电机及拖动基础课件第二章

1、1第二章第二章 直流电机直流电机 直流电机是利用电磁感应原理实现直直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之则称为直流发电机。直流电动动机，反之则称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，起动、制动转机具有调速范围广且平滑，起动、制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场合。用于对调速要求较高的场合。2直流电机的用途：直流电机的用途：作电源用作电源用: :直流发电机，将机械能转化为直流电能

2、；直流发电机，将机械能转化为直流电能；作动力用作动力用: :直流电动机，将直流电能转化为机械能；直流电动机，将直流电能转化为机械能；信号传递信号传递: :直流测速发电机，将机械信号转换为电信直流测速发电机，将机械信号转换为电信号；直流伺服电动机，将控制信号转换为机械信号；号；直流伺服电动机，将控制信号转换为机械信号；作励磁机用作励磁机用: :一般小于一般小于1010万万KWKW的单机同步发电机要用的单机同步发电机要用 直流发电机作为励磁机。直流发电机作为励磁机。 3直流发电机电势波形较好，对电磁干扰直流发电机电势波形较好，对电磁干扰影响小。影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性直流电动机的

3、调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。和制动转矩较大。存在换向器，制造复杂，价格较高。存在换向器，制造复杂，价格较高。直流电机的优缺点直流电机的优缺点4第二章第二章 直流电机直流电机第一节第一节 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力载流导体在磁场中受到的力Bilf B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)i 导体中的电流导体中的电流(A)l 导体的有效长度导体的有效长度(m)5当线圈当线

4、圈ax中通入直流电流中通入直流电流时，线圈边时，线圈边a和和x上均受到上均受到电磁力，根据左手定则确电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的电力形成了作用于电枢的电磁转矩。磁转矩。6安装换向器以后，将直流电安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只的换向作用，使得线圈边只要处在要处在N极下，其中通过电极下，

5、其中通过电流的方向总是由电刷流的方向总是由电刷A流入流入的方向；而在的方向；而在S极下时，总极下时，总是从电刷是从电刷B流出的方向。就流出的方向。就使电动机能够连续地旋转。使电动机能够连续地旋转。7（二）直流发电机的工作原理（二）直流发电机的工作原理用原动机拖动电枢逆时针用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边方向恒速转动，线圈边ab和和cd就分别切割不同极性就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷换向作用，在电刷A、B端的电动势却是直流电动端的电动势却是直流电动势。

6、势。8 一台直流电机一台直流电机:作为电动机运行作为电动机运行在直流电机的两电刷端在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转旋转 ，输出机械能；，输出机械能；作为发动机运行作为发动机运行用原动机拖动直流电机用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。电源，输出电能。9（三）结论（三）结论（1 1）直流电机线圈内电流是交变的，原理为：）直流电机线圈内电流是交变的，原理为：电动机，左手定则，皮萨定律，电动机，左手定则，皮萨定律，发电机，右手定则，电磁感应定律发电机，右手定则

7、，电磁感应定律, ,（2 2）换向器作用是变流：）换向器作用是变流：电动机，外输入直流电动机，外输入直流内变交流内变交流发电机，内是交流发电机，内是交流外输出直流外输出直流（3 3）直流电机可作发电机）直流电机可作发电机输入机械能输出电输入机械能输出电能，也可作电动机能，也可作电动机输入电能输出机械能。输入电能输出机械能。( (可可逆原理逆原理) )fBileBlv10二、直流电机的结构二、直流电机的结构直流电机的主要结构直流电机的主要结构主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴转轴轴承轴承11二、直流电机的结

8、构二、直流电机的结构直流电机剖面图直流电机剖面图1换向器换向器2电刷装置电刷装置3机座机座4主磁极主磁极5换向极换向极6端盖端盖7风扇风扇8电枢绕组电枢绕组9电枢铁心电枢铁心1213直流电机结构简图直流电机结构简图电刷电刷电枢绕组电枢绕组主磁极主磁极换向器换向器14（一）直流电机的静止部分（一）直流电机的静止部分1 1、主磁极、主磁极1主磁极铁。主磁极铁。心心2励磁绕组励磁绕组3机座机座15（一）直流电机的静止部分（一）直流电机的静止部分2 2、换向极、换向极1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3、机座、机座 用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作

