电机及拖动系统 课件 第1章 直流电机基本原理与运行分析

1.直流电机的基本工作原理2.直流电机的电枢绕组3.直流电机的磁场4.直流电机的感应电动势和电磁转矩5.直流电机的换向6.直流发电机7.直流电动机8.串励和复励直流电动机第1章直流电机基本原理与运行分析1.1.1直流电机的基本结构

1.直流电机的作用及优缺点

直流发电机：可用做化工、冶炼、交通运输以及交直流发电机的

励磁电源。其电动势波形好，电磁干扰小。

直流电动机：多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电气机车、纺织机械等。

直流电机的优点：

（1）调速范围广、调速平滑；

（2）过载能力较强，启动、制动转矩较大；

（3）控制简单。

直流电机的主要缺点：换向问题1.1直流电机的基本工作原理2.直流电机的基本结构直流电机主要由定子、转子（电枢）组成。直流电机的横切结构图1.1直流电机的基本工作原理直流电机实物图之一(1)定子部分：机座主磁极(永磁式,励磁式)换向极电刷装置端盖(2)转子部分：电枢/转子铁芯电枢/转子绕组换向器转轴、轴承、风扇等定子和转子之间有很小的空气隙，它是电机磁路的一部分。1.1直流电机的基本工作原理1-前端盖；2-电刷；3-励磁绕组；4-机座；5-主磁极；6-后端盖；7-轴；8-电枢；9-电枢绕组；10-换向器；11-轴承小型直流电机结构图1.1直流电机的基本工作原理小型直流电机的分解图两极直流电机剖面图直流电机电枢装配图1.1直流电机的基本工作原理1-机座；2-主磁极；3-换向机；4-电枢1-转轴；2-轴承；3-换向器；4-电枢铁心；5-电枢绕组；6-风扇；7-轴承1.1.2直流电机的铭牌数据

额定功率

额定电压额定电流额定转速额定励磁电流另外，直流电动机轴上输出的额定转矩用表示，计算式为：注意：电机的实际运行与额定运行的关系，也即什么是欠载

运行，什么是过载运行。1.1直流电机的基本工作原理例1-1

一台直流电动机，额定功率为160KW，额定电压为220V，额定效率为90％，额定转速为1500转/每分，求该电动机额定运行时的输入功率、额定电流及额定输出转距？解：额定输入功率为

额定电流为

额定输出转距为1.1直流电机的基本工作原理

1.直流发电机

直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。直流发电机是使电机的电枢绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，然后经过机械整流得到直流电。

1.1.3直流电机的工作原理直流发电机物理模型1.1直流电机的基本工作原理直流发电机工作原理分析：原动机拖动电枢逆时针旋转，ab在N极下，cd在S极下

从b→a；从d→c

电刷A为+，电刷B为-

电枢转过180°，ab在S极下，cd在N极下

从a→b；从c→dd接A，a接B，A为+，B为-1.1直流电机的基本工作原理说明：流过负载的电流方向不变结论：在直流发电机中：（1）电枢绕组内为交流电；（2）通过电刷、换向器后，电刷两端得到的电动势方向不

变，外电路电流方向不变，即输出直流电；（3）为减少外电路直流电脉动，电枢绕组采用多线圈。

eabeAB1.1直流电机的基本工作原理

2.直流电动机直流电动机的工作原理是建立在电磁力定律的基础上。外加直流电源，经过电刷、换向器变成电枢绕组中的交流电，使电机电枢在电磁力的作用下旋转起来。直流电动机的物理模型1.1直流电机的基本工作原理直流电动机工作原理分析：

外加如右图所示直流电，电刷A接+，电刷B接-电机逆时针方向旋转1.1直流电机的基本工作原理

线圈电流方向，a→b，c→dab受力向左(N极下)，cd受力向右(S极下)

产生逆时针方向电磁转矩

电枢转过180°

电枢电流方向：b→a，d→c

cd受力向左(N极下)，ab受力

向右(S极下)

