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1、第第3章章 直流电机原理直流电机原理直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号直流电机的磁路直流电机的磁路直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩直流电动机运行原理直流电动机运行原理他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性直流电机的换向直流电机的换向本章基本要求本章基本要求了解直流电机的基本结构、工作原理了解直流电机的基本结构、工作原理熟悉直流电机的励磁方式熟悉直流电机的励磁方式理解直流电机电枢绕组的构成及特点理解直流电机电枢绕组的构成及特点掌握电枢电动势和电磁转矩的计算掌握电枢电动势和电
2、磁转矩的计算理解和掌握直流电机的工作特性和机械特理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性性了解直流电机的换向了解直流电机的换向直流电机是电机的主要类型之一。直流直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的电机自身有着显著的优点优点，但与交流电机相，但与交流电机相比自身又有着比自身又有着缺点缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值实用价值!3.1 3.1 直流电机的工作原
3、理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理1、直流电机的构成、直流电机的构成（如图如图31）表示一台直）表示一台直流电机的电机模型。流电机的电机模型。固定部分（定子）：主磁极固定部分（定子）：主磁极N和和S、电刷；、电刷；旋转部分（转子）：电枢铁心；旋转部分（转子）：电枢铁心；电枢绕组电枢绕组abcd(一个线圈一个线圈)；换向器换向器定子与转子之间为气隙。定子与转子之间为气隙。右图为直流发电机的物理模右图为直流发电机的物理模型，型，N、S为为定子磁极定子磁极，2 2、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固
4、转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。定不动的电刷进行的。abcd是固定在可旋转导磁圆柱体是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为称为电机的转子或电枢电机的转子或电枢。线圈的首末端线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。同旋转的换向片上。可见，和电刷可见，和电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，和极下，和电刷电刷B B接触的导体总是位于接触的导体总是位于S S极下，极下，因此电刷因此电刷A的极的极性总是正的，电刷性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电
5、刷的极性总是负的，在电刷A、B两两端可获得直流电动势。端可获得直流电动势。导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低点低电位，电位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点低电位，点低电位，d d点点高电位；电刷高电位；电刷A A极性仍为正，极性仍为正，电刷电刷B B极性仍为负。极性仍为负。当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转180180度后，如右图。度后，如右图。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的
6、规律连接起来，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要磁极也是根据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。发电机：虽然线圈发电机：虽然线圈abcd电动势是交流电动势，但由于换电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。（图图3-2a，图图3-2b）3、脉动的减小、脉动的减小电枢绕组由多个线圈串联而构成的电枢绕组由多个线圈串联而构成的电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷、和换向器再加到
7、线圈上的。所以，导体中的电流将通过电刷、和换向器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。的方向始终保持不变。4、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈 把电刷把电刷A A、B B接到直流电接到直流电源上，电刷源上，电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此时电枢线圈中接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。将电流流过。如右图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。机械。在磁场
8、作用下，在磁场作用下，N N极性下导极性下导体体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极极下导体下导体cdcd受力方向从左向右。受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋矩时，电机转子逆时针方向旋转。转。由左手定则，通电线圈由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。注意：注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向
