电机与电气控制（第二版）课件：直流电机的运行

１．了解直流电机的磁场和电枢反应对电机工作的影响。２．掌握电枢电动势和电磁转矩的基本概念。３．熟悉直流电机的基本方程式和工作特性。４．了解直流电机产生火花的原因和改善换向的方法。５．学会直流发电机工作特性的测试方法。学习目标

直流电机的运行任务引入直流电动机通电启动后，为了高效经济地利用它，就需要了解直流电动机的效率在什么情况下最高？与哪些因素有关？一台机床的负载大小会根据加工零件和加工工艺的不同而改变，这就要求直流电动机能根据负载的不同而改变其力矩的大小、转速的高低，那么电动机的力矩与哪些因素有关？直流电机在工作时，电刷与换向器之间难免会产生火花，可以用哪些方法来减小火花呢？直流发电机有时候需要输出较高的电压，有时候又需要较低的电压，那么应该如何来调节输出电压的大小呢？直流电机的上述问题都需要由电气技术人员来解决，因此本任务就来熟悉直流电机的运行性能，掌握它的测试方法。相关知识一、直流电机的磁场和电枢反应１．空载时的主磁场磁通从N极出来，经过气隙、电枢齿、电枢磁轭进入S极，再经过定子磁轭回到N极，形成一个闭合回路。这部分磁通穿过电枢绕组，电枢转动时，能在电枢绕组中产生感应电动势，一旦电枢绕组中有电流流过，能够产生电磁转矩，这种磁通称为主磁通Φ。直流电机的空载磁场２．负载时的电枢磁场电枢磁场和电枢反应３．电枢反应（１）气隙磁场发生畸变每一磁极下，电枢磁场与主磁极磁场一半方向相同，一半方向相反。因此，主磁极磁场的一半被削弱，另一半被加强，此时磁场为零的物理中性线与几何中性线在位置上发生偏离。（２）对主磁场起附加去磁作用在磁路不饱和时，主磁极磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量，因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同。二、直流电机的电枢电动势和电磁转矩１．电枢电动势电枢绕组示意图电枢电动势Ea可按下式计算：２．电磁转矩直流电机总的电磁转矩T

的大小可以表示为：在同一台直流电机中，电枢电动势常数和电磁转矩常数是恒定的，两者之间有如下关系：三、直流电机的换向１．换向过程直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路。电枢绕组元件从一条支路经过电刷转入另一条支路，元件中的电流改变方向，称为换向。直流电机电枢绕组元件的换向过程２．产生火花的原因直流电机的电路中由于存在电刷和换向器之间的动接触，因此在运行时难免会出现或多或少的火花。产生火花的原因是多方面的，除了电磁原因外，还有机械原因，换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们互相交织在一起，所以相当复杂。３．改善换向的方法（１）安装换向极换向极装设在相邻两个主磁极之间，换向极绕组产生的磁动势方向与电枢反应磁动势的方向相反，大小比电枢磁动势略大。直流电机换向极电路与极性（２）正确移动电刷当电机运行于电动机状态时，电刷应逆着电枢旋转方向移动；而运行于发电机状态时，电刷则应顺着电枢旋转方向移动。（３）正确选用电刷不同牌号的电刷具有不同的接触电阻，选择合适的电刷能改善换向。（４）装设补偿绕组

补偿绕组嵌置在主磁极表面的槽内，其中流过的是电枢电流，所以补偿绕组应与电枢绕组串联，其电流方向与对应磁极下电枢绕组的电流方向相反，显然它产生的磁动势与电枢反应磁动势方向相反，从而抵消了电枢反应的影响。四、直流电机的基本方程式１．直流发电机的基本方程式他励发电机的励磁绕组是由其他直流电源提供电流的，其电枢在原动机驱动下旋转（输入机械能），切割励磁绕组的磁场产生感应电动势，通过换向器和电刷对外输送直流电能。直流他励发电机的工作原理图（１）电压方程式（２）转矩方程式（３）功率方程式直流他励发电机的功率方程式为：直流他励发电机的功率关系２．直流电动机的基本方程式并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电。接通直流电源后，励磁绕组中流过励磁电流If，建立主磁场；电枢绕组中流过电枢电流Ia，电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩T，使电枢朝转矩T

的方向以转速n

旋转，将电能转换为机械能，带动生产机械工作。直流并励电动机的工作原理图（１）电压方程式（２）转矩方程式（３）功率方程式直流并励电动机的功率方程式如下：直流并励电动机的功率关系五、直流发电机的工作特性１．空载特性直流他励发电机的空载特性是指当发电机转速为常数，电枢电流Ia=0时，发电机端电压U0

与励磁电流If

之间的关系，即U0=f(If)，空载特性可用其曲线来表示。直流他励发电机空载特性曲线２．外特性直流他励发电机的外特性是指转速不变、励磁电流不变时，输出端电压U

与负载电流Ia

之间的关系，即当n=常数，If=常数时，U=f(Ia)的关系。直流他励发电机的外特性３．调整特性直流他励发电机的调整特性是指保持转速和端电压不变，即n=nN、U=UN

时，If=f（Ia）的关系曲线。直流他励发电机的调整特性六、直流并励发电机的自励过程直流并励发电机建立电压的过程为：当原动机驱动发电机以额定转速nN

旋转时，因为主磁极有剩磁Фr，电枢绕组切割此剩磁通产生电枢电动势Er；此Er

在励磁回路中产生励磁电流If1。如果极性正确，If1

在磁路里产生的磁通与剩磁通Φr

方向一致，这样主磁路里的总磁通将增加为Φ1(Φ1>Φr)，于是电枢绕组切割Φ1

产生电枢电动势E1(E1>Er)，E1

又产生励磁电流If2(If2>If1)。当Φ

趋于饱和时，E

也趋于稳定，直到工作点A时，由U0产生的励磁电流为If0，而If0也是产生U0

所需的励磁电流，因此A

点是个稳定工作点。整个过程如图所示。直流并励发电机这种自己建立工作电压的过程叫自励。直流并励发电机的接线图直流并励发电机建立电压的过程（１）电机必须有剩磁。（２）励磁绕组的接线与电枢旋转的方向必须正确配合，使励磁电流产生的磁通方向与剩磁通方向一致。（３）励磁回路的总电阻应小于与发电机转速相对应的临界电阻。任务实施一、任务准备二、绘制并连接直流他励发电机的工作电路三、测试直流