直流电机原理幻灯片.ppt

《直流电机原理幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电机原理幻灯片.ppt（57页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、直流电机原理1第1页，共57页，编辑于2022年，星期一引引 言言 直直流流电电机机是是利利用用电电磁磁感感应应原原理理实实现现直直流流电电能能和和机机械械能能相相互互转转换换的的电电磁磁装装置置，将将直直流流电电能能转转换换成成机机械械能能的的电电机机称称为为直直流流电电动动机机，反反之之则则称称为为直直流流发发电电机机。直直流流电电动动机机具具有有调调速速范范围围广广且且平平滑滑，起起、制制动动转转矩矩大大，过过载载能能力力强强，易易于于控控制制的的优优点点，常常用用于于对对调调速速要要求求较较高高的的场场合合。本本章章主主要要介介绍绍直直流流电电机机的的基基本本结结构构和和工工作作原原理

2、理、电电枢枢绕绕组组的的基基本本结结构和磁场，以及直流电动机的基本方程和工作特性。构和磁场，以及直流电动机的基本方程和工作特性。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2第2页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 第一节第一节 直流电机的基本原理和结构直流电机的基本原理和结构 一、直流电机的基本原理一、直流电机的基本原理 根据第一章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化模型，根据第一章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化模型，如图如图3-1所示。所示。3第3页，共57页，编辑于2022年，星期一 1.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 励励

3、磁磁线线圈圈通通入入直直流流电电流流，产产生生直直轴轴（d轴轴）方方向向的的主主极极磁磁通通，称称为为主主磁磁场场。交交轴轴（q轴轴）方方向向上上的的一一对对电电刷刷将将电电枢枢线线圈圈分分为为上上下下两两部部分分，电电枢枢线线圈圈按按照照一一定定的的联联接接方方式式组组成成电电枢枢绕绕组组。当当直直流流电电源源通通过过电电刷刷向向电电枢枢绕绕组组供供电电时时，电电枢枢表表面面的的左左半半部部分分导导体体（即即N极极下下）可可以以流流过过相相同同方方向向的的电电流流，根根据据左左手手定定则则导导体体将将受受到到逆逆时时针针方方法法的的力力矩矩作作用用；电电枢枢表表面面的的右右半半部部分分导导体

4、体（即即S极极下下）也也流流过过相相同同方方向向的的电电流流，同同样样根根据据左左手手定定则则导导体体也也将将受受到到逆逆时时针针方方法法的的力力矩矩作作用用。这这样样，整整个个电电枢枢绕绕组组即即转转子子将将按按逆逆时时针针旋旋转转，输输入入的的直直流流电电能能就就转转换换成成转转子子轴轴上上输输出出的的机机械械能能。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理4第4页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2.直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 根根据据电电机机的的可可逆逆原原理理，在在图图3-1所所示示的的直直流流电电机机模模型型中中，励励磁磁线线圈圈

5、仍仍通通入入直直流流电电流流，产产生生主主极极磁磁通通。电电枢枢上上不不外外加加直直流流电电压压，而而用用原原动动机机拖拖动动电电枢枢恒恒速速旋旋转转，使使电电枢枢线线圈圈切切割割磁磁力力线线而而产产生生感感应应电电动动势势，电电动动势势的的方方向向由由右右手手定定则则确确定定。由由于于电电枢枢连连续续的的旋旋转转，电电枢枢绕绕组组的的每每个个线线圈圈边边交交替替地地切切割割N极极和和S极极下下的的磁磁力力线线，产产生生交交变变得得感感应应电电动动势势。再再通通过过换换向向器器的的作作用用，使使得得在在上上下下两两个个电电刷刷端端输输出出的的电电动动势势为为为为一一个个方方向向相相同同的的脉脉

