第3章直流电机

1、第三章 直流电机原理3.2 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3.3 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3.5 3.5 电枢电动势与电磁转矩的计算电枢电动势与电磁转矩的计算3.13.1 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理3.4 3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组3.6 3.6 直流发电机直流发电机3.8 3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性一、直流电机分类一、直流电机分类n直流发电机直流发电机机械能机械能

2、电能电能n直流电动机直流电动机电能电能机械能机械能n优点优点调速范围广，易于平滑调速；调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；启动、制动和过载转矩大；易于控制，控制可靠性较高。易于控制，控制可靠性较高。二、直流电机优缺点二、直流电机优缺点n缺点缺点主要是换向问题导致。主要是换向问题导致。结构复杂；结构复杂；成本较高；成本较高；可靠性较差。可靠性较差。二、直流电机优缺点二、直流电机优缺点使它的应用受到限制使它的应用受到限制直流电动机工作原理直流电动机工作原理fBli电磁力定律：电磁力定律：直流电动机工作原理直流电动机工作原理不能连续旋转不能连续旋转能连续旋转能连续旋转能连续旋转能连续旋

3、转 换向器配合电刷对电流换向。换向器配合电刷对电流换向。 换向器和电刷的存在使得直流电动机能够实现连换向器和电刷的存在使得直流电动机能够实现连续的旋转。续的旋转。 实际直流电动机的电枢有多个线圈。实际直流电动机的电枢有多个线圈。 线圈在电枢铁心表面的不同位置，线圈在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。的电枢绕组。NSK SNSNK SK NK 磁极根据需要磁极根据需要N、S极交替旋转多对。极交替旋转多对。 直流发电机工作原理直流发电机工作原理eBlv电磁感应定律：电磁感应定律： 直流发电机工作原理直流发电机工作原理n电刷端：电刷端

4、：直流直流n换向器：换向器：交流交流n实质上是带换向器的交流发电机。实质上是带换向器的交流发电机。直流电机的可逆性直流电机的可逆性n可逆原理可逆原理同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理。这种原理。一、直流电机的主要结构3.2 直流电机的主要结构与型号主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承（电枢）作用：产生磁场作用：产生电磁转矩和感应电动势一、直流电机的主要结构3.2 直流电机的主要结构与型号 定子定子转子转子端盖端盖1.定子定子:主磁极；主磁极； 换向磁极；换向磁极； 机座；电刷机座；电刷 主磁极主磁极换向磁极换

5、向磁极NSK SNSNK SK NK 1、主磁极 构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。作用：作用：在定转子之间的气隙中建立磁场在定转子之间的气隙中建立磁场, ,使电枢绕组在此磁场使电枢绕组在此磁场 的作用下感应电动势和产生电磁转矩的作用下感应电动势和产生电磁转矩。2 2、换向极、换向极 作用：作用：改善换向。改善换向。 构成：构成：亦由铁心和绕组组成。亦由铁心和绕组组成。一、直流电机的主要结构3.2 直流电机的主要结构与型号磁极组成磁极组成低碳钢片（低碳钢片（11.5mm）叠装）叠装励磁绕组励磁绕组磁极磁极电刷电刷刷架刷架电刷电刷刷架刷架换向器换向器

6、3 3、机座、机座 构成：构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2 2、电机的结构框架、电机的结构框架用来固定主磁极、用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用换向极及端盖等，起机械支承的作用。4 4、电刷装置、电刷装置作用：作用：电枢电路的引出（或引入）装置，把转动的电枢绕组电枢电路的引出（或引入）装置，把转动的电枢绕组 与静止的外电路相连接。与静止的外电路相连接。 构成：构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。电刷、刷盒、刷杆和连线等。一、直流电机的主要结构3.2 直流电机的主要结构与型号电枢铁心硅钢片

7、电枢铁心硅钢片(0.5mm)电枢铁心电枢铁心2.转子转子:电枢铁芯电枢铁芯;电枢绕组；换向器电枢绕组；换向器转子下线转子下线转子转子5、电枢铁心作用：作用：1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。、电枢绕组的支撑部件。构成：构成：一般用厚一般用厚0.50.5且冲有齿、槽的且冲有齿、槽的DR530DR530或或DR510DR510的的 硅钢片叠压夹紧而成硅钢片叠压夹紧而成。6 6、电枢绕组、电枢绕组作用：作用：直流电机的电路部分。直流电机的电路部分。构成：构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘

8、，并用槽楔压紧。及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。一、直流电机的主要结构3.2 直流电机的主要结构与型号7、换向器作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V V形云形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。一、直流电机的主要结构3.2 直流电机的主要结构与型号二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n额定数据额定数据额定容量（功率），额定电压，额定电流，额额定容量（功率）

