第三章 直流电机的稳态分析

1、第三章第三章 直流电机的稳态分析直流电机的稳态分析第一节第一节 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第二节第二节 直流电枢绕组直流电枢绕组第三节第三节 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第四节第四节 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩第五节第五节 直流电机的基本方程直流电机的基本方程第六节第六节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性第七节第七节 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性第八节第八节 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动第九节第九节 换向换向dcbadcba第一节第一节 直流电

2、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一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理 线圈在外力的作用下以转速线圈在外力的作用下以转速n旋转时，线圈旋转时，线圈有效边交替在磁极下切割磁力线产生感应电动有效边交替在磁极下切割磁力线产生感应电动势，并经电刷引出后成为直流脉动电势。势，并经电刷引出后成为直流脉动电势。1、直流发电机工作原理、直流发电机工作原理blve ABe0e1t2tABeabcdAn简单两极直流电机模型B2、直流电动机工作原理、直流电动机工作原理 直流电压加在电刷上，线圈导体中就有电流流过，导体在磁极下直流电压加在电刷上，线圈导体中就有电流流过，导体在磁极下受到电磁力的

3、作用，受到电磁力的作用， ， 。由于电刷和换相片的配合作。由于电刷和换相片的配合作用，导体轮流交替处于用，导体轮流交替处于N极和极和S极下时，导体中电流随导体所处磁极极极下时，导体中电流随导体所处磁极极性的改变而同时改变方向，从而保持电磁转矩的方向不变，使线圈连性的改变而同时改变方向，从而保持电磁转矩的方向不变，使线圈连续旋转。续旋转。bilf bilDT dcbadcbat1t2tTabcdAni电源简单两极直流电机模型3、脉动的减少、脉动的减少 由许多个在磁极下分布的线圈串联而成电枢绕组，由许多个在磁极下分布的线圈串联而成电枢绕组，使串联感应电动势使串联感应电动势脉动脉动减小或电磁转矩脉动

4、减小。减小或电磁转矩脉动减小。4e1eABe2e3ete0NSn1423AB4元件两极直流电机模型元件两极直流电机模型直流电机感应电动势波形直流电机感应电动势波形主磁极电刷装置换向极换向器电枢绕组机座电枢铁心二、直流电机的基本结构二、直流电机的基本结构直直流流电电机机静止部分静止部分定定子（产生磁势）子（产生磁势）旋转部分旋转部分转转子（产生能量）子（产生能量）空气隙空气隙换向器换向器电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心主磁极主磁极电刷装置电刷装置机座机座换向极换向极直流电机转子结构直流电机转子结构三、励磁方式三、励磁方式 并励、串励、复励（积复励、差复励）并励、串励、复励（积复励、差复励）2、自

5、励式：励磁绕组和电枢绕组按一定的关系相连接。、自励式：励磁绕组和电枢绕组按一定的关系相连接。1、他励式：励磁绕组由其它电源供电，和电枢绕组不相连接。、他励式：励磁绕组由其它电源供电，和电枢绕组不相连接。他励电机aIaEUfUfIfRfI GaI MaI MI GInaEU 并励直流电机sIInaEU 串励直流电机fIsIInaEU aI复励直流电机NNIU电功率电功率机械功率，发电机机械功率，发电机电动机电动机5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN：他励电机额定状态下运行时的励磁电压。：他励电机额定状态下运行时的励磁电压。V4、额定转速、额定转速nN：额定状态下运行时转子转速。：额定状态下运行时

6、转子转速。r/min3、额定电流、额定电流IN：电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时电：电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时电机线电流。机线电流。A2、额定电压、额定电压UN：额定状态下电枢出线端的电压。：额定状态下电枢出线端的电压。V1、额定功率、额定功率PN：电机在名牌规定的额定状态下运行时电机的输：电机在名牌规定的额定状态下运行时电机的输 出功率。出功率。四、直流电机额定值四、直流电机额定值电机制造厂按一定标准及技术要求，规定了电机高效长期稳定运行电机制造厂按一定标准及技术要求，规定了电机高效长期稳定运行的经济技术参数，称为电机的额定值。额定值是使用和选择电机的的经济技术参数

7、，称为电机的额定值。额定值是使用和选择电机的依据，因此使用前一定要详细了解这些铭牌数据。依据，因此使用前一定要详细了解这些铭牌数据。 第二节第二节 直流电枢绕组直流电枢绕组一、直流电枢绕组的构成一、直流电枢绕组的构成 元件：组成绕组的基本单元，由元件边和端接线组成。元件：组成绕组的基本单元，由元件边和端接线组成。 置于槽内能切割主磁场而感应电动势的元件边也称为有效边。置于槽内能切割主磁场而感应电动势的元件边也称为有效边。元件一条边在一个槽内，另一条边在另一个槽内。元件一条边在一个槽内，另一条边在另一个槽内。 叠绕组：单叠、复叠叠绕组：单叠、复叠直流电枢绕组：直流电枢绕组： 波绕组：单波、复波波

8、绕组：单波、复波 混合绕组混合绕组电枢元件 虚槽数虚槽数QU：一个上层和一个下层元件边在槽：一个上层和一个下层元件边在槽内所占的空间为虚槽。内所占的空间为虚槽。S= QU 换向片数换向片数K：S=KQ ：电枢铁心槽数：电枢铁心槽数 U: 每槽上下层中一层（线圈）所含元件数每槽上下层中一层（线圈）所含元件数整个绕组元件数整个绕组元件数S：S=UQ单层绕组单层绕组双层绕组：一边放在一个槽的上层，另一边在另一个槽的下层。双层绕组：一边放在一个槽的上层，另一边在另一个槽的下层。槽内导体二、直流电枢绕组节距二、直流电枢绕组节距单叠绕组单叠绕组 所有相邻元件依次相串联，后一个元件的首端与前一个元件所有相邻

