第2章 直流电机

并励发电机自励建立稳定电压的条件： (1)电机应有剩磁。若无剩磁，可用外加直流电 源向励磁绕组通电，即“充磁”，使电机剩 磁得到恢复。 (2)励磁绕组与电枢的联接要与电枢转向正确配 合，使励磁电流产生的磁场与剩磁方向一致。 若发现接法不对，只要将励磁绕组并联到电 枢的两端点对调一下即可。 (3)励磁回路的总电阻应小于与发电机转速相对 应的临界电阻。电机转速越高，其临界电阻 值越大。一般发电机都在额定转速下运行， 故调节R 小于此时的临界电阻即可。
2.3.3 直流电机的电枢磁场
负载时的电枢磁动势 Ia Fa Ff
If
Fδ = Fa + Ff
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电
流建立的磁场简称电枢磁场，则电机的气隙磁 场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁 场对主磁场的影响就称为电枢反应。 各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此电 刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势 的轴线总是与电刷轴线相重合。
2.3.5 感应电动势和电磁转矩
电磁转矩
一根导体的平均电磁力：
Ia ia fav Bav l ia 2a 作用在电枢上的总电磁力： f fav Na Bav l ia Na
电磁转矩： D D D 2 p Tem f Bav l ia N a 2 2 Ia 2 p pN a Tem l Na I a CT I a l 2a 2 2 a
Pem P1 (ห้องสมุดไป่ตู้pmec pFe pad ) P1 p0
P2 Pem ( pCua pCuf )
Pem EIa Tem
2.4.1 基本方程
三、转矩平衡方程
P1 Pem p0
T1 Tem T0
T1 ——原动机输入机械转矩（驱动性质）； Tem——发电机电磁转矩（制动性质）； T0 ——发电机空载转矩（制动性质）。

2.3.1 直流电机按励磁方式分类
2.3.2 空载时磁场分布
空载：指电枢电流等于或约等于零，此时磁
场由励磁绕组的磁动势单独激励，即 If Ff Φ0 Φσ
2.3.2 空载时磁场分布
气隙磁场：在主极直轴附近的气隙较小，并且气
隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位 置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两 极之间的几何中线处时，磁密等于0。
电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之
一, 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能 量转换的枢纽。
对电枢绕组的要求：
在通过规定的电流和产生足够的电势和 电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电气、热），运转可靠，结 构简单等。
2.2 直流电机的电枢绕组
绕 组 实 物 图
电 的枢 形绕 式组
2.4.1 基本方程
复励直流发电机
Ia = Ibf + I , Icf = I
Ucf = IcfRcf = E- IaRa - U ,
Ubf=E–IaRa = IbfRbf ,
E = U+IaRa +Ucf
2.4.1 基本方程
二、功率平衡方程
并励发电机功率流程图
2.4.1 基本方程
并励发电机功率平衡方程式为：
2.1.2 直流电机的基本结构
二、转子部分
转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等部件
组成。
2.1.2 直流电机的基本结构
2.1.3 直流电机的额定值
额定容量(功率)PN(kW) ——指额定运行时的 输出功率。对直流发电机来说，是指电刷端 输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴 上输出的机械功率。 额定电压 UN(V) —— 指额定运行时电刷两端 的电压。 额定电流IN(A) ——指额定运行时经电刷输出 (或输入)的电流。 额定转速nN(r/min) ——指额定运行时转子的 转速。
2.4 直流发电机的基本特性
并励直流发电机是应用最广泛的直流发电机。
2.4.1 基本方程
一、电动势平衡方程式 E=U+IaRa Ia=I+If
直流发电机的E>U ，这 是判断直流电机运行在 发电机状态的依据。
2.4.1 基本方程
他励直流发电机 Ia = I E = U + IaRa
串励直流发电机 Ia = I f = I E = U+Ia(Ra+Rf )
2.1.1 直流电机的工作原理
二、直流电动机的工作原理
2.1.1 直流电机的工作原理
直流电动机运行时的几点结论：
• 外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交 流； • 线圈中感应电势e与电流方向相反； • 线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流 产生的磁场在空间上是恒定不变的。 • 产生的Tem与转子转向相同，是驱动性质；
第二章 直流电机
直流电机的工作原理与结构 直流电机的磁场 直流发电机的基本特性 直流电动机的基本特性

