第3章直流电机原理

1、 主要内容：主要内容： 分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路、分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路、运行原理等问题。运行原理等问题。 重点：重点： 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 直流电机的主要结构直流电机的主要结构 电枢电枢电动势和电磁转矩电动势和电磁转矩 电机运行的基本方程式和功率关系电机运行的基本方程式和功率关系 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性第第3 3章章 直流电机原理直流电机原理3.1 直流直流电机的用途及基本工作原理电机的用途及基本工作原理3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途 1、直流电动机的优点、直流电动机的优点1) 1) 调速范围宽，

2、易于平滑调速；调速范围宽，易于平滑调速；2) 2) 启动、制动和过载转矩大；启动、制动和过载转矩大；3) 3) 易于控制，可靠性高。易于控制，可靠性高。2、主要用途、主要用途1) 1) 轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调 速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。2) 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。3) 3) 家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具BAe为随时间正负交变的电动势结论：结论：1、直流发电机的基本原理、直流发电机的基本原理3.1.2

3、直流电机工作原理直流电机工作原理eBlv基本原理：电磁感应定律：基本原理：电磁感应定律：电机与拖动基础电机与拖动基础结论：结论：BAe为脉动的直流电动势。为脉动的直流电动势。由于静止电刷和旋转换向器的作用，由于静止电刷和旋转换向器的作用，BAe为脉动的直流电动势。为脉动的直流电动势。电机与拖动基础电机与拖动基础直流电动势产生直流电动势产生 1) 线圈内感应电动势的线圈内感应电动势的性质；性质；2) 整流：机械式和电子整流：机械式和电子式；导电片又叫换向片式；导电片又叫换向片3) 脉振电动势的消除脉振电动势的消除多线圈多线圈按照一定的规律把它们连接起来，构成电枢绕组。按照一定的规律把它们连接起来

4、，构成电枢绕组。 电机与拖动基础电机与拖动基础2、直流电动机的基本原理、直流电动机的基本原理 基本原理：电磁力定理，基本原理：电磁力定理，满足左手定则。满足左手定则。fBli 显然，在电刷间接入直流电源后，显然，在电刷间接入直流电源后，在线圈中就有直流电流流过。在线圈中就有直流电流流过。 要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向换向”。电机与拖动基础电机与拖动基础直流电机换向器将

5、外部的直流电变成了内部交替变化直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流。的电流。图中电刷相对于磁极的位置保证了无论线圈边处在图中电刷相对于磁极的位置保证了无论线圈边处在N N极极下，还是下，还是S S极下，线圈电流均产生逆时针方向的电磁力极下，线圈电流均产生逆时针方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩。矩，从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩。电机与拖动基础电机与拖动基础从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一台直流电机即可作为发电机运行台直流电机即可作为发电机运行, ,也可以作为电动机运也可以作为电动机运行行, ,

6、只是外界条件不同而已只是外界条件不同而已. .一个是输入机械能一个是输入机械能, ,一个是一个是输入电能输入电能, ,这种既能作发电机运行这种既能作发电机运行, ,又能作电动机运行的又能作电动机运行的原理原理, ,在电机理论中称为在电机理论中称为可逆原理可逆原理。 3、电机的可逆运行原理、电机的可逆运行原理3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号3.2.1 主要结构主要结构 旋转电机结构形式必须有满足旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面电磁和机械两方面要求要求的结构，旋转电机必须具备的结构，旋转电机必须具备静止和转动两大部分静止和转动两大部分 直流电机静止部分直流电机静止

7、部分-定子定子 作用作用 产生磁场产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成 直流电机转动部分直流电机转动部分转子转子( (通常称作电枢通常称作电枢) ) 作用作用产生电磁转矩和感应电动势产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等由电枢铁心和电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等组成组成电机与拖动基础电机与拖动基础直流电机结构（图直流电机结构（图3-43-4）直流电机电枢照片（图直流电机电枢照片（图3-73-7）1、直流电机的定子部分、直流电机的定子部分 主磁极是一种电磁铁。用主磁极是一种电磁铁。用 1-1.5 1-1.5

