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。
有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩 T1；一个是
电磁转矩T；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转
矩，叫空载转矩，用T0表示，空载转矩是一个制动性转矩，永远与转
速n的方向相反。
+
U
-
T1 TT0
T CtIa
Ia T1 n Ea T0 T
功率平衡方程式
从原动机输入的机械功率可用下式表示 ：
从上面的分析可知，相同元件数时，单叠绕组 并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适 用于较低电压、较大电流的电机。
对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支 路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应 于较高电压、较小电流的电机。 至于大容量的电机，可以采用混合绕组。
3.6 直流电机的磁场、电枢反应
电路结构、磁路结构
本章分析直流电机的工作原理、结构及换向等 问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基 本知识。
3.2 基本工作原理
3.2.1 交流发电机基本工作原理
物理模型
① 磁极都是成对出现 ； ② eBlv ；
电子式
③ 整流
机械式
3.2.2 直流发电机基本工作原理
定子
转子
3.2.2 直流发电机基本工作原理
单叠绕组的特点
元件的两个出线端联接于相邻两个换向片 上； 并联支路数等于磁极数，2a=2p ； 每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电
刷数等于磁极数； 正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，
电枢电压等于支路电压； 由正负电刷引出的电枢电流 Ia 为各支路电流之
和，即 Ia=2aia （式中 ia 为每一条支路的电流，即 绕组元件中流过的电流）。
量有关。10kW以下的小电机，效率约为 75%~88.5%；10~100kW的，效率约为 85%~90%;100~1000kW的电机，效率
约为88%~93%。 P50
三 他励直流发电机的运行特性
主要物理量:U，Ia，If，n；n＝常数 (在发电机中)
运行特性:研究两者之间的关系. （1） 负载特性 指当n=常数且Ia =常数时，U=f(If)的关系，其中当Ia=0 时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性。 （2） 外特性 指当n=常数且If=常数或Rf=常数时，U=f(Ia)的关系 （3）调节特性
直流电动机的额定功率为： PN UNIN N
直流电动机的额定输出转矩：
额定效率 N
P2 N P1 N
T2NPNNPN2nN 95P5 NnN 0
60
额定 过载 欠载运行状态
3.5 直流电机的电枢绕组
电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机 电能量转换过程中起着重要的作用。
因此，电枢绕组须满足以下要求： 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽
可能节省有色金属和绝缘材料； 并且要结构简单、运行可靠等。
S(元件数)=K(换向片数)=Ze(虚槽数)
N
S
元件边
1、两个有效边组成一个元件; 2、许多元件互联组成一个绕组; 3、元件组成的原则:两个相邻异性极
相对应的位置.
极轴线：磁极的中心线； 几何中性线：磁极之间的平分线；
N
S
P ：极对数；
主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕 组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.
2）换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改 善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心 和绕组构成。
3）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来 固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。 因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚 度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。
2.方向Ea:右手定则 T:左手定则
问题:如何改变电磁转 矩及感应电动势的方向
3.稳态:T T2 TF（负载转矩）
T CtIa
T
F
大
I
大
a
电枢电流 负载电流
3.8 直流发电机
一 运行原理
发电机规定正方向:Ea、 Ia同向
+
U
-
I2 Ia
I2
T1 n Ea T0 T
If
他励
并励
二 基本关系
D 2
3）电机总的电磁转矩则为：
T
NT
x
NB
av li a
D 2
N l Ia 2 p l 2 a 2
pN
2a
Ia
C t I a
pN
式中： Ct 2a 是一个常数，称为转矩常数，
Ia 2aia是电枢电流。
电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流。
PN
Ct 2a 60 9.55 Ce PN 2
空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负 载，即电枢电流为零的状态。那么 ，这时的气隙磁 场，只由主极的励磁电流所建立，又称励磁磁场。
主磁路通。它0 同：时经与过励主磁磁绕极组、及气电隙枢、绕电组枢交铁链心，及能机在座电构枢成绕磁回
组中感应电动势和产生电磁转矩.
漏磁通 ：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，
电枢磁动势对主极气隙磁场的影响:
电枢反应对主极磁场的影响
A:电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另 半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变;
B:使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线， 新的等于零的位置我们称之为物理中性线,物理中性线 偏移;
C:考虑饱和时，起到去磁作用。
问题:1.如何抑制电枢反应? 2.电枢磁场是静止的吗?
