电机与拖动基础教案(二)

学期授课计划说明

课

本已本本学期课时分配

课时

讲期本其中

程

学余

计授教期讲实测考机小

划

学学总S

学学

时时周时授践试核动计

120181205630考试2120

教学大纲名称《电机与拖动基础》教学大纲

或版本——i编

选用教材《电机与拖动基础》

主要参考书《电机及电力拖动》（机工出版社）

名称及版本

所需实验（实习）器电动机实训装置

材及设备

实验（习）场地电机实训室

备注

皖西学院教案

2010〜2011学年度第二学期编号001.

机械与电子工程系电气教研室任课教师汪良益.

课程名称电机与拖动基础

授课章节绪论第一章直流电机

§1.1直流电机的结构与工作原理

绪论课型：理论

课题:学时数：2学时

§1.1直流电机的结构与工作原理课

1.了解电机及电力拖动技术的发展;

.明确课程的性质、课程所涵盖的内容、学完本课程后所达到的要求。

教学目的及2

3.掌握直流电机的基本工作原理。

要求4.掌握直流电机的结构，掌握各部分的作用。

5.了解直流电机的铭牌。

教学重点直流电机的基本工作原理及结构

教学难点直流电机的基本工作原理

教学方法讲授法

教学辅助手

段、教具

电气0803,

电气0801,0802

授课班级电信07

授课日期9月8日9月10日月日月日

教学过程主

要环节设计

作业1.1,1.2

绪论

0.1电机及电力拖动系统概述

一、电机

《电机与拖动基础》是把电机学和电力拖动基础两门课程有机结合而成的一

门课程。

电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能

量转换的机械装置。

电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。发电机把机械

能转化为电能。而电能的生产集中在火力、水力、核能和风力发电厂进行。

为了减少输电中的能量损失，远距离输电均采用高电压形式：电厂发出的电

能经变压器升压，然后经高压输电线路送达目的地后，再经变压器降压供给用户O

电能转换为机械能主要由电动机完成。电动机拖动生产机械运转的方式称为

电力拖动。

由于电动机的效率高、种类和规格多、具有各种良好的特性，电力拖动易

于操作和控制，可以实现自动控制和远距离控制，因此，电力拖动广泛应用于国

民经济各领域。例如各种机床、轧制生产线、电力机车、风机、水泵、电动工具

乃至家用电器等，数不胜数。

为了能建立一个感性认识，对电机进行简单的分类如下：

电机的分类

r从能量转换的角度分从旋转与否的角度分从电能的性质分

直

交

控

发

电

变

流

流

制旋转电机

压

电

动静止电机

电

电

电

器

机

机（发电机

机

机

（变压器）机

电动机）

在电力拖动自动控制系统中，大量应用控制电机。控制电机是一种在自动控

制、自动调节、随动系统、远距离测量及计算装置中作为执行元件、检测元件的

小型电机。这部分内容将在另外的教材中涉及。

在工业自动化专业与电气工程及自动化专业中，电机与拖动是一门十分重

要的专业基础课或技术基础课，它在整个专业教学计划中起着承前启后的作用，

是后续课程《自动控制原理》、《电力拖动自动控制系统》、《电力电子技术》等课

程的重要基础。主要研究电机拖动系统的基本理论问题，分析研究直流电机、变

压器、异步电动机和同步电动机的简单结构、原理、基本电磁关系和运行特性；

并初步联系生产实际，从生产机械工作的要求出发，重点介绍交直流拖动系统的

动静态运行特性，为学习自动控制系统等后续专业课打下坚实基础。因此，课程

既具有较强的基础性，又带有专业性。

二、电力拖动

简单的电力拖动系统由电源、电动机、传动机构、负载和自动控制装置等部

分组成，见图1.1。电源提供电动机和控制系统所需的电能；电动机完成电能向

机械能的转换；传动机构用于传递动力，并实现运转方式和运转速度的转换，以

满足不同负载的要求；自动控制装置则控制电动机拖动负载按照设定的工作方式

运行，完成规定的生产任务。

-----------电源

自动控制装置-----电动机传动机构——负载

图1.1电力拖动系统起

0.2电气控制

电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的

要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机

等得到了很大发展。

同时，随着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，是我国电

工电器行业（电机）发展的重点产品。稀土永磁电机，无轴承电机也是电机技术发

展的新动向。

与此相适应，电机拖动也有了新的发展，对拖动系统又提出更高的要求，如

要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速启动、制动和逆转，实现很宽范围

内的调速及整个生产过程的自动化等，这就需要有一整套自动控制设备组成自动

化的电力拖动系统。而这些高要求的拖动系统随着自动控制理论的不断发展，半

导体器件和电力电子技术的采用，以及数控技术和计算机技术的发展与采用，正

在不断地完善和提高。

综上所述，电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优

点。它启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类

型多，且具有各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各