仍产生逆时针方向的电磁转矩结论：在直流电动机中（1）外电路是直流电；（2）通过换向，把直流电变成

电枢绕组里的交流电；（3）为防止电枢受力不均，增

大电磁转矩，电枢绕组采

用多线圈串联。1.1直流电机的基本工作原理1.2.1电枢绕组的相关概念电枢绕组定义：由许多线圈(绕组元件)按一定规律连接构

成的闭合线圈组。

叠绕组：单叠绕组、复叠绕组

电枢绕组形式：波绕组：单波绕组、复波绕组混合绕组(蛙形绕组)电枢绕组的绕组元件按一定规律嵌放在电枢铁心表面的槽中

电枢绕组：是直流电机实现机电能量转换的枢纽。

电枢绕组作用：产生感应电动势和电磁转矩。1.2直流电机的电枢绕组绕组元件及嵌放方法如下：(注意：实槽与虚槽的关系)

在分析电枢绕组连接规律时，主要研究它的节距、展开图、元件连接次序和并联支路图。

几个与电枢绕组有关的概念：(1)极轴线(2)几何中心线(3)元件

(4)单双层绕组(5)极距(6)第一节距Y1(7)合成节距Y和换向器节距Yk(8)第二节距Y21.2直流电机的电枢绕组1.2.2单叠绕组

第1节距：1.节距第2节距：合成节距和换向器节距：

2.极距：指在电枢铁心表面上一个磁极

所跨的距离,表示为：

其中，－－总虚槽数－－磁极对数1.2直流电机的电枢绕组3.绕组展开图例1-2

已知一台逆时针旋转的直流电机，，，画出它的右行单叠绕组展开图。解:(1)计算各节距(2)计算极距(3)根据元件的节距画绕组展开图

第1步：画元件；第4步：连接绕组;第2步：放主磁极；第5步：确定导体感应电动势的方向;第3步：画换向器；第6步：放置电刷及确定电刷极性.

1.2直流电机的电枢绕组1.2直流电机的电枢绕组4.单叠绕组元件连接次序

5.单叠绕组的并联支路图1.2直流电机的电枢绕组结论：单叠绕组具有以下特点：(1)元件的两个出线端连接于两相邻换向片上；(2)位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，即并联支路对数等于极对数，；(3)当元件的几何形状对称时，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小；(4)电刷杆数/组数等于磁极数；(5)电枢电压等于支路电压；(6)电枢电流为各支路电流之和，即(式中为每条支路的电流，即元件中流过的电流)。1.2直流电机的电枢绕组1.2.3单波绕组

第1节距：1.节距第2节距：合成节距和换向器节距2.极距1.2直流电机的电枢绕组3.绕组展开图例1-3

已知一台逆时针旋转的直流电机，，，画出它的右行单波绕组展开图。解：(1)计算节距(2)计算极距(3)根据元件的节距画绕组展开图第1步：画元件；第4步：连接绕组;第2步：放主磁极；第5步：确定导体感应电动势的方向;第3步：画换向器；第6步：放置电刷及确定电刷极性.1.2直流电机的电枢绕组1.2直流电机的电枢绕组4.单波绕组元件连接次序5.单波绕组的并联支路图1.2直流电机的电枢绕组结论，单波绕组具有以下特点：位于同极性下的各元件串联起来组成一条支路，支路对数

与极对数无关，；(2)当元件的几何形状对称时，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大（即正、负电刷间电动势最大）；(3)电刷杆数/组数等于磁极数；(4)电枢电压等于支路电压；(5)电枢电流为(式中为支路电流，即元件中流过的电流)。1.2直流电机的电枢绕组分析单叠和单波绕组可知在电机的极对数、元件数以及导体截面积相同的情况下：

(1)单叠绕组并联支路数等于主磁极数，每条支路里的元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机；

(2)单波绕组并联支路数等于2，每条支路里的元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。1.2直流电机的电枢绕组1.3.1直流电机的励磁方式1.3直流电机的磁场四极直流电机空载时的磁场示意图（主、漏磁通）

