电机学 第三章 直流电机 3
电机学第3章直流电机
空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材 料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的 大小和形状。 磁极中心及附近的气 隙小且均匀，磁通密度较 大且基本为常数，靠近极 尖处，气隙逐渐变大，磁 通密度减小；极尖以外， 气隙明显增大，磁通密度 显著减少，在磁极之间的 几何中性线处，气隙磁通 密度为零。
y yk
k 1 p
• 画出4极15槽单波左行 绕组展开图 分析：合成节距 y＝ （k －1）/P＝（15－1） /2＝7（槽）（左行） 第一节距 y＝ Z/(2P)+ε=15/43/4=31（槽）采用短距 绕组(y1<τ) 第二节距 y2＝y－y1＝ 4（槽）； • 小结：常用直流电机绕 组型式的支路数2a。 单叠绕组：2a=2p； 单波绕组：2a=2； 双叠绕组：2a=4p； 双波绕组：2a
极靴 几何中性线
极身
（a）气隙形状
空载时的气隙磁通密度为 一平顶波，如下图(b) 所示。
空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图(c) 所示。
为了感应电动势或产生电磁转 矩，直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。
发电机：是指输出额定电压；
额定转速 nN 在额定电压下，运行于
在额定状态下运行时，可以保证各电气设备 长期可靠地工作 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期 会影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量 不能充分利用，会降低效率； 当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。 又叫额定负载状态
3单波绕组
• 单波绕组：相邻联接的两个元件呈波 浪形 • 单波绕组的连接规律是从某一换向片 开始，把相隔约为一对极距的同极性 磁极下对应位置的所有元件串联起来， 直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰 好回到开始换向片的相邻换向片上。 然后，从该换向片开始，继续绕连， 一直把全部元件联完，最后又回到开 始出发的那个换向片，构成一个闭合 回路。 • 右行绕组端接交叉，且比左行绕组端 接线略长，故波绕组常用左行绕组。 对应元件边处于同极性主的磁极下， 所以其合成节距应接近或等于一对极 的距离，但不能正好等于二倍极距。 （如果相等的话无法绕下去）
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
Department of Electrical Engineering, HUT
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0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
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❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。
3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。
3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。
3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。
对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。
当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。
如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。
3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。
但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
电机学精品课件第3章
图3.7 电刷装置
直流电机的结构
电枢铁心 电枢铁心有两方面作用：一是作为主磁路的 一部分，二是用于嵌放电枢绕组。 电枢绕组 电枢绕组由许多线圈按一定规律排列和连接 而成，是产生感应电动势和电磁转矩以实现机电能量转 换的关键部件。线圈用绝缘圆形线或扁铜线绕制而成， 也称为元件。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元 件有两个出线端。所有元件按一定规律连接，就构成电 枢绕组。
第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7 ，4
个磁极均匀放置在电枢槽之上，并标上N、S极性。假定N 极的磁力线进入纸面，S极的磁力线从纸面穿出。
绕组展开图
第三步，将1号元件的上层边放在1号槽（实线）并与1
号换向片相联，其下层边放在第5号槽（ 1 y1 5 ）的下
层（虚线）；因 y yc 1 ，所以1号元件的末端应连接
图3.5 直流电机的主磁极 1—主极铁心 2—励磁绕组
直流电机的结构
换向极 功率在1kW以上的直流电机，通常要在相邻两主磁极之 间装设换向极，又称附加极或间极，其作用是改善换向。 换向极也由铁心和绕组构成，如图3.6所示。铁心一般 用整块钢或薄钢板加工而成，换向极绕组与电枢绕组串 联。
图3.6 直流电机的换向极
导体受力的方向用左手定则确定。在图3.3所示瞬间，导体 ab的受力方向是从右向左，导体cd的受力方向是从左向右， 都产生逆时针方向的转矩，使电枢沿逆时针方向转动。当电 枢转过180o后，导体cd在N极下，导体ab在S极下，直流电 源供给的电流方向不变，但线圈内电流方向发生了变化，导 体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向变为从左向右， 产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向，使线圈继续沿逆时 针方向旋转。因此，由于换向器的作用，直流电流交替地由 导体ab和cd流入，使处于N极下的线圈边中电流的方向总是 由电刷A流入，而处于S极下的线圈边中电流的方向总是从电 刷B流出，从而产生方向不变的转矩，使电动机连续旋转， 这就是直流电动机的工作原理。