参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动己成

为国民经济电气自动化的基础。

0.3本课程的性质、任务和内容

《电机与拖动基础》是电气自动化技术专业的一门专业基础课。它的主要任

务是使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构与工作原理,

电力拖动系统的运行性能、分析计算，电机容量选择及试验方法等，为学习《工

厂电气控制设备》、《自动控制原理》、《交直流调速系统》等课程准备必要的

基础知识。

《电机与拖动基础》是分析和解决电机与电力拖动系统的基本问题，主要包

括直流电机及拖动、变压器、异步电机及拖动、同步电动机、控制电机和电动机

容量的选择等内容。课程学完后学生应达到下列要求：

1.掌握常用交、直流电机及变压器的基本理论（电磁关系、能量关系）。

2.掌握控制电机的工作原理、主要性能及用途。

3.掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论。

4.掌握电力拖动系统中电动机调速方法的基本原理和技术经济指标。

5.掌握选择电动机的原则和方法。

6.掌握电机的基本试验方法及技能，并具有熟练的运算能力。

7.了解电机与电力拖动今后的发展方向。

0.4课程目标

《电机与拖动基础》课程在于通过电机的理论、应用、电气控制方法、电气

控制系统的构成和设计方法的学习，让学生成为一名电机及控制技术方面的应用

型技术人才。

0.5本课程的特点及学习方法

一、特点：本课程的特点是理论性强、实践性也强。分析电机与电力拖动的

工作原理要用电学、磁学和动力学的基础理论，既要有时间概念，又要有空间概

念，所以理论性较强；而用理论分析各种电机和电力拖动的实际问题时，必须结

合电机的具体结构、采用工程观点和工程分析方法，除要掌握基本理论以外，还

应注意培养实验操作技能和计算能力，所以实践性也较强。因此，学习本门课程

应该特别注意理论联系实际。

二、学习时应注意以下几点

1、抓主略次

2、掌握基本概念、基本原理和主要特性

3、对比学习，找共性和特点

4、理论联系实际，实验和下厂实习结合

5、带着问题学（预习每节相关的思考题）

第一章直流电机

§1.1直流电机的结构与工作原理

一、直流电机的主要结构

直流电机是由静止的定子部分和转动的转子部分构成的，定、转子之间有一

定大小的间隙（以后称为气隙）。

1一换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6一端盖；

7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心

1.定子部分：直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。

（1）主磁极又称主极。在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。

（2）换向极容量在Ikw以上的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极。

换向极又称附加极或间极，其作用为了改善直流电机的换向。

（3）机座一般直流电机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起

两方面的作用：一方面起导磁的作用，一方面起机械支撑的作用。

（4）电刷装置电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。

2、转子部分：直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和

风扇等组成。

(1)电枢铁心电枢铁心作用有二，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是

嵌放电枢绕组。

(2)电枢绕组它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势

以实现机电能量转换。

(3)换向器在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷

端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组

内的交变电流。

二、直流电机的基本工作原理

1.直流发电机的工作原理

直流发电机的模型与直流电动机相同,

不同的是电刷上不外加直流电压，而是利

用原动机拖动电枢朝某一方向例如逆时针

方向旋转，如图所示。这时导体ah和cd

分别切割N极和S极下的磁力线，产生感

应电动势，电动势的方向用右手定则确定。

在图示情况下，导体"中电动势的方向由

b指向a,导体cd中电动势的方向由d指

向c,所以电刷A为正极性，电刷B为负

极性。电枢旋转180°时，导体cd转至N

极下，感应电动势的方向由c指向d,电刷

A与cd所连换向片接触，仍为正极性；导体必转至S极下，感应电动势的方向

变为a指向江电刷B与H所连换向片接触，仍为负极性。可见，直流发电机

电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的作用，在电刷

A和B两端输出的电动势是方向不变的直流电动势。这种作用称为整流作用。

若在电刷A和B之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流

发电机的基本工作原理。

同时应该注意到，带上负载以后，电枢导体成为载流导体，导体中的电流方

