第1章 直流电机

第一章直流电机第一节直流电机的工作原理和基本结构第二节直流电枢绕组第三节直流电机的磁场第四节直流电机的感应电动势和电磁转矩第五节直流电机的等效电路第六节直流电机的损耗与功率流程第七节直流发电机的运行特性第八节直流电动机的运行特性第九节并励直流电动机的转速调节第十节直流电动机的起动第十一节直流电动机的制动第十二节直流电机的换向第一节直流电机的工作原理和基本结构工作原理(principles)结构(construction)额定值励磁方式直流电机结构图直流电机工作示意图一、直流电机的工作原理电机中存在着磁路和电路，电和磁的联系可通过电磁感应定律来分析。

(rotor)

N

b

f2

aA、B为电刷

A(正)

c(brusher)

f1

B(负)

d

S1、直流电动机的工作原理：

在电机的两电刷端加上直流电压，由于电刷和换向器的作用将电能引入电枢线圈中，并保证了同一极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈边所受的电磁力方向恒定，使电动机能连续地旋转，实现了将电能转换成机械能，拖动生产机械，这就是直流电动机的工作原理。注意：每个线圈边中的电流方向是交变的。2、直流发电机的工作原理：当用原动机拖动电枢以恒定方向旋转，线圈边将切割磁力线感应出电势，电势方向据右手定则确定。由于电枢连续旋转，线圈边将交替地切割N极、S极下的磁力线，每个线圈边和整个线圈中的感应电势的方向是交变的，但由于电刷和换向器的作用，使流过负载的电流是单方向的（脉动）的直流电流。这就是直流发电机的工作原理。在前图中，电刷A所引出的电势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电势，它始终具有正极性；电刷B始终具有负极性。3、电机理论的可逆性原理：从基本电磁过程看，一台直流电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行，只是外界条件不同而已。当外加直流电压，可作为拖动生产机械的电动机运行，将电能变换为机械能。若用原动机拖动电枢旋转，可输出电能，为发电机运行，将机械能变换为电能。二、直流电机的结构(construction)：

旋转电机具备静止和旋转两大部分。静止(stationary)和旋转(rotation)部分之间有一定大小的间隙，称为气隙(airgap)。静止的部分称为定子(stator)，作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。旋转部分称为转子或电枢(rotoror

armature)，作用是感应电势实现能量转换。包括电枢铁心，电枢绕组，换向器、轴和风扇等。

直流电机各部件图

直流电机径向剖面图（一）、定子部分：1、主磁极(pole)：

也称为主极。作用是产生气隙磁场。2、换向极(interpole)：

也称为附加极或间极。作用是改善换向。装在主极之间。3、机座(yoke)：由铸钢或厚钢板焊成。是电机的机械支撑。4、电刷装置(brush)：将直流电压、电流引入或引出的装置。其组数与主极极数相等。（二）、转动部分(rotor)：（转子或电枢）1、电枢铁心(armature

core)：

主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组，由硅钢片迭压而成。2、电枢绕组(armaturewinding)：

由许多按一定规律联接的线圈组成。用来感应电势和通过电流，是电路的主要部分。3、换向器(commutator)：由许多彼此绝缘的换向片构成。(三)、气隙不均匀。三、直流电机按励磁方式分类：

据励磁电路与电枢电路的联接关系分类(types)。1、他励直流电机：励磁回路的电流由外电源供给，与电枢回路没有电的联系。2、并励直流电机：励磁回路与电枢回路并联。励磁回路两端的电压就是电枢回路两端的电压。3、串励直流电机：励磁回路与电枢回路串联。励磁回路的电流与电枢回路的电流相等。4、复励直流电机：主极有两个励磁绕组，其一与电枢绕组并联，另一个和电枢绕组串联。