2.1 概 述
直流电机的优点：
直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影
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，热动和制动转矩较 大。 易于快速启动、停车，易于控制。
2.4.3 并励发电机的自励条件和外特性
2.4.3 并励发电机的自励条件和外特性
2、外特性 当n=nN，Rf=C时，U=f(I)的关系曲线。
2.4.4 复励发电机的特点
特点：N bf 较多 、 Ib f 较小 ， Ncf 较少 ，Icf = I
结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图
每个极下的元件组成一条支路，即单叠绕组的并 联支路数正好等于电机的极数。并联支路对数a=p
2.3 直流电机的磁场
2.3.1 直流电机按励磁方式分类

直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以 直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不 同的联接，决定了不同的励磁方式。 不同的励磁方式， 电机的性能将不同。 直流电机按励磁方式分类 (1)他励电机；(2)并励电机； (3)串励电机；(4)复励电机
2.2 直流电机的电枢绕组
单叠绕组展开图
1. 槽展开 槽展开 2. 绕组放置 绕组放置 3.安放磁极电刷 安放磁极、电刷
τ
τ
τ
τ
1
2 N 3
4
5
6 S7
8
9
10 N 11
12 13
14 S 15
16
15 16
1
+
2
3
4
5
－
6
7
8
9
+
10 11
12 13
－
14
+
－
2.2 直流电机的电枢绕组
单叠绕组电路图
2.4.1 基本方程
例3：一台并励直流发电机，PN=35kW， UN=115V，nN=1450r/min ，电枢电路各绕 组总电阻ra=0.0243Ω ，一对电刷压降 2△Ub=2V ，并励电路电阻Rf=20.1Ω 。求 额定负载时的电磁转矩及电磁功率。
2.4.1 基本方程
例4：一台直流发电机，由额定运行状态转 速下降为原来的30%，而励磁电流及电枢 电流不变，则 。 A：E下降30%， B：Tem下降30%， C：E和Tem都下降30%， D：端电压下降30%。
2.1.3 直流电机的额定值
例1：一台直流发电机，PN=15kW，UN=110V，
nN=1500r/min ，ηN=0.85 。求其输入功率、额 定电流?
例2：一台直流电动机，PN=20kW，UN=115V，
nN=1500r/min ，ηN=0.8 。求其输入功率、额 定电流?
2.2 直流电机的电枢绕组
2.3.3 直流电机的电枢磁场
与主极轴线正交的轴线称为交轴； 与主极轴线重合的轴线称为直轴。
2.3.3 直流电机的电枢磁场
电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴 分量。
Fa
2.3.4 电枢反应
主极磁场
电枢磁场
合成磁场
2.3.4 电枢反应
1、交轴电枢反应
2.3.4 电枢反应
交轴电枢反应性质
5% 10%
2.4.2 他励发电机的运行特性
3、调整特性 当n=nN， U=UN 时， If=f(I)的关系曲线。
当负载电流增大时， 必须增加励磁电流去 补偿电枢反应的去磁 作用和内部的电压降， 才能保持端电压不变。
2.4.3 并励发电机的自励条件和外特性
1、自励过程与条件
临界电阻线
2.4.3 并励发电机的自励条件和外特性
2.3.5 感应电动势和电磁转矩
具体计算： 一根导体：
eav Bav l v
n v 2 p 60
Bav l
Bav—平均磁密；l —导体长度； v —电枢旋转线速度 n —电枢旋转速度（r/min) Φ —每极磁通
2.3.5 感应电动势和电磁转矩
支路电势：
2.4.2 他励发电机的运行特性
1、空载特性
当n=nN，I=0时，U0=f( If )的关系曲线。
2.4.2 他励发电机的运行特性
2、外特性 当n=nN，If=IfN时，U=f(I) 的关系曲线。 U=UN， I=IN时的励磁电流即为额 定励磁电流IfN。 由于电枢反应的去磁作用 和内部的电压降，所以， 随着负载电流 I 的增加， 电压变化率： U0 U N 外特性曲线将会下降。曲 U 100% UN 线上C点为额定运行点。
直流电机的缺点：
与异步电动机相比，由于存在换向器，其制造
复杂，且电机结构复杂，使用和维护不如异步 机方便，而且要使用直流电源，价格较高。
2.1 概 述
应用：