9、，额定电压，额定电流，额定转速，励磁方式和额定励磁电流。定转速，励磁方式和额定励磁电流。额定转矩，额定效率等；虽然不在铭牌上，但额定转矩，额定效率等；虽然不在铭牌上，但也是额定值。也是额定值。二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n额定电压额定电压UN（kV）在额定工况下，电机出线端的平均电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压。发电机：是指输出额定电压。发电机：是指输出额定电压。电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n额定电流额定电流 IN（A）在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。

10、二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n额定容量（功率）额定容量（功率） PN（kW）额定条件下，电机所能提供的功率。额定条件下，电机所能提供的功率。发电机：是指电刷间输出的电功率。发电机：是指电刷间输出的电功率。电动机：是指轴上输出的机械功率。电动机：是指轴上输出的机械功率。 N是电流电动机的额定效率。是直流电动机额定运行是电流电动机的额定效率。是直流电动机额定运行时，输出机械功率与电源输入电功率之比。时，输出机械功率与电源输入电功率之比。NNNPU INNNNPU I二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n额定转速额定转速 nN（r/min）在额定电压、额定电流下，运行于额定功

11、率时在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。对应的转速。二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n励磁方式励磁方式指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。n额定励磁电流额定励磁电流 IfN（A）对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。功率时的励磁电流。二、直流电机的铭牌数据二、直流电机的铭牌数据n额定转矩额定转矩 T2N（Nm）在电动机轴上输出。在电动机轴上输出。 不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。机。29.55260NNNNNNN

12、PPPTnn电机运行状态电机运行状态n额定状态额定状态所有物理量与额定值相同。所有物理量与额定值相同。n欠载运行欠载运行电机的运行电流小于额定电流。电机的运行电流小于额定电流。n过载运行过载运行运行电流大于额定电流。运行电流大于额定电流。长期欠载运行将造成电机浪费，长期欠载运行将造成电机浪费， 长期过载运行会缩短电机的使用寿命。长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。好。运行注意：运行注意：n对于直流电机而言，它的电刷和换向器上对于直流电机而言，它的电刷

13、和换向器上分别是（分别是（ ）A电刷端和换向器上都是直流电刷端和换向器上都是直流B电刷端和换向器上都是交流电刷端和换向器上都是交流C电刷端上是直流，换向器上是交流电刷端上是直流，换向器上是交流D电刷端上是交流，换向器上是直流电刷端上是交流，换向器上是直流 Cn直流电机中，额定功率指的是（直流电机中，额定功率指的是（ ）A直流电动机和直流发电机都是指电刷间输出的电功率直流电动机和直流发电机都是指电刷间输出的电功率B直流电动机和直流发电机都是指轴上输出的机械功率直流电动机和直流发电机都是指轴上输出的机械功率C直流电动机是指电刷间输出的电功率，直流电动机是指电刷间输出的电功率， 直流发电机是指轴上输

14、出的机械功率直流发电机是指轴上输出的机械功率.D直流电动机是指轴上输出的机械功率，直流电动机是指轴上输出的机械功率， 直流发电机是指电刷间输出的电功率直流发电机是指电刷间输出的电功率. Dn一台直流发电机，其额定功率一台直流发电机，其额定功率PN145kW，额，额定电压定电压UN230V，额定效率，额定效率N90% ，则该，则该发电机的输入功率发电机的输入功率P1和额定电流和额定电流IN的值是（的值是（ ）A145kW，630.4A； B130.5kW，567.4A；C161kW，630.4A； D161kW，700A。 Cn电机运行时，电机的运行电流小于额定电电机运行时，电机的运行电流小于额

15、定电流的运行状态称为流的运行状态称为_运行；运行；运行电流大于额定电流的运行状态称为运行电流大于额定电流的运行状态称为_运行。运行。n欠载，过载欠载，过载1 直流电枢绕组基本知识3.4 直流电机的电枢绕组电枢：电枢：直流电机中，能在磁场中转动的线圈是实现机直流电机中，能在磁场中转动的线圈是实现机电能量转换的枢纽。电能量转换的枢纽。直流电机的转子称为直流电机的转子称为电枢电枢。246NSn13578线圈利用率不高，产生的电磁转矩与感应电动势大小均不足。线圈利用率不高，产生的电磁转矩与感应电动势大小均不足。故，故，必须将所有线圈互相连接起来。必须将所有线圈互相连接起来。246NSn13578构成两

16、条并联支路构成两条并联支路n绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上，它是绕组的一个单元，称为向片上，它是绕组的一个单元，称为元件元件。5NS246n1378+-1、2和和5、6两个线圈被电刷短路；两个线圈被电刷短路；短路瞬间，此线圈的线圈边在两主极之间的磁密最小处。短路瞬间，此线圈的线圈边在两主极之间的磁密最小处。所感应的电动势最小或为零。所感应的电动势最小或为零。直流电机电枢绕组构成原则：直流电机电枢绕组构成原则：直流电机电枢绕组是一个通过换向片连接直流电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组。起来的闭合绕组。1 直流电枢绕组基本知识3.4 直流

