第02章直流电机的基本理论
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《直流电机基础》PPT课件
2
Bxldx
2
Ia 2aai
重要结论： TemCMIa
CM
pZ
2a
〔CM为转矩系数、转矩常数〕
特点： ·增加电机磁极对数p或总导体数 Z可增大电磁转矩。 TemCTIa，CT＝CM＝常数
·对他励DCCM －M60，9不.55考虑电枢反 响影响时、Ce励磁2电流恒定时，有
七、直流电机的换向
1、换向的电磁现象
〔3〕dx区间内导体所建d立 T 的T x(转D Z a矩d：)x B xlai2 Z dx
〔4T 〕主 2 2d 极 T 下Z 2 a 导i 2 2 体B xl产d 生其Z 2 x a 的中i转磁矩通：
T e m 2 p 2 T p 2 Z 2 2 a a a 2 i p a I a Z C M I a
Z 直流 F 发电机 D 电动机 W 卧式 L 立式
直流电机
O 封闭 C 船用 K 高速 Q 牵引 Y 冶金
2、直流电机的额定值：
〔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，单位为 “W〞。当功率大于1kW或1MW时, 那么用“kW〞或“MW〞表示。
注意：
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额 定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN
〔1〕电抗电动势 exeL eM L xd d ai tL x2 T iK a 〔2〕电枢反响电动势 e a ea2NyBalv
2、改善换向的方法
3、补偿绕组
B a x 0H a x 0F a(xT)
Fa xy
1
2iaNy(A),2x2
Faxy 12iaNy(A),2x32
N
N
N
几何
中性线
直流电动机基本理论知识
直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的，但任何直流电机都包括定子部分和转子部分，这两部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电路和磁场发生相对运动。
直流电机定子部分主要由主磁极、电刷装置和换向极等组成，转子部分主要由电枢绕组、换向器和转轴等构成。
结构图如图2-1。
图2-1直流电机结构图1-电刷；2-磁轭；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁轭1．定子部分（1）主磁极: 其作用是产生磁场。
通常用厚1-1.5mm的低碳钢片叠装而成。
在磁极铁心上绕有励磁绕组，整个磁极利用螺杆固定在磁轭上。
（2）换向极: 其作用是改善换向，使电机运行时电刷下不产生有害的火花。
换向极也是由铁心及绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。
（3）机座: 机座分磁轭和底脚两部分。
磁轭的作用是固定主磁极和换向极，是磁路的一部分。
底脚起支撑和固定整台电机的作用。
机座一般式用铸钢铁制造或钢板焊接而成。
2．转子部分（1）电枢铁心:电枢铁心是磁路的一部分，表面开槽以嵌放电枢绕组，为减少铁耗，采用0.35-0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，固定在转子支架或转轴上。
（2）电枢绕组:电枢绕组由许多按一定规则连接起来的线圈组成，是通过电流和产生电动势的关键性部件。
线圈用带绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。
嵌放在电枢铁心表面的槽内直流电机采用双层绕组，每槽内的线圈边分上、下两层，上下层之间及线圈于铁心之间都是要可靠绝缘。
槽口用槽契压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，大型电机中，绕组伸出槽外的端接部分应扎紧在支架上。
直流电动机的工作原理电动机是一种把电能转变为机械能的机械。
它的基本原理是利用带电导体和磁场间的相互作用而把电能变为机械能。
电动机结构主要包括两部分：转子和定子。
转子为电动机的旋转部分，由转轴座组成，导体绕组的排列方式决定电动机的类型及其特性。
绝大多数的电动机都须作连续的转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。
两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。
直流电机基础(电气控制课件)
1、并励直流电动机的工作特性：
A、转速特性：
Ea Cen U Ea Ra Ia
直流电机
直流电机工作特性
n
U Ce
Ra Ce
Ia
n0
'Ia
其中，
n0
U Ce
为理想空载转速。
转速特性为一斜率为
' Ra Ce
的直线
当电机磁路饱和时，随着 P2 的增大，I a 增大，电枢反应的去磁作用使 n 增大，直线上翘。
外特性
U f (Ia) , I f C, n C
调节特性 I f f (Ia ) , U C, n C
直流电机
直流电机工作特性
以他励发电机为例分析其工作特性：
1、他励发电机空载特性：当电机 n ne时，调节 I 使f 发电机空载端电压 U0 1.1 ~ 1.3Ue ，
