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第3章 直流电机 本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论 直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应 及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电 机和直流电动机的工作特性运行特性。 3.1 直流电机的工作原理与基本结构 3.2 直流电枢绕组 3.3 空载和负载时直流电机的磁场 3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5 直流电机的基本方程 3.6 直流发电机的运行特性 3.7 直流电动机的运行特性 3.8 直流电动机的起动、调速和制动 3.9 换向 直流电动机的优点： 1、便于移动。 2、调速性能好。 3、启动转矩大。 直流电动机的缺点： 1、制造工艺复杂，生产成本高。 2、维护较困难。 3、可靠性差。 直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力 机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽车电瓶 充电、电动工具等。 3.1 直流电机的工作原理和结构 1、直流电机的工作原理 直流电机的构成 磁极 转子 （电枢绕组） 直流发电机的工作原理 右图为直流发电机的物理 模型，N、S为定子磁极，abcd 是固定在可旋转导磁圆柱体上 的线圈，线圈连同导磁圆柱体 称为电机的转子或电枢。线圈 的首末端a、d连接到两个相互 绝缘并可随线圈一同旋转的换 向片上。转子线圈与外电路的 连接是通过放置在换向片上固 定不动的电刷进行的。 此时，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位（右 手定则） ；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电 刷A极性为正，电刷B极性为负。 因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的 ，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连 接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S 极交替旋转多对。 当原动机驱动电机转子 逆时针旋转 1800 后 ，如右 图。 导体ab在S极下，a点低位 ，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位 ；电刷A极性性仍为正， 电刷B极性仍为负。 直流发电机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主 磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换 向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直 流电动势。 直流电动机工作原理 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。如右图。 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，电机转 子逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位 置时,原N极性下导体 ab 转到 S 极下，受力方向从左向右， 原S 极下导体cd转到N极下， 受力方向从右向左。该电磁力 形成逆时针方向的电磁转矩。 线圈在该电磁力形成的电磁转 矩作用下继续逆时针方向旋转 。 直流电动机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场 。由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向 始终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直 流电动机旋转。 机座 磁极极身 励磁绕组 转子 直流电机结构示意图 磁极极掌 2、直流电机的基本结构 直流电机的主要结构 1换向极铁心 2换向极绕组 3主极铁心 4励磁绕组 5电枢齿 6电枢铁心 7换向器 8电刷 9电枢绕组 10机座 11底脚 换向器结构 1换向片；2垫圈 3绝缘层；4套筒 安装在机座上的主极 1极身；2极靴； 3励磁绕组； 4绝缘板；5机座 主磁极： 建立主磁场；用115mm钢板冲片叠装而成。 换向磁极：改善换向；用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。 励磁绕组：用电磁线（漆包线）绕制，通直流电后产生磁动势。 机座：由铸钢或钢板焊接而成，即是结构件又是主磁路的一部分。 电刷装置：主要有电刷和刷握组成，引入或引出直流电。 电枢铁心：主磁路，嵌放电枢绕组；用05mm硅钢板冲片叠 装而成。 电枢绕组：通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个 元件（独立线圈）按一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。 换向器：改变电枢绕组的电流或感应电动势方向；由换向片（ 铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。 他励并励串励 复励 3、 直流电机的励磁方式及磁场 一、直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方 式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过 励磁绕组通入电流激励而建立的。 4、 直流电机的额定值 额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输 出功率，以 “W” 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时， 则用 kW 或 MW 表示。 对于直流发电机，PN是指输出的电功率。 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率。 额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的输出电流值，以 “A” 为单位。 额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。 额定励磁电压 UfN 指电机在额定状态时的励磁电压值。 额定励磁电流IfN 指电机在额定工作状态时的励磁电流值。 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效 率、出厂日期、出厂编号等。 