1.直流电机的磁路1.3.2直流电机的空载磁场空载是指有励磁电流，电枢电流等于或近似为零的运行状态。1.3直流电机的磁场空载时电机气隙磁密分布情况因，故

2.空载时气隙磁通密度分布1.3直流电机的磁场

3.空载磁化曲线

忽略铁磁材料磁路的磁压降，气隙磁密与气隙长度成反比，若电机气隙均匀，则气隙磁密分布如右上图中曲线1所示。实际上，电机的气隙是不均匀的，故实际气隙磁密分布如右上图中曲线2所示。

一般把空载时气隙每极磁通与空载励磁磁动势或空载励磁电流之间的关系，称为直流电机的空载磁化曲线，如右下图曲线1。A点：电机额定磁通取点1.3直流电机的磁场1.电枢磁动势

直流电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也产生磁动势，称为电枢磁动势。电枢磁动势所产生磁场轴线与励磁磁动势所产生主磁场轴线相互垂直，其磁场分布如下图a)所示。负载时直流电机的气隙磁场分布1.3直流电机的磁场1.3.3直流电机的负载磁场及电枢反应

直流电机负载运行时，电机内磁场由主磁极磁场和电枢磁场合成。合成的磁场轴线必然不在主磁极中心线上，气隙磁密过零点偏离了几何中线，即电枢反应使气隙磁场分布发生畸变，使物理中线发生偏移。1.3直流电机的磁场2.电枢反应

电枢磁动势必然会影响空载时只有励磁磁动势单独作用的磁场，改变气隙磁密分布情况及每极磁通量大小，这种现象称为电枢反应。

由电枢磁动势磁场分布图可知，每个磁极下，半个磁极内两磁场磁力线方向相同，另半个磁极内两磁场磁力线方向相反。磁路不饱和时，每极磁通大小不变。磁路饱和时，每极磁通减少，称之为去磁作用。结论：电机负载运行时，就会有电枢反应，电枢反应的作用：

①使气隙磁场分布发生畸变；

②

使物理中线发生偏移;③呈去磁作用。1.4.1感应(电枢)电动势

感应电动势：指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，即电枢绕组每条并联支路里的感应电动势。

计算方法：先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，再乘以一条支路里的总导体数，即为电枢电动势。

一个极距内平均磁密：一根导体的感应电动势：导体切割磁力线的速度：1.4直流电机的感应电动势和电磁转矩其中，---电动势常数―――――电枢绕组的总导体数；

―――――电枢绕组的并联支路对数。电枢电动势的计算公式

故有性质：在直流发电机里--Ea与Ia的方向相同，称为电源电动势

在直流电动机里--Ea与Ia的方向相反，称为反电动势1.4直流电机的感应电动势和电磁转矩1.4.2直流电机的电磁转矩

电磁转矩：电枢全部导体受到的电磁力与电枢半径的乘积称为电磁转矩。

计算方法：先求一根导体所受的平均电磁力和产生的平均电磁转矩，再乘以电枢总导体数，即可得到总的电磁转矩。

一根导体所受的平均电磁力：导体中流过的电流：一根导体产生的平均电磁转矩：电枢的直径：1.4直流电机的感应电动势和电磁转矩式中：

---转矩常数。

---电枢电流。电磁转矩的计算公式性质：发电机：阻转矩，方向与电枢转动的方向相反。

电动机：驱动转矩，方向与电枢转动的方向相同。1.4直流电机的感应电动势和电磁转矩例1-4

一台直流发电机，极对数，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数为，额定转速，每极磁通

韦伯。求：(1)额定运行时该发电机的电枢电动势；

(2)该发电机作电动机用，当电枢电流为800安时，能产生多大的电磁转矩。

解:(1)

(2)1.4直流电机的感应电动势和电磁转矩换向的定义：旋转着的电枢绕组元件从一条支路换到另一条支路，元件中电流改变方向，这一过程称为换向。1.5直流电机的换向绕组元件的换向过程示意图换向过程中产生的换向电动势：

1.自感电动势；

2.互感电动势：若同时换向的元件不止一个，换向元件之间会产生互感电动势。

3.电枢反应电动势：电枢磁动势的存在，使得处在几何中线上的换向元件的导体中产生切割电动势。

1.5直流电机的换向理想换向时电枢元件中的电流波形以上三种电动势都是阻碍换向的(楞次定律)，造成换向延迟，使换向元件在离开前支路最后瞬间尚有大量电磁能量，以弧光放电方式在电刷和换向片之间产生火花。改善换向的方法：