向与电势方向相同，利用左手定则，还可以判断出由电磁力产生的电磁转矩方向

与运动方向相反，起制动作用。

根据上述原理分析，可以看出直流发电机有如下特点：

(1)直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；

(2)利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直

流输出；

(3)直流电动机导体中的电流与运动电势方向相同。

(4)电磁转矩起制动作用。

从以上分析可以看出：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以

作为发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源外加于电刷，输入电能，

电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用原动机拖

动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷

上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作为电动机运行，又能作

发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。

2.直流电动机的工作原理

图1.1是一台最简单的直流电动机的模型，N和S是一对固定的磁极（一般是

电磁铁，也可以是永久磁铁）。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电

枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abed,线圈的两端分别

接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向

器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B,线圈必cd通

过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体称为电枢。

此模型作为直流电动机运行时，将直流电源加于电刷A和B,例如将电源正极

加于电刷A,电源负极加于电刷B,则线圈。物力中流过电流。在导体时中，电

流由。流向人，在导体cd中，电流由c流向4。载流导体必和cd均处于N和S

极之间的磁场当中，受到电磁力的作用。电磁力的方向用左手定则确定，可知这

一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个电

枢逆时针方向旋转。当电枢旋转180。，导体cd转到N极下，ab转到S极下，

如图1.1（b）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由△流向c,而

ab中的电流由b流向a,从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方

向仍是逆时针方向。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，变为

电枢线圈中的交变电流，这种将直流电流变为交变电流的作用称之为逆变。由于

电枢线圈所处的磁极也是同时交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不

变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

同时可以看到，一旦电枢旋转，电枢导体就会切割磁力线，产生运动电势。

在图1.1（a）所示时刻，可以判断出ab导体中的运动电势由。指向a,而此时的导

体电流由a指向b,因此直流电动机导体中的电流和电势方向相反。

图1.1直流电动机的基本工作原理

实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多

换向片组成，使电枢线圈所产生总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转

速也比较均匀。

根据上述原理，可以看出直流电动机有如下特点：

（1）直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；

（2）电磁转矩起驱动作用；

（3）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交

变电流；

（4）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相反。

3、直流电铭牌数据及主要系列

型号为Zz-51的直流电机是一台机座号为5、电枢铁心为短铁心的第2次改

型设计的直流电机。机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有『9个多

座号，机座号数越大，直径越大。枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种，1表示

短铁心，2表示长铁心。

铭牌数据

(1)额定功率马(趣)；

(2)额定电压"吟;

(3)额定电流加⑶；

(4)额定转速

(5)励磁方式和额定励磁电流1万(工)。

直流发电机的额定功率应为

FN=U过1M

直流电动机的额定功率为FN=U议］陋^

电动机轴上输出的额定转矩为

刍1=9.55殳

nN

皖西学院教案

2010〜2011学年度第二学期编号002.