9、外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。原原N极性下导体极性下导体ab转到转到S极极下，受力方向从左向右，下，受力方向从左向右，原原S极下导体极下导体cd转到转到N极下，极下，受力方向从右向左。该电受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。续逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的直同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。磁极也并非一对。由右手定则，线圈在
10、磁场中旋转，将在线由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。与电流的方向相反。EE3.2、直流电机的、直流电机的基本结构基本结构直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构一、直流电机的主要结构主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖定子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴转轴轴承轴承1、主极、主极构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。主极铁心和套装在铁心上
11、的励磁绕组。2、机座、机座构成：构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：作用：建立主磁场。建立主磁场。作用：作用：1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。、电机的结构框架。3、电枢铁心、电枢铁心作用：作用：1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。、电枢绕组的支撑部件。构成：构成：一般用厚一般用厚0.5且冲有齿、槽的且冲有齿、槽的DR530或或DR510的硅钢片叠压的硅钢片叠压夹紧而成夹紧而成4、电枢绕组、电枢绕组作用：作用：直流电机的电路部分。直流电机的电路部分。构成：构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，用绝缘的
12、圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。绝缘，并用槽楔压紧。5、换向器、换向器作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用片间用V形云母绝缘，两端形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。再用两个形环夹紧而构成。6、电刷装置、电刷装置作用：作用：电枢电路的引出（或引入）装置。电枢电路的引出（或引入）装置。构成：构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。电刷、刷盒、刷杆和连线等。7、换向极、换向极作用：作用：改善换向。
13、改善换向。构成：构成：亦由铁心和绕组组成。亦由铁心和绕组组成。额定值额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。直流电机的额值有：直流电机的额值有：
14、（）（）额定功率额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以机的输出功率，以W为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于1kW或或1MW时时,则用则用kW或或MW表示。表示。对于直流发电机，对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN三三、直流电机的额定值、直流电机的额定值额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出
15、额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速对于直流对于直流电动机电动机，PN是指输出的机械功率，是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率所以公式中还应有效率N存在。存在。PNUNINN（2）额定电压额定电压：指额定状态下电机出线端的电指额定状态下电机出线端的电压，以压，以V表示。表示。（3）额定电流额定电流：指电机运行在时，电机的线电流，
16、指电机运行在时，电机的线电流，以以A表示。表示。（4）额定转速额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，指额定状态下运行时转子的转速，以以r/min表示。表示。此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂编号等。电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而
17、长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。能等比较好。对应于额定电压、额定对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流功率时的励磁电流指直流电机的励指直流电机的励磁线圈与电枢线磁线圈与电枢线圈的连接方式圈的连接方式励磁方式一、直流电机的空载磁场1、直流电机的空载磁场、直流电机的空载磁场3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产
