第03章 直流电机

1、课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第三章第三章 直流电机直流电机 本章概述本章概述o实现电能与机械能相互转换的设备称为实现电能与机械能相互转换的设备称为电机电机。应用旋。应用旋转的方式进行能量转换的电机叫转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机旋转电机，把机械能，把机械能转换为电能的旋转电机称作转换为电能的旋转电机称作发电机发电机，根据电磁原理把，根据电磁原理把电能转换为机械能的旋转电机称为电能转换为机械能的旋转电机称为电动机电动机。o船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。一般

2、几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流种类电机分种类电机分交流电机交流电机和和直流电机直流电机。船舶电气设备与系统 2022-4-1课 件课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室o直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转电器装置。电器装置。直流电机是可逆的直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为。一台直流电机既可作为发电机使用，也可以作为电

3、动机使用。在作为电动机使发电机使用，也可以作为电动机使用。在作为电动机使用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船

4、舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室o直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结构复杂，造价高和维护工作量大等。现在大多数船舶采构复杂，造价高和维护工作量大等。现在大多数船舶采用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如有些船舶主机轴带发电机也是直流发

5、电机，如远洋捕捞远洋捕捞船的拖网机船的拖网机。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要类型之一。类型之一。o本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第三章第三章 直流电机直流电机本章主要讲解内容本章主要讲解内容 第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 第二节第二节 电枢绕组的感应电势和电磁转

6、矩电枢绕组的感应电势和电磁转矩 第三节第三节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 第四节第四节 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 第五节第五节 无刷直流电动机无刷直流电动机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 直流电机的结构直流电机的结构下面通过观看一段视频下面通过观看一段视频（第第03章章 直流电机的结构直流电机的结构）来学来学习电机的结构习电机的结构课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室

7、基本构造：基本构造： 定、转子定、转子 。电刷、换向器作用：电刷、换向器作用： 起机械整起机械整流器作用流器作用 。后续基本原理中进一步。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）。介绍（元件交流，电刷两端直流）。注意：注意：各部件的作用各部件的作用。定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮

8、机工程学院船舶电气设备教研室直流电机工作原理直流电机工作原理下面观看视频（下面观看视频（第第03章章 直流电动机工作原理直流电动机工作原理）课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室直流电机工作原理直流电机工作原理下面观看视频（下面观看视频（第第03章章 直流发电机工作原理直流发电机工作原理）课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室在发电机在发电机线圈内部线圈内部是一个方向不断改变的是一个方向不断改变的交变电动势交变电动势，而，而电刷电刷之间之间的电动势则是的电动势则是方向

9、不变的直流方向不变的直流。注意：在发电机注意：在发电机中，换向器起到中，换向器起到整流的作用。整流的作用。(a) (a) 导体导体abab处于处于N N极下极下 (b) (b) 导体导体abab处于处于S S极极下下图图 3-1 3-1 直流发电机的原理图直流发电机的原理图课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室(a)导体ab处于N极下 (b)导体ab处于S极下图图3-6 3-6 直流电动机原理图直流电动机原理图那么，在电动机那么，在电动机中呢？中呢？课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学

10、院船舶电气设备教研室图图3-2 3-2 电刷间的电势电刷间的电势eOt只有一个线圈只有一个线圈的直流发电机，电刷间的直流发电机，电刷间所得的电势是脉动的，如图所得的电势是脉动的，如图3-2所示所示 图图 3-3 3-3 直流电机绕组示意图直流电机绕组示意图图图3-3是由是由12个线圈组成的电枢绕个线圈组成的电枢绕组示意图。组示意图。电刷将电刷将 12 个线圈对称地分成两条并个线圈对称地分成两条并联的支路。联的支路。 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室电刷的位置正确与否电刷的位置正确与否, 将影响到正负电刷间的电动势将影响到正负

