电机学(第二章)5

1、1 第二章第二章 直流电机直流电机 2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性 直流电动机的起动与调速直流电动机的起动与调速 3 几点说明: 什么是直流电机什么是直流电机? 与直流有关的电机称为直流电机。与直流有关的电机称为直流电机。 直流电机的优点直流电机的优点 1. 具有良好的起动性能具有良好的起动性能 .能在宽范围内平滑调速。能在宽范围内平滑调速。 直流电机的用途直流电机的用途 .直流电动机广泛用于对调速性能和起动性能要求直流电动机广泛用于

2、对调速性能和起动性能要求 高的场合高的场合 2. 直流发电机主要用作直流电源，同步发电机的励直流发电机主要用作直流电源，同步发电机的励 磁。磁。 3.控制系统中的伺服电动机，测速发电机等作为测控制系统中的伺服电动机，测速发电机等作为测 量执行元件。量执行元件。 本章研究对象：带换向器的直流电机。本章研究对象：带换向器的直流电机。 4 2.1 概述概述 2.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 一、线圈中感应一、线圈中感应 电势产生的过程电势产生的过程 1. 原动机拖动原动机拖动 电枢以恒定转速电枢以恒定转速 沿反时针方向在沿反时针方向在 磁场中旋转，导磁场中旋转，导 体中产生感应电体中

3、产生感应电 势。势。 cdcd abab 导体： 导体：导体中感应电势的方向 5 lvBe 导体的线速度 导体的有效长度 密度导体所在处的气隙磁通式中： v l B Be 60 2 Rn v 6 规定：从电枢进入磁极的磁通方向为正方向 为负电枢，极下的磁密为从磁极 为正磁极，极下的磁密为从电枢即： BN BS 气隙的分布规律相同 沿随时间的变化规律与当电枢旋转时， Be. 2 7 t n P t ，即电枢旋转的电角速度为 何中性线上，而时刻被观察导体位于几设 60 2 0 u 标刻度即可。相同，只要改变一下坐 的变化规律随随时间的变化规律与线圈电势 ，所以由于 Be BeBe 2 2 u 8

4、线圈中的感应电势是交变的线圈中的感应电势是交变的 9 是单向的（直流）之间的电势电刷 AB eAB u 的脉动较大 AB e u 电刷及换向器的作用 u 10 二、电机中的能量转换过程二、电机中的能量转换过程 以左图为例 分析直流发直流发 电机电机的能量 转换过程 11 三、直流电动机的工作原理三、直流电动机的工作原理 以右图为例说明 直流电动机直流电动机的工 作原理 12 电机的可逆性原理 从电机的电端口看，电机作发电机或电动机运 行的区别就在于电流方向发生了变化，电流自 端口正极性端流出时为发电机；电流自端口正 极性端流入时为电动机。 研究电机常用的两个术语：发电机惯例、电动发电机惯例、电

5、动 机惯例机惯例 i 13 2.1.2 直流电机的构造 14 一、综述一、综述 1.定子：定子：由主磁极、换向极、机座三部分组成 2.转子：转子：由电枢铁心，电枢绕组、换向器三部 分组成。 3.端盖：端盖：端盖内有轴承，转子在轴承中转，端 盖则固定在电机两端，使电机组成一个整体。 4.电刷架：电刷架：电刷固定在端盖上，电刷与换向器 相接触。 5.气隙：气隙：定、转子之间有气隙，气隙的大小对 电机的性能影响很大。 15 二、分述各部分的特点及作用二、分述各部分的特点及作用 1.定子 厚的低碳钢片叠成。用 常的主磁场，主极铁心通 定时，气隙中会产生一恒 流绕组中通有直流励磁电 磁的励磁绕组构成，当

6、励 上由主极铁心和套在铁心 主磁极 mm5 . 11 ) 1 ( 16 （2）换向极 17 （3）机座）机座 ）固定电机。（ ）固定主极和换向极；（ 分；）构成电机磁路的一部（ 功用： c b a 焊接而成。 用铸钢或薄钢板 18 2.转子转子 （1）转子铁心（电枢铁心） 作用：作用：是磁路的一部分；转子槽中放置绕组 特点：特点：电枢旋转时被交变磁化，所以转子铁 心中有铁耗。 19 （2）电枢绕组）电枢绕组 作用：作用：感应电势，流过电流，产生电磁力和电磁转 矩，是电机能够实现能量转换的核心部件。 构成：构成：由绝缘导线绕成线圈，各线圈以一定的规律 焊接在换向片上而连成一个整体。 20 21

7、2.1.3 直流电机的额定值直流电机的额定值 一、什么是额定值？ 电机生产厂家根据设计和试验数据，确定 的电机在额定运行工况额定运行工况时的物理量，如电 压、电流、功率、转速等等。 二、有哪些额定值？ ），单位（额定电压VU N . 1 ），单位为（额定电流AI N . 2 指输出功率）或，单位为额定功率(. 3kWWP N 分转，单位为额定转速 N n. 4 ），单位为（额定励磁电压VU fN . 5 ），单位为（额定励磁电流AI fN . 6 22 2.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 2.2.1 基本特点基本特点 一、对电枢绕组的要求 1.产生尽可能大的电动势，并且有良好的波形；