6、动动电电动动势势，比比如如，从从电电刷刷A总总是是输输出出切切割割N极极磁磁力力线线的的线线圈圈边边所所产产生生的的正正向向电电动动势势，从从电电刷刷B总总是是输输出出切切割割S极极磁磁力力线线的的线线圈圈边边所所产产生生的的负负向向电电动动势势，这这样样，电电刷刷A始始终终为为正正极极性性，而而电电刷刷B始始终终为为负负极极性性。因因此此，虽虽然然线线圈圈切切割割不不同同极极性性磁磁极极所所产产生生的的感感应应电电动动势势是是交交变变的的，但但通通过过换换向向器的作用，在电刷两端却输出直流电压。器的作用，在电刷两端却输出直流电压。5第5页，共57页，编辑于2022年，星期一 二、直流电机的基

7、本二、直流电机的基本结构结构 直流电动机和直流直流电动机和直流发电机在主要结构上基发电机在主要结构上基本相同，常用的中小型本相同，常用的中小型直流电动机结构如图直流电动机结构如图3-2所示。直流电动机主所示。直流电动机主要由定子、转子，电刷要由定子、转子，电刷装置、端盖、轴承、通装置、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。风冷却系统等部件组成。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理6第6页，共57页，编辑于2022年，星期一 1.定子定子 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面结构示定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面结构示意图如图意图如图3-3所示。它的主要作用是产生

8、主磁场和作电机的机械支架。所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机的机械支架。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理7第7页，共57页，编辑于2022年，星期一 2.转子转子 转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，如图扇等组成，如图3-4所示。它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，所示。它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。实现机电能量的转换。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理8第8页，共57页，编辑于2022年，星期一1）静止部分定子主磁极换向极机座电刷装置2）转动部分转子电枢铁心电枢绕组换向器

9、3）气隙主磁极：大中型电机中，主磁极是一种电磁铁，铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。为了使主磁通在气隙中分布的更为合理一些，铁心下部（称为极靴）要比套绕组的部分（称为级身）宽，同时也使绕组牢固的套在铁心上 电枢铁心是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图所示。电枢铁心固定在转轴或转子支架上。铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。9第9页，共57页，编辑于2022年，星期一10第10页，共57页，编辑于2022年，星期一11第11页，共57页，编辑于2022年，星期一二、

10、直流电机的额定值二、直流电机的额定值 额定值额定值根据国家标准、电机的设计指标、试验数据，根据国家标准、电机的设计指标、试验数据，电机制造厂给每台电机规定的主要性能指标。电机制造厂给每台电机规定的主要性能指标。直流电机的额定值直流电机的额定值铭牌数据铭牌数据1.1.额定功率额定功率P PN N kWkW2.2.额定电压额定电压U UN N VV3.3.额定电流额定电流I IN N A A4.4.额定转速额定转速n nN N rpm rpm或或r/minr/min12第12页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的额定值直流电机的额定值铭牌数据铭牌数据1.1.额定功率额定功率P PN N：

11、指在额定电压、额定电流、额定转速：指在额定电压、额定电流、额定转速条件下工作的输出功率。条件下工作的输出功率。(1).(1).电动机：轴上输出的机械功率电动机：轴上输出的机械功率(2).(2).发电机：电枢输出的电功率发电机：电枢输出的电功率电动机的输入功率电动机的输入功率P P1 1=U=UN NxIxIN N电动机的机械功率电动机的机械功率P PN N=U=UN NxIxIN NxxN N发电机的输入功率发电机的输入功率P P1 1=机械功率机械功率发电机的输出功率发电机的输出功率P PN N=U=UN NxIxIN N=P=P1 1xxN N13第13页，共57页，编辑于2022年，星期

12、一直流电机的额定值直流电机的额定值铭牌数据铭牌数据2.2.额定电压额定电压U UN N：安全工作的外加电压：安全工作的外加电压 或输出电压或输出电压。3.3.额定电流额定电流I IN N：安全工作的外加电流：安全工作的外加电流 或输出电流或输出电流。4.4.额定转速额定转速n nN N：在额定电压、额定电流、额定功率：在额定电压、额定电流、额定功率 条件下工作时，对应的转速。条件下工作时，对应的转速。*.*.功率与转速、转矩的关系功率与转速、转矩的关系角转速角转速rad/srad/s、转矩、转矩NNmm，则，则PWPW14第14页，共57页，编辑于2022年，星期一例例3-1 3-1 某直流电

