2.5并励直流发电机、直流电动机解析
第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组 成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
第十七章 直流电动机和发电机
U 空载转速 n0 = CeΦ0 点略有下倾直线， 过n0点略有下倾直线，
斜率为
∑r −
a
CeΦ
Page: 22 Date:2011-6-11
n0 − nN ×100% 定义转速变化率 ∆n = nN
优点：转速特性硬 转速变化率小， 优点：转速特性硬，转速变化率小，并励电动机 的转速变化率为3%~8%。 的转速变化率为 。 注意！并励电动机的励磁回路一定不能断路！ 注意！并励电动机的励磁回路一定不能断路！ 断路的后果： 断路的后果： 反电势减小，电枢电流剧增。 反电势减小，电枢电流剧增。 转速迅速上升，造成“飞车” 或转速下降， 转速迅速上升，造成“飞车”，或转速下降， 最终停车。 最终停车。
Page: 14 Date:2011-6-11
四、复励发电机的特性 平复励 积复励 超复励 复励发电机 欠复励 差复励
Page: 15
DHale Waihona Puke te:2011-6-11例：一台并励发电机，转速为1450r/min，电枢绕组电阻 一台并励发电机，转速为 ， 电刷接触压降∆U=1V，满载时的电枢电流 为ra=0. 516 ，电刷接触压降 ， 为40.5A，满载时电枢反应的去磁作用相当于并励绕组励 ， 磁电流0.05A，当转速为 磁电流 ，当转速为1000r/min时测得的空载特性的数 时测得的空载特性的数 据见下表，试求： 据见下表，试求： （1）若满载端电压为 ）若满载端电压为230V，问并励回路的电阻为多少？ ，问并励回路的电阻为多少？ 电压变化率为多少？（ ？（2） 电压变化率为多少？（ ）若在每一磁极上加绕串励绕组 5匝，则可将满载电压提升到 匝 则可将满载电压提升到240V，且场阻保持不变，问 ，且场阻保持不变， 每一磁极上并励绕组有几匝？（ 如串励绕组增至10匝 ？（3） 每一磁极上并励绕组有几匝？（ ）如串励绕组增至 匝， 问满载端电压为多少？ 问满载端电压为多少？
电机学第二章直流电机
y
y1
y2
y= -1 图2.19 单叠绕组 (左行)
各种形式直流电机绕组的区别主要表现在合成节矩 上，其公式为：
叠绕组：y = y1 - y2 单叠右行：y = + 1 单叠左行：y = - 1 因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。 波绕组：y = y1 ＋ y2
2.2.2 单叠绕组
一台4极16槽直流电机，换向片数K=16； 电枢绕组的元件数S=16；(z=zi=s=k)试画 出整距右行单叠绕组展开图。
不同的励磁方式， 电机的性能将不同。
励磁方式：
直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称 为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何 联接，就决定了它是什么样的励磁方式。
二、励磁方式分类
他励式 并励式
自励式 串励式
复励式
(1)、他励：直流电机的励 + 磁电流由其它直流电源单独 供给。如图所示。
他励直流发电机的电枢 电流和负载电流相同，即：
(3)直流电动机的工作原理
（1）、换流b过程
c a
dS
b a
c d
电流正方向：dcba 转矩方向：顺时针 电势方向：abcd
电流正方向：abcd 电流正方向转：矩d方cb向a ：顺时针
转矩方向电：势方向：dcba 电势方向：
c
d
b
a
图2.5 直流电动机工作原理
直流电动机工作原理：
1.电源经电刷接通电枢绕组，电枢导体有电流流 过。
三.直流电机的特点
直流电机是电机的主要类型之一。直流电机 自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又 有着缺点。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!
