第三章直流电机的稳态分析

第三章直流电机的稳态分析
第三章直流电机的稳态分析
直流电机是电机的主要类型之⼀。

直流电动机以其良好的启动性和调速性能著称，直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。

与交流电机相⽐直流电机的结构较复杂，成本较⾼，可靠性较差，使它的应⽤受到限制。

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，使直流电机有被取代的趋势。

尽管如此，直流电机仍有⼀定的理论意义和实⽤价值。

本章先介绍直流电机的⼯作原理和基本结构，接着说明电机的磁动势和磁场，导出电机的电动势和电磁转矩公式，并分析直流电动机的稳态运⾏性能。

3.1 直流电机的⼯作原理和基本结构
⼀、直流电机的⼯作原理
1、直流电机的构成
如图3－1 表⽰⼀台直流电机。

固定部分（定⼦）：主磁极N和S；
旋转部分（转⼦）：电枢铁⼼；电刷1B、2B；
电枢绕组AX(⼀个线圈)；
换向器。

定⼦与转⼦之间为⽓隙。

图3－1
最简单的两极直流电机
2、直流发电机的⼯作原理
图3－2 线圈电动势和电刷间电动势的波形
a) 线圈电动势b) 电刷间的电动势
发电机：虽然线圈AX电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作⽤，电刷1B、2B 间的输出电动势却是直流电动势。

3、直流电动机的⼯作原理
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1B、2B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，从⽽使电磁转矩的⽅向始终保持不变。

4、脉动的减⼩
实现⽅法：电枢绕组由多个线圈串联⽽构成的，如图3－3所⽰。

电刷上的电动势如图3－4所⽰。

图3－3 电枢上装有6个线圈图3－4 每极下有3个串联线圈时
的两极直流电机电刷上的电动势波形
⼆、直流电机的基本结构
旋转电机：定⼦，转⼦，⽓隙。

图3－6 国产直流电机的结构
1、主磁极
作⽤：建⽴主磁场。

构成：主极铁⼼和套装在铁⼼上的励磁绕组。

2、机座
作⽤：1、主磁路的⼀部分；
2、电机的结构框架。

构成：⽤厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。

3、电枢铁⼼
作⽤：1、主磁路的⼀部分；
2、电枢绕组的⽀撑部件。

构成：⼀般⽤厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢⽚叠压夹紧⽽成。

4、电枢绕组
作⽤：直流电机的电路部分。

构成：⽤绝缘的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绝缘，并⽤
槽楔压紧。

图3－电枢槽内的导体和绝缘
5、换向器
作⽤：整流（发电机）或逆变（电动机）。

构成：由许多鸽形尾的换向⽚排列成⼀个圆筒、⽚间⽤V 形云母绝缘，两端再⽤两个形环夹紧⽽构成。

6、电刷装置
作⽤：电枢电路的引出（或引⼊）装置。

构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。

7、换向极
作⽤：改善换向。

构成：亦由铁⼼和绕组组成。

三、励磁⽅式
励磁绕组的供电⽅式称为励磁⽅式。

按励磁⽅式，直流电机分为他励和⾃励两类：
1、他励式 (如图a ）
其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。

图3－直流电机按励磁⽅式分类
a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式
2、⾃励式
发电机：利⽤⾃⾝发出的电流励磁；
电动机：励磁绕组和电枢绕组由同⼀电源供电。

⾃励式 ·并励式(图b) ：励磁绕组与电枢绕组并联；
·串励式(图c) ：励磁绕组与电枢绕组串联；
·复励式(图d)：装有两个励磁绕组，⼀为与电枢并联的并励绕组，⼆为与电
枢串联的串励绕组。

四、直流电机的额定值
直流电机的额定值有：
（1）额定功率N P ：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kW 表⽰。

※对电动机，额定功率是指输出的机械功率；
对发电机，额定功率是指输出的电功率。

（2）额定电压N U ：指额定状态下电枢出线端的电压，以V 表⽰。

（3）额定电流N I ：指电机运⾏在
N N P P U U ==2时，电机的线电流，以A 表⽰。

（4）额定转速N n ：指额定状态下运⾏时转⼦的转速，以r/min 表⽰。

（5）额定励磁电压 fN U （
3.3 空载和负载时直流电机的磁场
⼀、空载时直流电机的磁场
空载时的主磁极的磁通：
a) 主磁通：通过⽓隙，并形成⽓隙磁场。

b) 主极漏磁通
极距τ：p D 2πτ=
图3－空载时直流电机的⽓隙磁场
⼆、负载时的电枢磁动势和电枢反应（介绍）
电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。

1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应
影响：1）、引起⽓隙磁场畸变，使电枢表⾯磁密等于零的位置（物理中性线）偏离⼏何
中性线，
2）、不计饱和时，交轴电枢反应既⽆增磁、亦⽆去磁作⽤;
计及饱和时，交轴电枢反应具有⼀定的去磁作⽤。

2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应
发电机：电刷顺电枢旋转⽅向移动，电枢反应为去磁；
电刷逆电枢旋转⽅向移动，电枢反应为增磁。

电动机：与发电机的情况相反。

3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
⼀、电枢绕组的感应电动势
设⽓隙磁场的分布如图3－所⽰，则每根导体的感应电动势为
lv b e δ=
式中，δb －导体所在处的⽓隙磁密； l －导体的有效长度； v －导体相对⽓隙磁场的速度。

