第二章直流电机的建模与特性分析

2)、对主磁场起去磁作用
磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此 每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部， 主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增 加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中 性线时的电枢反应为交轴去磁性质。
2、当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随 之移动 角，如图(a)(b) 所示。 电枢磁动势可以分 解为两个垂直分量：交 轴电枢磁动势 Faq 和直轴 电枢磁动势 Fad 。
电刷顺转向偏移
发电机 交轴和直轴去磁 电动机 交轴和直轴助磁
电刷逆转向偏移
交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁
2.5 直流电机的电枢电动势和电磁转矩
0
N
A
If0 If F f 0 IN
为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定磁 通 N 设定在图中 A点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位臵。
0
I fN
2.4.2 直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕 组中有电流，电枢电流产生的磁动 势称为电枢磁动势。电枢磁动势的 出现使电机的磁场发生变化。 右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 情况。 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 为交轴磁动势。
2.1 直流电机的基本工作原理和结构
2.1 直流电机的主要结构
定子
主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向磁极：改善换向。
电刷装臵：与换向片配合,完成直流与交流的互换 机座和端盖：起支撑和固定作用。 电枢铁心：主磁路的一部分，放臵电枢绕组。 电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。 换向器：与电刷装臵配合,完成直流与交流的互换 转轴 轴承
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分布就取决于气隙的 大小和形状。 磁极中心及附近的气 隙小且均匀，磁通密度较 大且基本为常数，靠近极 尖处，气隙逐渐变大，磁 通密度减小；极尖以外， 气隙明显增大，磁通密度 显著减少，在磁极之间的 几何中性线处，气隙磁通 密度为零。
转子
2.1 直流电机的基本工作原理和结构
主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
定子
转子

直流牵引 电机
2.1 直流电机的基本工作原理和结构
2.1 直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。 右图为直流发电机的物理模型， N、S为定子磁极，abcd是固定在可 旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连 同导磁圆柱体称为电机的转子或电 枢。线圈的首末端a、d连接到两个 相互绝缘并可随线圈一同旋转的换 向片上。转子线圈与外电路的连接 是通过放臵在换向片上固定不动的 电刷电机工作中，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 电枢反应。 2.4.1直流电机的空载磁场 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 当励磁绕组的串联匝数 为 N f ，流过电流 I f，每 极的励磁磁动势为：
Ff I f N f
漏磁通
磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路
主磁通
磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极，再 经定子铁轭回到N极
主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得 多，大约是主磁通的20%。
二、直流电动机工作原理 在磁场作用下，N极性下导体 直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左，S 极下导 成机械能的旋转机械。 体cd受力方向从左向右。该电磁 把电刷A、B接到直流电源上， 力形成逆时针方向的电磁转矩。 电刷A接正极，电刷B接负极。此 当电磁转矩大于阻转矩时，电机 时电枢线圈中将电流流过。 转子逆时针方向旋转。
2.5.2 直流电机的电磁转矩
产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
pN ΦI a CT ΦI a 大小: Tem 2 πa pN 其中CT 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
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
极靴 几何中性线
极身

（a）气隙形状
空载时的气隙磁通密度为 一平顶波，如下图(b) 所示。
空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图(c) 所示。
为了感应电动势或产生电磁转 矩，直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。
当电枢旋转到右图所示位臵时 原N极性下导体ab转到S极 下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方 向从右向左。该电磁力形成逆 时针方向的电磁转矩。线圈在 该电磁力形成的电磁转矩作用 下继续逆时针方向旋转。 与直流发电机相同，实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈， 磁极也并非一对。
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，主磁极 数与支路数相同。 2）电刷数等于主磁极数， 电刷位臵应使感应电动势 最大，电刷间电动势等于 并联支路电动势。 3）电枢电流等于各支路 电流之和。
2.3.2 单波绕组
单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下 图所示。 两个串联元件放在 同极磁极下，空间位臵 相距约两个极距；沿圆 周向一个方向绕一周后， 其末尾所边的换向片落 在与起始的换向片相邻 的位臵。
当励磁绕组中有励磁电流，电 机带上负载后，气隙中的磁场是励 磁磁动势与电枢磁动势共同作用的 结果。电枢磁场对气隙磁场的影响 称为电枢反应。电枢反应与电刷的 位臵有关。
1、当电刷在几何中性线上时，将 主磁场分布和电枢磁场分布叠加， 可得到负载后电机的磁场分布情况， 如图（a）所示。
电枢磁场磁通 密度分布曲线
当原动机驱动 电机转子逆时针旋 转时同，线圈abcd 将感应电动势。如 右图，导体ab在N极 下，a点高电位，b 点低电位；导体cd 在S极下，c点高电 位，d点低电位；电 刷A极性为正，电刷 B极性为负。
当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 180 0 后，如右图。 导体ab在S极下，a点低电位， b点高电位；导体cd在N极下，c点 低电位，d点高电位；电刷A极性 仍为正，电刷B极性仍为负。 与电刷A接触的导体总是位于N 极下，与电刷B接触的导体总是位 于S极下,电刷A的极性总是正的， 电刷B的极性总是负的，在电刷A、 B两端可获得直流电动势。 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臵，按照一定的规律连接起来，构成 电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。
2.3 直流电机的电枢绕组简介
2.3.1 直流枢绕组基本知识
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
元件的首末端：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。 极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。 D t= 2p 叠绕组：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，整个绕组成折叠式前进。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
2.2 直流电机的铭牌数据 额定功率 PN
指轴上输出 电动机 指电刷间输出的 发电机 额定条件下电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率 额定电压 UN
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流 IN
额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下，运 电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 电机铭牌上还标有其它数 额定励磁电流 I fN 据，如励磁电压、出厂日 对应于额定电压、额定电流、额 期、出厂编号等。 定转速及额定功率时的励磁电流
单波绕组的并联支路图:
单波绕组的特点
1）同极下各元件串联 起来组成一条支路，支 路对数为1，与磁极对 数无关； 2）当元件的几何形 状对称时，电刷在 换向器表面上的位 臵对准主磁极中心 线，支路电动势最 大； 3）电刷数等于磁极数；
4）电枢电动势等于支路感应电动势；
5）电枢电流等于两条支路电流之和。
2.3.2. 单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向 y yk 1 。 节距均为1,即：
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、 电刷间的相对位臵关系。
单叠绕组的展开图
根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
电动机——驱动(与转速方向相同)。
2.6 直流发电机
2.6.1 直流发电机的励磁方式
供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励 两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。 1、他励：直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。 他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同，即：
Bx
主磁场的 磁通密度 分布曲线 两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场 的磁通密度分布曲线
B0 x
Bax
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
1)、使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于 电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削 弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载 时不同。
2.5.1
直流电机的电枢电动势