《电机与拖动基础》第2章 直流电动机的基本理论及运行特性

P为极对数；N为电枢导体总数；a为并联支路对数
性质: 发电机:电源电势(与电枢电流同方向); 电动机:反电势(与电枢电流反方向).
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2.2 直流电机电枢电动势和电磁转矩
2.2.2 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,
该力与电枢铁芯半径之积称为电磁转矩。
大小:
（3）换向绕组的连接方式： 换向绕组与电枢绕组串联。
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2.3 直流电机的换向
2.选择合适的电刷 电机用电刷的型号规格很多，其中炭—石墨电刷的接触电 阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜—石墨电刷的接触 电阻最小。 直流电机如果选用接触电阻大的电刷，有利于换向。在使 用维修中，欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷， 如果实在配不到相同牌号的电刷，应尽量选择特性与原来接近 的电刷，并全部更换。
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2.3 直流电机的换向
2.3.1 直流电机的换向过程
换向前元件1属于右边支路，流过其中的电流i=ia（图a）； 换向后元件1转入左边支路，元件中的电流i由ia变为-ia（图c） 流经换向片1的电流i1由2ia减小至零，流经换向片2的电流i2由零 增至2ia，在换向过程中，i1+i2=2ia不变。
直流电机的励磁方式
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2.4 直流电机的基本方程式
并励电机，励磁绕组与电枢绕组并联。他励和并励的励磁电流通常仅为 电机额定电流的1%—3%。串励电机，励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流 即是电枢电流。复励电机，既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组流过的电 流小，导线细，匝数多；串励绕组流过的电流大，导线粗，匝数少。
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2.3 直流电机的换向
2.3.2 影响换向的电磁原因
1.电抗电动势 ex 换向时换向元件中换向电流的大小、方向发生急剧变化，因 而会产生自感电动势。由于同时换向的线圈不止一个，除了各自 产生自感电动势外，个线圈之间还会产生互感电动势。自感电动 势和互感电动势的综合称为电抗电动势。 2.切割电动势 ev 直流电机负载运行时，电枢反应使主极磁场畸变，几何中性 线处的磁密度不为零，换向元件恰好处在几何中性线上，就要切 割电枢磁场的磁力线，产生一种电动势，称为切割电动势。
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2.4 直流电机的基本方程式
2. 功率平衡方程式 当直流发电机接上负载后，原动机输送给发电机的机械功率 为P1，在发电机的内部，一小部分能量被机械摩擦和铁芯的磁滞、 涡流所消耗，绝大部分能量转换为电磁功率Pem，即：
P1 Pem pm pFe pad
Pem
Tem
pN 2n pN 2a Ia 60 60a nIa EaIa
际中通常取平均特性曲线作为空载特性 曲线。
空载特性曲线下降分支
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2.5 直流电机的运行特性
2.5.2 直流发电机的外特性
定义：当n nN 、I f I fN 时，U f (I )
外特性曲线如图所示 由曲线可见，负载电流增大时，端电压 有所下降。
根据U Cen Ia Ra 可知，端电压下降有两个原因：一是 在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使 每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电 阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。
Pem P2 pCuf pCua
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2.4 直流电机的基本方程式
2. 功率平衡方程式
并励直流发电机的功率流程图
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2.4 直流电机的基本方程式
3. 转矩平衡方程式 原动机输入的转矩T1拖动发电机旋转。空载运行时，要克服 由空载损耗所对应的空载转矩T0，T0是个制动转矩，它的方向总 与电机的旋转方向相反。带负载时，电枢有电流，与磁场作用产 生电磁转矩Tem，Tem与T1的方向相反，也是个制动转矩。在带负 载运行时，只有原动机的驱动转矩与电磁转矩Tem和空载转矩T0 之和相等时，发电机才能以恒定转速旋转。此时的转矩平衡方程 式为：
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2.4 直流电机的基本方程式