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它的工作原理基于洛伦兹力和电动行为的相互作用。
直流电机的核心部件是电枢，由大量线圈组成。
当直流电源施加在电枢上时，电流流经线圈，产生一圈圈的磁场。
在电枢旁边，有一个磁体称为永磁体或者磁场极，它产生恒定的磁场。
当电流通过电枢的线圈时，根据右手定则，线圈内的磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生力矩。
由于电流的方向是可逆的，所以直流电机的转向也是可逆的。
当电流改变方向时，电枢产生的磁场方向也会改变，进而改变了与永磁体的相互作用，实现了转向。
为了实现连续的旋转运动，直流电机需要一个机械装置来改变电枢线圈的方向。
这个装置通常由一个可调整的组件（如换向器和刷子）组成，它能够使电流从一个线圈转移到下一个线圈，从而保持电枢的旋转方向。
总之，直流电机工作的基本原理就是利用洛伦兹力和电动行为，通过电磁感应和相互作用实现电能到机械能的转换。
电机与拖动 直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值
电机与拖动直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值主题：直流电机的辅导文章——直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值、直流电机的磁场和电枢反应、直流电机的感应电动势和电磁转矩学习时间：2016年10月10日--10月16日内容：我们这周主要学习课件第2章直流电机的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对直流电机相关知识的理解。
一、直流电机的工作原理（重点掌握）直流电机按其能量转换方向的不同分为直流发电机和直流电动机，两者之间具有可逆性。
1.直流电动机的工作原理：当给电枢绕组通入直流电流时，通过电刷和换向器转换为交变电流，使处于主极磁场中绕组的线圈始终受到相同方向电磁转矩的作用，保证了电动机连续转动，从而实现电能到机械能的转换。
图1 直流电动机的工作原理图2.直流发电机的工作原理：当原动机拖动电枢转动时，电枢绕组的线圈切割主极磁场而产生交变感应电动势，再通过电刷和换向器转换为直流电动势，由电枢绕组输出直流电流，从而实现机械能到电能的转换。
图2 直流发电机的工作原理图二、直流电机的基本组成和额定值（重点掌握）1.直流电机主要由定子和转子两大部分组成，其基本组成如图3所示。
转子称为电枢，它是能量转换的枢纽。
电枢绕组构成了直流电机的主要电路，它是由很多元件按一定规律连接起来的闭合绕组。
按元件的连接方式和端接形状分类，电枢绕组主要有叠绕组和波绕组两大类。
电枢绕组是电机的重要部件。
直流电机的绕组有五种形式：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组和蛙绕组。
换向器是直流电机所特有的部件，与电刷配合，实现电枢绕组端部的直流电流与电枢绕组内部的交变电流之间的转换，即在直流电动机中起到了“逆变器”的作用，在直流发电机中起到了“整流器”的作用。
图3 直流电机的基本组成2.直流电机的额定值主要有额定电压、额定电流、额定功率和额定转速等。
1）额定电压N U ：对于直流电动机，N U 是输入电压的额定值；对于直流发电机，N U 是输出电压的额定值。
直流电机基本概念解答
直流电机基本概念思考题解答P．221—5题：在直流电机中，为什么每根导体的电势为交流，但由电刷引出的电势为直流？答：电枢中的每一根直线导体（即镶在电枢铁芯中的导体）顺序切割电机磁场，而相对于直线导体而言磁场的大小在改变，该导体就会感应电势。
且该电势的大小和方向均随时间而变化。
故该电势的性质为交流。
但经换向器的机械整流作用，在电刷端口该电势就为直流性质。
1—7题：为什么直流电机的电枢铁芯必须用硅钢片迭压而成，定子铁芯却用普通钢片？答：电枢铁芯既导磁又导电，其在旋转运行时会产生涡流损耗和磁滞损耗。
为减少这些铁损耗，电枢铁芯必须用硅钢片迭压而成。
而定子铁芯在工作时用于产生主磁通，铁损耗几乎为零，故定子铁芯用普通钢片迭压而成，这样可降低电机成本。
1—8题：直流电机的电枢绕组是自成闭合回路，当电枢旋转而在其中产生感应电势时，会不会产生环流，为什么？答：根据电枢绕组的结构原理，其呈现为自成闭合状态。
而各支路是并联的，支路数是成对出现的。
在理想状态下，各支路电势大小相等。
绕组内阻的电压降也相同且对称。
故绕组并联回路中不会产生环流。
1—9题：直流电机的电枢绕组为什么必须闭合？若一处断开，会产生什么后果？答：电枢绕组必须永成闭合回路，才能满足电机运行时的“机---电”能量转换的要求；若一处断开，电机仍能转，但因并联支路对数减少，电机将不能满载运行使用。
1—10题：有一台单迭绕组电机，若除去一对正负电刷，对电机有什么影响？答：根据直流电机的基本理论单迭绕组的支路数2a=2p，共有4条支路，2对正负电刷。
若去除其中一对正负电刷，此时只有一对绕组工作，故此时电机只能带一半的负载运行。