机械与电子工程系电气教研室任课教师汪良益.

课程名称电机与拖动基础

授课章节第一章直流电机

§1.3直流电机的绕组

课型•理论

课题：§1.3直流电机的绕组学时数:2学时

课

教学目的及掌握直流电机单叠、单波绕组的特点

要求了解电机的分类和单叠、单波绕组的展开图、支路图的画法

教学重点单叠绕组的联接规律和特点

教学难点单叠绕组的联接规律和特点

教学方法讲授法

教学辅助手

段、教具

电气0803,

电气0801,0802

授课班级电信07

授课日期9月12日9月12日月日月日

教学过程主

要环节设计

作业

§1.3直流电机的电枢绕组

电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢

绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。电枢绕组是由许多个形状完全

一样的单匝元件(当然也可以是多匝元件)以一定规律排列和联接起来的，用s

表示元件数。

单叠绕组

1.绕组节距

所谓节距，是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的

元件边数或虚槽数或换向片数来表示。元件的上层边用实线表示，下层边用虚线

表示。

(1)第一节距

同一元件的两个元件边在电枢周围上所跨的距离，用电枢表面相隔的槽数来

表示，称为第一节距yi。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距。当用槽

数表示时，极距的表达式为

z

式中，P为磁极对数。

为使每个元件的感应电动势最大，第一节距为应尽量等于一个极距。但T

不一定是整数，而yi必须是整数，为此，一般取第一节距

0=Z"士£=整数

2P

式中，£为小于1的分数。

X=7的元件为整距元件，绕组称为整距绕组；的元件称为短距元件，绕

组称为短距绕组；y>7的元件称为长距元件，其电磁效果与yi<£的元件相近，

但端接部分较长，耗铜多，一般不用。

(2)第二节距

第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距

离，用槽数表示，称为第二节距丫2。

(3)合成节距

直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为合成节距

y。

(4)换向器节距

每个元件的首、末两端所接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片

数表示，称为换向器节距yk。由下图可见，换向器节距yk与合成节距y总是相

等的，即

yk=y

2.单叠绕组的联接方法和特点

下面通过一个实例来说明。

设一台直流发电机2P=4,Z=S=K=16,联接成单叠右行绕组。

（1）计算各节距

第一节距月

y产±£“=4

12P4

合成节距丁和换向器节距以

y=y=1

第二节距为

%=x_y=3

（2）绘制绕组展开图如下图所示。

所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿的中间切开，并展开成平面

的联接图。作图步骤如下。

第一步，先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长

等距的虚线，代表各槽下层元件边。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和

一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。

第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7J4个磁极均匀放置

在电枢槽之上，并标上双、S极性。假定N极的磁力线进入纸面，S极的磁力

线从纸面穿出。

第三步，画16个小方块代表换向片，并标上号码，为了作图方便，使换向

片宽度等于槽与槽之间的距离。为了能联出形状对称的元件，换向片的编号应与

槽的编号有一定对应关系（由第一节距乃来考虑）。

第四步，联绕组。为了便于联接，将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时

把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相联接的换向片号码编得

一样，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相联接。这样当1号元

件的上层边放在1号槽（实线）并与1号换向片相联后，因为％=4,则1号元件

的下层边应放在第5号槽d+X=5）的下层（虚线）；因卜=踪=1,所以1

号元件的末端应联接在2号换向片上（i+y=2）。一般应使元件左右对称，这