2.铁芯损耗pFe 当直流电机旋转时，电枢铁芯中因磁场反复变化而产生的 磁滞损耗和涡流损耗叫铁芯损耗。 以上分析的机械损耗和铁芯损耗合起来又称为空载损耗p0。 因为这两种损耗在直流电动机转起来，但还没有带负载时，已 经存在了。
p0 pm pFe
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2.4 直流电机的基本方程式
Tem
pN
2a
I a
CT Ia
其中CT
pN
2a
9.55Ce为电机的(转矩常数)
P为极对数；N为电枢导体总数；a为并联支路对数；
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)。
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2.3 直流电机的换向
直流电机运行时，随着电枢和换向器的旋转，电枢绕组的 元件将依次地由一个支路转入另一个支路，元件中的电流将改 变方向，这个过程称为换向。换向的外观表现是在电刷和换向 器间常出现火花，如果火花过大，就会烧坏电刷和换向器，使 电机不能继续运行。
（基础篇）
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第2章 直流电机的基本理论及运行特性
2.1 直流电机的电枢反应 2.2 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 2.3 直流电机的换向 2.4 直流电机的基本方程式 2.5 直流发电机的运行特性 2.6 直流电动机的工作特性
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2.1 直流电机的电枢反应
直流电机的磁场是由电机中的各个绕组，包括励磁绕组、 电枢绕组、换向绕组、补偿绕组等共同产生的，其中励磁绕 组起着主要作用。
不论发电机还是电动机，电枢电流都随负载的变化而变化， 因而电机中的电枢铜耗又叫可变损耗。电机的机械损耗和 励磁一定时的铁耗只与转速有关，当电机的转速变化不大 时，由机械损耗和铁芯损耗合成的空载损耗是基本不变的， 故空载损耗又叫不变损耗。
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2.4 直流电机的基本方程式
4．附加损耗pad 附加损耗又称杂散损耗，对于直流电机，这种损耗是由于 电枢铁芯表面有齿槽存在，使气隙磁通大小脉振和左右摇摆， 在铁芯中引起的铁损耗和换向电流产生的铜耗等。这些损耗是 难以精确计算的，一般约占额定功率的0.005~0.01。
P2 Pem pFe pm pad P2 Pem pFe pm Pem p0
P2 P1 pCua p0 P1 p
P2 100% P2 100%
P1
P2 p
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2.4 直流电机的基本方程式
3. 功率平衡方程式
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2.5 直流电机的运行特性
2.5.1 他励发电机的空载特性
电枢反应的结果：一是使气隙磁场畸变，一极尖磁场加强，
另一极尖磁场减弱；二是去磁效应，由于磁会饱和，每一磁极
的两个极尖磁通的增加量与减少量不相等，减少量大于增加量，
从而使总磁通量有所减小。明显表现在：原来的几何中性线n-n 处的磁感应强度不等于零，磁感应强度为零的位置，即电磁物
理中性线m-m逆旋转方向移动一角度（电动机），物理中性线 与几何中性线不再重合。如果电枢电流越大，电枢磁场越强，
3．铜耗
当直流电机运行时，在电枢回路和励磁回路中都有电 流流过 ，因此在绕组电阻上产生的损耗叫铜耗。
（1）电枢回路铜耗pcua 它包括以下几项，电枢绕组铜 耗；与电枢绕组串联的串励绕组、换向极绕组及补偿绕组 的铜耗；电刷与换向器的接触电阻上的铜耗。
（2）励磁回路的铜耗pcuf 由于励磁回路的铜耗很小， 而且是一个不变的值，一般把它归入不变损耗范畴。
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2.1 直流电机的电枢反应
2.1.1 直流电机的空载磁场 直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流输出；电
动机轴上不带机械负载）运行时，其电枢电流等于零或近似等 于零。因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产 生的励磁磁通势所建立的主磁场。
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2.1 直流电机的电枢反应
2.1.2 直流电机的负载磁场 直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流流过，产生电
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2.4 直流电机的基本方程式
2.4.3 直流发电机的基本方程式 1.电动势平衡方程式 根据发电机的工作原理，在图中将有关各物理量按惯例标
出正方向。 根据电路基尔霍夫定律可得电枢回路的电动势平衡方程式： 式中 Ea U Ia Ra ； Ia I I f
I是发电机的输出电流。
I f U /(R f Rpf )
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2.3 直流电机的换向
