第3章直流电机

安徽新闻出版职业技术学院第3章直流电机的基本理论3.2直流电机的铭牌和额定值3.1直流电机的基本结构和工作原理3.3直流电机的电枢绕组3.4电流电机的电磁转矩和电动势电机与拖动技术基础返回主页第3章直流电机安徽新闻出版职业技术学院为了能建立一个感性认识，对电机进行简单的分类如下：第3章直流电机的基本理论安徽新闻出版职业技术学院3.1.1直流电机的基本结构

直流电机的结构电枢3.1.1直流电机的基本结构安徽新闻出版职业技术学院3.1.1直流电机的基本结构

直流电机

更多的图片安徽新闻出版职业技术学院一、主要部件1.定子(1)主磁极(2)换向极(3)机座(4)端盖等3.1.1直流电机的基本结构

直流电机的定子(a)主磁极(b)机座安徽新闻出版职业技术学院

直流电机的定子3.1.1直流电机的基本结构

更多的图片安徽新闻出版职业技术学院2.转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组3.1.1直流电机的基本结构(3)换向器(4)转轴与风扇

直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢钢片安徽新闻出版职业技术学院3.1.1直流电机的基本结构

电机装配图

更多的图片安徽新闻出版职业技术学院NS3.1.2直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理3.1.2直流电机的工作原理NS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片安徽新闻出版职业技术学院3.1.2直流电机的工作原理直流电动机工作原理小结根据上述原理，可以看出直流电动机有如下特点：（1） 直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；（2）电磁转矩起驱动作用；（3）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交变电流；（4） 直流电动机导体中的电流与运动电势方向相反。安徽新闻出版职业技术学院直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)机械负载克服反电动势做功3.1.2直流电机的工作原理

电磁关系换向Φ旋转安徽新闻出版职业技术学院NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋3.1.2直流电机的工作原理－E＋输出直流电原动机感应电动势、电流电磁转矩（阻转矩）做功

电磁关系Φ换向安徽新闻出版职业技术学院3.1.2直流电机的发电机直流发电机工作原理小结根据原理分析，可以看出直流发电机有如下特点：（1） 直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；（2）利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直流输出；（3） 直流电动机导体中的电流与运动电势方向相同。（4）电磁转矩起制动作用。一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。安徽新闻出版职业技术学院3.2直流电机的铭牌和额定值3.2直流电机的铭牌和额定值3.2.1直流电机的铭牌型号为Z2-91的直流电机是一台机座号为9、电枢铁心为短铁心的第2次改型设计的直流电机。机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有1-9个机座号，机座号数越大，直径越大。电枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种，1表示短铁心，2表示长铁心。安徽新闻出版职业技术学院3.2.2直流电机的额定值3.2直流电机的铭牌和额定值1.额定电压UN

发电机的UN

：指输出电压的额定值。电动机的UN

：指输入电压的额定值。2.额定电流IN

发电机的

IN

：指输出电流的额定值。电动机的IN

：指输入电流的额定值。3.额定功率PN

发电机的PN

：指输出电功率的额定值(UNIN)

。电动机的PN

：指输出机械功率的额定值

(UNINηN)

。安徽新闻出版职业技术学院3.2.2直流电机的额定值1.额定转速2.励磁方式和额定励磁电流

电动机轴上输出的额定转矩为安徽新闻出版职业技术学院

直流电枢绕组AB12345638A

B1

2

3

48

3

6

53

6

5

48

1

2

3AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。3.3直流电机的电枢绕组AB12345638安徽新闻出版职业技术学院

直流电枢绕组电动机发电机两匝元件3.3直流电机的电枢绕组eeeeeeee＋－＋E

－A1

2

3

48

3

6

5BIaeeeeeeee1

2

3

48

3

6

5AB＋－Ia＋E

－安徽新闻出版职业技术学院NSNS12345638910111212356891112A1B1A2B2

单叠绕组的展开图※并联支路对数：a=2。※电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2n3.3直流电机的电枢绕组36'

4

3'

58'11'8

10'3

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12安徽新闻出版职业技术学院

单叠绕组的展开图NSNS12345638910111212356891112A1B1A2B2n※

电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线3.3直流电机的电枢绕组安徽新闻出版职业技术学院二、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3.3直流电机的电枢绕组MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I安徽新闻出版职业技术学院2.直流发电机按励磁方式分类自励3.2直流电机的基本结构他励串励复励并励GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I安徽新闻出版职业技术学院4.额定转速nN5.额定励磁电压UfN6.额定励磁电流IfN※

额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。※满载状态：

指I=IN的状态。3.2直流电机的基本结构安徽新闻出版职业技术学院NS3.3直流电机的电枢反应几何中心线NS励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中心线