样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。然后将2号元

件的上层边放入2号槽的上层（1+y=2）,下层边放在6号槽的下层

（2+y=6）,2号元件的上层边联在2号换向片上，下层边联在3号换向片上。

按此规律排列与联接下去，一直把16个元件都联起来为止。

校核第2节距：第1元件放在第5槽的下层边与放在第2槽第2元件的上层边，

它们之间满足必=3的关系。其他元件也如此。

第五步，确定每个元件边里导体感应电动势的方向。图3.13中，所考虑的

是发电机，箭头表示电枢旋转方向，即自右向左运动，根据右手定则就可判定各

元件边的感应电动势的方向，即在N极下的导体电动势是向下，在S极下是向

上的。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该

处气隙磁密为零，所以不感应电动势。

第六步，放电刷。在直流电机里，电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数

一样多。对本例来说，就是四组电刷4、与、4、鸟，它们均匀地放在换向器

表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度等于每一个换每个电刷的宽度等于每一个

换向片的宽度。放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，

或被电刷所短路的元件中感应电动势最小，这两个要求实际上是一致的。在图

1.3里，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线,

就能满足上述要求。图1.2中，被电刷所短路的元件正好是1、5、9、13,这几

个元件中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是,

被电刷所短路的元件，永远都是处于两个主磁极之间的地方，当然感应电动势为

零。

(3)绕组元件联接顺序图

上层元件边123456789101112131415161

闭合

下层元件边VWVWWWWWW

5'6'7'8'9'10'llz12'13'14'15'16'1'2'3'4'

(4)绕组电路图

总结：对电枢绕组中的单叠绕组，有以下特点：

(1)位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极

对数，a=P。

(2)当元件的几何形状对称，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。

(3)电刷杆数等于极数。

皖西学院教案

2010〜2011学年度第二学期编号003.

机械与电子工程系电气教研室任课教师汪良益.

课程名称电机与拖动基础

授课章节第一章直流电机

§1.5直流电机的电枢电动势和电磁转矩

§1.9直流电机的换向

§1.5直流电机的电枢电动势和

谍型•理论

课题:电磁转矩学时数:2学时

课

§1.9直流电机的换向""

教学目的及掌握直流电机的换向方法；

要求熟练掌握直流电机的电枢电动势和电磁转矩两个公式。

感应电动势和电磁转矩的表达式及推导方法、换向元件中的电动势

教学重点及改善换向的方法。

教学难点感应电动势和电磁转矩的表达式。

教学方法讲授法

教学辅助手

段、教具

电气0803,

电气0801,0802

授课班级电信07

授课日期9月15日月17日月日月日

教学过程主

要环节设计

作业

§1.5直流电机电枢电动势和电磁转矩

一、直流电机电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电

枢绕组一条并联支路的电动势。电枢绕组元件边内的导体切割气隙合成磁场，产

生感应电动势，由于气隙磁通密度（尤其是负载时气隙合成磁通密度）在一个极

下的分布不均匀，为分析推导方便起见，可把磁通密度看成均匀分布的，取一个

极下气隙磁通密度的平均值为Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气

隙磁通密度产生的电动势的平均值eav，其表达式为

=纥"

式中，Bav为一个极下气隙磁通密度的平均值，称为平均气隙磁通密度；/为电枢

导体的有效长度（槽内部分）；。为电枢表面的线速度。

设电枢绕组总的导体数为N,则每一条并联支路总的串联导体数为N/勿，

因

而电枢绕组的感应电动势

NN2〃n

>=把①〃=

E“二-Cav-

2a，2a6060a'

二、电枢绕组的电磁转矩

电枢绕组中流过电枢电流L时，元件的导体中流过支路电流ia，成为载流导

体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图3.21

所示。一根导体所受电磁力的大小为

于、=BJ"

