电机学-直流电机

1、第三章 直流电机 重点内容：重点内容： （1 1）直流电机的工作原理）直流电机的工作原理 （2 2）电枢感应电势和电磁转矩）电枢感应电势和电磁转矩 （3 3）基本方程）基本方程 （4 4）直流机的运行特性以及调速、制动）直流机的运行特性以及调速、制动 难点：难点： （1 1）电枢绕组及电路图）电枢绕组及电路图 （2 2）电枢反应）电枢反应 第三章 直流电机 3.1 3.1 直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构 3.2 3.2 直流电枢绕组直流电枢绕组 3.3 3.3 直流电机的磁场直流电机的磁场 3.4 3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5

2、3.5 直流电机的基本方程直流电机的基本方程 3.6 3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 3.7 3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 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 第三章 直流电机 3.1 3.1 直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构 u直流电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机械能与直流电能转换的机 器 u分类： 直流电机 直流发电机： 直流电动机： 机械能电能 电能机械能 u用途： 直流发电机： 电源 励磁机 信号传递 测速发电机 第三章 直流电机 u用途： 直流电动机： 动力用-直流电动机 信号

3、传递 直流伺服电动机 u优点： 直流发电机：波形平滑性好，电磁干扰小 直流电动机： 调速范围宽，平滑性好； 起动、过载、制动转矩大； 易于控制，可靠性高； 调速时能量损耗小，经济，系统成本低。 第三章 直流电机 u缺点： u应用实例： 直流发电机：直流电动机的电源、同步机的励磁、电镀、电解、电冶 炼等的直流电源 直流电动机：给粉系统、卷扬机、大型机床、电力机车、电车、电 气机车牵引、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、轧 钢机、船舶推进等 成本高、结构和工艺复杂、维修困难、安全可靠性差。 u发展趋势： 直流发电机逐步被电力电子整流电源所取代； 直流电动机逐步被交流电动机所取代； 第三章 直流电机

4、3.1.1 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 一、直流发电机的工作原理 第三章 直流电机 一、直流发电机的工作原理 通过换向片 ，电刷A总 与位于N极 下的导体相 连，极性为 正。 电刷B总与 位于S极下 的导体相连 ，极性为负 第三章 直流电机 一、直流发电机的工作原理 l线圈中的电动势和电流均为交流 xx eB lvB l通过换向片，电刷固定接于某一磁极下 的导体 l换向器将电枢绕组中的交流电转化为电 刷两端的直流电 第三章 直流电机 一、直流发电机的工作原理 增加导体可减小感应电动势的脉动。当有足增加导体可减小感应电动势的脉动。当有足 够多的线圈和换向片时，可获得

5、稳定直流电够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电 势。当每极下导体数大于势。当每极下导体数大于8时，脉动可小于时，脉动可小于 1%。 第三章 直流电机 一、直流发电机的工作原理 n结论：结论： 1）电枢绕组内电势、电流为交流电；）电枢绕组内电势、电流为交流电； 2）电刷间为直流电势。绕组中感应电势与电流方向一致；）电刷间为直流电势。绕组中感应电势与电流方向一致； 3）电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；）电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场； 4）产生的电磁转矩与转子转向相反，）产生的电磁转矩与转子转向相反， 为制动性质；为制动性质； 5）原动机克服电磁制动转矩作功，将机械能转换

6、为电能。）原动机克服电磁制动转矩作功，将机械能转换为电能。 第三章 直流电机 二、直流电动机的工作原理 在直流电动机中，虽然外加电源为直 流，但通过换向器的作用，导体中的 电流将随其所处磁极极性的改变而同 时改变其方向，从而使电磁转矩的方 向始终保持不变。即线圈中的电流是 交变的，但产生的电磁转矩方向是恒 定的。 x fB li 第三章 直流电机 二、直流电动机的工作原理 第三章 直流电机 n结论：结论： 1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流， 电枢绕组内电流是交流；电枢绕组内电流是交流； 2）电枢绕组中感应电势与电流方向相反；）电枢绕组中感应电势与电流方向相反； 3）线圈是旋转的

7、，电枢电流是交变的。）线圈是旋转的，电枢电流是交变的。 电枢电流产生的磁电枢电流产生的磁 场在空间上是恒定不变的；场在空间上是恒定不变的； 4）产生的电磁转矩与转子转向相同，）产生的电磁转矩与转子转向相同， 为驱动性质；为驱动性质； 5）电磁转矩克服负载转矩作功，将电能转换为机械能。）电磁转矩克服负载转矩作功，将电能转换为机械能。 二、直流电动机的工作原理 第三章 直流电机 三、直流电机的可逆原理 n同一台直流电机， 通过改变外界条件，既可以作为电动机运 行，也可以作为发电机运行。在电机理论中称为可逆原理。 n如果用原动机拖动电枢旋转，可以从电刷端引出直流电动势 而作为直流电源对负载供电，此为