1—11题：直流发电机和直流电动机的额定功率是指什么？一台直流电机在运行时的功率大小是由什么决定的？答：(1)直流发电机：其额定功率是指额定输出的电功率。
Pn = Un*In (w)直流电动机：其额定功率是指额定输出的机械功率。
Pn = Un*In*ηn （w）(2)直流电机在运行时，若电机的电磁参数不变时，其功率大小主要由它带的负载大小决定的。
第2章直流电机
n
a d
S φ
电刷
-
发电机模型
图 2-1 直流发电机的工作原理模型
根据分析，可以得出直流发电机以下结论： (1)在电枢线圈内感应电动势ea及电流ia都是交流电，通 过换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流 电动势，使外部电路得到方向不变的直流电流； (2)发电机电枢线圈中的感应电动势ea（称为电枢电动 势）与其电流ia（称为电枢电流）的方向始终一致； (3)电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，从 空间上看，N极与S极下的电枢电流方向不变，因此，由 电枢电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场； (4)电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f。据左手定则 可以得出f的方向。此电磁力f使转轴受到一个力矩 T=f.R(R为导体对转轴中心的半径)，称为电磁转矩，其 方向与转子转向相反，是制动性质。为此原动机须输入 机械功率克服电磁转矩的制动作用使转子继续恒速旋转 ，才能继续不断地发出电能输给负载，这就使机械能通 过电磁感应作用变成了电能。
2.3.1 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 机电能量转换到核心部件。 电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈， 线圈边是产生感应电动势和电磁转矩的有效元件， 简称元件，元件数用S表示 按照元件首尾端与换向片连接规律不同，电枢绕组可 分为叠绕组和波绕组 叠绕组又有单叠和多叠之分，波绕组也有单波和复波之分。 单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式
2.1 直流电机的工作原理及结构
2.1.1直流电机的工作原理 （一）直流电动机的工作原理（电动机如何转起来？）
载流导体在磁场中受到的力
f Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A)
直流电动机
Ea=CeΦn
Ce= pN/60a
Te=CtΦIa
Ct=9.55Ce
二、直流电动机的种类和铭牌
1、直流电动机的分类 直流电动机按产生磁场的方式来进行区分，分为 两大类：他励和自励。 他励是指通入电动机定子中，产生磁场的电流If 与通入电动机转子，产生转矩的电流Ia分别由两个电 源提供。 他励的特点是,励磁电流If 的大小与电枢电压U及负载等 参数无关。若U=Uf，则他励 电动机与并励电动机性能相 同。
Ia = IN－If =155－1.765 = 153.235 A
Rf ＝
UN If
＝
220 1 . 765
= 124 . 6 W
Ea=UN－IaRa=220－153.235×0.1=204.68 V
一台并励直流电动机， 电源电压UN=230 V时， 电枢电流IN=60 A， 电枢电组Ra=0.1 Ω， Φ=0.08 Wb， Ce=2.5， 求电枢反电势Ea及此时的转速n。
Ec
a Eab b
Ea Eb
C
x
y
(a)接线图
图4-25 Yy0联结组别的接线图和相量图
直流电动机
直流电动机
直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。 将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电 能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机 具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力， 一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外，结 构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之 处。
反转方法 1.改变电枢电流方向，励磁电流方向不变； 2.改变励磁电流方向，电枢电流方向不变。 即：单独改变电枢绕组或单独改变励磁绕组的接线。 注意：反转瞬间，电枢电流很大，应该采取措施限流。 同时改变电枢和励磁绕组的接线，则电枢电流和励磁电流的 方向将同时改变，电动机的电磁转矩的方向不变，电动机的转 速也不变。交、直流两用电动机的工作原理就是以此为依据的。 交、直流两用电动机实际上是一台直流电动机，使用时若电源 为交流电，则转向仍然不会发生变化。
第三章直流电机原理