9、为磁路的一部分。又作为磁路的一部分。 164、电刷装置、电刷装置1刷握刷握2电刷电刷3压紧弹簧压紧弹簧4 4铜丝辫铜丝辫（一）直流电机的静止部分（一）直流电机的静止部分17（二）直流电机的转动部分（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心、电枢铁心a)电枢铁心冲片电枢铁心冲片b)b)电枢铁心电枢铁心182、电枢绕组、电枢绕组1槽楔槽楔2线圈绝缘线圈绝缘3导体导体4 4层间绝缘层间绝缘5 5槽绝缘槽绝缘6 6槽底绝缘槽底绝缘电枢槽内的绝缘电枢槽内的绝缘由许多按一定规律连接的线圈组成。由许多按一定规律连接的线圈组成。（二）直流电机的转动部分（二）直流电机的转动部分193、换向器、换向器由许多换向片组成，

10、换向片之间用云母绝缘。由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1换向片换向片2连接片连接片（二）直流电机的转动部分（二）直流电机的转动部分20第二节第二节 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的额定值：直流电机的额定值：1 1、额定功率、额定功率PN(kW)2 2、额定电压、额定电压UN(V)3 3、额定电流、额定电流IN(A)4 4、额定转速、额定转速nN(r/min)5 5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN(V)6 6、励磁方式、励磁方式2122额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功

11、率电动机电动机发电机：指输出额定电压；电动机：指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流mecNNNPU ImecNNPU I23在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式励磁方式24第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组直流电枢绕组基本知识直流电枢绕组基本知识元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的

12、首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。其中一根称为首端，另一根称为末端。极距极距 ：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离。相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离。pD225第一节距第一节距y y1 1- -一个元件两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距第二节距y y2 2- -第一元件下层元件边到第二元件的上层元件边第一元件下层元件边到第二元件的上层元件边之间在电枢表面上跨过的距离。之间在电枢表面上跨过的距离。 合成节距合成节距y-y-相串联两个元件相串联两个元件的对应边在电

13、枢表面上跨过的的对应边在电枢表面上跨过的距离。距离。换向器节距换向器节距y yc c- -同一元件首末端同一元件首末端连接的两个换向片之间距离。连接的两个换向片之间距离。21yyy叠绕组中 为负值；2y波绕组中 为正值。2ycy26一、简单的绕组一、简单的绕组对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且的电动势前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。结构简单、运行可靠。1-21-2、3-43-4、5-65-6、7-87-8构成构成4 4个线圈个线圈左图是说明原理的示意图。左图是说明原理的示意

14、图。它的缺点是：随着电枢的它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈转动，始终只有一个线圈有电流。因此，材料没有有电流。因此，材料没有充分利用，产生的总转矩充分利用，产生的总转矩或电势均很小。或电势均很小。27解决办法：用解决办法：用4 4个换向片个换向片将将4 4个线圈都连接起来，个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元向片。每个元件的两个元件边连接件边连接2 2个不同的换向个不同的换向片。共用了片。共用了4 4个换向片，个换向片，节省了材料，提高了输出节省了材料，提高了输出转矩。转矩。28短路问题：电

15、刷是固定的，换短路问题：电刷是固定的，换向器是转动的，总有元件被短向器是转动的，总有元件被短路如图所示。电枢是导电体，路如图所示。电枢是导电体，可见元件可见元件1-21-2被被“+ +”电刷短路，电刷短路，5-65-6被被“- -”电刷短路。但是电刷短路。但是1-21-2，5-65-6元件正好处于磁密为零处，元件正好处于磁密为零处，不会引起较大的短路电流，这不会引起较大的短路电流，这两个元件不起作用，不产生电两个元件不起作用，不产生电势、转矩，串联支路中应减去势、转矩，串联支路中应减去这两个元件。这两个元件。293031111yyy短距绕组短距绕组整距绕组整距绕组长距绕组长距绕组二、绕组的基本