18、生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应电枢反应。右图为一台四极直右图为一台四极直流电机空载时的磁场示流电机空载时的磁场示意图。意图。当励磁绕组的串联匝数为当励磁绕组的串联匝数为，流过电流为，流过电流为，每极，每极的励磁磁动势为：的励磁磁动势为：磁力线由磁力线由N极出来，经气极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙的铁轭、电枢齿部、气隙进入进入S极，再经定子铁轭极，再经定子铁轭回到回到N极极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁磁力线不进入电枢
19、铁心，直接经过气隙、心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路图中的两条虚线是主磁路里的一个磁管，磁管图中的两条虚线是主磁路里的一个磁管，磁管的宽度为的宽度为该磁管里的磁通该磁管里的磁通分别为气隙、电枢分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭等磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻段磁路的磁阻忽略各铁磁材料的磁阻，仅考虑气隙的磁阻 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图如下图(b)幻灯片幻灯片79所示所示。空载时主磁极磁通的空载时主磁极磁通的分布情况，如右图分布情况，如右图(c)所所示。示。
20、（b b）气隙磁密分布）气隙磁密分布 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。分布就取决于气隙的大小和形状。如右图如右图(a)所示所示几何中性线极靴极身（a）气隙形状 磁极中心及附近的气隙磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在大，磁通密度显著减少，
21、在磁极之间的几何中性线处，磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零气隙磁通密度为零。在直流电机中，在直流电机中，为了感应电动为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每机气隙中需要有一定量的每极磁通极磁通。2、直流电机的空载磁化特性、直流电机的空载磁化特性这就要求在设计电机时进行磁路这就要求在设计电机时进行磁路计算，以确定产生一定数量气隙计算，以确定产生一定数量气隙每极磁通每极磁通需要加多大的励磁磁需要加多大的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数一定通势，或者当励磁绕组匝数一定时，需要加多大的励磁电流时，需要加多大的励磁电流If。空载时，气隙磁通空载时，气隙磁
22、通与空载磁与空载磁动势动势或空载励磁电流或空载励磁电流I的关系，称为直流电机的空载的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。磁化特性。如右图所示。空载磁化特性空载磁化特性直流电机磁路计算内容：直流电机磁路计算内容：已已知气隙每机磁通为知气隙每机磁通为 ，求，求出主磁路各段的主磁位降，出主磁路各段的主磁位降，其总和是励磁磁通势其总和是励磁磁通势F Ff f。=f=f（F Ff f）空载磁化特性空载磁化特性气隙线气隙线为了经济、合理地利用材为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运料，一般直流电机额定运行时，额定磁通行时，额定磁通设定设定在图中在图中A点，即在磁化特点，即在磁化特性曲线开始
23、进入饱和区的性曲线开始进入饱和区的位置。位置。定义：定义：直流电机励磁绕组的接线方式称为直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。除了除了永磁直流电机永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有外，直流电机的励磁方式有他他励和自励（串励、并励和复励）。励和自励（串励、并励和复励）。他励他励励磁电流由其他直流电机单独供给的称为励磁电流由其他直流电机单独供给的称为自励自励电机的励磁电流由电机自身供给。电机的励磁电流由电机自身供给。不同励磁方式的直流电机有不同的特性。不同励磁方式的直流电机有不同的特性。二、二、励磁方式励磁方式直
24、流电机按励磁方式可分：直流电机按励磁方式可分：他励他励自励自励 1、他励式、他励式（如图如图a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连枢绕组不相连。M他励他励UfIfIaU2、自励式、自励式发电机发电机：利用自身发出的电流励磁；：利用自身发出的电流励磁；电动机电动机：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。电。并励式并励式(图图b)：励磁绕组与电枢绕组并联；励磁绕组与电枢绕组并联；M并励并励UIfG并励并励UIfIaIIaI串励式串励式(图图c)：励磁绕组与励磁绕组与电枢绕组串联；电枢绕组串联；复励式复励式(图图d)：
25、装有两个励磁绕组，装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。电枢串联的串励绕组。一、直流枢绕组基本知识3.4 3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用离，用表示表示。叠绕组叠
26、绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。折叠式前进。第一节距第一节距：一个元件：一个元件的两个有效边在电枢表的两个有效边在电枢表面跨过的距离。面跨过的距离。第二节距第二节距：连至同：连至同一换向片上的两个元一换向片上的两个元件中第一个元件的下件中第一个元件的下层边与第二个元件的层边与第二个元件的上层边间的距离。上层边间的距离。合成节距合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。边之间的距离。单叠绕组单叠绕组换向节距换向节距