然后使 I f 逐渐回到零，测取空载端电压 U0与 I f 0关系曲线 即为空载特性曲线 U0 f (I f )
消耗于摩擦损耗、通风和机械损耗。 消耗于铁心中的损耗。
铁耗： pFe 由于电枢旋转时主磁通在电枢铁心内
交变而引起的。
直流电机
直流电机运行原理
铜耗： pc u1
电枢回路铜耗
励磁回路铜耗
电刷接触铜耗
pcua
I
2 a
ra
pcuf
I
2 f
rf
ps 2Ia Us
2 Us 为一对电刷总接触电压降
直流电机
直流电机工作特性
直流电机
直流电机结构
（2）换向极
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装 在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成， 套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等
《电机与拖动学习指导与实验教程》教学课件—02直流电机精选全文
（6）额定励磁电流IfN（A）。
2.2 直流电机的铭牌与励磁方式 2.2.1直流电机的铭牌
对发电机额定功率为： PN U N I N
对发电机额定功率为： PN U N I NN
2.2 直流电机的铭牌与励磁方式
例2-1：已知某直流电动机铭牌数据如下： PN =75kW，UN =220V，nN =1500r/min，ηN =88.5%， 试求：该电机的输入功率及额定电流各是多少？
K S Qu
2.3.1电枢绕组的基本概念
4极（ p 2 ）直流电机结构示意图：
主极轴线：磁极的中心线 几何中性线：磁极之间的平分线
主极轴线
N 几何中性线
极距 ：在电枢铁心表面上， S
S
一个极所占的距离。用虚槽数表
示为：
Qu (虚槽)
2p
N
极距τ
2.3.2直流电枢绕组的节距
电枢绕组的连接规律是通过绕 组的节距来表征。
串励、复励三种电机。
U
U
U
U
Ia M
If
Uf
F
I M
Ia
If F
I
If F
M Ia
I
M Ia
If F
（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励
图中：I为电源电流，If为励磁电流，Ia为电枢电流。
2.2.2直流电机励磁方式
1）他励式 他励式是指励磁绕组由其他电源供电，励磁绕
组与电枢绕组不相连。永磁直流电机也属于他励 直流电机，因励磁磁场与电枢电流无关。
（2）直流发电机的工作原理
b N
c N
ina A
c
i nd A
b
d
B S
a B
2.2 直流电机的铭牌与励磁方式 2.2.1直流电机的铭牌
对发电机额定功率为： PN U N I N
对发电机额定功率为： PN U N I NN
2.2 直流电机的铭牌与励磁方式
例2-1：已知某直流电动机铭牌数据如下： PN =75kW，UN =220V，nN =1500r/min，ηN =88.5%， 试求：该电机的输入功率及额定电流各是多少？
K S Qu
2.3.1电枢绕组的基本概念
4极（ p 2 ）直流电机结构示意图：
主极轴线：磁极的中心线 几何中性线：磁极之间的平分线
主极轴线
N 几何中性线
极距 ：在电枢铁心表面上， S
S
一个极所占的距离。用虚槽数表
示为：
Qu (虚槽)
2p
N
极距τ
2.3.2直流电枢绕组的节距
电枢绕组的连接规律是通过绕 组的节距来表征。
串励、复励三种电机。
U
U
U
U
Ia M
If
Uf
F
I M
Ia
If F
I
If F
M Ia
I
M Ia
If F
（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励
图中：I为电源电流，If为励磁电流，Ia为电枢电流。
2.2.2直流电机励磁方式
1）他励式 他励式是指励磁绕组由其他电源供电，励磁绕
组与电枢绕组不相连。永磁直流电机也属于他励 直流电机，因励磁磁场与电枢电流无关。
（2）直流发电机的工作原理
b N
c N
ina A
c
i nd A
b
d
B S
a B
《直流电机的工作原理及特性》PPT模板课件
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：
TKtIa
式中：T——电磁转矩（N·m）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； Ia——电枢电流（A）； Kt——与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke
3.2 直流他励电动机的机械特性
一、机械特性的一般形式
根据 0,n0、TN,nN
两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 nfT。
三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁
通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。
1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 U U N , N
n
Rad
If
U
Ia M E
3．3 直流他励电动机的启动特性
nN △n
决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf
