《电机与拖动学习指导与实验教程》教学课件-02直流电机

第2章直流电机

直流电机是将直流电能和机械能相互转换的电机。分为直流电动机和直流发电机。第2章直流电机直流电动机把电能转化为机械能；直流发电机把机械能转化为电能。直流电机的特点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。调速时的能量损耗较小。易于控制，可靠性高。换向困难，使直流电机容量受到限制。第2章直流电机

直流电机使用场合：

直流电动机具有过载能力强、起动和调速性能好、易于控制等优点，因此被广泛地应用在对起动性能及调速性能要求高的场合，如电力机车、重型机械及轧钢机等动力装置中。

直流发电机主要做直流电源用。第2章直流电机电源励磁机测速伺服直流电机的使用场合：（1）直流电动机的工作原理2.1直流电机的基本工作原理和基本结构说明直流电动机的工作原理的模型。NSNS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片（1）直流电动机的工作原理2.1直流电机的基本工作原理和基本结构

工作原理：电刷外部的是直流电，通过电刷和换向片的作用使元件中的电流成交变的，从而产生的电磁转矩的方向是恒定的，也可以说直流电动机实质上是带有换向器装置的交流电动机。（1）直流电动机的工作原理2.1直流电机的基本工作原理和基本结构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换向Φ旋转（1）直流电动机的工作原理直流电动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；线圈中感应电势与电流方向相反；线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩Tem与转子转向相同，是驱动性质；2.1直流电机的基本工作原理和基本结构电枢换向器NS电枢绕组与换向片焊接电枢绕组电动机工作原理（2）直流发电机的工作原理说明直流发电机的工作原理的模型NSNS－E＋－E＋2.1直流电机的基本工作原理和基本结构（2）直流发电机的工作原理

工作原理：元件中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。2.1直流电机的基本工作原理和基本结构a）元件电动势

b）电刷电动势

2.1直流电机的基本工作原理和基本结构（2）直流发电机的工作原理（2）直流发电机的工作原理输出直流电原动机感应电动势、电流电磁转矩（阻转矩）做功Φ换向

电磁关系直流发电机运行时的几点结论:（2）直流发电机的工作原理电枢线圈内电势、电流方向是交流电；电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；产生的电磁转矩Tem与转子转向相反，是制动性质。（3）电机的可逆原理指同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。2.1直流电机的基本工作原理和基本结构2.1.2直流电机的主要结构普通直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成，定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙）。2.1.2直流电机的主要结构2.1.2直流电机的主要结构2.1.2直流电机的主要结构1）定子部分包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等。

（1）主磁极主磁极包括主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组两部分。主磁极铁心用1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成。1）定子部分（2）换向极:又称附加极或间极，其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。换向极的铁心一般用整块钢或钢板加工而成，换向极绕组与电枢绕组串联，由于需要通过较大电流而用截面大、匝数少的矩形截面导线绕制。1）定子部分（3）机座机座有两个作用：一是作为电机磁路系统中的一部分，这部分称磁轭；二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。1）定子部分（4）电刷装置电刷装置由电刷、刷握、压紧弹簧和铜丝辫组成。2）转子部分直流电机的转子称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等。2）转子部分（1）电枢铁心电枢铁心也有两个用处，一个是电机主磁路的一部分；另一个是用来嵌放电枢绕组。

为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2）转子部分（2）电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的元件组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。详细分析见2.3节。2）转子部分（3）换向器换向器由许多换向片组成，每片之间相互绝缘。常见的换向器型式的换向片下部为燕尾形。2.2直流电机的铭牌与励磁方式2.2.1直流电机的铭牌电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。若电机运行时，各数据符合额定值，这样的运行情况称为额定工况。直流电机的额定值：（1）额定功率PN（kW）：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率。