9、元件依次相串联，后一个元件的首端与前一个元件的尾端相连，同时每个元件的两端依次连接到相邻的换向片上，的尾端相连，同时每个元件的两端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭和回路。最后形成一个闭和回路。 连接规律：连接规律：NS1y2yycy二、直流电枢绕组节距二、直流电枢绕组节距单波绕组单波绕组 连接规律：连接规律：从某一换向片出发，把相隔约为一对极距的同极性磁极从某一换向片出发，把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后从这一片换向片出发，继续恰好回

10、到出发换向片的相邻一片上；然后从这一片换向片出发，继续绕连，直到把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个绕连，直到把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭和回路。闭和回路。21y2ycyyNNSS波绕组 相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。y22）第二节距：）第二节距：pQyu21长距绕组：长距绕组：pQyu21短距绕组：短距绕组：pQyu21整距绕组：整距绕组：NS1y2yycypQyu21元件的两条有效边在电枢表面所跨过的距离。元件的两条有效

11、边在电枢表面所跨过的距离。y11）第一节距：）第一节距：10单叠绕组直流电枢绕组节距直流电枢绕组节距21yyy波绕组：波绕组：21yyy 叠绕组：叠绕组：相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离。相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离。y3）合成节距：）合成节距：换向器表面上同一个元件的两个出线端所接的两个换换向器表面上同一个元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离。向片之间所跨的距离。yc4）换向器节距：）换向器节距：yycNS1y2yycy叠绕组21y2ycyyNNSS波绕组三、单叠绕组三、单叠绕组1cyy 合成节距合成节距 所有相邻元件依次相串联，后一个元件的首端与前一个

12、元件所有相邻元件依次相串联，后一个元件的首端与前一个元件的尾端相连，同时每个元件的两端依次连接到相邻的换向片上，的尾端相连，同时每个元件的两端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭和回路。最后形成一个闭和回路。 连接规律：连接规律：省省铜铜线线，常常用用。称称为为右右行行绕绕组组；一一个个虚虚槽槽（换换相相片片），移移动动每每串串联联一一个个元元件件就就向向右右, 1yNS1y2yycy常常用用。端端线线交交叉叉，费费铜铜线线，不不左左行行绕绕组组；虚虚槽槽（换换相相片片），称称为为移移动动一一个个每每串串联联一一个个元元件件就就向向左左, 1y单叠绕组4）箭头和）箭头和n表示电枢旋转方向和

13、转速。表示电枢旋转方向和转速。3）画出电刷。电刷中心对着磁极中心，电刷数等于磁极数。）画出电刷。电刷中心对着磁极中心，电刷数等于磁极数。2）将磁极均匀设在绕组表面。）将磁极均匀设在绕组表面。1）先画出换向片和虚槽的位置，换相片和虚槽用同一间距，换相片编号）先画出换向片和虚槽的位置，换相片和虚槽用同一间距，换相片编号1、画展开图、画展开图1cyy441621pQyu312yyy单叠绕组：单叠绕组：例：例：2p=4，S=K=Qu=16，U=1（每槽只有一个上下层）的单叠绕组连接。（每槽只有一个上下层）的单叠绕组连接。A1A2B1B2n+NNSS5）元件和槽标号。元件上方标元件号，上层元件边中间标虚

14、槽号。）元件和槽标号。元件上方标元件号，上层元件边中间标虚槽号。编号原则：元件号、元件上层边所嵌方的虚槽号以及该元件边所连接的换编号原则：元件号、元件上层边所嵌方的虚槽号以及该元件边所连接的换相片号为相同，上层边距同号的换相片相片号为相同，上层边距同号的换相片y1/2左右。左右。6）绕组连线。）绕组连线。7）根据元件感应电势，判断电刷极性，同极性电刷并联）根据元件感应电势，判断电刷极性，同极性电刷并联,引出正负端接线。引出正负端接线。 一般要求，正负电刷间引出电动势最大，被电刷短路的元件电动势一般要求，正负电刷间引出电动势最大，被电刷短路的元件电动势为零，这样在元件端接线对称的情况下，电刷的实

15、际位置在磁极中心线为零，这样在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置在磁极中心线下，被电刷短接的元件边在几何中心线上，习惯称为下，被电刷短接的元件边在几何中心线上，习惯称为“电刷放在几何中电刷放在几何中性线位置性线位置”。910162A561A2B1B1234567891011 12131415 1314212、画瞬间电枢电路图、画瞬间电枢电路图A1A2B1B2n+NNSS 根据元件中的电动势方根据元件中的电动势方向以及通过换相片和电刷接向以及通过换相片和电刷接触的情况画出瞬间电路图。触的情况画出瞬间电路图。 N极下的极下的2、3、4串联接串联接到电刷到电刷A1、B1，10、11、12串联接到

16、电刷串联接到电刷A2、B2， 电电动势由尾端指向首端，动势由尾端指向首端，A1、A2为正极，为正极，B 1、B2为负极。为负极。S极下的极下的6、7、8串联串联14、15、16串联，元件电动势由首端串联，元件电动势由首端指向尾端，电刷指向尾端，电刷A1、A2为为正极，正极，B1、B2为负极。将为负极。将 A1、A2并联，并联，B1、B2并联，并联，元件元件1、5、9、13被短接。被短接。瞬间电枢电路图瞬间电枢电路图绕组展开图单叠绕组的有以下特点：单叠绕组的有以下特点：1)同一主磁极下的元件串联组成一个支路，则并联支路对数同一主磁极下的元件串联组成一个支路，则并联支路对数a总等总等于极对数于极对