Ff Ff / Bx 0 (Wb / m 2 ) li 1 li 0 li
(b)
The air-gap Flux-density distribution curve with no-load
Bavl
极靴下的气隙远远小于极靴之外的气 隙， 显然，极靴下沿电枢圆周各点的 主磁场将明显大于极靴范围以外，在 两极之间的几何中心线处，磁场等于 零。对于这一点，我们可以通过数学 形式来看一下： 设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为 纵轴，又设电枢长度为 l，则离开坐 标原点为 的 d 范围内的气隙主磁 通为： d x Bxldx
§ 3.1 直流电机的用途及其基本 工 作原理
3.1.1直流电机的用途
电动机(Motor)：电能→机械能 直流电机 发电机(Generator) :机械能→电能 DC Machine
直流电机的用途
直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能 与直流电能相互转换的旋转式机械装置。
直流电动机
输出机械能
输入直流电能 输出直流电能
M U U 他励
If
M
并励
U
M
U
M
串励
复励
Field-circuit connections of DC Machines
Separate- Excitation (Separately-excited)
Self-excited
Compound excitation
Series field
Shunt field
特点：
1）由同一个磁动势所产生 2）所走的路径不同，这就导致了它们对 应磁路上所产生的磁场的分布规律不同， 在这里，气隙磁场的大小和分布直接关 系到电机的运行性能，所以，这一点将 是我们主要研究的方向。
第五章直流电机
原理图上位置
(a)
(b)
(c)
图 5-4 电刷位置与电枢反应
换向及换向火花
换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流 改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路， 换向元件中若存在电势则短接时会产生火花 —— 电磁原因 （还有机械、电化学等原因）。 换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。 换向火花克服： 1. 换向极； 2. 移动电刷（没有换向极的电机。转向有关，发电机和电动 机正好相反）。 见图5-4 注意：发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。 克服火花应移动的方向（助记）：—— “顺发、逆动”。
他励发电机有：
Ia I
并励发电机有： I a I + I f
5.2.3
直流发电机的运行特性
（2）复励直流发电机的外特性
积复励—串励与并励磁场方向一致。 根据串励绕组对端电压的补偿 程度分：平复励、过复励、欠复励
差复励—串励与并励磁场方向相反。 电压平衡方程： 自励发电机有：
U Cen - I a Ra
直流电动机的转速特性 n f ( I a ) 表达式：
U - I a Ra n Ce
再由 T CT I a 可得：
n n0 - kT (n0 U Ce ; k Ra Ce CT 2 )
5.2.4
直流电动机的的运行特性
2）改变直流电动机转向的办法
方法：1.改变电枢电流方向，励磁电流方向不变； 2.改变励磁电流方向，电枢电流方向不变。 即：单独改变电枢绕组或单独改变励磁绕组的接线（将两个接 线端反接）。注意：反转时电枢电流更大，应该采取措施限流。
直流电动机励磁方式四种
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。
根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图1.23（a）所示。
图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。
永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图1.23（b）所示。
作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图1.23（c）所示。
这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图1.23（d）所示。
若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。
若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。
一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理直流电机是一种将直流电能转换为机械能的装置。
它采用的是电磁感应的原理，通过电流在磁场中产生力矩，使得电机运转。
下面将详细介绍直流电机的工作原理。