16、形式二、绕组的基本形式11132（一）单叠绕组（一）单叠绕组单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：元件的两个端元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上子连接在相邻的两个换向片上。单叠绕组所有的相邻元件依次串单叠绕组所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元联，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起件的末端连在一起 ，接到一个，接到一个换向片上。最后一个元件末端与换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。成一个闭合回路。右上图中，右上图中，y y1 14 4；右下图中，；右下图中，y yy yc c1 1y y1 14 4右行绕组，右行绕

17、组，y yy yc c1;1;左行绕组，左行绕组，y yy yc c-1-1。33例：一台直流电动机例：一台直流电动机的极对数的极对数p=2，槽数，槽数Q、元件数、元件数S及及换向片数换向片数K都为都为16, y1=4，yc=1，画出单叠绕组展开图。，画出单叠绕组展开图。解：解：1计算绕组数据计算绕组数据 因为是单叠，所以因为是单叠，所以 2画绕组展开图画绕组展开图:（1）先画）先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。（2）根据）根据y1，画出第一个元件的上下层边

18、（，画出第一个元件的上下层边（15槽），令上槽），令上层层 边所在的槽号为元件号。边所在的槽号为元件号。（3）接上换向片，）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，之后等分片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号。换向器，定出换向片号。4221621pQy1cyy34（4 4）画第二个元件，上层边在第）画第二个元件，上层边在第2 2槽，与第一个元件的下槽，与第一个元件的下层边连接；下层边在第层边连接；下层边在第6 6槽与槽与3 3号换向片连接。按此规律，号换向片连接。按此规律，一直把一直把1616个元件全部连接起来。个元件全部连接起来。（5 5）放磁极：磁极均匀分布在圆周，）放磁极：

19、磁极均匀分布在圆周，N N极磁力线垂直指向极磁力线垂直指向纸面，纸面，S S极磁力线垂直从纸面穿出。极磁力线垂直从纸面穿出。（6 6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽。并把）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止相同极性下的电刷并联起来。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，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，已知被电刷所短为使正、负电刷间引出的电动势最大

20、，已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电电刷放在几何中性线位置刷放在几何中性线位置”。3536单叠绕组电路图单叠绕组电路图单叠绕组展开图单叠绕组展开图37单叠绕组是相邻元件单叠绕组是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换合成节距与换向器节距均为向器节距均为1 1，即，即1cyy单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：（1 1）元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上；）元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上；（2 2）

21、并联支路数等于磁极数）并联支路数等于磁极数 ； （3 3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总 和为零，绕组内部无和为零，绕组内部无“环流环流”；（4 4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能 少，电刷数等于磁极数；少，电刷数等于磁极数； （5 5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电）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；动势，电枢电压等于支路电压；（6 6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和38（二）单波绕组（二）单

22、波绕组单波绕组单波绕组不是把元件依次串联，而是把相隔大约两个极不是把元件依次串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。pQy21121cKyyyyp整数节距计算节距计算右行绕组，绕行一周后比出发时的换向片后退一步；右行绕组，绕行一周后比出发时的换向片后退一步；左行绕组，绕行一周后比出发时的换向片前进一步。左行绕组，绕行一周后比出发时的换向片前进一步。2cyy接近于2391 1、槽、元件、换向片编号且对应，并有、槽、元件、换向片编号且对应，并有S SK KQ Q；2 2、 是第一节距，以槽数计，上层实线，是第一节距，

23、以槽数计，上层实线， 下层画虚线；下层画虚线；3 3、换向器节距，、换向器节距，y yc c（k k1 1）/p=/p=整数，左行绕组整数，左行绕组 取取“- -”，右行绕组取，右行绕组取“+ +”；4 4、放置磁极；、放置磁极；5 5、放置电刷，电刷数极数，电刷放置原则如前。、放置电刷，电刷数极数，电刷放置原则如前。1/2yQp展开图画法展开图画法40单波绕组展开图单波绕组展开图41单波绕组单波绕组电路图电路图单波绕组单波绕组展开图展开图42单波绕组的特点单波绕组的特点2 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）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

24、，支路电动势最大；准主磁极中心线，支路电动势最大；1 1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1 1，与，与磁极对数无关；磁极对数无关；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；43绕组小结绕组小结（1 1）单叠、单波均是通过换向片联成闭合绕组；）单叠、单波均是通过换向片联成闭合绕组；（2 2）单叠）单叠y yc c1 1，a=pa=p，每个极下为一条支路，多为右行；，每个极下为一条支路，多为右行；

