第3章 直流电动机的工作原理及特性

3、4—换向器：电刷 固定不动，换向片与电 枢绕组一起旋转，主要 作用对发电机而言是将 电枢绕组内感应的交流 电势转换成电刷间的直 流电势。对电动机而言， 则是将外加的直流 电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一 磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生 恒定的电磁转矩。
1．发电机原理：将机械能转换为电能。 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电 枢线圈的两根有效边 ab 和 cd （切割磁力线的 导体部分）中便感应出电动势e。 显然，每一有效边中的电动势是交变的， 即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是
（2）将励磁绕组两端接线对调以改变励磁电 流的方向； （3）减小调节电阻 。
Rf
（二）、空载特性
并励发电机的空载特性与一般电机的空 载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压 不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一 象限。
（三）、外特性
并励发电机的外特性与他励发电机相 似，也是一条下降曲线。 对并励发电机，除了像他励发电机存 在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电 阻压降使端电压下降外，还有第三个原因： 由于上述两个原因使端电压下降，引起励 磁电流减小，端电压进一步下降。
Ra U n T ……机械特性 2 K e K e K m
对应的机械特性如图所示：
由他励电动机的特性可知：励磁电流If的 大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只 取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定时, If为定值，即磁通为定值。
理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为 理想空载转速，用n0 表示。
根据机械特性可知：
U n0 K e
2. 转速降落
R a n n T 0 K K 2 e m
3. 机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一 个机械特性硬度的概念，其定义为：
dT Δ T 100% dn Δ n
即转矩变化与所引起的转速变化的比值，
称为机械特性的硬度，记作β 。
(3) 求理想空载转速:
UN n0 K e矩:
PN
PN TN 9.55 N nN
得 根据
TN , nN
0 , n0 、 TN , nN
3.2直流发电机 流发电机按定子励磁绕组的励磁方式不 同可分为四类： 1．他励发电机：励磁绕组由外加电源单 独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或 电枢电流的大小无关。如图（a）所示。
2. 并励发电机：励磁绕组与电枢绕组并联
连接，由外部电源一起供电。如图（ b）所示。 3．串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联 连接，由外部电源一起供电。如图（ c ）所示： 4．复励发电机：励磁绕组分为两部分，一 部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕 组串联连接。如图（d）所示:
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
1.机座、2.励磁绕组、3.轴承端盖、4.换向器、5.摇环 与刷握、6.风扇、7.主磁极、8.电枢铁心、9.电枢绕组
根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为
定子、转子和换向器三大部分。
定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两 部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上， 换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
第三章
学习内容： • • •
直流电机的工作原理及特性
了解直流电机的基本结构及工作原理； 掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；
• 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方
法以及它们的使用场所。
电机分类： 电机分交流和直流两种： 直流电机—工作电压或输出的电压为直流； 交流电机—工作电压为交流。 直流电机分直流发电机和直流发电机两种： 直流发电机—将机械能转换为电能； 直流电动机—将电能转换为机械能。
0
If0 I f
原动机带动发电机旋转时，如果主磁极 有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。 在电动势作用下励磁回路产生If 。如果励 磁绕组和电枢绕组连接正确，If产生与剩磁 方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动 势增大， If增加。如此不断增长，直到励磁
绕组两端电压与IfRf相等时，达到稳定的平
（三）复励发电机
电机的主极上装有并励和串励两套励磁绕
组，在两个绕组中，并励绕组的磁势起主要
作用，以保证发电机在空载时能建立额定电
压；串励绕组用来自动调节发电机的电压，
以适应不同负载的要求。
优点：串励绕组能自动增加磁通，以补偿端 电压的下降。所以带负载时，它的端电压下 降不多。
3.3直流电动机的机械特性 他励电动机 并励电动机 直流电动机 串励电动机
三、电动势和电磁转矩
1. 电动势E
根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:
E K e n
式中：E——感应电动势（V）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； n——电枢转速（r/min）； Ke——与电机结构有关的常数。
