第2章直流电机

第2章直流电机1电机与拖动第2章直流电机2.1直流电机的工作原理2.3直流电机的磁场和电枢反应2.2直流电机的基本结构和额定值2.4直流电机的感应电动势和电磁转矩2.5直流电动机的运行原理2.6直流发电机的运行原理下一章上一章返回主页2.1直流电机的工作原理NS－U＋一、直流电动机的工作原理NS＋U－线圈边中电流不改变方向，则平均Tem=0。2.1直流电机的工作原理NSNS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁力线会产生什么？换向片一、直流电动机的工作原理直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载

旋转克服反电动势做功电磁关系NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋－E＋线圈边切割磁力线会产生什么？电磁关系输出直流电换向原动机感应电动势和电流

电磁转矩

(阻转矩)做功气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形0b

t

2

3

AX0eXA

tNS0πAX×

+e－0e

t每极下有3个串联线圈时的电动势波形0e

t

2

3

2.2直流电机的基本结构和额定值一、直流电机的基本结构

1.定子(1)主磁极(2)换向极(3)电刷(4)机座(5)端盖(6)轴承等直流电机的定子主磁极

机座主磁极铁心励磁绕组绝缘框架电枢铁心螺栓机座换向极主磁极直流电机结构图电枢绕组主磁极电枢铁心

励磁绕组磁轭

补偿磁极附加极绕组

换向器电刷装置端盖

风扇轴承轴端盖

直流电机横向剖面图

主极铁心励磁绕组定子磁轭

换向极换向极绕组电枢导体电枢铁心电枢齿电枢槽极靴底脚

直流电机的定子直流电机的换向极和电刷换向极绕组

换向极铁心铜丝辫

压紧弹簧

电刷刷握2.转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组(3)换向器(4)转轴与风扇直流电机的转子

(a)转子主体

(b)电枢钢片直流电机的换向器连接片

换向片

云母环

V形套筒直流电机1.绕组的基本概念单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。(1)元件是构成电枢绕组的基本单元，其两端分别与两片换向片相连的单匝或多匝线圈。

二、直流电机的电枢绕组电枢绕组的元件后端接上元件边前端接下元件边(2)叠绕组和波绕组

两匝元件叠绕元件波绕元件元件边(有效边)(3)极距

一对磁极在电枢表面所跨过的距离。

=Z2p电枢总槽数极对数NSNSNS(4)绕组的节距

※

y1——第一节距（用所跨过的槽数来表示

）。

y1=

为整距绕组；y1<

为短距绕组；y1>

为长距绕组。※

y2——第二节距（用所跨过的槽数来表示

）。※

y——合成节距：y=y1±y2

叠绕元件在电枢上的连接1234y1y212k

波绕元件在电枢上的连接y1y2

2

y

y

2.单叠绕组AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

5AB123456787

6

5A1

2

3

B482.单叠绕组AB812345676

5

4

378

1

2

AB7

6

5

48

1

2

3ABAB12345678电动机发电机eeeeeeee＋－EA1

2

3

48

7

6

5BIa

结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。1

2

3

48

7

6

5AB＋－IaeeeeeeeeENSNS123456789101112123568911121A1B1A2B2单叠绕组的展开图nZ=p=

=y1=y2=y=1223321NSNS123456789101112123568911121A1B1A2B2单叠绕组的展开图结论：①每个主磁极下的元件串联成一条支路；②绕组的并联支路对数等于极对数，即a=2=p。nA1A2B1B236'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12单叠绕组的展开图NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※

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电机装配图1.额定电压UN(V)

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(A)

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(kW)

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)

。4.额定转速nN(r/min)三、直流电机的额定值5.额定励磁电压UfN(V)6.额定励磁电流IfN(A)※

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。【例2－1】一台Z2型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/m，PN=145kW，

N＝90％，求该发电机的额定电流和额定输入功率【例2－2】一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，

N＝84％，求该电动机的额定电流和额定输入功率四、直流电机的主要系列Z，ZF，ZD系列Z4，ZO2系列ZJF，ZJD系列ZJF，ZJD系列S，SZ，SY系列ZCF，CYD，ZYS和CY系列表2－1直流电动机的铭牌直流电动机型号Z3－95产品编号7001结构类型励磁方式他励功率30kW励磁电压220V电压220V工作方式连续电流160.5A绝缘等级定子B转子B转速750r/min重量685kg标准编号JB1104－68出厂日期年月MM四、直流电机的励磁方式IfIa他励并励串励复励1.直流电动机按励磁方式分类IIfIa