17、数p。2)电刷组数等于主磁极数，电刷位于主磁极的轴线上、短路电势电刷组数等于主磁极数，电刷位于主磁极的轴线上、短路电势为零的元件。为零的元件。3)电枢电动势等于支路电动势。电枢电动势等于支路电动势。4)电枢电流等于各并联支路电流之和。电枢电流等于各并联支路电流之和。papa或或22910162A561A2B1B123456789101112131415 131421四、单波绕组四、单波绕组 从某一换向片出发，把相从某一换向片出发，把相隔约为一对极距的同极性磁极隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过来，直到沿电枢和换向器绕过一周后

18、，恰好回到出发换向片一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后从这一片的相邻一片上；然后从这一片换向片出发，继续绕连，直到换向片出发，继续绕连，直到把全部元件连完，最后回到开把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭始出发的换向片，构成一个闭和回路。和回路。 连接规律：连接规律：21y2ycyyNNSS波绕组pkyykpycc11或或称为右行绕组称为右行绕组绕接一周后前进一片，绕接一周后前进一片，称为左行绕组称为左行绕组绕接一周后后退一片，绕接一周后后退一片，,11kpykpycc21y2ycyyNNSS波绕组 电机为电机为P对极，元件绕行一周，有对极，元件绕行一周，有P个元件串联

19、，串联一个个元件串联，串联一个元件，换向片前进元件，换向片前进yc片，绕行一周连结片，绕行一周连结P个元件应跨过个元件应跨过Pyc个换向个换向片。单波绕组绕行一周，回到出发时换向片的相邻一片，总共片。单波绕组绕行一周，回到出发时换向片的相邻一片，总共跨过跨过K1片。即片。即721151pkyyc34341521pQyu绕组展开图例：例：2p=4，S=K=Qu=15，U=1的单波绕组连接。的单波绕组连接。nB2B1A1A2+S6）绕组连线。）绕组连线。5）元件和槽标号。）元件和槽标号。4）箭头和）箭头和n表示电枢旋转表示电枢旋转方向和转速。方向和转速。3）画出电刷。）画出电刷。2）将磁极设在绕组

20、表面。）将磁极设在绕组表面。1）先画出换向片和虚槽的位置）先画出换向片和虚槽的位置1、画展开图、画展开图SNSN画瞬间电枢电路图画瞬间电枢电路图 根据元件中的电动势方向以及通过换相片和电刷接触的情况根据元件中的电动势方向以及通过换相片和电刷接触的情况画出瞬间电路图。画出瞬间电路图。 所有所有S极下的极下的15 、7 、14、6、13元件串联、电动势由首端指向元件串联、电动势由首端指向尾端，电刷尾端，电刷A1为正极，为正极，B2为负极。为负极。N极下的极下的4、11、3、12、2元件元件串联电动势由尾端指向首端，电刷串联电动势由尾端指向首端，电刷A1为正极，为正极，B1为负极。为负极。 A1、A

21、2并联，并联，B1、B2并联，元件并联，元件1、8、9、5、12被短接。被短接。绕组展开图nB2B1A1A2+SSNSN151895412SN2A1A2B1B123456789101112131415 122aa或或单波绕组单波绕组一般电刷组数等于磁极对数。一般电刷组数等于磁极对数。瞬间电枢电路图瞬间电枢电路图例：例：2p=4，S=K=Qu=15，U=1的单波绕组连接。的单波绕组连接。五、各种绕组的应用范围五、各种绕组的应用范围3）混合绕组：一套单波绕组和一套单叠绕组按一定的规律嵌放并连）混合绕组：一套单波绕组和一套单叠绕组按一定的规律嵌放并连 接到同一个换向器上。接到同一个换向器上。2）双波

22、绕组：由两个单波绕组通过电刷并联起来构成，每个单波绕）双波绕组：由两个单波绕组通过电刷并联起来构成，每个单波绕 组的元件互相间隔地嵌入槽内。组的元件互相间隔地嵌入槽内。1）双叠绕组：由两个单叠绕组通过电刷并联起来构成，每个单叠绕）双叠绕组：由两个单叠绕组通过电刷并联起来构成，每个单叠绕 组的元件互相间隔地嵌入槽内。组的元件互相间隔地嵌入槽内。双绕组支路数是单绕组的一倍。双绕组支路数是单绕组的一倍。第二节距、合成节距和换向节距与单绕组有差别。第二节距、合成节距和换向节距与单绕组有差别。 5）混合绕组：转速较高、换向困难的大型直流电机。）混合绕组：转速较高、换向困难的大型直流电机。 4）复叠绕组；

23、支路多，大容量或低压、大电流的电机。）复叠绕组；支路多，大容量或低压、大电流的电机。 3）单叠绕组：支路数较多，用于中等容量、正常电压和转速的电机。）单叠绕组：支路数较多，用于中等容量、正常电压和转速的电机。2）复波绕组：多极数、低速的中、大型电机。）复波绕组：多极数、低速的中、大型电机。1）单波绕组：小容量电机和电压较高或转速较低的电机。）单波绕组：小容量电机和电压较高或转速较低的电机。根据额定电流的大小和额定电压的高低选择绕组型式根据额定电流的大小和额定电压的高低选择绕组型式第三节第三节 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空载主磁极磁通分：空载主磁极磁通分

24、： 主极漏磁通主极漏磁通 主磁通主磁通 :通过气隙交联电枢绕组的磁通，通过气隙交联电枢绕组的磁通， 也叫也叫气隙磁通。气隙磁通。f0空载：电枢电流等于零或很小，可忽略不计的情况。空载时直流空载：电枢电流等于零或很小，可忽略不计的情况。空载时直流 电机内磁场由励磁绕组单独激励。电机内磁场由励磁绕组单独激励。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几何中性线NSpb发电机电动机f 0 空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场000bb 发电机电动机NS 为了分析简单，将电枢绕组展开成直线平面图。取为了分析简单，将电枢绕组展开成直线平面图。取N极极中心轴线与电枢表面的交点为电枢表

