024/12/27124二、直流电动机的基本方程（二）功率平衡方程式将式（1-31）两边同乘Ia：将式（1-32）两边同乘角速度：

2024/12/27125二、直流电动机的基本方程（三）他励直流电动机功率流程图2024/12/27126三、直流电动机的特性运行特性转速特性转矩特性效率特性机械特性电压、励磁、转子电枢回路总电阻均为常数的情况下，电机转速和电磁转矩的关系曲线。分为自然机械特性和人工机械特性。2024/12/27127三、直流电动机的工作特性（一）转速特性定义：当U=UN、I=IfN时，n=f(Ia)由电压平衡方程式可得：忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图红线所示。2024/12/27128三、直流电动机的工作特性（二）转矩特性定义：当U=UN、I=IfN时，T=f(Ia)转矩表达式考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。2024/12/27129三、直流电动机的工作特性（三）效率特性定义：当U=UN、I=IfN、

Rc=0时，=f(Ia)由效率定义可得由于分母中的励磁电流较电枢电流小很多可不计，附加损耗不计，则上式可写成2024/12/27130三、直流电动机的工作特性（三）效率特性空载损耗不随负载变化，称为不变损耗，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时电机铜损快速增大，此时效率降低。绘出效率曲线如图所示。2024/12/27131三、直流电动机的工作特性（三）效率特性效率最大值即不变损耗等于可变损耗时，电机效率最高。通常电机效率的最大值在75％－100％负载范围。（可以据此估算电枢绕组电阻）估算例题1-12024/12/27132三、直流电动机的工作特性（四）直流电动机的机械特性电压、励磁、转子电枢回路总电阻均为常数的情况下，电机转速和电磁转矩的关系曲线2024/12/27133三、直流电动机的工作特性（四）直流电动机的机械特性直流电动机的固有机械特性当电压为额定值、励磁电流为额定值（不计电枢反应）、转子电枢回路外串电阻为零的情况下，电机转速和电磁转矩的关系曲线称为直流电动机的固有机械特性曲线，也称作自然机械特性曲线。2024/12/27134三、直流电动机的工作特性（四）直流电动机的机械特性直流电动机的自然机械特性2024/12/27135三、直流电动机的工作特性（四）直流电动机的机械特性获得自然机械特性曲线两个特殊点：空载点（T=0，n＝n0）额定工作点（T＝TN，n＝nN）利用额定数据UN、IN、nN、Ra其中电枢回路电阻可通过查表或估算得到计算出书中例题1-12024/12/27136四、串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组是串联的，因此励磁电流随着负载变化。这是串励电机的主要特点。串励电机的机械特性很软，当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：从公式2024/12/27137四、串励直流电动机的工作特性（一）转速特性当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。转矩特性当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。2024/12/27138四、串励直流电动机的工作特性（二）串励直流电动机的机械特性1.当磁路不饱和时2.当磁路饱和时与他励直流电动机的特性曲线基本一致。2024/12/27139五、复励电动机的机械特性串励的机械特性曲线特点：启动转矩比较大，适合负载、重载启动；正常工作，转速降比他励稍大（R0=Rf+Rc）并励的机械特性曲线特点：启动转矩比较小，适合空载、轻载启动；正常工作，转速降下降很大（3个原因）。2024/12/27140五、复励电动机的机械特性介于并励和串励的机械特性曲线之间，兼有并励和串励电动机的优点。2024/12/27141六、直流电动机的小结（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（特性软硬度不同）；（3）电动机的机械特性方程式。《电机原理及拖动》

第4版2024/12/27143第八节直流电机换向直流电机电枢绕组的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。元件中电流从＋ia到－ia所经历的时间称为换向周期Tk。换向周期通常0.2-2ms。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。假定换向片的宽度等于电刷的宽度换向周期Tk:2024/12/27144电刷仅与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示。电枢移到电刷与换向片1、2接触面积相同时，元件1中没有电流。电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示。一、换向过程2024/12/27145（一）换向元件中的电动势：自感电动势eL和互感电动势eM

：换向元件在换向过程中电流改变而产生的电抗电势er根据楞次定律，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

的方向一致。二、换向的电磁理论2024/12/27146切割电动势ea：（旋转电势）在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，