17、电机的电枢绕组极轴线：磁极的中心线；极轴线：磁极的中心线；几何中性线：磁极之间的平分线；几何中性线：磁极之间的平分线； ：极对数；：极对数；p1 直流电枢绕组基本知识3.4 直流电机的电枢绕组主磁极主磁极换向磁极换向磁极NSK SNSNK SK NK 极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示表示。pD2元件跨距一个极距元件跨距一个极距2ZpZ为电枢总槽数为电枢总槽数元件元件：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。是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，元件的两个出线端分别接到

18、是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，元件的两个出线端分别接到两片换向片上，并与其他元件相连。一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下两片换向片上，并与其他元件相连。一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，因此，一个槽里总有上下层两个线圈边，称为双层绕组层，因此，一个槽里总有上下层两个线圈边，称为双层绕组元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中：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。一根称为首端，另一根称为末端。1 直流电枢绕组基本知识3.4 直流电机的电枢绕组叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠

19、在前：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。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联：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。起来，象波浪式的前进。合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下：连至同一换向片上的两个元

20、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。层边与第二个元件的上层边间的距离。2y21yyy单叠绕组单叠绕组21yyy单波绕组单波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky1 直流电枢绕组基本知识3.4 直流电机的电枢绕组2 单叠绕组 单叠绕组的特点单叠绕组的特点是相邻元件是相邻元件(线圈线圈)相互叠压相互叠压,合成节距与换向节合成节距与换向节距均为距均为1，即：，即： 。1kyy3.4 直流电机的电枢绕组 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

21、、电刷间的相对位置关系。2 单叠绕组3.4 直流电机的电枢绕组n已知直流电机的极数已知直流电机的极数2p4，槽数，槽数Q16，元件数元件数S16，换向片数，换向片数K16，画出它的，画出它的单叠绕组展开图。单叠绕组展开图。n放电刷原则：放电刷原则：正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小；这两个电刷所短路的元件中感应电动势最小；这两个要求实际上是一致的。要求实际上是一致的。n放电刷方法：放电刷方法：由于每个元件的几何形状对称，把电刷的中心由于每个元件的几何形状对称，把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。线对准主

22、极的中心线，就能满足上述要求。原因：原因： 被电刷短路的元件，其元件边永远处于两个主磁极被电刷短路的元件，其元件边永远处于两个主磁极之间的地方，因此，电刷所短路的元件中的感应电之间的地方，因此，电刷所短路的元件中的感应电动势为零。动势为零。单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：1） 同一主磁极下的元件同一主磁极下的元件串联成一条支路，串联成一条支路，主磁极数主磁极数=支路数（支路数（p=a）2）电刷数）电刷数=主磁极数主磁极数3）电枢电流）电枢电流=各支路电流之和各支路电流之和绕组的并联支路电路图绕组的并联支路电路图4）电枢电动势）电枢电动势=支路感应电动势支路感应电动势2 单叠绕组3.4 直流

23、电机的电枢绕组 3 单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。 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。3.4 直流电机的电枢绕组单波绕组的特点单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数组成一条支路，支路对数为为1，与磁极对数无关；，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）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；磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；）电刷

24、数等于磁极数；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；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。并联支路图并联支路图 3 单波绕组3.4 直流电机的电枢绕组n一个四极的直流电机，它的电枢绕组采用一个四极的直流电机，它的电枢绕组采用单叠绕组，则它的支路对数是（单叠绕组，则它的支路对数是（ ）A1B2C3D4Bn某台直流单叠绕组的他励直流电动机，额定某台直流单叠绕组的他励直流电动机，额定运行时的运行时的IN120A，并知该电机为，并知该电机为6极，则极，则此时该电机绕组中每条支路电流为（此时该电机绕组中每条支路电流为（）AA10；B20；C40；D

25、60。Bn直流电机电枢绕组的极距指的是（直流电机电枢绕组的极距指的是（ ）A被联接起来的两个元件边之间的距离被联接起来的两个元件边之间的距离B相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离距离C一个元件的两个有效边在电枢表面跨过一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离的距离D联接同一换向片上的两个元件对应边之联接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离间的距离Bn直流电机为了在正、负电刷之间得到最大的感应电直流电机为了在正、负电刷之间得到最大的感应电动势，放电刷方法不正确的是（动势，放电刷方法不正确的是（ ）A电刷在换向器表面上位置对准主磁极的中心线电刷在换向器表面上位