25、面坐标起点。中心轴线与电枢表面的交点为电枢表面坐标起点。 在主极极靴下气隙较小，极靴下沿圆周各点主磁场较强；在主极极靴下气隙较小，极靴下沿圆周各点主磁场较强；在极靴以外的极间气隙大，主磁场减小，极间几何中心线处在极靴以外的极间气隙大，主磁场减小，极间几何中心线处径向磁场为零。径向磁场为零。空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场几何中性线NSpb发电机电动机f 0 空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场二、负载时的电枢磁动势二、负载时的电枢磁动势若把磁极所在轴线称为直轴，与磁极正交的若把磁极所在轴线称为直轴，与磁极正交的轴线称为交轴，当把轴线称为交轴，当把电刷放在几何中性线上电刷放在

26、几何中性线上（省去换向片）时，电枢磁动势是一个与主（省去换向片）时，电枢磁动势是一个与主极轴线正交的交轴电枢磁动势。极轴线正交的交轴电枢磁动势。电机带负载，电枢流过负载电流，产生电枢电机带负载，电枢流过负载电流，产生电枢磁动势。磁动势。假设电枢表面光滑，绕组为整距，元件均匀假设电枢表面光滑，绕组为整距，元件均匀分布在电枢表面。直流电机电枢支路电流从分布在电枢表面。直流电机电枢支路电流从电刷流入或流出，因此电刷是电枢表面电流电刷流入或流出，因此电刷是电枢表面电流分布的分界线，右图中电刷轴线上半周为电分布的分界线，右图中电刷轴线上半周为电流流出，则下半周为电流流入，电枢电流建流流出，则下半周为电流

27、流入，电枢电流建立沿电刷轴线的电枢磁动势。立沿电刷轴线的电枢磁动势。直轴几何中心线交轴aF负载时直流电机电枢磁动势负载时直流电机电枢磁动势DiZAaa取取 ，A称为电负荷。称为电负荷。1、交轴电枢磁动势、交轴电枢磁动势 电枢绕组总元件数电枢绕组总元件数S，总导体数，总导体数Za=2S。ia为导体电流，为导体电流，D为电枢外径。电枢表面单位为电枢外径。电枢表面单位长度的安培导体数（磁动势）为长度的安培导体数（磁动势）为 。DiZaa直轴几何中心线交轴aF负载时直流电机电枢磁动势负载时直流电机电枢磁动势电刷放在几何中心线上，电枢磁动势只有交轴磁动势。电刷放在几何中心线上，电枢磁动势只有交轴磁动势。

28、2 AFaq 电枢气隙磁压降沿电枢表电枢气隙磁压降沿电枢表面呈三角形分布，在几何中心面呈三角形分布，在几何中心线处得交轴电枢气隙磁压降最线处得交轴电枢气隙磁压降最大值：大值： 极极安安AxxAxfa22122x 假设磁路不饱和，忽略铁心磁位降假设磁路不饱和，忽略铁心磁位降,一个回路过两次气隙，则一个回路过两次气隙，则x点气隙磁压降：点气隙磁压降：0 xx22 xfa2A0 xbaxAxDiZaa22 将电枢从几何中心线处展开，取一直轴和电枢表面的交点为将电枢从几何中心线处展开，取一直轴和电枢表面的交点为原点，取过原点，取过+x和和-x的闭合回路，根据安培环路定律，闭和回路电的闭合回路，根据安培

29、环路定律，闭和回路电枢磁动势为枢磁动势为 。负载时直流电机电枢磁动势负载时直流电机电枢磁动势2、直轴电枢磁动势、直轴电枢磁动势bAFad直轴分量：直轴分量：bAbAFaq222交轴分量：交轴分量： 将电刷从几何中心线移过将电刷从几何中心线移过角，电枢磁动势方向将同时离开交轴角，电枢磁动势方向将同时离开交轴（几何中心线）（几何中心线）角，这时电枢磁动势分解为交轴和直轴两个分量。角，这时电枢磁动势分解为交轴和直轴两个分量。直直轴轴交轴交轴baF=直直轴轴交轴交轴baqFb直直轴轴交轴交轴badFb 取电刷轴线跟交轴的对称线，则交轴两侧弧长为取电刷轴线跟交轴的对称线，则交轴两侧弧长为2b范围内电流产

30、范围内电流产生直轴电枢磁动势，生直轴电枢磁动势，直轴两侧弧长为直轴两侧弧长为-2-2b范围内电流产生交轴电枢范围内电流产生交轴电枢磁动势。磁动势。负载时直流电机电枢磁动势负载时直流电机电枢磁动势三、电枢反应三、电枢反应1、交轴电枢反应、交轴电枢反应电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的反应。电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的反应。气隙磁场为合成磁场：气隙磁场为合成磁场：abbb0 xxfxbaa0 电刷在几何中性线上时，电枢电刷在几何中性线上时，电枢磁动势为交轴磁动势，电枢磁场沿磁动势为交轴磁动势，电枢磁场沿电枢表面的分布为：电枢表面的分布为： 为距原点为距原点x处的气隙长度处的气隙长度和