27、：同一元件首末：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。端连接的换向片之间的距离。波绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图叠绕组示意图波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。单叠绕组的单叠绕组的连接规律连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即后一元是：所有的相邻元件依次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。特点：特
28、点：槽数槽数Ze、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同三者相同即单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。即单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。y=yk=1二、单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件(线圈线圈)相互叠压相互叠压,合合成节距与换向节距均为成节距与换向节距均为1，即：，即：。单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。
29、向片、电刷间的相对位置关系。单叠绕组分析实例：单叠绕组分析实例：1.数据计算数据计算yyk1计算数据计算数据y和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极实例：实例：p2，槽数槽数Ze元件数元件数S换向片数换向片数K161画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽的画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽的元件边，下层边用虚线，上层也用实线画；元件边，下层边用虚线，上层也用实线画；有多少个槽数，则画多少个平行线，每个有多少个槽数，则画多少个平行线，每个槽有一条实线和一条虚线，分刷表示上层边槽有一条实线和一条虚线，分刷表示上层边和下层边。和下层边。2标出槽量：画出第一个元件，跨从标出槽量：画出
30、第一个元件，跨从15。展开图中可以把一个元件画成一。展开图中可以把一个元件画成一匝。匝。注意元件的端部要画对称。注意元件的端部要画对称。3第一个元件的引出线端画出换向器的两根横第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标出换向片量；换向片是与上层边平行线，并标出换向片量；换向片是与上层边槽号要相同。槽号要相同。12345678910111213 14151612345678910111213 14 15 1616+12.单叠绕组展开图单叠绕组展开图元件元件1：上元件边在：上元件边在1槽，槽，下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即5槽下层。槽下层。元件元件2：上元件边在：上元件边在2
31、槽，槽，下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即6槽下层。槽下层。以此类推以此类推1.槽展开槽展开2.绕组放置绕组放置3.安放磁极电刷安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+3.绕组放置绕组放置1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+某一瞬间电刷、磁极放置某一瞬间电刷、磁极放置磁极：磁极宽度约磁极：磁极宽度约0.7,均匀分布，均匀分布，N、S极交替安排。极交替安排。电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间
32、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。位置。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。在磁极的几何中心线上电势为零。电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。片上。元件连接顺序表元件连接顺序表绕电枢一周，绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。所有元件互相串联构成一闭合回路。绕组电路图：绕组电路图：结合电刷的放置，结合电
33、刷的放置，得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图这是单叠绕组的重要特点之一。这是单叠绕组的重要特点之一。由此可知，由此可知，每个极下的元件组成一条支路，每个极下的元件组成一条支路，单叠绕组的支单叠绕组的支路数等于极数，这里为路数等于极数，这里为4极，即有极，即有4个支路。个支路。单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）