Ua

Uf

U

MMU

IIa

UIIfIfIa

2.直流发电机按励磁方式分类GIUf

Ua

IfIa

分为他励和自励。GIIa

U

IfGIa

IfIU

GIa

U

IfI他励串励（自励）并励（自励）复励（自励）2.3直流电机的磁场和电枢反应

B0空载时电枢电流可忽略不计。空载磁场由主磁极的励磁磁动势单独作用产生。空载时磁场轴线与磁极轴线相重合。几何中性线：相邻两主极之间的中心线。该处的径向磁通密度为零。磁场轴线磁极轴线几何中性线几何中性线一、直流电机的空载磁场二、负载时的电枢磁动势几何中性线直轴d交轴qFa

2

2

OxxFa(x)Ba(x)三、直流电机的电枢反应负载时电机中磁场：由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。电枢反应Ba

2

2

OxNSB0B

※

将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为零的点连接成的直线——物理中性线。NS几何中性线物理中性线电枢反应的结果①

气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用：电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。磁路不饱和时，每极下的磁通量不变；磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。②

物理中性线偏离了几何中性线：对发电机：顺着电枢旋转方向偏移；对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。四、电枢反应对换向的影响及改善措施1.电枢反应对换向的影响

①

处在几何中性线处的换向元件的e≠0，使换向发生困难。②气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀；

当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限度，将产生电位差火花；而且随着电弧的拉长可能出现环火。※电刷是与处在几何中性线处的元件所连接的换向片接触的。换向不良的影响①会在换向器和电刷间产生火花；②火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器；③火花会产生电磁波，对无线通信造成干扰。3.改善换向的方法

(1)加装换向磁极换向极

(2)移动电刷

2.4直流电机的感应电动势和电磁转矩1.感应电动势的产生电枢旋转n

磁场

2.感应电动势的大小(1)每根导体的感应电动势

ex

=Bxlv※

Bx

——导体所在处的气隙磁密。

l——导体的有效长度。

v——导体切割磁场线的线速度。一、直流电机的感应电动势ex→

ex

→EB=

npN

60a(2)电枢电动势的大小

设电枢总导体数为N，则每条支路的导体为，故v=n2

R60=n2p

60N2aE=

ex1N/2a

=

Bxlv

1N/2a

=lv

Bx1N/2a

BBav平均气隙磁密=lv

Bav

N2a=ln

2p

60

lN2a=CE

n每极下的磁通

E=CE

n

※

CE

——电动势常数。单位：Wb

单位：r/min(V)3.感应电动势的方向和性质

方向：由

和n共同决定。

性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。二、直流电机的电磁转矩1.电磁转矩的产生电枢电流

ia

磁场

F→Tem

2.电磁转矩的大小

设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为

fav

=Bavlia※

ia

——导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转矩为

Tav=

fav

=

Bav

lia

D

2D

2电枢直径为：

电枢电流与支路电流的关系为：则D=2p

ia=Ia

2aTem=

NTav=N

Bav

lia

D

2=Nl

lIa

2ap

=

IapN2

a(N·m)

Tem=CT

Ia

※

CT

——转矩常数。单位：Wb单位：A3.电磁转矩的方向和性质

方向：由

和Ia

共同决定。

性质：发电机为制动转矩，Tem

与n方向相反。电动机为拖动转矩，Tem

与n方向相同。4.电动势常数和转矩常数的关系CT

=

CE=9.55CE602

，CT=pN

2

aCE=pN

60a因为则2.5直流电动机的运行分析一、直流电动机的基本方程

Ea1.电压平衡方程式励磁电路：

Uf=Rf

If电枢电路：

Ua

=Ea＋RaIa

MIfIaUa

Uf

※Ra——电枢绕组总电阻，包括电刷的接触电阻。

Tem

=TL=T0＋T22.转矩平衡方程※T0——空载转矩，是由电动机的机械摩擦损耗及铁损引起的总转矩；

T2——输出转矩，即生产机械的制动转矩；

TL——负载转矩，它是电动机的空载转矩T0与生产机械的转矩T2的总称。(1)输入功率P1

P1

=

U

I=

UaIa

(2)电枢铜损耗pCua

pCua

=

RaIa2

(3)电磁功率Pem

Pem

=P1－pCua

推导：U

I

=

UaIa=(Ea＋RaIa

)Ia

Pem

=

EaIa

3.电磁功率与功率平衡方程Pem

=

EaIa

=

CE

nIa

=Tem

2

60=

CT

nIa

=EaIa＋RaIa2(4)空载损耗p0p0=

pFe＋pm＋pad结论：电动机将电枢吸收的电功率EaIa

转换成了机械功率Tem

，故称EaIa

和Tem

为电磁功率。机械损耗

附加损耗铁损耗2

60=T2n(5)输出功率P2

Tem

=T0

＋T2

P2

=T2

=

Pem－p0

(6)效率

P2

P1

=×100%

功率流程图P1pCuPemp0P2二、直流电动机的工作特性1.他励和并励直流电动机的工作特性

工作特性是指当U=UN、If=IfN

时，n、Tem和

与Ia

的关系。(1)