电机学第三章直流电机
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
华中科技大学版【电机学】(第三版)电子讲稿【第三章】
第三章直流电机的稳态分析主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的启动、调速和制动进行了分析。
3-1直流电机的工作原理和基本结构电机是由两大部分组成1、静止部分——定子2、旋转部分——转子一、直流电机的静止部分（定子）1、主磁极主磁通的作用是建立主磁场。
主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成它的，铁心是由1～1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。
极靴的作用是使主磁通在过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。
2、机座其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。
通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。
3、换向极换向极装在两极之间。
其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。
4、电刷装置电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。
二、直流电机的转动部分1、电枢铁心电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢部分绕组的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅钢片叠压而成.2、电枢绕组.电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧.3、换向器换向器也是直流电机的重要部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。
换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上.三、电流电机的工作原理1、直流电动机的工作原理我们首先分析一个简单的物理模型，图中N.S是一对磁铁,它可以是永久磁铁,也可以为电磁铁，所谓电磁铁就是在磁极铁心上绕上励磁线圈且通入直流，便产生固定的极性。
电机学 第3章
— 原动机的驱动转矩；
— 为电磁转矩。
2、电动机情况下
电磁转矩为驱动转矩，有
式中，
— 电动机轴上的负载转矩。
三、电磁功率
电磁功率用 将 表示，则 代入上式，得
发电机： 机械能 电动机： 电能
转化为电能
；
转化为机械能 Te 。
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。
3.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
电刷 ＋ U －
N ＋ U －
N
S
换向片
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
大连理工大学电气工程系
3.1 直流电机的工作原理
电磁关系
直流 电流
换向
交流 电流
Φ
电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
克服
反电 做功 动势
大连理工大学电气工程系
3.1 直流电机的工作原理
2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应
发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；
电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。 电动机：与发电机的情况相反。
3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
一、电枢绕组的感应电动势
设气隙磁场的分布（如图3－7）所示，则每 根导体的感应电动势为 式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
着磁极的中心线： ① 电刷之间的电动 势最大。 ② 被电刷短接的元 件电动势为零。 ※ 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。
几何中心线
大连理工大学电气工程系
电机学第五版第3章 直流电机
2.转矩方程
发电机情况下 电磁转矩为制动转矩，有
— 原动机的驱动转矩； — 电机本身的机械阻力转矩； — 为电磁转矩。 电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩，有
图3-29 直流电机的电磁转矩和外施转矩 a)发电机 b)电动机
— 电动机轴上的负载转矩。
3.电磁功率
电磁功率用 因
表示，则 ，得
发电机： 机械能 电动机： 电能
1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节 3.直流电动机的制动
1.直流电动机的起动
直流电动机常用的起动方法： （1）直接起动； （2）电枢回路接入变阻器起动； （3）降压起动。
图3-48 三点起动器 及其接线图
2.直流电动机转速的调节
从直流电动机的转速公式
可知，调速方法有两种： (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
式中 令
为电枢绕组的总导体数， 为平均气隙磁密，
为并联支路对数。
则上式改写为
将
代入上式得出
1.电枢绕组的感应电动势
电动势公式 ：
式中：
— 每极的总磁通量；
— 电动势常数；
— 电动势公式。
2.电枢的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距
为
式中， — 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩
3.串励电动机的运行特性
串励电动机的特点是，电 枢电流、线路电流和励磁 电流三者相等
图3-42 串励电动机 的接线图
3.串励电动机的运行特性
图3-43 串励电动机的工作特性
3.串励电动机的运行特性
图3-44 串励电动机的机械特性
电机学直流电机3-直流发电机