31、电枢磁场。极靴下气隙小，基本和电枢磁场。极靴下气隙小，基本均匀，气隙电枢磁场随磁压降的增均匀，气隙电枢磁场随磁压降的增大而增大。极间气隙较大，磁阻大，大而增大。极间气隙较大，磁阻大，电枢磁场削弱很大。结果交轴电枢电枢磁场削弱很大。结果交轴电枢磁场曲线呈马鞍形分布。磁场曲线呈马鞍形分布。 xbxa,0 x0 xba0b发电机电动机NS xaqF xba xb负载时直流电机交轴电枢反应负载时直流电机交轴电枢反应1）每个主极面下的磁场一半被削弱，另一半被加强。）每个主极面下的磁场一半被削弱，另一半被加强。交轴电枢反应使气隙合成磁场有如下特点：交轴电枢反应使气隙合成磁场有如下特点：几何中心线NS发电机

32、电动机物 理中性线电动机，物理中性线逆电机旋转方向移过电动机，物理中性线逆电机旋转方向移过角。角。发电机，物理中性线顺电机旋转方向移过发电机，物理中性线顺电机旋转方向移过角。角。2）几何中性线处径向磁场不为零。）几何中性线处径向磁场不为零。 实际的径向磁场为零的点偏移了实际的径向磁场为零的点偏移了一个角一个角，把通过圆心和电枢表面径，把通过圆心和电枢表面径向磁场等于零的所连接的直线称为物向磁场等于零的所连接的直线称为物理中性线。理中性线。 对于被加强的一半，磁饱对于被加强的一半，磁饱和使磁密增加量不多，对于被和使磁密增加量不多，对于被减弱的一半，没有磁饱和效应，减弱的一半，没有磁饱和效应，气隙

33、磁场减小量与磁路不饱和气隙磁场减小量与磁路不饱和时一致。时一致。 结果结果交轴电枢反应有去磁交轴电枢反应有去磁效应。效应。3）磁路线性时，每极总的气隙磁通不变。）磁路线性时，每极总的气隙磁通不变。0 x0 xba0b发电机电动机NS xaqF xba xb负载时直流电机交轴电枢反应负载时直流电机交轴电枢反应磁路饱和时，每极总的气隙磁通减小。磁路饱和时，每极总的气隙磁通减小。2、直轴电枢反应、直轴电枢反应由于直轴电枢磁动势的轴线与主极轴线重合，由于直轴电枢磁动势的轴线与主极轴线重合，电刷离开几何中性电刷离开几何中性线时，同时出现交轴反应和直轴反应。线时，同时出现交轴反应和直轴反应。对于发电机状态

34、对于发电机状态:当电刷逆着转子电枢旋转的方向从当电刷逆着转子电枢旋转的方向从几何中心线移过一个角度几何中心线移过一个角度时，电时，电枢磁动势的直轴分量枢磁动势的直轴分量Fad的方向与主的方向与主极磁动势相同，使主极下磁通增大，极磁动势相同，使主极下磁通增大，起增磁作用。起增磁作用。当电刷顺着电枢旋转的方向从几何当电刷顺着电枢旋转的方向从几何中心线移过一个角度中心线移过一个角度时，时， Fad与主与主极磁动势反向，起去磁作用。极磁动势反向，起去磁作用。电动机效果与发电机相反。电动机效果与发电机相反。aFbbNS发电机电动机aqFadFadFfFadF电刷不在几何中心线时的直轴电枢反应直轴反应表现

35、为：直轴反应表现为：aFbbNS发电机电动机aqFadFadFfFadF电刷不在几何中心线时的直轴电枢反应第四节第四节 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩lvbev切割速度，切割速度，l导体有效长度，导体有效长度， b导体所在处气隙磁密。导体所在处气隙磁密。 每根元件导体中的感应电动势为：每根元件导体中的感应电动势为：一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势转子旋转，电枢导体切割气隙磁场，电枢绕组就感应电动势。转子旋转，电枢导体切割气隙磁场，电枢绕组就感应电动势。vvbNS电动机发电机avBeT直流电机气隙磁场直流电机气隙磁场eT aZaavaxbaZB212

36、1avaaBaZlvE2602npv ，极距，极距，2p电枢周长。电枢周长。 aBZxbavaaZa221平均磁密在电机设计时根据电机性能价格比给出。平均磁密在电机设计时根据电机性能价格比给出。平均磁密约等于平均磁密约等于 个导体处磁密的平均值个导体处磁密的平均值aZa2 aZaZaaaxblvlvbE2121电枢绕组电动势：电枢绕组电动势： a2aZa2电枢绕组总导体数电枢绕组总导体数Za，支路数，支路数 ，叠绕组串联支路导体数，叠绕组串联支路导体数 。lBaZpnBaZnplEavaavaa26022602ffIk260nfafffeeaIGIkCnCE260feafkCG260不考虑磁饱

37、和：不考虑磁饱和：napZa60总电枢电动势：总电枢电动势：nCellBav 每极气隙有效面积，每极气隙有效面积， 每极总磁通量，每极总磁通量，apZCae60电动势常数。电动势常数。运动电动势系数运动电动势系数vvbNS电动机发电机avBeT直流电机气隙磁场直流电机气隙磁场eT二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩2DlibTac则该处导体受到的电磁转矩为：则该处导体受到的电磁转矩为：电枢表面一处气隙磁密为电枢表面一处气隙磁密为 ，导体电流为导体电流为 ，baibilf 载流导体受到的电磁力为：载流导体受到的电磁力为：电刷在几何中性线上，元件为整距。每极下电流方向相同，取一个电刷在几何

38、中性线上，元件为整距。每极下电流方向相同，取一个极下载流导体进行电磁转矩计算。极下载流导体进行电磁转矩计算。vvbNS电动机发电机avBeT直流电机气隙磁场直流电机气隙磁场eT2222DliBpZBpZDliTavaavaaap pZapZapaaxbDliDlibT212122一个极下载流导体上的电磁转矩：一个极下载流导体上的电磁转矩：一个极下载流导体数为一个极下载流导体数为Za/2p， pBZxbavapZa221aIiaa2lBavpDpD22lBIaZppaIlBZTavaaavaae22afafaffTaTeIIGIIkCICTffIk不计磁饱和：不计磁饱和：22DliBZTpTav