25、单波单波y yc c（K K1 1）/p/p，a=1a=1，同极下为一条支路，多为左行。，同极下为一条支路，多为左行。（3 3）电刷放置原则：）电刷放置原则：a a、电刷数极数；、电刷数极数； b b、电刷、磁极在圆周上等分；、电刷、磁极在圆周上等分； c c、端部对称的元件，电刷在磁极轴线下；、端部对称的元件，电刷在磁极轴线下；（4 4）展开图画法：）展开图画法：a a、元件号槽号换向片号对应；、元件号槽号换向片号对应； b b、先画联接顺序表；、先画联接顺序表； c c、找出第一个换向片号再等分即可。、找出第一个换向片号再等分即可。44从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕从上面的分析可知，

26、相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用电压较低电流较大的电机。少，适用电压较低电流较大的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于对于单波绕组，支路对数永远等于1 1，每，每条支路里包含的元件数较多，这种绕组适条支路里包含的元件数较多，这种绕组适用于电压较高、电流较小的电机。用于电压较高、电流较小的电机。至于大容量电机，可采用混合绕组。至于大容量电机，可采用混合绕组。45第四节第四节 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式1 1、他励直流电机、他励直流电机由其它直流电源对励磁绕组供电。由

27、其它直流电源对励磁绕组供电。2 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。3 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。4 4、复励直流电机、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联， 另一个与电枢绕组串联。另一个与电枢绕组串联。46二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。四极直流电机空载磁场四极直流电机空载磁场直流电机中，主磁直流

28、电机中，主磁通是主要的，它能通是主要的，它能在电枢绕组中感应在电枢绕组中感应电动势或产生电磁电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没转矩，而漏磁通没有这个作用，它只有这个作用，它只是增加主磁极磁路是增加主磁极磁路的饱和程度。在数的饱和程度。在数量上，漏磁通比主量上，漏磁通比主磁通小得多。磁通小得多。47气隙中主磁场磁通密度分布气隙中主磁场磁通密度分布 空载时，励磁磁动势主空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。如果不计要消耗在气隙上。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁动势气隙中各处所消耗的磁动势均为励磁磁动势。均为励磁磁动势。 在极靴下，气隙小，气在极靴下，气隙小

29、，气隙中沿电枢表面上各点磁密隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁至两极间的几何中性线处磁密为零。密为零。48电机磁化曲线电机磁化曲线直流电机的空载磁化特性直流电机的空载磁化特性 主磁通与励磁磁动势或励主磁通与励磁磁动势或励磁电流的关系，称为电机磁化磁电流的关系，称为电机磁化曲线，如右图所示。电机的磁曲线，如右图所示。电机的磁化曲线和铁磁材料化曲线和铁磁材料B BH H曲线很曲线很相似。相似。 考虑到电机的运行性能和考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行磁经济性，直流电机额定运行磁

30、通额定值的大小取在磁化曲线通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方开始弯曲的地方, ,图中的图中的a a点。点。fNI0fF0fIoN0a a49三、直流电机负载时的磁场及电枢反应三、直流电机负载时的磁场及电枢反应当直流电机带上负载以后，不仅励磁绕组中有电流，而且当直流电机带上负载以后，不仅励磁绕组中有电流，而且电枢绕组中也有电流的磁场，称为负载磁场。在电枢电流电枢绕组中也有电流的磁场，称为负载磁场。在电枢电流又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。励磁电流产生主极磁场励磁电流产生主极磁场电枢电流产生电枢磁场电枢电流产生电枢磁场负载磁场负载磁场两

31、个磁场共同作用形成合成磁场，它不是均匀磁场。两个磁场共同作用形成合成磁场，它不是均匀磁场。电枢磁势对主极磁势的影响称为电枢磁势对主极磁势的影响称为电枢反应电枢反应。设主极磁场为垂直方向，且为均匀磁场；则电枢磁场为水设主极磁场为垂直方向，且为均匀磁场；则电枢磁场为水平方向。平方向。50 右图为电刷放在几何中性右图为电刷放在几何中性线上时一台两极直流电机的电线上时一台两极直流电机的电枢磁场分布情况。枢磁场分布情况。 假设励磁电流为零，只有假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁布情况，电