8、发电机运行。 n如果在电刷端外加直流电压，则可以带动轴上的机械负载旋 转，从而把电能转变成机械能，此为电动机运行。 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 主要由定子、转子两部分组成 直流电机 定子转子 电枢铁心 轴承换向器风扇转轴 电枢绕组机座 换向极主磁极电刷装置 端盖 主极铁心 励磁绕组 刷杆 电刷 刷握刷杆座 (产生励磁磁场) (产生电动势，流过 电流，产生电磁转矩) 第三章 直流电机 风扇 机座 电枢 铁心和绕组 主磁极电刷 换向器 接线板 接线盒 励磁绕组 端盖 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 第三章 直

9、流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 第三章 直流电机 N SN S 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 nN极和S极成对出现且沿圆周均匀交 替分布； n极对数：N极或S极的个数，通常用 p 表示； n极数：主磁极的个数，等于 2p 。 p=2 即即4极电机极电机 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 一、主磁极 l作用：产生主磁场 l构成：主极铁心：11.5mm厚的钢板 励磁绕组：用绝缘铜线构成 主磁极钢板冲片（ 1-1.5mm厚） 主磁极由钢板冲片 叠压而成 励磁绕组套在主磁 极极身上 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 一、主磁极 第三章

10、直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 二、换向极（附加极） l作用：改善换向 l构成：铁心：整块钢或钢板 绕组：和电枢绕组串联 l位置：两个主磁极的中心线上几何中心线 l个数：一般和主极个数一样。也有是主极个数的一半。 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 三、机座 l作用：固定主磁极、换向极和端盖等 主磁路的一部分（磁轭） l构成：铸钢或厚钢板焊接 四、电枢铁心 l作用：主磁路 安放电枢绕组 l构成：硅钢片迭成 电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚) （硅钢片） 涂绝缘漆冲片 叠压而成 均匀开槽 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 五、电枢绕

11、组 六、换向器 l作用：将线圈里的交流电势变为电刷端的直流电势。 或把外加的直流电流变为线圈中的交流电流。 l构成：铜片组成，用云母绝缘 l作用：感应电动势和通过电流，实现能量转换 l构成：按一定规律连接的绝缘铜线构成 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 换向器换向器 第三章 直流电机 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 七、电刷装置 l作用：保持和换向器的滑动接触，与换向 器配合，将线圈中的交流电势变为电刷上的 直流电势 l构成：电刷、刷握、刷杆、刷杆座 l个数：与磁极个数相同。 第三章 直流电机 我们知道直流电机的磁场，既可以由永久磁场产生，也可以由励磁 绕组通入直流

12、电流产生, 现在绝大多数直流电机的磁场都是由励磁绕组通 以直流励磁电流产生的。我们称这种磁场为直流电机的主磁场,有时也称 为励磁磁场. 励磁绕组的供电方式称为励磁方式励磁方式。直流电机的运行性能因励磁方 式的不同而不同。按照励磁方式的不同，直流电机分他励和自励两大类. 四、励磁方式四、励磁方式 短复励 长复励 差复励 积复励 复励 串励 并励 自励 他励 励磁方式 他励他励：励磁绕组中电流与电枢 绕组中的电流没有任何联系 自励自励：励磁绕组中电流与电枢 绕组中的电流有联系，励磁绕 组与电枢绕组或串联或并联， 或既有串联又有并联 第三章 直流电机 1、他励直流电机、他励直流电机 励磁绕组与电枢绕

13、组无联励磁绕组与电枢绕组无联 接关系，而由其他直流电接关系，而由其他直流电 源供电的直流电机电枢电源供电的直流电机电枢电 流等于负载电流流等于负载电流 Ia=I 2、并励直流电机、并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联后励磁绕组与电枢绕组并联后 加同一电压加同一电压. 对发电机对发电机: Ia=I+If 对电动机对电动机: I=Ia+If 图 示 为 直 流 发 电 机 第三章 直流电机 3、串励直流电机、串励直流电机 励磁绕组与电枢励磁绕组与电枢 绕组串联绕组串联 I=Ia=If 4、复励直流电机、复励直流电机 串励绕组与并励绕组 产生的磁势方向相反 为差复励差复励. 具有两个励磁绕组,一个

14、与电枢并联.一个与电枢 绕组串联. 若串励绕组与并励绕组 产生的磁势方向相同为 积复励积复励 第三章 直流电机 1、额定功率、额定功率 PN （千瓦（千瓦kW） 2、额定电压、额定电压 UN （伏（伏V）：额定状态下电枢出线端电压）：额定状态下电枢出线端电压 3、额定电流、额定电流 IN （安（安A）：额定电压下，输出额定功率，电机线电）：额定电压下，输出额定功率，电机线电 压压 4、额定转速、额定转速 nN (转转/分分 r/min) 5、额定励磁电压、额定励磁电压 UfN （伏（伏V） 6、额定励磁电流、额定励磁电流 IfN （安（安A） 注、对发电机额定功率为注、对发电机额定功率为 PN

15、= UN IN 对电动机额定功率为对电动机额定功率为 PN= UN INN P1= UN IN 五、直流电机的额定值五、直流电机的额定值 每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌,上面标注一些额定数据上面标注一些额定数据, 若电机运行时若电机运行时,各数据符合额定值各数据符合额定值,这样的运行情况称为额定工况这样的运行情况称为额定工况, 在额定下运行在额定下运行,可保证电机可靠的运行可保证电机可靠的运行,并具有优良的性能并具有优良的性能. 根据国标，直流电机的额定数据有：根据国标，直流电机的额定数据有： 第三章 直流电机 n 电枢绕组是直流电机的电路部电枢绕组是直流