＋

－

＋

－

＋

－

他励

+

_

并励

+

_

串励

复励电动机

－

＋

－

＋

＋

－

他励

－

＋

并励

－

＋

串励

复励发电机

1、额定功率：瓦，千瓦。电动机指轴上输出的机械功率：发电机指电枢出线端电功率：2、额定电流：安3、额定电压：伏4、额定转速：转/分5、额定励磁电流：安6、额定励磁电压：伏7、励磁方式。8、极对数：四、直流电机的铭牌数据(Nameplateratings)第二节

直流电机的电枢绕组

(ArmatureWinding)直流绕组的基本特点绕组的基本型式（叠绕组、波绕组）直流绕组连接规律小结绕组是电机的主要电路，是电机实现机电能量变换的枢纽。设计绕组时要求：

能通过规定的电流和产生足够大的电势。尽可能节省有色金属和绝缘材料。保证换向良好。一、直流电机绕组的特点：

单匝多匝单匝多匝

叠绕组波绕组

基本术语：元件：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。元件边：每一元件在槽内能切割磁场、感应电势的边，也称为有效边。端接：元件在槽外的部分。一般为了工艺要求，元件的一元件边放某一槽的上层，另一元件边放另一槽的下层。直流电机的绕组是由结构、形状相同的绕组元件构成的。其常用参数有：槽数：Z，元件数：S，换向片数：K，第一节距：y1，第二节距：y2，合成节距：y，换向器节距：yk

短距（－）

y1

整距（0）

y2

长距（＋）

y

极距1、第一节距：y1，每一元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用槽数来表示。例：上元件边在1槽，下元件边在5槽，则y1=5－1＝4。为了使绕组感应电势最大，应使y1接近于极距。（极距即相邻两主极间的距离，用槽数表示。）2、第二节距：y2，在由同一片换向片串联起来的两个元件中，前一元件的下边与后一元件的上边之间的距离，用槽数来表示。迭绕组的y2为负，波绕组的y2为正。3、合成节距：y，相串联的两个元件的对应边之间的距离。y＝y1－y2（叠绕组）

y＝y1＋y2（波绕组）

。4、换向器节距：yk，同一元件的两端所接的两换向片之间的距离，以换向片数表示。y=yk。二、绕组的基本型式:(叠绕组，波绕组)1、单叠绕组：元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上；相邻元件依次串联，后一元件的首端与前一元件的尾端连在一起，并接到同一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，形成一个闭合回路。紧相串联的两个元件的端接部分紧“‘叠”在一起。举例说明联接特点和支路组成情况：例一极对数p=2，槽数Z＝16，元件数S＝K＝16，y1=4，yk=1，绘制一单叠绕组展开图。绘制步骤：（一）、节距计算单叠：y1=yk=1，整距：y1=16/4=4，y2=y1－y=4－1=3。（二）、绕组连接表上层元件边所在槽数：

1+y12345678910111213141516

1+y1456789101112131415161234下层元件边所在槽数：（带箭头线表示元件本身的连接，红线表示通过换向片的连接）（三）、绕组连接图：1234567891011121314151612345678910111213141516极距极距极距极距（四）、安放主极和电刷：

主极均匀放置。为获得最大电势，当元件是几何对称时，电刷轴线与主极轴线重合。当元件不对称时，电刷放置在元件几何轴线与主极轴线重合的元件所接的两换向片的分界线上。电刷的中心线与该分界线重合。N12345678910111213141516NSSA1B1A2B2+－极距极距极距极距（五）、单叠绕组的瞬间电路图：A1A2B1B2234

87610111216151413591+－（六）、绕组的并联支路数：单叠绕组的并联支路数等于电机极数。并联支路对数等于极对数，即：a=p。

电刷数目＝支路数＝极数练习：绘制一整距单叠绕组展开图，

2p=4，Z＝S＝K＝24，计算各绕组节距y1，y2，y，yk，安放主极和电刷，求并联支路对数。2、单波绕组：每元件的两端所接两换向片相隔较远，yk>y1，元件串联后形成波浪形。y1应接近于极距，yk满足下式：绕行一周后，比出发时的换向片前进（＋，右行〕或退后（－，左行）一个换向片。例2、绘制一左行短距单波绕组展开图，2p=4，Z＝S＝K＝15。绘制步骤：（一）、节距计算：左行：,短距：（二）、绕组连接表：上元件边在槽数：