32、枢磁动势为交轴磁动势。动势。aF51一个元件的电枢磁势一个元件的电枢磁势 （不计铁磁材料中的磁压降）（不计铁磁材料中的磁压降）232 ,2122 ,21xNiFxNiFyaaxyyaaxyaxyF022524 4个元件所产生电枢磁动势波形个元件所产生电枢磁动势波形222ADNipSNiFaayaax阶梯形波或三角形波幅值阶梯形波或三角形波幅值aaDNiAA为电枢表面单位周长的安培导线数，称为线负荷 电枢表面任一点电枢表面任一点x x处电枢磁密为处电枢磁密为axaxaxFHB0053如果认为直流电机电枢上有无如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙

33、圆周方向空间分布动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中呈三角波，如图中 所示。所示。由于极靴下气隙长度基本不变，由于极靴下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间气隙长度增而两个主磁极之间气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马生的气隙磁通密度为对称的马鞍形，如图中鞍形，如图中 所示。所示。axBaxBaxFaxF电枢磁动势与主极磁动势互相垂直；电枢磁动势与主极磁动势互相垂直；电枢表面各点的电枢磁动势不等；在几何中性线处电枢电枢表面各点的电枢磁动势不等；在几何中性线处电枢磁动势最大，在极轴线处电枢磁动势等于零。磁动势最大，在极轴线处电枢磁动势等于零

34、。电枢磁密在几何中性线处的值不为零。电枢磁密在几何中性线处的值不为零。电枢磁场的特点电枢磁场的特点：54当励磁绕组中有励磁电流，当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。枢磁动势共同作用的结果。电枢反应与电刷的位置有电枢反应与电刷的位置有关。关。当电刷在几何中性线上时，当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载时分布叠加，可得到负载时电机的磁场分布情况，如电机的磁场分布情况，如图（图（a a）所示。）所示。55直流电机的电枢反应xB0axBxB主磁场的主磁

35、场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线56电刷在几何中性线时电枢反应的特点 2)2)对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用1)气隙磁场发生畸变气隙磁场发生畸变 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极磁通量与空载时相同。电机正常运行时，磁路总因此每极磁通量与空载时相同。电机正常运行时，磁路总是饱和，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁是饱和，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度

36、提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时比空载时每极心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时比空载时每极磁通略为减少。磁通略为减少。 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载时由空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载时由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半于电枢反应的影响，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被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线角，磁通密度的曲线与空载时不同。与空载时不同。 （电动机、发电机偏离方向不同）（电动机、发电机偏离方向不同）57第五节第五节 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算

37、一、感应电动势的计算一、感应电动势的计算 直流电机无论作电动机运行，还是发直流电机无论作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势。电机运行，电枢内部都感应产生电动势。602260tp npn 式中：式中：n电枢的转速；电枢的转速；p极对数。极对数。 当原件轴线从某一主极轴线位置转到当原件轴线从某一主极轴线位置转到相邻主极轴线位置，电枢转过的电角度为相邻主极轴线位置，电枢转过的电角度为，与原件交链的磁通由，与原件交链的磁通由变到变到- -。设。设以电角度为单位的电枢角速度为以电角度为单位的电枢角速度为，这个，这个过程经过的时间为：过程经过的时间为：58第五节第五节 感应电动势和电磁转

38、矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算一、感应电动势的计算一、感应电动势的计算602a60002yyy11dd22d26060460pntpnEe te ttpnpnNNpnN 一个匝数为一个匝数为 的元件中感应电动势的平均的元件中感应电动势的平均值为：值为：yNyddeNdtdt 59Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数为一个常数，称为电动势常数若不计饱和影响，有若不计饱和影响，有ffK I其中其中:Kf 为比例常数为比例常数为机械角速度为机械角速度fTfeafKCKCG260每条支路串联的元件数是每条支路串联的元件数是S/2a，支路电动势平均值，支路电动势平均值460 2aypn SE

