第二章 直流电机

杭州电子科技大学《电机学》自动化学院第二章直流电机直流电能机械能直流电机直流发电机机械能直流电能直流电动机直流电能机械能直流发电机的应用场合：作为电解、电镀、交流发电机的励磁等电源，

转速或位置的检测。直流电动机的优点：较大的起动转矩、过载能力强，调速方式简单、性能好

应用场合：电力机车、龙门刨床、造纸与印刷机械、电动自行车等2.1.1交流发电机原理C位置2.1直流电机的工作原理一个线圈在磁场中旋转所感应的电动势为交流电。B位置abdcD位置abdc*A*B*C*D*A电刷AB电压UθOA位置abcdAB2.1.2

直流发电机的原理2.1.2直流发电机的原理通过换向器和电刷的配合，线圈内交流感应电动势变为电刷端脉动的直流电。A位置C位置B位置D位置*A*B*C*D*A电刷端电压UθO2.1.3直流电动机的原理直流电动机换向器和电刷的作用：单方向的电磁转矩；

将外部直流电变为线圈内的交流电。

D位置B位置A位置C位置在电力电子技术中：

将交流电转换为直流电的过程称为整流；

将直流电转换为交流电的过程称为逆变。直流电机的电刷和换向器共同起到了机械式变流器的作用。总结：（1）直流电机线圈内部的感应电动势和电流为交流电，而电刷外部的电压和电流为直流电。直流电机因此而得名。（2）直流电动机：电刷和换向器共同将电刷外部直流电转换为线圈内部交流电，即逆变。

直流发电机：电刷和换向器共同将线圈内部交流电转换为电刷外部直流电，即整流。（3）电刷和换向器起到了机械式变流器（整流器与逆变器的总称）的作用。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院2.2直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。定子主磁极：永磁体0.5~1.5mm厚钢板冲片叠压+励磁绕组电刷装置换向极轴承机座、端盖和接线盒轴承电刷装置碳刷接线弹簧片主磁极励磁绕组铁心固定螺丝转子电枢铁心：不大于0.5mm厚硅钢片冲片叠压成电枢绕组换向器转轴/dianjixilie022/3-kjdh-zhiliujijiegou/kjdh-zhiliujijiegou.html鹏芃科艺——直流电机转子结构电枢铁心电枢绕组转轴换向器换向片杭州电子科技大学《电机学》2.3直流电机的额定数据额定数据即铭牌数据，是设计和使用电机的依据。额定功率PN电机在额定状态时的输出功率，单位W（或kW、MW）额定电压UN（单位V或kV）额定电流IN（单位A或kA）额定转速nN（单位r/min）额定电磁转矩TN（单位N.m）额定输出转矩T2N（单位N.m）额定效率ηN直流发电机：PN指输出的电功率，等于额定电压和额定电流的乘积。直流电动机：PN指输出的机械功率，等于输入功率和效率ηN的乘积。额定功率PN直流电动机的额定功率与额定输出转矩、额定转速的关系为相应地，由电机的额定功率和额定转速也可求得额定输出转矩注意：功率的单位为W，转速的单位为r/min。在额定状态下，电机既能获得最佳性能指标，又能长期可靠地运行。额定状态运行也称满载运行。实际运行中，电机不可能总是运行在额定状态。电机电流小于额定电流，称欠载运行。电机电流超过额定电流，称过载运行。长期过载或者欠载运行都不好。长期过载运行，电机可能因为过热而损坏；长期欠载运行，效率低，容易造成电能的浪费。因此选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机运行在额定状态。杭州电子科技大学《电机学》2.4直流电机的电枢绕组直流电动机：线圈通入电流，产生电磁转矩，使线圈在磁场中转动，于是线圈产生感应电动势，吸收电功率，实现电能到机械能的能量转换。直流发电机：线圈在外力拖动下在磁场中旋转，产生感应电动势，并通过换向器及电刷将产生的电动势输出，实现机械能到电能的能量转换。

在直流电机中，在磁场中转动的线圈是实现能量转换的枢纽，所以直流电机的线圈被称为电枢绕组。元件：单匝元件、多匝元件元件的首端和尾端同一个元件的首端和尾端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又通过换向片彼此连接起来。电枢的换向片数K等于元件数S和虚槽数Ze，是实槽数Z的k倍。直流电机的线圈是以什么样的方式进行分布的呢？实槽虚槽2.4.1单层电枢绕组四个线圈：1-2,3-4,5-6,7-8