13、动机铭牌为：某直流电动机铭牌为：P PN N=10kW=10kW，U UN N=220V=220V，n nN N=1500rpm=1500rpm，N N=88.6%=88.6%求：求：1.1.额定运行时的输入功率额定运行时的输入功率 2.2.额定电流、额定转矩额定电流、额定转矩解：解：1.P1.P1 1=P=PN N/N N=10/0.886=11.29(kW)=10/0.886=11.29(kW)2.I2.IN N=P=P1 1/U/UN N=11.29x10=11.29x103 3/220=51.3(A)/220=51.3(A)T TN N=P=PN N/w/wN N=10 x10=10

14、x103 3/(1500 x2/60)/(1500 x2/60)=63.66(N =63.66(Nm)m)15第15页，共57页，编辑于2022年，星期一例例3-2 3-2 某直流发电机铭牌为：某直流发电机铭牌为：P PN N=90kW=90kW，U UN N=230V=230V，n nN N=1450rpm=1450rpm，N N=89.6%=89.6%求：求：1.1.额定运行时的输入机械功率、输入转矩额定运行时的输入机械功率、输入转矩 2.2.额定电流额定电流解：解：1.P1.P1 1=P=PN N/N N=90/0.896=100.45(kW)=90/0.896=100.45(kW)2.

15、I2.IN N=P=PN N/U/UN N=90 x10=90 x103 3/230=391.3(A)/230=391.3(A)T T1 1=P=P1 1/w/wN N=100.45x10=100.45x103 3/(1450 x2/60)/(1450 x2/60)=661.64(N =661.64(Nm)m)16第16页，共57页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 直流电机的电枢绕组和磁场直流电机的电枢绕组和磁场 一、直流电机的电枢绕组一、直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能转换的核心部件。在实

16、际的直流电机中，为增加电机的感应电动能转换的核心部件。在实际的直流电机中，为增加电机的感应电动势和电磁转矩其电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈，势和电磁转矩其电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈，这些这些线圈按一定规律与换向器联接起来，线圈按一定规律与换向器联接起来，组成电枢绕组。组成电枢绕组。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理17第17页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图3-5所示。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一所示。元

17、件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图3-6所示。所示。18第18页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 按按照照元元件件首首尾尾端端与与换换向向片片联联接接规规律律的的不不同同，电电枢枢绕绕组组可可分分为为叠叠绕绕组组和和波波绕绕组组，叠叠绕绕组组又又有有单单叠叠和和复复叠叠之之分分，波波绕绕组组也也有有单单波波和和复复波波之之分分。单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式。19第19页，共57页，编辑于2022年，星期一 二、直流

18、电机的磁场二、直流电机的磁场 1.空载磁场空载磁场 直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功率输出。直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功率输出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理20第20页，共57页，编辑于2022年，星期一 主主磁磁通通 0 的的大大小小决决定定于于励励磁磁磁磁动动势势Ff、磁磁路路各各段段几几何何尺尺寸寸和和选选用用的的材材料料性性质质。在在磁磁路路尺尺寸寸和和材材料料已已定定的的情情况况下下，0 与与Ff 满满足足图图3-9所所示示的的 0=f

19、（Ff）关关系系曲曲线线。若若励励磁磁绕绕组组匝匝数数一一定定，磁磁动动势势Ff 便便与与励励磁磁电电流流If 成成正正比比，使使 0=f（Ff）=f（If），称为磁化曲线。），称为磁化曲线。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 磁磁化化曲曲线线表表明明，电电机机中中磁磁通通增增大大时时，磁磁通通与与磁磁动动势势成成线线性性正正比比，但但当当磁磁通通达达到到一一定定数数值值时时，磁磁通通增增长长缓缓慢慢，呈呈饱饱和和趋趋势势，随随着着磁磁动动势势继继续续增增加加，磁磁通通趋趋于于平平直直。一一般般电电机机空空载载时时，电电机机的的磁磁场处于磁化曲线浅饱和区的场处于磁化曲线浅饱和区的a点。点。