一、电枢和磁极直流电机的关键部件是电枢和磁极。
电枢由绕组和电刷组成，绕组通常采用导电性能较好的铜线绕制，而电刷则由导电材料制成。
磁极由磁场产生器、磁铁等组成，其作用是产生均匀的磁场。
二、电磁感应在直流电机中，电枢通常由一对相互独立的绕组组成，分别称为电枢绕组和励磁绕组。
当外加电源将电流引入电枢绕组时，电枢绕组中产生的磁场与励磁绕组产生的磁场叠加，形成一个整体的磁场。
三、力矩产生当直流电机接通电源后，电枢中的电流开始流动。
根据洛伦兹力的原理，当导体在磁场中运动时，会受到一个力的作用。
在直流电机中，这个力会产生一个力矩，使电枢开始旋转。
电枢的旋转会改变磁通量的大小和方向，从而产生电感应电动势。
根据霍尔定律，电感应电动势的方向与电流变化方向相反。
这个电感应电动势会阻碍电枢继续增大电流，形成一个反作用力。
当力矩与反作用力达到平衡时，电枢将保持旋转。
四、换向器的作用为了使电枢继续旋转，需要不断改变电枢绕组的电流方向。
这就需要通过一个特殊的装置——换向器来实现。
换向器可以使电流方向周期性地变换，从而改变磁场方向，使得电枢继续运转。
五、直流电机的应用直流电机广泛应用于工业、交通、家电等领域。
在工业领域，直流电机被用于驱动各种机械设备，如风机、水泵、制造机械等。
在交通领域，直流电机被应用于电动汽车、电动自行车等。
在家电领域，直流电机被用于冰箱、洗衣机、吸尘器等家电产品。
总结起来，直流电机的工作原理是通过电磁感应的方式，利用洛伦兹力产生力矩，使得电机转动。
电枢和磁极是直流电机的关键部件。
通过换向器的作用，改变电枢绕组的电流方向，实现电机的连续运转。
直流电机在各个领域都有广泛的应用，促进了社会的发展和进步。
直流电机PPT课件
E
K
Φn
E
T K T ΦI a
他励
nKUEΦKTK RaEΦ2T
即：nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
Φ K 2 E 17
T
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）
n
根据 n-T 公式 画出特性曲线
一、使用
1.启动
启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则
Iast
UN Ra
IaN
Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。
限制Iast的措施： （1）启动时在电枢回路串电阻。 （2）启动时降低电枢电压。
33
注意：
直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通， 不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：
（1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上
（调速比等于最大转速和最小转速之比）。
下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。
22
一、改变磁通（调磁）
1.原理
If
Ia
Uf M U
他励
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
其中： =K If
由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情
直流电机的原理
直流电动机直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表动玩具等。
1.电磁式直流电动机电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成，电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。
根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。
因励磁方式不同，定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的规律也不同。
串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。
其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。
可通过用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。
并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。
转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。
转速变化率较小，为5%~15%。
可通过消弱磁场的恒功率来调速。
他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。
转速变化也为5%~15%。