图3－⽓隙磁场分布和导体感应电动势、电磁⼒的计算
电枢绕组的电动势a E 应为⼀条⽀路各串联导体的电动势的代数和，则
∑∑==
==a Z i a Z a a x b lv lv b E 2121)(δδ
令av B 为平均⽓隙磁密，则上式改写为
av a a B a Z lv E ==2
将602n p v τ=代⼊上式得出直流电机得
n C n a pZ l B a Z pn E e a av a a Φ=Φ====60)(2602
τ
※电动势公式： n C E e a Φ=
式中，τl B av =Φ－每极的总磁通量；==a pZ C a e 60－电动势常数。

⼆、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c T 为
2D li b T a δ=
式中，δb －该点处的⽓隙磁密。

⼀个极下的载流导体上的电磁转矩p T 应为
22)(221D li B p Z x b D li T a av a p Z i a p a ==∑δ式中，)(2121i p
z a av x b p Z B a ∑≈δ－⽓隙平均磁密。

整个电枢上的电磁转矩则e T 为
22D
li B Z pT T a av a p e == 再考虑到τπp D 2=，τl B av =Φ，==a I i a a 2，可得直流电机的转距公式为 a T a a a av a e I C I a Z p p a I l B Z T Φ=Φ====ππτ22※ n C T T e Φ= 式中，
==
a Z p C a
T π2－直流电机的转矩常数。

3.5 直流电机的基本⽅程基本⽅程⼀、电压⽅程；⼆、转矩⽅程。

⼀、电压⽅程
1、他励直流电机
他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 I I a =。

图3－直流电机的稳态电路图
a)发电机 b)电动机
发电机：U E a > 则有a a s a a R I U U R I U E +=?++=2；
电动机：U E a < 则有a a a s a a R I E U R I E U +=?++=2。

2、并励直流电机
其电枢回路的电压⽅程与他励时相同，但有激磁电压为电枢端电压，即
U U f =
发电机：f a I I I +=
电动机：a f I I I +=
3、串励直流电机
其电枢回路的电压⽅程与他励时亦相同，但因励磁绕组与电枢绕组相串联，有 I I I s a ==
另外，电压⽅程应加⼊串励绕组的电阻压降。

⼆、转矩⽅程 e T 为电磁转矩
发电机情况下，电磁转矩为制动转矩，有
e T T T +=01
1T —原动机的驱动转矩，0T —电机本⾝的机械阻⼒转矩，
电动机情况下，电磁转矩为驱动转矩，有
20T T T e +=
式中，2T 为电动机轴上的负载转矩。

三、电磁功率
电磁功率⽤e P 表⽰，则
a a e I E P = 将602n π=Ω代⼊上式，得
Ω=ΩΦ=
=e a a a a T I a pZ I E π2
※发电机：机械能Ωe T 转化为电能a a I E ；电动机：电能a a I E 转化为机械能Ωe T 。

四、直流电机的可逆性
电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦作为电动机运⾏。

※ a E U >
发电机运⾏； U E a < 电动机运⾏。

图3－并励直流电机的接线图（下标（G ）
表⽰发电机，（M ）表⽰电动机） 3.7 直流电动机的运⾏特性
直流电动机的运⾏特性主要有两条，⼀条是⼯作特性，另⼀条是转矩特性（或称为机械特性）。

⼀、并励电动机的运⾏特性
1、⼯作特性
指fN f N I I U U ==,时，)(,,2P f T n e =η。

（1）、转速特性 )(2P f n =
据转速公式 a e a e e a I C R C U C E n Φ-Φ=Φ=
得出转速特性曲线如图转速调整率n ?： 1000?-=?N N n n n n %
※并励电动机在运⾏中，励磁绕组绝对不能断开。

（2）、转矩特性 )(2P f T e =
据转矩⽅程Ω+=+=2
020P T T T T e 得出转矩特性曲线如图
（3）、效率特性 )(2P f =η
并励电动机的效率特性和其他电机相类似。

图3－并励电动机的⼯作特性图3－并励电动机的转矩－转速特性
2、转矩—转速特性
指N U U =，励磁回路电阻f R =常值时，)(e T f n =。

转速与转矩的关系表达式为
e e T a e T C C R C U n 2Φ-Φ=
得特性曲线如图
※结论：硬特性
⼆、串励电动机的运⾏特性
特点：I I I s a ==
1、⼯作特性是指N U U =时，)(,,2P f T n e =η或 )(,,a e I f T n =η。

（1）、转速特性
转速公式
s e s a a s e s s e s a a e s a a K C R R I K C U I K C R R I U C R R I U n +-=+-=Φ+-=
1)()( 式中s R 为串励绕组的电阻。

上式表明)(a I f n =曲线⼤致为⼀双曲线，如图所⽰。

轻载时，s s I K =Φ、=s K 常值 22a T s s T e I C I K C T '==?2a e I T ∝?负载增加，磁路饱和，≈Φ常值
a T e I C T "≈?a e I T ∝? ※串励电动机不允许空载运⾏。

其转速调整率定义为：
10041?-=?N N n n n n %（与并励电动机的转速调整率定义相对⽐）。

2、转矩—转速特性是指N U U =时，)(e T f n =。

由电压⽅程可知
I R R n K C R R I n C R R I E U s a s e s a e s a a a )()()(++=++Φ=++= 式中s s I K =Φ。

于是电磁转矩为2
2)(s a s e s T s T a T R R n K C U K C I K C I C T ++==Φ=
可得 +-=)(1s a e s T s e R R U T K C K C n （图3-45）
※结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。

图3－串励电动机的⼯作特性图3－串励电动机的转矩－转速特性
三、复励电动机的特点
复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和串励电动机之间。