8、毫米厚的钢板冲片叠毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心，较窄的部分叫压紧固而成的铁心，较窄的部分叫极身，宽的部分叫极靴。极身，宽的部分叫极靴。 大部分由直流电流励磁、主磁大部分由直流电流励磁、主磁极装励磁线圈极装励磁线圈（并励：细、多；串（并励：细、多；串励：粗、少）励：粗、少） ，小功率的用永久磁，小功率的用永久磁铁。铁。 主磁极的个数一定是偶数主磁极的个数一定是偶数，励，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按的极性按 N N，S S 极交替出现。极交替出现。 1) 主磁极主磁极NoImage作用作用 改善换向改善换向. .换向极装在两主磁换向极装在两主磁极之间

9、，也是由铁心和绕组构成极之间，也是由铁心和绕组构成, ,铁心铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联，导线粗，匝数少。绕组与电枢绕组串联，导线粗，匝数少。 主磁极和换向极示意图主磁极和换向极示意图 2) 换向极（又称附加极或间极）换向极（又称附加极或间极）NoImage机座通常由铸铁或厚铁板焊成机座通常由铸铁或厚铁板焊成. . 机座中有磁通经过的机座中有磁通经过的部分称为部分称为磁轭磁轭。 有两个作用有两个作用： a) a) 固定主磁极、换向极和端盖；起机械支撑作用固定主磁极、换向极和端盖；起机械支撑作用 b) b) 作为磁路的一部分。起导磁作

10、用，叫定子磁轭作为磁路的一部分。起导磁作用，叫定子磁轭 作用作用把直流电压、直把直流电压、直流电流引入或引出（铜辨）流电流引入或引出（铜辨） 由电刷、刷握、刷杆座和由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成铜丝辫组成 3) 机座机座4) 电刷装置电刷装置NoImage2、 直流电机的转子部分直流电机的转子部分 为减少电枢铁心内的涡为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚流损耗，铁心一般用厚0.5mm0.5mm且冲有齿、槽的型号且冲有齿、槽的型号为为DR530DR530或或DR510DR510的硅钢片叠的硅钢片叠压夹紧而成（冲片两面涂压夹紧而成（冲片两面涂漆）。漆）。1) 电枢铁心电枢铁心两个用处：两个用

11、处： a) 作为主磁路的主要部分；作为主磁路的主要部分； b) 嵌放电枢绕组嵌放电枢绕组NoImage 直流电机的主要电路部分，用以通过电流和感应直流电机的主要电路部分，用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换。由许多按一定规律产生电动势以实现机电能量转换。由许多按一定规律联接的线圈组成。联接的线圈组成。 电枢线圈又叫元件、每个元件两电枢线圈又叫元件、每个元件两个出线端，都与换向片相连，换向片数等于元件数。个出线端，都与换向片相连，换向片数等于元件数。2) 电枢绕组电枢绕组NoImage作用作用- - 将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或

12、将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。每两个换向片之间绝缘。直流电动势。每两个换向片之间绝缘。 3) 换向器换向器直流电机的重要部件。直流电机的重要部件。电机与拖动基础电机与拖动基础 3 3 端盖端盖 连接定子和转子连接定子和转子电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage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电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心换向器换向器转轴转轴磁极铁心磁极铁心励磁绕组励磁绕组电刷电刷刷握刷握绝缘支架绝缘支架压紧力调整装置压紧力调整装置定子定子转子转子直直流流电电机机（产生励（产生励 磁磁场）磁磁场）（

13、产生电动势，流过电（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）流，产生电磁转矩）NoImage3.2.2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据1 1、额定值、额定值 电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械量所规定的数据量所规定的数据2 2、额定工况、额定工况 电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况3 3、常用额定数据、常用额定数据 额定功率额定功率 P PN N (W) (W) 额定电压额定电压 U UN N (V) (V) 额定电流额定电流 I IN N (A) (A) 额定