8、 2.能通过足够大的电流，以产生并承受所需要 的电磁力和电磁转矩； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维护和检修； 5.对直流电机，应有良好的换向。 23 二、绕组的型式二、绕组的型式 根据绕组连接方式的不同，直流电机电枢绕组分为三 种类型： 1.叠绕组，又分单叠和复叠绕组；叠绕组，又分单叠和复叠绕组； 2.波绕组，又分为单波和复波绕组；波绕组，又分为单波和复波绕组； 3.蛙绕组，既叠绕组和波绕组混合的绕组。蛙绕组，既叠绕组和波绕组混合的绕组。 三、元件的形状与放置三、元件的形状与放置 1.直流电枢绕组的构成 电枢绕组是由结构形状相同的绕组元件（简称元件） 构成。 2.什么是元件？ 元件指两端

9、分别与两片换向片连接的单匝或多匝 线圈。 24 直流电枢绕组元件直流电枢绕组元件 25 绕组元件在电枢表面槽中的放置绕组元件在电枢表面槽中的放置 为了便于绕组元件在电枢表面槽中的嵌放，每 个元件的一个元件边放在某一槽的上层另一 个元件边则放在另一个槽的下层。 26 四、布线（下线）常用的几个名词四、布线（下线）常用的几个名词 电枢绕组的特点常用虚槽数、元件数、换向虚槽数、元件数、换向 片数及各种节距片数及各种节距来表征。 1.虚槽数 个“虚槽”实际的槽包含了 个个元件边，则意味着一如果槽内每层有 u u uzzzz ii 的关系为：与虚槽数实际槽数 27 三者之间的关系、换向片数、元件数虚槽数

10、kszi. 2 因为每个元件有两个元件边，而每一片换向片同 时接有一个元件的上层边和另一个元件的下层边， 所以元件数一定与换向片数相等，又由于每个虚 槽也包含上、下层两个元件边，即虚槽数也与元 件数相等。所以 kszi 1 . 3y第一节距 每个元件的两个有效边在电枢表面的跨距，用 虚槽数表示。 28 应的虚槽数来表示）跨弧长或用该弧长所对 面所（用每个主极在电枢表应接近一个极距 所跨的距离势最大，为了使元件中感应的电 1 y 29 ，则，电枢外径为设电机的极对数为 a DP P z P D ia 22 或 整数 嵌放，因此有必须为整数，否则无法由于 P z y y i 2 1 1 凑成整数的

11、分数，用于将是一个小于 1 1y 称为整距元件 1 0y 称为短距元件 1 0y 称为长距元件 1 0y 30 2 . 4y第二节距 ，也用虚槽数表示。层边在电枢表面的跨距 到第二个元件的上第一个元件的下元件边 连接的两个元件中定义为与同一换向片相 0 2 y对叠绕组 0 2 y对波绕组 31 y合成节距. 5 表示就是：表面的跨距，用虚槽数 件的对应边在电枢定义为相串联的两个元 21 yyy 32 k y换向器节距. 6 为左行绕组 为右行绕组； 0 0 k k y y k yy 相等的。即 向器节距在数值上总是数表示。合成节距与换 换相器节距，用换向片表面所跨过的距离称为 片换向片之间在换

12、向器每一个元件两端所接两 33 2.2.2 单叠绕组单叠绕组 一、什么是单叠绕组？ 的一种绕组是1 k yy 为右行1 k yy 为左行1 k yy 右行整距绕组。 ，试绕制一单叠 ，数举例说明：已知电机极 法二、单叠绕组的绕制方 16 42 kszz P i 34 1 . 1 k yy单叠右行： 节距计算 4 4 16 2 1 P z y i 整距： 341 12 yyy第二节距： 1uzz i 可知由虚槽数： 35 2.作绕组连接表作绕组连接表 规定元件编号与槽编号相同，上元件边直接用 槽编号表示，下元件边用所在槽编号加“ ” 以示区别。上元件边与下元件边之间用实线连 接，两元件通过换向器

13、串联用虚线表示，绕组 连接关系为： 36 3.作绕组展开图作绕组展开图 37 38 三、单叠绕组的电路图三、单叠绕组的电路图 为进一步说明元件的串联次序及其电势分布 情况，画出绕组的电路图如下： 39 结论：结论： （1）闭和回路的总电势为另，故电枢绕组内不）闭和回路的总电势为另，故电枢绕组内不 产生环流；产生环流； （2）并联支路数恒等于主极数；）并联支路数恒等于主极数； （3）电刷组数）电刷组数=主极数主极数 （4）电刷放在换向器的几何中性线上，在正、）电刷放在换向器的几何中性线上，在正、 负电刷间可获得最大支路电势，换向性能良好，负电刷间可获得最大支路电势，换向性能良好， 不产生火花。不

14、产生火花。 40 2.2.3 单波绕组单波绕组 单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支 路，以保证串联元件中的电动势同方向，根据 此思路，当然可以设想把电枢所有处在相同极把电枢所有处在相同极 性下的元件串联起来构成一条支路，性下的元件串联起来构成一条支路，此时，相 邻两串联元件对应的距离约为两个极距，从而 形成波浪形构形，称为波绕组。 41 单波绕组的并联支路数单波绕组的并联支路数 1 22 a a 或并联支路对数： 即并联支路数： 只有两条并联支路。 与主极数无关，单波绕组的并联支路数 注意：在元件数相同的情况下，波绕组每条支 路的串联元件数就可能比叠绕组多，支路电压也 会比较高。 波绕组