若作为直流电动机运行，则无法产生足够大的电磁转矩。若作为直流发电机运行，则无法产生足够大的感应电动势。因此，必须按照一定的规律将所有的线圈连起来，尽可能使所有的线圈都起作用。单层布置的多线圈绕组单层绕组位置一的情况单层绕组位置一时的展开图在单层绕组位置一时：1、2、3和4是一条支路，8、7、6和5形成一条支路，两条支路并联在电刷之间。在该位置，所有的线圈都在发挥作用。每个线圈的两个边分别在不同的主磁极下，这时产生最大的感应电动势和电磁转矩。单层绕组位置二的情况单层绕组位置二时的展开图在单层绕组位置二时：3和4是一条有效支路，8和7形成一条有效支路，两条支路并联在电刷之间。在该位置，只有两个线圈在发挥作用。只有两个线圈的不同边分别在不同的主磁极下，这时产生的感应电动势和电磁转矩最小。双层绕组位置一的情况双层绕组位置一时的展开图在双层绕组位置一时：1、2、3和4是一条支路，8、7、6和5形成一条支路，两条支路并联在电刷之间。在该位置，所有的线圈都在发挥作用。每个线圈的两个边分别在不同的主磁极下，这时产生最大的感应电动势和电磁转矩。双层绕组位置二的情况双层绕组位置二时的展开图在双层绕组位置二的情况下：3和4是一条有效支路，8和7形成一条有效支路，两条支路并联在电刷之间。在该位置，只有两个线圈在发挥作用。只有两个线圈的不同边分别在不同的主磁极下，这时产生的感应电动势和电磁转矩最小。结论：将线圈嵌放在电枢铁心槽内，并通过一定的规律连接起来。当转子旋转时，从电刷看进去，电枢绕组上每条支路串联的线圈和线圈数量在发生变化，但是由元件边构成的并联支路数保持不变。

电枢绕组的所有元件边几乎都得到了充分的利用，这样就可以最大程度上发挥直流电机发电或者电动的性能。杭州电子科技大学《电机学》直流电机电枢绕组最基本的连接型式有两种：单叠绕组和单波绕组。单叠绕组第一节距换向器节距2.4.2绕组的基本型式单叠绕组的特点：每个元件的首、尾端连接在相邻的两个换向片上。实线表示上层边，虚线表示下层边。1.单叠绕组举例：已知一台直流电机的极数为2p=4,Z=S=K=16，画出它的右行单叠绕组的展开图。首先计算第一节距：换向器节距：16151413121110987654321线圈n+-+-根据电刷位置和元件的连接顺序，可以画出电枢绕组的电路图。电机运行时，电刷是固定不动的，而绕组是在旋转的。各元件组成支路的情况也在发生变化，而电路的连接模式是固定不变的。单叠绕组的特点：(1)位于同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路，支路数等于极数；(2)当元件的几何形状对称、电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，电机能够产生最大的感应电动势或者电磁转矩；(3)电刷数目等于主磁极的极数。2.单波绕组单波绕组单波绕组的特点：(1)单波绕组把所有N极下的全部元件串联起来形成一条支路，把所有S极下的全部元件串联起来形成另一条支路。由于主磁极只有N、S极之分，因此单波绕组的支路数与极数无关，支路数永远是2。(2)当元件的几何形状对称时，电刷在换向器上的位置对准主磁极的中轴线，支路的电动势最大。(3)电刷的数目和极数相等。在极对数都大于1，且极对数和元件数相同的情况下：（1）单叠绕组：并联支路数多，每个支路的元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机；（2）单波绕组：支路数永远等于2，每个支路的元件数较多，适合于较高电压、较小电流的电机。

单叠绕组和单波绕组的对比杭州电子科技大学《电机学》2.5直流电机的励磁方式和磁场2.5.1直流电机的励磁方式直流电机主磁极产生的磁场称为主磁场，也称为励磁磁场。主磁场分为两大类：（1）由永磁体形成主磁极（永磁直流电机）；（2）采用励磁绕组产生主磁极。分为四种基本方式：他励式、并励式、串励式和复励式。2.5.2直流电机的空载磁场直流电机不带负载时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流近似为零。直流电机的空载磁化特性

气隙里需要一定数量的每极磁通。（电磁转矩、电动势）设计电机时要先计算磁路，确定产生一定数量气隙磁通所需的励磁磁动势，或者当励磁绕组匝数一定的情况下，需要的励磁电流。空载气隙磁感应强度分布2.5.3直流电机的电枢反应直流电机的电枢磁通分布直流电机带负载后，电枢磁动势出现。电枢磁动势必然会影响空载时仅有励磁磁动势单独产生的磁场，从而影响气隙磁感应强度的分布情况，这种现象称为电枢反应。电枢磁动势也称为电枢反应磁动势。直流电机电枢旋转，但电枢导体中电流分布的情况却是不变的，因此电枢磁动势的方向不变，相对静止。电枢磁动势产生的磁场的轴线与励磁磁动势产生的主磁场相互垂直。结论：在直流电机带负载时，磁路饱和导致每极相对于空载时的磁通减少，这种现象称为电枢反应的去磁效应。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院2.6直流电机的感应电动势和电磁转矩