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母 表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例 如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表 示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表 示短铁心）。 （1） Z2系列是普通中小型直流电机。 （2） ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适 用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或 相关的手册中查到。 3.2 直流电枢绕组 直流电枢绕组有叠绕组、波绕组和混合绕组三种形式 。 1、直流电枢绕组的构成 直流电机的电枢绕组是由安放在转子槽内的若干独立 的线圈（元件）按一定规律串联而成。 在实际中由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在 一实际的槽中，上、下层嵌放多个元件边，将一个上层边 （首端）和一个下层边（末端）在槽内所占的空间称为一 个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件 数S 等于实槽数Q。 第一节距：一个元件的两个边在电枢表面跨过的距离，用 y1表示（以槽数计）。 第二节距：连至同一换向片上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间的距离，用y2 表示（以槽数计）。 直流枢绕组基本概念： 合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距 离，用y表示。 单叠绕组： y = y1 - y2 单波绕组： y = y1 + y2 换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用 yc表示。 极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示 (以槽数计）。 =Q/2p 注：p为极对数。 （一）单叠绕组 相邻的元件依次串联，元件的两个首末端连接于相邻 的两个换向片上。 以极对数p =2的直流电机为例，说明单叠绕组的联接 。设S（元件数）=K（换相片数）=Q（槽数）=16，取第 一节距y1等于极距=16/4=4 ，换相器节距yc =1。 瞬间绕组的并联支路电路图： 单叠绕组的的特点： 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极对数p与 支路对数a相同。 电刷数等 于主磁极数， 电刷位置应 使感应电动 势最大，电 刷间电动势 等于并联支 路电动势。 3）电枢电流等于各支路电流之和。 （二）单波绕组 把相隔约为一对极距的同极性磁场下所处位置差不多 的相应元件依次串联起来。沿圆周向一个方向绕一周后， 其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。 以极对数p =2的直流电机为例，说明单波绕组 的联接 。设S（元件数）=K（换相片数）=Q（槽数）=15， =15/4=3+3/4 取第一节距y1=3，换相器节距yc =7。 瞬间绕组的并联支路电路图： 单波绕组的特点： 同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为a=1 ，与磁极对数无关； 电枢电流Ia等于2倍支路电流ia，即Ia=2ia； 为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p 。 在实际应用中，直流电机除，单叠绕组、单波绕组外 还有复叠、复波及混合绕组形式，如m叠绕组或m波绕组 它的并联支路数是单叠绕组、单波绕组的m倍。 应用： 叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常 （较低）和转速正常的大中型直流电机。 波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高 和转速较低的中小型直流电机。 3.3 空载和负载时直流电机的磁场 1、空载时直流电机的磁场 直流电机空载时Ia0，气隙磁场仅由励磁电流If 产 生的励磁磁动势Ff 建立。 直流电机空载气隙磁场分布情况 直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感 应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只 是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁 通小得多。 磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极，再 经定子铁轭回到N极。 主磁通 主磁路 磁力线不进入电枢铁心，直 接经过气隙、相邻磁极或定 子铁轭形成闭合回路。 漏磁通 漏磁路 2、负载时的电枢磁动势和电枢反应 负载时电枢磁动势对主极磁场的影响电枢反应称为。 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应： 电枢磁动势Fa的峰值处在相邻的两个磁极之间，即交 轴位置，所以称为交轴电枢磁动势。 影响： 1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等零的位置（物 理中性线）偏离几何中性线。 2）不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、亦无去磁作用 ；计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。 电枢磁动势的空间分布（电刷位于几何中心线时）： 交轴电枢反应： 直轴电枢磁动势和直轴电枢反应： 发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁； 电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。 电动机：与发电机的情况相反。 由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 1) 使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后 由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强， 一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲 线与空载时不同。 2) 呈去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量 ，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁 化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提 高，铁心磁阻增大，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。 