15、增加并联支路数的方法是采用复波绕组。 42 2.3 直流电机的磁场直流电机的磁场 磁场是电机实现机电能量转换的媒介，直流电 机中产生磁场的方式有两种，一种是永久磁铁一种是永久磁铁 磁场，磁场，只在一些比较特殊的微电机中采用；另 一种是电磁铁磁场，电磁铁磁场，是由套在主极铁心上的励 磁绕组通入直流电流产生的，称为励磁磁场，励磁磁场， 一般电机都采用这种励磁方式。 2.3.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 一、什么是励磁方式？ 指供给励磁绕组励磁电流的方式。 不同的励磁方式，电机的性能不一样，可满 足不同形式的负载。 43 二、直流电机按励磁方式分类二、直流电机按励磁方式分类 1.他励直流

16、电机他励直流电机 励磁绕组由其它直流电源单独供电。 动机惯例。 用电为电机电流，正方向采 为励磁电流；为电枢电流； 为励磁电压；为电枢电压；图中： I II UU fa f a II 44 2.并励直流电机并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组与电枢绕组并联，电枢电压即为励磁 电压。 45 3. 串励直流电机串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联，励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励 磁电流。 46 4.复励直流电机复励直流电机 励磁绕组分成两部分，一部分与电枢绕组 串联，另一部分与电枢绕组并联。 串励和并励两部分绕组的磁势可以相加可 以相减，前者称为积复励，积复励，后者成为差复差复

17、励。励。 （a）短复励（b）长复励 47 2.3.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 一、什么是空载磁场？ 也叫主磁场。 建立的磁场，；仅由电机不带负载，即 fa II0 二、磁通与磁动势 1.磁通 磁通分两磁通分两 部分：即部分：即 主磁通和主磁通和 漏磁通。漏磁通。 48 m 磁通为通过每个主极铁心的总 0000 1 K m ）（ 25. 115. 1 1 0 K K K 一般 有关的大小与磁场分布情况数， 称为主极漏磁系式中： 49 组匝数为每个主极上的励磁绕式中： 根据全电流定律 磁磁势产生主磁通的每对极励 f ff N NIHdlF F 2 . 2 0 0 50 3.磁路构成磁

18、路构成 电机中的磁电机中的磁 回路数目等回路数目等 于主极数目，于主极数目， 每个磁回路每个磁回路 由五个部分由五个部分 组成：组成： 。，磁场强度为，平均长度为）一个转子（电枢）轭（ ；，磁场强度为度为）一个定子轭，计算长（ ；，磁场强度为为）两个磁极，计算高度（ ；，磁场强度为为两个电枢齿，计算高度）（ ；，磁场强度为两个气隙，计算长度为）（ aa a mm zz HL HL Hh Hh H 5 4 23 2.2 2.1 51 三、主磁场分布三、主磁场分布 假设： （1）电枢表面是光滑的 （2）极弧下气隙均匀 52 四、磁化曲线四、磁化曲线 ）。（，即磁动势之间的关系曲线 指电机的主磁通与

19、励磁直流电机的磁化曲线是 00 Ff 53 1.气隙线气隙线 于电机的非饱和分析。 隙线。气隙线可用气隙磁化曲线，简称气 延长，即为电机的把磁化曲线的起始直线 54 35. 11 . 1 1 . 2 0 0 K K F F F FF F F K FF FeFe 一般 饱和系数，式中： 来表示，即 的比值的磁动势与同一磁通下气隙线上磁动势 所需行时产生额定电枢电压电机额定转速下空载运 饱和系数 55 系数即可。 有关比例）等各种形式只需变换（或 ）（）、（磁化曲线可表示为 注意： 0 0 FfU IfIfU ff 56 2.3.3 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场 只能消耗在气隙上。，所以）

20、认为（ 性线上；）电刷放在电枢几何中（ ）气隙是均匀的；（ 代替；）电枢元件用单层导体（ ）电枢表面是光滑的；（ 假设 线上一、电刷放在几何中性 aFe F5 4 3 2 1 . 1 57 2.电流分布电流分布 58 .3 2 . 1 是以电刷为分界线的）电枢表面的电流分布（ 流方向相反；相同，每一刷两边的电 上的导体电流方向都）两刷间一段电枢圆周（ ”同，都为“极下导体电流方向都相 ”，都为“极下导体电流方向相同）（ 从上图中可以看出： S N 59 正交。中性线上，与主极轴线 何轴线重合，也在电枢几电枢磁势的轴线与电刷 磁力线分布. 3 是交轴磁势。电枢磁势 是直轴磁势；励磁磁势 a F

21、F 0 60 体数）上单位长度内的安培导线负荷（表示电枢圆周 分布，则假设导体在圆周上均匀 电枢外径 导体中电流电枢总导体数；令： 成一直线中性线处将电枢切开展分析方法：沿左侧几何 ）（电枢磁势的大小及波形 A D iN A D iN xF a aa a aa a . 4 61 xAxFx xAF a ）（处每个气隙的磁动势：作用于 势为：作用在闭合磁路上的磁 ）电枢磁势的大小（ 2 1 62 xAxFxF xF aa a )( )2( ）为负（ ）为正，反之（入磁极规定：磁力线从电枢进 电枢磁势的波形 63 00 22 ）（时，当之间在xFxx a xAxFx a ）（时0 最大，磁势也最大