11、电刷间的电动势E, 从而影响从而影响到到发电机的电压发电机的电压和和电动机的转速电动机的转速; 同时电刷的位置也影响到电刷同时电刷的位置也影响到电刷下的下的火花火花。确定电刷正确位置的原则是确定电刷正确位置的原则是: 使正负电刷间能获得最大电动势。使正负电刷间能获得最大电动势。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室图图3-5 3-5 电刷偏离几何中性线示意图电刷偏离几何中性线示意图SN如果电刷位置移动，如果电刷位置移动，偏离偏离几何中性几何中性线，如图线，如图3-5所示。所示。由于电刷之间各支路中由于电刷之间各支路中并非所有并非所

12、有的的线圈都处于同一磁极下，所以同一线圈都处于同一磁极下，所以同一支路的支路的电势方向不再相同电势方向不再相同，电势相，电势相互抵消，使总电势减小；互抵消，使总电势减小；同时被同时被电刷短路电刷短路的线圈也不处在几的线圈也不处在几何中性面上，线圈中有电动势，因何中性面上，线圈中有电动势，因而有通过电刷的短路环流，当线圈而有通过电刷的短路环流，当线圈脱离电刷短路时将产生脱离电刷短路时将产生断路火花断路火花。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端

13、盖或刷架与定子之间设置了正确装配的之间设置了正确装配的“标记标记”。在运行管理中应经常注意。在运行管理中应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记标记”加以校正和固加以校正和固定。定。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室四、直流电机的额定值四、直流电机的额定值1.1.额定容量（额定容量（KWKW）: :是指额定状态下是指额定状态下, , 发电机输出的电功发电机输出的电功率率P PN N=U=UN NI IN N, , 或电动机轴上输出的机械功率或电动机轴上输出的机械功率P PN N=U=UN

14、 NI IN N N N; ;2.2.额定电流额定电流（A A） ：发电机输出的或电动机输入的额定电流发电机输出的或电动机输入的额定电流I IN N; ;3.3.额定电压额定电压（V V） ：端电压端电压U UN N; ; 4.4.额定转速额定转速n nN N ：额定状态下的转速额定状态下的转速; ;此外此外, , 还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等 。5.5. 额定励磁电压额定励磁电压U UFNFN(V);(V);6.6. 额定工作方式额定工作方式课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第

15、二节第二节 电枢绕组的感应电势和电磁转矩电枢绕组的感应电势和电磁转矩 一、电枢绕组的感应电势一、电枢绕组的感应电势 以发电机为例以发电机为例 推导思路：推导思路：一根导体感应电动势：一根导体感应电动势：经过整理计算，其感应电势的计算公式可以表示为经过整理计算，其感应电势的计算公式可以表示为 ： 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室二、电枢绕组的电磁转矩二、电枢绕组的电磁转矩 以电动机为例以电动机为例 推导思路：推导思路：一根导体

16、受力：一根导体受力：经过整理计算，其电磁转矩的计算公式可以表示为经过整理计算，其电磁转矩的计算公式可以表示为 ： 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室三、直流电机的电磁功率三、直流电机的电磁功率 电磁转矩所对应的功率称为电磁功率电磁转矩所对应的功率称为电磁功率Pm，是电枢电流与电枢电动，是电枢电流与电枢电动势的乘积，是电枢绕组因切割主磁通而产生的电功率。势的乘积，是电枢绕组因切割主磁通而产生的电功率。maaPEImPTmTaaaPTCIE I 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船

17、舶电气设备教研室直流电机的损耗直流电机的损耗有以下几种：有以下几种：机械损耗机械损耗P PM M、铁芯损耗、铁芯损耗P PFeFe、励磁回路功率、励磁回路功率P Pf f（即励磁回（即励磁回路铜耗路铜耗I If f2 2R Rf f）和电枢绕组的铜损耗）和电枢绕组的铜损耗P PCuCu和附加损耗和附加损耗( (杂散损杂散损耗耗)P)P等等. .在能量转换的过程中必然有损耗。在能量转换的过程中必然有损耗。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室M并励并励UIf对于电动机对于电动机faIIIfaUIUIUI即输入电功率即输入电功率P1等

