电机及拖动基础(第三版)课件：直流电机

1.1直流电机的基本工作原理1.2直流电机的基本结构与铭牌1.3直流电机的磁场1.4直流电机的基本公式1.5直流电动机的运行原理1.6直流电动机的工作特性1.7直流电机的换向小结直流电机1.1直流电机的基本工作原理

1.1.1直流发电机的基本工作原理

直流发电机的工作原理是基于电磁感应定律的。电磁感应定律告诉我们，在均匀磁场中，当导体切割磁感应线时，导体中就有感应电动势产生。若磁感应线、导体及其运动方向三者

相互垂直，则导体中产生的感应电动势e的大小为

e=Bxlv (1-1)图1-1直流发电机的工作原理图(a)ab边在N极下、cd边在S极下的电动势方向；(b)转子转过180°后的电动势方向

例1.1如图1-1中的直流发电机，若顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化?还有什么因素会引起同样的变化？

答在图1-1(a)所示位置，当直流发电机顺时针旋转时，用右手定则可判断出线圈中感应电流的方向为a→b→c→d，通过换向片与电刷的滑动接触可知，电刷B为正极性，电刷A为负极性。所以改变直流发电机电枢旋转方向就可以改变输出电动势的极性。

由右手定则可知，决定感应电动势方向的因素有两个：

一是导体切割磁感应线的方向(电枢转向)，二是磁场极性。

所以，改变磁场的极性也可使直流发电机输出电动势的极性

改变。1.1.2直流电动机的基本工作原理

直流电动机的工作原理是基于安培定律的。若均匀磁场

Bx与导体相互垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上的安培力或电磁力f为

f=Bxli(1-2)图1-2直流电动机的工作原理图(a)ab边在N极下、cd边在S极下的电流方向；(b)转子转过180°后的电流方向

例1.2电动机拖动的生产设备常常需要作正转和反转的运动，例如龙门刨床工作台的往复运动、电力机车的前行和倒退等，那么图1-2所示的直流电动机怎样才能顺时针旋转呢？

答对于图1-2，电动机顺时针旋转时需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知，电磁力的方向取决于磁场极性和导体中的电流方向，所以，直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性；二是改变电源电压的极性，使流过导体的电流方向改变。若二者同时改变，则电动机转向不变。综上所述，可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运行，又可以作为发电机运行，这主要取决于不同的外部条件。若将直流电源加在电刷两端，电机就能将直流电能转换为机械能，作电动机运行；若用原动机拖动电枢旋转，输入机械能，电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种运行状态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。实际的直流发电机

和直流电动机，因为设计制造时考虑了长期作为发电机或电动机运行性能方面的不同要求，在结构上稍有区别，所以并不像理论上分析的那样完全可逆。1.2直流电机的基本结构与铭牌

1.2.1直流电机的基本结构

直流电机在结构上主要由两部分组成：①静止部分，即定子；②转动部分，即转子或电枢。定子和转子之间留有一定的间隙，称为气隙。其结构如图1-3所示。图1-4是直流电机的主要部件图，图1-5是直流电机径向剖面示意图。下面简要介绍直流电机主要部件的结构及其作用。图1-3直流电机的结构1—风扇；2—机座；3—电枢；4—主磁极；5—电刷架；6—换向器；7—接线板；8—出线盒；9—换向极；10—端盖1—前端盖；2—风扇；3—机座；4—电枢；5—电刷架；6—后端盖图1-4直流电机的组成部件图1-5直流电机径向剖面示意图1.定子部分

1)主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成，通过螺钉固定在机座上，如图1-6所示。1—极掌；2—机座；3—励磁绕组图1-6直流电机的主磁极2)换向极

换向极又叫附加极，也是由铁芯和绕组组成的，如图1-7所示。1—铁芯；2—绕组图1-7直流电机的换向极3)电刷装置

电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧等零件构成，如图1-8所示。图1-8直流电机的电刷装置1—刷握；2—铜丝辫；3—压紧弹簧；4—电刷4)机座