39、aape电机总转矩：电机总转矩：aTIC aaIaZp2aZpCaT2直流电机转矩常数直流电机转矩常数第五节第五节 直流电机的基本方程直流电机的基本方程aII fffIRUaaaaaaaRIURIRIUURIUE2aaasaaRIEURIEU2 2）电动机：输入电流作为电枢电流正方向）电动机：输入电流作为电枢电流正方向电枢回路：电枢回路：励磁回路：励磁回路：1、他励直流电机、他励直流电机 一、电压方程一、电压方程1）发电机：输出电流作为电枢电流正方向）发电机：输出电流作为电枢电流正方向aIaEU发电机fUfIfRaRaIaEUfUfIfR电动机aR他励直流电机电路图他励直流电机电路图aaasa

40、aRIEURIEU2faIII电动机：电动机：aaaaaRIUURIUE2faIII发电机：发电机：电枢回路：电枢回路：UUf励磁回路：励磁回路：2、并励直流电机（励磁绕组并接于电枢绕组两端）、并励直流电机（励磁绕组并接于电枢绕组两端）fI GaI MaI MI GInaEU 并励直流电机并励直流电机IIIsa3、串励直流电机：、串励直流电机：IIIIsfa4、复励直流电机：、复励直流电机：ssaaaRIRIEU电动机：电动机：ssaaaRIRIEU电动机：电动机：sIaInaEU 串励直流电机串励直流电机IfIsIInaEU aI复励直流电机二、转矩方程转矩方程02TTTe 电能变为机械，负

41、载转矩为阻力矩，电磁转矩是驱动转矩。电能变为机械，负载转矩为阻力矩，电磁转矩是驱动转矩。电动机：电动机：01TTTe 机械能变为电能，原动机提供驱动转矩，电磁转矩是制动转矩。机械能变为电能，原动机提供驱动转矩，电磁转矩是制动转矩。发电机：发电机：aaaaaaaaeIapZIapZInapZIEP22606060eTaaIE ：原动机为克服电磁转矩而输入电机的机械功率，：原动机为克服电磁转矩而输入电机的机械功率， ：电枢发出的电功率。：电枢发出的电功率。 发电机：发电机：aaIEeT ：电枢中感应电动势所吸收的电功率，：电枢中感应电动势所吸收的电功率， ：电磁转矩对机械负载所作的机械功率。：电磁

42、转矩对机械负载所作的机械功率。电动机：电动机：1、电磁功率、电磁功率三、电磁功率和功率方程三、电磁功率和功率方程eT电磁功率两种表达式的意义：电磁功率两种表达式的意义：UUffaIIIaaaRIEUaaeaacuaffffcufIEPIRPRIIUPUIP电枢总铜耗，电枢总铜耗，励磁铜耗，励磁铜耗，总电功率，总电功率，221杂散损耗杂散损耗铁耗铁耗机械损耗机械损耗PPPPFe021PPPPPPPFecuacuf 结果：结果：0202PPPTTTee有：有：02TTTe 根据转矩方程：根据转矩方程：ecuacufPPPP1功率式：功率式：aaaaffaaaaffafIEIRIUIEIRIUIIU

43、UI2 输入功率：输入功率： 1）并励电动机：）并励电动机：2、功率方程、功率方程2）并励发电机）并励发电机eePPPTTT 01012PPPPcuacufe201PPPPPPPPPcuacufFee结果：结果：P2发电机端点输出功率。发电机端点输出功率。P1原动机输入发电机的机械功率。原动机输入发电机的机械功率。并励电动机P2机械功率 P pFePCufPCuaP eeTPUIP 1并励发电机并励发电机P1机械功率机械功率 P pFePCufPCuaPaaeIEP UIP 2 fafeaIGnCE0aaIUE, 空载运行；空载运行；UEa若：若：有电流从正极性电刷流向电网，发电机运行；有电流

44、从正极性电刷流向电网，发电机运行；接在电网上一台直流电机：接在电网上一台直流电机：四、直流电机的可逆性四、直流电机的可逆性fI GaI MaI MI GInaEU 直流电机在电网上的可逆运行直流电机在电网上的可逆运行UEa若：若：有电流从电网流向正极性电刷，电动机运行；有电流从电网流向正极性电刷，电动机运行；第六节第六节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性feeaIfnCnCEU000 fIf0nCe空载特性和磁化曲线空载特性和磁化曲线 只差比例常数只差比例常数 。fIfU 0n=nN=常值，常值，I=0时，电枢的空载端电压与励磁电流之间的关系时，电枢的空载端电压与励磁电流之间的关系 。

45、1、空载特性：、空载特性：一、他励发电机的运行特性一、他励发电机的运行特性运行特性：空载特性、外特性、调整特性、效率特性。运行特性：空载特性、外特性、调整特性、效率特性。使使调调NfaNUUIEUnn3111000.,)()(,0000000000UUIIUUIIfUIUIffUIUIfffff空载特性的实验法测取：空载特性的实验法测取：空载实验接线空载实验接线fIaEGAVfU空载特性曲线fI00UNUA找出磁滞洄线的平均曲线即为直流电机的空载曲线。找出磁滞洄线的平均曲线即为直流电机的空载曲线。 直流电机磁化后，切断励磁电流，磁直流电机磁化后，切断励磁电流，磁路中仍有剩磁。电枢旋转时会出现由