20、21第21页，共57页，编辑于2022年，星期一 2.电枢反应电枢反应 直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙中形生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢磁场引成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。起主磁场畸变的现象称为电枢反应。首先分析电枢磁场的单独分布。首先分析电枢磁场的单独分布。由于电枢绕组中各支路电流是经由于电枢绕组中各支路电流是经电刷与外电路

21、连接的，电刷与外电路连接的，电枢表面的磁场分布与电刷分布有关。电刷电枢表面的磁场分布与电刷分布有关。电刷是电枢表面电流分布的分界线，如图是电枢表面电流分布的分界线，如图3-10a所示，根据右手螺旋定则，所示，根据右手螺旋定则，其磁通分布和磁密分布曲线展开如图其磁通分布和磁密分布曲线展开如图3-10b所示。如电枢元件在电枢表所示。如电枢元件在电枢表面的分布是均匀的，面的分布是均匀的，则电枢磁动势在主磁极中央为零，在两磁极的中则电枢磁动势在主磁极中央为零，在两磁极的中间为最大。间为最大。两磁极中间的气隙磁阻大，使磁通最大点出现在主磁极两两磁极中间的气隙磁阻大，使磁通最大点出现在主磁极两端，而在极间

22、处磁通减少呈马鞍形。端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理22第22页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理23第23页，共57页，编辑于2022年，星期一 直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理24第24页，共57页，编辑于202

23、2年，星期一 三、直流电机的励磁方式三、直流电机的励磁方式 在直流电机中，由定子励磁线圈通电所产生的主磁场称为励磁磁场。在直流电机中，由定子励磁线圈通电所产生的主磁场称为励磁磁场。不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按励磁绕组的供电方不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按励磁绕组的供电方式不同，可把直流电机分成下列四种：式不同，可把直流电机分成下列四种：第三章第三章 直流电机原理直流电机原理25第25页，共57页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩 在直流电机运行时，电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，在直

24、流电机运行时，电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，同时电枢绕组中有电流便会受电磁力的作用。下面讨论感应电动势和电磁同时电枢绕组中有电流便会受电磁力的作用。下面讨论感应电动势和电磁转矩的计算公式。转矩的计算公式。一、电枢绕组感应电动势一、电枢绕组感应电动势 电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生的感应电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生的感应电动势，如图电动势，如图3-13所示，电刷间感应电动势波形如同一个交流正弦电压所示，电刷间感应电动势波形如同一个交流正弦电压经过整流以后的波形，这说明直流电机电枢上产生的是交流电，经过电经过整流以后的波形，这说明直流电机

25、电枢上产生的是交流电，经过电刷换向后才输出直流电。刷换向后才输出直流电。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理26第26页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理这里，直流电机运转时在电刷间产生的平均感应电动势为这里，直流电机运转时在电刷间产生的平均感应电动势为 由式（由式（1-35）电机产生的感应电动势为）电机产生的感应电动势为（3-1）由电枢转动的机械角速度由电枢转动的机械角速度 与感应电动势角频率与感应电动势角频率 e 的关系的关系（3-2）（3-3）27第27页，共57页，编辑于2022年，星期一 式（式（3-1）表示的直流电机感应电动势可写成）表示的

26、直流电机感应电动势可写成 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理由于电枢绕组的匝数由于电枢绕组的匝数N与电枢总有效边数与电枢总有效边数Z以及支路对数以及支路对数a的关系为的关系为 N=Z/4a，（3-4）令令 为电动势常数，那么就得到直流电机的电枢电动势计算公为电动势常数，那么就得到直流电机的电枢电动势计算公式式（3-5）28第28页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 二、电磁转矩二、电磁转矩 这里利用第一章推导的一般电机电磁转矩方程式（这里利用第一章推导的一般电机电磁转矩方程式（1-44）来计算）来计算直流电机的电磁转矩。从直流电机的基本结构可以看出，