22、）（此时回路包围的电流 ）（时当 AxFx a 2 1 2 相互抵消）流方向相反，部分电流（因回路中部分导体电 ）（时当 AxFx a 2 1 2 抵消）（因回路中的电流全部 ）（时当0 xFx a 64 ）（）（ ）（ ）（）（ 是马鞍形）（形找出电枢磁场的磁密波 x xA x xF xHxB xB a aa a 000 . 5 65 6.负载时气隙中的合成磁场负载时气隙中的合成磁场电枢反应电枢反应 电刷在几何中性线时，电枢磁场只有交轴分量，电刷在几何中性线时，电枢磁场只有交轴分量， 电机磁场由励磁磁动势和交轴磁动势共同建立。电机磁场由励磁磁动势和交轴磁动势共同建立。 66 交轴电枢反应对气

23、隙磁场的影响交轴电枢反应对气隙磁场的影响 （1）使物理中性线偏离几何中性线一个角 度，对发电机偏移为顺电枢转向；对电动机则 是逆电枢转向。 通量也会减少。考虑饱和影响，每极磁）（ 极下总的磁通不变。不计饱和影响，每个主 3 )2( 67 二、电刷偏离几何中性线二、电刷偏离几何中性线 的距离。枢表面移过弧长为 ，相当于在电的电角度为设电刷偏离几何中性线 b 68 上时） 线上（电刷放在几何中性 交轴电枢反应的性质同 ）（ 势，其最大值为： 生交轴电枢磁动）范围内的导体电流产（ 交轴电枢磁势 bAF b F aq aq 2 2 . 1 69 AbF b F ad ad 动势，其最大值为： 称为直轴

24、电枢磁轴线与主极轴线重合， 的磁动势的范围内的导体电流产生 直轴电枢磁势 2 . 2 70 直轴电枢反应的性质直轴电枢反应的性质 71 磁作用。 起助与主极磁势方向相同，磁势的直轴分量 角时，电枢移过一个机（或顺电动机）转向 ；反之，当电刷逆发电方向相反，起去磁作用 与主极磁势分量角时，电枢磁势的直轴个 电动机）转向移过一当电刷顺发电机（或逆 结论： ad ad F F 72 2.3.5 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩 一、感应电动势一、感应电动势 无论是迭绕组还是波绕组，经正、负电刷引出无论是迭绕组还是波绕组，经正、负电刷引出 的都是支路中各串联元件感应电动势的代数和。的都是支路中

25、各串联元件感应电动势的代数和。 假设假设（1）绕组为整距；（）绕组为整距；（2）电刷在几何中性）电刷在几何中性 线上线上 。 先求一根导体中的感应电势：先求一根导体中的感应电势： lvxBek)( 位置根导体在电枢表面处的为第式中：Kx 73 E a Na 根导体的支路电势再求 2 ）（xBlveE a N K a N K K aa 2 1 2 1 a N BxB a av a N K a 2 )( 2 1 令： lBdxxBlldxxB av ）（）（每极磁通量： 2 2 2 2 1 l Bav 74 60 2 n Pvnv表示为：可用转速电枢表面的线速度 nCn a PN a N l n

26、Pl a N lvBE E a aa av 60 260 2 2 称为电动势常数式中：aPNC aE 60/ 布波形无关。有关，而与每极磁场分与每极磁通）（ ）（结论： E nE 2 1 75 二、电磁转矩二、电磁转矩 所有电枢导体所受力矩之和称为电磁转矩所有电枢导体所受力矩之和称为电磁转矩 em a K TP P N T 个主极下的求力矩之和 ）根导体求一个主极下（先求一根导体的力矩 推导思路 2 2 a I i Ii a a aa 2 1 的关系为电流为支路电流，则与电枢设）（ a I lxBlixBF K a aK 2 ( 2 ）（） 根导体所受的电磁力为第）（ 76 a I lPxB

27、P a I lxB D a I lxB D FT a a aaa KK 2 2 12 2 222 )3( ）（ ）（ ）（ 产生的电磁转矩为： 77 aTa a aa a av a P N K a P N K Kem ICI a PN P N la I lPP P N B a I lPP xB a I lPPTPT P aa 2 22 2 22 2 2 22 2)4( 2 1 2 1 ）（ 为个主极下合成电磁转矩 aemaT ITaPNC为转矩常数，所以式中：2 78 三、电动势常数与转矩常数的关系三、电动势常数与转矩常数的关系 TE a a T E CC a PN a PN C C 3030

28、 2 60 或 TTE CCnCE nn n n 30 30 30 3060 2 则 之间的关系和角速度机械转速 电机常数 T C 79 2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性 80 一、电势平衡方程式一、电势平衡方程式 励磁绕组的调节电阻 励磁绕组电阻 一组电刷接触压降 电枢绕组电阻 电枢绕组电势 发电机机械角速度 电磁转矩 空载转矩 原动机输入转矩 j f b a em r r U r E T T T 0 1 励磁电流电枢电流 发电机的电流发电机的端电压 fa II IU 81 1.电枢回路电势平衡方程式电枢回路电势平衡方程式 V U R b a 13 . 0 一般取电刷接触压降

29、 ）和电刷接触电阻两部分 阻（包括电枢绕组电阻 电枢回路总等效电 式中： aa a b aabaa RIU I U rIUUrIUE ) 2 (2 82 ffjff RIrrIU）（ 程式励磁回路的电压平衡方. 2 回路的总电阻 为励磁式中： jff rrR fa III 电流平衡方程 . 3 83 二、功率平衡方程式二、功率平衡方程式 1.电磁功率电磁功率 aem a EIP IE 的乘积。与电枢电流电动势 功率为电枢绕组的定义：直流电机的电磁 ）（nCC TnI a PN nI a PN P TE ema a a a em 3030 30260 84 2. 发电机电枢回路的电功率平衡方程式