对电动机：额定功率是指输出的机械功率；

对发电机：额定功率是指输出的电功率。2.2.1直流电机的铭牌直流电机的额定值：（2）额定电压UN（V）：指额定状态下电枢出线端的电压。（3）额定电流IN（A）：指电机运行在U=UN、P=PN电机的电流。（4）额定转速nN（r/min）：指额定状态下运行时转子的转速。（5）额定励磁电压UfN（V）（仅对他励电机）。（6）额定励磁电流IfN（A）。2.2直流电机的铭牌与励磁方式2.2.1直流电机的铭牌对发电机额定功率为：

对发电机额定功率为：

2.2直流电机的铭牌与励磁方式例2-1：已知某直流电动机铭牌数据如下：PN

=75kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=88.5%，试求：该电机的输入功率及额定电流各是多少？

解：对于直流电动机：

故额定运行时输入的电功率：

故该电机的额定电流:

2.2.2直流电机励磁方式励磁方式：指给直流电机励磁绕组的供电方式。分为他励和自励式两大类。自励式又分为并励、串励、复励三种电机。图中：I为电源电流，If为励磁电流，Ia为电枢电流。

（a）他励

（b）并励（c）串励

（d）复励2.2.2直流电机励磁方式1）他励式

他励式是指励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。永磁直流电机也属于他励直流电机，因励磁磁场与电枢电流无关。2.2.2直流电机励磁方式2）自励式

（1）并励式：励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢绕组端电压。

对于直流电动机：

对于直流发电机：

（此时I称为负载电流）

2.2.2直流电机励磁方式2）自励式

（2）串励式：励磁绕组与电枢绕组串联；励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。

2.2.2直流电机励磁方式2）自励式（3）复励式：每个主磁极上套两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。两个绕组产生的磁动势方向相同称为积复励，两个绕组产生的磁动势方向相反称为差复励。通常采用积复励方式。

2.3直流电机电枢绕组2.3直流电机电枢绕组

电枢绕组就是直流电机转子绕组，是直流电机的电路部分，也是直流电机的核心部分，是实现机电能量转换的枢纽。

电枢绕组的构成应能产生足够的感应电势，并允许通过一定的电枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。

电枢绕组组成原则:2.3.1电枢绕组的基本概念

按其绕组元件和换向器的联接方式不同，可以分为叠绕组（单叠和复叠）、波绕组（单波和复波）和混合绕组。

元件:

首尾两端分别与两个换向片相连接的线圈，称为元件，是组成绕组的基本单元。直流电机电枢绕组的型式：

元件可为单匝，也可为多匝，一个元件由两条导体边和端接线组成，元件的两个出线端分别接到两片换向片上，并与其它元件相连。单叠绕组元件：单匝元件两匝元件元件相连2.3.1电枢绕组的基本概念电枢绕组与换向片1）单叠绕组通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。结论：单叠绕组的联结示意图：位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两条并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。1）单叠绕组