16、电机的电路部 分，也是直流电机的核心部分，分，也是直流电机的核心部分， 是实现机电能量转换的枢纽，无是实现机电能量转换的枢纽，无 论是电动机还是发电机，它们的论是电动机还是发电机，它们的 电枢绕组在磁场中旋转，都会感电枢绕组在磁场中旋转，都会感 应出电势，当电枢中有电流时，应出电势，当电枢中有电流时， 又产生电磁转矩，从而实现了机又产生电磁转矩，从而实现了机 电能量的转换。电能量的转换。 n电枢绕组的构成应能产生足够的电枢绕组的构成应能产生足够的 感应电势，并允许通过一定的电感应电势，并允许通过一定的电 枢电流，此外还要节省有色金属枢电流，此外还要节省有色金属 和绝缘材料，结构简单，运行可和绝

17、缘材料，结构简单，运行可 靠。靠。 n本节主要介绍单叠和单波绕组的本节主要介绍单叠和单波绕组的 组成及连接规律。组成及连接规律。 3-2 直流电枢绕组直流电枢绕组 单叠 叠绕组 复叠 单波 电枢绕组 波绕组 复波 混合绕组 第三章 直流电机 一、一、 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机电枢绕组的一般知识 u分类 u特点：闭合绕组 (1)叠绕组：单叠和复叠绕组。 (2)波绕组：单波和复波绕组。 (3)蛙绕组：叠绕和波绕混合的绕组。 u电枢绕组的演变 环形电枢绕组鼓形电枢绕组 第三章 直流电机 eeeeeee eeeeeee 一、一、 直流电机电枢直流电机电枢 绕组的一般知识绕组的一般知识 u电枢

18、绕组的演变 环形电枢绕组 只有一半的导体产生感应电动势 ，导体利用率低。 环形绕组 第三章 直流电机 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 一、一、 直流电机电枢直流电机电枢 绕组的一般知识绕组的一般知识 u电枢绕组的演变 鼓形电枢绕组 线圈的两边都在电枢铁芯表面的 槽中,两边都能切割磁场而产生 感应电势。 鼓形绕组 第三章 直流电机 一、直流电机电枢绕组的一般知识一、直流电机电枢绕组的一般知识 NS 电 枢 绕 组 展 开 图 AB + _ 第三章 直流电机 一、一、 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机电枢绕组的一般知识 1、叠绕组和波绕组 元件

19、：构成绕组的线圈。电枢绕组的基本单元，单匝和多匝 第三章 直流电机 一、一、 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机电枢绕组的一般知识 1、叠绕组和波绕组 双层绕组 1）每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各 元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。 2）一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，一个槽里总有 上下层线圈边。 3）线圈的两个元件边处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极 距，两个电势相加。 第三章 直流电机 一、一、 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机电枢绕组的一般知识 1、叠绕组和波绕组 叠绕组：一个元件的两出线端 接在两相邻换向片上（单叠绕 组

20、），或相隔数片的换向片上 （复叠绕组）。折叠式前进波绕组叠绕组 波绕组：一个元件的两出线接 在相隔约两个极距的换向片上 ，绕它一周后回到与起始片相 邻的换向片上（单波绕组）， 或相隔数片的换向片上（复波 绕组）。波浪式前进 第三章 直流电机 23.1 直流电机电枢绕组的一般知识 二、实槽和虚槽 为改善电机的性能，希望用更多的元件组成电枢绕组。由于工艺等原因， 电枢铁心不能开太多的槽，故在每槽的上下层各放置若干元件边。 若每一实槽中一层并排放置u排元件边，则一个实槽可以看成u个“虚槽 ”，每一个虚槽的上、下层各有一个元件边。 SuQ= 实槽与虚槽 u=3 第三章 直流电机 一、一、 直流电机电枢

21、绕组的一般知识直流电机电枢绕组的一般知识 2、实槽和虚槽 每一元件有两个边； 每一换向片上接两个边； 每一虚槽内放置有两个边； 元件数S等于换向片数K，等于虚槽数 每线圈有Nc匝，则总导体数为N 22 ccu NuN QN Q= u SKQ= 第三章 直流电机 一、一、 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机电枢绕组的一般知识 3、节距 第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 极距 ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。 2 u Q p = 2 D p p = 1 2 u Q y p e=m 整数 e 为凑整分数 1 1 1 整距绕组 短距绕组 长距绕组 短距绕组端部接线短、省铜

22、，且利于换向，故常用 第一节距y1 第三章 直流电机 换向器节距yk：每元件的两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距， 用换向片数表示。 yK y 一、直流电机电枢绕组的一般知识一、直流电机电枢绕组的一般知识 3、节距 第二节距y2：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。 合成节距y第二节距y2 换向器节距yk 合成节距y：连接同一换向片的两个元件的对应边在电枢表面的跨距。 y y1 y2 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 l元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片 上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个 元件的上层边，它放在第一元件

