电机学讲义

3、电枢铁心 作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。 构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530 或DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。 4、电枢绕组 作用：直流电机的电路部分。 构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用 槽楔压紧。
5、换向器
电势常数
二 、直流电机的电磁转矩 直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中 受力所形成的转矩的总和。 电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为
一个极下的载流导体上的电磁转矩
应为
整个电枢上的电磁转矩 则 Te 为
考虑到
转矩常数
三 、电势常数与转矩常数之间的关系
pZ a Ce 60a
pZ a CT 2 a
第三章
直流电机的稳态分析
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! 优点: 1.直流电动机以其良好的起动性和调速性能著称。 2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。
二、单叠绕组
S K Qu 16
Qu Qu
3-3 空载和负载时直流电机的磁场
一 、空载时直流电机的磁场
空载是指电枢电流等于零或者很小， 因而可以忽略不计的情况。
空载时的主磁极的磁通：
a) 主磁通 0 ： 通过气隙，并形成气隙磁场。 b) 主极漏磁通 f 极矩：
：
图3-36 自励时稳态空载电压
2、并励发电机的外特性 并励发电机的调整特性与他励情况相似， 所以这里只介绍并励发电机的外特性。 并励发电机的外特性： ，励磁回路电阻为常值时， 发电机的端电压与负载电流之间的关系 。 负载电流增加 因电枢反应效果增加 因电枢电阻压降增加 端电压下降 励磁回路电流减小
图3-5 直流电机按励磁方式分类
四 、直流电机的额定值 直流电机的额定值有： （1）额定功率 PN ：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时， 电机的输出功率，以kW表示。 对电动机，PN — 输出的机械功率； 对发电机，PN — 输出的电功率。 （2）额定电压 U N：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。 （3）额定电流 I N ：指电机运行在时电机的线电流，以A表示。
换相片数
图3-15 含有两个元件的线圈
因此只能是整数

y1
Qu 2p
y1
当
y1 时，称为短距绕组，反之长距绕组。短距绕组能节省端部用铜，故常被采用。
Qu 2p
y y1 y2
yc
y yc
5. 叠绕组和波绕组，单绕组和复绕组： 叠绕组：电枢绕组中各磁极下的元件依次相连，后一个元件总是叠在 前一个元件上。 波绕组：电枢绕组中把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件 串联起来，像波浪一样向前延伸。 单绕组：合成节距的绝对值等于1 复绕组：合成节距的绝对值大于1
2、直流发电机的工作原理
图3-2a 气隙磁通密度和线 圈电动势的波形
图3-2b 电刷间的电动势波形
发电机：虽然线圈AB电动势是交流电动势，但由于换 向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。
3、直流电动机的工作原理 电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈， 而是通过电刷 B1 、 2和换向器再加到线圈上的。所以，导体 B 中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向， 从而使电磁转矩的方向始终保持不变。 4、脉动的减小 实现方法：

2
忽略铁芯磁阻时， x 处电枢磁场 Ba ( x) 为
Ba ( x) 0 H a ( x) 0 Fa ( x)