27、它是一种定直流电机的电磁转矩。从直流电机的基本结构可以看出，它是一种定子绕组为凸极的电机，现假定其满足以下条件：子绕组为凸极的电机，现假定其满足以下条件：1）可以忽略各种饱和与非线性；）可以忽略各种饱和与非线性；2）电刷的位置在几何中心线上，即）电刷的位置在几何中心线上，即 r=90，并忽略电刷宽度；，并忽略电刷宽度；3）忽略磁动势的空间谐波；）忽略磁动势的空间谐波；4）电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽；）电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽；如图如图3-1所示的直流电机，在定子绕组中通以直流励磁电流所示的直流电机，在定子绕组中通以直流励磁电流If，产生恒定的磁通产生恒定的磁通，这时，

28、这时 sr=，由电枢绕组产生的每极磁动势，由电枢绕组产生的每极磁动势Fa 波形波形如图如图3-14所示，其幅值为所示，其幅值为 29第29页，共57页，编辑于2022年，星期一对电枢磁动势对电枢磁动势Fa 进行傅里叶变换，其正弦基波分量的幅值进行傅里叶变换，其正弦基波分量的幅值Fa1为为第三章第三章 直流电机原理直流电机原理30第30页，共57页，编辑于2022年，星期一将上述各变量的关系代入式（将上述各变量的关系代入式（1-44），得），得第三章第三章 直流电机原理直流电机原理令令 为转矩常数，则可得直流电机电磁转矩计算公式为转矩常数，则可得直流电机电磁转矩计算公式（3-6）另外，根据比另外

29、，根据比-萨电磁力定律，计算直流电机电枢绕组元件边在萨电磁力定律，计算直流电机电枢绕组元件边在磁场中的受力，也可推导出与式（磁场中的受力，也可推导出与式（3-6）同样的电磁转矩方程，这方）同样的电磁转矩方程，这方面的内容可参阅教材有关的内容。面的内容可参阅教材有关的内容。31第31页，共57页，编辑于2022年，星期一第四节第四节 直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性 直流电机的运行情况可以用基本方程来研究。直流电机可为发电直流电机的运行情况可以用基本方程来研究。直流电机可为发电机运行和电动机运行。当直流电机由外动力拖动，在电枢转轴上输入机运行和电动机运行。当直流电机由外动

30、力拖动，在电枢转轴上输入机械能，电枢感应出电动势，并经电刷转换输出直流电能向负载供电，机械能，电枢感应出电动势，并经电刷转换输出直流电能向负载供电，感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运行。当直流电机电枢输感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运行。当直流电机电枢输入直流电源电压，此电压经电刷转换流入电枢绕组，入直流电源电压，此电压经电刷转换流入电枢绕组，电枢受电磁转电枢受电磁转矩作用，矩作用，在转轴输出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值在转轴输出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于电枢电压，则电机作电动机运行。本节给出直流电机稳态运行时小于电枢电压，则电机作电动机运行。本节给

31、出直流电机稳态运行时的基本方程和工作特性。的基本方程和工作特性。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理32第32页，共57页，编辑于2022年，星期一 一、直流电动机一、直流电动机 在列写直流电动机的基本方程之前，先规定相关物理量的参考正在列写直流电动机的基本方程之前，先规定相关物理量的参考正方向，若各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，其值为正，反方向，若各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，其值为正，反之为负。之为负。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理33第33页，共57页，编辑于2022年，星期一 1.电压方程电压方程 (1)他励直流电动机他励直流电动机 他励式直流电动机的励磁线

32、圈采用单独电源供电他励式直流电动机的励磁线圈采用单独电源供电 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 直流电动机的电枢回路电源电压直流电动机的电枢回路电源电压Ua，电枢绕组的电阻，电枢绕组的电阻Rw，正、负，正、负电刷的接触电压降为电刷的接触电压降为2Ub，由基尔霍夫电压定律可列出电枢回路方程，由基尔霍夫电压定律可列出电枢回路方程（3-7）（3-8）式中式中 Ra 包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻；包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻；Ea 直流电机感应电动势直流电机感应电动势（3-9）34第34页，共57页，编辑于2022年，星期一 (2)并励直流电动机并励直流电动机 如图如图3-12b所示，电