机座通常用铸铁、铸钢或钢板焊接而成。机座中传导磁通的部分称为磁轭。机座的主要作用有三个：一是作为磁轭传导磁通，是电机磁路的一部分；二是用来固定主磁极、换向极

和端盖等部件；三是借助机座的底脚把电机固定在基础上。所以机座必须具有足够的机械强度和良好的导磁性能。

2.转子部分

1)电枢铁芯

电枢铁芯由硅钢片叠成。为了减小涡流损耗，电枢铁芯

通常采用0.35～0.5mm厚且两面涂有绝缘漆的硅钢冲片叠压

而成。有时为了加强电机冷却，在电枢铁芯上冲制轴向通风孔，在较大型电机的电枢铁芯上还设有径向通风道，用通风道将铁芯沿轴向分成数段。整个铁芯固定在转轴上，与转轴一起旋转。电枢铁芯及冲片形状如图1-9所示，电枢边缘的槽供安放电枢绕组用。图1-9电枢铁芯冲片及电枢(a)电枢铁芯冲片；(b)电枢2)电枢绕组

电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，使电机实现机电能量的转换。

电枢绕组通常是由许多线圈按一定的规律连接而成的。这种线圈通常用高强度漆包圆铜线或扁铜线绕制而成，放置于电枢铁芯槽中(线圈与槽之间有槽绝缘)，并用槽楔封口，以防

止运转时抛出。伸出槽外的绕组端部，也用玻璃丝带扎紧，每个线圈的端部按一定规律接到换向器的换向片上。3)换向器

换向器在电动机中的作用是将电刷两端的直流电流转换为绕组内的交流电流；在发电机中，它的作用是将绕组内的交流电动势转换为电刷两端的直流电压。换向器由许多个彼此相互绝缘的换向片组成，换向片之间用0.4～1.2mm厚的云母片绝缘，换向器的结构如图1-10所示。图1-10换向器1—连接片；2—换向片；3—云母环；4—V形套筒4)风扇、转轴和支架

风扇为自冷式电机中冷却气流的主要来源，可防止电机温升过高。转轴是电枢的主要支撑件，它传送扭矩、承受重量及各种电磁力，应有足够的强度、刚度及疲劳期。支架是大、中型电机电枢组件的支撑件，有利于通风和减轻重量。1.2.2直流电机的铭牌

按照国家标准及电机设计和试验数据，规定电机在一定条件下的运行状态，称为电机的额定运行。

1.型号

型号表明该电机所属的系列及主要特点。我国直流电机

的型号采用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，例如型号Z3—95中的“Z”表示普通用途直流电机；脚注“3”表示第三次改型设计；第一个数字“9”是机座直径尺寸序号；第二个数字“5”是铁芯长度序号。

2.额定值

1)额定功率PN

额定功率是指电机在规定的工作条件下，长期运行时的允许输出功率，对发电机是指正、负电刷之间输出的电功率，对电动机是指轴上输出的机械功率，单位为W或kW。2)额定电压UN

额定电压是指在规定的工作条件下，直流发电机电刷两端的允许输出电压或直流电动机电刷两端允许施加的电源电压，单位为V或kV。3)额定电流IN

额定电流是指额定电压和额定负载时，允许电机电刷两端长期输出(发电机)或输入(电动机)的电流，单位为A。

对发电机，有

PN=UNIN

对电动机，有

PN=UNINηN

式中：ηN——额定效率。4)额定转速nN

额定转速是指电机在额定运行条件下的旋转速度，单位为r/min。

此外，铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重量等参数。还有一些额定值，如额定效率ηN、额定转矩TN、额定温升τN，一般不标注在铭牌上。

例1.3一台直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=2850r/min，ηN=85%。求其额定电流和额定负载时的

输入功率。

解

例1.4一台直流电动机，PN=17kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=83%。求其额定电流和额定负载时的

输入功率。

解

1.2.3直流电机的主要系列

1)Z、ZF、ZD系列

2)Z4、ZO2系列

3)ZJF、ZJD系列

4)S、SY系列

5)ZCF、ZYS、CYD和CY系列1.3直流电机的磁场

由直流电机的基本工作原理可知，直流电机无论是作发电机运行还是作电动机运行，必须具有一定强度的气隙磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。为此，在分析直流电