波绕组元件：单匝元件两匝元件思考:叠绕组元件和波绕组元件的特点？2.3.1电枢绕组的基本概念2.3.1电枢绕组的基本概念

元件嵌入槽内的规律：

置于槽内称为有效边，端接线置于铁心外，不切割磁场，仅起连接线作用。

一个槽里总有上下层两个线圈边，称为双层绕组。2.3.1电枢绕组的基本概念

虚槽：大型电机为了避免开过多槽，往往电枢每槽上、下层有多个元件边，

说明元件的空间安排时，就一律以虚槽来编号，用虚槽数为计算单位，u=2即表明一个实槽Q包含2个虚槽Qu，则：

由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接，换向片数K。则有：

假如电机中每槽上、下层分别包含u个元件，u为槽内一层嵌放的元件边数，图u=2。2.3.1电枢绕组的基本概念

4极（）直流电机结构示意图：

几何中性线：磁极之间的平分线

极距

：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。用虚槽数表示为：

主极轴线：磁极的中心线2.3.2直流电枢绕组的节距

电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征。

一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距。如以虚槽数计，总是整数。即：

整距绕组；短距绕组；长距绕组。

（1）第一节距y12.3.2直流电枢绕组的节距

（2）第二节距y2

相串连的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为第二节距。也用虚槽数计算。

（3）合成节距y

相串连（相邻）的两个元件对应边在电枢合成节距y。对于叠绕组：对于波绕组：2.3.2直流电枢绕组的节距

（4）换向器节距yk

一个元件的两个出线端所连接的两个换向片之间所跨的距离，称换向器节距yk。

其大小用换向片数计算，则有yk=y。2.3.3单叠绕组和单波绕组

叠绕组：

叠绕组是指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上

单叠元件在电枢上的联接

取正号则绕行换向片一周后，比出发时的换向片前进一片，称为右行绕组；取负号则后退一片，称为左行绕组。一般采用右行绕组。2.3.3单叠绕组和单波绕组

波绕组：

波绕组是指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串连起来，像波浪一样向前延伸。主要内容：（用实例说明）绕组联结规律及节距；绕组展开图；元件联结图；并联支路图。1）单叠绕组单叠绕组分析实例解：节距计算：y＝yk＝1计算节距y、y1和y2画绕组展开图安放电刷和磁极例2-3：

2p＝4，Qu＝S＝K＝16，试绘制单叠右行绕组展开图。1）单叠绕组1单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－1）单叠绕组绕组放置元件1：上元件边在1槽上层，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。元件2：上元件边在2槽上层，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推放置其他元件。

虚槽中的上层元件边用实线表示，下层元件边用虚线表示，元件边上下的斜线表示端接。1）单叠绕组某一瞬间磁极、电刷放置磁极：磁极宽度约0.7τ，均匀分布，N、S极交替安排。电刷：为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。在磁极的几何中性线上的元件电势为零，在同一极性主极下的元件边电势具有相同的方向。电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主极轴线对准的换向片上。

1）单叠绕组单叠绕组元件联结图

绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。

5′6′7′8′9′10′11′

12′13′14′15′16′1′2′3′4′123456789101112

131415161

y2yy1

两元件之间的虚线，表示通过换向器上的同一片换向片把两元件串联起来。

元件、上元件边及其所在的虚槽，与其联结的换向片都具有相同的号码，下元件边用它所在的虚槽的号码上标加一撇表示。1）单叠绕组单叠绕组某一瞬间并联支路图每个极下的元件组成一条支路，即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。

23478610111214161551391A1A2B1B2121095613141）单叠绕组单叠绕组的特点元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，2a=2p；整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即1）单叠绕组思考题？答：取掉B1，A2，四条支路变为两条。1、直流电机电枢绕组取掉相邻一个或两个电刷，直流电机会怎样运行？2、取掉相对（B1，B2）电刷会怎样？答：整个回路被A1和A2短接，电机不能工作。3、电枢绕组闭合回路是否有环流？答：各支路电势数值相等，电枢绕组回路总电势为零。不出现环流。1）单叠绕组思考题？答：主极数越多，电枢电流越大，故选用8磁极。4、大电流直流电机，选用2磁极还是8磁极？

为了增大电枢电流Ia，应增加并联支路数，即增加主极数。但主极数受电机结构的限制，不能任意增加。可以采用复叠绕组，使支路数成倍增加。1）单叠绕组主要内容：绕组联结规律及节距绕组展开图元件联结图并联支路图2）单波绕组

yk

N

Sy1y2对照单叠绕组y=y1+y2≈2τyk=

y

把相隔约一对极距的同极性的元件串联。

N

S

N

S11515yk左行绕组单波绕组的联结规律及节距2）单波绕组单波绕组的联结规律及节距首末端所接的两换向片相隔很远，两个元件紧相串联后形似波浪。为了使紧相串联的元件所产生的电势同向相加，这两个元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距