如果仍把气隙合成磁场看成是均匀的:气M谒通密度用平均值Bav表示，则每根

导体所受电磁力的平均值为

fax=BJla

一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为

丁心=favy

式中，D为电枢外径。

由于不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向不同，所以电枢所有导体产生

的电磁转矩方向都是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的

平均值Tav：乘以电枢绕组总的导体数N,即

T=NT=NBli-=N?邑工①=四①O①/"

avuvavacivuc_tcccaia

2ri2a2冗2加

电枢电动势纥=G①〃和电磁转矩T=G•①是直流电机两个重要的公式。

对于同一台直流电机，电动势常数Ce和转短常数CT之间具有确定的关系

60a

C=9.55C

271aee

§1.9直流电机的换向

一、直流电机的换向

直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷短

路后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程称为换向过程，简称换

向。

产生换向火花的原因有多种，最主要的是电磁原因。还有机械方面和化学方

面的原因。

1.机械原因

产生换向火花的机械原因有很多，主要是换向器偏心、换向片间云母绝缘凸

出、转子平衡不良、电刷在刷握中松动、电刷压力过大或过小、电刷与换向器的

接触面研磨得不好因而接触不良等等。为使电机能正常工作，应经常进行检查、

维护和保养。

2化学原因

电加运行时，由于空气中氧气、水蒸气以及电流通过时热和电化学的综合作

用，在换向器表面形成一层氧化亚铜薄膜，这层薄膜有较高的电阻值，能有效地

限制换向元件中的附加换向电流几，有利于换向。同时薄膜吸附的潮气和石墨粉

能起润滑作用，使电刷与换向器之间保持良好而稳定的接触。电机运行时，由于

电刷的摩擦作用，氧化亚铜薄膜经常遭到破坏。但是在正常使用环境中，新的氧

化亚铜薄膜又能不断形成，对换向不会有影响。如果周围环境氧气稀薄、空气干

燥或者电刷压力过大时，氧化亚铜薄膜难以生成，或者周围环境中存在化学腐蚀

性气体能破坏氧化亚铜薄膜，都将使换向困难，火花变大。

二、改善换向的方法

改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。产生火花的原因是多方面

的，其中最主要的是电磁原因。消除或削弱电磁原因引起的电磁性火花的方法有：

1.适用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻

2.装设换向极

3.装补偿绕组

皖西学院教案

2010〜2011学年度第二学期编号004.

机械与电子工程系电气教研室任课教师汪良益.

课程名称电机与拖动基础

授课章节第一章直流电机

§1.8直流发电机

课型•理论

课题：§1.8直流发电机学时数:2学时

课

教学目的及掌握直流电机的励磁方式：

掌握直流发电机的空载特性、外特性和调节特性。

要求

教学重点直流发电机的空载特性、外特性和调节特性。

教学难点直流发电机的基本方程式

教学方法讲授法

教学辅助手

段、教具

电气0803,

电气0801,0802

授课班级电信07

授课日期9月19日9月19日月日月日

教学过程主

要环节设计

作业1.61.7

§1.8直流发电机

根据励磁方式的不同，直流发电机可分为他励直流发电机、并励直流发电机、

串励直流发电机和复励直流发电机。励磁方式不同，发电机的特性就不同。因为

本书以电力拖动为主，重点讲述电动机的特性，因此本节只分析他励直流电动机

的原理和特性。

一、直流发电机稳态运行时的基本方程式

图1.15为一台他励直流发电机的示意图。电枢旋转时，电枢绕组切割主磁

通，产生电枢电动势吗，如果外电路接有负载，则产生电枢电流/“，按发电机

惯例，的正方向与相同，如图1.15所示。

1.电动势平衡方程式

根据图1.15中所示电枢回路各量正方向，用基尔霍夫电压定律，可以列出

电动势平衡方程式为

U=Ea-RaIa

上式表明，直流发电机的端电压U等于电枢电动势反减去电枢回路内部的电阻

压降&〃，所以电枢电动势当应大于端电压U。

2.转矩平衡方程式

直流发电机以转速n稳态运行时，作用在电机轴上的转矩有三个：一个是原

动机的拖动转矩T”方向与n相同；一个是电磁转矩T,方向与n相反，为制动

性质的转矩；还有一个由电机的机械损耗及铁损耗引起的空载转矩To,也是制

动性质的转矩。因此，可以写出稳态运

行时的转矩平衡方程式为

T,=T+T0

3.功率平衡方程式

治将上式乘以发电机的机械角速度Q,得

I=7T2+T,£l

s\"可以写成

八%式中，眉为原动机输给发电机的机械功率，即

输入功率；P“=m,发电机的电磁功率；尸。=7。。，

7_-1发电机的空载损耗功率。

U4\电磁功率

6-J—cb—।2如"6060a"""

