电机与拖动第1章 直流电机
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第一章 直 流 电 机
直流电机的基本工作原理和结构 直流电机的磁场 直流电机的运行分析
直流电机的用途
直流发电机：将机械能转变为直流电能 主要用于直流电动机和交流发电机的励磁直流源
直流电动机：将直流电能转变为机械能
主要优点：调速范围广，易于平滑调速； 启动、制动和过载转矩大； 易于控制，可靠性高。 主要用于对调速要求较高的生产机械上，如电车、轧 钢机、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。
P2 100% P 1
pCua I a Ra ——可变损耗
当不变损耗等于可变损耗，即 pCua I a Ra pCuf pFe p p 时，电动机的效率最高。 当电动机被设计为运行于额定状态时效率最高时
2
2
1 U N I N PN Ra 2 2 IN
串励直流电动机的工作特性
直流电动机
–建立磁场 → 产生电磁力的条件 –载流导体 → 产生电磁力 –线圈运动 → 对外输出机械功 –换向器和电刷 → 换流，产生持续电磁力
直流发电机
–建立磁场 → 产生感应电势的条件 –导体运动 → 产生感应电势 –负载 → 对外输出电能 –换向器和电刷 → 整流，产生直流电势
直流电机的主要结构
功率通过电磁感应在电枢回路中得到电功率。
思考题： 1 保持电机转速和励磁电流不变，直流电机空载时的电枢电 动势与负载时的电枢电动势是否相同？为什么？ 2 他励直流电动机运行在额定状态，如果负载为恒转矩负 载，减少磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？ 3 改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为 什么？ 4 一台直流电机的极对数p＝3，单迭绕组，电枢总导体数N ＝398，气隙每极磁通＝2.110-2Wb，当转速分别为 1500r/min和500r/min时，求电枢感应电动势的大小。若 电枢电流Ia=10A，磁通不变，电磁转矩是多大？
电机带额定负载运行，若总制动转矩不变（忽略空载转矩）， 当电枢回路串入一电阻使电机转速降为450r/min，求串入的电 阻数值，此时电机的输出功率和效率。
P2
2 直流电动机的工作特性
I f I fN ，电枢电路无外加电 定义：是指在U=UN ， 阻时, 转速n、电磁转矩T和效率 随输出功率而变 化的关系，即 n、T、 f ( P2 ) 。
转矩特性
串励直流电动机的工作特性
2 2 CM I a
T C M I a CM K f I a
具有较大的启动转矩，适宜拖动诸如电力机车等牵引机械和 重载启动等场合。
已知电枢电阻为0.078，试求（忽略电枢反应影响） （1）电动机的额定输出转矩； （2）在额定电流时的电磁转矩； （3）电机的理想空载转速和实际空载转速； （4）在总制动转矩不变的情况下，当电枢回路串入0.1 电 阻后的稳定转速。
练习：一台并励电动机铭牌如下：
PN 7.2kw,U N 110 V , nN 900r / min,N 85%, Ra 0.08, I fN 2 A
电刷数等于主磁数
单迭绕组的电路图
并联支路对数a＝p 电枢电流Ia
I a 2aia
直流电机的铭牌数据（额定值）
额定容量（功率）PN(kW) 发电机：电刷端的输出电功率PN=UNIN
电动机：电机转轴上输出的机械功率PN=UNINηN
额定电压UN（V） 额定电流IN（A） 额定转速nN（r/min） 励磁方式和额定励磁电流IfN （A ）
励磁方式
（a）他励
（b）并励
（c）串励
（d）复励
二 直流电机的空载磁场
1 空载磁场：指电枢电流等于零或者很小时，由主磁极的励 磁电流单独建立的磁场，又称励磁磁场。
m 0
0：每极主磁通 ：漏磁通
0
四极直流电机空载磁场分布
2 气隙磁密分布
直流电机的磁场
0 F f B0
Bx
Bax
B0 x
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
电枢反应的去磁作用使每极磁通减少.