33、动机采用并励方式时，所示，电动机采用并励方式时，励磁绕励磁绕组与电枢回路并联，组与电枢回路并联，共用一个电源，电枢回路的电压方程与他励时相同，共用一个电源，电枢回路的电压方程与他励时相同，并有并有 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理（3-10）（3-11）(3)串励直流电动机串励直流电动机 如图如图3-12c所示，电动机采用串励方式时，所示，电动机采用串励方式时，励磁绕组与电枢回路串联，再与电源连接，此时励磁绕组与电枢回路串联，再与电源连接，此时（3-12）（3-13）35第35页，共57页，编辑于2022年，星期一 2.转矩方程转矩方程 直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态，此时

34、，电直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态，此时，电枢产生电磁转矩枢产生电磁转矩Te，其方向如图，其方向如图3-16所示，为逆时针转动，与电动机所示，为逆时针转动，与电动机空载转矩空载转矩T0 和电动机的轴上负载转矩和电动机的轴上负载转矩TL 相反。当电机稳态运行时，应有相反。当电机稳态运行时，应有Te与与T0、TL相平衡。这样，按图相平衡。这样，按图3-15中正方向的约定，可写出电动机的中正方向的约定，可写出电动机的转矩方程转矩方程第三章第三章 直流电机原理直流电机原理（3-12）3.功率方程功率方程 励磁回路输入的电功率励磁回路输入的电功率（3-13）36第36页，共57页，编辑于2

35、022年，星期一电枢回路输入的电功率电枢回路输入的电功率第三章第三章 直流电机原理直流电机原理（3-16）式中式中 pCua=RaIa2 电枢回路的铜耗；电枢回路的铜耗；Pem=EaIa 电机的电磁功率，且有电机的电磁功率，且有（3-17）由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式（3-18）37第37页，共57页，编辑于2022年，星期一 由此可见，电枢的电磁功率用于克服电枢轴上的机械负载转矩，实现机电由此可见，电枢的电磁功率用于克服电枢轴上的机械负载转矩，实现机电能量的转换。在转矩平衡方程（能量的转换。在转矩平衡方程（3-14）两边乘以转速）两边乘以转

36、速 ，可得，可得 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理（3-19）式中式中 PL 电机的机械负载功率；电机的机械负载功率；p0 电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗pmec 和和 铁心损耗铁心损耗pFe。上式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。他励直流电动上式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。他励直流电动机电动运行时的功率关系如图机电动运行时的功率关系如图3-16所示。所示。38第38页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理此时，电动机的输入电功率此时，电动机的输入电功率39第39页，共57页，编辑于2022年，星

37、期一式中，式中，P2 电动机的输出功率，并有电动机的输出功率，并有P2=PL；padd 电动机的附加损耗，是未被包括在铜耗、铁耗电动机的附加损耗，是未被包括在铜耗、铁耗 和机械损耗之内的其他损耗；和机械损耗之内的其他损耗；p 电动机的总损耗，并有电动机的总损耗，并有第三章第三章 直流电机原理直流电机原理由此，电动机的效率为由此，电动机的效率为（3-20）（3-21）40第40页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 如果忽略电枢反应，如果忽略电枢反应，当当Ia 增加时，转速增加时，转速n下降，形成转速降下降，形成转速降 n，如图如图3-17中曲线中曲线1 所

38、示。所示。若考虑电枢反应的去磁效应，磁通下降可能若考虑电枢反应的去磁效应，磁通下降可能引起转速的上升，与引起转速的上升，与Ia 增大引起的转速降相抵消，使电动机的转速增大引起的转速降相抵消，使电动机的转速变化很小。实际运行中为保证电动机稳定运行，一般使电动机的转变化很小。实际运行中为保证电动机稳定运行，一般使电动机的转速随电流速随电流Ia 的增加而下降。转速降一般为额定转速的的增加而下降。转速降一般为额定转速的38%，呈基本恒，呈基本恒速状态。速状态。4.工作特性工作特性 (1)转速特性转速特性 是指当是指当Ua=UN，If=IfN 时，时，n=f（I a）的关系曲线。）的关系曲线。由感应电动