治和直流电动机一样，直流发电机的电磁功率亦是

既具有机械功率的性质，又具有电功率的性质，所以是机械能转换为电能的那一

部分功率。直流发电机的空载损耗功率也是包括机械损耗〃吟和铁损耗尸股两

部分。

上式表明：发电机输入功率其中一小部分供给空载损耗产。，大部分为

电磁功率，是由机械功率转换为电功率的。

将式电动势平衡方程式两边乘以电枢电流得

EaI（=UIa+RuC

即

PM=P?+PQUI

式中，P.=UIaj为发电机输出的功率；Pcua=,为电枢回路铜损耗。

上式可以写成如下形式

P?=PM-PQUI

综合以上功率关系，可得功率平衡方程式

6=%+凡=鸟+^Cua+P,mc+Ppe

为更清楚地表示直流发电机的功率关系，可用下图所示的功率流程图。

片=7"2P^EJ=TQ「2=以

他励直流发电机的功率流程图

一般情况下，直流发电机的总损耗

=Pcua+Pc球+Ppe+P”£C

直流发电机的效率

P,（YP]

〃二」xlOO%=1xlOO%

二、他励直流发电机的运行特性

直流发电机运行时，有4个主要物理量，即电枢端电压U、励磁电流。、

负载电流I（他励时和转速n。其中转速n由原动机确定，一般保持为额

定值不变。因此，运行特性就是u、I，、//三个物理量保持其中一个不变时，

另外两个物理量之间的关系。显然，运行特性应有三个。

1.空载特性

，""。，〃=0时，端电压U。与励磁电流//之间的关系称为空载特性。

空载时，他励发电机的端电压/=/二4①~叫常数时，中，所以空

载特性为=/（。）与电机的空载磁化特性①=7•（//）相似，都是一条饱和曲线。//

比较小时，铁心不饱和，特性近似为直线；//较大时，铁心随。的增大而逐步

饱和，空载特性出现饱和段。一般情况下，电机的额定电压处于空载特性曲线开

始弯曲的线段上，即图中A点附近。因为如果工作于不饱和部分，磁路导磁截

面积大，用铁量多，且较小的磁动势变化会引起电动势和端电压的明显变化，造

成电压不稳定；如果工作在太饱和部分，会使励磁电流太大，用铜量增加，同时

使电压的调节性能变差。

图1.16他励直流发电机的空载特性图1.17他励直流发电机的外特性

2外特性

，，=〃N,/小时，端电压U与负载电流I之间的关系U=/⑺称为外特性。

他励直流发电机的负载电流I(亦即电枢电流/")增大时，端电压有所下降。

从电动势方程式^=&-&/°=.①八此九分析可以得知，使端电压U下降的原

因有两个：一是当1=，。增大时，电枢回路电阻上压降,。凡增大，引起端电压下

降；二是1=/。增大时，电枢磁动势增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通①减

小，尺减小，从而引起端电压U下降。

△U是衡量发电机运行性能的一个重要数据，一般他励发电机的电压变化率约为

10%»

3.调节特性

"="N,11=常数时，励磁电流1/与负

载电流I之间的关系//=/(1)称为调节特

性。

调节特性是随负载电流增大而上翘的。这

是因为随着负载电流的增大，电压有下降

趋，为维持电压不变，就必须增大励磁电

流，以补偿电阻压降和电枢反应去磁作用

的增加，由于电枢反应的去磁作用与负载

电流的关系是非线性的，所以调节特性也

L7

不是直线。

皖西学院教案

2010〜20n学年度第二学期编号005.