23、上层边相邻的第 二个槽内。 l相邻元件(线圈)相互叠压,后一元件的端部紧叠在 前一元件的端部（叠）；首末端相联的两换向片 相隔一个换向片的宽度，合成节距与换向节距均 为1（单），即 yK y1 l槽数Q、元件数S和换向片数K三者相同 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组元件 右行 左行 l单叠左行绕组和单叠右行绕组 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 l举例： 2p4， u=1，Q Q uSK16，单叠右行整距绕组 一、 节距计算 yyk1 节距计算 y, y1, y2 画绕组展开图 安放电刷和磁极 1 21 16 04 222 1 43 u Q y p yyy e

24、= = mm 展开图展示元件相互间的电气连 接关系及主磁极、换向片、电刷 间的相对位置关系 第三章 直流电机 二、单叠绕组二、单叠绕组 1 单叠绕组展开图单叠绕组展开图 1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷 1234567891 0 111 2 1 3 1 4 1 6 1 5 234567891 0 111 2 1 3 1 4 1 6 1 5 槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷 NSNS A+B + 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组展开图单叠绕组展开图 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 l极

25、轴线：磁极的中心线 l磁极的放置：磁极宽度约为 ,均匀分布，N、S极交替排列 0.7 l几何中性线：相邻两个主磁极之间的中心线 l电刷的放置原则 空载时，正、负电刷间的电动势最大； 被电刷短路的元件的感应电动势最小或等于零。 l换向器的几何中性线：线圈轴线与主磁极轴线重合时，该线圈所接两 换向片的分界线 l电刷的位置：换向器的几何中性线，简称几何中性线 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 l同一极下导体电流方向相同（同 一槽中上下层边不属于同一线圈， 但电流的方向一致）；N、S极下导 体电流方向相反。 l直流电机示意图 第三章 直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 l电路图 第三章

26、直流电机 二、二、 单叠绕组单叠绕组 l 单叠绕组的特点 （1）元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上； （2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2a=2p （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环 流”； （4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷数等于主磁极数； （5）电刷位置应使感应电动势最大，正负电刷之间引出的电动势即为每一支 路的电动势，电枢电压等于支路电压； Ea=ea （6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia（式中 ia为每 一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组

27、单波绕组 l首末端所连的两换向片相隔很远， 两个元件串联后形似波浪。 l两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；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。 l合成节距与换向节距相等yK y 1 k k yy p = m 整数 1 k p yk =m 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 l单波左行绕组和单波右行绕组 单波绕组元件 右行 K 1K yy p 左行 K 1K yy p 右行 第三章 直流电机 三、单波绕组三、单波绕组 l举例： 2p4， u=1，Q Q uSK15，左行短距单波绕组 一、 节距计算 节距计算 y, y1, y2

28、画绕组展开图 安放电刷和磁极 1 153 3 ( 244 u Q y p 短距)e=-=-= 1151 7() 2 k K yy p - =左行 21 734yyy=-=-= 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 l元件、换向片的放置： 1元件上层边1槽，下层边4槽;首末端所连的换向片相 距yk7； 为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线与1 元件的轴线重合。 1元件上层边所连的换向片定为1 。 依次联接。 l磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列 。 l电刷的放置：放在与主磁极轴线重合的换向片上。即 几何中心线上。 第三章 直流电机 三、单波绕组三、单波绕组 单波绕组展开图

29、 3 3456789111012 13 14 1521 456789 1011 12 13 14 1512N SSN 槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 单波绕组展开图单波绕组展开图 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 单波绕组元件连接顺序图 从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成 一个闭合回路的顺序是： 18 15 7 14 6 13 51 2 4 11 3 10 291 用联接顺序图表示为： 18 15 7 14 6 13 51 2 4 11 3 10 291 4 11 3 10 2918 15 7 1

30、4 6 13 51 2 上层边 下层边 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 l电路图 第三章 直流电机 三、三、 单波绕组单波绕组 l单波绕组的特点 1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，即a1，与 磁极对数无关； 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁 极中心线，支路电动势最大； 3）电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷，即 电刷数等于磁极数（采用全额电刷）； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。即Ia=2ia 4）电枢电动势等于支路感应电动势；因只有两条支路，元件一定时 ，可得到较高

31、的电压； 第三章 直流电机 单叠绕组和单波绕组的主要区别 l单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极 数，每增加一对主极就增加一对支路。 2a2p。 相同元件数时，叠绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，称并 联绕组，适应于较大电流、较低电压的电机。 l单波绕组：全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路，即 N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路 数恒等于2 ， 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2 。 相同元件数时，波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数多，称串 联绕组，适用于较高电压、较小电流的电机

32、。 l大容量的电机，可以采用混合绕组。 第三章 直流电机 NNSS 叠绕组 波绕组 单叠绕组和单波绕组的主要区别 第三章 直流电机 直流电机绕组归纳 l直流电机的电枢绕组总是自成闭路; l电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶 数；且至少有2条并联支路； 单叠绕组：a = p即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组：a = 1即并联支路对数恒等于1 l电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者 说，被电刷短路的元件中的电动势为零。 l对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷 总是与位于几何中线上的导体相接触。 第三章 直流电机