39、Nae460 260aypn SpZENnCnaa 绕组的全部有效导体数为绕组的全部有效导体数为Z=2SNyeeaffaffECnC K I nG I 60二、电磁转矩的计算二、电磁转矩的计算电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场在磁场内受电磁力的作用内受电磁力的作用, ,该力与电枢铁心半该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。径之积称为电磁转矩。电枢表面任一点处载流导体上的电磁转矩为电枢表面任一点处载流导体上的电磁转矩为2aDeyxaTN Bli若元件数为若元件数为S，电枢表面，电枢表面dx段元件边数段元件边数2sdx/(D Da a),dx),dx段电流产生的电磁转矩

40、段电流产生的电磁转矩22()2yaememaxaasNDsdTTdxi lB dxDD61242emaaTaZpZTpIICIaa其中 为电机的转矩常数，有apZCT2eTCC55. 9一个极距内导线电流产生的电磁转矩为一个极距内导线电流产生的电磁转矩为绕组的全部有效导体数为绕组的全部有效导体数为Z=2SNy；电枢总电流为；电枢总电流为Ia=2aia4emaxZdTI B ldxa00444emaxaxazzzTI B ldxIB ldxIaaa62感应电动势性质感应电动势性质: : 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)。电磁转矩性质电磁转矩性质: : 发电机

41、制动(与转速方向相反)； 电动机驱动(与转速方向相同)。电磁转矩也可以表示为电磁转矩也可以表示为eaffaTG I I其中Gaf=CT Kf eafafaaTIIGIE还可以得到下列关系还可以得到下列关系63第六节第六节 直流电机的运行原理直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式一、直流电机的基本方程式（一）电动势平衡方程式（一）电动势平衡方程式uuutiLRiutiLRiiGufafffffaaaafafadddd对于并励电动机对于并励电动机Ff、Fa产生气隙磁场称为双边励磁。Ff、Fa互相垂直，故励磁回路与电枢回路互感为零。电枢绕组旋转时切割气隙磁场，有相对运动电枢绕组产生感应电势。64

42、若电机稳态运行若电机稳态运行对于发电机对于发电机fffIRUUfffIRUUaaaIRUE对于电动机对于电动机faIIIfaIIIaaaIREUUEa, Ea是反电势，与Ia反向EaU, Ea为电源电势，不是反电势，与Ia同向65（二）转矩平衡方程式（二）转矩平衡方程式对于电动机，对于电动机，稳态运行时稳态运行时e20ddTTTJt其中其中T2为负载制动转矩，为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩为空载损耗转矩, ,e20TTT对于发电机，对于发电机，1e0ddTTTJt其中其中T1为原动机拖动转矩。为原动机拖动转矩。稳态运行时稳态运行时1e0TTTtJdd为惯性转矩。为惯性转矩。根据牛顿定律，机

43、械系统中任何瞬间转矩必须保持平衡。根据牛顿定律，机械系统中任何瞬间转矩必须保持平衡。66发电机：发电机： 电动机：电动机： 电机效率：电机效率： ( (三三) )功率方程功率方程01pPPepPpppPPcCufCuae12cCufCuaepppPP1pPpPPe102%10012PP电枢铜耗电枢铜耗电刷接触损耗电刷接触损耗励磁损耗励磁损耗机械损耗机械损耗铁心损耗铁心损耗附加损耗附加损耗空载损耗空载损耗FepmecpaccIUp 2aaCuaRIp2ffCufRIp2ppppmecFe0可变可变损耗损耗不变不变损耗损耗pePeP67二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性直流电动机的工作特

44、性指端电压直流电动机的工作特性指端电压U=UN,电枢回电枢回路无外加电阻，励磁电流路无外加电阻，励磁电流If=IfN，电动机的转速，电动机的转速n、电磁转矩、电磁转矩Tem和效率和效率三者与输出功率三者与输出功率P P2 2之之间的关系。间的关系。实际中的工作特性表示为：实际中的工作特性表示为：n n、TemTem、=f(I=f(Ia a) )68直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程2aaacaaafffaeUEI RUEI RUI RECn 12260emTaemaaememFemecCuaCufcTCIPE ITTnPpppppP 二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性69（一）