机的运行原理之前，必须对直流电机的励磁方式、空载和负载时的气隙磁场进行分析。1.3.1直流电机的励磁方式

1)他励直流电机

2)并励直流电机

3)串励直流电机

4)复励直流电机图1-11直流电机的励磁方式(a)他励；(b)并励；(c)串励；(d)复励1.3.2直流电机的空载磁场和磁化曲线

1.空载磁场和磁路

图1-12是一台四极直流电机的空载磁场分布示意图。1—极靴；2—极身；3—定子磁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭图1-12四极直流电机空载时的磁场分布

2.空载磁化曲线

空载时，主磁通Φ0的大小仅取决于励磁磁动势Ff(Ff=NIf)

的大小和主磁路各段磁阻的大小。对一台特定的电机，其磁路材料及其几何尺寸已确定，即磁阻已确定，而励磁绕组的匝数N也已确定，因此，主磁通Φ0仅与励磁电流If有关，两者的关系可由磁化曲线Φ0=f(If)来描述，如图1-13所示。图1-13空载磁化曲线1.3.3直流电机的负载磁场和电枢反应

当直流电机负载运行时，不但励磁电流流过励磁绕组产生一个主极磁场，而且电枢绕组中有电枢电流流过，将建立一个电枢磁动势Fa，该磁动势还要产生一个电枢磁场。因此直流电机负载运行时的气隙磁场是主极磁场和电枢磁场的合成磁场，即负载运行时的气隙磁场是由励磁磁动势Ff和电枢磁动势Fa共同建立的。图1-14直流电动机的气隙磁场分布示意图(a)主极磁场；(b)电枢磁场；(c)气隙磁场1.4直流电机的基本公式

直流电机的电枢是实现机电能量转换的核心，一台直流电机运行时，无论是作为发电机还是作为电动机，电枢绕组中都要因切割磁感应线而产生感应电动势，同时载流的电枢导体与

气隙磁场相互作用产生电磁转矩。1.4.1直流电机的电枢电动势

在直流电机中，电刷两端的感应电动势即电枢电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即导体切割磁感应线而

产生的。根据电磁感应定律，电枢绕组中每根导体的平均电动势为e=Bplv。对于给定的电机，电枢电动势Ea与电枢导体的平均电动势e成正比，且平均磁密Bp与每极磁通Φ成正比，导体线速度v与转子的转速n成正比。因此电枢电动势Ea可用下式

表示：

Ea=CeΦn

(1-3)1.4.2直流电机的电磁转矩

在直流电机中，作用在转子上的电磁转矩是由于电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。根据安培定律，作用在电枢绕组每一根导体上的平均电磁力为f=Bpli，对于给定的电机，电磁转矩T与电枢导体平均电磁力f成正比，且磁通密度Bp与每极磁通Φ成正比，每根导体中的电流i与从电刷流入的电枢电流Ia成正比。因此，电磁转矩T的大小可由下式来表示：

T=CTΦIa(1-4)电动势常数Ce与转矩常数CT之间的关系为

即

CT=9.55Ce(1-5)1.4.3直流电机的电磁功率

直流发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。

根据电磁转矩表达式(1-4)和Ω=2πn/60可得

上式说明，机械功率TΩ全部转换为电功率EaIa。通常

把由机械功率完全转变为电功率的这部分功率称为电磁功率

Pem，即

Pem=TΩ=EaIa (1-6)1.5直流电动机的运行原理

直流电动机稳定运行时电路系统的电动势平衡方程式、机械系统的转矩平衡方程式以及能量转换过程中的功率平衡方程式既反映了直流电动机内部的电磁过程，又表达了电动机内外的机电能量转换，说明了直流电动机的运行原理。1.5.1电动势平衡方程式

当直流电动机稳定运行时，电枢绕组切割气隙磁场产生感应电动势Ea，由前面的分析可知电动势Ea为反电动势，Ea的方向与电枢电流Ia的方向相反，如图1-15所示。根据KVL可写出他励直流电动机的电动势平衡方程式为