26、置对准主磁极的中心线B被电刷所短路的元件，它的两个元件边仍然位于几被电刷所短路的元件，它的两个元件边仍然位于几何中性线处何中性线处C电刷位于主磁极中心线和几何中性线之间电刷位于主磁极中心线和几何中性线之间D被电刷短路的元件，永远处于两个主磁极之间的地被电刷短路的元件，永远处于两个主磁极之间的地方方nCn定义定义供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。n分类分类他励他励自励自励 并励并励 串励串励 复励复励3.3 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一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式他励直流电

27、机他励直流电机n直流电机的励磁电流由其它直流电源单独直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。供给。aIIGUUfIFaII 他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：自励直流电机自励直流电机n直流电机的励磁电流由电机自身供给。直流电机的励磁电流由电机自身供给。n并励直流电机并励直流电机 发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。满足满足 。 afIIIfIFIGUaI自励直流电机自励直流电机n串励直流电机串励直流电机 发电机的励磁绕组与电枢绕组串联。发电机的励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足 。 afIIIGIaIfIFU自励

28、直流电机自励直流电机n复励直流电机复励直流电机 并励和串励两种励磁方式的结合。并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，电机有两个励磁绕组， 一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组串联， 一个与电枢绕组并联。一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF复励直流电机复励直流电机二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场当励磁绕组的串联匝数当励磁绕组的串联匝数为为 ，流过电流为，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF 电枢电流约为电枢电流约为0，无负载；此时只有，无负载；此时只有励磁绕组励磁绕组单独作用。单独作用。空载磁场的分布空

29、载磁场的分布主磁通主磁通漏磁通漏磁通NS 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%。磁力线由磁力线由N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢铁心、再经过气隙进入电枢铁心、再经过气隙进入S极，再经定子铁轭回到极，再经定子铁轭回到N极极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁

30、心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路二、直流电机的空载磁场主磁通（主磁路）主磁通（主磁路）漏磁通（漏磁通（漏漏磁路）磁路）数量数量多多少少作用作用能量转换能量转换增加磁路饱和增加磁路饱和线性度线性度非线性非线性线性线性路径路径定子定子N极极气隙气隙转子电枢齿转子电枢齿转子转子磁轭磁轭转子电枢齿转子电枢齿气隙气隙定子定子S极极定子磁轭定子磁轭 定子定子N极极 定子磁极、磁轭、定子磁极、磁轭、周围空气周围空气交链交链定子、转子（电枢）定子、转子（电枢）定子定子 空载时，空载时，当忽略铁磁材料的磁阻时，当忽略铁磁材料的磁

31、阻时，励磁磁动势主要消耗在气励磁磁动势主要消耗在气隙上。隙上。 主磁极下主磁极下气隙磁通密度的分布气隙磁通密度的分布就取决于就取决于气隙的大小和形状气隙的大小和形状。几何中性线极靴极身（a）气隙形状二、直流电机的空载磁场 磁极中心及附近磁极中心及附近的气隙小的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本且均匀，磁通密度较大且基本为常数；为常数； 靠近极尖处靠近极尖处，气隙逐渐变，气隙逐渐变大，磁通密度减小；大，磁通密度减小； 极尖以外极尖以外，气隙明显增大，气隙明显增大，磁通密度显著减少；磁通密度显著减少； 在磁极之间的几何中性线在磁极之间的几何中性线处处，气隙磁通密度为零。，气隙磁通密度为零。空载时的气

32、隙磁通密度为一空载时的气隙磁通密度为一平顶波：平顶波： 空载时主磁极磁通的分布情况空载时主磁极磁通的分布情况二、直流电机的空载磁场 空载时，气隙磁通空载时，气隙磁通 与空载磁与空载磁动势动势 或空载励磁电流或空载励磁电流 的关系，的关系，称为直流电机的空载磁化特性。称为直流电机的空载磁化特性。00fF0fI 一般直流电机额定运行时，额定一般直流电机额定运行时，额定磁通磁通 设定在图中设定在图中A点点，即在，即在磁化特磁化特性曲线开始进入饱和区的位置性曲线开始进入饱和区的位置。N0fIAfNI0fF0N0三、直流电机负载时的磁场及电枢反应 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流直流电机带

33、上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为产生的磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。 电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。 电机中的气隙磁场是由电机中的气隙磁场是由励磁磁动势励磁磁动势和和电枢磁动势电枢磁动势共同建共同建立而产生的。立而产生的。 从空载到负载，气隙磁场变化了，即电枢磁动势对气从空载到负载，气隙磁场变化了，即电枢磁动势对气隙磁场产生了影响。隙磁场产生了影响。 电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应电枢反应。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应一台电刷放在几何中性线的两极直流一台电刷放在几何中性线的