33、3.3 3.3 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 为了弄清稳态运行时直流电机内部的电磁过程，必须了解为了弄清稳态运行时直流电机内部的电磁过程，必须了解 空载和负载时电机内部的磁场，空载和负载时电机内部的磁场， 本节介绍直流电机的磁场。本节介绍直流电机的磁场。 一、空载时直流电机的气隙磁场一、空载时直流电机的气隙磁场 n空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零），空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零）， n励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。 第三章 直流电机 1、主磁通和漏磁通 u磁场是电机实现机电

34、能量转换的媒介。 u主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。 u空载时电机中的磁场分布是对称的。 0 ff IF s F - F F - 主磁通，经气隙进入电枢 主极漏磁通(15-25%) 0,不进入电枢 ，只增加磁极的饱和程度 第三章 直流电机 主磁通磁路：气隙1电 枢齿电枢轭电枢齿2 气隙2主磁极2定子 轭主磁极1 气隙1 第三章 直流电机 第三章 直流电机 2、气隙主极磁场的分布 在一个磁极的范围内，励磁磁势大小相 同，主磁极下气隙磁通密度的分布取决 于气隙的大小和形状。磁极中心及附近 的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本 为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大， 磁通密度减小；极尖以外，

35、气隙明显增 大，磁通密度显著减少，在磁极之间的 几何中性线处，气隙磁通密度为零。空 载时的气隙磁通密度为平顶波， 第三章 直流电机 二、负载时的电枢磁动势二、负载时的电枢磁动势 负载时电机中的气隙磁场是 由励磁磁动势和电枢磁动势 共同建立，电枢磁动势的出 现使气隙磁场发生畸变，并 产生电磁转矩，实现了机电 能量的转换。 电刷是电枢表面电流方向的分界线 第三章 直流电机 1、交轴电枢磁动势、交轴电枢磁动势 当电刷位于几何中 性线时，电枢磁动势的 轴线与主极轴线正交， 此时的磁动势称为交轴 电枢磁动势。 以下分析交轴磁动势 的大小和分布 第三章 直流电机 第三章 直流电机 22 /() 2 ( 2

36、 1 )( xAx D ixZ xf aa a 极）安 作用在x点处每个气隙磁势为: D iZ A aa 其中： 电负荷电负荷：电枢表面单位长度上的安培导体数 电枢直径为D，导体中的电流为ia 第三章 直流电机 22 /() 2 ( 2 1 )( xAx D ixZ xf aa a 极）安 在几何中性线 处，即 ,交轴电 枢磁势达到最大值 2 X 2 AFaq 第三章 直流电机 2、直轴电枢磁动势、直轴电枢磁动势 若电刷从几何中性线移过角，将电枢磁势分为两部分 第三章 直流电机 交轴电枢磁动势的最大值为： 角的电枢表面弧长：对应 bbAFaq) 2 ( 直轴电枢磁动势的最大值为： AbFad

37、当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用 每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动， 即它与主磁场是相对静止它与主磁场是相对静止的。 第三章 直流电机 三、三、 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 u负载时的气隙磁场 励 磁 电 流 所 建 立 的 磁 场电 枢 电 流 所 建 立 的 磁 场 气 隙 磁 场 x axaxa xff B BFI BFI 0 负载时气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同决定 第三章 直流电机 u负载时的气隙磁场 主极磁场电枢磁场气隙磁场 第三章 直流电机 u电枢反应：负载时电枢磁动势对主磁场的影响。 u电枢磁动势由电刷的位置决定，故电枢反应决

38、定于电刷的位置 u交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主磁场的影响 u直轴电枢反应：直轴电枢磁动势对主磁场的影响 1、电刷位于何中性线上时的电枢反应 u电枢磁动势全部为交轴电枢磁动势，故为交轴电枢反应 u物理中心线：电枢表面气隙磁密为零的直线 第三章 直流电机 1、电刷位于几何中性线上时的电枢反应 第三章 直流电机 交（横）轴电枢反应的表现： （1）扭斜气隙磁场，使气隙磁场发生畸变。 发电机：前极端去磁后极端加磁；电动机：前加后去 （2）物理中性线偏离几何中性线角（空载时，两者重合）。 发电机：顺转向偏离角；电动机：逆转向偏离角。 （3）磁路不饱和时：增加的磁通量等于减少的磁通量，每极 的磁通量不变

39、。负载时电动势=空载时电动势。 磁路饱和时：负载时的每极磁通量小于空载磁通量（附 加去磁作用），负载时的电动势小于空载时的电动势。 （4）Faq与Ff相对静止，且在空间相差90电角度，它们相互作 用，产生平均电磁转矩。 1、电刷位于几何中性线上时的电枢反应 第三章 直流电机 2、电 刷不 在几 何中 性线 上时 的电 枢反 应 第三章 直流电机 u既有交（横）轴电枢反应Faq又有直轴电枢反应Fad 2、电刷不在几何中性线上时的电枢反应 u电枢反应的表现： （1） Faq起扭斜气隙磁场的作用，使气隙磁场畸变，物理中性 线偏离，附加去磁作用。 （2） Fad对主磁场起去磁或加磁作用 发电机：顺转向