U=Ea+IaRa

(1-7)图1-15他励直流电动机的电路图1.5.2转矩平衡方程式

直流电动机稳定运行时，转速恒定，其轴上的拖动转矩必须与轴上的阻转矩(制动转矩)保持平衡，否则，电动机就不能保持匀速转动。而拖动转矩就是电磁转矩T，阻转矩包括电动机轴上的负载转矩TL和电动机本身的空载阻转矩T0，因此直流电动机稳定运行时必然有以下平衡关系：

T=TL+T0

稳定运行时，电动机轴上的输出转矩T2与负载转矩TL相平衡，即T2=TL，因此上式也可写成

T=T2+T0(1-8)1.5.3功率平衡方程式

他励直流电动机输入的电功率为

P1=UIa=(Ea+IaRa)Ia=EaIa+I2aRa=Pem+pCua

(1-9)1)铁损耗pFe

直流电动机的铁损耗是指电枢铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，在转速和气隙磁密变化不大的情况下，可认为铁损耗是不变的，即为不变损耗。

2)机械损耗pm

机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗，通风损耗包括通风冷却用的风扇功率和电枢转动时与空气摩擦而损耗的功率。机械损耗与电机转速有关，当电动机的转速变化不大

时，机械损耗可以看作是不变的，即为不变损耗。3)附加损耗pad

附加损耗又称杂散损耗。对于直流电机，这种损耗包括由于电枢铁芯边缘有齿槽存在，使气隙磁通的大小脉振而在铁芯中产生的铁损耗，及由换向电流产生的铜损耗等等。这些损耗是难以精确计算的，一般约占额定功率的0.5%～1%。

电磁功率Pem扣除以上损耗后就是电动机轴上输出的机械功率P2，即

P2=Pem－pFe－pm－pad=Pem－p0

(1-10)综上所述，可得他励直流电动机的功率平衡方程式为

(1-11)图1-16他励直流电动机的功率流程图直流电动机的效率η为

(1-12)根据电磁功率的公式(1-6)可得

(1-13)

同理

(1-14)

(1-15)电动机在额定状态运行时，P2=PN，T2=TN，n=nN，则

例1.5一台他励直流电动机接在220V的电网上运行，已知a=1，p=2，N=372，n=1500r/min，Φ=1.1×10－2Wb，Ra=0.208Ω，pFe=362W，pm=204W，忽略附加损耗，求：

(1)此电机是发电机运行还是电动机运行？

(2)输入功率、电磁功率和效率；

(3)电磁转矩、输出转矩和空载阻转矩。

解(1)判断一台电机是何种运行状态，可比较电枢电动势和端电压的大小。

因为U>Ea，所以此电机是电动机运行状态。(2)求输入功率P1、电磁功率Pem和效率η:

根据U=Ea+IaRa，得电枢电流为

输入功率为电磁功率为

输出功率为

效率为(3)求电磁转矩T、输出转矩T2和空载阻转矩T0:

电磁转矩为

输出转矩为

空载阻转矩为1.6直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性是指端电压U=UN=常数，励磁电

流If=IfN(串励除外)，电枢回路不串附加电阻时，电动机的转

速n、电磁转矩T和效率η与输出功率P2(或电枢电流Ia)之间的关系。1.6.1他励直流电动机的工作特性

他励直流电动机的接线图如图1-15所示。

1.转速特性

转速特性是指U=UN，If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线。

把公式Ea=CeΦn代入电动势平衡方程式U=Ea+IaRa中，

可得

(1-16)上式即为他励直流电动机的转速公式。若忽略电枢反应的去磁作用，则Φ与Ia无关，是一个常数，上式可写成直线方程式:

(1-17)图1-17他励直流电动机的工作特性

2.转矩特性

转矩特性是指U=UN，If=IfN时，T=f(P2)的关系曲线。

3.效率特性

效率特性是指U=UN，If=IfN时，η=f(Ia)的关系曲线。

直流电动机的效率是指输出功率P2与输入功率P1之比的百分值，他励直流电动机的效率为(不计附加损耗)

