第1章直流电机原理

第1章直流电机原理1－1直流电机的工作原理如右图所示：电流I通过在恒定磁场中的线圈abcd，受到电磁力的大小为：

f＝BLi(根据电磁力定律:在导体与磁力线相互垂直的情况下)电磁力的方向：用左手定则判断：伸开左手，掌心迎向磁力线的方向，四指指向电流的方向，那样与四指垂直的拇指的指向就是电磁力的方向。在上图在流线圈ab与cd所受电磁力为逆时针方向，在此力作用下，转子线圈将逆时针旋转。直流电动机的工作原理旋转180度后，线圈中的电流的方向为dcba，仍受逆时针方向电磁力的作用而转动。由此可见：①换向器和电刷能保持转子(载流导体)朝一个方向恒定旋转；②电刷端输入恒定直流电压，而经换向器流向载流导体的电位却是交变的。归纳：要使直流电机旋转起来的条件是：

①建立恒定的磁场；

②能够旋转的载流导体。直流发电机的工作原理若在上图中，接在电刷上的电源换接电阻负载——灯泡，而转子由原动机的机械力带动旋转，转动的导体切割磁力线会感应电势，输出电流。这样：①电刷端输出直流电势（有换向器和电刷时）；②导体内的电位和电流仍是交变的。电机的可逆原理问题：上面讲的电动机和发电机用同一电机模型！电机的可逆原理：同一台电机在不同外界条件下，即可作发电机、亦可作电动机运行。由上看出：对一台电机究竟作发电机，还是电动机运行，关键在于外因的条件，即输入功率的形式。输入电能，输出机械能－－－－电动机输入机械能，输出电能－－－－发电机直流电机的特点直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。2)用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等1－2直流电机的结构直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。NS············NS极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流8直流电机的结构主磁极换向磁极低碳钢片（1~1.5mm）叠装励磁绕组直流电机的结构电枢铁心硅钢片(0.5mm)转子下线直流电机的结构2.转子(电枢)

由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极永磁式:由永久磁铁做成。励磁式:磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通,称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：单个绕组元件组成。用来在电机中产生磁场。直流电机的额定值①额定功率PN(KW)②额定电压UN(V)正常工作时电流出线端的电压。

③额定电流IN

(A)对应PNUN时的电流。

④额定转速nN(r/min)指在

UN

INPN时对应的转速。

⑤还标出励磁方式、额定励磁电流、绝缘等级、额定温升。发电机：出线端输出电功率PN

＝UNIN

电动机：轴上输出机械功率PN

＝UNINηN直流电机的分类（按励磁方式分类）他励(激)：励磁电流由另外电源供给。自励：自身发出的电流励磁(分:并励,串励,复励)1－3直流电机的磁路和磁密

一、主磁通,漏磁通一般直流电机为多极电机由二极电机四极电机注意磁极的排列！

主磁通Φo

漏磁通Φδ

定义

同时交链定转子绕组的磁通只交链励磁绕组的磁通

作与电枢电流耦合产生电动势不参与能量转换用或电磁力数量较大较小(Φδ＝20％Φo

）

二、主磁路分析主磁路的闭合路线如下：从N极铁心出发→经气隙→电枢齿→电枢轭→相邻S极→电枢齿→经气隙→进入S极铁心→经定子轭回到N极。对于主磁路中任意一条闭合磁力线的路径运用全电流定律：∮HdL＝Σi在电机中，可将场的问题简化为路的问题来处理。因此全电流定律可简化为磁路第二定律，即主磁路中各段磁压降之和等于该磁力线所包围电流的代数和。

ΣHL＝ΣNi若用Hσ,Ht,Hs,Hz和He表示气隙,电枢齿,电枢轭,主极铁心和定子磁轭的磁场强度；用σ,Lt，Ls，Lz和Le表示各段磁路的平均长度，则：

2Hσσ＋2HtLt＋HsLs＋2HzLz＋HeLe

＝2ILWL在磁路饱和程度不大的情况下，在空气隙的磁压降远比其它各项铁磁物质的磁压降大，忽略各项磁压降后：

ILWL≈Hσ·σ＝Bσ·σ／μ0空载时气隙磁密波形由上式可知：

Bσ＝ILWLμ0/σ(Bσ∝1/σ)

上式表明气隙磁密Bσ与该处的气隙长度σ成反比。可得知：气隙磁密沿电枢表面气隙空间的分布波形为一平顶波。在极掌中部气隙均匀，磁密也均匀，且为最大值；到两极空间分界处下降为零。直流电机负载时的磁场当电机带上负载后，电枢绕组流过电流Is，出现了电枢磁动势，对主极磁场产生一定的影响——电枢反应。电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，还受到电刷位置的影响一、电刷位于几何中心线的电枢反应如右图可见：电枢磁动势与主极磁动势正交，称之交轴电枢反应。结论：①电枢磁场轴线与主极磁场轴线相交——

