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 3.5 直流电机的基本方程直

2、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

3、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

4、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xxeB lvBl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

5、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

6、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。 xfB 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，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

7、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

8、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NSNS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

9、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 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）

10、 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

11、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

12、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=I

13、f4、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

14、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= 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

15、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

16、节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可和绝缘材料，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eeeeeeeeeeeeee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

17、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 2e2e 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：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

18、、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），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

19、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

20、于换向片数K，等于虚槽数 每线圈有Nc匝，则总导体数为N 22ccuNuN QN Q=uSKQ=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。2uQp=2Dpp=12uQype=m整数e为凑整分数111整距绕组 短距绕组 长距绕组 短距绕组端部接线短、省铜，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

21、、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 y1l槽数Q、元件数S和换向片数K三者相同第三章 直流电

22、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12116042221 43uQypyyye=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123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组

23、放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷NSNSA+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0.7l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

24、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 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）

25、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 y1kkyyp=m整数1kp 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 K1Kyyp左行K1Kyyp右行第三章 直流电机三、单波绕组三、单波绕组l举例： 2p4， u

26、=1，Q Q uSK15，左行短距单波绕组一、 节距计算节距计算 y, y1, y2画绕组展开图安放电刷和磁极11533 (244uQyp短距)e=-=-=11517()2kKyyp-=左行21734yyy=-=-=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

27、组单波绕组展开图33456789111012 13 14 1521456789 1011 12 13 14 1512NSSN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 5124 11 3 10 291用联接顺序图表示为：18 15 7 14 6 13 5124 11 3 10 2914 11 3 10 2918 15 7 14 6 13 512上层边

28、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=2ia4）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

29、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。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

30、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1l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

31、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。0ffIFsF -FF - 主磁通，经

32、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，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

33、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(21)(xAxDixZxfaaa极）安作用在x点处每个气隙磁势为:DiZAaa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(21)(xAxDixZxfaaa极）安 在几何中性

34、线处，即 ,交轴电枢磁势达到最大值2X2AFaq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xaxaxax

35、ffBBFIBFI0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

36、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。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Fad2、电刷不在几何中性线上时

37、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：lvbexxxb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

38、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aZa2则支路电势为：aZaZxxaaablvlvbE2121），除导体数得平均磁密一极下各导体磁密之和(2121aZxaavabaZBnCnapZlBnapZBaZnplEnPRnRvBaZlvEeaavaavaaavaa60)(6026026026022导体的平均磁密：第三章 直流电机电势常数aPZCae60不计饱和时，ffIKfeaffafffeffeffaaaKCGIGIKCIKCInKapZnapZE2602602606060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

39、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

40、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：2DlibTaxc一极下导体数为Za/2P一极下导体产生的电磁转距为：222122212121DliBpZTbpZBbDliDlibTaavappZxaavpZxapZaxpaaa第三章 直流电机作用于整个电枢上的转距为：eeaTaTaTaaaaeaaavaavapeCCapZCapZCICIapZpaIllZTaIilBpDDliBZpTT55. 9260222)2(21

41、)2)(2222转距常数电势常数aPZCae60第三章 直流电机不计饱和时，ffIKafafafkeafkTeIIGIIKCIIKCT260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eafafaaTIIGIE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、

42、电压方程 他励直流电机他励直流电机aII fffRIU对电枢回路： 发电机 aaSaaRIUURIUE2 电动机 aaaSaaRIEURIEU2第三章 直流电机2、并励磁直流电机、并励磁直流电机UUf对发电机faIII 对电动机faIIIfffRIU电动机： 发电机： aaSaaRIUURIUE2aaaSaaRIEURIEU2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saIII 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

43、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：01TTTe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运动电势方向相反。Te为驱动转矩，所以02TTTe2T：轴上输出转矩拖动性质的转矩Te与制动性质的负载转矩2T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：ffffffffRIIRIIUP2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：aaaaaaaaaRIIERIEIUI2)(由两部分组成：1） 电枢回路铜损耗aaRI2 2）电磁

44、功率eaaPIEeeaTaaaaaaPTICInapZnIapZIE602260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。 aaIEeTePePfI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：cufcuaefffaaaaffaaaafafaPPPIRIRIIEIUIRIEUI

45、UIIIUUIP21)()( 式中：1P：输入功率 cuaP：电枢回路总铜耗 cufP：励磁回路铜耗020202)(PPTTTTTPee：为电动机输出的机械功率式中：22TPcufcuacufcuaePPPPPPPP021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%NP无补偿绕组的1%NP估算机械损耗铁损耗式中：PPPPPFeFe0第三章 直流电机并励发电机PPPPPTTTTTPFeeeee00011)(cuacufaafaafaaaaaaaaePPPRIUIUIRIIIURIUIIRIUIEP2222)(

46、)(UIP 2为发电机输出的电功率 PPPPPPPPPFecufcuaFee21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：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

47、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)(00fNIfUICnn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ffIfIfU用实验方法测取空载特性时，接线如下图Nn n发电机由原动机拖动，保持转速不变)(0fIfU 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 即得第三章 直流电机。与磁化曲线)(0fIf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

48、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)(),(,IfUIICnnfNfNaaeaaaRInCRIEU由电压方程他励发电机，I=Ia =常值n=常值常值fI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aaeaaaRInCRIEU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