34、两极直流电机的电枢磁场分布：电机的电枢磁场分布： 设励磁电流为零，只有电枢电流。设励磁电流为零，只有电枢电流。 电刷和换向器的作用，使电枢转动电刷和换向器的作用，使电枢转动时，每个磁极下元件边中的电流方向时，每个磁极下元件边中的电流方向不变。不变。 电枢磁动势和它建立的电枢磁场电枢磁动势和它建立的电枢磁场是不动的，电枢磁动势的轴线与电刷是不动的，电枢磁动势的轴线与电刷轴线重合。轴线重合。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应 先讨论一个元件产生的电枢磁动势。先讨论一个元件产生的电枢磁动势。每极下有每极下有4个元件边，均个元件边，均匀分布在电枢表面上：匀分布在电枢表面上：将将4个矩形波叠加

35、起来，个矩形波叠加起来，就得到一个阶梯形波。就得到一个阶梯形波。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应每极下有每极下有4个元件边，均个元件边，均匀分布在电枢表面上：匀分布在电枢表面上：将将4个矩形波叠加起来，个矩形波叠加起来，就得到一个阶梯形波。就得到一个阶梯形波。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应 如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上有有无穷多无穷多整距元件分布，则电整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈分布呈三角波三角波。axF 三角形波的幅值为：三角形波的幅值为：三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应22222ayaax

36、ai NNiSAFpD式中，式中， 为每个元件的匝数；为每个元件的匝数； 为元件数；为元件数； 为电枢绕组总导体数；为电枢绕组总导体数； 为线负荷。为线负荷。yNNSA 由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，气隙长度增加得很快， 致使致使电枢磁动势产生的气电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型隙磁通密度为对称的马鞍型。axBaxF三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应0axaxFB三、直流电机负载时的磁场及的电枢反三、直流电机负载时的磁场及的电枢反应应xB0axBxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度

37、分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线 当励磁绕组中有励当励磁绕组中有励磁电流，磁电流，电机带上负载电机带上负载后，气隙中的磁场是励后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢磁场对气隙磁场的影响称为电电枢反应枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。电枢反应与电刷的位置有关。当电刷在几何中性线上时，将主磁当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况。到负载后电机的磁场分布情况。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应及电枢反应三、直

38、流电机负载时的磁场及的电枢反应三、直流电机负载时的磁场及的电枢反应 将合成的磁密分布图同主磁通磁密分布图比较，可以看出电枢反应的特点特点： 2) 对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用1) 使气隙磁场发生磁场歪扭（畸变）使气隙磁场发生磁场歪扭（畸变） 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，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 角，磁通密度的曲线与空载时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，磁路总是饱和的。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

39、加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电枢反应为去磁性质。n下面有关直流电机空载运行的漏磁通说法错误的下面有关直流电机空载运行的漏磁通说法错误的是（是（ ）A同时链着励磁绕组和电枢绕组同时链着励磁绕组和电枢绕组B数量上比主磁通要小，大约是主磁通的数量上比主磁通要小，大约是主磁通的20左左右右C在空载运行时，产生的漏磁通不进入电枢铁心在空载运行时，产生的漏磁通不进入电枢铁心D只能增加主磁极磁路的饱和程度，不能在电枢只能增加主磁极磁路的饱和程度，不能在电枢绕组中感应电动势等绕组中感应电动势等An实际直流电动机的磁极内表面与电枢铁心外表面之实际直流电动机的磁极内表面与电枢铁心外表面之间的气隙不

40、均匀，此处气隙的磁密分布情况是间的气隙不均匀，此处气隙的磁密分布情况是（ ）A磁极中心附近的磁密大，两极尖处磁密小，两极磁极中心附近的磁密大，两极尖处磁密小，两极之间的几何中心线处的磁密等于零；之间的几何中心线处的磁密等于零；B磁极中心附近的磁密、两极尖处磁密以及两极之磁极中心附近的磁密、两极尖处磁密以及两极之间的几何中心线处的磁密一样大；间的几何中心线处的磁密一样大；C磁极中心附近的磁密大，两极尖处磁密和两极之磁极中心附近的磁密大，两极尖处磁密和两极之间的几何中心线处的磁密等于零；间的几何中心线处的磁密等于零；D磁极中心附近的磁密小，两极尖处磁密大，两极磁极中心附近的磁密小，两极尖处磁密大，

41、两极之间的几何中心线处的磁密最大。之间的几何中心线处的磁密最大。 An下面说法正确的是（下面说法正确的是（ ）A极轴线指的是磁极之间的平分线，几何极轴线指的是磁极之间的平分线，几何中性线指的是磁极的中性线中性线指的是磁极的中性线B极轴线指的是磁极的中性线，几何中性极轴线指的是磁极的中性线，几何中性线指的是磁极之间的平分线线指的是磁极之间的平分线C极轴线和几何中性线都是指磁极之间的极轴线和几何中性线都是指磁极之间的平分线平分线D极轴线和几何中性线都是指磁极的中性极轴线和几何中性线都是指磁极的中性线线Bn为了得到最大的直流电势，直流电机中被电为了得到最大的直流电势，直流电机中被电刷所短路元件的元件