。2）单波绕组单波绕组的联结规律及节距沿电枢铁心一周后，必须回到原来起始换向片相邻的一换向片上，这样绕组才能继续往下绕。

因此，换向片节距yk应满足，即：

。

yk为一整数，取正号时，绕组联结成右行绕组，取负号时，可得左行绕组。一般取负号，这时端接稍短。2）单波绕组单波绕组分析实例例2-4：2p＝4，Qu=S＝K＝15，试绕左行单波绕组。节距计算:计算节距y、y1和y2画绕组展开图安放电刷和磁极2）单波绕组元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置：

1号元件上层边放1号槽，下层边放4号槽；首末端所连的换向片相距yk＝7；为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与1号元件的轴线重合。1号元件上层边所连的换向片定为1号，依此依次联接。

磁极放置：

N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。

2）单波绕组单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷2）单波绕组单波绕组元件联结图

从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815714613512411310291联结图如下：

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18157146135124113

10291y2yy12）单波绕组单波绕组某一瞬间并联支路图单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关，永远为1，即a＝1。

234761011121415A1A2B1B21158954139128152）单波绕组单波绕组的特点

同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a＝1，与磁极对数p无关。当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。

电刷组数应等于极数；电枢电流Ia＝2ia

。2）单波绕组思考题？答：不能，这样会使电刷下的平均电流密度增大，容易损坏电刷。1、既然一对正、负电刷可构成一对支路，单波绕组是否只需要一对正、负电刷？答：3个。2、单波绕组p=3，则一周有几个绕组串联？2）单波绕组单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适用于较大电流、较低电压的电机。

单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。直流电机绕组的归纳所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数。

注：a－支路对数

p－极对数为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中性线上的导体相接触。2.4直流电机的磁场2.4直流电机的磁场直流电机负载运行时的磁场由励磁电流和电枢电流共同建立。直流电机空载运时磁场由励磁电流产生。直流电机电枢磁场由电枢电流建立。为了弄清稳态运行时直流电机内部的电磁过程，必须先分别了解空载和电枢单独产生的磁场，再分析负载时电机内部的磁场。2.4.1直流电机的空载磁场电机中磁场的分布是对称的，由励磁磁动势所建立的主极磁通分两部分：主磁通Φ0和漏磁通Φ。对比：主磁通Φ0和漏磁通Φs主磁通Φ0和漏磁通Φs由同一磁动势建立；Φ0所走的路径气隙小，磁阻小；Φs所走的路径气隙大，磁阻大。2.4.1直流电机的空载磁场思考：请说明主磁通Φ0和漏磁通Φs所走的路径、大小、作用的不同之处。（1）磁通(磁路)与磁动势主磁路从气隙1出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1。2.4.1直流电机的空载磁场

整个闭合磁路分为5段：两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个主极铁心和一个定子轭。（1）磁通(磁路)与磁动势主磁通、主磁路：由N极出发，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入S极，再经定子轭回到原来N极。主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电势，产生电磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过周边空气及相邻的磁极或定子轭自身闭合。影响饱和程度2.4.1直流电机的空载磁场（2）气隙磁密分布Bδ

τ

bdd'atN在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。主磁场磁密的分布2.4.1直流电机的空载磁场2.4.2直流电机的电枢磁动势和磁场

（电刷在几何中性线上）

当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流Ia，电枢电流Ia也产生磁动势，叫电枢磁动势。

电枢磁动势对气隙磁通的大小和分布、电机的运行性能、换向的好坏都有影响。（1）电枢磁动势的性质电枢磁动势的空间分布只决定于电枢绕组中电流的分布，以电刷为界的电枢表面电流在空间上是不变的，因此其产生的磁场和磁动势的分布也是固定不变的。电枢磁场分布当电刷放在几何中性线上时，电枢磁场的轴线与电刷轴线重合，即与磁极轴线（d轴）正交，固称为交轴电枢磁动势。与主极轴线重合的轴称为直轴（d轴），与主极轴线正交的轴称为交轴（q轴）。（1）电枢磁动势的性质2.4.2直流电机的电枢磁动势和磁场