第三节 直流电机的运行分析
直流电机的三个基本物理量
直流电机的运行原理
一 直流电机的三个基本物理量
1 电枢电动势Ea
定义：从一对正负电刷之间引出的直流电动势，记为 Ea。
Ea Cen
在实际运行中，工作特性为 n、T、 f ( I a ) 。
他励（并励）直流电动机的工作特性 转速特性
U Ia ( Ra R ) n Ce
U U N R 0
N
U N IaRa UN Ra n Ia Ce N Ce N Ce N
他励（并励）直流电动机的工作特性
1 T与、Ia成正比。
2 Ce与CM每决定于电机的结构数据，且
CM 9.55 Ce
3、电磁功率PM 定义：电枢绕组感应电动势Ea与电枢电流Ia的乘积。
PM Ea I a T
结论：
电动机：电枢从电源吸收的电功率通过电磁感应转换
为轴上的机械功率。
发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械
I f I a ，随Ia变化。 串励直流电动机的特点：
转速特性
UN Ra Rs n Ia Ce Ce
UN Ra Ia Ce Ce
总结： 1 n随负载增大而迅速降低,特性较软； 2 空载或轻载（小于额定负载的15％～20％）时，转速极高， 导致“飞车”，损伤电机。
T T2 T0 Tz
Tz：总负载转矩
Tz Ia CM
总结：
T C M I a
1 励磁不变，Ia与Tz成正比；Ia的方向、大小仅由Tz决定。 2 理想空载Tz ＝0，则Ia ＝0。
功率平衡方程
直流电动机的基本方程
并励直流电机从电源输入的电功率为：
U Ea I a ( Ra R ) P1 = UI=U(Ia+If) [ Ea I a ( Ra R )] I a U I f
Ff I f N f
0 f ( I f )
气隙中主磁场磁通密度的分布
电机的磁化曲线
每极磁通与电机励磁方式无关，仅与电机尺寸及材料有关！
0 F f B0 电枢反应：电枢磁动势对气隙磁场的影响。
三 直流电机负载时的磁场
电枢磁场
电枢反应
电枢磁场磁通 密度分布曲线
直流电机的磁场
主磁场的 磁通密度 分布曲线
定子部分: 主磁极 换向极 电刷装置 机座 转子部分: 电枢铁心 电枢绕组 换向器
直流电机的电枢绕组
电枢绕组的缠绕要求：
• 产生足够大的感应电动势及电磁转矩； • 所需有效材料（导线、绝缘材料）最少； • 结构简单，下线方便
电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合 绕组—— 直流电机电枢绕组构成原则
额定转矩
T2 N
PN P (kW ) 9550 N N nN
额定，过载（电机实际电流大于额定）、欠载
第二节 直流电机的磁场
直流电机的励磁方式
直流电机空载时磁场 直流电机负载时磁场 直流电机空载：电枢电流等于零或很小，可不计其 影响的一种运行状态。 直流电动机 —— 无机械功率输出 直流发电机 —— 无电功率输出
Ea I a I a ( Ra R ) U I f
P2 p0 pCua pCuf
p0 p Fe p p
P
2
P 1 P 2 p
P2 电机效率： 1 P 1
P2 P
例：并励电动机铭牌如下：
PN 96kw,U N 440 V , nN 500r / min,I N 255A, I fN 5 A
电刷的中心线位置与主磁极轴线相重合，且相同磁极所对应 的电刷极性相同。
电枢绕组的几个基本概念
1 极距：z 2p2z：电枢总槽数 p：极对数
第一节距（线圈的跨距）： z y1 整数 2p 换向器节距 yk： 合成节距y ：
3 4
单迭绕组元件
电枢绕组的基本形式——单迭绕组
某直流电机的单迭绕组，极对数p＝2，槽数z、元件数s及 换向片数k为z＝s＝k＝16。
他励（并励）直流电动机的工作特性
效率特性
他励（并励）直流电动机的工作特性