30、发电机电枢回路的电功率平衡方程式 cucuacufem aaf aaf aaaa aa pPppPP RIUIUI RIIIU RIUIEI RIUE 22 2 2 2 ）（ 根据式： 85 3. 发电机总的功率平衡方程式发电机总的功率平衡方程式 ）通常估算为杂散损耗）（ 铁心损耗）（ 机械损耗）（ 损耗包括；换所必须的损耗，这些 转轴转动和实现能量转另一部分则被用于平衡 的部分，而被转换为电功率的那一机械功率 过转轴传递给发电机的电磁功率只是原动机通 Nad Fe mec Pp p p PP %1%5 . 0(3 2 1 11 86 adFemeccufcuacu cu adFemec em

31、adFemecem pppppppp ppPP pppp pPpppPP 0 021 0 01 称空载损耗或不变损耗 式中： 87 并励发电机的功率流程图并励发电机的功率流程图 mec p Fe p ad p 1 P em P 2 P cua p cuf p 88 4. 发电机的效率发电机的效率 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 2 100)1 (100100 P p P pP P P 。机则可能低于 ，小容量电达左右，大容量电机可高 效率在，普通直流电机的额定）围为（ 大值，相应的功率范相等时，效率会达到最 与不变损耗可变损耗可以证明，当电机中的 0 0 0 0 0 0 0 70 96

32、85 17 . 0 N cu P p p 89 三、转矩平衡方程式三、转矩平衡方程式 01 01 01 TTT pPP pPP em em em 也是制动转矩是发电机的空载转矩， 矩的电磁转矩，是制动转 时产生是发电机输出电磁功率 为拖动转矩是原动机输入机械转矩 0 0 1 1 p T P P T P T em em em 90 2.4.2 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性 说明：说明： 1.什么是发电机的特性？什么是发电机的特性？ 指电机外部各个可测物理量之间的关系。指电机外部各个可测物理量之间的关系。 2.有哪些特性？有哪些特性？ （1）空载特性（开路特性）空载特性（开路特性） （

33、2）负载特性）负载特性 （3）外特性）外特性 （4）调节特性）调节特性 3.为什么讨论特性？为什么讨论特性？ （1）便于选择电机）便于选择电机 （2）从特性曲线上求取性能指标）从特性曲线上求取性能指标 91 一、空载特性一、空载特性 1.什么是空载特性？什么是空载特性？ 关系曲线。 ）的（时，端电压，在 fN IfUInn 0 0 92 剩磁作用的励磁电流。 ，为对应坐标左移 ，并将纵延长，交横轴于 ，把曲线定电压的 为额称为剩磁电压，数值约 电压，发电机还有一个不大的 时，由于电机有剩磁，故 oo o I f 0 0 0 0 42 0 移动。与转速成正比地上、下定转速，空载特性将会 ，故对于

34、不同给同时，注意：由于励磁电流相nE 93 3.该特性有何用？该特性有何用？ （1）从空载特性可以知道电机的饱和程度，）从空载特性可以知道电机的饱和程度， 从而检验电机的设计制造水平。从而检验电机的设计制造水平。 （2）可用该特性求出电机的其他特性曲线。）可用该特性求出电机的其他特性曲线。 注：无论何种励磁方式的直流电机，其空载特性 曲线均由他励接线方式测定。 94 二、负载特性二、负载特性 1.什么是负载特性？ 关系曲线。 ）的（常数时，常数，负载特性是 f IfUIn 不变。以保持 ，的同时调节负载恒定，调节，实验中保持合上开关 实验测取 I RrnK Lj . 2 95 3.曲线分析曲线

35、分析 表示。作用，用其二，电枢反应的去磁 表示；降，用其一，电枢电阻上的压 方面的原因：端电压不相同。这有两用下，不同负载电流的 作流曲线，在相同的励磁电是一条特殊的负载特性 EA AU II f 0 96 三、外特性三、外特性 1.什么是外特性？什么是外特性？ ）的关系曲线。（常数时，常数，外特性是当IfUIn f 即可作出特性曲线。 值，流及其相应的端电压数），根据不同的负载电（ ，最后直到开路减小负载电流 ，不变，调节保持励磁电流 时，使和电阻 ，调节负载，使合开关 实验测取 0 . 2 I I RI UUIIrR nnK LfN NNjL N 97 3.曲线分析曲线分析 外特性是一条随

36、负载电流增加而下降的曲外特性是一条随负载电流增加而下降的曲 线，原因有二：线，原因有二： UE nCE UrII UrIEU E aa baa 的去磁作用使 ，电枢反应 可知： 根据：2 0 0 0 0 0 0 0 105 100 . 4 率一般为他励发电机的电压调整 电压调整率 N N U UU U 98 四、调节特性四、调节特性 1.什么是调节特性？什么是调节特性？ 的关系曲线。 ）（常数时，常数，调节特性是指IfIUn f 实验测取. 2 99 3.曲线分析曲线分析 100 2.4.3 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机是自励发电机中最常用的一种，并励发

37、电机是自励发电机中最常用的一种， 它的励磁电流不需要其他的直流电源供给，而它的励磁电流不需要其他的直流电源供给，而 取自发电机本身，所以称为取自发电机本身，所以称为“自励自励”，并励发，并励发 电机的主极绕组与电枢绕组并联。电机的主极绕组与电枢绕组并联。 。不合开关 发电机在自励过程中 一、自励过程与条件 K 101 称为励磁回路的电阻线 ）（ 的斜率为：右图中，直线 ffjff f RIrrI I U tg/ 1 0 是怎样建立的？ 0 . 1U 102 2. 并励发电机的自励条件并励发电机的自励条件 （1）电机内有剩磁；）电机内有剩磁； （2）励磁绕组连接正确；）励磁绕组连接正确； （3）