因此，整个交轴电枢磁场会呈马鞍形分布。
交轴电枢反应：
图3-24 交轴电枢反应
（1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置 （物理中性线）偏离几何中性线。 顺着旋转方向（发电机）、逆着旋转方向（电动机） （2）不计磁饱和时，既无增磁，也无去磁作用。 考虑磁饱和时，具有一定的去磁作用。
励磁回路方程： 电枢回路方程： 对于发电机：
则有
电枢绕组电阻 电枢回路总电阻
电刷上的接触电压降
对于电动机：
则有
2、并励直流电机 其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁电压为 励磁调节电阻 电枢端电压，即 励磁回路方程： 电枢回路方程： 对于发电机： 对于电动机：
（a）发电机
并励直流电机的稳态电路图
负载转矩
（a）发电机 （b）电动机 图3-28 直流电机的电磁转 矩和外施转矩
三、电磁功率 电磁功率为感应电势和电枢电流的乘积，用 则 表示，
将
代入上式，得
对于发电机： 机械能 对于电动机： 电能
转化为电能 转化为机械能
； 。
电磁功率就是 能量转换过程中电能转换为机械能或相反转换的转换功率。
四、直流电机的可逆性 电机的可逆性：从原理上讲，任何电机 既可作为发电机、亦可作为电动机运行。
3-4 直流电机的感应电势和电磁转矩
一、电枢绕组的感应电势
电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引出的电势， 也称为电枢电势，记作Ea。
图3-26 导体感应电势、电磁力的计算
设电刷放在几何中性线上，则每根导体的感应电势为
电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电动势的代数和 ，则
令
为平均气隙磁密，则上式改写为
他励
直流电机按励磁方式可分：
自励
1、他励式 其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组 与电枢绕组不相连。
2、自励式 对发电机 ：利用自身发出的电流励磁； 对电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。 并励式： 励磁绕组与电枢绕组并联； 串励式： 励磁绕组与电枢绕组串联； 复励式： 装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组， 二为与电枢串联的串励绕组。
发电机运行；
电动机运行。
（a）发电机 （b）电动机 图3-30 并励直流电机的接线图
3-6 直流发电机的运行特性
直流发电机的运行特性主要有三条， 第一条是输出电压质量的外特性； 第二条是励磁调节用的调整特性； 第三条是表征力能指标的效率特性。
一、他励发电机的运行特性 直流发电机的稳态特性很大程度上受到磁路饱和的影响， 因此在分析运行特性以前，先了解直流电机的空载特性。 1、空载特性
pZ a CT 2 a 60 9.55 pZ a 2 Ce 60a
CT 9.55Ce
3-5 直流电机的基本方程
直流电机的运行情况可用基本方程来研究。 基本方程：电压方程、转矩方程
一、电压方程 1、他励直流电机 他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故
线路电流
（a）发电机 （b）电动机 图3-27 他励直流电机的稳态电路图
缺点：
结构较复杂
直流电机
成本较高
可靠性较差
使它的应用受到限制
本章主要内容
1、直流电机的工作原理和基本结构
2、说明电机的磁动势和磁场
3、导出电机的电动势和电磁转矩公式 4、分析直流电机的稳态运行性能
3-1 直流电机的工作原理和基本结构
一、直流电机的工作原理
1、直流电机的结构
两极直流电机模型
固定部分（定子）：主磁极N和S； 旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷；换相片；换相器； 电枢绕组AB(一个线圈)； 定子与转子之间为气隙。
（b）电动机
3、串励直流电机 电枢回路电压方程应加入串励绕组的电阻压降 电枢回路方程： 对于发电机： 对于电动机：
串励励磁电流
（a）发电机
串励直流电机的稳态电路图
（b电磁转矩为制动转矩，有
原动机的驱动转矩
电磁转矩
电机本身的机械阻力转矩
2、电动机情况下
电磁转矩为驱动转矩，有
图3-22 空载时直流电机的气隙磁场
二、负载时的电枢磁动势和电枢反应 有负载时，电枢绕组电流不为零，电枢电流将产生电枢磁势； 此时气隙磁场将由主极磁势和电枢磁势两者的合成磁势所建立 电枢反应：负载时电枢磁势对主极磁场的影响
1、交轴电枢磁势和交轴电枢反应 为解释方便，假设电枢表面为光滑，绕组为整距，元件导体 均匀地分布在电枢表面。 当电刷位于几何中性线上时，电枢磁势为交轴电枢磁势
电 机 学 讲 义
教材及教学安排
教材：《电机学》 汤运璆、史乃 机械工业出版社
性质：电气工程类专业的一门主干课；
本专业的一门重要技术基础课； 通过本课程的学习，使学生掌握各类电机的运行性能
具有相当强的理论性（基础性）和实践性（技术性）
内容：绪论～第六章 同步电机 考核： 平时(含出勤） 20 实验 20 期末 60 其它 0
图3-31 他励发电机的接线图
图3-32 空载特性
2、外特性
图3-33 他励发电机的外特性
3、调整特性
图3-34 调整特性
4、效率特性 是指 ， ，效率与输出功率的关系
总损耗＝机械损耗＋电枢基本铁耗＋基本铜耗＋电刷接触损耗 ＋励磁绕组铜耗＋杂散损耗
一、并励发电机的自励和外特性 1、并励发电机的自励 磁路中的剩磁 电势 很小的励磁电流
元件依次地嵌放在电枢槽内， 一条有效边放在槽地上层， 另一条放在另一槽地下层， 构成双层绕组。
若电枢每槽上、下层只有一个元件边， 则整个绕组的元件数S等于槽数Q 但多数直流电机，每槽的上、下层中 各包含u个元件。如图3-15所示。此时 S＝uQ
图3-13 电枢绕组的元件
通常把一个上层和一个下层元件边在槽内 所占的空间称为“虚槽”。 这样虚槽数 Qu＝uQ 在说明元件的空间安排情况时，就 一律以虚槽来编号， 用虚槽数做为计算单位。 S＝K＝ Qu
作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。