pCua pCuf pFe p p 1 100% U（I a I f ) pCua pCuf pFe p p 1 100% UI a
Ra n n0 Ia Ce N
n0：理想空载转速 n’0：实际空载转速Ia0
总结： 1 特性较硬。 2 实际运行中，电机磁路设计比较饱和， Ia ，电枢反应呈现
去磁作用， ，则n下降更少甚至会上升。
转矩特性
他励（并励）直流电动机的工作特性
I a T C M I a C M
三 直流电动机的运行原理 1 直流电动机的基本方程
直流电动机惯例： 1 反电动势Ea； 2 驱动转矩T； 3 制动转矩T2和T0 运动方程式： 电气系统——电动势平衡方程 直流电动机惯例 机械系统——转矩平衡方程 机电能量转换——功率平衡方程
电动势平衡方程
直流电动机的基本方程
若电机稳态运行，电枢电流恒定不变。
结论：
pN Ce 60a
——电动势常数 单迭：a＝p 单波：a＝1
1 Ea与、n成正比。 若不变，n则Ea ；若n不变， 则Ea 。 2 Ea与每极下磁密分布无关。
2、电磁转矩T 定义：电枢上所有导体所产生的转矩之和。
T C M I a
结论：
pN CM 2a ——转矩常数
U Ea I a ( Ra R )
U Ia ( Ra R ) n Ce
励磁回路的电动势方程为：
Ea Cen
U I f (rf r ) I f R f
注： 电动机：U>Ea 发电机：U<Ea
转矩平衡方程
直流电动机的基本方程
电动机稳态运行，即以恒定角速度转动。
第一节 直流电机基本工作原理和结构
基本工作原理
主要结构
电枢绕组
一、直流电机的基本工作原理
1 在直流电动机和直流发电机运行 时，都会产生电磁转矩，但二者 性质有何不同？ 2 在直流电机的绕组线圈中流动的 是直流电还是交流电? 3 直流电动机绕组线圈中是否有感 应电势，方向如何？
二 直流电机结构组成
直流电机的基本工作原理和结构 直流电机的磁场 直流电机的运行分析
直流电机的用途
直流发电机：将机械能转变为直流电能 主要用于直流电动机和交流发电机的励磁直流源
直流电动机：将直流电能转变为机械能
主要优点：调速范围广，易于平滑调速； 启动、制动和过载转矩大； 易于控制，可靠性高。 主要用于对调速要求较高的生产机械上，如电车、轧 钢机、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。
P2 100% P 1
pCua I a Ra ——可变损耗
当不变损耗等于可变损耗，即 pCua I a Ra pCuf pFe p p 时，电动机的效率最高。 当电动机被设计为运行于额定状态时效率最高时
2
2
1 U N I N PN Ra 2 2 IN
串励直流电动机的工作特性
直流电动机
–建立磁场 → 产生电磁力的条件 –载流导体 → 产生电磁力 –线圈运动 → 对外输出机械功 –换向器和电刷 → 换流，产生持续电磁力
直流发电机
–建立磁场 → 产生感应电势的条件 –导体运动 → 产生感应电势 –负载 → 对外输出电能 –换向器和电刷 → 整流，产生直流电势
直流电机的主要结构
功率通过电磁感应在电枢回路中得到电功率。
思考题： 1 保持电机转速和励磁电流不变，直流电机空载时的电枢电 动势与负载时的电枢电动势是否相同？为什么？ 2 他励直流电动机运行在额定状态，如果负载为恒转矩负 载，减少磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？ 3 改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为 什么？ 4 一台直流电机的极对数p＝3，单迭绕组，电枢总导体数N ＝398，气隙每极磁通＝2.110-2Wb，当转速分别为 1500r/min和500r/min时，求电枢感应电动势的大小。若 电枢电流Ia=10A，磁通不变，电磁转矩是多大？