电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。第3章直流电机的基本理论安徽新闻出版职业技术学院

电枢反应的影响①总磁场被扭歪了几何中心线与物理中心线分开了,

电刷位置处的元件的e≠0，增加换向困难。②一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，磁路不饱和时，每极磁通不变；磁路饱和时，每极磁通减少，e和T相应减少。3.3直流电机的电枢反应安徽新闻出版职业技术学院3.4直流电机的电磁转矩和电动势一、电磁转矩1.产生电枢电流i

磁场ΦF→T2.大小

电磁力：F=B

li

平均磁密：

第3章直流电机的基本理论BlB=Φl极距安徽新闻出版职业技术学院3.4直流电机的电磁转矩和电动势一、电磁转矩1.产生电枢电流i

磁场ΦF→T2.大小电磁力：F=B

li

平均磁密：每根导线上电磁力所形成的电磁转矩：FR第3章直流电机的基本理论B=ΦlBl极距R安徽新闻出版职业技术学院R

电枢绕组串联总匝数：N

电枢绕组并联支路数：2a

总导体数：2N·2a=4aN

电枢的周长：2R=2p

电磁转矩：

T=4aN

·FR=4aN··B

lip

=4aN··

lip

Φl=4aN··Φi

p

=·Φ·2ai

2pN

电枢电流Ia3.4直流电机的电磁转矩和电动势安徽新闻出版职业技术学院2.大小

T=CTΦIaCT转矩常数：3.方向由Φ和Ia

共同决定。4.性质发电机：电动机：T与n方向相反，为制动转矩。T与n方向相同，为拖动转矩。3.4直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pN单位：Wb单位：A(N·m)安徽新闻出版职业技术学院1.产生电枢旋转n

磁场Φ2.大小每个导体：e=Blv

导体切割磁场线的线速度：电动势：

E=2N

e

二、电动势e→∑e→E3.4直流电机的电磁转矩和电动势v=n2R60=2NBlv=2N··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn4pN60安徽新闻出版职业技术学院CTCE=602=9.55CT

=

9.55CE3.4直流电机的电磁转矩和电动势CT

=2pNCE

=4pN60

E=CEΦn

CE

电动势常数：CE=4pN60单位：Wb单位：r/min(V)3.方向：由Φ和n共同决定。4.性质发电机为电源电动势；电动机为反电动势。安徽新闻出版职业技术学院3.5直流电动机的运行分析一、他励电动机励磁电压Uf→If→Φ电枢电压Ua→Ia↓→T→n→E1.电压平衡方程式励磁电路：

Uf=Rf

If电枢电路：

Ua

=E+Ra

Ia第3章直流电机的基本理论EMIf+Uf－+Ua－Ia安徽新闻出版职业技术学院

稳态电枢电流Ia

由谁确定？T

=CTΦ

Ia

，

Ua

=E+Ra

Ia例如：负载不变(T不变)，Ua

(Ra)

变化时，

Ia

变化否（设Φ

不变）？Ua(或Ra)

瞬间n不变

E不变Ia

→T

→T＜TLE

←n↓Ia

←T

←T

=TL←Ia不变←

结论：Ia

的大小取决于负载的大小。当Ia=IaN时为满载，当Ia＞IaN时为过载。※

规定短时过载的最大电枢电流：

Iamax=(1.5~2)IaN=αMCIaN3.5直流电动机的运行分析安徽新闻出版职业技术学院机械特性ECEΦn=Ua－Ra

IaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T2.转速OnTn0当T

时，n下降不多

——硬特性。励磁电路断电的后果当If=0，Φ=Φr

很小，n不能突变，E很小→T=

CTΦrIa仍有一定数值。→Ia

(1)若T＞TL→n

→飞车！(2)T＜TL→n

→n=0→闷车！3.5直流电动机的运行分析安徽新闻出版职业技术学院3.5直流电动机的运行分析3.转向取决于电磁转矩T

的方向。

T的方向取决于Φ

和Ia的方向。磁场反向电枢反向+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－M安徽新闻出版职业技术学院二、并励电动机

并励与他励的区别:1.输入电压

U

=Ua

=

Uf2.输入电流

I

=Ia+If3.输入功率

P1

=UI=UIa+UIf3.5直流电动机的运行分析Ia+U－IIfM安徽新闻出版职业技术学院【例3.5.1】

某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求该电机在额定状态下运行时的：

(1)If；

(2)Ia；

(3)E

；

(4)T

。解：(1)励磁电流If3.5直流电动机的运行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(2)电动势EE=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215V安徽新闻出版职业技术学院CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)电磁转矩3.5直流电动机的运行分析CEΦ=EnN2153000==0.0313安徽新闻出版职业技术学院三、串励电动机3.5直流电动机的运行分析1.电压