的大小一定时, If为定值，即磁
△T
通为定值。
0
TN T
n 理想空载点 n0
nN △n
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
△T
n0 Ke
0
TN T
2. 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
直流发电机和直流电动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T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， 电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损 耗转矩T0相平衡。
直流电机的基本理论
16
附加损耗
铁损耗
电 机 学
在电机正常运行条件下，功率平衡方程式中的P1、 PM、P0 分别对应的表达式如下：
T1 T T0 P 1 P M P 0 其中，P0 T0 Pm PFe Ps pN 2 n pN PM T I a nI a Ce nI a Ea I a 2a 60 60a Ia I I f
电 机 学 基本方程式
U Ea I a Ra Ea CeΦn I I a I f (并励） P 1 P M pCua p f P2 PM ( pm p fe pad ) PM Ea I a PM TM CM ΦI a TM T2 T0
I
电 机 学
U
T1
T G Ia I f Ea
n
T0
U I f Rf
2、转矩平衡方程式 发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 T1 、电磁转 Tem 矩T 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 T0 。它是制动转矩，与 转速n方向相反，转矩平衡方程为：
15
Ra
U
T1 T T0
两个物理量之间的函数关系。
主要特性：
（1）外特性：If＝常数，U＝f（I） （2）调节特性：U＝常数，If＝f（I）。 （3）负载特性：I＝常数， U＝f（If）；
28
1 他励直流发电机的特性
电 机 学
他励发电机励磁回路与电枢回路互不连接，励磁电 流不随负载电流的变化而改变。
Rf
Ia
If
U
•电磁转矩：
•电磁转矩：
D
2 p
TM N
pN CM 2a
附加损耗
铁损耗
电 机 学
在电机正常运行条件下，功率平衡方程式中的P1、 PM、P0 分别对应的表达式如下：
T1 T T0 P 1 P M P 0 其中，P0 T0 Pm PFe Ps pN 2 n pN PM T I a nI a Ce nI a Ea I a 2a 60 60a Ia I I f
电 机 学 基本方程式
U Ea I a Ra Ea CeΦn I I a I f (并励） P 1 P M pCua p f P2 PM ( pm p fe pad ) PM Ea I a PM TM CM ΦI a TM T2 T0
I
电 机 学
U
T1
T G Ia I f Ea
n
T0
U I f Rf
2、转矩平衡方程式 发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 T1 、电磁转 Tem 矩T 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 T0 。它是制动转矩，与 转速n方向相反，转矩平衡方程为：
15
Ra
U
T1 T T0
两个物理量之间的函数关系。
主要特性：
（1）外特性：If＝常数，U＝f（I） （2）调节特性：U＝常数，If＝f（I）。 （3）负载特性：I＝常数， U＝f（If）；
28
1 他励直流发电机的特性
电 机 学
他励发电机励磁回路与电枢回路互不连接，励磁电 流不随负载电流的变化而改变。
Rf
Ia
If
U
•电磁转矩：
•电磁转矩：
D
2 p
TM N
pN CM 2a
直流电动机的机械特性PPT课件
nF n
I
F
16
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
U
Tem Cm Ia （2-1）
_
式中
pN
Cm 2 a
当磁场 一定时
电机转矩常数；
Tem Km Ia
式中 Km Cm —转矩系数；
第17页/共60页
IB
nF n
I
F
17
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
+
U
应用：机电系统驱动控制
_
2）发电机原理
I，U 直流电机
T，n
应用：机电系统制动控制
+
U
电机：电 能 机械能，称可逆原理
_
第13页/共60页
IB
nF n
I
F
IB
n
I
T
n
13
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
电磁力定律： （左手定理）
U
_
载流导体在磁场中，受电磁力作用；
p p0 pCua pFe pm ps pCua
24
第24页/共60页
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
他励电机稳态运行时的功率流程图
P1 P2 p
p pCua pFe pm ps