2.6.1电枢绕组的感应电动势气隙磁感应强度的平均值单根导体电动势的平均值导体切割磁力线的线速度单根导体的平均感应电动势

电枢感应电动势的方向由电机的转向和主磁场的方向决定，只要有一个量改变方向时，电动势方向就随之改变，但是当两个量的方向同时改变，电动势的方向不变。电枢绕组的感应电动势直流电机的电动势常数2.6.2电枢绕组的电磁转矩单根导体所受的平均电磁力单根导体的电流单根导体的电磁转矩电枢绕组总的电磁转矩为直流电机的转矩常数直流电机的电动势常数与转矩常数的关系

电磁转矩的方向是由电枢电流的方向和主磁场的方向决定的，其中只要有一个方向改变，则电磁转矩将随之改变，但是当两个方向同时改变时电磁转矩的方向不变。杭州电子科技大学《电机学》2.7直流发电机的运行特性直流发电机：输出电功率，其电气输出量为端部的电压和电流；直流电动机：输出机械功率，其机械量包括转速和电磁转矩。2.7.1

直流发电机稳态运行时的基本方程式2.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式2.7.2直流发电机的功率关系输出功率电枢回路铜损耗输入功率电磁功率空载损耗铁损耗机械损耗直流发电机的电磁功率机械功率电功率直流发电机产生的电功率？在直流发电机中,电磁功率PM

是机械功率和电功率之间的媒介，它的存在才使得发电机实现机械功率和电功率之间的直接转换。他励直流发电机的功率流图为附加损耗或杂散损耗，不超过电机额定功率的1％。直流发电机的效率与其容量有关，容量越大的直流发电机效率越高。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院2.8直流电动机的运行特性电机可逆原理：一台直流电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。2.8.1他励直流电动机稳态运行时的基本方程式几点结论：(1)直流电动机的输入电压大于电枢感应电动势，电机才能输入电功率，

否则变为发电机运行模式。(2)直流发电机和直流电动机的感应电动势和电磁转矩的计算是一样的。(3)直流电动机电磁转矩

T

需要克服空载转矩

T0，剩余部分才是有效输出

转矩

T2。T0

和

T2

共同构成电机的负载转矩。(4)若外部电压和励磁电流不变，当负载转矩不变时，直流电动机的电枢

电流、感应电动势和转速都是固定不变的。直流电动机与直流发电机的对比直流发电机直流电动机NSST

n

NNSTn SN(1)直流发电机：T

和

n方向相反，T

是制动性转矩；

直流电动机：T

和

n方向相同，T

是拖动性转矩。根据

T

和

n方向的异同判断直流电机是运行在发电状态还是电动状态。(2)直流发电机：Ea

大于外部电压

U；直流电动机：外部电压

U大于

Ea

。由此也可判断直流电机是运行在发电状态还是电动状态。2.8.2他励直流电动机的功率关系其中， 为输入电功率， 为输出机械功率。

直流电动机的效率与其容量有关，容量越大的直流电动机效率越高。其中， 为总功率损耗，为机械摩擦损耗，为铁损耗，为回路总的铜耗，为附加损耗。。2.8.3他励直流电动机的工作特性1. 转速特性当 ,时，的关系称为转速特性。2.转矩特性当

,3.效率特性当

,时，的关系称为转矩特性。时，的关系称为效率特性。忽略电枢反应的影响。当

Ia

增大时，n下降，T

增大，

n、T

和

Ia

之间是线性关系。当

Ia

增大时，η逐渐增大。当

Ia

增大到一定程度后，

η减小。电枢反应

去磁效应nTη杭州电子科技大学《电机学》自动化学院2.9他励直流电动机的机械特性2.9.1机械特性的一般表达式他励直流电动机的机械特性：U和If一定时，转速和转矩之间的关系。串入电枢回路的电阻理想空载转速机械特性的斜率机械特性的一般表达式2.9.2固有机械特性当，，时的机械特性叫固有机械特性。固有机械特性的特点

T

越大，n

越低。(3)固有机械特性的斜率β

：较小时为硬特性，较大时为软特性。(2)当T

为0时，n

为理想空载转速n0，Ia=0。(4)当T=TN，n=nN时，转速差Δn=n0–nN

为额定转速差。

直流电动机硬特性一般要求Δn=0.05n0。直接起动时大电流和大转矩，对电机非常不利，应避免。(5)直流电动机直接起动时电流为(6)

第二象限：T<0，n>n0，正向回馈制动(发电状态)。直流电动机的运行都是基于其机械特性进行分析。(7)

第四象限：T>Ts