（电刷在几何中性线上）

（2）电枢磁动势波形

一个元件时，磁势波形为一个矩形波，若元件再增多，当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，则其波形为多个阶梯组成的阶梯波，其波形近似为一三角波，如图：

（2）电枢磁动势波形

由电枢磁动势波形可知，磁极中心线下的气隙处电枢磁动势为零，在几何中性线处达到最大值。

（3）电枢磁密波形电枢磁场产生的磁通密度沿着气隙的分布为：可知，Bax与气隙成反比。在磁极极靴下，气隙较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与Fax成正比。而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax增加的程度，使Bax反而减小，所以电枢磁场磁密分布波形为马鞍形。

（3）电枢磁密波形极靴下：气隙均匀，

′为常值，Bax随Fax变化线性变化。极间范围内：气隙增大，Bax削弱，呈下凹形。2.4.3电枢反应（合成气隙磁场）直流电机电枢绕组中有负载电流时，它所产生的磁动势对励磁绕组磁场的影响，称为电枢反应。电枢反应对气隙磁通的大小和分布、电机的运行性能、换向的好坏都有影响。当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势是交轴的，也称为交轴电枢反应。

1）当电刷放在几何中性线上时的交轴电枢反应。将主极礼帽形磁场B0x与电枢马鞍形磁场Bax叠加后得到畸变的合成磁场Bδx。2.4.3电枢反应（合成气隙磁场）1）当电刷放在几何中性线上时的交轴电枢反应如图可见交轴电枢反应作用如下：（1）使气隙磁场发生畸变。（2）使物理中性线位移（电机气隙中磁场为零处称为物理中性线）。（3）对主磁场起去磁作用（考虑饱和）。

2）当电刷不在几何中性线上时的电枢反应若电刷从几何中性线移过β角，则电枢磁动势的轴线也将随之移动β角，如图：此时电枢磁动势可分成两个分量：一个分量是由τ-2β范围内的电枢载流导体所产生的的交轴电枢磁动势Faq，如图：

2）当电刷不在几何中性线上时的电枢反应另一个分量是由2β范围内的电枢载流导体所产生的直轴电枢磁动势Fad，如图：

2）当电刷不在几何中性线上时的电枢反应不难看出，若电机为发电机，则电刷逆电枢旋转方向移动β角时，对主磁极而言，直轴电枢反应将是增磁的；若电刷顺电枢旋转方向移动β角时，对主磁极而言，直轴电枢反应将是去磁的。

思考：电动机的情况？请用图说明。电动机的情况与发电机相反。

2）当电刷不在几何中性线上时的电枢反应2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩2.5.1电枢绕组的感应电动势电枢感应电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，即电枢绕组每一条支路的感应电动势。方法：可先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘上一条支路中的总的导体数，就是电枢电动势。a为并联支路对数，绕组由2a个支路组成，每一支路串联的导体数为。2.5.1电枢绕组的感应电动势单根导体的电动势：电枢总导体数为：绕组的电动势为一条支路电动势，故电枢绕组的感应电动势Ea为：为简单计引入气隙平均磁密Bav，即各导体所处位置的磁密都为平均磁密Bav

：设v为导体切割气隙磁场的线速度，则一根导体内的平均感应电动势为2.5.1电枢绕组的感应电动势所以可得每根导体的平均感应电动势为则每条支路中的感应电动势为：Z为电枢导体总数;Ce称为电动势常数2.5.1电枢绕组的感应电动势2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩2.5.2直流电机的电磁转矩电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。方法：首先按平均磁密概念算出一个导体的平均电磁转矩，再求整个电枢产生的电磁转矩。2.5.2直流电机的电磁转矩当电枢绕组中有电枢电流流过时，根据电磁力定律，任一导体在磁场中所受平均电磁力为:

ia为导体中流过的电流，其中Ia为电枢电流，a为并联支路对数。若D以表示电枢外径，则每根导体形成的平均电磁转矩为

总的电磁转矩为代入：可得：2.5.2直流电机的电磁转矩式中为转矩常数，仅与电机结构有关。

对于同一台直流电机，电动势常数Ce

和转矩常数CT

的关系为:2.5.2直流电机的电磁转矩上式表明无论是电动机还是发电机，在能量转换过程中电功率变为机械功率或机械功率变为电功率的这部分功率为

或

，由于能量守恒，所以两者是相等的。直流电机的电磁功率2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩例2-6：一台直流电动机，单波绕组，电枢电流为：Ia=18A，2p＝4，元件数S=15，每元件匝数NK=3，每极磁通量Φ=0.025Wb，问电机的电磁转矩为多少？若同样元件，绕组改为单叠绕组，极数与励磁不变，且每条支路的电流不变，问电磁转矩又为多少？2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩解：总导体数：单波：则有：单叠：则有：因每条支路的电流不变则：可见，如果相同的元件数，如果每条支路电流相等，则单叠和单波绕组的电磁转矩是相等的。2.6直流电机的基本方程式基本方程式分为：电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式。不同励磁方式的直流电动机和直流发电机方程一并列出，便于对比记忆。2.6直流电机的基本方程式在列基本方程式之前，必须先规定好各物理量的正方向。他励直流电机按发电机惯例规定的正方向：他励直流电机按电动机惯例规定的正方向：1）他励直流电机

2.6.1电动势平衡方程式思考：对比两方程特点。对于发电机的电枢回路：对于电动机的电枢回路：

2.6.1电动势平衡方程式思考：并励方程如何？对于励磁回路：1）他励直流电机2）并励直流电机

2.6.1电动势平衡方程式思考：串励电流关系如何？励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励相同。但Uf=U。对于并励发电机：对于并励电动机：3）串励直流电机

2.6.2

转矩方程思考：对比上两方程，说明各电磁转矩的不同意义及空载转矩含义？（1）直流发电机（2）直流电动机（1）并励发电机功率方程

2.6.3功率方程（以并励电机为例分析）思考：说明上式各符号含义。所以功率平衡方程为：思考：说明上式各符号含义。根据功率平衡方程：可直观的画出直流发电机功率流程图：（1）并励发电机功率方程

2.6.3功率方程（以并励电机为例分析）思考：说明上式各符号含义并与发电机流程图对比。同样可得直流电动机功率平衡方程:可直观的画出直流电动机功率流程图：（1）并励发电机功率方程

2.6.3功率方程（以并励电机为例分析）（1）空载特性n=nN，I=0，U0

=f（If）

原动机拖动发电机，观看速度表，使n=nN；刀闸Q打开，使I=0，空载；加上励磁电流If，并调节电阻Rj使If

在较大范围内变化。

调节Rj→If

→

0→U0，使U0=E0=CE

0

nN1）他励磁发电机的运行特性测取他励发电机空载特性曲线的试验线路如右图所示。2.7.1直流发电机的运行特性以转速n为常数（n=nN），其端电压U、负载电流I、励磁电流If

这三个物理量之间的关系，保持其中的一个量不变，其余两个量之间的关系就表征一种特性。（1）n＝常数，I＝常数，U＝f（If），负载特性。如果I＝0，这条特性称为空载特性；（2）n＝常数，If＝常数，U＝f（I），外特性；（3）n＝常数，U＝常数，If＝f（I），调节特性；（4）效率特性η=f（P2）。2.7.1直流发电机的运行特性①Rj↓→If↑

→U0=1.3UN②Rj↑→If↓→U0↓→If

=0③-If↑→U0

=-1.3UN④-If↓→If=0⑤If↑→U0=1.3UN01

2345U0If1.3UN-1.3UN空载实验步骤：（1）他励磁发电机的空载特性可见，当If增加时，两条曲线都是上升的，但在同一励磁电流下两条曲线对应的电压不相等，负载特性的电压较小。为什么？负载特性：是当原动机速度为常值，负载电流I为常值时，端电压随励磁电流的关系曲线U=f（If）。