25
第25页/共60页
2.3 直流电动机的机械特性
2.3.1 他励电动机的机械特性
I
E
7
第7页/共60页
2.1 直流电机的基本结构及类型
I
F
16
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
U
Tem Cm Ia （2-1）
_
式中
pN
Cm 2 a
当磁场 一定时
电机转矩常数；
Tem Km Ia
式中 Km Cm —转矩系数；
第17页/共60页
IB
nF n
I
F
17
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
+
U
应用：机电系统驱动控制
_
2）发电机原理
I，U 直流电机
T，n
应用：机电系统制动控制
+
U
电机：电 能 机械能，称可逆原理
_
第13页/共60页
IB
nF n
I
F
IB
n
I
T
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2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
电磁力定律： （左手定理）
U
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载流导体在磁场中，受电磁力作用；
p p0 pCua pFe pm ps pCua
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第24页/共60页
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
他励电机稳态运行时的功率流程图
P1 P2 p
p pCua pFe pm ps
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2.3 直流电动机的机械特性
2.3.1 他励电动机的机械特性
I
E
7
第7页/共60页
2.1 直流电机的基本结构及类型
第2章 直流电机的基本理论
在几何中性线处 (x = /2) 的电枢磁动势为 1 Faq = A = Famax 2
7
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为 Fa(x) Ax Ba(x) = 0Ha(x) = 0 = 0 (x) (x)
※ ——等效气隙长度。
二、直流电机的电枢反应
负载时电机中磁场： 由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。 电枢反应： 电枢磁动势对主极磁场的影响。
26
2.6 直流电机的功率平衡方程
1. 输入功率 P1 2. 电磁功率 Pe P1 = U I = UaIa Pe=EIa 2 CT n Ia = Te Pe = EIa = Ce n Ia = 60
2n 其中，机械角速度： (rad / s ) 60
27
结论： 电动机将电枢吸收的电功率 EIa 转换成了机械 功率 Te ，故称 EIa 和 Te 为电磁功率。
3. 电磁转矩的方向和性质 方向：由 和 Ia 共同决定。 性质：发电机为制动转矩，Te 与 n 方向相反。 电动机为拖动转矩，Te 与 n 方向相同。 4. 电动势常数和转矩常数的关系 pN pN Ce = ，CT = 因为 2a 60a 60 则 CT = Ce = 9.55 Ce 2
23
30
PN PN 22 T2N 9550 9550 N m 140 N m ΩN nN 1500
T0 Te T2 145.7 140 N m 5.7 N m UN 220 n0 1654 r min CEΦN 0.133 UN Ra n0 T 2 0 CEΦN CECTΦN
3
B0
几何 中性线 磁场轴线 磁极轴线 几何 中性线
空载时电枢电流可忽略不计。 空载磁场由主磁极的励磁磁 动势单独作用产生。 空载时磁场轴线与磁极轴线 相重合。 几何中性线： 相邻两主极之间的中心线。 该处的径向磁通密度为零。
直流电机的基本常识
第一章直流电机的基本常识直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。
将机械能转换为直流电能的是直流发电机；将直流电能转换为机械能的是直流电动机。
与交流电机相比较，直流电机结构复杂、运行维护困难、成本高。
但直流电机具有宽广的的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等突出优点，仍广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械中，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。
由于电力电子技术的迅猛发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所替代。
本设计主要介绍电力机车上的大功率直流电机。
第二章第一节直流电机的基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙）。
1.定子直流电机定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑。