40、移刷去磁；逆转向移刷加磁 电动机：顺转向移刷加磁；逆转向移刷去磁 （3） Fad与Ff同轴线，不能产生平均电磁转矩。 第三章 直流电机 3.4 直流电机的感应电动势和电磁转距直流电机的感应电动势和电磁转距 本节推导电枢的感应电动势和电磁转矩的计算公式 一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势 感应电动势指一条支路的电势（也就是电刷间的电势） 称电枢电势。 每根导体的电势为： lvbe xx x b 为导体所在处气隙磁密 l 电枢导体的有效长度 v 导体切割气隙磁场的速度 第三章 直流电机 设电枢总导体数为Za，支路数为2a，则每条支路串联导体数 a Za 2 则支路电势为： a Z a

41、 Z xxa aa blvlvbE 2 1 2 1 ），除导体数得平均磁密一极下各导体磁密之和( 2 1 2 1 a Z x a av a b a Z B nCn a pZ lBn a pZ B a Zn plE n PR n Rv B a Z lvE e a av a av a a av a a 60 )( 60260 2 60 2 60 2 2 导体的平均磁密： 第三章 直流电机 电势常数 a PZ C a e 60 不计饱和时， ff IK f e af fafff e ffeff aa a K C G IGIK C IKCInK a pZ n a pZ E 2 60 2 60 2 60

42、 6060 当磁路饱和时，Ea与磁通磁通和和转速转速成正比 当磁路不饱和时，Ea与励磁电流励磁电流和转速转速成正比 第三章 直流电机 空载和负载时电动势的变化： 1、只有交轴电枢反应时 1）不计饱和时，电动势不变 2）计饱和时，电动势变小 2、只有直轴电枢反应时 1）若为发电机， 电刷顺电枢旋转方向移动角，则直轴电枢反应是去磁的，因此负载 电势比空载电势变小； 电刷逆电枢旋转方向移动角，则直轴电枢反应是增磁的，因此负载 电势比空载电势变大； 2）若为发电机， 电刷顺电枢旋转方向移动角，则直轴电枢反应是增磁的，因此负载 电势比空载电势变大； 电刷逆电枢旋转方向移动角，则直轴电枢反应是去磁的，因此

43、负载 电势比空载电势变小； 直轴电枢反应的性质与电机的转动方向有关，因此负载电势的变化与电机 转动方向有关 第三章 直流电机 二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩 当电枢内有电流时，载流导体与气隙磁场相作用产生电磁转矩 首先计算一个导体的电磁转矩，再计算一个极下所有导体产生 的电磁转距，最后乘2P即得整个电枢产生的电磁转矩 导体的电磁转矩为： 2 D libT axc 一极下导体数为Za/2P 一极下导体产生的电磁转距为： 22 2 1 22 2 1 2 1 2 1 D liB p Z Tb p Z B b D li D libT aav a p p Z x a av p Z xa p

44、 Z axp a aa 第三章 直流电机 作用于整个电枢上的转距为： ee a T a T aTa aa ae a aav aavape CC a pZ C a pZ C ICI a pZp a I l l ZT a I ilBpD D liBZpTT 55. 9 2 60 2 2 2 ) 2 ( 2 1 ) 2 )( 2 2 2 2 转距常数 电势常数 a PZ C a e 60 第三章 直流电机 不计饱和时， ff IK afafafkeafkTe IIGIIKCIIKCT 2 60 当磁路饱和时，Te与磁通和电枢电流成正比 当磁路不饱和时，Te与励磁电流和电枢电流成正比 eafafaa

45、TIIGIE 电磁功率 第三章 直流电机 3.5 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式 直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励 的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入） 转矩和转速的机械端口。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。 基本方程式：1、电端口的电压平衡方程式 2、机械端口的转矩平衡方程式 一、电压方程一、电压方程 他励直流电机他励直流电机 a II fff RIU 对电枢回路： 发电机 aaSaa RIUURIUE2 电动机 aaaSaa RIEURIEU2 第三章 直流电机 2、并励磁直流电机、并励磁直流电机 UU f 对发

46、电机 fa III 对电动机 fa III fff RIU 电动机： 发电机： aaSaa RIUURIUE2 aaaSaa RIEURIEU2 对电枢回路： 对励磁回路： 励磁回路和电枢回路的电压方 程仍与他励磁相同 第三章 直流电机 3、串励直流电机、串励直流电机 sa III IS：串励绕组中励磁电流 二、转距方程二、转距方程 1、直流发电机、直流发电机 原动机以T1 的转矩拖动转子沿逆 时针方向旋转， 则Ea、Ia 、Te的方向如图所示，Te 的方向与T1相反， 为制动性质的转距，T1为拖动转距 。则： 01 TTT e 第三章 直流电机 2、直流电动机、直流电动机 电动机中电枢电流与