46、剩磁路中仍有剩磁。电枢旋转时会出现由剩磁通感应的剩磁感应电动势通感应的剩磁感应电动势 。rU0NrUU%4202）计磁路饱和，特性曲线为下降略有增加的曲线。）计磁路饱和，特性曲线为下降略有增加的曲线。 1）电刷在几何中性线，不计磁路饱和，）电刷在几何中性线，不计磁路饱和， ，为一比水平线略低的直线。，为一比水平线略低的直线。 UIaaaeaaaRInCRIEU电压方程：电压方程：2、外特性：、外特性：他励发电机外特性实验接线fI GaI GIaEGAVQLRAfUn=nN=常值，常值，If=IfN=常值时，电枢的负载端电压与负载电流之间的关系常值时，电枢的负载端电压与负载电流之间的关系 。 I

47、fU 他励发电机特性oNIIU0UNU 3）额定电压调整率：）额定电压调整率：时端电压变化率。时端电压变化率。0IIIInnNfNfN,NaakIREI3020 在额定励磁下短路时，由于在额定励磁下短路时，由于电枢电阻较小，短路电流很大。电枢电阻较小，短路电流很大。他励发电机特性oNIIU0UNU%10%5%1000UUUUNNN 负载变化时端电压变化不大，他励电机基本可看作是一恒压直流电源。负载变化时端电压变化不大，他励电机基本可看作是一恒压直流电源。3、调整特性：、调整特性：aaeaaaRInCRIEUfNNNNInnUUII时的时的,额定励磁电流额定励磁电流IfN： IfIfn=nN，保

48、持，保持U=UN，负载电流变化时，励磁电流的调节规律，负载电流变化时，励磁电流的调节规律 。并励发电机调整特性曲线并励发电机调整特性曲线0fIfNINII 原因：原因：负载电流增加时，电枢反应负载电流增加时，电枢反应使气隙磁通减小，感应电动势减小，使气隙磁通减小，感应电动势减小，同时电枢电阻压降增加，为保证端电同时电枢电阻压降增加，为保证端电压不变，必须增加励磁电流。压不变，必须增加励磁电流。aasffaFeasffaFeUIIUIURIPPPIUIURIPPPPP2211221可变损耗等于不变损耗时有最大值。可变损耗等于不变损耗时有最大值。%90%70N %96%91N 大型直流发电机：大型

49、直流发电机：小型直流发电机：小型直流发电机：石墨电刷石墨电刷2Us=2V；金属石墨电刷；金属石墨电刷2Us=0.6V。4、效率特性：、效率特性：n=nN=常值，常值，U=UN=常值，效率与输出功率关系。常值，效率与输出功率关系。二、并励发电机的自励和外特性二、并励发电机的自励和外特性 fafrIEIE 励磁与剩磁同向并励电枢旋转回授励磁绕组有剩磁0并励发电机电枢端电压的建立过程：并励发电机电枢端电压的建立过程：1、并励发电机的自励、并励发电机的自励fIGaIGIaEGAAVQLR并励发电机实验接线AA空载运行点：空载运行点：由自励时发电机的空载特性由自励时发电机的空载特性 和励和励磁回路的伏安

50、特性磁回路的伏安特性 的交点来确定。的交点来确定。00faIfEffafRIEU00并励发电机稳态时的空载电压ffaRIE00 rE00aEA 00faIfE 0fI0临界电阻线励磁电阻线fffafaeaIRIGEnCE00不计饱和不计饱和临界励磁电阻与转速有关。临界励磁电阻与转速有关。crfRR 与空载特性曲线相切的电阻与空载特性曲线相切的电阻线电阻称为临界电阻线电阻线电阻称为临界电阻线电阻Rcr： 励磁回路伏安特性曲线又叫励磁电阻线，其斜率较大时空载电励磁回路伏安特性曲线又叫励磁电阻线，其斜率较大时空载电压较低或建立不起来。压较低或建立不起来。并励发电机稳态时的空载电压ffaRIE00 r

51、E00aEA 00faIfE 0fI0临界电阻线励磁电阻线 3）励磁回路总电阻必须小于临界电阻。）励磁回路总电阻必须小于临界电阻。 2）励磁磁动势与剩磁两者方向必须相同；）励磁磁动势与剩磁两者方向必须相同； 1）气隙中必须有剩磁；）气隙中必须有剩磁；并励发电机的自励条件：并励发电机的自励条件：并励发电机稳态时的空载电压ffaRIE00 rE00aEA 00faIfE 0fI0临界电阻线励磁电阻线2、并励发电机的外特性、并励发电机的外特性 IfU n=nN=常值，常值，Rf=常值时，电枢的负载端电压与负载电流之间的关系。常值时，电枢的负载端电压与负载电流之间的关系。 并励发电机外特性0U0UNU

52、NII他励并励fI GaI GIaEGAAVQLR并励发电机实验接线AAfffIRUUaaeRInCUUIUIfa%20NU 1）负载增大时，端电压下降较快；）负载增大时，端电压下降较快；并励发电机外特性的三个特点：并励发电机外特性的三个特点：并励发电机外特性0U0UNUNII他励并励并励发电机外特性的三个特点：并励发电机外特性的三个特点：2）外特性有拐弯现象；）外特性有拐弯现象；fffIRUUaaeRInCULRUI 一般拐点电流值一般拐点电流值23INUIUUIRUIRfILILff 不饱和励磁曲线000FfI流流为为一一较较小小值值。到到负负载载短短路路时时，负负载载电电时时，负负载载电

53、电流流减减小小；载载当当电电压压下下减减速速度度快快于于负负LRarkfREIIU000,并励发电机允许短路并励发电机允许短路3）稳态短路时短路电流不大。）稳态短路时短路电流不大。并励发电机外特性0U0UNUNII他励并励三、复励发电机的运行特性三、复励发电机的运行特性串励磁动势与并励磁动势方向相反。串励磁动势与并励磁动势方向相反。主要用于直流电焊机。主要用于直流电焊机。2、差复励：、差复励：ssaaeRIRInCU串励磁动势与并励磁动势方向相同。串励磁动势与并励磁动势方向相同。1、积复励：、积复励：复励发电机分：复励发电机分：复励发电机接线图fIsIInaELR aIAAVQ串励并励串励磁动