38、励磁回路电阻应小于临界电阻）励磁回路电阻应小于临界电阻 103 104 二、外特性二、外特性 ，则得外特性。电流 和电机，测取端电压小 ，并逐步减然后合上开关 ；自励过程，建立端电压 ，使电机完成节励磁电阻 调实验时保持转速恒定， 实验求取 I UR K U r L j 0 . 2 ）的关系曲线。（ 常数时，常数，指并励发电机的外特性是 IfU Rn f . 1 105 106 为剩磁感应电势 短路电流短路时 象负载电流有“拐弯”现 r a r KfL E R E IIUR 0 )0, 0, 0()3( )2( 107 2.4.4 复励发电机的特性复励发电机的特性 在并励发电机的基础上加上串励

39、绕组就是复励在并励发电机的基础上加上串励绕组就是复励 发电机。发电机。 枢反应的去磁作用。 枢回路的电阻压降和电 串励绕组则用来补偿电 ；证空载时产生额定电压 绕组起主要作用，以保 积复励发电机中，并励 108 109 2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性 2.5.1 基本方程基本方程 一、电动势平衡方程式 baaaa aa UrIRI RIEU 2 . 1 式中： 电枢回路 ffjff RIrrIU）（ 励磁回路. 2 af III 电流平衡方程式. 3 110 二、功率平衡方程式二、功率平衡方程式 cuem cufcuaemfaaa faaafafa pP ppPUIRIEI

40、UIIRIEUIUIIIUP UIP P 2 1 1 1 ）（）（ 电动机输入功率 022 pPpppPP adFemecem 111 pPppP pppppPpPP cu cufcuaadFemeccuem 202 21 cua p cuf p em P 1 P mec p Fe p ad p 2 P 112 %100 1 2 P P 效率： 02 02 TTT pPP em em 功率平衡方程式稳态恒速运行时，根据 三、转矩平衡方程式 113 ）之间的关系。流 （或电枢电与输出功率、电磁转矩效率 、时，电动机的转速电阻，励磁电流 ，电枢回路不串入附加工作特性是指 a em fNf N I

41、PT nII UU 2 114 为什么讨论工作特性？为什么讨论工作特性？ （1）便于用户选择、使用电机； （2）从工作特性上找到衡量电机性能好坏的 指标； （3）鉴定电机的设计水平； 求取特性的方法求取特性的方法 （1）实验求取 （2）计算求取 115 一、并励电动机一、并励电动机 nn C RIU n nCE RIEU PfnIIUU E aa E aa fNfN 0 2 . 1 可得速率计算公式： 根据 ）的关系曲线。（常数，常数，在 速率特性 116 n曲线分析曲线分析 转速变化很小。 的影响互相抵消，它们对转速 磁作用）分母变小（电枢反应去 ）时，分子变小，（即当 n IP C RIU

42、 n a E aa 2 特性。 ，称为硬）（很小，并励电动机的转速变化%43 %100 0 n n nn n N N 117 u 注意注意: 并励电动机运行时，励磁绕组绝对不允许开路，并励电动机运行时，励磁绕组绝对不允许开路， 因为当励磁回路断开时，气隙中的磁通将骤然因为当励磁回路断开时，气隙中的磁通将骤然 降至微小的剩磁：降至微小的剩磁： 转动部件。轻载时，“飞速”损坏）（ 致电枢绕组过热。 ，电枢电流剧增，而导机停转，反电动势 不了负载转矩，使电重载时，电磁转矩克服）（ 2 0 1 E 118 的关系曲线。 ）（常数时，常数，在 转矩特性 2 . 2 PfTIIUU emfNfN 119

43、直流电动机的转矩平衡方程式为直流电动机的转矩平衡方程式为 02 TTT em 原点的直线是一条略微上翘的经过 变化。常数，不随基本不变，故认为由于 2 2 20 0 0 P T PTn p T 0 2 T TTem 空载转矩 应于到，其与纵轴的交点对 曲线平移得曲线可由 120 计算而得。 和率特性曲线可由实测的根据效率计算公式，效 ）（效率特性 2 1 2 . 3 P P Pf 耗相等。 在理论上与不变损 电机中的可变损耗 率取最大值，此时 接近额定功率时效 普通电动机大都在 121 二、串励电动机二、串励电动机 。同，其余两个特性不同效率特性与并励基本相 ）的关系曲线，（或与、常数，即 a

44、emN IPTnUU 2 122 （上升更少）用，若考虑电枢反应去磁作）（ （上升少）；考虑饱和时，）（ 成正比变化；变化，不考虑饱和时，）（ 与负载的大小有关：即 变化，变化串励： af af af af II II II IIII 3 2 1 123 转速很高，发生飞车。空载、轻载时电动机的）（ ；很快，为软特性（随）（ 曲线特点： 常数实验中，保持 ）曲线（速率特性 2 )1 . 1 2 2 nP UU Pfn N 124 曲线分析 （1）分析为什么是软特性？ nI C RIU n a E aa ，分母时，分子当 。使而分母 大，）很小时，分子影响不（或根据转速计算公式，当 n IP a