If
A
I Ia A
S
V
RL
rj
1
3-1 他励直流发电机的特性
一、他励发电机的空载特性（开路特性）是怎样的？
n = 额定转速，I = 0 条件下，端电压与负载电流之间的关系曲线U = f ( If ) 称为空载特性。 空载特性与电机主磁路的磁化曲线 F = f ( Ff ) 具有相似性。 空载特性反映了电机的饱和情况。额定工作点一般在曲线弯曲处。
Ia
I
n
Ea
If
Rc
U
Rf
U UN
4
2
1
3
IN
I
7
直流电机例题 3
3－1 一台并励直流发电机的额定数据为： PN 100kW ，额定电压 UN 230V
并励绕组的每极匝数为 Nb 940 ，空载时建立额定电压需要的励磁电流 I fN 7A
而在满载时建立额定电压需要的励磁电流为 I f 8.85A
现欲将该电机改成平复励发电机，每极串联匝数应取多少？
发电机端电压随负载变化而变化的幅度可用电压变化率 U 来衡量。n =nN，I=IfN 时，发电 机从额定负载过渡到空载时，端电压的变化值对额定电压的百分比。
他励发电机的电压变化率U 一般在5％～10％。
U Ea Ra Ia CenN Ra I
U U0 U N 100% UN
Ia
U
If
Ea U
一、什么叫自励？
自励：励磁绕阻并接于电枢绕组两端，由发电机本身的端电压提供励磁，而发电机的端电压 又必须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的 U = 0 到正常运行时U 为一定值， 有一个自己建立电压的过程, 这一过程称为自励过程。
电机学课后习题答案
电机学（十五课本）第二章 变压器A U S I NN N 5131036310560033322=⨯⨯⨯==.，AI I NN 2963513322===φ额定电压：kVU U N N 7745310311.===φkV U U N N 3622.==φ1）低压侧开路实验：()Ω===212434736800322200..''φI p R mΩ===6147434763002020..''φφI U Z mΩ=-=-=414692124614742222...''''''m mm R Z X折算到高压侧（一次侧）：Ω=⨯==21042124916402...''m m R k RΩ=⨯==8123241469916402...''m m X k X一次阻抗基值：Ω===87173235774111.φφN N b I U Z835871721041...===*bm m Z R R ，02698717812321...===*bm m Z X X高压侧短路实验：Ω===057503233180003221.φk k k I p R Ω====9830323355031111.φφφk k k k k I U I U ZΩ=-=-=98100575098302222...k k k R Z X 0032508717057501...===*bk k Z R R ，05490871798101...===*bkk Z X X2）采用近似等效电路，满载且802.cos =ϕ（滞后）时，取0220∠=-∙U U ，则：2873680..arccos ==ϕ，222228736323873691640296...''-∠=-∠=-∠=-∠=-∙ϕϕφφφkI I I N N4242916402057849531787363236586983022200221........''j U kU U k U I Z U k ++=+∠=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-∠⨯∠=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=∙∙∙∙φφ若111ϕφφ∠=∙U U ，则：()222214242205.++=kU U φ，而V U U N 577411==φφ从而：V U 60732=，0206073∠=-∙U ，1426073916402420569242....arctan=⨯+=ϕ，V U 4257741.∠=∙φA Z U I mm 768291531785614744257741.....-∠=∠∠==∙∙φ，AI I I I m 0021146376326873632376829153.....'-∠=-∠+-∠=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+==∙∙∙∙φφ3）电压调整率：%.%.%%'56310057746073916405774100577457741002121=⨯⨯-=⨯-=⨯-=∆kU U U U U N N φφ或()()%.%....%sin cos %sin cos %''''554310060054908000325010010010022212222121=⨯⨯+⨯=⨯+=⨯+≈⨯-=∆***ϕϕϕϕφφφk k N k k N N X R I U X I R I U U U U输出功率：kW S P N 448080560022=⨯==.cos ϕ输入功率：kW p p P P Fe cu 845048618448021..=++=++= 额定效率：%.%.%459910084504448010012=⨯=⨯=P P η第三章 直流电机3-11一台他励发电机的转速提高20%，空载电压会提高多少（设励磁电流保持不变）？若为并励发电机，则电压升高的百分值比他励发电机多还是少（设励磁电阻不变）？解：他励发电机Φn C E U e ==0，励磁电流不变，磁通不变，转速提高20%，空载电压会提高20%；并励发电机，f f e R I n C E U ===Φ0，转速提高，空载电压提高，空载电压提高，励磁电流提高，磁通提高，空载电压进一步提高，所以，并励发电机，转速提高20%，空载电压升高的百分值大于他励时的20% 。
机电传动第三章直流电机PPT课件
流）。
注意：各部件的作用。
.
21
结构 细说
转轴
风叶 磁极 电刷 换向器
换向片
电枢转子
换向器
压紧环.
电枢绕组
绕组端部
22
• 静止部分（称为定子）
– 产生磁场和构成磁路 ,电机机械支撑
• 旋转部分（称为转子）
– 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换
• 定子和转子之间间隙 （称为空气隙）
– 气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重 要组成部分
运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属
软机械特性。
n
T
.