54、势的补偿作用不足，外特性仍微有下降。串励磁动势的补偿作用不足，外特性仍微有下降。串励磁动势的补偿作用过多，外特性上翘。串励磁动势的补偿作用过多，外特性上翘。 串励绕组的作用在额定运行时恰好补偿电枢反应的去磁串励绕组的作用在额定运行时恰好补偿电枢反应的去磁作作 用和电枢电阻压降用和电枢电阻压降3）欠复励：）欠复励：2）过复励：）过复励：1)平复励：平复励：复励发电机外特性oUNUNII过复励欠复励平复励差复励并励复励发电机分：复励发电机分：第七节第七节 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性aaeaaaRInCRIEUaeTaTeRnCUCICTeeeTaeTnTCCRCUn02eTaCCR机

55、械特性斜率机械特性斜率eCUn0理想空载转速：理想空载转速： Tfn 电动机加上一定的电压电动机加上一定的电压U和一定的励磁电和一定的励磁电流流 If 时，转速时，转速n与电动机电磁转矩与电动机电磁转矩T的关。的关。1、机械特性（转矩、机械特性（转矩转速特性）：转速特性）：一、他励直流电动机的运行特性一、他励直流电动机的运行特性机械特性、工作特性机械特性、工作特性他励电动机实验接线fI MaIaEMAAVQfU固有的机械特性：固有的机械特性： UN、IfN，电枢回路没有串联任何电阻的机械特性。，电枢回路没有串联任何电阻的机械特性。#不考虑磁饱和时，特性曲线为直线。不考虑磁饱和时，特性曲线为直线

56、。#考虑磁饱和时，特性曲线上翘，影响考虑磁饱和时，特性曲线上翘，影响电动机的稳定运行。电动机的稳定运行。他励电动机运行特性NneTn0nNT0n0TeeeTaeTnTCCRCUn022、工作特性：、工作特性：22PfITnIfPTnaeae,或或 电动机加额定电压电动机加额定电压UN，带负载后，带负载后Ia、n、P2都达到额定值时的励磁电流。都达到额定值时的励磁电流。额定励磁电流额定励磁电流IfN： UN、IfN、电机带有机械负载，电动机、电机带有机械负载，电动机的转速的转速n、电磁转矩、电磁转矩Te、效率、效率以及输出功以及输出功率率P2与电枢电流与电枢电流Ia的关系。的关系。他励电动机实验

57、接线他励电动机实验接线fI MaIaEMAAVQfUeaaeaaeeaaCRInCRICUCRIUn0aaaRIEUnCEea1）转速特性）转速特性 aIfn %1000NNnnnn If=IfN时他励电机转速调整率：时他励电机转速调整率：nIa计磁饱和，计磁饱和，nIa不不变变不计磁饱和，不计磁饱和，nOaI0aIaNINn0n他励电机的工作特性他励电机的工作特性 aIfn n 很小。很小。，若若rIf 0aTeICTeeTaeTCCRCUn2电机轻载时转速迅速上升成电机轻载时转速迅速上升成飞车飞车，重载时，重载时Ia增大到增大到Ist，电机烧毁。，电机烧毁。他励电机在运行中励磁绕组绝对不能

58、断开。他励电机在运行中励磁绕组绝对不能断开。eaTI计及磁饱和，计及磁饱和，aTeICT不计磁饱和，不计磁饱和，Te与与Ia成直线关系。成直线关系。aeIfT 2）转矩特性）转矩特性aIfT 20aI0T他励电机的工作特性2PTe,输出转矩特性输出转矩特性02TTTe输出功率特性输出功率特性22TPaIfP 2aeIfT OaIaNIasFeaffasFeaffIUPPPRIIUPIUPPPRIIUPPP22112222%94%85N 大容量电机：大容量电机：%85%75N 小容量电机：小容量电机：aIf3）效率特性）效率特性aIfaeIfT OaIaNI二、串励电动机的运行特性二、串励电动机

59、的运行特性saIIIsaaesaaaRRInCRRIEUIRRnkCRRInIkCUsasesaassesaesTseRRUTkCkCn1机械特性：机械特性：22sasesTsTaTeRRnkCUkCIkCICT电磁转矩：电磁转矩：电机不过载，磁化曲线为线形，电机不过载，磁化曲线为线形， 。ssIk1、机械特性：、机械特性：U=UN时时n=f（Te）sIInaEU 串励电机实验接线图AV串励直流电动机的机械特性0neT 当当Te=0时，时， ，串励直流电动，串励直流电动机不允许空载运行，也不允许以平皮带机不允许空载运行，也不允许以平皮带传动方式带动负载。传动方式带动负载。0nsaesTseRR

60、UTkCkCn1机械特性：机械特性：2、工作特性、工作特性saaesaaaRRInCRRIEUsesaasessesaaesaakCRRIkCUIkCRRIUCRRIUn1IIIIkasss,不计磁饱和不计磁饱和1）转速特性：）转速特性：U=UN，n=f（Ia）或）或n=f（P2）aTeICTaTeICT 常常值值，负载电流大到磁路饱和：负载电流大到磁路饱和：22aTasTessICIkCTIk,磁路不饱和：磁路不饱和：2）转矩特性：）转矩特性： U=UN，Te=f（Ia）或）或Te =f（P2）%10041NNnnnn 转速调整率：转速调整率：计磁饱和：计磁饱和： 曲线将稍有提高。曲线将稍有