45、 2 。额定值的 小于，工作的最低负载不应对一般串励电动机而言 运行，不允许空载起动及空载因此，串励电动机绝对 %30%25 125 转速调整率转速调整率 额定负载时的转速。为式中： ：机的转速调整率定义为 动动机有所不同，串励电调整率的定义与并励电 速空载运行，所以它的转由于串励电动机不允许 4 1 %100 4 1 4 1 * n n nn n N N 126 的增加上升很快。随 可知， 降，因此从式 的增加而迅速下随由于串励电动机的转速 ）（转矩特性 22 22 2 2 2 60 2 . 2 PT n PP T Pn PfTem 127 曲线分析 ）（考虑饱和）（ 不考虑饱和）（ 212

46、 1 2 aem aem IT IT af aem aTem II IT ICT 串励 并励 根据 128 动无轨电车，电气机车拖 不至于烧坏电机。）过载能力强，超载时（ ）（）起动转矩大，因（ ，否则飞速；）不能空载、轻载运行（ 3 212 1 aem IT 129 三、复励电动机三、复励电动机 要利用串励电动机的特点，同时又避免空载发生 “飞速”危险，复励电动机的特性介于两者之间， 其速率特性如下： 130 2.5.3 机械特性机械特性 l什么是机械特性？什么是机械特性？ 特性。 ）称为机械（之间的关系曲线转矩 与电磁常数时，转速直流电机在 emem N TfnT nUU 131 自然机械

47、特性。 的关系曲线，称为 ）（时， 路串入的调节电阻 常数，电机回常数时，当 自然机械特性 emj fNfN TfnR IIUU 0 . 1 132 直线的斜率理想空载转速 2 0 TE a E CC R K C U n emem TE a E T em a E aa KTnT CC R C U n C T I C RIU n 0 2 代入上式，则得将 根据式 133 ，特性变软。因 ）（ KK TKnT CC RR C U n j emjem TE ja E 0 2 机械特性。 工）的关系曲线，称为人（时，电阻 常数，电枢回路串入常数， emj fNfN TfnR IIUU 134 ，特性变

48、软。因 ）（ 根据式 KK TKnT CC RR C U n j emjem TE ja E 0 2 135 二、串励电动机的机械特性二、串励电动机的机械特性 是一个变数。常数，考虑饱和效应，效应， ，不考虑饱和，在串励电动机中， KK IKII afa 特性。）之间的关系曲线为软（即 ，分母，分子当 ）（ ）（ 根据式 em aem aE jaa E jaa aTaTem Tfn nIT IKC RRIU C RRIU n IKCICT 2 为人工机械特性。为自然机械特性，00 jj RR 136 三、复励电动机的机械特性三、复励电动机的机械特性 复励电动机的机械特性介于并励和串励之间， 一

49、般采用积复励，积复励电动机的转速为： 串并， 21 21 )( E aa C RIU n 137 2.6.2 直流电动机的起动直流电动机的起动 一、什么是起动？ 二、衡量一台电动机起动性能指标优劣的标准 1.起动电流要小起动电流要小 ：很大，带来的不良影响所以起动电流 很小，所以，时，因为 ，起动方程式根据电动机的电势平衡 st a a sta aa I R R U IIEn RIEU 00 138 2.起动转矩要大起动转矩要大 不能失磁）保证磁通可靠建立（ 不能太小； 要保证可靠起动： 2 ) 1 ( st stTaTemst I ICICTT 139 1.直接起动直接起动 什么是直接起动？

50、 将电动机直接投入具有额定电压额定电压的电网上起动 起动方法 。枢回路开关 ，然后再合电立主磁通 ，以保证可靠建开关 起动时，先合励磁回路 a f K K 140 2.在电枢回路串电阻起动在电枢回路串电阻起动 起动方法起动方法 矩也同时减小。 减小，起动转，电流，串入电阻后 ，以限制起动串入一电阻起动时，在电枢回路中 st sta st st I RR U I R 性能。逐步减小，以保证起动电阻 ，将串入的大，随着时，串入 ）。开始起动（电流限制在一定范围内 动一定的起动转矩，将起在实际工程中，为保证 R IEnR II st minmax 141 如何控制串入电枢回路的起动电阻如何控制串入电

51、枢回路的起动电阻? 过程。的电磁转矩，缩短起动 生足够的数值范围内，保证产 理使起动电流限制在一合 逐步切除 st st aststst E st R IEn RRRR nCU I 321 最大。最大，全部切除，以使 变阻器动时应将励磁回路中的为保证起动转矩大，起）（ 会烧坏；计的，长期通过大电流起动变阻器是按短时设）（ 说明两点： f I 2 1 142 特点特点: (1) 可限制起动电流，保证一定的起动转矩，设 备简单，广泛用于中、小型电机中。 （2）对于大容量直流电机，变阻器将变得笨重， 消耗电能。 3. 降压起动（适用于他励）降压起动（适用于他励） 加成本。好，但设备投资大，增 不消耗

52、电能，起动性能特点：不用起动电阻， 直流电源；作法：用一套专用调压 起动电流为： 电压以限制起动电流起动时降低电动机的端 * * * st a st IU R U I 143 2.6.3 直流电动机的调速直流电动机的调速 什么是调速? 在电动机负载转矩不变的情况下，通过人工方法改变 机组的转速，称为调速。 对调速性能的要求： （1）速比大；（2）平滑；（3）经济 综述调速方法 ）调电枢回路电阻（；调）（；调）（ 可知，调速方法有三种根据式 321UI C RIU n f E aa 144 一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速 a E j em TE j em TE j em TE a