18、于励磁回路损耗等于励磁回路损耗Pf和电枢回路的输和电枢回路的输入功率入功率在电枢回路在电枢回路aaaUEI RIIa2aaaaaUIE IIR即输入至电枢回路的功率除小部分化作铜损即输入至电枢回路的功率除小部分化作铜损Pcu，大部分为电磁功率大部分为电磁功率Pm，电磁功率就是转变为机，电磁功率就是转变为机械功率的功率。械功率的功率。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室由电磁功率转变而来的机械功率尚不能全部被利用，还需克服由电磁功率转变而来的机械功率尚不能全部被利用，还需克服机械损耗机械损耗PM、铁芯损耗、铁芯损耗PFe、附加损耗

19、、附加损耗(杂散损耗杂散损耗)P，才是，才是电动机轴上的输出功率电动机轴上的输出功率P2.m2MFe=+PPPPP即课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率P1应与输出的电功率应与输出的电功率P2和电机内部各种损和电机内部各种损 相平衡相平衡.即：即：PPPP21对于发电机对于发电机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室M并励并励UIfIIaafIIIafUIUIUI即电

20、枢回路输出电功率等于励磁回路损耗即电枢回路输出电功率等于励磁回路损耗Pf和输出功率和输出功率P2。来分析电路来分析电路在电枢回路在电枢回路aaaEUI R2aaaaaE IUIIR2mff2c u+=+aaPU IU IIRPPP课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第三节第三节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 一、直流发电机的励磁方式一、直流发电机的励磁方式 直流发电机的励磁方式分直流发电机的励磁方式分他励他励和和自励自励，自励包括自励包括并励、串励和复励并励、串励和复励。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机

21、工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，直流电机可细分为：根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，直流电机可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励

22、UIfM串励串励UM(短短) 复励复励U课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室因为因为E=Cen, 而而与与If之间为磁化曲线关系之间为磁化曲线关系, 所以空载特性所以空载特性曲线与磁化曲线相似。曲线与磁化曲线相似。（1） 剩磁电压剩磁电压Eor：励磁电流等于零时：励磁电流等于零时的开路电压的开路电压, 约为约为额定电压的额定电压的25。当发电机空载当发电机空载(I=0)及保持额定转速不变时及保持额定转速不变时, 电枢电动势电枢电动势(或空或空载电压载电压U0)与励磁电流与励磁电流If之间的关系之间的关系E=f(If)。EEor0

23、If（2） 正常工作在正常工作在弯曲弯曲 段段（3）调节调节If 可以调节发电机可以调节发电机电压电压二、直流发电机的空载特性二、直流发电机的空载特性课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室三、自励发电机建压条件三、自励发电机建压条件（1）发电机必须有）发电机必须有剩磁剩磁。若剩磁消失可用外电源充磁。若剩磁消失可用外电源充磁。 （2）励磁电流产生的磁场要与剩磁）励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向相同磁场方向相同。这与。这与 并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向 有关。在固定转动方向

24、下，主要决定于两并联电路有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路 的连接极性。的连接极性。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁电阻过。励磁电阻过 大或发生断路时，不能自励建立正常电压。大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转当然转 速过低速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变 低，而无法建立起正常的电压。低，而无法建立起正常的电压。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室分析起压过程：分析起压过程：剩磁通剩磁通剩磁电动势剩磁电动势励磁电流励磁电流

25、fIE励磁磁场励磁磁场剩磁磁场剩磁磁场磁场方向一致磁场方向一致稳定在稳定在A点点EE = f（If）Eor0IfE = IfRffIA3.励磁电路的电阻要适当。励磁电路的电阻要适当。自励发电机的自励起压条件自励发电机的自励起压条件:1.发电机要有剩磁；发电机要有剩磁；2.励磁电流磁场与剩磁场方向相同；励磁电流磁场与剩磁场方向相同；4.转速要适当。转速要适当。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室 如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列两种方法改正：两种方法改正： （1）改变电枢