1、电枢绕组的感应电动势 3.4 感应电动势和电磁转矩的计算 产生: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。 大小: 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)。 为电机的电动势常数（结构常数）其中 可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通 及转速有关。 2、电枢的电磁转矩 产生: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。 大小: 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)。 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电 枢电流成正比。 为电机的转矩常数其中 3.5 直流电机的基本方程 1、电压方程 发电机 Ea=U +Ia Ra+2Us U +Ia Ra 电动机 U=Ea +Ia Ra 2、转矩方程 发电机 T1=Te+T0 式中，T1为原动机的拖动转矩；Te为发电机中产生的 电磁转矩，其性质为制动转矩；发电机的转向由原动机决 定，T1 Te，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机转动 的阻转矩。 电动机 Te=T2+T0 式中，Te为电动机中产生的电磁转矩；T2为轴输出转 矩，其性质为制动转矩；T0为空载转矩，由电机的机械摩 擦和铁损引起的转矩。T2+T0为总的阻转矩，方向与Te相 反。 3、电磁功率 4、电机的可逆性 从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电 动机运行。 3.6 直流发电机的运行特性 1、他励发电机的运行特性 U = Ea - Ia Ra = Ce n - IaRa 2、并励发电机的自励和外特性 +- 如图，曲线1为空 载特性曲线，曲线2为励 磁回路总电阻Rf 特性线 ，也称场阻线Uf=If Rf 。 如果增大Rf ，场阻线斜 率增大，空载电压降低 。如果继续增大Rf ，场 阻线变为曲线3，此时Rf 称为临界电阻Rfcr。若再 增加励磁回路电阻，发 电机将不能自励建压。 并励发电机的自励（建压）条件： 分析： 原动机带动发电机旋转时， 如果主磁极有剩磁，则电枢绕组 切割剩余磁通感应电动势，在电 动势作用下励磁回路产生电流。 如果并联在电枢绕组两端的励磁 绕组极性正确，则产生的磁动势 与剩磁方向相同，使主磁路的磁 通增加，电动势增大。如此不断 增长，直到励磁绕组两端电压与 电枢回路相等（即U=Uf=If Rf）时 ，发电机电压达到稳定的平衡工 作点A。 总结： （1）电机的主磁路有剩磁。 （2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确。 （3）励磁回路的总电阻小于临界电阻。 3、复励发电机的运行特性 +- 3.7 直流电动机的运行特性 有关方程式： 1、并励电动机的运行特性 工作特性： 由方程式可得： 忽略电枢反应的去磁作用，转速与电枢电流按线性关 系变化。 转速调整率n： 并励电动机的转速调整率很小，约为3%8%。 工作特性曲线： 注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。 转矩特性： 机械特性： 2、串励直流电动机的运行特性 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： 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： 结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是 软特性。 复励 串励 并励 3、复励直流电动机的运行特性 +- 复励电动机工作特性： 常用的复励电动机大都为积复励。这时串励绕组的励 磁方向和并励绕组的励磁方向相同。积复励电动机的转速 特性比并励电动机软，但比串励电动机硬，介于二者之间 。同理，复励电动机的转矩特性和机械特性也将介于并励 电动机和串励电动机的相应特性之间，并依并励磁动势和 串励磁动势的相对强弱而有所不同。如并励磁动势在总磁 动势中占优势，则复励电动机的特性和并励电动机接近。 反之，如串励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机 的特性和串励电动机接近。适当地选择并励磁动势和串励 磁动势的相对强弱，可以使复励电动机具有负载所需要的 特性。 差复励电动机应用极少。 4、电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种 扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态， 如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动 消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的 ，否则系统是不稳定的。 1.必要条件: 电动机的机械特性与负载特性有交点,即存在T=TZ。 2.充分条件: 电动机要有向下倾斜的机械特性。 分析举例： a、b两点是否 为稳定平衡点？ a点： 当负载突然增加后 当负载波动消除后 故a点为系统的稳定平衡点。 异步电动机 的机械特性 生产机械 的机械特 性 交点a 交点b n TM 系统稳定。 系统稳定。 n TM 系统稳定。 b点：即拖动系统有一个平衡点。负载增加时nTMn,直至 n=0。负载减小时nTMn, 所以此系统不能稳定运行。 推广到一般情况： 在交点所对应的转速之 上应保证T TZ,而在这一 转速之下则要求T TZ： 起动要求： 起动转矩大 起动冲击电 流小 能量损耗小 简单，便于 控制 起动方法： 全压起动 电枢串接电阻 起动 降压起动 3.8 3.8 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动 1、直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加 速到稳定运行状态的过程。 起动转矩和起动电流分别为： 起动时由于转速 n=0，电枢电动势Ea=0 ，而且电枢电 阻Ra很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流 将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、 使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕 组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。 以三级启动为例。 电枢回路接入变阻器起动： 3 K M 首先确定切换转矩T1和T2。通常T1=（1.52.0）TN， T2=（1.11.2）TN。 - 降压起动： 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流 随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升 ，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电 流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速 度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平 稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。 T TNT2T1 2、直流电动机调速调节 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或 二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称 为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电 气调速。 改变电动机的参数就是人为地改变了电动机的机械特 性，使工作点发生变化，转速即发生变化。调速前后，电 动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负 载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。 电气调速方法： 1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.弱磁调速。 直流电动机的机械特性方程式： 他励、并励电动机调速调节： 电枢回路串电阻调速： TTZ n Ra n0 nN a 0 b c n1 Ra+R 未串电阻时 的工作点 串电阻R后, 工作点由 abc 电枢回路串电阻调速的优缺点： 优点： 电枢串电阻调速设备简单，操作方便。 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对 稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为 D2； 4）损耗大，效率低，不经济。 缺点： 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差； 降低电源电压调速： 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程 中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。 降压瞬间 工作点 T TZ a b c 调速压前工 作点 稳定后工作点 降低电源电压调速的优缺点： 优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变 化时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5 12。 4）电能损耗较小。 缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。 减弱磁通调速 通常通过增大励磁电阻减小励磁电流，减弱磁通。 TTZ 调节磁场前 工作点 弱磁稳定后的 工作点 N F 0 n 减弱磁通调速的优缺点： 优点： 由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方 便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后 电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高 ，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性 是比较好。 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来 ，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速 。 缺点： 1）机械特性的斜率变大，特性变软； 2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制， 升速范围不可能很大，一般 D2。 串励电动机调速调节： 当磁路不饱和时 当磁路饱和时，磁通 基本不变，机械特性与他 励直流电动机的机械特性 相似。 T n A B C 磁路不饱和时的 机械特性曲线AB 段 磁路饱和时的机 械特性曲线BC段 固有特性： （1）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大； （2）空载时，励磁电流很小，由于存在剩磁，所以转速 很大，造成“飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或 轻载运行。 （3）由于起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起 动转矩大，过载能力强。 3、直流电动机的制动 能耗制动 制动运行时，将系统储存 的动能转换成电能，消耗在电 阻上，直到电机停止转动。 由于惯性作用，断开电源 后，电枢保持原来方向继续旋 转，电动势Ea方向不变。由Ea 产生的电枢电流方向与电动状 态时的Ia方向相反,对应的电磁 转矩为负值,为制动性质,电机 处于制动状态。 能耗制动时的机械特性为： 制动瞬间 工作点 电动机状态工 作点 制动过程 工作段 电机停转 若电动机 带位能性 负载,稳定 工作点 但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原 则是： 能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制 动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽 快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动 电阻,增大制动转矩。 即： 其中 为制动瞬间的电枢电动势。 反接制动 转速反向的反接制动 转速反向的反接制动只适用于位能性恒转矩负载。 电枢回路串入较 大电阻R后特性 曲线 正向电动状态 提升重物(A点) 负载作用下 电机反向旋 转(下放重物 ) 电机以稳定 的转速下放 重物D点 第二章 直流电动机的电力拖动 转速反向反接制动时的机械特性方程就是电动状态时 电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有： 转速反向的反接制动时的机械特性曲线就是电动状态 时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。 转速反向的反接制动时的能量关系和电压反接制动时 相同。 电枢反接的反接制动 反向的电枢电流产生反向 的电磁转矩，从而产生很强的 制动作用电压反接制动。 开关Q投向“电动”侧时，电机处于电动状态。进行 制动时，开关投向“制动”侧，为限制反向电流电枢回路 串入制动电阻R后，接上极 性相反的电源电压，电枢回 路内产生反向电流： 机械特性为： 工作点变化为： 可见,反接制动 时,电动机从电源输 入的电功率和从轴上 输入的机械功率转变 成的电功率一起消耗 在电枢回路电阻上。 三、回馈制动 1、电动机拖动位能性负载时 当电车下坡时 ，运行转速可 能超过理