39、势公式和电压方程可得由感应电动势公式和电压方程可得（3-22）41第41页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 (2)转矩特性转矩特性 是指当是指当Ua=UN，I f=I fN时，时，Te=f（I a）的关系曲线。由）的关系曲线。由转矩特性公式转矩特性公式Te=CT Ia 可知，在磁通为额定值时，电磁转矩与电枢电可知，在磁通为额定值时，电磁转矩与电枢电流成正比。若考虑电枢反应的去磁效应，转矩随电枢电流的增加而略微流成正比。若考虑电枢反应的去磁效应，转矩随电枢电流的增加而略微下垂，如图下垂，如图3-17中曲线中曲线2所示。所示。(3)效率特性效率特性 是指是

40、指Ua=UN，I f=I fN 时，时，=f（I a）的关系曲线。）的关系曲线。由式（由式（3-20）可见，电动机的损耗中仅电枢回路的铜耗与电流）可见，电动机的损耗中仅电枢回路的铜耗与电流Ia成平方成平方正比关系，其他部分与电枢电流无关。电动机的效率随正比关系，其他部分与电枢电流无关。电动机的效率随Ia 增大而上升，增大而上升，当当Ia 大到一定值后，效率又逐渐下降，如图大到一定值后，效率又逐渐下降，如图3-17中曲线中曲线3所示。一般直所示。一般直流电动机的效率在流电动机的效率在0.750.94之间。之间。42第42页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理

41、43第43页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。一旦励直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。一旦励磁电流磁电流 If=0，则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若此时电动机负载较则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若此时电动机负载较轻，电动机的转速将迅速上升，造成轻，电动机的转速将迅速上升，造成“飞飞车车”；若电动机的负载为重载，则电；若电动机的负载为重载，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩，动机的电磁转矩将小于负载转矩，使电机转速减小，但电枢电流将飞速增大，使电机转速减小，但电枢电流

42、将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。因此，因此，在闭合电动机电枢电路前应先闭合励磁电路，保证电动机可靠运行。在闭合电动机电枢电路前应先闭合励磁电路，保证电动机可靠运行。44第44页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 二、直流发电机二、直流发电机 直流发电机各物理量的参考正方向选定如图直流发电机各物理量的参考正方向选定如图3-18a所示。所示。45第45页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 1.电压方程电压方程 他励式直流

43、发电机由外动力拖动按图他励式直流发电机由外动力拖动按图3-18a 所示逆时针旋转，产所示逆时针旋转，产生感应电动势生感应电动势Ea，并且，并且Ea Ua，使电枢电流，使电枢电流Ia反向，此时电枢回路的反向，此时电枢回路的电压方程为电压方程为其中，其中，。他他励励式式直直流流发发电电机机的的励励磁磁线线圈圈采采用用单单独独电电源源供供电电，其其回回路路方方程程见见式式（3-7），即），即（3-23）46第46页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理（3-24）（3-25）如如果果发发电电机机采采用用并并励励方方式式，励励磁磁绕绕组组与与电电枢枢回回路路并并联联

44、，由由图图3-19所所示示的的电电流流方方向向，电电枢枢回回路路的的电电压压方方程程与与他他励励时时相相同同，但但电电流流变变为为式（式（3-25），即），即 47第47页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2.转矩方程转矩方程 直流发电机的电枢在外动力转矩直流发电机的电枢在外动力转矩Tm的拖动下逆时针旋转，工作在发的拖动下逆时针旋转，工作在发电状态时，与反方向的空载转矩电状态时，与反方向的空载转矩T0 和电磁转矩和电磁转矩Te 平衡。这样，按图平衡。这样，按图3-18中正方向的约定，中正方向的约定，可写出发电机状态的转矩平衡方程可写出发电机状态的转矩平