+y1815714613512411310291

+y112411310291815714613512下元件边在槽数：带箭头的连线表示元件本身的联接，红线表示不同元件经过换向片的连接。（三）、绕组连接图：123456789101112131415极距极距极距极距131415123456789101112（四）、安放主极和电刷：主极均匀放置。为获得最大电势，当元件是几何对称时，电刷轴线与主极轴线重合。当元件不对称时，电刷放置在元件几何轴线与主极轴线重合的元件所接的两换向片的分界线上。电刷的中心线与该分界线重合。电刷数目＝电机极数123456789101112131415极距极距极距极距131415123456789101112NSNSB2A1B1A2－＋（五）、单波绕组的瞬间电路图：B1+－157146132103114

189512B2A2A1（六）、绕组并联支路数：单波绕组的并联支路数恒等于2，与主极数无关。思考：对单波绕组电机，不管极数多少，只用一对电刷行吗？电机绕组除单叠、单波两种基本型式外，还有其它型式，如：复叠，复波，混合绕组，同心式绕组等。各种绕组的差别在并联支路数上。

第三节直流电机的磁场

(MagneticField)空载时的气隙磁场负载时的电枢磁动势电枢反应(ArmatureReaction)一、直流电机空载时磁场：

N

S空载的概念?1、磁场分布情况：主磁通：与主磁极和电枢绕组相交链。漏磁通：只与主磁极相交链。2、磁场特点：a、主磁通远大于漏磁通。b、主极极靴宽度比一个极距小，且极靴下的气隙不均匀，所以，主磁通的每条磁力线所经过的磁回路都不尽相同，在磁极轴线附近的气隙较小，接近极尖处的磁回路中气隙较大。若不计铁磁材料中的磁压降，不计齿槽影响，气隙小处，磁密B大；气隙大处，磁密B小；在两极间的几何中心线处，磁密B＝0，当直流电机空载时的气隙磁场的磁密波分布波形为：一个空间位置固定不变的平顶波。3、电机磁化曲线：电机磁化曲线是指主磁通与励磁磁势或励磁电流的关系曲线。即

它可以通过电机磁路计算求得。曲线形状与磁通所经材料的B－H曲线形状类似，即是非线性的。如图：0

过原点的直线为气隙线二、直流电机的电枢反应及负载时的磁场：1、电枢反应(armaturereaction)：

电机负载时，电枢绕组中有电流流过，产生一磁势，称为电枢磁势。此时，气隙磁场由主极磁势和电枢磁势二者合成建立，电枢磁势的出现必然对空载时的主极磁场产生影响，使气隙磁密的分布发生变化，这种电枢磁势对主极所建立气隙磁场的影响称为电枢反应。

电枢反应对电机运行特性影响很大：

对电动机：影响转速。对发电机：影响感应电势。2、电枢磁场的分布(电刷位于几何中性线上)同极性下电流方向相同，异极性下电流方向相反。电刷是电枢表面电流分布的分界线。特点：电枢磁场与主极磁场分布是相对静止的。

Fa切开3、电枢磁势沿电枢表面分布：a、一个元件：线圈匝数，电流安。元件边产生磁势安匝。每个磁回路的磁势均为安匝。规定磁势方向与磁力线的方向一致，不计铁磁材料的磁压降，则全部降落在两气隙上，于是，每通过一次气隙消耗磁势为，可得一个元件所耗于气隙的磁势的空间分布关系为：一矩形波。

x

每极下有一个元件边的磁势波形

xb、若每极下有四个元件边均匀分布：利用迭加原理，可得一阶梯数为2的阶梯波。

xc、若每极下元件边的数目很多，且均匀分布在电枢表面，则经上述方法迭加后总的电枢磁势会接近于三角波形。4、电枢磁场的磁密沿电枢表面分布：设电枢绕组的总匝数为N，元件数为S，极对数为p，极距为，电枢直径为，每元件匝数为Nc，则阶梯波幅值为：