14、转速额定转速 n nN N (r/min) (r/min) 额定励磁电流额定励磁电流 I IfNfN (A) (A)和励磁方式等和励磁方式等电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage4 4、直流电动机的额定功率、直流电动机的额定功率 轴上输出机械功率等于额定电压和额定电流的乘积，轴上输出机械功率等于额定电压和额定电流的乘积，再乘以电动机的效率再乘以电动机的效率P PN N=U=UN NI IN NN N5 5、直流发电机的额定功率、直流发电机的额定功率 电机出线端输出的电功率等于额定电压和额定电流电机出线端输出的电功率等于额定电压和额定电流的乘积。的乘

15、积。P PN N=U=UN NI IN N 若各个物理量都与它的额定值一样，就称为若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运额定运行行状态。状态。 若流过电机的电流小于额定值，叫若流过电机的电流小于额定值，叫欠载运行，欠载运行，能量能量浪费；浪费； 若流过电机的电流大于额定值，叫若流过电机的电流大于额定值，叫过载运行，过载运行，损坏损坏电机。电机。电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage 例例3.13.1、直流发电机，、直流发电机，P PN N=145KW=145KW，U UN N=230V=230V，n nN N=1450r/min=1450r/min，N N=90%=90%，求该发电机

16、的输入功率，求该发电机的输入功率P P1 1，额定电流，额定电流I IN N各为多少？各为多少？ 例例3.23.2、直流电动机，、直流电动机， P PN N=160KW=160KW，U UN N=220V=220V，N N=90%=90%，n nN N=1500r/min=1500r/min，求该电动机的输入功率、额定电流、额定，求该电动机的输入功率、额定电流、额定输出转矩各为多少？输出转矩各为多少？四极直流电机空载时的磁场示意图3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性3.3.1 直流电机的磁路直流电机的磁路 直流电机的空载：电机无负

17、载，指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动势也很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。 当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF 主磁通，用表示漏磁通，用表示 若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均匀，气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本为常数；在极靴范围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。 几何中性线极靴极身气隙形状 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。如图所示：3.3.2 空载

18、时的气隙磁密的分布波形空载时的气隙磁密的分布波形 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如图 (b) 所示。 空载时主磁极磁通的分布情况，如图(c) 所示。图（b）图（c）直流电机的空载磁化特性：直流电机空载时主磁通与励磁磁动势Ff或励磁电流If的关系。表明了电机磁路的特性。图 直流电机的磁化曲线 当磁通较小时，铁磁部分没有饱和，磁压降很小，整个磁路的磁动势几乎全部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是一个常数，因此曲线近似为一直线（图中0A段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯曲，很大时，呈饱和特性。fNI0fF0fIINfIA0N03.3.3 空载磁化特性空载磁化特性 为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额

19、定运行时，额定磁通 设定在图中A点（膝部）。N 3.3.4直流电机的励磁方式他 励 式积复 励差 复 励1 .串 励式2 .并 励式3 . 复励式自励 式直流电 机 的励磁 方式直流电机的励磁方式: 1、他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2、自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：1）串励式：2）并励式：3）复励式：NoImage3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 元件：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：每一个元件均引出两根线与换向片相连

20、，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。基本概念：基本概念： 极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。NoImage第一节距第一节距y y1 1第二节距第二节距y y2 2换向器节距换向器节距y yk k：合成节距合成节距y y第一节距第一节距y y1 1第二节距第二节距y y2 2换向器节距换向器节距y yk k：合成节距合成节距y y第二节距 ：连至同

21、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。2y合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y21yyy单叠绕组21yyy单波绕组换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.4.1 3.4.1 单叠绕组单叠绕组 1、单叠绕组的节距、单叠绕组的节距 单叠绕组的相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即： 。1kyy 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电

22、刷间的相对位置关系。2、单叠绕组的展开图、单叠绕组的展开图电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage注意：绕组元件、换向器与电机磁极、电刷有相对运动。注意：绕组元件、换向器与电机磁极、电刷有相对运动。 11234567891011121314161523456789101112131416151.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷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+已知一台直流电机级对数已知一台直流电机级对数2p=4,S=K=16,2p=4,S=K=16,其右行单叠绕组展其右行单叠绕组展开图如下：开图如下： 电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3 瞬时绕组的