34、电枢电流等于各支路电流之和）电枢电流等于各支路电流之和2a=2p3.53.5直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩设气隙磁场的分布设气隙磁场的分布如图如图所示，则每根导体的感所示，则每根导体的感应电动势为应电动势为式中，式中，导体所在处的气隙磁密；导体所在处的气隙磁密；导体的有效长度；导体的有效长度；导体相对气隙磁场的速度导体相对气隙磁场的速度。一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势产生产生:电枢旋转时电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势称为电枢电动势电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电动势的电枢绕组的
35、电动势应为一条支路各串联导体的电动势的代数和，则代数和，则令令为平均气隙磁密，为平均气隙磁密，则上式改写为则上式改写为将将代入上式得出直流电动势代入上式得出直流电动势电动势公式电动势公式：式中式中:)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中可见，直流电机的感应电动可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及势与电机结构、气隙磁通及转速有关。转速有关。二二、直流电机的电磁转矩、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电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为为式中式中平均气隙磁密。平均气隙磁密。载流导体上的总电磁转矩载流导体上的总电磁转矩应为应为其中其中为
36、电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比电枢电流成正比。性质性质:发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。1、直流电机负载时的负载磁场三、三、直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 直流电机带上负载后，电枢直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变动势的出现使电机的磁场发生变化。化。右图为一台电刷放在几何中性右
37、图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。电枢磁动势为交轴磁动势。当励磁绕组中有励磁励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同动势与电枢磁动势共同作用的结果。作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的电枢磁场对气隙磁场的影响称为影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位置电枢反应与电刷的
38、位置有关。有关。电枢反应磁场和主极磁场两电枢反应磁场和主极磁场两者垂直，又它们合成的磁场轴线者垂直，又它们合成的磁场轴线必然不在主磁极的中心线上，而必然不在主磁极的中心线上，而发生了磁场歪扭，气隙磁密过零发生了磁场歪扭，气隙磁密过零的地方偏离了几何中线的地方偏离了几何中线 两磁场合成时，每个主磁极下，两磁场合成时，每个主磁极下，半个磁极范围内两磁场磁力线半个磁极范围内两磁场磁力线方向相同，另半个磁极范围内方向相同，另半个磁极范围内两磁场磁力线方向相反。两磁场磁力线方向相反。与空载的主极磁场相比，电枢反应使合成磁场与空载的主极磁场相比，电枢反应使合成磁场每极总磁通减少，这就是电枢反应的去磁效应每
39、极总磁通减少，这就是电枢反应的去磁效应一、直流发电机稳态运行时的基本方程一、直流发电机稳态运行时的基本方程二、功率关系二、功率关系三、他励直流发电机的运行特性三、他励直流发电机的运行特性四、并励直流发电机四、并励直流发电机3.6直流发电机一、直流发电机稳态运行时的基本方程一、直流发电机稳态运行时的基本方程在列写直流电机运行时的基本方程式之前，电压、电流、在列写直流电机运行时的基本方程式之前，电压、电流、磁通、转速、转矩等，应先规定好正方向。正方向的选磁通、转速、转矩等，应先规定好正方向。正方向的选择是任意的，但是一经选定就不要再改变了。择是任意的，但是一经选定就不要再改变了。有了正方向后，各有
40、关物理量都变成代数量了。即有了正方向后，各有关物理量都变成代数量了。即:各有各有关物理量如果其瞬时实际方向与它的规定正方向关物理量如果其瞬时实际方向与它的规定正方向致，致，就为正，否则为负。就为正，否则为负。一、直流发电机稳态运行时的基本方程一、直流发电机稳态运行时的基本方程图中：图中：U电机负载两端的端电压；电机负载两端的端电压；Ia电枢电流；电枢电流；Tl原动机的拖动转矩；原动机的拖动转矩；T电磁转矩；电磁转矩；T0空载转矩；空载转矩；n电机电枢的转速；电机电枢的转速；主磁通；主磁通；Uf励磁电压；励磁电压；I If f励磁电流等励磁电流等 发电机惯例发电机惯例一、直流发电机稳态运行时的基
41、本方程一、直流发电机稳态运行时的基本方程基尔霍夫第二定律：对任一有源的闭合回路，所有电动势之和基尔霍夫第二定律：对任一有源的闭合回路，所有电动势之和等于所有压降之和等于所有压降之和(E(EU)U)。按图中虚线方向绕行。其中共有三个压按图中虚线方向绕行。其中共有三个压降及一个电动势降及一个电动势Ea。三个压降三个压降:(1):(1)负载上压降负载上压降U U；(2)(2)正、负电刷与换向器表面的接触压正、负电刷与换向器表面的接触压降降;(3)(3)电枢电流电枢电流Ia在电枢回路串联的各绕在电枢回路串联的各绕组组(包括电枢绕组、换向极绕组和补偿包括电枢绕组、换向极绕组和补偿绕组、电刷电阻等绕组、电
42、刷电阻等)总电阻总电阻Ra上的压降。上的压降。他励时，励磁电流由其他电源单独供他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故直流电，故直流发电机发电机的稳态电路图的稳态电路图有有式式中中：电电枢枢回回路路总总电电阻阻；正正、负负电电刷电压降，一般为刷电压降，一般为0.62伏；伏；Ct：与线圈的结构有关的常数：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流：电枢绕组中的电流二、电磁转矩二、电磁转矩单位：单位：（韦伯），（韦伯），Ia（安培），（安培），T（牛顿（牛顿 米）米）由转矩公式可知：由转矩公式可
