第3章直流电机原理

第3章直流电机原理直流电机的用途及基本工作原理直流电机的主要结构与型号直流电机的磁路直流电机的电枢绕组电枢电动势与电磁转矩直流电动机运行原理他励直流电动机的机械特性直流电机的换向3.1直流电机的用途及基本工作原理电源励磁机测速伺服3.1.1直流电机的用途直流电机的特点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。

直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。易于控制，可靠性较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高3.1.2基本工作原理1、直流发电机的工作原理电刷换向片转子、绕组定子f=Blie=Blv直流发电机运行时的几点结论：1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；3）从空间看，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T与转子转向相反，是制动性质。2、直流电动机的工作原理f=Blie=Blv直流电动机运行时的几点结论：1）外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；2）线圈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；4）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质。结论一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机远行。同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为可逆原理。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直流电机3.2.1主要结构1、定子部分（1）主磁极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座主磁极铁心用1～1.5mm厚的钢板冲片叠压而成。44—转子（2）换向极1—换向极铁心2—换向极绕组换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。作用：改善换向。（3）机座作用：

一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用；二是作为电机磁路的一部分。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。（4）电刷装置电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。4—刷握3—电刷2—压紧弹簧1—铜丝辫2、转子部分（1）电枢铁心作用：

一是作为电机主磁路的主要部分；二是嵌放电枢绕组。

为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。（2）电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。（3）换向器作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向片组成。换向片之间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在两个换向片上。直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组额定容量PN：输出功率，单位kW额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位V额定电流IN：额定状态下出线端电流，单位A额定转速nN：额定状态下的电机转速，单位r/min直流发电机：PN＝UN·IN直流电动机：PN＝UN·IN·★额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。电动机轴上输出的额定转矩：3.2.2电机的铭牌数据3.3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空载时的磁场分布磁路从气隙1出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1每极磁势：：气隙磁阻：电枢齿磁阻：电枢磁轭磁阻：主磁极磁阻：定子磁轭极磁阻：主磁极磁通势3.3.2空载时气隙磁通密度的分布波形由上图得：略去铁芯内磁阻：而上式中分子为气隙；分母为空气导磁系数、磁管宽度和电机轴长Δ•li为面积整理可得：在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，Bδ大小完全与气隙长度成反比。在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。Bl极距3.3.3空载磁化特性

为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通，空载时，气隙磁通与空载磁通势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。3.3.4直流电机的励磁方式+Ua－+Uf－他励并励串励复励1.直流电动机按励磁方式分类MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I2.直流发电机按励磁方式分类自励他励串励复励并励GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I3.4直流电机的电枢绕组对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单等。电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的基本知识：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，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τ表示。首端末端绕组实物图直流电机模型

（看资料片）电枢绕组的基本知识：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。第一节距y1：一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离。合成节距y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。电枢绕组的基本知识：K：换向片个数S：元件数Z：实槽，实际槽u：虚槽，实槽中一层并列放置的元件边数Ze：虚槽数，Ze=uZ=S=kz：电枢绕组全部导体数总导体数：z=2uZNy=2NyZeNy：每元件串联匝数3.4.1单叠绕组单叠绕组的连接规律是：后一个元件紧接着前一个元件嵌放（相差一个槽，y=1），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。特点：虚槽数Ze、元件数S和换向片数K三者相同单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。y=yk=1即：Z＝Ze＝S＝K＝16图1-12单叠绕组展开图（p＝1Z＝Ze＝S＝6）

直流电枢绕组AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成闭合回路。AB12345678单叠绕组分析实例：1.数据计算y＝yk＝1实例：极对数p＝2，每槽两层，每层一边(u=1)，

Z＝Ze＝S＝K＝16有时，不是整数，但y1是整数所以，夸一个极距是要得到最大转矩12.单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放电刷、磁极NSNSττττ+－++－－单叠绕组的电气连接图3.绕组放置元件1：

上元件边在1槽，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。元件2：

上元件边在2槽，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推某一瞬间电刷、磁极放置磁极：磁极宽度约0.7τ,N、S极交替安排。电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。电刷放置：电刷放置在主磁极轴线上。绕组电路图：结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。单叠绕组的特点：元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，2a=2p;整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无换流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数;正负电刷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;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即3.4.2单波绕组串联的元件所生的电势同向相加，合成节距单波绕组：换向节距yk必须符合即绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去。单波绕组的连接规律是：把相同极性磁极下的元件连接起来。（yk为整数）单波绕组分析实例:实例：p＝2，Ze=S＝K＝151.绕组数据计算元件、磁极、电刷放置原则元件、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yk＝7；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。磁极放置：

N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。

单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512SNNSττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷单波绕组元件连接顺序表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环路的顺序是：1815714613512411310291用联接顺序图表示为：1815714613512411310299411310291815714613512上层边下层边槽号及元件号槽号181571461351241131029换向片号短路的换向片在环路中相邻单波绕组电路图单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关，永远为1，即a≡1。单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。一、电枢电动势：电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。一个磁极极距范围内，平均磁密用表示，极距为，电枢的轴向有效长度为，每极磁通为Ф，则3.5电枢电动势与电磁转矩3.5.1电枢电动势一根导体(一个元件边)的平均电动势为：又因为：电枢感应电势为：为电动势常数二、电磁转矩：

如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：3）电机总的电磁转矩则为：式中：是一个常数，称为转矩常数，

是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。3.5.3直流电机的电枢反应合成磁场（负载时的磁场）NS几何中心线NS励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场