26、绕组与励磁绕组的相对联接；）改变电枢绕组与励磁绕组的相对联接； （2）改变电枢的旋转方向。）改变电枢的旋转方向。注意注意课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下, 发电机的有载端电压与负载电流之间的关系发电机的有载端电压与负载电流之间的关系U=f(I)。直流发电机电枢电路的电压平衡方程为直流发电机电枢电路的电压平衡方程为UEI Raa四、直流发电机的外特性四、直流发电机的外特性电压变化率计算公式电压变化率计算公式 课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮

27、机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室1、他励发电机、他励发电机电枢电流电枢电流Ia等于负等于负载电流载电流I只有电枢电阻引起端电压的微小变化只有电枢电阻引起端电压的微小变化课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室2、并励发电机、并励发电机IIIaf电枢电流电枢电流电枢电阻引起端电压的下降将进一步电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小引起并励电流及感应电动势的减小, 电电动势的减小动势的减小, 又使电压进一步下降又使电压进一步下降课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电

28、气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室3、复励发电机、复励发电机IIIaf电枢电流电枢电流复励发电机主磁极上的串励绕组的励复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流磁电流可以是负载电流(短复励短复励)或电或电枢电流枢电流(长复励长复励), 复励发电机又分为复励发电机又分为积积复励发电机复励发电机和和差复励发电机差复励发电机。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室串励与并励磁场串励与并励磁场方向一致方向一致的的复励发电机称为复励发电机称为积复励积复励发电发电机机 串励与并励磁场串励与并励磁场方向方向相反相反的复励发电机

29、称为的复励发电机称为差复励差复励发电机。发电机。根据串励绕组对端电压的补根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为偿程度又分为平复励、欠复平复励、欠复励和过复励发电机。励和过复励发电机。当供电线路较长时，一般采用过复励。当供电线路较长时，一般采用过复励。船上采用平复励船上采用平复励。差复励发电机一般是作为特殊用途的专用电源，例如直流电焊差复励发电机一般是作为特殊用途的专用电源，例如直流电焊发电机、船舶电动舵机、某些起货机的专用电源发电机等。发电机、船舶电动舵机、某些起货机的专用电源发电机等。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第四节第

30、四节 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性按按励磁绕组励磁绕组和和电枢绕组电枢绕组连接方连接方式的不同，直流电动机和直流式的不同，直流电动机和直流发电机一样，也可分为四种：发电机一样，也可分为四种：他励电动机、并励电动机、串他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。励电动机和复励电动机。他励电动机他励电动机并励电动机并励电动机串励电动机串励电动机复励电动机复励电动机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室一、直流电动机的基本方程一、直流电动机的基本方程电系统的电势平衡方程电系统的电势平衡方程能量转换过程中的功率平衡方程能量

31、转换过程中的功率平衡方程机械系统的转矩平衡方程机械系统的转矩平衡方程课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室1.电势平衡方程电势平衡方程 参照图参照图3-19，不考虑，不考虑 和和 ，根据基尔霍夫电压定，根据基尔霍夫电压定律，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为：律，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为： 其中其中 ，而，而 , 由于励磁电流由于励磁电流 要远远小于负要远远小于负载电流载电流 ，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，即即 。fRRaaRIEUaaRIUEfaIIIffRU

32、I fIIIIa或或并励电动机并励电动机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室a2aaaRIEIUIaaRIEU2.功率平衡方程功率平衡方程其中：其中：P1P1为输入电功率；为输入电功率；P Pm m为电磁功率；为电磁功率；P Pcucu为电枢铜损。为电枢铜损。 P1= Pm + Pcu近似近似电磁功率电磁功率P Pm m与轴上输出的与轴上输出的机械功率机械功率P2P2和空载和空载损耗功率损耗功率P P0 0（机（机械损耗械损耗P PM M和铁损和铁损P PFeFe之和）之间关系为：之和）之间关系为： Pm= P2 + P0并励电