42、边位于（刷所短路元件的元件边位于（ ）处。）处。 A与极轴线成与极轴线成45； B与几何中性线成与几何中性线成45； C极轴线；极轴线； D几何中性线。几何中性线。Dn直流电机中的气隙磁场是由（直流电机中的气隙磁场是由（ ）产生的。）产生的。A励磁磁动势和电枢磁动势励磁磁动势和电枢磁动势B励磁磁动势励磁磁动势C电枢磁动势电枢磁动势D以上都不对以上都不对An直流电机负载运行时，电机内的磁场与空直流电机负载运行时，电机内的磁场与空载运行时相比（载运行时相比（ ）A没有什么变化没有什么变化B只是气隙磁场发生畸变只是气隙磁场发生畸变C只是对主磁场发生了去磁作用只是对主磁场发生了去磁作用D即使气隙磁场发

43、生畸变，又对主磁场起即使气隙磁场发生畸变，又对主磁场起去磁作用去磁作用Dn对于直流电动机，由于电枢绕组的旋转，对于直流电动机，由于电枢绕组的旋转，其电流产生的磁场也是旋转的。其电流产生的磁场也是旋转的。 n错错一、直流电机的感应电动势3.5 直流电机的感应电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为感应电动势。 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势是指电机正、负电刷之间的电势是指电机正、负电刷之间的电势 。电刷之间的电势即等于每一并联支路的电势。电刷之间的电势即等于每一并联支路的电势。 由电刷量得的电势，并非某几个固定元件的感应电势之和，而是位于电刷之间固定位

44、置的各个元件的感应电势之和。一、直流电机的感应电动势大小大小: :60aepZEnCna)(电动势常数为电机的结构常数其中60epZCa 若不计饱和影响，磁通与励磁电流成正比关系： 。 ffK I 则 ，其中aeeffaffECnC K I nGI602afefGC K一、直流电机的感应电动势性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).直流电机的感应电动势与直流电机的感应电动势与电机结构电机结构、气隙磁通气隙磁通及及转速转速有关。有关。若不计饱和影响，还与若不计饱和影响，还与励

45、磁电流励磁电流和和电枢机械角速度电枢机械角速度成正比。成正比。二、直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小: :2emaTapZTICIa制造好的直流电机其电磁转矩与制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通气隙磁通及及电枢电流电枢电流成正比。成正比。为电机的转矩常数，有其中2TpZCaeTCC55. 9二、直流电机的电磁转矩性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。二、直流电机的电磁转矩 若不计饱和影响，磁通与励磁电

46、流成正比关系： 。 ffK I emTaTffaaffaTCIC K I IG I I2afTffpZGC KKa得到：emaaaffaaffaemPE IG IIG I IT 称为电磁功率电磁功率其中 从电磁角度看从电磁角度看，电动机（或发电机）通过电磁感应作，电动机（或发电机）通过电磁感应作用，从电源吸取（或发出）电磁功率用，从电源吸取（或发出）电磁功率 ； 从机械角度看，从机械角度看，在电动机中，在电动机中， 为电动机的电磁转为电动机的电磁转矩对机械负载所作的机械功率，而在发电机中矩对机械负载所作的机械功率，而在发电机中 为原动为原动机克服制动电磁转矩所需输入电机的机械功率。机克服制动电

47、磁转矩所需输入电机的机械功率。aaE IemT emT 二、直流电机的电磁转矩2.6 直流电机的电枢电动势和电磁转矩emaaemPE IT电磁功率：电磁功率： 从电磁角度看，从电磁角度看，电动机（或发电机）通过电磁感应作用，从电电动机（或发电机）通过电磁感应作用，从电源吸取（或发出）电磁功率源吸取（或发出）电磁功率 ； 从机械角度看，从机械角度看，在电动机中，在电动机中， 为电动机的电磁转矩对机械为电动机的电磁转矩对机械负载所作的机械功率，而在发电机中负载所作的机械功率，而在发电机中 为原动机克服制动电磁为原动机克服制动电磁转矩所需输入电机的机械功率。转矩所需输入电机的机械功率。aaE Iem

48、TemTemaaemPE ITn一台他励直流电动机，由额定运行状态转一台他励直流电动机，由额定运行状态转速下降到原来的速下降到原来的80，而励磁电流、负载，而励磁电流、负载转矩不变，则（转矩不变，则（ ）AT下降到原来的下降到原来的80 Ea下降到原来的下降到原来的80 T 和和Ea都下降到原来的都下降到原来的80 D. 端电压下降到原来的端电压下降到原来的80nBn一台并励直流电动机，当施加到电枢两端一台并励直流电动机，当施加到电枢两端的直流电压正负对调时，电动机的转向如的直流电压正负对调时，电动机的转向如何变化？（何变化？（ ） A转向不变转向不变正转正转反转反转转向变反转向变反nAn若将