U

=Ua

+

Uf=E

+(Ra+Rf

)I2.电流

I

=Ia

=IfRa+RfU－E=CTΦT=3.转矩

T=CTΦIa(1)当Ia

较小、磁路未饱和时，

Φ∝Ia，T∝Ia2

。

(2)当Ia

较大、磁路已饱和时，Φ≈常数，

T∝Ia

。EM＋

Uf

－＋

Ua－+U－IIfIa安徽新闻出版职业技术学院

即

T∝Iam

(1＜m＜2)

与并励电动机比较，有如下特点：(1)

对应于相同的T，

Ia小。(2)

对应于允许的Iamax

，能够产生的T大，

Tst和Tmax较大。4.转速3.5直流电动机的运行分析ECEΦn=U－(Ra

+Rf

)

IaCEΦ=UCEΦ=－Ra

+RfCECTΦ2T(1)当T=0时，Ia=If

=0，Φ=Φr，n0=(5~6)nN。安徽新闻出版职业技术学院(2)当T很小时，Ia

很小，磁路未饱和，T→Ia

→Φ→n迅速下降。

(3)当T很大时，Ia

很大，磁路已饱和，T

→Ia→Φ基本不变→n下降较少。

3.5直流电动机的运行分析5.应用(1)特别适用于起重机和电气机车等运输机械。(2)不能在轻载或空载下运行。(3)不能用皮带轮传动。串励电动机的机械特性软特性OnT安徽新闻出版职业技术学院四、复励电动机1.积复励、差复励。2.机械特性(1)

有较大的Tst。(2)

可以空载运行。并励复励3.5直流电动机的运行分析MIaIf+U－I串励OnT安徽新闻出版职业技术学院3.6直流电动机的功率和转矩1.功率平衡方程式(1)输入功率P1

P1

=

U

I(2)铜损耗PCuPCu=

RaIa2＋RfIf2(3)电磁功率PePe

=P1－PCu

推导：U

I

=

U(

Ia＋If

)=

UaIa＋UfIf

=(E＋RaIa

)Ia＋RfIf2

=E

Ia＋RaIa2＋RfIf2

第3章直流电机的基本理论Pe=

E

Ia

一、直流电动机的功率安徽新闻出版职业技术学院3.6直流电动机的功率和转矩Pe

=

E

Ia=

CEΦnIa

=TΩ260=

CTΦnIa

功率流程图P1PCuPeP0P22.转矩平衡方程式空载：T

=

T0

负载:T

=

T0+T2260T2n=(4)空载损耗P0

P0

=PFe＋Pme＋Pad(5)输出功率P2

P2

=Pe－P0

=

T2Ω安徽新闻出版职业技术学院3.6直流电动机的功率和转矩(6)总损耗Pal

=PCu＋PFe＋Pme＋Pad(3)功率平衡方程式

P1－P2

=Pal(8)效率P2P1

=×100%二、直流电动机的转矩T

=T0＋TL安徽新闻出版职业技术学院【例3.6.1】

一并励电动机，UN=110V，IN=12.5A，

nN=1500r/min，TL=6.8N·m，T0=0.9N·m。求该电机的P2、Pe、P1、Pal和。解：P2P1

=×100%6.2860=×6.8×1500W=1063.6WPe=P2＋P0=(1063.6＋143.3)W=1208.9WP1=UNIN=110×12.5W=1335WPal=

P1－P2=(1335－1063.6)W=303.4W3.6直流电动机的功率和转矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1063.61335=×100%=33.64%安徽新闻出版职业技术学院3.8直流发电机的功率和转矩一、直流发电机的功率1.输入功率P1:2.空载损耗P0:3.电磁功率Pe:4.铜损耗PCu:5.输出功率P2:P1=T1ΩP0=PFe＋Pme＋PadPe=P1－

P0

=TΩ=EIaPCu=RaIa2＋RfIf2P2=UI=Pe－

PCu260=

T1n第3章直流电机的基本理论安徽新闻出版职业技术学院P1Pme+PadPFePePCuP2功率流程图3.8直流发电机的功率和转矩6.总损耗Pal

=PCu＋PFe＋Pme＋Pad3.效率=×100%P2P1安徽新闻出版职业技术学院二、直流发电机的转矩T1=T0+

T转矩平衡方程：输入转矩T1

：空载转矩T0：电磁转矩T

：P1T1

=

3.8直流发电机的功率和转矩602

P1n=P