33、动机并励电动机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室02TTT3.转矩平衡方程转矩平衡方程直流电动机产生的电磁转矩与负载转矩和空载转矩保持相平衡直流电动机产生的电磁转矩与负载转矩和空载转矩保持相平衡 6 0wk w*k w= 9 .5 5= 9 .5 5= 9 5 5 02n2nnnn6 0PPPPPPPTT（）（）1 0 0 0（）根 据， 则课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室二、直流电动机的机械特性二、直流电动机的机械特性将反电动势将反电动势E=Ce n代入代

34、入 的电压的电压方程中方程中, 并当电枢电路的外串电阻并当电枢电路的外串电阻R=0时时, 可得直流可得直流电动机的转速特性电动机的转速特性n=f(Ia)的表示式的表示式, 即即UEIRRaaaaeUI RnC并励电动机并励电动机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室电动机的转速与转矩之间的关系电动机的转速与转矩之间的关系n=f(T)曲线曲线, 称为机械特性称为机械特性曲线。曲线。将将Ia=T/(CT )代入上式中代入上式中, 则得自然机械特性关系式则得自然机械特性关系式, 即即02aaaeeeTUI RRUnTnkTCCC Cn0

35、： 理想空载转速理想空载转速, ,即即T=0时的转速。时的转速。系数系数k = Ra / (CeCT 2)表明特性曲线的斜率。表明特性曲线的斜率。当电枢的外串电阻当电枢的外串电阻 R 0 时时, 斜率斜率k变大变大, 这时的机械特性称为这时的机械特性称为人为机械特性。人为机械特性。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室直流电动机的机械特性与励磁方式有关：直流电动机的机械特性与励磁方式有关： (1)并并(或他或他)励电动机励电动机：由于每极磁通、理想空载转速：由于每极磁通、理想空载转速和系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图和

36、系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图3-20所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大变化不大，其转速变化率仅为其转速变化率仅为38，故为硬机械特性。适于要求，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动恒转速拖动的生产机械。的生产机械。图图3-20 3-20 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性积复励积复励0nnkT课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室(2)串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，从而使串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，从而使转速随负载的增加而迅速下降，

37、如图转速随负载的增加而迅速下降，如图 3-20所示。所示。该该特性曲线的特点特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较软。当是：空载转速非常高，机械特性比较软。当负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限度的数值，负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限度的数值，导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电动机绝对导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电动机绝对不允许不允许空载空载起动及空载运行。它的软特性、起动力矩比较大，适用于起动及空载运行。它的软特性、起动力矩比较大，适用于起动困难的场合。起动困难的场合。图图3-20 3-20 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性积复励积复励2

38、aeeTRUnTCC C课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室船上起货机多采用串励电动机，它具有轻载船上起货机多采用串励电动机，它具有轻载快行，重载慢行的特点。快行，重载慢行的特点。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向1直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁

39、场共同磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。 如图如图3-21 （a） （b）、（）、（c）所示所示并励电动机并励电动机课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室 (a) (b) (c)图图 5-4 5-4 电刷位置与电枢反应电刷位置与电枢反应课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室直流电机在运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进直流电机在运行时，电枢绕组从定子主磁极

40、的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷连接，绕组中的电流入另一个极面下方时，通过换向片与电刷连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为将改变方向，这一过程称为直流电机的换向直流电机的换向。2直流电机的换向直流电机的换向课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室理想的换向条件理想的换向条件是换向时绕组中的电流及电势为零。是换向时绕组中的电流及电势为零。而一般情况下，除了绕组本身原因换向绕组中感应电抗电势不为零而一般情况下，除了绕组本身原因换向绕组中感应电抗电势不为零外，电枢反应引起的外，电枢反应引起的气隙磁通的畸变气隙磁通

41、的畸变，也使换向绕组产生感应电势。，也使换向绕组产生感应电势。电抗电势和电枢反应电势都会阻碍电枢绕组的换向性能，导致电刷电抗电势和电枢反应电势都会阻碍电枢绕组的换向性能，导致电刷与换向片之间产生火花。与换向片之间产生火花。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室 为了改善换向性能，通常在定子主磁极之间放置为了改善换向性能，通常在定子主磁极之间放置换向极换向极用于改善换向，用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁所产生的换向极磁场与电枢绕组