49、串励直流电动机接到额定电压不变的若将串励直流电动机接到额定电压不变的50Hz交流电源上，此时电动机将产生交流电源上，此时电动机将产生（）A方向交变的转矩；方向交变的转矩；B转向恒定的转矩；转向恒定的转矩；C步进式（跳动式）前进的转矩；步进式（跳动式）前进的转矩；D不会旋转的径向力矩。不会旋转的径向力矩。Bn直流电机公式和中的磁通是指（直流电机公式和中的磁通是指（）。）。A空载时的每极磁通；空载时的每极磁通；B负载时的每极磁通；负载时的每极磁通；C空载时所有磁极的磁通；空载时所有磁极的磁通；D负载时所有磁极的磁通。负载时所有磁极的磁通。nBn直流发电机通过主磁通感应的电势应存在直流发电机通过主磁

50、通感应的电势应存在于（于（）A电枢绕组；电枢绕组；B电枢和励磁绕组；电枢和励磁绕组；C励磁绕组；励磁绕组；D不存在。不存在。nAn两台极对数均为的直流电动机，甲台为单叠绕两台极对数均为的直流电动机，甲台为单叠绕组，乙台为单波绕组，每台的总导体数均为。组，乙台为单波绕组，每台的总导体数均为。当这两台电机的每极磁通量、转速、导体中的电当这两台电机的每极磁通量、转速、导体中的电流都相同时，问这两台电机的流都相同时，问这两台电机的 电枢电势之比电枢电势之比甲甲乙乙为为 ， 电磁转矩之比电磁转矩之比甲甲乙乙为为 ， 电磁功率之比电磁功率之比甲甲乙乙为为 。1：p、1：1、1：1 一、直流电机的基本方程式

51、3.7 直流电机的运行原理运动方程式运动方程式电动势平衡方程式（电气系统）电动势平衡方程式（电气系统）转矩平衡方程式转矩平衡方程式 （机械系统）（机械系统）功率方程式功率方程式fUfIaEaRaIUfUfIaEaRaIU电动机电动机发电机发电机aaaaaaadiEUI RLUI Rdt从方程式可见，直流发电机UEanCEeaaaaaaaaadiUEI RLEI RdtUEa从方程式可见，直流电动机fffUR I（一）电动势平衡方程式 以他励直流电机为例以他励直流电机为例 他励时，励磁电流由其他单独电源供给。n直流发电机的电势直流发电机的电势Ea比端电压比端电压U（ ），电），电磁转矩磁转矩T与

52、转速与转速n（），电枢电流），电枢电流Ia与与Ea（ ）。）。A小，同向，反向；小，同向，反向；B大，同向，反向；大，同向，反向；C小，反向，同向；小，反向，同向；D大，反向，同向。大，反向，同向。nD 是拖动性质的是拖动性质的,与负载制动转矩与负载制动转矩 、空载损耗转矩空载损耗转矩 及惯性转矩相平衡。及惯性转矩相平衡。（二）转矩平衡方程电磁转矩：电磁转矩：aTemICT一、直流电机的基本方程式1 1、电动机：、电动机：emT2020emdTTTJTTdt2T0TaEMUaIemT0T2TnfIfU100ememdTTTJTTdt2 2、发电机：、发电机：原动机输入给发电机的驱动转矩为原动机

53、输入给发电机的驱动转矩为 ，电磁转矩电磁转矩 为制动性质的，机械摩擦为制动性质的，机械摩擦及铁损引起的空载转矩及铁损引起的空载转矩 。emT0T1TaEGUaI1T0TemTnfIfU一、直流电机的基本方程式（二）转矩平衡方程（二）转矩平衡方程直流电动机工作原理直流电动机工作原理 （三）功率平衡方程cufP自励电动机自励电动机中还应减去励磁损耗一、直流电机的基本方程式20()MMmFePPpPpp11MCuacCuaaaPPppPpTE I 1、直流电动机：直流电动机从电源输入电功率 ，有一部分消耗在电枢绕组电阻以及电刷与换向器接触电阻中，这部分功率称为电枢铜耗电枢铜耗和电枢接触损耗电枢接触损