为电枢表面单位周长上的安匝数，称为线负荷。上式表明：与成正比，与成反比。即：极靴下，气隙变化小，变化小；极尖处，气隙大，大大削弱，曲线呈马鞍形。磁势波形磁密波形直轴直轴交轴

5、直流电机负载时磁场的电枢反应合成气隙磁密波形去磁增磁物理中性线几何中性线

NS当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势是交轴电枢磁动势。6、交轴电枢磁动势的特点（呈去磁作用）：

a、磁场发生了畸变。

b、磁路不饱和时，主磁场中削弱的数量与加强的数量相等。当磁路饱和时，由于铁心磁阻变化的非线性，磁阻增大的量比减小的量要大，所以，磁密增大的量比减小的量要小，使磁场的磁密呈去磁作用。7、当电刷不在几何中性线上时，既有交轴电枢磁动势，还有直轴电枢磁动势。对于发电机：电刷顺电枢旋转方向移动一个角度，直轴电枢磁动势的电枢反应是去磁的；反之，是增磁的。对于电动机：电刷顺电枢旋转方向移动一个角度，直轴电枢磁动势的电枢反应是增磁的；反之，是去磁的。(a)电枢磁动势；(b)交轴分量；(c)直轴分量1电枢磁动势波形；2交轴电枢磁动势波形3直轴电枢磁动势波形第四节

直流电机的感应电动势和电磁转矩感应电动势(ElectromotiveforceEMF)电磁转矩(ElectromagneticTorque)一、感应电势(EMF)的计算：电枢绕组的感应电势是指电机正、负电刷间的电势，即支路电势，简称电枢电动势。1、一根导体中的感应电动势：其中：p为电机极对数，n为电机转速，l为导体有效长度，Φ为每极磁通。2、一支路的总平均电势：当电枢总导体数为N，则一条支路串联元件数为

则电枢电动势为：

其中为电势常数。感应电动势与每极磁通Φ和电枢转速n的乘积成正比。二、电磁转矩的计算：电枢表面所有导体所受电磁转矩的总和就是电机的电磁转矩。首先计算一根导体所受的电磁力、电磁转矩；再求所有导体所受电磁力产生的电磁转矩。1、一根导体所受的电磁力：设气隙的平均磁密为Bav，元件边有效长度l，元件电流ia

，则元件所受电磁力为：若电枢直径为D，则产生的电磁转矩为：2、若电枢电流为Ia，并联支路数为2a，则，电枢导体总数为N，则电枢总电磁转矩为：其中

为转矩常数。电磁转矩与每极磁通Φ和电枢电流Ia的乘积成正比。一般电动势常数和转矩常数之间关系为：其中为转矩常数，韦，安，牛米。电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。特别，若不计饱和影响，磁通与励磁电流有关系：为比例常数。则有：，其中电磁转矩与励磁电流和电枢电流的乘积成正比。特别，若不计饱和影响，

感应电势与励磁电流和电枢机械角速度的乘积成正比。可得到与的关系：从电磁观点看，电动机通过电磁感应，从电源吸取电功率，转换成对机械负载所做的机械功率。无论电动机，还是发电机，将这部分功率或称为电磁功率。第五节直流电机的等效电路一、直流发电机的等效电路（他励、并励、串励和复励）二、直流电动机的等效电路（他励、并励、串励和复励）一、直流发电机的等效电路1、他励直流发电机的等效电路与电压方程：