称交轴磁势；②电枢磁场和电枢磁势在空间是静止不动的，即定子主极磁场与电枢磁场之间相互静止。负载时的气隙磁密波形下面进一步看电枢反应时的气隙磁密分布情况：1、电枢磁势沿电枢表面的分布波形——三角波；2、主磁极气隙磁密分布波形——平顶波；3、电枢磁势产生的气隙磁密沿电枢表面的分布波形——马鞍形；4、在磁路不饱和情况下曲线2、3的合成磁密波形——不规则尖顶波；5、实际电机空载时磁路已开始饱和，合成曲线的尖顶升不上去。因此实际电机在负载时的气隙磁密波形为——削了顶的不规则尖顶波。可见：电枢反应造成气隙磁势空载时零点在几何中心线上，而负载时物理中心偏离了几何中心,电刷接触导体中的磁势不为零,火花增大。直流电机的电枢反应电枢反应：电枢(转子)磁势对主极(定子)磁势的影响。①气隙磁密波形发生畸变（从平顶波到不规则尖顶波）；②物理中心偏离几何中心线一个不大的角度；

电动机——逆转向偏离发电机——顺转向偏离③当磁路饱和时有去磁作用。二、电刷偏离几何中心线的电枢反应交轴电枢反应同上情况；直(顺)轴电枢反应顺移——助磁作用逆移——去磁作用顺移——去磁作用逆移——助磁作用偏离方向电动机发电机1－4直流电机的电枢绕组

电枢绕组是直流电机的核心部件：对发电机：电枢绕组在磁场中旋转产生感应电动势E，电动势E与电流I的乘积是电机的电磁功率；对电动机：流过电流的电枢绕组在磁场中受力产生电磁转矩，转矩与角速度的乘积是电机的机械功率。电枢绕组是电机实现机电能量转换的关键部件，因此了解电枢绕组的基本结构，有助于分析电机原理和特性的必要基础。一、电枢绕组的分类①单叠绕组（主要介绍）②单波绕组③双叠绕组④双波绕组⑤混合绕组二、有关技术术语1、极轴线：将每个主磁极分成左右对称两部分的直线；2、几何中心线：相邻两主极间的几何分界线；3、极距（τ）：相邻两主磁极沿电枢圆周表面量度的弧长：τ＝——

槽数：τ＝——

4、绕组元件：是两端分别与两个换向片相连的单匝或多匝线圈,是电枢绕组的基本单元；绕组元件分两部分：元件边：每个绕组元件有两个放在电枢槽中,能切割磁力线产生感应电势；端接部分：在槽外部分,不产生感应电动势，只起连接作用。12πDs2pZ2p绕组的节距5、绕组的节距：绕组元件的宽度及元件之间连接规律。①第一节距Y1

：一个元件的两个有效边之间的距离。

=τ┈┈整距元件Y1＝——±e<τ┈┈短距元件

>τ┈┈长距元件（一般不采用）②第二节距Y2

：在元件串接过程中,第1元件的第二元件边(下层边)与紧接着串联的第2元件的第一元件边(上层边)的距离。紧相串联两元件边(第一元件下边与第二元件上边)的距离。③合成节距Y：相邻两个串联元件边之间的距离。Y＝Y1

－Y2

（单叠绕组中Y＝1）④换向节距Yk：同一元件的首端和尾端在换向器上所跨的换向片数（数量上总与合成节距相等Yk＝Y）。Z2p三、构成原则：①满足能量转换的要求，一个线圈的两个边不能放在同一主极下；②一个槽内双层叠放；③按一定规律嵌放；④成本低，结构简单，可靠。四、单叠绕组特点：合成节距Y＝换向节距Yk①支路对数a等于极对数p；②电势数2b等于主极数2p；a＝p＝b③电枢电势Ea等于支路电势ea相等；Ea

＝ea④电枢电流Is为支路电流乘以支路数：Ia

＝2pia

或Ia

＝2aia

支路电流ia也为导体电流五、单波绕组特点:合成节距接近两个极距Yk＝———①支路对数a＝1（与极对数无关）②电刷数理论上恒等于2，则b=1；（为了分流采用全额电势2b＝2p）③电枢电势与支路电势相等；Ea＝ea由于单波绕组只有2条支路,每条支路串联的绕组元件比单叠绕组多,故电枢电压要高。④电枢电流Ia＝2iaK±1p电枢绕组的采用因此：一般高电压小电流采用单波绕组；低电压大电流采用单叠绕组。