47、运动电势方向相反。Te为驱动转矩，所以 02 TTTe 2 T ：轴上输出转矩 拖动性质的转矩Te与制动性质的负载转矩 2 T 及电机本身的机械阻力转距相平衡。 三、电磁功率及功率方程三、电磁功率及功率方程 1、电磁功率、电磁功率 采用电动机惯例 励磁绕组输入的功率为： ffffffff RIIRIIUP 2 这部分功率全部变为励磁绕组内的电阻损耗。 第三章 直流电机 电枢绕组输入的功率为： aaaaaaaaa RIIERIEIUI 2 )( 由两部分组成：1） 电枢回路铜损耗 aa RI 2 2）电磁功率 eaa PIE eeaTa a a a aa PTICI n a pZ nI a pZ

48、 IE 60 2 260 对于电动机， 为电枢绕组中运动电势所吸收的电功率， 为 电磁转矩对机械负载所作的机械功率，由于能量守恒，两者相等。 所以无论是电动机还是发电机， 是能量转换过程中的转换功率， 能量转换发生在电枢电路和机械系统之间， 的大小与 的大小 （即耦合磁场的强弱）有关。 aaI E e T e P e P f I 第三章 直流电机 Te与n同向， 与T2、To反向 T1与n同向， 与Te、To反向 第三章 直流电机 2、功率方程、功率方程 以并励磁直流电机为例研究功率方程 并励电动机： cufcuaefffaaaa ffaaaafafa PPPIRIRIIE IUIRIEUIU

49、IIIUUIP 2 1 )()( 式中： 1 P：输入功率 cua P：电枢回路总铜耗 cuf P ：励磁回路铜耗 020202 )(PPTTTTTP ee ：为电动机输出的机械功率式中： 22 TP cufcuacufcuae PPPPPPPP 021 第三章 直流电机 由上式可直观的画出功率流程图 P ：杂散损耗，由于电枢有齿槽的 存在产生的损耗，难于精确计算 ，国标规定有补偿绕组的0.5% N P 无补偿绕组的1% N P 估算 机械损耗 铁损耗 式中： P P PPP Fe Fe0 第三章 直流电机 并励发电机 PPPPPTTTTTP Feeeee00011 )( cuacufaaf

50、aafaaaaaaaae PPPRIUIUI RIIIURIUIIRIUIEP 2 2 22 )()( UIP 2 为发电机输出的电功率 PPPPP PPPP Fecufcua Fee 2 1 第三章 直流电机 3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 直流发电机在拖动系统中大都作为电源使用，目前直流发电机有被 大功率可控硅整流电源取代的趋势，但有些系统中还要使用。 发电机的特性一般指发电机运行时，端电压U、负载电流I、励磁电 流If 这三个物理量之间的关系，保持其中的一个量不变，其余两个量就 构成一种特性。 因此有（1）空载特性：发电机的稳态特性在很大程度上受到饱和影响 （2）外特性

51、：表示输出电压质量; （3）调整特性： 表示励磁调节作用； （4）效率特性：力能指标（效率特性）； 发电机的运行特性与励磁方式有关，下面按他励、并励、复励三 种不同励磁方式分别进行研究 第三章 直流电机 )(0 0fN IfUICnn 一、他励发电机的运行特性一、他励发电机的运行特性 1、空载特性、空载特性 空载时，U0=Ea0=Cen )()( 0 磁化曲线即空载特性 ff IfIfU 用实验方法测取空载特性时，接线如下图 N n n发电机由原动机拖动，保持转速不变 )( 0f IfU 调节励磁电流 ，使发电机空载端 电压达到（1.11.3)UN 然后使励磁电流逐渐降至零，测 取U0 和If

52、 即得 第三章 直流电机 。 与磁化曲线 )( 0f If 相同 整个磁滞回线的平均曲线即虚线为电机的空载特性曲线 空载特性常用来确定磁路和运行点的饱和程度（非线性程度） 直流电机励磁后再将励磁切断时,磁路中就会有剩磁,即使If=0,电枢 中仍会出现由剩磁磁通所感应的的剩磁电压U0r, U0r=(24)%UN 第三章 直流电机 2、外特性、外特性 的关系额定励磁电流通常常值)(),(,IfUIICnn fNfN aaeaaa RInCRIEU 由电压方程 他励发电机，I=Ia =常值 n=常值 常值 f I 电刷在几何中性上 不计饱和 随负载电流I的增加,电枢回路的电阻压降逐 渐增加,发电机的

53、端电压将稍微下降,外特性 为比水平线略微下降的直线. 第三章 直流电机 aaeaaa RInCRIEU 由电压方程 如计及饱和作用,随负载电流的的增大,气隙磁通将略有减少,使电枢 电动势Ea随之减少,再计及电枢的电阻压降的增加,外特性变为曲线,且下 降程度略有增加. 如果考虑到电刷不在几何中性线 上,则外特性更会有不同的曲线. (1) 电刷顺转动方向偏移一定角度,则 直轴电枢反应是去磁的-外特性曲 线下降程度更大; (2) 电刷逆转动方向偏移一定角度,则 直轴电枢反应是增磁的-外特性曲 线下降程度很小,甚至上翘; 第三章 直流电机 使 用实验方法测取外特性时，发电机电枢加入负载电阻RL，当 C