电枢反应：电枢磁通势主极磁场产生变化。3.6直流发电机3.6.1直流发电机的基本方程式他励直流发电机惯例1.转矩方程式稳定运行时：式中：T1为原动机的拖动转矩，T为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，T0为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。发电机的转向由原动机决定，T1>T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。2.电路方程式电枢回路方程为：Ea=U+Ia·Ra式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。励磁回路方程为：Uf=If·Rf式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。从发电机电压基本方程式可见：电枢电势Ea必须大于电枢端电压U，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。3.6.2功率平衡关系从原动机输入的机械功率为：P1=PM+p0

式中：P1为输入的机械功率；PM为电磁功率；p0为空载损耗。空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗pm、附加损耗ps，即：p0=pFe+pm+ps其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率PＮ的0.5%～1%。功率公式电磁功率为：

从中可见电磁功率可表示为：PM=TΩ上式说明电磁功率具有机械功率性质。同时电磁功率又可表示为：PM=EaIa此表达式说明电磁功率又具有电功率性质，所以电磁功率是机电能量转换的桥梁。

Ea=U+Ia·Ra,U=Ea-Ia·Ra,IaU=IaEa-Ia2·Ra

发电机输出的电功率为：P2=PM-pCua式中：pCua为电枢回路铜耗；P2为输出的电功率，同时输出功率又可表示为：

P2=UIa他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图SM效率他励直流发电机的总损耗为Σp=pFe+pm+pad+pCua，即：Σp=p0+pCua效率为：

例题例题5-1一台并励直流发电机数据为：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259Ω，并励绕组内阻Rf=22.8Ω，额定负载时，并励回路串入的调节电阻Rf=3.5Ω，一对电刷压降2ΔU=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。解：（1）求电磁功率

励磁电流为：

额定负载电流为：电枢电流为：电枢电势为：电磁功率为：（2）求输入功率（3）求电磁转矩（4）求效率他励（并励）直流电动机惯例3.7直流电动机3.7.1直流电动机的基本方程式1.转矩方程式

稳态时当负载转矩为TL，轴上输出有T2=TL，电动机匀速稳定运行时有：

T=T2+T0

其中电磁转矩为：T=CTΦIa计算，（T2+T0）为总的阻转矩，方向与T相反。2.电枢回路电压方程式U=Ea+Ia·Ra其中反电势Ea=CeΦ·n，并励时：U=If·(rf+Rfad)他励直流电动机输入功率为：P1=UI=UIa=Ia（Ea+IaRa）=EaIa+Ia2Ra∴P1=PM+pCua式中电磁功率PM的功率性质为电功率，pCua=Ia2Ra为电枢回路上的铜耗。3.7.2.他励直流电动机的功率关系电磁功率在转矩平衡方程式T=T2+T0两边同乘以角速度Ω可得：TΩ=T2Ω+T0Ω，则有：PM=P2+p0也可表示为：P2=PM-p0

式中电磁功率PM的功率性质为机械功率，空载损耗：p0=pFe+pm+pad。

他励直流电动机功率流程图他励直流电动机的功率流程图M1.转速特性指当U=UN，If=IfN，(Φ=ΦN)时，电枢回路外串电阻RΩ=0时，n=ƒ(Ia)关系。根据电势方程式Ea=CeΦN·n和电压方程式U=Ea+Ia·Ra可得：

3.7.3他励（并励）直流电动机的工作特性2.转矩特性转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，T=ƒ(Ia)关系。根据转矩公式T=CTΦIa，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。3.效率特性效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，η=ƒ(Ia)关系。根据效率的定义可得：式中总损耗：

另外，效率中p0与Ia无关，Ia变大使铜耗加大工作特性3.8直流电动机的机械特性3.8.1机械特性的一般表达式他励直流电动机的机械特性是指n=ƒ(T)，其

数学表达式为：

式中称为斜率，ΔnN为额定负载时的转速降。在电源电压U=UN，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=0时，n=ƒ(T)的机械特性，其数学表达式为：空载转速：3.8.2固有机械特性斜率：（特性的软和硬）几个重要状态：理想空载转速n0′，实际空载转速n0空载工作点，额定工作点启动转矩Ts固有机械特性图其他象限工作情况nn0TTso注意：稳定运行即：T=TL（2）人为机械特性每台电动机只有一条固有机械特性，当变电源电压、变气隙磁通、变电枢外串电阻时的机械特性，为人为机械特性。①电枢回路串电阻U=UN，Ф=ФN，改变电枢外串电阻RΩ用途：1.降低启动电流和启动转矩2.调速TLTS②降低电枢电压Ф=ФN，RΩ=0，降低电枢端电压③减少气隙磁通（弱磁）U=UN，RΩ=0，改变气隙磁通Ф时：

（3）根据铭牌数据估算机械特性电机名牌数据：UN，IN，PN，，nN，

他励直流电动机，PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，Ra=0.044Ω。求：1）固有机械特性方程式；2）额定负载时的电枢电势和额定电磁转矩；3）额定输出转矩和空载转矩；4）理想空载转速和实际空载转速；5）电机额定运行，求电枢串电阻RaΩ=0.206Ω

时的转速；6）电压U=50V时，求n=？7）磁通Φ=75%ΦN，求n=？例题：解：（1）求固有机械特性方程式∵∴（2）求电枢电势和电磁转矩电枢电势为：电磁转矩为：解续（3）额定输出转矩和空载转矩输出转矩为：空载转矩为：（4）求理想空载转速和实际空载转速理想空载转速为：实际空载转速为：解续（5）RaΩ=0.206Ω时的转速：（6）电压U=50V时的转速：解续（7）磁通Φ=75%ΦN时的转速3.9串励和复励电动机特点是励磁绕组与电枢绕组串联，励