原因:

带负载后，电枢反应的去磁作用而使感应电动势下降。（2）他励磁发电机的负载特性外特性线是指：n=nN，If=IfN，U=f（I）

Q合上，保持n=nN，调节电阻RL使得当负载电流I=IN时，端电压U=UN，此时If=IfN。保持IfN不变，调节电阻RL使负载电流I由零变到额定值，测取外特性曲线U=f（I）。（3）他励直流发电机外特性测取他励发电机外特性曲线的试验线路如右图所示。

外特性下降的原因？①I↑→IaRa↑②I↑→电枢反应的去磁效应使Φ↓→E↓

外特性是一条随负载电流增大而下垂不多的曲线。曲线上的C点便是额定负载点。根据：（3）他励直流发电机外特性测外特性目的：②外特性的软硬通常由电压调整率来表示，该值可通过外特性算出：式中U0是空载时的端电压，一般他励直流发电机的电压变化率约为5％～10%。①可看出随着I变化U的变化规律。下降不大的特性称硬特性，若曲线太陡，则电机发电质量不好。（3）他励直流发电机外特性他励直流发电机短路电流分析因为：Ia=(E-U)/Ra短路电流：Ik=E/Ra，电机会被烧坏。当U=0时，他励发电机短路电流很大，是额定值的近30倍。所以发电机必须安装过电流保护装置，当负载电流超过允许值时，保护装置立即快速地切断电路，以保护电机。UI0（3）他励直流发电机外特性（4）他励直流发电机调节特性调节特性：原动机速度n=nN=C不变，保持U=UN为常值，负载变化时励磁电流的变化曲线If=f（I）。要保持端电压不变，必须增加励磁电流，以补偿电枢反应的去磁作用和电枢回路总电阻压降的增大。当RL↓→I↑，U=CEΦnN

–IaRa

，U

将减小。RL^^^^RjRfAAV则：调节Rj↓→If↑→Φ↑→U↑即RL↓→I↑→U↓，要保持U=UN为常值：其中，为不变损耗，（5）他励直流发电机效率特性为可变损耗。

效率特性是指：当原动机速度为恒定，输出端电压为恒定即：n=nN=C、U=UN，效率随着输出功率的变化曲线：η=f（P2）。令

可得：

η与Ia之间存在二次关系，效率曲线存在一个最大值。即当发电机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，此时效率最高。一般直流发电机设计在3/4额定负载(0.75PN

)左右效率最大。（5）他励直流发电机效率特性（1）并励发电机的自励并励发电机的特点是：不提供励磁电源，由电枢电压提供励磁电源。但是产生电枢电动势（U0=CeΦnN）以存在励磁电流为前提条件。怎样自励？If

取决

U0=CeΦnN取决2）并励发电机的自励条件和运行特性开关Q断开，原动机拖动发电机在额定转速nN空载运行，此时电枢电压没有自励起来。直流发电机：Ea=U+IaRa空载时：I=0，n=nN曲线1:空载特性曲线U=E0=CEΦnN曲线2:励磁回路的电阻特性曲线：Uf=If(rf+Rj)（1）并励发电机的自励用曲线1和曲线2说明“自励”。由于负载电流为零，Ia＝If，电枢端电压U≈E0，这个电压也是励磁绕组两端的电压。空载特性曲线和励磁回路电阻特性曲线的交点A即可近似代表此时的工作点。即电机端电压为U0，这时励磁电流为If0。（1）并励发电机的自励剩磁

r→Er

→If1

1

E1

→If2

2E2

→If3

3助磁电压建立过程如下：即电机中剩磁产生电动势Er，Er在励磁回路产生励磁电流If1。由于励磁绕组接法正确，If1产生的磁动势起增磁作用，使电枢感应电势增至E1，E1又产生If2，如此不断增长，直至A点为止。（1）并励发电机的自励并励发电机自励过程：若极性正确，则

r与

1方向相同