A、等效电路发电机的大于。

B、电压方程：2、并励直流发电机的等效电路与电压方程：A、等效电路发电机的大于。

B、电压方程：3、串励直流发电机的等效电路与电压方程：

A、等效电路发电机的大于。

B、电压方程：4、复励直流发电机的等效电路与电压方程：A、等效电路发电机的大于。

B、电压方程：二、直流电动机的等效电路1、他励直流电动机的等效电路与电压方程：

A、等效电路电动机的大于。

B、电压方程：2、并励直流电动机的等效电路与电压方程：A、等效电路

B、电压方程：电动机的大于。3、串励直流电动机的等效电路与电压方程：

A、等效电路电动机的大于。

B、电压方程：第六节直流电机的损耗与功率流程一、直流电机内部的损耗二、直流发电机的功率流程三、直流电动机的功率流程一、直流电机内部的损耗A、直流电机中的损耗、效率：损耗有三类消耗于导体电阻中。消耗于摩擦损耗、通风和机械损耗。消耗于铁心中的损耗。铁耗：由于电枢旋转时主磁通在电枢铁心内交变而引起的。铜耗：电枢回路铜耗励磁回路铜耗电刷接触铜耗为一对电刷总接触电压降。机械损耗：包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定转子和空气的摩擦损耗。附加损耗：电枢齿、槽存在，使气隙磁通产生脉动，电枢反应使磁场畸变引起的铁耗。换向电流引起的损耗。按额定容量的１%计算，无补偿绕组按额定容量的0.5%计算，有补偿绕组不变损耗(也称为空载损耗)包括：机械损耗、铁耗；可变损耗包括：电枢铜耗、励磁回路铜耗、电刷接触损耗。B、电机的效率不变损耗＝可变损耗（与电流2次方成正比的部分）时，取得最大，

是的二次曲线。二、并励直流发电机的功率方程式：

电磁功率

电功率

机械功率三、并励直流电动机的功率方程式：

电磁功率

机械功率

电功率第七节直流发电机的运行特性

可测物理量有：发电机端电压，电枢电流，励磁电流，转速等。有四种特性曲线：空载特性外特性调节特性一、他励直流发电机运行特性：1、他励发电机空载特性：当电机时，调节使发电机空载端电压，然后使逐渐回到零，测取空载端电压与关系曲线即为空载特性曲线。分析：A、空载特性表明电机磁路的性质。即：当一定时，电机绕组感应电势与其对应磁势的关系。B、改变励磁电流的方向，可测出反方向的空载特性曲线。C、改变电机转速，可得不同的空载特性曲线。D、并励、复励直流发电机的空载特性都以他励形式测取。空载特性曲线：2、外特性：当，时，端电压曲线。当负载电流及电枢电流增大时，曲线略为下垂。

他励

并励3、调节特性：当，时，端电压曲线。当电枢电流增大时，曲线往上翘。二、并励、复励直流发电机运行特性：1、并励直流发电机的自励并励和复励直流发电机均为自励发电机，首先应在空载时建立电压，然后再带负载。自励电压建立的三个条件：必须有剩磁；励磁绕组与电枢并联的极性正确；励磁回路中电阻小于临界电阻。电机有剩磁，极性正确气隙磁场得到加强电枢绕组电势增加励磁电流增加电枢端电压建立起来临界电阻线励磁电阻线

空载特性空载电压建立能否稳定？励磁绕组端电压与励磁电流：

在磁路上满足空载特性，在电路上满足伏安特性。当时，达稳定点A。即两曲线的交点。2、并励、复励直流发电机的外特性：当，建立自励电压后，保持，接入负载，逐渐减小，测取与的曲线。