54、耗，扣除这两部分损耗后，就是电磁功率 。1PMP电磁功率中还有一部分铁心损耗和机械损耗，合称空载损耗空载损耗，扣除后即为电动机轴上输出的机械功率。他励直流电动机他励直流电动机自励直流电动机自励直流电动机直流发电机工作原理直流发电机工作原理电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是铜损耗铜损耗 和电电刷接触损耗刷接触损耗 ，扣除后即为发电机电刷上输出的电功率。 （三）功率平衡方程cufp自励发电机自励发电机中还应减去励磁损耗一、直流电机的基本方程式2、直流发电机：原动机输入给发电机的机械功率 ，有一部分为空载损耗，包括机械摩擦损耗、铁耗等，扣除空载损耗后的功率为电磁功率 。1PMP电磁功率10

55、MPPpaaTE I Cuapcp输出的电功率2MC u acMC u aPPppPp他励直流发电机他励直流发电机自励直流发电机自励直流发电机直流电机基本方程式直流电机基本方程式n电枢电动势电枢电动势 EaCenn电磁转矩电磁转矩 TemCT Ian电枢回路方程式电枢回路方程式电动机：电动机： U=Ea+IaRa发电机：发电机：Ea=U+IaRan稳态运行时，转矩关系式稳态运行时，转矩关系式电动机：电动机： TemT2T0发电机：发电机： T1TemT0直流电机功率关系式直流电机功率关系式n电动机电动机 他励他励 自励自励1CuaMPpP1CuaMcufPpPp20MsPPpp直流电机功率关系

56、式直流电机功率关系式n发电机发电机 他励他励 自励自励2MCuasPPpp10MaaPPpTE I 2emCuaCufsPPpppn并励直流发电机的电磁功率并励直流发电机的电磁功率PM与输出功率与输出功率P2之差等于（之差等于（ ）A、 pFe与与ps之和；之和；B、 pCuf与与pCua之和；之和；C、 pFe、ps与与pm之和；之和；D、 pFe与与pCua之和。之和。Bn某并励直流电机，接于某并励直流电机，接于U220V的电网中运行。的电网中运行。已知并联支路数已知并联支路数2a2，极对数，极对数2p4极，总导极，总导体数体数N232根，转速根，转速n1500r/min，每极磁通，每极磁

57、通0.0125Wb，电枢回路总电阻（包括电刷接，电枢回路总电阻（包括电刷接触电阻）触电阻）Ra0.21，铁耗，铁耗pFe360W，机械损，机械损耗耗pm200W，不计电枢反应的影响，试求：，不计电枢反应的影响，试求：（1）该电机是电动机还是发电机运行？（）该电机是电动机还是发电机运行？（2）电磁功率电磁功率PM和转矩和转矩T。 （3）输出功率）输出功率P2。n解：（解：（1）因）因为电动机运行。为电动机运行。（2）或另法：或另法：（3）14560apNEnUa 357.14aaaUEIAR51.786MaaPE IkW329.82apNTIN ma329.7MPTN m251.226aaFem

58、PE IppkWn一台他励直流电动机并接于一台他励直流电动机并接于230电网，已电网，已知知nN=3000r/min, Ra=0.15 pFe=500W, pm=340W, a=1, p=1, Z=500, =1.010-2Wb。试求。试求（1）该电机工作在发电机状态还是电动机状）该电机工作在发电机状态还是电动机状态？态？（2）电机的电磁转矩；）电机的电磁转矩；（3）电机的输入功率和效率。）电机的输入功率和效率。 解：（解：（1）因因EaU，所以为发电动机运行状态。，所以为发电动机运行状态。（2） （3）VnapzEa25060133.3aaaEUIARNmnIETaa1 .10655. 9W

59、UIP306592WppPPmecFeM341651%7 .8912PPn一台他励直流电动机：一台他励直流电动机：PN10 kW，UN220 V，nN1000 r/min，电枢回路总电阻，电枢回路总电阻损耗损耗pCua600W，p0750W，试求额定，试求额定运行时的输出转矩运行时的输出转矩T2N、空载转矩、空载转矩T0、电磁、电磁转矩转矩T、电磁功率、电磁功率PM、额定效率、额定效率N和电枢和电枢电阻电阻Ra。n解：解：n输出转矩：输出转矩： n电磁转矩：电磁转矩：n效率：效率：3N2NNP10 10T9.559.5595.5Nmn10003MN0PPp10 1075010750WMNP10

60、750T9.559.55102.7Nmn1000N2N1NCua0PP1000088.1%PPpp10000750600 二、直流电动机的工作特性1、转速特性、转速特性（一）并励直流电动机的工作特性NUU 定义：当定义：当 、 时，时，fNII )(aIfn 由方程式可得由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略电枢反应的去磁作用，忽略电枢反应的去磁作用，转速与负转速与负载电流按线性关系变化载电流按线性关系变化。2、转矩特性、转矩特性NUU 定义：当定义：当 、 时，时，fNII )(aemIfT转矩表达式转矩表达式emTaTCI 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度考虑电枢反应的作用，转矩上升的