53、em TE j em TE a E em TE ja E a E ja E j I C R T CC R n T CC R T CC R n T CC R T CC R C U T CC RR C U I C RR C U n R 2 22 0 22 2 化量串入电阻后，转速的变 ）（ 式求得后，速度调节量可用下电枢回路串入调节电阻 145 1.调速结果调速结果 后，消耗了电能）（因电枢回路串入电阻 不变。所以调速前后输入功率 都不变，、），因调速前、后（ 看效率）（ ；：电枢电流保持不变，即 ，因此，调速前后即： 负载）保持不变（设为恒转矩由于调速前后负载转矩）（ 特性变软； %100 3

54、2 ) 1 ( 1 2 222 1 1 21 2121 P P PTP P UIIIIUUIP II ICICTTT nR fafa aa aTaTLemem j 146 2.特点特点 （1）只能调低，不能调高；）只能调低，不能调高； （2）平滑性可以；）平滑性可以； （3）方法简单，但效率下降。）方法简单，但效率下降。 。范围地改变电机的转速 可平滑地较大可知，改变从式 二、改变励磁电流调速 E aa C RIU n 1471 2 22 1 221121 1 2 2 1 2211 1 n n I I nCnCEEUU EU I I I ICIC f f EE f a a aTaT 不变，则

55、则忽略电枢电阻的影响， 枢反应影响，则不计磁路饱和，忽略电 则： 。常数 矩计磁路饱和，总负载转路电枢电阻的影响，不 去磁作用和电枢回不变，忽略电枢反应的前提： 调速的物理过程 emL TT U . 1 148 2. 调速结果调速结果 基本不变调速前后效率 的减小可忽略；很小，）（ 看效率）（ ，调速后 下在负载转矩不变的情况）（ 1 1 222 1 2 121212 %100 2 1 PI IIIIUP PTTP P P nnII a fffa L aa 149 。调速前后效率基本不变）（ 平滑性好，方法简单；）（ ）； 最大，时，因为只能调高，不能调低（）（ 特点 3 2 01 . 3 n

56、R R f f 150 本高。设备复杂，价格贵，成）（ 机反转；利用反向开关，可使电）（ ）可同时作降压起动；（ 以上。：转速比可达宽广范围内平滑调速， 在低，配合励磁调节，可转速既可调高，也可调）（ 特点 流电源；电动机，使用专门的直 他励活的调速方式，适合于改变电枢电压是一种灵 方法 三、改变端电压调速 4 3 . 2 125 1 . 2 . 1 151 2.6.4 直流电动机的制动直流电动机的制动 为制动转矩。反向，与使 改变方向，改变方向，方向不变，电枢电流制动后： 为拖动转矩；方向相同，与制动前： 方向不变。制动时保证磁通总原则： 综述制动方法 耗能少。）（方法简单；）（制动快；）（

57、 对制动性能的要求 emem ema emem TnT TI TnT . 2 321 . 1 回馈制动。）反接制动；（）能耗制动；（）（ 制动方法 321 . 3 152 一、能耗制动一、能耗制动 1.作法：一般用于并励电动机 反向与制动状态： 同方向与电动状态： 看一下电枢电流： nTICT RR E I nTICT R EU I emaTem La a emaTem a a . 2 153 3.特点特点 （1）不消耗电源电能； （2）方法简单； （3）制动较慢。 二、反接制动二、反接制动 1.作法作法 154 2.制动过程制动过程 制动时，保持励磁电流大小、方向不变。 反向与制动状态： 同

58、方向与电动状态： 看一下电枢电流： nTICT RR EU RR EU I nTICT R EU I emaTem LaLa a emaTem a a 否则反转。时，要立即拉闸断电，当制动到）（ 方法简单；）（ 消耗电能；）（ 特点 03 2 1 . 3 n 155 三、回馈制动三、回馈制动 电动机车和无轨电车在下坡滑行时，机车可能 达到危险的高速，极不安全，必须加以控制， 而电力机车的制动方式都采用回馈制动。 回馈制动。电能回馈向电网，故为坡时机车的位能转换为 ，变为制动转矩，将下反向，即 ，电枢电流达到一定程度，来越快，当 行速度越电网上，当下坡时，滑并励，电枢回路仍接在 将串励改为他励或

59、大小、方向不变，首先为保证磁通 ，制动时励电动机拖动的，所以因电力机车都是采用串 作法 00 . 1 ema a a E TI R EU I UnCEn 156 本节小结本节小结 直流电动机的启动 主要掌握三种启动方法的作法，电机内部 的电磁过程，各自的优缺点； 直流电动机的调速 掌握三种调速方法的物理过程，优、缺点； 直流电动机的制动 掌握三种制动方法的作法，各自特点。 157 2.7 直流电机的换向直流电机的换向 方向的变换称为换向。 这种电流一方向变为另一方向，时，该元件中的电流从 支路路经过电刷进入另一条 条支转的电枢绕组元件从一 当旋获得直流电压和电流， 刷间电刷配合工作，才在电 止的于旋转着的换向器和静 借助和电流是交变的，只是 电势直流电机电枢绕组中的 什么是换向？ 几点说明： . 1 158 S002. 00005. 0 . 3 . 2 换向所需要的时间： 换向时间 火，烧坏绕组。 火花形成环，轻者产生火花，重者为改善换向，换向不好 研究换向的原因 换向情况。小，所以是一种理想的 和发热量较故电刷接触层中的损耗的电流密度处处相等， ，电刷下换向情况，换向过程中直线换向是一种理想