单叠绕组a＝p

单波绕组a＝1主要区别直流电机的感应电势及电磁转矩感应电势：电(动)势系数Ce＝pN/60a电磁转矩转矩系数CT＝pN/2πa1－5直流发电机

（一）能量转换：直流发电机将机械能量转换为电能,在转换的过程中，要遵循能量守恒的规则。输入(机械能)P1→M1(转矩)→切割磁力线→感应电动势Es→输出P2(电能)由力学可知：电磁功率Pe＝电磁转矩Te×角速度Ω而：Te＝CTΦIa＝PNΦIa/2πa、Ω＝2πn/60上式说明电磁功率全部转换为电功率EsIs问题：是否Pe＝P1?应该Pe《P1中间有一部分损耗。（二）直流发电机的损耗①机械损耗pΩ：转动后克服摩擦产生的损耗；②铁损pFe：电机旋转后,电枢铁心反复磁化产生的损耗；

pFe

＝pcz

＋pw因此，空载损耗：p0＝pΩ

＋pFe③铜耗pcu：电流在绕组电阻上产生的损耗；包括：1.电枢绕组铜耗；

2.与电枢绕组串联的串励绕组、换向极绕组及补偿绕组铜耗；

3.电刷有换向器的接触电阻的铜耗；便有：pcu

＝Ia2ra＋2ΔUIa4.励磁回路铜耗pcuL涡流损耗：变化磁通在铁心感应电势产生涡流引起磁滞损耗：铁心反复磁化过程中，磁畴摩擦消耗能量铜耗——可变损耗→电流随负载变化空耗——不变损耗→一般运行时转速变化不大④附加损耗：pfj（杂散损耗）很难计算和测定,一般估算为包括的方面：电枢齿,槽在旋转时,气隙磁通大小发生脉动,在主极铁心中产生脉振损耗，以及在极掌表面左右扭动引起的铁耗；2.电枢拉紧螺杆等结构附件在磁场中旋转所引起铁耗；(上两项空载时已存在)3.电枢反应使气隙磁场畸变成尖顶波，致铁心磁密增大而引起铁耗增大；4.换向电流引起铜耗增加，电枢表面电流分布不均而引起接触损耗增加。0.5%Pe——有补偿绕组1%Pe——无补偿绕组发电机的功率流图∴电机的总损耗为：Σ＝pΩ

＋pFe＋pcus＋pcuL＋pΔ上面：P1－（pΩ

＋pFe

）＝Pe＝EaIa而输出功率为：P2＝Pe－pcus－pcuL－pΔ

＝UIa

＝Pe－Ia2ra－2ΔUIa－pcuL－1％PN（三）直流发电机的基本方程式+U－＋－IaEara1－6直流电动机按接线方式不同，复励绕组又可分：长复励——先并后串短复励——先串后并电动机的运行原理（以并励为例）在同一电压等级下，电机的并励和他励作用是一样；与发电机不同，直流电动机的励磁绕组与电枢绕组同时一合电源，便能旋转。＋U－（一）能量转换

励磁绕组铜耗pcuL＝UIL＝IL2RLP1＝UI

电枢绕组铜耗pcua＝Ia2ra

＋2ΔUIa输入电功率电磁功率机械损耗pΩPe

铁耗pFe

输出功率P2输入电功率（二）直流电动机的基本方程式＋－IaEa+U－ra电动机U>Ea发电机Ea>U直流电机的电压平衡方程式①直流电动机

U＝Ea

＋IaRa其中：Ea与Ia方向相反，U>Ea

②直流发电机

Ea＝U＋IaRa其中：Ea与Ia方向相同，Ea>U+U－＋－IaEaRa+U－＋－IaEaRa1－7他励直流电机的机械特性方程由Ｕ＝Ea

＋IaR…电压平衡方程

Te

＝CTΦIa

…电磁转矩方程

Ea＝CeΦｎ…感应电势方程推出：其中：n0为理想空载转速；βT＝Δn为转速降；β为斜率形式为：y＝a＋bx

是一条直线方程n0nNnTTN●

●额定点自然（固有）机械特性条件：①U＝UN

(外加电压额定)

②Φ＝ΦN

(励磁电流额定)③电枢回路不串电阻静态特性－－机械特性n＝f(T)动态特性－－随时间变化的各量如：n＝f(t)，T＝f(t)，Ia＝f(t)，Φ＝f(t)﹍人为的机械特性１、电枢回路串电阻人为特性由上式：n０不变，

Δn随外加电阻增大★串电阻人为机械特性曲线是一族射线T●n0n固ＲaRa+RΩ1Ra+RΩ2RΩ1<RΩ2人为的机械特性2、改变供电电压人为特性(降压人为特性)通常不允许超过额定电压,改变供电电压只能从UN往下降低。降压后n0↓而Δn不变★降压人为机械特性曲线是一组平行线T●n0n固n0’