可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。
复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。
串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。
转速变化率为25%~30%(与串联绕组有关)。
转速可通过消弱磁场强度来调整。
换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。
电机与拖动刘锦波第2章习题解答
电机与拖动刘锦波第2章习题解答第2章习题解答思考题2.1 直流电机电刷内的电枢绕组中所流过的电流是交流还是直流？若是交流，其交变频率是多少？答：直流电机电刷内的电枢绕组中所流过的电流是交流，⽽电刷外部为直流。
电刷与换向器组合实现了外部直流与内部交流的转换（或换流）。
内部电枢绕组所感应电势或电流的频率为：Hz n p f 60=，即内部电流的⽅向每转交变p 次（p 为电机的极对数）。
2.2 为什么直流电动机必须采⽤电刷和换向器把外加直流电源转变交流然后再给电枢绕组供电，⽽不是直接采⽤直流电源供电？答：对于直流电动机，若不采⽤电刷或换向器将直流转换为内部交流，⽽是直接采⽤直流供电，则当电枢绕组的某⼀导体边转⾄极下时，假定电流为流⼊的，电磁转矩沿顺时针⽅向。
则当该导体边转⾄极下时，电流仍为流⼊的，则所产⽣的电磁转矩必为逆时针⽅向。
这样，在⼀个周期内，电机的转⼦（或电枢）不可能产⽣有效的电磁转矩。
故此，必须采⽤机械式换流器完成直流到交流的转换。
N S 2.3 直流电机铭牌上所给出的额定功率是指输出功率还是输⼊功率？是电功率还是机械功率？答：电机铭牌上的额定功率均指输出功率。
对于电动机，其额定功率是指机械输出功率；对于发电机，其额定功率是指电枢绕组的输出电功率。
2.4 为什么说直流电机的绕组是闭合绕组？答：直流电机的线圈之间是通过换向⽚依次相联的，每⼀个换向⽚均与不同线圈的两个导体边相连，由此构成的电枢绕组⾃然是闭合绕组。
2.5 如果将传统永磁直流电动机的定⼦和转⼦颠倒，即定⼦侧为电枢绕组⽽转⼦采⽤永久磁钢产⽣励磁，试分析这样⼀台反装式直流电动机其电刷应该是静⽌还是旋转的？说明理由。
答：传统永磁直流电动机的磁极位于定⼦,⽽电枢绕组位于转⼦，其换向器随电枢绕组⼀同旋转，⽽电刷则固定在定⼦侧，只有这样才能产⽣有效的电磁转矩。
换句话说，直流电机的电刷必须相对主极是静⽌不动的，才能产⽣有效的电磁转矩。
因此，当传统直流电动机反装，亦即电枢绕组位于定⼦，⽽主极位于转⼦时，其电刷应随主极⼀同旋转。
并励直流电动机的工作特性和机械特性
并励直流电动机的工作特性和机械特性一、实验目的掌握用实验方法测取并励直流电动机的工作特性和机械特性。
二、预习要点什么是直流电动机的工作特性和机械特性？三、实验项目测定并励直流电动机的工作特性和机械特性：保持U=U N 和I f =I fN 不变，测取n 、T 2、η=f （I a ）、n=f （T 2）。
四、实验方法 1、实验设备2、屏上挂件排列顺序 D31、D42、D51、D31、D443、测定并励直流电动机的工作特性和机械特性（1）按图1接线。
校正直流测功机 MG 按他励发电机连接，在此作为直流电动机M 的负载，用于测量电动机的转矩和输出功率。
R f1选用D44的900Ω电阻两只相串联。
R f2 选用D42的900Ω电阻两只相串联。
R 1用D44的90Ω电阻两只相串联。
R 2选用D42的900Ω串联900Ω再加900Ω串联900Ω共3600Ω阻值。
图1 并励直流电动机接线图DJ15DJ23（2）将并励直流电动机M 的磁场调节电阻R f1调至最小值，电枢串联起动电阻R 1调至最大值，接通控制屏下边右方的电枢电源开关使其起动，其旋转方向应符合转速表正向旋转的要求。
（3）M 起动正常后，将其电枢串联电阻R 1调至零，调节电枢电源的电压为220V ，调节校正直流测功机的励磁电流I f2为校正值100 mA （如果是DJ25则取I f2=50mA ），再调节其负载电阻R 2和电动机的磁场调节电阻R f1，使电动机达到额定值：U ＝U N ，I ＝I N ，n ＝n N 。
此时M 的励磁电流I f 即为额定励磁电流I fN 。
（4）保持U ＝U N ，I f =I fN ，I f2为校正值不变的条件下，逐次减小电动机负载（增大R 2）。
测取电动机电枢输入电流I a ，转速n 和校正电机的负载电流I F （按不同的I F 值，查对应于I f2=100mA 时的校正曲线T 2=f(I F )，可查出电动机输出对应转矩T 2值）。
第二章 直流电动机
把电枢外圆展开成直线，为分析气隙的磁动势画出. 如图+x O x 闭合回路。忽略铁心部分所需的磁压降， 则消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
。
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
式中 ——电枢表面单位长度上的安培导 体数； ia导体的电流；N电枢总导体数；Da电枢的直 径。
Nia A πDa