45
2、人为机械特性
• 人为机械特性是指人为改变（3·13）中的 相关参数得到的机械特性。人为改变电机 的机械特性是为了满足启动、停止、调速 等使用要求。
• 在（3·13）中可改变的有电压U、励磁φ和 电阻R。
产生电磁转矩，称为主磁通 0，
.
28
2、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，称为漏磁通 σ .
.
29
.
30
空载时每极主磁通为：
.
31
3、电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为 电枢反应。 而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴 电枢反应和直轴电枢反应，
（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。
（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
.
9
§3.2 工作 原理
一、 工作原理
电刷
+
U
N I
I
–
电机学第三章 直流电机的稳态分析
展开直流电机的转子
N
1 2 3 4 5
单叠绕组的设计
τ
τ
τ
τ
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16 1
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16
1
2
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
一 、空载气隙磁场
气隙磁场是产生感应电动势并进行能量转换的场所
平顶波
二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应
安培环路定律 当电枢电流Ia不是零时（负载时电枢输出或输入电流），绕 组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场。 此时，气隙磁场就由主机磁动势和电枢磁动势两者合成的磁 动势建立磁场。 由前面分析直流电机中电刷（固定的）是电枢表面导体中电 流方向的分界线（电枢磁势的轴线总是与电刷轴线重合）， 因此电枢电流建立的电枢磁动势与电刷位置有关，下面分别 讨论不同电刷位置时的电枢磁动势。
叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指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，象波浪式的前进。
元件的概念
上元件边 前端接
N S
前端接
下元件边
换向片
电枢绕组的元件
线圈在槽中的安排
1. 元件数等于虚槽数 2.每一个元件两个边接到两个换向片上，每一个换向片接两个 元件的边，因此元件数等于换向片数
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 1.直流电动机以其良好的启动性能和调速性能著称。 2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。 结构较复杂 直流电机 成本较高 可靠性较差 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! 使它的应用受到限制
《电机与电气控制技术》第2版 习题解答 第三章 直流电机
《电机与电气控制技术》第2版习题解答第三章直流电机3—1直流电机中为何要用电刷和换向器，它们有何作用？答:直流发电机与直流电动机的电刷是直流电压、电流引出与引入的装置.在发电机中换向器是将电枢元件中的交变电势度换为电刷向直流电势；在电动机中换向器使外加直流电流变为电枢元件中的交流电流,产生恒定方向的转矩，使电枢旋转。
3—4阐明直流电动机电磁转矩和电枢电动势公式T=C tφI a1，E a=C eφn中各物理量的涵义。
答：直流电动机电磁转矩T=C TφI a式中C T：与电动机结构有关的常数，称转矩系数;φ:每极磁通；I a：电枢电流、T:电磁转矩。
直流电动机电枢电动势公式E a=C eφn式中:C e:与电动机结构有关的另一常数，称电动势系数；φ:每极磁通；n：电动机转速；E a：电枢电动势。
3-5直流电动机电枢电动势为何称为反电动势?答：直流电动机电枢转动时，电枢绕组导体切割磁力线，产生感应电动势,由于该电动势方向与电枢电流的方向相反，故称为反电动势。
3-6试写出直流电动机的基本方程式，它们的物理意义各是什么?答:直流电动机的基本方程式有电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式.1）电动势平衡方程式：U=E a+I a R a式中U：电枢电压;E a：电枢电动势；I a:电枢电流；R a:电枢回路中内电阻.2)功率平衡方程式：电动机的输入电功率P1=P em+P cua式中P em：电磁功率P cua：电枢绕组的铜损电动机输出的机械功率:P2=P em-P Fe-P m=P1-P cua-P Fe-P m式中P Fe：电枢铁心损耗；P m：机械损耗;P1：电动机输入的电功率.3）转矩平衡方程式：T2=T-T0式中T2:电动机轴上输出的机械转矩；T：电动机电磁转矩;T0：空载转矩.3。