过复励

平复励

欠复励

第八节

直流电动机的

运行特性一、他励和并励直流电动机的运行特性二、串励直流电动机的运行特性三、复励直流电动机的运行特性四、直流电动机旋转方向的改变直流电动机的工作特性：

当端电压为额电压，电枢回路无外串电阻，励磁电流为额定励磁电流时，电机转速，电磁转矩，和效率与输出功率之间的关系。即：实际运行中，可测，且随增大而增大，所以，工作特性可表示为：一、他励和并励直流电动机的运行特性：1、转速特性：其中，为理想空载转速。转速特性为一斜率为的直线。当电机磁路饱和时，随着的增大，增大，电枢反应的去磁作用使增大，直线上翘。为保证电机稳定运行，采取措施使特性略为下降。

02、转矩特性：不计去磁特性为一过原点的直线。当考虑电枢反应时，实际曲线偏离直线，仍接近于一条直线。03、效率特性：是的二次曲线。当不变损耗＝可变损耗时，取得最大。04、机械特性：转速与电磁转矩的关系曲线。以他励直流电动机为例：当一定时，即得一条机械特性曲线。理想空载转速实际空载转速带负载后转速降落分析：1）、理想空载转速，当时。2）、记是机械特性的斜率。斜率越大，特性越软。此时，机械特性方程可写为：3）、额定转速变化率：固有机械特性：当电枢无外串电阻时的机械特性。改变可得人为特性。5、人为机械特性：1）电枢串电阻的人为特性：当，改变。此时不变，随增大而增大。固有2）改变电压的人为特性：当，改变。此时变，不变。3）减弱磁通的人为特性：当，改变。当减小，增大，增大，特性越软。二、串励直流电动机的运行特性：基本方程：不计饱和时：1、转速特性：分析：a、转速随着的增大而迅速减小。（因为）。b、空载时，很小，及很小，电机必须产生反电势与电源电压相平衡，因此,很高。理论上，时，，。故串励电动机不允许空载或轻负载运行。2、转矩特性：当增大，很快减小，使升很快。即，随着增大，将以高于的一次方比例增大。在同样大小的起动电流下，串励电动机的大于并励电动机的。3、效率特性：与并励电动机类似。4、串励电动机的机械特性：电机不饱和时：U=Ea+IaREa=CenΦ=CeˊnIaT=CTΦIa=CTKfIa2=CTˊIa2Ceˊ=CeKf特性方程为：T0n固有特性人为特性并励电动机与串励电动机工作特性比较：A、串励电机的随增大而迅速下降。B、串励电动机不允许空载或轻负载运行。C、在同样大小的起动电流下，串励电动机的大于并励电动机的。串励并励三、复励直流电动机的运行特性：它介于并励和串励电动机特性之间。当并励绕组磁势起主要作用，特性接近于并励电动机特性。当串励绕组磁势起主要作用，特性接近于串励电动机特性。在空载时无飞速现象。四、直流电动机旋转方向的改变：直流电动机的旋转方向可以通过如下任意一种方法来改变：(1)改变电枢绕组的连接

(2)同时改变并励和串励绕组的连接。第九节并励直流电动机的调速他励直流电动机的转速特性：

可见，要改变电动机的转速，有三种方法：1、调节电枢端电压U；降压方向，从nN向下调2、调节励磁磁通Φ；弱磁调速，从nN向上调3、调节电枢外串电阻RΩ；从nN向下调

TnoABDCT1T2从A到B？从C到D？从A到C？从B到D？哪些是调速？一、电枢串电阻调速：Tn1n2n3n40nR1R2R3R4abcn0R1<R2<R3<R4TzT1二、降低电源电压调速T0nU1U2U3Tn21ABn1n20TzT1三、弱磁调速

第十节直流电动机的起动电机刚起动时，n=0，E=0，电枢电流很大。使绕组发热和受很大的电磁冲击力。希望I小于一定值。但电磁转矩与I成正比，希望I大些。－－－一对矛盾。常用的起动方法：1、直接起动；－－适用于小容量电机。2、电枢串电阻器起动；－－损耗大。3