(1-18)从式(1-18)中可以看出，效率η是电枢电流Ia的二次曲

线，典型的曲线形状如图1-17所示。如果对该式求导，并令dη/dIa=0，则可得到他励直流电动机获得最大效率的条件，

即

p0=pCua(1-19)1.6.2串励直流电动机的工作特性

串励直流电动机的接线图如图1-18所示，串励直流电动机的特点是励磁绕组与电枢绕组串联，If=Ia，气隙主磁通Φ随Ia的变化而变化。在求取工作特性时，保持U=UN。图1-18串励直流电动机的接线图

1.转速特性n=f(Ia)

根据图1-18可写出串励直流电动机的电动势平衡方程式为

把Ea=CeΦn代入上式中，可得串励电动机的转速公式为

(1-20)

式中：Ra′=Ra+Rf。图1-19串励直流电动机的工作特性

2.转矩特性T=f(Ia)

由于T=CTΦIa，当Ia较小时，磁路未饱和，磁通Φ正比于励磁电流即电枢电流Ia，因此电磁转矩T正比于I2a，此时电磁转矩随着Ia的增加而迅速上升，T=f(Ia)是一条抛物线；随着Ia的继续增加，磁路逐渐饱和，Ｔ正比于Ｉa,此时转矩线性增加，比抛物线上升得慢，如图1-19所示。

3.效率特性η=f(Ia)

串励电动机的效率特性和他励电动机相似，如图1-19中

的曲线所示。1.7直流电机的换向

直流电机工作时，旋转的电枢绕组元件由某一支路经过电刷进入另一支路时，该元件中的电流方向就会发生改变，这种电流方向的改变过程称为换向。1.7.1直流电机的换向过程

图1-20表示一个单叠绕组线圈的换向过程。图中电刷是固定不动的；电枢绕组和换向器以速度v从右向左移动。图1-20换向过程(a)换向开始瞬间；(b)换向线圈被短接；(c)换向结束1.7.2影响换向的电磁原因

1.电抗电动势

换向时换向线圈中换向电流i的大小、方向发生急剧变化，因而会产生自感电动势。同时，进行换向的线圈不止一个，电流的变化，除了各自产生自感电动势外，各线圈之间还会产生互感电动势。自感电动势和互感电动势的总和称为电抗电动势ex。根据楞次定律，电抗电动势ex具有阻碍换向线圈中电流变化的趋势。

2.电枢反应电动势

直流电机负载运行时，电枢反应使主极磁场畸变，几何中性线处的磁场不为零，这时处在几何中性线上的换向线圈，就要切割电枢磁场而产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势

ea，该电动势也阻碍电流的换向。图1-21换向电流和变化过程1.7.3改善换向的方法

1.选用合适的电刷

电刷的质量对换向有很大影响，有些换向不良的电机，仅靠选择合适的电刷就能使换向改善。从限制换向电流以改善换向来看，应选用接触电阻大的电刷。但接触电阻大时，接触电阻上的电压降也增大，所以，应综合考虑二者的得失，再来选用合适的电刷。一般而言，对于换向并不困难的中、小型电机，通常采用石墨电刷；对于换向比较困难的电机，通常选用接触电阻大的碳-石墨电刷；对于低压大电流电机，则采用接触压降较小的青铜-石墨或紫铜-石墨电刷。

2.装设换向极在换向元件处

目前改善直流电机换向最有效的办法，是在相邻两主磁极之间的几何中性线上加装换向极。其目的主要是让换向极产生一个与电枢磁动势方向相反的换向极磁动势，它首先把电枢反

应电动势抵消掉，其次再产生一个换向极磁场，当换向元件切割该磁场时，将产生一个换向极电动势ek，让ek去抵消电抗电动势ex。为了达到这一目的，换向极绕组应与电枢绕组相串联，且换向极磁动势方向应与电枢磁动势方向相反。图1-22直流电机换向极的位置和极性

3.装设补偿绕组

由于电枢反应还会使气隙磁场发生畸变，这样就增大了某几个换向片之间的电压。在负载变化剧烈的大型直流电机内，有可能出现环火现象，即正、负电刷间出现电弧。若电机出现环火，将在很短的时间内被损坏。防止环火最常用的办法是加装补偿绕组。补偿绕组嵌放在主磁极极靴上专门冲制出的槽内，与电枢绕组串联，可有效地改善气隙磁密分布，从而避免

出现环火，且装有补偿绕