直流电机123教材

应用：叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常（较低）和转速正常的大中型直流电机。波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高和转速较低的中小型直流电机。3.3空载和负载时直流电机的磁场直流电机的磁场和电枢反应（理解）空载时的磁场负载时的磁场1.直流电机空载时的磁场直流电机空载时（Ia＝0）的气隙磁场仅由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff建立。磁动势Ff产生的磁场2.直流电机负载时的气隙磁场主要分析电枢绕组流过负载电流时产生的电枢磁动势及其作用。电枢磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产生影响，称为电枢反应。电枢反应对气隙磁通密度的大小、分布、电机的换向、运行性能都有影响。(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应电枢磁动势及其产生的磁通密度波形Fa使几何中性线处的气隙磁通密度不为零。(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应使磁场畸变，几何中心线处的气隙磁通密度不为零。不饱和时，去磁、增磁作用相抵消，每极磁通量不变。饱和时，每极磁通量略有减小，有去磁作用。(2)电刷不位于几何中性线时的电枢反应(2)电刷不位于几何中性线时的电枢反应直轴电枢反应：发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，直轴电枢反应为去磁；电刷逆电枢旋转方向移动，直轴电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。

3.4电枢的感应电动势和电磁转矩设气隙磁场的分布如图所示，则每根导体的感应电动势为一、电枢绕组的感应电动势式中，—导体所在处的气隙磁密；—导体的有效长度；—导体相对气隙磁场的速度。电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的

令

为平均气隙磁密，则上式改写为

将代入上式得出电动势的代数和，则电动势公式：式中，—每极的总磁通量；—电动势常数；—电动势公式。

二、直流电机的电磁转矩

电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为式中，—该点处的气隙磁密。

一个极下的载流导体上的电磁转矩应为式中，—气隙平均磁密。

整个电枢上的电磁转矩为

可得直流电机的转矩公式为

则再考虑到

一、电压方程；基本方程

二、转矩方程。

一、电压方程

1、他励直流电机

3.5直流电机的基本方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故。

直流发电机的稳态电路图直流电动机的稳态电路图2、并励直流电机

其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁

3、串励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。电压为电枢端电压，即发电机：电动机：磁绕组与电枢绕组相串联，有。二、转矩方程—为电磁转矩。1、发电机情况下—原动机的驱动转矩；—电机本身的机械阻力转矩；电磁转矩为制动转矩，有—电动机轴上的负载转矩。式中，

2、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率

发电机：机械能转化为电能；电动机：电能转化为机械能。

电磁功率用表示，则将代入上式，得直流发电机的功率流程图并励时电枢得到的电磁功率

Pem

扣除电枢铜耗

pCu

和励磁铜耗

pCuf

，等于输出功率P2。轴上输入的机械功率P1扣除空载损耗

p0，等于电磁功率Pem。空载损耗p0包括机械损耗

pm、铁耗

pFe

和附加损耗

pad（或杂散损耗）。他励时，功率平衡方程式中不计励磁铜耗pCuf

=0。

空载损耗p0机械损耗pm

：轴承摩擦、电刷与换向器表面摩擦、电机旋转部分与空气的摩擦、风扇消耗功率等。与电机转速有关。铁耗pFe

：电枢铁心中的涡流与磁滞损耗，与铁心中磁通密度的大小和交变频率有关。附加损耗pad：产生原因复杂，且较小，一般按（0.5%~1%）PN估算。直流电动机的功率流程图并励时，输入功率P1扣除电枢铜耗

pCu

和励磁铜耗

pCuf

，等于电磁功率

Pem

。他励时，功率平衡方程式中不计励磁铜耗

pCuf

。

四、直流电机的可逆性电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；电动机运行。发电机、亦可作为电动机运行。基本关系式

——每极磁通量；3.6直流发电机的运行特性他励发电机负载运行运行特性外特性调整特性效率特性并励发电机自励外特性复励发电机的外特性1.他励发电机的负载运行原动机将发电机拖动到额定转速，励磁绕组接到励磁电源，使端电压达到UN机械方面：负载后转速下降，需增加T1恢复至额定转速电磁方面，电枢反应使得端电压下降，需调节励磁电流，恢复至UNP2=UI，正常运行时保持UN，P2与I成正比，满载（I=IN）、半载（I=0.5IN）、空载（I=0）2.他励发电机的运行特性I、U、

If

这3个主要变量之间的关系发电机励磁方式不同，特性也不一样。负载特性：负载电流I=Const时，U＝f(If

)。空载特性：I＝0时，U＝f(If

)。外特性：If

=Const，U＝f(I)调整特性：U=Const，If

＝f(I)