43、知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电磁转矩的方向：改变电枢电流的方向或者改变电磁转矩的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。改变磁通的方向。发电机稳态运行时作用在电枢上的三个转矩：发电机稳态运行时作用在电枢上的三个转矩：（1 1）原动机输入给发电机转轴上的转矩）原动机输入给发电机转轴上的转矩T T1 1；（2 2）电磁转矩）电磁转矩T T；（3 3）空载转矩）空载转矩T T0 0机械摩擦、铁损耗引起的。机械摩擦、铁损耗引起的。是一个制动性转矩，永远与转速是一个制动性转矩，永远与转速n n的方向相反的方向相反三、电磁转矩
44、和转矩平衡方程三、电磁转矩和转矩平衡方程四、励磁特性公式四、励磁特性公式直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流每极气隙磁通每极气隙磁通五、功率平衡方程五、功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率电磁功率空载损耗空载损耗P0包括：机械摩擦损耗包括：机械摩擦损耗Pm铁损铁损PFe附加损耗附加损耗Ps将上式同乘以转子的机械角速度得将上式同乘以转子的机械角速度得 电磁功率一方面代表电动势为电磁功率一方面代表电动势为的电源输出电的电源输出电流流时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。服电磁转矩所消
45、耗的机械功率。电磁功率电磁功率发电机：发电机：机械能机械能转化为电能转化为电能；电动机：电动机：电能电能转化为机械能转化为机械能。电磁功率用电磁功率用表示，则表示，则电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是铜损耗电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是铜损耗输出的电功率输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗输出电压输出电压将上式同乘以电枢电流得将上式同乘以电枢电流得综合两式，用功率流程图来表示。综合两式，用功率流程图来表示。直流发电机的功率流程图直流发电机的功率流程图功率流程图形象，直观地表达了多项功率、损耗功率流程图形象，直观地表达了多项功率、损耗之间的
46、相互关系，学者应该掌握。之间的相互关系，学者应该掌握。同理，直流电动机的功率流程图也可以画出，注同理，直流电动机的功率流程图也可以画出，注意到，虽然图形并没什么变化，但其物理概念已意到，虽然图形并没什么变化，但其物理概念已经大大改变了。一定要学会画。经大大改变了。一定要学会画。六、直流电机的可逆性六、直流电机的可逆性电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦作为电动机运行。作为发电机、亦作为电动机运行。发电机运行；发电机运行；电动机运行。电动机运行。即根据即根据Ea与与U的大小判断直流电机的的大小判断直流电机的运行状态。运行状态。3 3.7.7
47、直流电动机运行原理直流电动机运行原理一、可逆运行原理一、可逆运行原理二、他励直流电动机稳态运行的基本方程二、他励直流电动机稳态运行的基本方程三、他励直流电动机的功率关系三、他励直流电动机的功率关系四、直流电动机的工作特性四、直流电动机的工作特性3.7直流电动机运行原理直流电动机运行原理一、他励直流电动机稳态运行的基本方程式一、他励直流电动机稳态运行的基本方程式他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故直流电机的稳态电路图（直流电机的稳态电路图（电动机电动机）式中：式中：电枢回路总电阻；：电枢回路总电阻；正、负电刷电压降，一般为正、负电刷电压降，一般为0.60.
48、62 2伏；伏；二、二、转矩平衡关系转矩平衡关系电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即T2：负载转矩负载转矩T0：空载转矩：空载转矩三、功率平衡方程三、功率平衡方程把电压方程式两边都乘以电枢电流把电压方程式两边都乘以电枢电流 电磁功率电磁功率将上式同乘以转子的机械角速度得将上式同乘以转子的机械角速度得电磁功率电磁功率直流电动机方直流电动机方程总结如下：程总结如下：电压平衡方程式电压平衡方程式电磁功率电磁功率转矩平衡方程式转矩平衡方程式额定输出转矩额定输出转矩电动势公式电动势公式转
49、矩公式转矩公式额定电磁转矩额定电磁转矩工作特性：当U=UN，时，,n,T分别随变；四、直流电动机的工作特性四、直流电动机的工作特性1、转速特性转速特性据转速公式据转速公式得出转速特性曲线。从此曲线可求出，其转速从空载得出转速特性曲线。从此曲线可求出，其转速从空载到额定负载时转速变化的程度。到额定负载时转速变化的程度。-图：他励电动机的转速特性图：他励电动机的转速特性注：注：他励（或并励）电动机在运行时，他励（或并励）电动机在运行时，励磁绕组绝对不能断开。若励磁绕组绝对不能断开。若If=0，电枢，电枢电流迅速增大，若负载较小，则会造成电流迅速增大，若负载较小，则会造成飞车飞车事故；事故；2、转矩
50、特性、转矩特性转矩方程转矩方程特性曲线特性曲线得出转矩得出转矩图：他励电动机的转矩特性图：他励电动机的转矩特性式中：式中：直流电机的不变损耗，直流电机的不变损耗，直流电机的可变损耗，直流电机的可变损耗，3、效率特性、效率特性图：他励电动机的工作特性图：他励电动机的工作特性各种电机的效率曲线具有相同的形状。因为效率各种电机的效率曲线具有相同的形状。因为效率的定义相同，损耗的性质也相同。把电机的总损的定义相同，损耗的性质也相同。把电机的总损耗分为不变损耗和可变损耗两大部分。一般直流耗分为不变损耗和可变损耗两大部分。一般直流电机的效率等于电机的效率等于7594。3 3.8 .8 他励直流电动机的机械