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为
Ba ( x) 0 H a 0 Fa
0
Ax
Ba ( x) 0
Ax
Fa ( x) Ax
2.3.3 电枢反应
直流电机电枢磁动势对励磁磁场的影响，称为电枢反应 1、使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离。 2、电枢反应有一定的去磁作用。
2. 换向的基本概念 直流电机工作作时，电抠绕组各元件不断地 从一个支路，换入另一个支路，元件中的电 流也不断地改变方向，过程叫做换向。
磁通密度不为为 零
磁通密度为零
空载磁场
负载磁场
常用的改善换向方法有两种： 加装换向磁极和移动电刷
1、加装换向磁极: 换向极绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势与 电枢反应磁动势方向相反，
2.1 直流电机的工作原理
2.1.1 直流电动机的工作原理
直流电动机组成： NS磁极、绕有线圈的圆柱体电枢、换 向器、电刷
电刷和换向器
把转动的电枢与外 部固定的电源连接在 一起。 产生方向不变的电 磁转矩使电机连续转 动。 将输入的直流电能 变换为机械能输出。
2.1 直流电机的工作原理
2.5并励直流发电机、直流电动机ppt课件
从电的观点来看，由于电动机的电枢电动势是个反电动 势，它与Ia反向，所以EaIa表示电枢所吸收的电功率。因此 和发电机一样，电动机的电磁功率：
Pem=Temω =EaIa
电磁功率并不能全部用来输出，它必须补偿机械损耗pΩ 、 铁耗pFe和附加损耗ps，最后剩下的部分才是对外输出的机械 功率P2
Pem=（PΩ +PFe+Ps）+P2=PO+P2
定义：在n=nN、Rf=RfN=常数（注意：不是If=常数）时，U=f（I） 的关系曲线。
将电机拖到额定转速，使电 机自励建立电压，然后调节励磁 电流和负载电流，使电机达到额 定 运 行 状 态 ， 即 U=UN 、 I=IN, 此 时 励 磁 回 路 的 总 电 阻 即 为 RfN 。 保 持 RfN 不 变 ， 求 取 不 同 负 载 时 的端电压，就可得到图中曲线1 所示的外特性曲线，图中曲线2 表示接成他励时的外特性。
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比较两条曲线，可以看出并励发电机的外特性有两个特点
1）并励发电机的电压调整率较他励时大，这时因为他励发电机 的励磁电流If=IfN=常数，它不受端电压变化的影响；而并励发 电机的励磁电流却随电枢端电压的降低而减小，这就使电枢电 动势进一步下降。因此并励发电机的外特性比他励时要下降得 快一些。并励发电机的电压调整一般在20%左右。
Td=Tem-TO=TZ
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(3)、并励直流电动机功率平衡方程式
直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1，除去电枢回路 的铜损耗pcua，电刷接触损耗pcub及励磁回路铜耗pcuf，其余部 分便是转变为机械功率的电磁功率Pem，所以直流电动机的电 磁功率Pem也就是电枢所发出的全部机械功率Temω 。
由方程式可得
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Td=Tem-TO=TZ
(3)、并励直流电动机功率平衡方程式 直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1，除去电枢回路 的铜损耗pcua，电刷接触损耗pcub及励磁回路铜耗pcuf，其余部 分便是转变为机械功率的电磁功率Pem，所以直流电动机的电 磁功率Pem也就是电枢所发出的全部机械功率Temω 。 从电的观点来看，由于电动机的电枢电动势是个反电动 势，它与Ia反向，所以EaIa表示电枢所吸收的电功率。因此 和发电机一样，电动机的电磁功率： Pem=Temω =EaIa 电磁功率并不能全部用来输出，它必须补偿机械损耗pΩ 、 铁耗pFe和附加损耗ps，最后剩下的部分才是对外输出的机械 功率P2 Pem=（PΩ +PFe+Ps）+P2=PO+P2
式中 R——电枢电路总电阻，R=Ra+Rpa，包括电枢电阻Ra和 与电枢串联的附加电阻Rpa。
（2）、转矩平衡方程式
电动机的电磁转矩是个驱动转矩。当电动机以恒定的转
速稳定运行时，电磁转矩Tem与负载转矩Tz及空载转矩TO 相平 衡，即 Tem=TZ&#是电磁转矩的一部分，它与
二、直流电动机
1 直流电机的可逆原理 以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并 联于直流电网上运行保持电源电压不变。