54、nn N 时，调RL 和 f I fNfNN IIIIUU此时 , , 然后保持 N f I 不变，变 RL 使I 逐渐减小测取U，I，即得 )(IfU 第三章 直流电机 U下降的原因 1）去磁作用 U 2） URII aaa 发电机端电压随负载而变化的程度用电压调整率电压调整率来衡量. 在n=nN,If=IfN 时,发电机从额定负载过渡到空载时，端电压变化的数值与额定电压的比 值，称为额定电压调整率。 %100 0 N N N U UU u 他励发电机的额定电压调整率大 致在5%10%左右,即负载变化时,发电 机的端电压变化不大,所以他励发电机 基本上可以看成一个恒压的直流电源. 第三章 直

55、流电机 a a K R E I 他励发电机在额定励磁下短路时，短路电流 由于 a R 很小，所以 K I 很大，可达（2030）IN ， 故不允许在额定励磁下短路。 3、调整特性、调整特性 的关系常值)(IfIUUCnn fNN f I 曲线是一条上升的曲线。由外特性可知，当负载电流I增加时， 发电机端电压下降。如需维持U为常值，I增加时， 要相应的 增加以补偿去磁的电枢反应和电枢回路电阻压降，通过调节 特性实验可求出空载时和额定负载时所需的励磁电流 0 f I和 N f I 第三章 直流电机 4、效率特性、效率特性 的关系 常值 )( , 2 Pf UUCnn NN affaSaFe ffa

56、SaFe UIIUIURIPPP IUIURIPPP P P P PP PP P P P 2 2 1 1 2 2 11 1 2 2 1 2 P：总损耗 式中：RI a 2 为电枢绕组铜损耗； S U2 ：一对电刷的接触电压降 对石墨 VU S 22 对金属石墨 VU S 6 . 02 第三章 直流电机 将以上损耗分别分为两大类 1、不变损耗，不随P2的变化而变化 , Fe PP 2、可变损耗，随P2变化而变化 , cuacuf P PP 0 a dI d 解出最大效率 即当不变损耗=可变损耗时发生最大效率 一般在3/4PN左右发生最大效率 小型直流发电机%9070 中大型直流发电机 %9691

57、 第三章 直流电机 二、并励发电机的自励和运行特性二、并励发电机的自励和运行特性 1、并励发电机的自励、并励发电机的自励 并励和复励都是一种自励发电机， 即不需要外部电源供励磁电流，这 种自励发电机首先是在空载时建立 电压即所谓“自励”，然后再加负 载 下面以并励为例研究其自励过程。 第三章 直流电机 （1）自励过程和条件 l自励过程：并励发电机建立电压的过程。 l自励条件：满足建压的条件。 l过程分析： 剩磁：励磁磁场与剩磁方向一致。 r ErIf 与r方向一致 EaIf U和If同时满足空载特性曲线U0f（If）和场阻线URfIf 。 临界电阻：tg U0/ If=Rf 第三章 直流电机

58、3-空载特性曲线 2-励磁电阻线 fffa RIUEU 000 1-临界电阻线 第三章 直流电机 （2）自励条件 2、并励发电机的运行特性、并励发电机的运行特性 与他励相同，也有外特性，调整特性和效率特性。 调整特性和效率特性与他励十分相近，仅说明其外特性。 1）电机必须有剩磁。可通过“充磁”获得 2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，使励磁电流产 生的磁场方向与剩磁方向一致 3）励磁回路的电阻应小于与电机转速相对应的临界电阻。 l改变并励发电机的极性，励磁绕组连接及转向要同时改变；若转向不 能变，改变剩磁方向，即反向充磁。 l若励磁绕组本身的电阻已超过所对应的临界电阻值，电机不可能自

59、励 ，唯一的办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。 第三章 直流电机 外特性： 的关系常值)(IfURCnn fN 与他励外特性比较，并励的外特性有三个特点： 1）同一负载电流下，端电压较低。 2）外特性有“拐弯”现象。 3）稳定短路电流小 1）去磁作用 U 2） URII aaa U R U IU f f ) 3 所以并励外特性比他励低。 电压调整率一般在20%左右 端电压低 第三章 直流电机 外特性“拐弯”现象的出现是因为 fL L IUIR R U IEa U 端电压U的下降比负载电阻RL下降的快, 负载电阻减小后，一方面使负载电流增加使负载电流增加，端 电压下降；另一方面，端电压

60、下降后，使励磁电 流减小，电势下降，使负载电流下降使负载电流下降。 当电压较高时，磁路饱和，励磁电流对电势影响 不大；（负载电流随电阻下降而增大） 当电流达到临界值时，磁路退出饱和，励磁电流 的微小变化引起感应电势的较大变化，使端电压 下降的幅度大于负载电阻减小的幅度，（负载电 流下降） 第三章 直流电机 当稳态短路时（ ），U=0， ， 此时电枢绕组中的电流由剩磁电动势产生， ， 因 不大，所以 不大。 0 L R 0 f I a r K R E I 0 r E0 K I 稳定短路电流小 第三章 直流电机 三、复励发电机的运行特性三、复励发电机的运行特性 复励发电机有并励绕组和串励绕组两个励