7。
何谓直流电动机的机械特性，写出他励直流电动机的机械特性方程式。
答：直流电动机的机械特性是在稳定运行情况下,电动机的转速n与机械负载转矩T L之间的关系，即n=f（T L).机械特性表明电动机转速因外部负载变化而变化的情况,由于电动机电磁转矩T近似等于910负载转矩T L ，故n=f(T L )常写成n=f(T)。
机电传动控制 第3章 直流电机
机电传动控制第3章直流电机的工作原理及特性各种各样的电机常用的电机主要分为两大类：驱动电机：是设备的主要动力源，包括各类交流、直流电动机及步进电动机。
交流异步电动机较之其他类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，应用广泛。
控制电机：常见的有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机、测速发电机等，这类电机的主要任务时转换和传递控制信号，能量传递时次要的。
常用电机分类：第3章直流电机的工作原理及特性电机分为直流电机和交流电机。
直流电机——工作电压或输出电压为直流电压。
交流电机——工作电压为交流电压。
直流电机：直流电动机——将电能转换成机械能。
直流发电机——将机械能转换成电能。
直流电机与交流电机的比较交流电机较直流电机的结构简单，制造容易，维护方便，运行可靠；直流电机有交流电机不可比拟的启动和调速性能；直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和制动频繁的场合；直流电机即可做电动机用，又可作发电机用。
3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构包括定子、转子和换向器实际直流电机构造定子实际直流电机构造转子换向片剖视图3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构定子部分：主要由主磁极、换向极（铁芯）和绕在上面的励磁绕组等组成。
作用：产生主磁场和支撑电机转子部分：主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成。
作用：产生感应电动势和机械转矩，实现能量转换。
主磁极：产生气隙磁场，以便电枢绕组在此磁场中转动而感应电势。
产生磁场有两种方法，一是采用永久磁铁作主磁极——永磁直流电机(绝大部分的微小型直流电机)；二是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场(中大型直流电机) 。
电枢铁芯：主磁通磁路的一部分，嵌置电枢绕组。
一般用0.5或0.35毫米厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，以防涡流。
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第3章 直流电机
2.电刷不在几何中心线上时
方法： - 垂直分解，电枢磁势 Fa
直轴分量 Fad
交轴分量 Faq
+
Fa
=
Fad
+
Faq
第3章 直流电机
三、电枢反应
电枢反应：负载上时电枢磁动势对主极磁场的影响 说明：
电枢反应包括直轴电枢反应和交轴电枢反应 电枢反应和电刷的位置有关
- 电刷的位置决定了电流的位置
1
2
第3章 直流电机
τ
τ
τ
τ
1
2N 3
4
5
6 S
7
8
9 N 10 11 12
S 14
15
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
1
2
第3章 直流电机
τ
τ
τ
τ
1
2N 3
4
5
6 S
7
8
9 N 10 11 12 13S 14 15
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
1
2
第3章 直流电机 • 绕组连接顺序图 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1
- 电枢电流忽略不计 - 发电机：等于0 - 电动机：很小
• 气隙中只有主极磁场
空载时磁场分布
第3章 直流电机
2.磁通分成主磁通和漏磁通
• 主磁通通过气隙 - 交链定、转子 - 在电枢绕组中感应电动势 - 或产生电磁转矩
• 漏磁通不通过气隙 - 只交链定子 - 浪费磁势 - 大约是主磁通的20% 空载时磁场分布
方向：和主极磁场垂直
波形：平顶波
性质： - 不饱和时，既不增磁也不去磁
- 饱和时，有一定的去磁
Faq A( b ) 2
第3章 直流电机
Thanks for your attention!