45、衡方程（3-26）3.功率方程功率方程 对于直流发电机，输入的机械功率为对于直流发电机，输入的机械功率为（3-27）因电磁功率因电磁功率（3-28）48第48页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理（3-29）上式说明，他励直流发电机将输入的原动机的机械功率转换成电能上式说明，他励直流发电机将输入的原动机的机械功率转换成电能输出和内部的热能损耗。其功率关系如图输出和内部的热能损耗。其功率关系如图3-20所示，可见机械能转换成所示，可见机械能转换成电能的变换过程。电能的变换过程。49第49页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机

46、原理 由此可得，直流发电机的效率为由此可得，直流发电机的效率为（3-30）式中式中 p 直流发电机的总损耗，对于他励直流发电机直流发电机的总损耗，对于他励直流发电机对于并励直流发电机，则在上式中还应加上励磁损耗对于并励直流发电机，则在上式中还应加上励磁损耗pCuf 。（3-31）50第50页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 4.工作特性工作特性 (1)空载特性空载特性 是指当发电机不带负载是指当发电机不带负载Ia=0，U=Ea时，时，E0=Ea=f（If）的关系曲线。这里分两种情况讨论：）的关系曲线。这里分两种情况讨论：1)对于他励直流发电机对于他励直

47、流发电机由感由感应电动势公式应电动势公式 ，且，且n恒定恒定不变，因此不变，因此 ，由图，由图3-9给出的给出的 0=f（If）磁化曲线可得到的）磁化曲线可得到的Ea=f（If）的）的 关系，即他励直流发关系，即他励直流发电机的空载特性与其空载磁化曲电机的空载特性与其空载磁化曲线是相似的。如图线是相似的。如图3-21所示。所示。51第51页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2)对于并励和复励直流发电机对于并励和复励直流发电机，其励磁电流要靠发电机自身提供的，其励磁电流要靠发电机自身提供的电压产生，电压产生，而发电机电压的产生则需要有励磁电流才行。由此可

48、见，而发电机电压的产生则需要有励磁电流才行。由此可见，并励和复励直流发电机在起始阶段需要有一个自我励磁并建立电压的过并励和复励直流发电机在起始阶段需要有一个自我励磁并建立电压的过程，这称之为自励过程。程，这称之为自励过程。图图3-22给出了并励和复励直流发电机空载电压给出了并励和复励直流发电机空载电压建立的过程：建立的过程：当原动机拖动发电机以恒定转速当原动机拖动发电机以恒定转速n 旋转时，旋转时，由于主磁极由于主磁极存在剩磁，存在剩磁，电枢绕组切割剩磁磁通会产生一个较小的感应电动势电枢绕组切割剩磁磁通会产生一个较小的感应电动势Eod，由由Eod 在励磁回路中产生励磁电流在励磁回路中产生励磁电

49、流If1；如果极性正确，如果极性正确，将在磁路中将在磁路中产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感应电动势增大为产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感应电动势增大为E1，E1又使励磁电流增大为又使励磁电流增大为If2；如此循环，如此循环，使得感应电动势和励磁使得感应电动势和励磁电流不断增加，最终建立起发电机的空载电动势。电流不断增加，最终建立起发电机的空载电动势。例如，例如，在图在图3-22中中的的A点（点（E0A，IfA）稳定工作。）稳定工作。52第52页，共57页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 必须指出，自励发电方式能否建立空载电压是

50、有三个条件的：必须指出，自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件的：一是一是 电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；二是二是 励磁绕组的极性必须正确，励磁绕组的极性必须正确，也就是励磁绕组与电枢并联时接线也就是励磁绕组与电枢并联时接线要正确；要正确；三是三是励磁回路的电阻不能励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率太大，即其伏安特性的斜率U/If 不不能太陡（如斜线能太陡（如斜线1），），否则如果伏否则如果伏安特性的斜率太陡，与发电机空载安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无交点（见斜线特性交点很低或无交点（见斜线2），），就无法建立空载电压