保持转速

n

为常数，一般为额定转速。Ia＝

I空载特性E0＝f(If)原动机拖动转子以恒速旋转(nN)，电枢绕组开路（Ia＝0），改变励磁电流

If，端电压U0（E0）与If的关系。U=Ea=E0＝f(If)空载特性E0＝f(If)有磁滞、剩磁、饱和现象。If=0时Er

：剩磁电动势

Er=2%~4%UN各种直流电机的空载特性都在他励方式下测定。外特性U＝f(I

)通常指转速n＝nN

，If为额定值时，U

与

I的关系。U随I

的增大而降低，是一条下垂的曲线。原因：IaRa，电枢反应的去磁作用。电压调整率

uN。额定励磁下不允许持续短路，原因：Ra很小，Ik很大。他励发电机的

U约为5%～10%，变化不大，特性比较硬。U0为If＝IfN时的空载端电压。调整特性If＝f(

I

)n＝nN，保持U

=UN恒定时，

If与I

的关系。If一定时，U

会随

I

变。原因：IaRa，电枢反应的去磁作用。为保持U不变，需调节If。负载增加时，U下降，若维持U不变，必须增加If

。I=IN，U=UN时，If=IfN3.并励发电机的自励和外特性并励发电机的自励建压并励发电机要有一个自行建立励磁和端电压的过程，称为建压。空载时，I＝0，Ia＝If≠0。但

If较小，故可近似认为Ia＝0，利用空载特性来分析电压建立过程。建压1—空载特性曲线；2—励磁回路的伏安特性曲线；励磁电阻线3—临界电阻线（空载特性直线段）；建压临界电阻Rcr

=Rf+Rfs。（1）电机主磁路必须有剩磁；（2）励磁绕组并联到电枢绕组两端的极性正确，即励磁磁动势与剩磁磁场方向必须相同；（3）励磁回路总电阻必须小于建压临界电阻自励建压条件外特性电压调整率

U比他励的大，约为20%～30%

（因If还随U下降而减小）。负载电流有“拐弯”现象。稳态短路电流Ik0＝Er/Ra并不很大，常小于IN（因Er数值很小）。转速n＝nN，励磁回路总电阻不变时，U

与

I

的关系U＝f(

I

)

。积复励:串、并励绕组的励磁磁动势方向相同。

差复励:串、并励绕组的励磁磁动势方向相反。复励发电机通常采用积复励并励磁动势为主，空载时能达到额定电压。串励磁动势主要补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢电路的电阻压降。4.复励发电机的外特性按照串励绕组磁动势补偿作用的强弱，可分为三类：平复励过复励欠复励3.7直流电动机的运行特性并励电动机的负载运行并励电动机的运行特性工作特性（重点掌握转速特性）机械特性串励电动机的运行特性工作特性机械特性复励电动机的特点电力拖动系统运行的稳定性并励电动机的负载运行有关方程式：2.并励电动机的运行特性U＝UN，If＝IfN时，n、Te、与Ia

（或P2）关系。转速特性

n＝f

(

Ia

)转速公式n变化很小n＝f(Ia)为硬特性。工作特性转速调整率Δn：并励电动机的转速调整率很小，约为3%∽8%。

注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。否则，If=0，主磁通迅速下降为剩磁，电枢电流迅速增大，轻载时，n迅速上升，造成“飞车”；重载时，Te小于TL，可能停转，电枢电流增至启动电流，烧毁电机转矩特性T＝f

(

Ia

)

Te

近似与Ia

成正比。（电枢反应的去磁作用）效率特性

＝f

(

Ia

)可变损耗等于不变损耗时，

最高。p0基本不随Ia变化—不变损耗；pCu随Ia变化—可变损耗。机械特性，机械特性的斜率，理想空载转速U＝UN

，Rf＝Const，n=f(Te)并励直流电动机的固有机械特性是一条略有下降的直线，是硬特性（

很小）。固有机械特性：U＝UN，电枢回路不串任何电阻时的机械特性。5.电力拖动系统运行的稳定性

处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动（如电源电压波动，或负载转矩波动），导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。机械特性下降A点：拖动系统的平衡点。若扰动使n↑，Te↓，TL↑，则，Te<TL→n↓扰动消失后，系统转速可恢复至原来转速，A点为稳定点机械特性上升A点：拖动系统的平衡点。若扰动使n↑，Te↑，TL↑，则，Te

增量>TL增量→n↑造成“飞车”。扰动消失后，系统转速无法恢复至原来转速，A点不稳定一台并励直流电动机原运行于某一值下，设负载转矩增大，试分析电机将发生怎样的过渡过程，并将最后稳定的数值和原值进行比较。3.8直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的启动直接启动电枢回来串电阻启动降压启动直流电动机转速的调节他励和并励电动机的转速调节直流电动机的制动能耗制动反接制动回馈制动1.直流电动机的起动起动要求起动转矩大起动冲击电流小能量损耗小简单，便于控制起动方法直接启动（全压起动）电枢串接电阻起动降压起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。

起动转矩和起动电流分别为：

起动时由于转速n=0，电枢电动势Ea=0，而且电枢电阻Ra很小，所以起动电流将达很大值（10~20）IN。一般直流电动机不允许直接起动。

直接起动：以三级启动为例。电枢回路接入变阻器起动：3KM启动变阻器笨重，且耗能。降压起动：

当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。2.直流电动机转速的调节调速的要求调速范围（调速比）调速平滑性电枢串接电阻调速改变端电压调速改变磁通调速直流电动机的调速方法经济性调速方法简单，可