1.在主磁极之间加装换向极换向极绕组与电枢绕组串联，且产生磁通方向与电枢反应磁通相反，大小比电枢反应磁通大，以消除或减弱电磁性火花。换向火花产生的原因：电磁原因＋机械原因＋电化学、电热等直流电动机换向极绕组连接与极性火花的危害：①损坏电刷和换向器，严重时使电机不能正常运行。②对附近通讯产生干扰。在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边刚离开的主磁极极性一致。在直流发电机中，换向极极性应和换向元件边要进入的主磁极极性一致。1.5直流电机的换向

在工作繁重的大型直流电机中，由于电枢反应的严重影响，除上述电磁性火花外，在正、负电刷间还会产生电弧，甚至“环火”。

2.在主磁极极靴上加装补偿绕组，以消除电弧和环火

补偿绕组与电枢绕组串联，且补偿绕组产生的磁通方向与电枢反应磁通方向相反，以保证在任何负载下都能抵消电枢反应磁动势。补偿绕组连接如右图。1.5直流电机的换向补偿绕组连接

直流发电机是将机械能转换为电能的电磁装置，数学模型是其运行过程中所遵循基本物理定律的定量描述，等效电路和相量图则是数学模型的另一种表达形式。利用数学模型可对电机运行特性进行分析计算。直流电机的电磁关系励磁绕组：电枢绕组：空载时，主磁通由励磁磁通单独产生。负载时，主磁通由励磁磁通与电枢磁通共同产生。1.6直流发电机暂态电系统的电压平衡方程式暂态机械系统的运动方程式1.6.1直流发电机的数学模型1.6直流发电机1.基本方程式并励直流发电机的状态方程if不变忽略磁路饱和1.6直流发电机并励直流发电机主磁场恒定时的系统框图发电机的输入输出关系：进行拉普拉斯变换，假定主磁场恒定不变，可得1.6直流发电机稳态电压平衡方程式

并励直流发电机的等效电路稳态转矩平衡方程式1.6直流发电机2.等效电路根据上面分析，可得并励直流发电机暂态和稳态等效电路，如右图。3.功率流图将转矩平衡方程式两边乘以电枢机械角速度得其中，注意：如果是他励发电机则没有、1.6直流发电机并励直流发电机功率流图直流发电机效率：1.6直流发电机例1-5

一台额定功率

的并励直流发电机，额定电压，额定转速，电枢回路总电阻，励磁回路总电阻。已知机械损耗和铁耗，附加损耗，求额定负载时各绕组的铜耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率各为多少？

解：先计算额定电流

励磁电流电枢电流1.6直流发电机电枢回路铜耗励磁回路铜耗电磁功率总损耗输入功率效率1.6直流发电机1.6.2直流发电机的运行特性

运行特性指发电机的电枢端电压、励磁电流、负载电流或电枢电流这三个物理量之间的关系。保持其中一个量不变，研究其余两个量之间的关系就构成了一种运行特性。1.空载特性

发电机转速

恒定，负载电流时，的关系曲线，如上图。

由于，所以空载特性与空载磁化曲线相似。1.6直流发电机2.外特性保持，不变，电枢端电压与负载电流之间的关系曲线。1－积复励；2－他励；3－并励右图为直流发电机外特性曲线（实验测得）。问题：为什么并励直流发电机的外特性下降最多？1.6直流发电机3.调节特性：当外接负载变化时，要保持端电压恒定，励磁电流随负载变化的关系曲线，即4.效率特性：发电机带负载运行，发电机的效率随负载变化的关系曲线，即并(他)励直流发电机的调节特性和效率特性1.6直流发电机1.6.3并励和复励直流发电机空载电压的建立