极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离，可用槽数表示
Ze 2p
元件节距 y（1 第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数
y1
Ze 2p
整数
合成节距 y 、第二节距 y 2
单叠绕组展开图 P39～40
元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片 上，第一个元件的下层边连接着第二个元件的上 层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。
磁管
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。
应用磁路欧姆定律求出 Bx f() P35
如上图示:磁管宽为
2Ff R
2Ff 2Rm
R m l 0 Bx 0 Ff
气隙磁阻
电枢轴向有效长度 气隙磁导率
已知某直流电机的极对数P=2 ,Ze=K=S=16,试 画出单叠绕组展开图。
1．计算绕组数据
y1
Ze 164
2p 22
2．画绕组展开图 P40
（1）先画16根等长、等距的实线（虚线）;
（2）放磁极:N.S(0.7 );
（3）换向片; （4）联绕组; （5）确定感应电势方向; （6）放电刷.
单叠绕组并联支路图:
v
N 2p n
2a
60
pN 60a
n
Cen
式中，
Ce
pN 60 a
是一个常数，称为电动势常数
二、电磁转矩 T (所有导体)：
求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：
1）先求一个导体的平均电磁力：
fa vBa vlia
2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转 矩：
Tx
favD 2 Bav l ia
1．额定容量(功率) PN （kW）；
2．额定电压
UN（V）；
3．额定电流
IN （A）；
4．额定转速
nN （r／min）；
5．励磁方式和额定励磁电流 IfN（A）。
额定功率：额定输出功率。 对直流发电机来说，是指输出的电功率，对直流电动机 来说，是指轴上输出的机械功率。
直流发电机的额定功率为： PN UNIN
P 1 T 1 (T T 0 ) P M P 0
式中电磁功率PM为转换成电枢回路的电功率：
P M T E a I a ( U I a R a ) I a U a I a 2 R I a
他励
U2 Ipcu aP 2pcua
pcua ：铜耗
并励 U (I2 If) p cu P a 2 p cu p fcua
B av
l
一根导体的平均电动势为：
eavBavlv
其中：
v 2 p n
60
所以：
B av
l
eav ll2p6 n0 2p 6 n0
一根导体的电动势：
ea
v
2p
n 60
N
一条支路里的串联总导体数为 2 a（ N为电枢绕组总导
体数，a为电枢绕组并联支路对数），于是，电枢电动势
为：
Ea
N 2a
ea
3.7 直流电机的电枢电动势和电磁转矩
一、电枢电动势 E ：
电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动 势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所 以，我们可以先求一根导体在一个极距范围内所产生的 平均电动势，再求一条支路的。
l 一个磁极极距范围内，平均磁密用 B av 表示，极距
为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，则
4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的 外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的 作用。
2、转子：包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风 扇、轴和轴承等。
1）电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组 的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁 滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘 漆的硅钢片叠压而成。
①换向器（机械整流装置）
②内部:交流 外部:直流
③实质:带有换向器的交流电机 ④实际电机:多个线圈有规律连接
3ห้องสมุดไป่ตู้2.3 直流电动机基本工作原理
① f Bli
小结： 1、直流电机仅是能量转换工具； 2、DM DG的可逆性；
直流电机的可逆性：
一台直流电机原则上既可以作为 电动机运行，也可以作为发电机运行， 只是外界条件不同而已。这种同一台 电机能作电动机或作发电机运行的原 理，在电机理论中称为可逆原理。
磁极内表面与电枢外表 面之间气隙长度
➢磁极中心及附近处: ➢靠近极尖处: ➢极靴以外: ➢两极之间的几何中心线处:
Bx 0 Ff
磁极内表面与电枢外表 面之间气隙长度
三 直流电机的电枢反应
电枢反应:电枢磁场对主极磁场的影响.
气 隙 磁 场 励 磁 电 流 所 建 立 的 磁 场电 枢 电 流 所 建 立 的 磁 场
60a C e ，C t ，对于一个具体的电机而言，是一个常数，并 且通过换算，两者之间有一固定的关系： Ct 9.55Ce
pN 60
E a I a Cen I a 60 a 2 I a
直 流 电 机
pN 2a
Ia
T PM
的 电 磁 功
率
三 几点说明
1. Ea Cen大小及物理意义
T CtIa
指当n=常数且U=常数时，If=f(Ia)的关系
3.3 直流电机的主要结构：P29
直流电机由静止的部分定子和旋转的部分 转子两大部分构成：
1、定子：机座、主磁极、换向极和电刷装置等。
1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁， 为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～ 1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在 机座上。
空载损耗 p 0 为： p0pFe pmpad
p m ：机械摩擦损耗 p Fe ：铁损耗
pad ps ：杂散损耗
因此：
P 1 P 2 p F ep m p a dp cu p fcua
P2 p
p ：总损耗
如此，则发电机的效率为：
P2 1 p
P1
P2 p
额定负载时，直流发电机的效率与电机的容