电机带额定负载运行，若总制动转矩不变（忽略空载转矩）， 当电枢回路串入一电阻使电机转速降为450r/min，求串入的电 阻数值，此时电机的输出功率和效率。
P2
2 直流电动机的工作特性
I f I fN ，电枢电路无外加电 定义：是指在U=UN ， 阻时, 转速n、电磁转矩T和效率 随输出功率而变 化的关系，即 n、T、 f ( P2 ) 。
转矩特性
串励直流电动机的工作特性
2 2 CM I a
T C M I a CM K f I a
具有较大的启动转矩，适宜拖动诸如电力机车等牵引机械和 重载启动等场合。
已知电枢电阻为0.078，试求（忽略电枢反应影响） （1）电动机的额定输出转矩； （2）在额定电流时的电磁转矩； （3）电机的理想空载转速和实际空载转速； （4）在总制动转矩不变的情况下，当电枢回路串入0.1 电 阻后的稳定转速。
练习：一台并励电动机铭牌如下：
PN 7.2kw,U N 110 V , nN 900r / min,N 85%, Ra 0.08, I fN 2 A
电刷数等于主磁数
单迭绕组的电路图
并联支路对数a＝p 电枢电流Ia
I a 2aia
直流电机的铭牌数据（额定值）
额定容量（功率）PN(kW) 发电机：电刷端的输出电功率PN=UNIN
电动机：电机转轴上输出的机械功率PN=UNINηN
额定电压UN（V） 额定电流IN（A） 额定转速nN（r/min） 励磁方式和额定励磁电流IfN （A ）
励磁方式
（a）他励
（b）并励
（c）串励
（d）复励
二 直流电机的空载磁场
1 空载磁场：指电枢电流等于零或者很小时，由主磁极的励 磁电流单独建立的磁场，又称励磁磁场。
m 0
0：每极主磁通 ：漏磁通
0
四极直流电机空载磁场分布
2 气隙磁密分布
直流电机的磁场
0 F f B0
Bx
Bax
B0 x
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
电枢反应的去磁作用使每极磁通减少.
第三节 直流电机的运行分析
直流电机的三个基本物理量
直流电机的运行原理
一 直流电机的三个基本物理量
1 电枢电动势Ea
定义：从一对正负电刷之间引出的直流电动势，记为 Ea。
Ea Cen
在实际运行中，工作特性为 n、T、 f ( I a ) 。
他励（并励）直流电动机的工作特性 转速特性
U Ia ( Ra R ) n Ce
U U N R 0
N
U N IaRa UN Ra n Ia Ce N Ce N Ce N
他励（并励）直流电动机的工作特性
1 T与、Ia成正比。
2 Ce与CM每决定于电机的结构数据，且
CM 9.55 Ce
3、电磁功率PM 定义：电枢绕组感应电动势Ea与电枢电流Ia的乘积。
PM Ea I a T
结论：
电动机：电枢从电源吸收的电功率通过电磁感应转换
为轴上的机械功率。
发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械
I f I a ，随Ia变化。 串励直流电动机的特点：
转速特性
UN Ra Rs n Ia Ce Ce
UN Ra Ia Ce Ce
总结： 1 n随负载增大而迅速降低,特性较软； 2 空载或轻载（小于额定负载的15％～20％）时，转速极高， 导致“飞车”，损伤电机。
T T2 T0 Tz
Tz：总负载转矩
Tz Ia CM
总结：
T C M I a
1 励磁不变，Ia与Tz成正比；Ia的方向、大小仅由Tz决定。 2 理想空载Tz ＝0，则Ia ＝0。
功率平衡方程
直流电动机的基本方程
并励直流电机从电源输入的电功率为：
U Ea I a ( Ra R ) P1 = UI=U(Ia+If) [ Ea I a ( Ra R )] I a U I f
Ff I f N f
0 f ( I f )
气隙中主磁场磁通密度的分布
电机的磁化曲线