45、并励直流电动机的工作特性（一）并励直流电动机的工作特性1. . 转速特性转速特性aaeeRUnICC忽略电枢反应的去磁作用，转速与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。电枢电流按线性关系变化。当当U=UN , , If=IfN时，时，n=f(Ia)的关系曲线的关系曲线0annIn0：理想空载转速：理想空载转速70实际的直流电机磁路总是设计实际的直流电机磁路总是设计得比较饱和，得比较饱和，F Fa a有去磁效应。有去磁效应。为保证电动机稳定运行，在设为保证电动机稳定运行，在设计电机时，权衡电枢回路中的计电机时，权衡电枢回路中的电阻压降和电枢反应去磁作用电阻压降和电枢反应去磁作用这

46、两个因素，使并励直流电动这两个因素，使并励直流电动机具有略为下降的特性。机具有略为下降的特性。71若不计电枢反应，气隙磁通不变若不计电枢反应，气隙磁通不变当当U=UU=UN N ,I,If f=I=IfNfN时，时，T Temem=f(I=f(Ia a) )的关系曲线的关系曲线2. 2. 转矩特性转矩特性aTaTeICICTTTCCTem与与Ia成正比，为过原点的一条成正比，为过原点的一条直线；实际电动机中，电枢反应直线；实际电动机中，电枢反应的去磁作用。但一般情况下，并的去磁作用。但一般情况下，并励电动机的转矩特性仍然接近一励电动机的转矩特性仍然接近一条直线。条直线。723 3、效率特性、效

47、率特性当当U=UN , ,If=IfN，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线2FemecCufaaac21af2 100%1100%()pppI RIUPPU II即不变损耗可变损耗时，效率即不变损耗可变损耗时，效率最大，此结论有普遍意义。最大，此结论有普遍意义。电机最大效率约在电机最大效率约在8080负载左右。负载左右。2FemecCufaapppR I当73（二）串励直流电动机的工作特性（二）串励直流电动机的工作特性电动势平衡方程式电动势平衡方程式eaafc()UCnIRR电动势公式电动势公式aeaaECnC I n转矩平衡方程式转矩平衡方程式e20TTT转矩公式转矩公式2eTaTaTCIC

48、IRfc为串励绕组电阻为串励绕组电阻aefTTfCC KCC K，Kf为主磁通与励磁电流比例系数为主磁通与励磁电流比例系数74aaaeaaaaafcUI RRUnCC ICRRR转速特性转速特性当电枢电流为零时，电机转速趋于无穷当电枢电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不允许在空载或轻大，所以串励电动机不允许在空载或轻载下运行。载下运行。2e200602PTTTTn转矩特性转矩特性效率特性与并励电动机相似效率特性与并励电动机相似电磁转矩以高于电流一次方的比例增加。它保证了在同样大小的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。2eTaTfaeTaTaaTCIC K ITCIC II不

49、计饱和时：磁路高度饱和时：75（三）复励直流电动机的工作特性（三）复励直流电动机的工作特性1 1）工作特性介于并励、串励之间；）工作特性介于并励、串励之间；2 2）积复励（差复励）既无空载飞速危险，又保持串励机启）积复励（差复励）既无空载飞速危险，又保持串励机启动转矩较大的优点；动转矩较大的优点；3 3）一般多用积复励（以转速特性为例）。以并励磁势为）一般多用积复励（以转速特性为例）。以并励磁势为主主特性接近并励；以串励磁势为主特性接近并励；以串励磁势为主特性接近串励。特性接近串励。1、并励2、积复励3、串励76 例例2-12-1 一台他励直流电动机的额定数据为：一台他励直流电动机的额定数据为

50、：V750NUkW1325NPA1930NImin/ r200Nn电枢绕组的电阻电枢绕组的电阻，电刷接触压降，电刷接触压降0161. 0aRV22 cU设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求（1）在电枢回路中突然串入电阻）在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743, ,求串入电阻最初求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使磁通）减少电动机的励磁电流，使磁

51、通 减少减少10%，当达，当达到稳到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？定时的电枢电流和转速分别是多少？77解解aaac2(750 1930 0.0161 2)V717VEUI RUa1930AI aaac()2750 1930 (0.0161 0.0743)2 V574VEUIRRU （1）电枢回路中突然串入电阻）电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间最初瞬间a717VE acaa27507172A343A0.0161 0.0743UEUIRR稳态时稳态时aa574(200)r/min160r/min717EnnE （2）磁通）磁通 减少为原来的减少为原来的0.9a(1930 / 0.9)A2145