23、并联支路图瞬时绕组的并联支路图 每个极下的元件组成一条支路。每个极下的元件组成一条支路。 即单叠绕组的并联即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。支路数正好等于电机的极数。 电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage4、单叠绕组的特点、单叠绕组的特点 aaai2I 1）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。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.4.2 3.4.2 单波绕组单波绕组1、单波绕组的节距、单波绕组的节距单波绕组的合成节距与换向节距相等。2、单

24、波绕组展开图3、瞬时绕组并联支路图 同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1即a=1,与磁极对数P无关； 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； 电刷数等于磁极数（采用全额电刷）； 电枢电动势等于支路感应电动势； 电枢电流等于两条支路电流之和。各种绕组的应用范围 各种绕组的差别主要在于它们的并联支路数上，支各种绕组的差别主要在于它们的并联支路数上，支路数越多，相应的每条支路所串联的元件数越少，原则路数越多，相应的每条支路所串联的元件数越少，原则上电流大、电压低的直流电机采用叠绕组。若电流小，上电流大、电压低的直流电机采用叠绕组。若电流小，电压高

25、采用波绕组。电压高采用波绕组。 电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.5 3.5 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩 电枢电动势是指正、负电刷间的感应电动势，即电枢电枢电动势是指正、负电刷间的感应电动势，即电枢绕组每条支路的电动势。绕组每条支路的电动势。 元件旋转，一会在这条支路，一会在另一条支路，其元件旋转，一会在这条支路，一会在另一条支路，其电动势的大小、方向都在变化；但每条支路所含元件数量相电动势的大小、方向都在变化；但每条支路所含元件数量相等，各支路电动势相等且方向不变；等，各支路电动势相等且方向不变； 1 1、计算思路、计算思路 先求一根导体的感应电动势，再求一条支路的

26、电动势。先求一根导体的感应电动势，再求一条支路的电动势。2 2、推导方法、推导方法 一个磁极极距范围内，平均磁密一个磁极极距范围内，平均磁密 ，极距，极距 ，电枢，电枢的轴向有效长度为的轴向有效长度为 ，每极磁通为，每极磁通为，则，则avBl3.5.1 3.5.1 电枢电动势电枢电动势 NoImage 电枢电动势为：电枢电动势为：aeECnapzCe60 是一个常数，称为是一个常数，称为电动势常数电动势常数。对感应电动势公式的说明：对感应电动势公式的说明：1 1、上述公式是在整距且电刷放在极轴线下时推、上述公式是在整距且电刷放在极轴线下时推 导的公式；导的公式；2 2、如果绕组为短距或电刷不在

27、极轴线下时，电、如果绕组为短距或电刷不在极轴线下时，电 动势的值略小；动势的值略小；3 3、电刷间电动势为直流，但电枢导体的感应、电刷间电动势为直流，但电枢导体的感应 电动势是交变的，其频率为：电动势是交变的，其频率为：60pnf 电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage一个导体的平均电磁力一个导体的平均电磁力aavavilBf一根导体所受的平均转矩等于平均电磁力乘以电枢的半一根导体所受的平均转矩等于平均电磁力乘以电枢的半径，即径，即3.5.2 3.5.2 电磁转矩电磁转矩 2DfTavav1、计算思路、计算思路 先求一根导体的电磁转矩，再求总电磁转矩。先求一根导体的电磁转矩，再求总电磁转矩

28、。2、推导方法、推导方法aIiaa2电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage则电机总的电磁转矩为：则电机总的电磁转矩为：ataaaavICIapzpzaIllDzaIlBT2222222tpzCa是一个常数，称为是一个常数，称为转矩常数转矩常数，电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流。电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流。55. 9260etCCetCC55. 9或或电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage1、负载时磁场、负载时磁场 电枢磁通势：电枢磁通势：电机带上负载以后，电枢绕组内流过电流，电机带上负载以后，电枢绕组内流过电流，该电流形成的磁通势。该电流形成的磁通势。 负载时磁场：负