如果i1、i2的变化和换向片与电刷接触面积的变化成正比， 即i1均匀地减小，i2均匀地增大，这种理想的换向称为直线换向。 直线换向时，当片1将与电刷脱离前，流经片1的电流已趋近于 零，所以当片1与电刷断开时，在电刷与换向器之间不会出现火 花。实际上，将产生火花，当火花超过一定限度时，将影响电 机的正常运行，甚至可能烧坏电刷和换向器。
枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场 与主极磁场共同作用，在气隙内建立一个合成磁场。
（a）主磁场
（b）电枢磁场
（c）合成磁场
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2.1 直流电机的电枢反应
2.1.3 直流电机的电枢反应
直流电机在工作过程中，定子主磁极产生主磁场，电枢电
流产生电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响叫做电枢反应。
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2.5 直流电机的运行特性
2.5.3 直流发电机的调节特性
定义：当 n C1 、U C2 时，I f f (I )
外特性曲线如图所示
由曲线可见，在负载电流变化时，若 保持端电压不变，必须改变励磁电流，补 偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出 端电压的影响。
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2.6 直流电机的工作特性
电枢反应的影响就越大，物理中性线偏移的角度也就越大，这
样会给电机的换向带来困难。
(视频) 6
2.2 直流电机电枢电动势和电磁转矩
2.2.1 直流电机的电枢电动势
产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势，简
称为电枢电动势。
大小:
pN
Ea
n 60a
Cen
其中Ce
pN 为电机的结构常数(电动势常数) 60a
定义：当 n C1、I 0时，U f (I f )
空载时，U Ea 。由于Ea Cen ，
因此空载特性实质上就是 Ea f (I f )。由
于 Ea 正比于 ，所以空载特性曲线的形
空载特性曲线上升分支
U
状与空载磁化特性曲线相同。
平均空载特性曲线
直流发电机的空载特性是非线性的
If
的，上升与下降的过程是不相同的。实
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2.3 直流电机的换向
2.3.3 改善换向的方法 1.安装换向极 （1）换向极的安装位置：换向极必须安装在主磁极之间的
几何中性线处。 （2）换向极的极性：对于发电机，换向元件边即将进入的
换向极极性应与它即将离开的主 极极性相反；对于电动机，换向 元件边即将进入的换向极极性 应与它即将离开的主极极性相同。
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2.4 直流电机的基本方程式
2.4.2 直流电机的损耗 直流电机的损耗按其性质可分为机械损耗、铁耗、铜耗和
附加损耗四种。
1.机械损耗pm 不论是发电机还是电动机，当电机转动时，必须先克服 摩擦阻力，因此产生机械损耗。它包括轴与轴承摩擦损耗， 电刷与换向器摩擦损耗，以及电枢旋转部分与空气的摩擦损 耗等。这些损耗与转速高低有关。
2.6.1 他励（并励）直流电动机的工作特性
1. 转速特性
定义：当 U U N 、I I fN 时，n f (Ia )
由方程式可得
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
忽略电枢反应的去磁作用， 转速与负载电流按线性关系变化。 如图所示。
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2.6 直流电机的工作特性
2.6.1 他励（并励）直流电动机的工作特性 2. 转矩特性 定义：当 U U N 、I I fN 时，Tem f (Ia )
T1 Tem T0
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2.4 直流电机的基本方程式
2.4.4 直流电动机的基本方程式 1．电压平衡方程式
U Ea I a Ra U f I f Rf
2．矩阵平衡方程式 Tem = TL + T0
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2.4 直流电机的基本方程式
3. 功率平衡方程式
P1 UI UIa P1 (Ea I a Ra )I a Ea I a I 2a Ra P1 Pem pCua
转矩表达式 Tem CT N I a
考虑电枢反应的作用， 转矩上升的速度比电流上升 的慢。如图所示。
14Biblioteka 2.4 直流电机的基本方程式2.4.1 直流电机的励磁方式
励磁绕组获得电流的方式称作励磁方式。直流电机按励磁方式的不同，可分为 他励和自励两大类。他励绕组由其它直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系； 自励电机的励磁由电机本身供给。自励电机，按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不 同，又可分为并励、串励和复励三种。