每极磁通与电机励磁方式无关，仅与电机尺寸及材料有关！
0 F f B0 电枢反应：电枢磁动势对气隙磁场的影响。
三 直流电机负载时的磁场
电枢磁场
电枢反应
电枢磁场磁通 密度分布曲线
直流电机的磁场
主磁场的 磁通密度 分布曲线
定子部分: 主磁极 换向极 电刷装置 机座 转子部分: 电枢铁心 电枢绕组 换向器
直流电机的电枢绕组
电枢绕组的缠绕要求：
• 产生足够大的感应电动势及电磁转矩； • 所需有效材料（导线、绝缘材料）最少； • 结构简单，下线方便
电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合 绕组—— 直流电机电枢绕组构成原则
额定转矩
T2 N
PN P (kW ) 9550 N N nN
额定，过载（电机实际电流大于额定）、欠载
第二节 直流电机的磁场
直流电机的励磁方式
直流电机空载时磁场 直流电机负载时磁场 直流电机空载：电枢电流等于零或很小，可不计其 影响的一种运行状态。 直流电动机 —— 无机械功率输出 直流发电机 —— 无电功率输出
Ea I a I a ( Ra R ) U I f
P2 p0 pCua pCuf
p0 p Fe p p
P
2
P 1 P 2 p
P2 电机效率： 1 P 1
P2 P
例：并励电动机铭牌如下：
PN 96kw,U N 440 V , nN 500r / min,I N 255A, I fN 5 A
电刷的中心线位置与主磁极轴线相重合，且相同磁极所对应 的电刷极性相同。
电枢绕组的几个基本概念
1 极距：z 2p2z：电枢总槽数 p：极对数
第一节距（线圈的跨距）： z y1 整数 2p 换向器节距 yk： 合成节距y ：
3 4
单迭绕组元件
电枢绕组的基本形式——单迭绕组
某直流电机的单迭绕组，极对数p＝2，槽数z、元件数s及 换向片数k为z＝s＝k＝16。
他励（并励）直流电动机的工作特性
效率特性
他励（并励）直流电动机的工作特性
pCua pCuf pFe p p 1 100% U（I a I f ) pCua pCuf pFe p p 1 100% UI a
Ra n n0 Ia Ce N
n0：理想空载转速 n’0：实际空载转速Ia0
总结： 1 特性较硬。 2 实际运行中，电机磁路设计比较饱和， Ia ，电枢反应呈现
去磁作用， ，则n下降更少甚至会上升。
转矩特性
他励（并励）直流电动机的工作特性
I a T C M I a C M
三 直流电动机的运行原理 1 直流电动机的基本方程
直流电动机惯例： 1 反电动势Ea； 2 驱动转矩T； 3 制动转矩T2和T0 运动方程式： 电气系统——电动势平衡方程 直流电动机惯例 机械系统——转矩平衡方程 机电能量转换——功率平衡方程
电动势平衡方程
直流电动机的基本方程
若电机稳态运行，电枢电流恒定不变。
结论：
pN Ce 60a
——电动势常数 单迭：a＝p 单波：a＝1
1 Ea与、n成正比。 若不变，n则Ea ；若n不变， 则Ea 。 2 Ea与每极下磁密分布无关。
2、电磁转矩T 定义：电枢上所有导体所产生的转矩之和。
T C M I a
结论：
pN CM 2a ——转矩常数
U Ea I a ( Ra R )
U Ia ( Ra R ) n Ce
励磁回路的电动势方程为：
Ea Cen
U I f (rf r ) I f R f
注： 电动机：U>Ea 发电机：U<Ea
转矩平衡方程
直流电动机的基本方程
电动机稳态运行，即以恒定角速度转动。
第一节 直流电机基本工作原理和结构
基本工作原理
主要结构
电枢绕组
一、直流电机的基本工作原理
1 在直流电动机和直流发电机运行 时，都会产生电磁转矩，但二者 性质有何不同？ 2 在直流电机的绕组线圈中流动的 是直流电还是交流电? 3 直流电动机绕组线圈中是否有感 应电势，方向如何？
二 直流电机结构组成