29、载时磁场：负载时电机中气隙磁场是由励磁磁通势和负载时电机中气隙磁场是由励磁磁通势和电枢磁通势共同建立。电枢磁通势共同建立。由此可知，在直流电机中，从空载到负载，其气隙磁场由此可知，在直流电机中，从空载到负载，其气隙磁场是变化的。是变化的。 3.5.3 3.5.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应电枢反应：电枢反应：电枢磁通势对励磁磁通势所产生气隙磁场的影电枢磁通势对励磁磁通势所产生气隙磁场的影响。响。 2 2、电枢反应、电枢反应 电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage2.2.电枢反应电枢反应 假设励磁电流为零，只有电枢电流。电枢反应磁场如图3.20。 将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可

30、得到负载后电机的磁场分布情况如右图所示。电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage电枢反应的特点：电枢反应的特点：a) 对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用 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，因此每极总的磁通量与空载时相同。因此每极总的磁通量与空载时相同。 电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。些，因此负载时每极磁通略为减少。b) b) 使气隙磁场发

31、生畸变使气隙磁场发生畸变 直流发电机的基本方程式包括电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式。发电机空载时：发电机空载时：EaU。负载时负载时: : Ea=U+IEa=U+Ia aR Ra a+2+2U Ub b，实际应用中实际应用中写成 ：Ea=U+IaRa 对直流发电机来说，对直流发电机来说，EaEaU U。 UaI1T0TTnaEfIfU T T1 1=T+T=T+TO O ，其中：，其中：T=CT=Ct tIIa a转矩平衡方程式转矩平衡方程式:3 3、并励或他励电机的励磁电流：、并励或他励电机的励磁电流：fffRUI4 4、气隙每级磁通：、气隙每级磁通：),(afIIf写成写

32、成: P: P1 1= P= PM M+ p+ p0 0 1 1、 电磁功率电磁功率P PM M 负载时电枢有电动势Ea，在Ea作用下产生电流Ia，显然发电机中的电磁功率 物理意义：物理意义： 是原动机为克服电磁转矩所需输入的机械功率， EaIa则为电枢发出的电磁功率，两者相等，所以电磁功率就是机械功率转换为电功率的部分，它是从机械量计算电磁量的一个桥梁TnIapznIapzIEPaaaaM602260T电动势平衡方程式两边同乘以电动势平衡方程式两边同乘以IaIa得：得：E Ea aI Ia a=UI=UIa a+I+I2 2a aR Ra a=P=P2 2+p+pCuaCua转矩平衡方程式两

33、边同乘以转矩平衡方程式两边同乘以得：得：T T1 1=T +T0 2 2、 空载功率空载功率p p0 0 p0主要包括机械损耗功率pm和铁耗功率pFe，空载功率也称作空载损耗。 机械损耗和铁耗与负载大小无关，电机空载时即存在，而且在运行过程中数值几乎不变，所以空载损耗也称作不变损耗。3 3、 附加损耗附加损耗p ps s 产生的原因很复杂，也很难精确计算，通常采用估算的办法确定。国家标准规定直流电机的附加损耗为额定功率的规定直流电机的附加损耗为额定功率的0.5%1%。P1=PM+p0+ps=（P2+pcua）+（pm+pFe）+ps综合上述分析，可写出功率平衡方程式，即综合上述分析，可写出功率

34、平衡方程式，即若是他励电机，则励磁回路功率由外电源供给，而不若是他励电机，则励磁回路功率由外电源供给，而不包括在输入的机械功率之中。包括在输入的机械功率之中。直流发电机的功率图m用图示形式表示如下:发电机的效率pPpPP2121电机与拖动基础电机与拖动基础NoImageLIaLfIII2aa aE U IRU fffUR I例例3-53-5：一台额定功率一台额定功率P PN N=20KW=20KW的并励直流发电机，的并励直流发电机，U UN N=230V=230V， n nN N=1500r/min=1500r/min，电枢回路的总电阻，电枢回路的总电阻Ra=0.156Ra=0.156 ， R