49、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CnnN时，调RL 和fIfNfNNIIIIUU此时,然后保持NfI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）URIIaaa 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

50、=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。%1000NNNUUUu 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 直流电机aaKREI他励发电机在额定励磁下短路时，短路电流由于aR 很小，所以KI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)(IfIUUCnnfNNfI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

51、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0fI和NfI 第三章 直流电机4、效率特性、效率特性的关系常值)(,2PfUUCnnNNaffaSaFeffaSaFeUIIUIURIPPPIUIURIPPPPPPPPPPPPP2211221112212P：总损耗 式中：RIa2为电枢绕组铜损耗； SU2：一对电刷的接触电压降 对石墨VUS22 对金属石墨VUS6 . 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,FePP2、可变损耗，随P2变化而变化 ,cuacufP PP0adId 解出最大效率 即当不变损耗=可变损

52、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U

53、RfIf 。临界电阻：tg U0/ If=Rf第三章 直流电机3-空载特性曲线2-励磁电阻线fffaRIUEU0001-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

54、超过所对应的临界电阻值，电机不可能自励，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)(IfURCnnfN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）URIIaaaURUIUff) 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 fLLIUIRRUIEa 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，端电压下降后，使励磁电流减小，电

55、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。0LR0fIarKREI0rE0KI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磁绕组， 串励绕组中的励磁电流就是负载电流,因此随负载电流的增加,串励绕组中的励磁电流增

56、加,可以有效补偿并励绕组电机的去磁作用。所以复励发电机的所以复励发电机的外特性较平直外特性较平直并励绕组的作用同前 理论上,串励绕组产生的磁场方向可以同并励绕组电流产生的磁场方向相反-差复励差复励.若串励绕组磁动势与并励绕组磁动势方向相同-积复励积复励第三章 直流电机积复励发电机应用很广，因可灵活的调整并励和串励磁场，从而设计出所需要的外特性。一般希望随负载变化发电机端电压稳定。这一点只有复励发电机能达到。 对串励，因励磁磁势直接随负载变化，端电压极不稳定，故不采用 过复励：补偿有余平复励：恰好补偿欠复励：补偿不足 第三章 直流电机3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 直流电动机是

57、直流发电机的一种逆运行状态，将电能变为机械能，由于表征机械能的参数为转矩和转速。所以直流电动机稳定运行特性最主要的就是转矩转速特性即机械特性机械特性。再是工作特性工作特性。直流电动机运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面分别加以研究一、并励电动机的运行特性电枢回路串可调电阻Rst励磁回路串可调电阻rf注意：直流电源与电枢回路及励磁回路的连接直流电流直接接到电枢回路和励磁回路中。第三章 直流电机1、机械特性、机械特性)(efNTfnCRUU转矩转速特性（机械特性）aTeeaaaRCTnCRIEUeTeaeTCCRCUn2CRUUfN,如不计磁饱和效应（忽略电枢反应影响） C并励直流电动机机械特

58、性表达式 机械特性曲线是稍有下垂的直线第三章 直流电机 并励电动机机械特性为下降程度减小，甚至可以成为水平或上翘的曲线 。eTeaeTCCRCUn2考虑到饱和影响，交轴电枢反应有去磁作用 Te增大时，电枢电流增大，因此交轴电枢反应的去磁作用增大，转速趋于上升。 结论：并励直流电动机的转速随着所需电磁转矩的增加而稍有变化-硬机械特性（硬特性）。第三章 直流电机机械特性具有以下特点机械特性具有以下特点：eNeCUnnT00时，称为理想空载转速 （1） NNennTT时，（2） 2TeaCCR（3）特性为一斜率为 的向下倾斜的直线 2TeaCCR 所以为稍微下降的直线，这种特性称为硬特性 （4）电枢

59、反应的影响 如考虑磁饱和，交轴电枢反应呈去磁作用 eTeaeTCCRCUn2 n机械特性的下降减小，或水平，或上翘 为避免上翘，采取一些措施，可加串励绕组，其磁势抵消电枢反应的去磁作用。 第三章 直流电机2、工作特性、工作特性 直流电动机的工作特性指： )(,2PfTnRUUefN常值 因在实际运行时电枢电流 可直接测量，且电枢电流 随 增加而增大，两者增大趋势相差不多，所以可将工作特性表示为： aIaI2P)(,aeIfTn1) 转速特性)(),(affNfNIfnRIIUU常值aeaaeaeaaeaaaICRnICRCUnRInCRIEU0如不计电枢反应的去磁作用 aInn0第三章 直流电

60、机如考虑电枢反应的去磁作用会使n 趋于上升，为保证电机稳定运行，在电机结构上采取一些措施，使并励电动机具有略微下降的转速特性。转速调整率为 %1000NNnnnn并励电动机负载变化时，转速变化很小， )%83(n注：并励电动机在运行时，励磁绕组绝对不允许断开。所以转速特性为一斜率为 的直线。eaaCRIUn0, 00rfI如电机所需电磁转矩不变，则Ia迅速增大第三章 直流电机eaaCRIUn0, 00rfI 如负载为轻载或空载，电动机转速迅速上升，造成“飞车”； 如负载为重栽，所产生的电磁转矩不能克服负载转矩，则电动机可能停转，使电枢电流增大到起动电流，引起绕组过热而烧坏电机；第三章 直流电机