直流发电机中，电动势的方向总是与电 流的方向相同，被称为电源电动势。 直流电动机中，电动势的方向总是与电 流的方向相反，被称为反电动势。 2．电磁转矩TM 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生 电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：
从以上分析可知，直流电机作发电机运行 和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电 磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ： 电机运 行方式 发电机 电动机 E与 I 的 方向 相同 相反 TM的 性质 阻转矩 转矩之间 的关系 T1=TM+ T0
E的作用 电源电 动势
反电动 势
驱动转 矩
TM= TL+ T0
另一个方向。
但是，由于电刷A总是同与N极下的有效
边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S
极下的有效边相联的换向片接触，因此， 在电刷间就出现一个极性不变的电动势或 电压，当电刷之间接有负载时，在电动势 的作用下就在电路中产生一定方向的电流。
2．电动机原理：将电能转换为机械能。 直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。
TM K m I a
式中： TM——电磁转矩（N· m）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； Ia——电枢电流（A）； Km—— 与 电 机 结 构 有 关 的 常 数 ， Km=9.55 Ke
直流发电机和直流发电机的电磁转矩的作用 是不同的。
发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢 转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。 因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与 发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢 转动。因此，发电机的电磁转矩TM必须与机械 负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。
2
式中：
PN N UN IN
是额定运行条件下电动机的效率，且此时
Ia I N
故得 (2) 求 K e N 额定运行条件下的反电势为：
PN U N Ra (0.5 ~ 0.75)(1 ) UN IN IN
E N K e nN U N I N Ra
故
U N I N Ra K e N nN
空载特性曲
U 线上升分支
平均空载特性曲线
If
空载特性曲线下降分支
可见，空载特性曲线不是从坐标原点开始， 在If =0时，已有一个数值不大的电动势，它 是有磁极的剩磁产生的；特性曲线开始 部分 近于直线，因为电机磁路不饱和；而后逐渐 向横轴方向弯曲，最后又平坦，因为电机磁 路渐趋饱和。
可通过改变励磁电流的方法来获得所需 的电压
复励电动机
一、 直流他励电动机的机械特性
（一）、机械特性的一般形式
电动机的机械特性指的是转速与电磁转 矩之间的关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不 尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的 较广泛的他励电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。
励磁回路部分
电枢回路部分 式中:
二、基本的工作原理
为了讨论直流 电机的工作原理，可 把复杂的直流电机结 构简化为电机具有一 对主磁极，电枢绕组 只是一个线圈，线圈 两端分别联在两个换 向片上，换向片上压 着电刷A和B。如图所 示：
1— 主磁极：励磁绕组上加上直流电压， 励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心 产生固定磁场，即定子的主要作用是产生 主磁场。 2—电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要 作用是产生感应电动势或产生机械转矩， 实现能量的转换。 3—电刷 4—换向片
固有机械特性的计算步骤如下。
(1) 估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗 Ia2Ra约占总损耗 PN的50%～75%。
Δ PN＝输入功率－输出功率 ＝U NI N PN ＝U N I N NU N I N ＝(1 N )U N I N I a Ra (0.5 ~ 0.75)(1 N )U N I N
二、并励发电机的自励条件和外特性
电压平衡方程
U E I a Ra I f U / Rf I U / R Ia I f I I
3.7
3.10
（一）、自励条件
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回 路总电阻 R 特性曲线，也称场阻线
f
E I f Rf
U
U0
3 2 A 1
dT Δ T 100% dn Δ n
根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。 （1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是 在额定条件（额定电压UN和额定磁通 N 下 和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)
衡工作点A。
增大 R f，场阻线变为曲线3时，R f 称为 临界电阻 Rcr。如图所示。 若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。 可见，并励直流发电机的自励条件有： （1）电机的主磁路有剩磁 （2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要 正确 （3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界 电阻