转速特性

Ea

CE

n=

Ua－Ra

Ia

CE

=转速特性OnIa

n0当Ia

时，n下降不多(硬特性)。励磁电路断电的后果当If=0，

=

r

很小，n不能突变

→Ea

很小

→Tem=

CT

r

Ia

仍有一定数值。

→

Ia

①若Tem

＞TL→n

(飞车)②若Tem＜TL→n

→n=0(闷车)(2)

转矩特性

Tem=

CT

Ia

OTemIa

转矩特性①若不计磁路饱和，则Tem∝Ia

；②若计及磁路饱和，则

Tem随着

Ia

的增加略有下降。

【例2－3】

已知某并励直流电动机，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN

=1500r/min,电枢电阻Ra=0.18

，励磁电阻Rf＝628

。试求：(1)CE

N、CT

N

；(2)电磁转矩Tem；(3)额定输出转矩T2；(4)空载转矩T0；(5)理想空载转速n0与实际空载转速n

0。

解：(1)2.串励电动机的工作特性UEaIaKIf＋－特点If=Ia，主磁通随负载电流Ia的变化而变化。Ua电机空载或轻载运行，Tem=0串励直流电动机绝对不允许空载或轻载运行Uf(1)转速特性n=f(Ia）If=Ia≈0

(很小)他励电动机的与Ia无关，而串励电动机If=Ia，

与Ia符合磁化曲线关系.

If=Ia0轻载时Ia较小，重载时Ia=If

较大，近似不变转速与电枢电流是非线性关系转速与电枢电流是线性关系直线nIa0双曲线(2)转矩特性Tem=f(Ia）U=UN，电枢回路总电阻不变Tem=CT

Ia轻载时

=kIaTem=CTkIa2TIa0重载时

=常数Tem=CT

Ia串励直流电动机适用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较大起动转矩及过载能力的生产机械上。3.复励电动机M＋-UIIaIf串励励磁绕组匝数少，导线粗，电阻小并励励磁绕组，匝数多，导线细，电阻大两个励磁绕组磁通势方向相同称为积复励电动机两个励磁绕组磁通势方向相反称为差复励电动机nIa0并励串励复励复励电动机的起动转矩和过载能力大，可以在空载和轻载状态下运行。2.6直流发电机的运行原理2.6.1直流发电机基本方程式(以并励电机为例)1.电压平衡方程NS+-UInT1TemIaIf绕组内阻电刷压降Ce

n电枢总内阻2.转矩平衡方程

当发电机P2增加时，输出电流Ia增大、Tem增大，必须加大外力矩T1才能维持正常运转。1)当发电机空载运行时，其转子的阻转矩只有T0。转矩平衡方程：T1

=T0。2)当发电机负载运行时，其转子的阻（制动）转矩有T0和电磁转矩Tem。转矩平衡方程为：

发电机必须有外力矩T1，才能维持正常运转。其中：NS+-UnT1TemIIaIf3.功率平衡方程(1)机械功率平衡方程机械功率电磁功率空载损耗NS+-UnT1TemIIaIf其中：摩擦损耗铁损耗附加损耗(2)电磁功率平衡方程输出功率电枢铜耗励磁铜耗－电磁功率

外力矩为了克服制动转矩（Tem和T0）提供机械力矩（功率）；并部分转换成了电磁功率传给了电枢。4.机电能量转换关系

发电机将从转轴上输入克服电磁转矩的机械功率并转换成电功率。该电功率为P1p0pcuPemP25.效率2.6.2直流发电机运行特性

直流发电机中，物理量U（端电压）、Ia（电枢电流）、If（励磁电流）两两间的关系称为发电机运行特性。空载特性：U=f(If)，Ia

=0，nN

=C外特性：U=f(Ia)，If=C，nN

=C调节特性：If=f(Ia)，U=C，nN

=C1.他励发电机U0UfEa(1)空载特性U0=f(If)

当n=nN且Ia=0时，U0与If关系也等于E0与If关系，即

E0=f(If)

Ea

，

E0=f(If)曲线与电机磁化曲线

=f(If)相似U0If0当励磁电流为零时的电压是什么电压？

注意：空载实验时，If只能单方向调节。(2)外特性U=f(Ia)当If=IfN

，n=nN时，U与I