35、 Rf f=73.3 =73.3 ，已知机械损耗和铁损耗已知机械损耗和铁损耗p pm m+p+pFeFe=1kW=1kW，求额定负载情况下，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。（计算过程中，令（计算过程中，令P P2 2=P=PN N，附加损耗，附加损耗p ps s=0.01P=0.01PN N） NoImage3.7.13.7.1、 他励直流电动机稳态运行的基本方程式他励直流电动机稳态运行的基本方程式3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 ffeaaaaRUInCERIEU:,:励磁回路电枢回路MT

36、nLTUIaEa图3.23 电动机惯例 T=T T=T2 2+T+T0 0=T=TL L ,T=C,T=Ct tIIa a 1、电动势平衡方程式电动势平衡方程式NoImage3.7.23.7.2、他励直流电动机的功率关系、他励直流电动机的功率关系 电动势平衡方程式两边同乘以电动势平衡方程式两边同乘以IaIa得：得：UIUIa a=E=Ea aI Ia a+I+I2 2a aR Ra a 即即P P1 1=P=PM M+p+pCuaCua转矩平衡方程式两边同乘以转矩平衡方程式两边同乘以得：得：T T=T2+T0 即即PM=P2+p0直流电动机的功率平衡方程式直流电动机的功率平衡方程式： P P1

37、 1=p=pcuacua+P+PM M=p=pcuacua+p+pm m+p+pFeFe+p+ps s+P+P2 2=P P+P+P2 2 直流电动机的功率图m直流电动机的效率为：直流电动机的效率为：21111PPpp1PPP NoImage例例3-73-7：一台并励直流电动机，一台并励直流电动机，P PN N=96KW=96KW，U UN N=440V=440V，I IN N=255A=255A，I IfNfN=5A=5A，n nN N=500r/min=500r/min，电枢回路的总电阻，电枢回路的总电阻Ra=0.078Ra=0.078 ，忽略电，忽略电枢反应的影响，试求：枢反应的影响，试

38、求：1 1、额定输出转矩、额定输出转矩2 2、在额定电流时的电磁转矩、在额定电流时的电磁转矩 例例3-63-6：一台他励直流电动机一台他励直流电动机p=2p=2，单波绕组，总导体数，单波绕组，总导体数z=372z=372，电枢回路的总电阻电枢回路的总电阻Ra=0.208Ra=0.208 ， 当此电动机运行于电源电压当此电动机运行于电源电压U UN N=220V=220V， n nN N=1500r/min=1500r/min，气隙每极磁通，气隙每极磁通 =0.011Wb=0.011Wb，此时电，此时电动机的动机的p pFeFe=362W=362W，机械摩擦损耗，机械摩擦损耗p pm m=204

39、W=204W，p ps s忽略。忽略。1 1、该电机运行在发电机状态还是电动机状态？、该电机运行在发电机状态还是电动机状态？2 2、电磁转矩是多少？、电磁转矩是多少？ 3 3、输入功率和效率各是多少？、输入功率和效率各是多少？ I电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性: : 指在指在U=UU=UN N， 时时, , 转速转速n n、电磁转矩、电磁转矩T T和效率随输出功率和效率随输出功率P P2 2变化而变化的关变化而变化的关系。系。fNfIINUU fNfIIaIfn 1、 转速特性转速特性 定

40、义：定义： ， 时时 的关系，叫做转速特性。的关系，叫做转速特性。 实际应用中，由于电枢电流Ia容易测量，且Ia随P2的增大而增大，故也将工作特性表示为n、T、=f（Ia）。即n、T、=f（P2）。NaaeUI RnCaIn0n电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage2、转矩特性、转矩特性NUU 定义：当定义：当 、 时，时，ffNII( )aTf I转矩表达式转矩表达式 考虑电枢反应的作考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如右图电流上升的慢。如右图所示。所示。aIn0nTT的关系atICT电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3 3、效率特性、效率特性