谢谢 ！
y1
Qu 15 3 3 ----绕组是短距的！ 2p 4 4
K 1 15 1 y yc 7 p 2
y 2 y y1 7 3 4
第3章 直流电机
τ
τ
τ
τ
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
14 15
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
B2
• 注意：该瞬间，5个元件被短接！
第3章 直流电机
单叠绕组 • 先串联所有在同一极下的元件， 形成一条支路 每增加一对主极就增加一对支路，2a＝＝2p
•
并联支路数多， 每条支路中串联元件数少，适用于 较低电压较大电流的电机或高速电机
单波绕组 • 把全部相同极性下的元件相连，形成一条支路 整个绕组只有一对支路， 2a＝＝2 • 并联支路数少， 每条支路中串联元件数多， 适用于 较高电压较小电流的电机
1 y1 y y2
1
第3章 直流电机
说明：
• 为了使串联的元件的电势同向相加， 合成节距应当满足：
y 2 , y 2
p yc k 1
k 1 yc p
N S N S
第3章 直流电机
[例]
已知一台直流电机， 2p＝4， Qu＝S＝K＝15，u=1，画出 单波绕组展开图。 [解] 基本过程同前例
第3章 直流电机
• 漏磁通的表示方法
• 引入漏磁系数 kσ
0 f f k 1 0 0
• kσ数值：1.2左右 • 总磁通大小：
-- 漏磁通 -- 主磁通
k 0
第3章 直流电机
一台四极直流电机空载时的磁场示意图 特点：每1/4都是对称的
第3章 直流电机
3.气隙磁场分布规律
• 沿圆周展开 • 极靴宽度 bp< 极距τ - 减小漏磁，保证换向性能 • 定义：极弧系数 αi
i
bp
空载时直流电机的气隙磁场
• 数值：< 1，一般在 0.6 ~ 0.8
第3章 直流电机
• 空载时，磁动势主要消耗在气 隙上
BH
F
• 气隙磁密的分布就取决于气隙 的大小和形状 • 主极下气隙处处均匀 • 波形：平顶波 空载时直流电机的气隙磁场
第3章 直流电机
思考题 1、一台四极直流发电机，电枢为单叠绕组，原为四组电刷， 现取去相邻两组电刷，问电机的端电压及允许通过的电枢电 流会发生什么变化？ 2、如果通过测量电阻来断定直流电机绕组是否断线问题， 如何测量？
第3章 直流电机
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 1.电机空载的特性
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Fa A
2
f a ( x) Ax
f a ( x) f a ( x)
Nia 电负荷： A D
1 A 2x A x 2
第3章 直流电机 交轴磁动势和磁密的波形 电枢磁动势 Fa 在气隙圆周方向空间分布是三角形波
电枢磁动势产生的气隙磁密 Ba 是对称的马鞍形波
第3章 直流电机
1.直轴电枢反应的性质
方向：和主极磁场重合 波形：平顶波
性质：
- 要么增磁，要么去磁
Fad Ab
第3章 直流电机
N n
N n
S
S
发电机： 顺向移刷去磁，逆向移刷增磁
第3章 直流电机
N n
N n
S
S
电动机： 顺向移刷增磁，逆向移刷去磁
第3章 直流电机
2.交轴电枢反应的性质
第3章 直流电机
4.空载特性
0 N
膝点
• 空载气隙磁通与空载励磁 电流的关系 - 磁化曲线 • 为了合理地利用材料，一 般额定运行点设定在拐点 （图中A点）
饱和部分
A
不饱和部分
If
0
I fN
第3章 直流电机
二、负载时直流电机的磁场
负载特点 • 负载后，电枢绕组中有电流，电枢磁动势 主极磁动势 合成磁动势 电枢磁动势 气隙磁场
第3章 直流电机
四、单波绕组
连接规律：将相隔约为两个极距的同极性磁场下对应位置的所有 元件依次串联起来，绕行一周后恰好回到出发换向片相邻换向片， 直到连完全部元件，最后回到出发换向片，构成一个闭合回路。 • 波： 两个相邻的元件串联后形似波浪 • 单： 首末端相联的两换向片相隔很远，最后也相差一个 换向片的宽度
第3章 直流电机
定义两个轴：直轴，交轴
直轴：与主极轴线重合的轴 -d轴
交轴：与主极轴线正交的轴
-q轴
第3章 直流电机
1.电刷在几何中心线上时
注意： - 电刷是电流的分界线 结论： 只有电枢电流时，电枢 磁动势为交轴磁动势 A
O
B
第3章 直流电机 交轴电枢磁动势
A
O
-X X
B
2
Bax Fax
Bax 0 H ax 0
x
f ax
0
Ax
x
第3章 直流电机 气隙合成磁场分布
电枢磁场
主极磁场
逐点叠加后的 气隙合成磁场
沿圆周方向展开后的磁场分布
第3章 直流电机 结果： - 波形不再对称 - 磁力线发生扭曲 主磁场分布 + 电枢磁场分布
负载后电机的磁场
＋y
上层元件边
＋y 1
1
8
15
7
14
6
13
5
12
4
11
3
10
2
9
1
闭合
下层元件边
＋y2
5 ＋y
12
4
11
3
10
2
9
1
8
15
7
14
6
13
第3章 直流电机
• 特点：同一极性的主磁极下所有的元件组成一条支路
单波绕组的电路图
15 8
7
14
6
13
A1
1 15 9 1 2
8 9
A2
12
5
5 4
B1
12 10 3 11 4