机械与电子工程系电气教研室任课教师汪良益.

课程名称电机与拖动基础

授课章节第一章直流电机

§1.6直流电动机

课型•理论

课题：§1.6直流电动机学时数:2学时

课

教学目的及

掌握直流电动机的工作特性

要求

教学重点他励直流电动机的运行特性

教学难点他励直流电动机的运行特性

教学方法讲授法

教学辅助手

段、教具

电气0803,

电气0801,0802

授课班级电信07

授课日期9月19日9月25日月日月日

教学过程主

要环节设计

作业1.91.10

§1.6直流电动机

一、直流电动机稳态运行的基本关系式

图1.20为并励直流电动机的示意图。接通直流电源时，励磁绕组中流过励

磁电流"，建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流I，，一方面形成电枢磁动势工，

通过电枢反应使主磁场变为气隙合成磁场，另一方面使电枢元件导体中流过支路

电流乙，与磁场作用产生电磁转矩T,使电枢朝T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，产生电枢电动势凡>,在电动机中，此电

动势的方向与电枢电流的方向相反，称为反电动势。当电动机稳态运行时，有

如下平衡关系，分别用方程式表示。

1.电压平衡方程式

根据图中用电动机惯例所设各量的正方向，可以列出电压平衡方程式和电流

平衡方程式

U=纥+RaIa\

口J

*T7式中，凡为电枢回路电阻，其中包括电刷和换向

至u器之间的接触电阻。

L―<£/此式表明，直流电机在电动机运行状态下的电枢

PI电动势0总小于端电压U。

勺h2.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。

L-----------一个是电磁转矩T,方向与转速n相同，为拖动转矩;

一个是电动机空载损耗转矩及，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72,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

3.功率平衡方程式

电动机输入功率片为

<=口=U("+If)=®

=E，+RJ；+U//=&+Pau,+Pcuf

PE

式中，6=U/；M=ala,为电磁功率；P.=RJ：,是电枢回路的铜损耗;

Pe=U4,为励磁绕组的铜损耗。

电磁功率

Pm=EJa=黑①也嗡叫舒=m

式中，Q=2m/60,电动机的机械角速度，单位是rad/s。

从上式中PM=E/0可知，电磁功率具有电功率性质；从可知，电磁功

率又具有机械功率性质，其实质是因为电磁功率是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。，得

TQ=1Q+7；Q

可写成

PM=£+〃。=舄+〃,”+〃分+〃*

式中，丹=刀。，轴上输出的机械功率；4="。，空载损耗，包括机械损耗和铁

损耗P-e。

可以作出并励直流电动机的功率流程图，如下图（a）所示。图中分”为励磁绕

组的铜损耗，称为励磁损耗。并励时，及”由输入功率6供给；他励时，％■由

其他直流源供给，功率流程图如图（b）所示。

并励直流电动机的功率平衡方程式

P1二02+0Cuf+°Cua+0Fe+0mec=02+'P

式中，£尸=尸©+%+PFe+Pmec,为并励直流电动机的总损耗。

P=W

Pi=UIPM=EJ,=TCP2=T2Q(aPM=EJ=TQP2=T2Q

（a）并励直流电动机（b）他励直流电动机

直流电动机功率流程图

二、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〃=〃八励磁电流

电枢回路不串外加电阻时，转速n、电磁转矩T、效率n分别与电枢电流/〃之间

的关系。

1.转速特性"=/（/〃）

当U=UN、//=/八（①二①.）时，转速n与电枢电流/，之间的关系”=〃/"）称

为转速特性。

将电动势公式七=C中〃代入电压平

衡方程式U=E“+&]〃，可得转速特性公

式

_UN_电J

可见，如果忽略电枢反应的影响，①二①川

保持不变，则A，增加时，转速n下降。但

因此一般很小，所以转速n下降不多，

“=/（/〃）为一条稍稍向下倾斜的直线，如

图