41、NUU 定义：当定义：当时fNII ,的关系)(aIf%100)1 (%100)1 (21aNaasmfeIURIpppPp0adId令令 可得可得aasmfeRIppp2aI0电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.8 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性3.8.1 机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式定义：电动机加上一定的电压定义：电动机加上一定的电压U U和一定的励磁电流和一定的励磁电流I If f时，时，电机的转速与电磁转矩之间的关系。电机的转速与电磁转矩之间的关系。 为推导机械特性的一般公式，在电枢回路中串入一电阻RTnTCCRRCUnteae02R电机与拖动基础电机与

42、拖动基础NoImagen0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）根据根据 n-T 公式公式画出特性曲线画出特性曲线n0nNTNTn n 当 T时n ，电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.8.2 固有机械特性固有机械特性1 1、 电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；2 2、 当当T=0T=0时，时， 为理想空载转速。此时为理想空载转速。此时IaIa0 0， EaEaU UN N， 是一种理想工作状态。是一种理想工作状态。NeNCUnn0 当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定

43、值、电枢回路不串电阻时，即 0,RUUNN3 3、 为机械特性斜率。为机械特性斜率。增大，增大， 也也增大。增大。 通常称通常称小的机械特性为硬特性，小的机械特性为硬特性，大的机械特性为大的机械特性为软特性。软特性。2aeTNRC CNnnn0 当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，即 0,RUUNN具有以下特点：电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage6 6、TTTTs s,n0,n0。机械特性在第四象限。机械特性在第四象限。7 7、T0Tnnn0 0。时为发电机状态，此时时为发电机状态，此时 E Ea aU, IaU, Ia反向，反向， E Ea a与与I I

44、a a同向，同向， 向电网送出电功率。向电网送出电功率。4 4、 T=TT=TN N时，时，n=nn=nN N , ,转速差转速差 为额定转为额定转速差。一般速差。一般n nN N 约为约为0.95n0.95n0 0, ,而而 约为约为0.050.05n0 。NNTnnn0n5 5、堵转点：、堵转点： 此时此时 电枢电流：电枢电流： 为启动电流；为启动电流； 电磁转矩：电磁转矩： 为电机启动转矩。为电机启动转矩。0, 0nCeEanNsaNaIRUISSNtTICT例3-8 一台他励直流电动机PN=96kW，UN=440V，IN=250A，nN=500r/min，Ra=0.078，忽略电枢反应

45、影响，求： (1) 理想空载转速n0 (2) 固有机械特性斜率例3-9 某他励直流电动机PN=22kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra=0.1，忽略空载转矩，拖动恒转矩负载TL=0.85TN运行，求稳定运行时电动机转速、电枢电流及电动势。电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3.8.3人为机械特性人为机械特性根据根据机械特性的一般方程式机械特性的一般方程式人为地改变电动机参数人为地改变电动机参数U U、R R或或 得到的机械特性，称为得到的机械特性，称为人为机械特性人为机械特性。有三种人为机械特性：有三种人为机械特性：（1 1）电枢回路串电阻的人为机械特性；

46、）电枢回路串电阻的人为机械特性；（2 2）改变端电压时的人为机械特性；）改变端电压时的人为机械特性；（3 3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；TCCRRCUnteae2电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage1 1、电枢回路串电阻的人为机械特性、电枢回路串电阻的人为机械特性 保持 不变,只在电枢回路中串入电阻R 的人为特性。NNUU,TCCRRCUnNteaNeN20nnaRTaRR特点：1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软，同一个转矩下，转速下降 越多；0n3）对于给定的R，为常数。电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage2 2、改变电枢电压的

47、人为机械特性（电压只能降低）、改变电枢电压的人为机械特性（电压只能降低） 保持 不变，只改变电枢电压 时的人为特性：UTCCRCUnNteaNe2NR , 01UNUU101n0nnNUT改变端电压人为特性的特点：改变端电压人为特性的特点：（1 1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。压下降越多，其理想空载转速越低。（2 2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。相等，因此各条特性彼此平行。电机与拖动基础电机与拖动基础NoImage3 3、减少磁通量的人为机械特性、减少磁通量的人为机械特性保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：