减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降 到一定程度时，使得 Ea U，此时电枢电流为零，发电机输出 的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损 耗。 继续降低原动机的转速，将有 E U ，电枢电流反向，这时 a 电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。 同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态 转变到发电机状态。 一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这 就是直流电机的可逆原理。
发电机的电压能否稳定在某一数值？ 并励发电机的空载稳定电压UO的大小决定于空载特性与场阻线的 交点。因此调节励磁回路中的电阻，也就是改变 的场阻线斜率，即可调节空载电压 的稳定点。如果逐步增大电阻Rf （即增大磁场调节电阻Rpf），场 阻线斜率增大，空载电压稳定点就 沿空载特性向原点移动，空载电压 减小；当场阻线与空载特性的直线 部分相切时，两线无固定的交点或 交点很低，空载电压为不稳定，如 图中的直线3，这时对应的励磁回 1-空载特性 2-场阻线 3-临界场阻线 路的总电阻称为临界电阻。
比较两条曲线，可以看出并励发电机的外特性有两个特点
1）并励发电机的电压调整率较他励时大，这时因为他励发电机 的励磁电流If=IfN=常数，它不受端电压变化的影响；而并励发 电机的励磁电流却随电枢端电压的降低而减小，这就使电枢电 动势进一步下降。因此并励发电机的外特性比他励时要下降得 快一些。并励发电机的电压调整一般在20%左右。
自励条件
1）发电机的主磁极必须要有一定的剩磁。 2）励磁绕组与电枢的联接要正确，使励磁电流产生的磁场 与剩磁同方向。 若在某一转向下，励磁绕组与电枢的联接能使电机自励， 则改变转向后，电机便不能自励。这是因为发电机的转向改变 后，剩磁电压的方向也随之改变，由此产生的励磁电流对剩磁 起去磁作用。所以，所谓励磁绕组与电枢的连接正确是对某一 旋转方向而言的。发电机应按制造厂规定的旋转方向运行。 3）励磁回路的总电阻要小于临界电阻。 由于对应于不同的转速，电机的空载特性位置不同，因 此对应于不同的转速便有不同的临界电阻。如果保持励磁回 路的总电阻不变，发电机在高速时能自励，而在低速时也许 就不能自励（为什么？）。
2 直流电动机按励磁方式分类
直流电动机的励磁电流都是由外电源供给的，和直流发 电机相似，励磁方式不同也会使直流电动机的运行性能产生 很大差异。 按照励磁方式的不同，直流电动机可分为他励、并励、串 励、复励电动机。 二）、并励电动机 一）、他励电动机 电枢绕组 和励磁绕组 分别由两个 独立的电源 供电。 励磁绕 组和电枢并 联，由同一 电源供电。
三）、串励电动机 励磁绕组与电枢串 联后再接于直流电源， 如图所示。
四）、复励电动机 有并励和串励两个励磁绕组， 它也分积复励和差复励两类。差复 励电动机运行时转速不稳定，实际 上不采用。
3 直流电动机的基本方程式
（1）、电动势平衡方程式 直流电动机稳定运行时，设电枢两端外加电压为U，电枢 电流为Ia，电枢电动势为Ea，则从电动机的工作原理可以知 道，这时Ea与Ia是反向的，即Ea是个反电动势。 若以U、Ea、Ia的实际方向为正方向，则可列出直流电动机 的电动势平衡方程式： U=Ea+IaR+2△Ub
2、运行特性 并励发电机的空载特性和调节特性与他励发电机无多大差别。 只分析并励发电机的外特性。 定义：在n=nN、Rf=RfN=常数（注意：不是If=常数）时，U=f（I） 的关系曲线。 将电机拖到额定转速，使电 机自励建立电压，然后调节励磁 电流和负载电流，使电机达到额 定运行状态，即 U=UN 、 I=IN, 此 时励磁回路的总电阻即为 RfN 。 保持 RfN 不变，求取不同负载时 的端电压，就可得到图中曲线 1 所示的外特性曲线，图中曲线 2 表示接成他励时的外特性。
2.5 并励直流发电机、直流电动机
一、并励直流发电机
1、自励过程
并励发电机的励磁绕组是与电枢并联的，要产生励磁电流If， 电枢两端必须要有电压，而在电压建立起来之前，If=0,没 有励磁电流，电枢两端又不可能建立起电压，因此有必要在 分析并励发电机的运行特性前，先讨论一下它的电压建立过 程，也称为“自励过程”。
2）稳态短路电流小 ，当负载 电阻短路时（R=0），电枢端 电压U=0，励磁电流If也为零。 这时电枢绕组中的电流由剩磁 电动势所产生。由于剩磁电动 势不大，所以稳态短路电流也 不大。
U
I
强 调
并励发电机的稳态短路电流虽然不大，若发生突然短
路，则因为励磁绕组有很大的电感，励磁电流及其所建立 的磁通不能立即消失，因此短路电流的最大值仍可达到额 定电流的8-12倍，还是有损坏电机的危险。
设发电机由原动机拖动至额定转速，由于电机有一定的 剩磁，在发电机的端点将会有一个不大的剩磁电压。这时把 并励绕组并接到电枢上去，便有电流流过励磁绕组，产生一 个励磁磁动势。励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向，使电 机内的磁场得到加强，从而使电机的端电压升高。在这一较 高端电压的作用下，励磁电流又进一步升高，如此反复作用， 发电机的端电压便“自励”起来。