52、AI aaac2(75021450.01612)V713VEUI RUaa7131200r / min221r / min7170.9EnnE 78三、直流发电机的工作特性三、直流发电机的工作特性a)他励直流发电机他励直流发电机 b)b)并励直流发电机并励直流发电机 c)c)复励直流发电机复励直流发电机79（一）空载运行（一）空载运行1、空载特性空载特性他励直流发电机被原动机拖动至他励直流发电机被原动机拖动至n=nN ，励磁绕组端加上励磁电压，励磁绕组端加上励磁电压Uf , ,调节励磁电流调节励磁电流If0 , ,使发电机空载端电使发电机空载端电压压U U0=(1.1=(1.11.3)U1.3

53、)UN, ,再调节再调节R Rf使使I If降降回到零，得出空载特性曲线回到零，得出空载特性曲线U0=f(I0)。此曲线分为上下两支，一般取其平均此曲线分为上下两支，一般取其平均值（虚线）。值（虚线）。n n不同，空载曲线不同，一般用不同，空载曲线不同，一般用n nN N时的曲线；时的曲线；曲线反应电机的饱和程度，或磁通与磁势关曲线反应电机的饱和程度，或磁通与磁势关系；若换个坐标就是电机的磁化曲线系；若换个坐标就是电机的磁化曲线)(00fIf802 2 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空载电压的建立自励电压建立的三个条件：自励电压建立的三个条件：1）电机必须有剩磁；）电机

54、必须有剩磁；2）励磁绕组并联到电枢的极性必）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确；须正确；3）励磁回路的总电阻小于该转速）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻。下的临界电阻。当发电机由原动机拖动至额定转速时，由于电机磁路中有一定剩当发电机由原动机拖动至额定转速时，由于电机磁路中有一定剩磁，发电机两端将产生一个不大的剩磁电压，在励磁绕组中产生磁，发电机两端将产生一个不大的剩磁电压，在励磁绕组中产生一个不大的励磁电流。如果励磁绕组接法正确，即励磁磁场方向一个不大的励磁电流。如果励磁绕组接法正确，即励磁磁场方向与电机剩磁方向相同，从而使电机主磁通和由它产生的端电压增与电机剩磁方向相同，从而使电机主磁通

55、和由它产生的端电压增加。励磁电流进一步加大，如此反复作用，电压就建立起来了。加。励磁电流进一步加大，如此反复作用，电压就建立起来了。fI0U10fIA20U31、空载特性曲线、空载特性曲线 2、励磁电阻线、励磁电阻线 3、临界电阻、临界电阻线线81（二）负载运行（二）负载运行 无论他励、并励还是复励发电机，无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在建立电压以后，在 n = nN 的条件下，的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。发生变化。一般情况下端电压都是下降。端电一般情况下端电压都是下降。端电压下降的因素：压下降的因素：1积复励发积复励发电机外特

56、性；电机外特性；2他励发他励发电机外特性；电机外特性；3并励发并励发电机外特性；电机外特性；电枢反应的去磁作用；电枢回路中电阻压降和电刷接触压降都增大。82第七节第七节 直流电机的换向直流电机的换向 直流电机某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路直流电机某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时，元件里的电流方向改变，即时，元件里的电流方向改变，即换向换向。换向问题很复杂，换向不。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。损坏电刷和换向器表面，使电机不

57、能正常工作。产生火花的原因产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。换向过程还伴随着电很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。化学和电热学等现象。一、一、换向的电磁现象换向的电磁现象换向元件从开始换向到换向结束所经历的时间称为换向周期换向周期T Tc c。在换向过程中，被电刷短接的绕组元件称为换换向元件向元件。83自感电动势互感电动势电枢反应电动势电枢反应电动势aMLeeeeex电抗电动势 换向元件在换向过程中，由于电流的变化必然在换向换向元件在换向过程中，由于电流的变化必然在换向元件中产生一些电动势。元件中产生一些电动势。841、电抗电动势、电抗电动势换向元件中出现的由自感与互感作用所引起的感应电动势，换向元件中出现的由自感与互感作用所引