42、电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。的感应电动势，达到减少换向火花的目的。 一般在负载变化较大的中、大型电机中。在主磁极的极一般在负载变化较大的中、大型电机中。在主磁极的极面下开槽嵌放面下开槽嵌放补偿绕组补偿绕组也是用于改善换向的一种方法，补也是用于改善换向的一种方法，补偿绕组与电枢绕组串联，其作用原理与换向极相同。偿绕组与电枢绕组串联，其作用原理与换向极相同。 此外，此外

43、，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。等也可在一定程度上减小电刷下的火花。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室第五节第五节 无刷直流电动机无刷直流电动机(自己看) 无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以种新型微特电机，它以电子换向装置电子换向装置代替了一般直流电动代替了一般直流电动机的机的机械换向装置机械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控，因此保持了有刷直流电动机的

44、优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。电干扰和寿命短的致命弱点。课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室图图3-22 3-22 无刷直流电动机原理框图无刷直流电动机原理框图一、无刷直流电动机的基本结构一、无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机由无刷直流电动机由电子开关电路、永磁式同步电动机电子开关电路、永磁式同步电动机以及以及位置传感器位置传感器三者组成三者组成课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程

45、学院船舶电气设备教研室图图3-22 3-22 无刷直流电动机原理框图无刷直流电动机原理框图一、无刷直流电动机的基本结构一、无刷直流电动机的基本结构直流电源经由直流电源经由开关线路开关线路向电动机向电动机定子绕组定子绕组供电，电动机转子位置经由供电，电动机转子位置经由位置传感器位置传感器检测，检测，产生信号触发开关电路中的电力电子元件使之产生信号触发开关电路中的电力电子元件使之导通或截止导通或截止。电动机定子各相逐次通电。电动机定子各相逐次通电产生电流，并和转子磁极主磁场相互作用产生转矩，从而控制电动机的转动。产生电流，并和转子磁极主磁场相互作用产生转矩，从而控制电动机的转动。课 件船舶电气设备

46、与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室图图3-23 3-23 无刷直流电动机的组成框图无刷直流电动机的组成框图图图3-24 3-24 无刷直流电动机基本结无刷直流电动机基本结 构构 1 1 电动机定子；电动机定子； 2 2 电动机转子电动机转子；3 3传感器定子；传感器定子； 4 4传感器转子；传感器转子；5 5 电子开关电路电子开关电路课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室2转子位置传感器转子位置传感器o无刷直流电动机中的位置传感器的作用是无刷直流电动机中的位置传感器的作用是检测转子

47、磁场检测转子磁场相对于定子绕组的位置相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发出信，并在确定的相对位置上发出信号控制功率放大元件，使定子绕组中的电流进行切换。号控制功率放大元件，使定子绕组中的电流进行切换。o从原理上说，与转子安装在同一个轴上的任何一种角位从原理上说，与转子安装在同一个轴上的任何一种角位移传感器都可以作无刷电机的位置传感器用。如移传感器都可以作无刷电机的位置传感器用。如光电位光电位置传感器、电磁式位置传感器和磁敏式传感器置传感器、电磁式位置传感器和磁敏式传感器。下面以。下面以电磁式位置传感器为例，对其原理予以简单的介绍电磁式位置传感器为例，对其原理予以简单的介绍课 件船舶电气设备与系统 2022-4-1轮机工程学院船舶电气设备教研室轮机工程学院船舶电气设备教研室电磁式位置传感器电磁式位置传感器由定子由定子1和和转子转子2两部分组成。定子铁心两部分组成。定子铁心及转子上的扇形部分（即图中及转子上的扇形部分（即图中a部分）均由部分）均由高频导磁高频导磁材料做材料做成。在定子铁心上也分成与电成。在定子铁心上也分成与电动机定子绕组相对应的相数，动机定子绕组相对应的相数，每相都嵌有每相都嵌有输入线圈和输出线输入线圈和输出线圈圈，并在输入线圈中外施高频，并在输入线圈