并励和复励直流发电机都是自励发电机，可不需要外部直流电源供给励磁电流，即可以自励。右图为并励发电机接线图，下图为自励分析曲线。1.6直流发电机自励的三个条件①电机必须有剩磁，如果电机无剩磁，可用其他直流电源激励一次，以获得剩磁。②励磁绕组并联到电枢的极性必须正确，否则励磁绕组接通以后，电枢电动势不会增大，反而会下降，如果有这种现象，可将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将电枢反转。③励磁回路电阻必须小于临界电阻值。若励磁回路中电阻很大，则伏安特性很陡,与空载特性交点很低或者无交点，也不能建立电压，如上页左图中直线3与空载特性相切，此时励磁回路的电阻值称为临界电阻值。

1.6直流发电机1.7.1直流电机的可逆运行原理

以并励发电机为例说明发电机运行：，保持不变，撤去原动机，，在T+T0

作用下为阻转矩变为驱动转矩当时稳速运行变为电动机运行。发电机各量参考正方向1.7直流电动机上述电机可逆运行原理说明：

发电机与电动机在一定条件下可以相互转换，关键取决于加在电机轴上转矩的性质和大小。如能使升高，使则电机运行在发电机状态，反之则运行在电动机状态。电动机运行：只要在电机轴上接上原动机，向电机输入机械功率，转速和电枢电动势就会上升。如果使得大于电枢电压,电枢电流将反向，电机的电磁转矩也反向，与电机的转向相反，变成制动性转矩。此时电机向电网输送电功率，变成发电机运行。1.7直流电动机暂态电系统的电压平衡方程式暂态机械系统的运动方程式1.7.2直流电动机的数学模型

1.7直流电动机1.基本方程式并励直流电动机的状态方程if不变忽略磁路饱和1.7直流电动机并励直流电动机主磁场恒定时的系统框图电动机的输入输出关系：进行拉普拉斯变换，假定主磁场恒定不变，可得1.7直流电动机稳态电压平衡方程式1.7直流电动机稳态转矩平衡方程式2.等效电路根据上面分析，可得并励直流电动机暂态和稳态等效电路，如右图。并励直流电动机的等效电路3.功率流图1.7直流电动机将稳态电压平衡方程式第一式两边同乘以，可得下图为并励直流电动机的功率流图电动机的效率：1.7直流电动机例1-6

一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，电枢总导体数，电枢回路总电阻。当此电机运行在电源电压

，电机的转速

，气隙每极磁通

时，电机的铁耗

，机械摩擦损耗

(忽略附加损耗)。求：①该电机运行在发电机状态还是电动机状态？②电磁转矩为多少？③输入功率和效率各为多少？解：①先计算电枢电动势

由于，故此电机运行在电动机状态。1.7直流电动机②电枢电流为电磁转矩为③输入功率为输出功率为总损耗为效率为1.7直流电动机例1-7

一台并励直流电动机，额定功率

，额定电压

，额定电流

，额定转速

，电枢回路总电阻

，额定励磁电流为

，忽略电枢反应的影响。求：①额定输出转矩为多少？②在额定电流时的电磁转矩为多少？解：①额定输出转矩为

②额定电流时的电枢电流为1.7直流电动机1.7.3直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性：指当,，电枢回路不外串电阻时，转速、电磁转矩、效率随负载变化的关系曲线。

1.转速特性2.转矩特性3.效率特性他(并)励直流电动机工作特性（若为他励，无）1.7直流电动机1.7.4直流电动机的机械特性1.机械特性的一般表达式2.固有机械特性

指，，且电枢回路不外串电阻时的机械特性。

固有机械特性曲线

1.7直流电动机①理想空载转速点②额定转速点③n=0的点（启动点）④斜率1.7直流电动机例2-4

一台他励直流电动机额定功率为96KW,额定电压为440V，额定电流为250A，额定转速

，电枢回路总电阻为

，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；③画出固有机械特性曲线。解：①由电动机的电压平衡方程式得1.7直流电动机②固有机械特性的斜率③固有机械特性1.7直流电动机3.人为机械特性

固有机械特性：

可改变的参数：(1)电枢回路串电阻的人为机械特性

特点：①为过理想空载转速点的一组放射形直线；②斜率随外串电阻的增大而增大；③负载转矩一定时,外串电阻越大，转速n越低，转速降越大。1.7直流电动机(2)降低电枢电压的人为机械特性