主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。
(1)机座兼起机械和导磁磁路两个作用。
它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁。
机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。
对于换向要求较高的电机，也可采用叠片结构的机座。
(2)主磁极主磁极由铁芯和主极线圈两部分组成。
主磁极铁芯一般用1~1.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。
（3）换向极换向极又称附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。
换向极由换向极铁芯和换向极线圈构成。
换向极铁芯大多用整块钢加工而成。
但在整流电源供电的功率较大的电机中，为了更好的改善电机换向，换向极铁芯也采用叠片结构。
换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁芯上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁。
（4）电刷装置电刷的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。
电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成。
电刷一般用石墨粉压制而成。
2.转子转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。
直流电机的基本理论
T
③ 不能用皮带轮传动。
串励电动机旳机械特征
2.5 直流电动机旳运营分析
4. 复励电动机
(1) 积复励、差复励。 (2) 机械特征 ① 有较大旳Tst 。 ② 能够空载运营。
+I U
－
n
O
Ia If
M
并励 复励 串励
T
第2章 直流电机旳基本理论
2.6 直流电动机旳功率和转矩
1. 功率平衡方程式（并励）
60 2
= 9.55
CT = 9.55 CE
第2章 直流电机旳基本理论
2.5 直流电动机旳运营分析
1. 他励电动机
励磁电压 Uf →If →Φ ↓
电枢电压 Ua →Ia →T →n →E
(1) 电压平衡方程式
励磁电路： Uf = Rf If
电枢电路： Ua = E + Ra Ia
+ Ia
If +
Ua E M
电枢反应旳影响 ① 总磁场被扭歪了
几何中心线与物理中心线分开了, 电刷位置处旳元件旳 e≠0，增长换向困难。 ② 二分之一磁极旳磁通增长，二分之一磁极旳磁通 降低， 磁路不饱和时每，极每磁极通磁降通低不，变e；和T 相应降低。 磁路饱和时，
第2章 直流电机旳基本理论
2.4 直流电机旳电磁转矩和电动势
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
3 6' 4 7' 5 8'
B1
11' 8 10' 7 9' 6
A1 A2
9 12' 10 1' 11 2'
电气工程概论第二章-直流电机上课讲义
电气工程概论第二章-直流电机
二、直流电机
(一) 直流发电机工作原理
(二) 直流电动机工作原理
（1）电机的可逆原理：直流电机可作为发电机运行，也可作 为电动机运行。
（2）换向器的作用是实现电枢线圈内的交流电动势、电流与 电刷的直流电压、电流之间的转化。
(三) 直流电机的结构
直流电机主要包括转子和定子两大部分。转子是电机 的转动部分，定子是电机的静止部分。 1 定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括 主磁极、换向极、机座和电刷装置。
2 转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩， 实现能量的转换。主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、 转轴和风扇等。
(四) 直流电机的励磁
直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁 （并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。
(五) 直流电机中的感应电动势
其中p为极对数，N为电枢绕组的总导体数，a为支路对 数，Φ为每极主磁通，n为电机转速。
2 直流电机的功率平衡方程 （1）直流发电机的功率平衡方程
直流发电机的效率
（2）直流电动机的功率平衡方程
(九) 直流发电机的特性
1 空载特性:发电机当n为常值，I=0A时,发电机空载端电 压U0与励磁电流If之间的函数关系。 2 负载特性:发电机n为常值，I>0A时，发电机端电压U与
励磁电流之间的函数关系。
其中
（1）固有机械特性：当电动机端电压额定U=UN，每极气隙 励磁磁通额定Φ＝ΦN，电枢回路无串接电阻(Rst＝0)时的
机械特性。
（2）人为机械特性：在固有机械特性的基础上，主要分析 改变电枢回路串接电阻、改变端电压和改变励磁磁通三种 情况下的人为机械特性。
1）电枢回路串接电阻的人为机械特性：
二、直流电机
(一) 直流发电机工作原理
(二) 直流电动机工作原理
（1）电机的可逆原理：直流电机可作为发电机运行，也可作 为电动机运行。
（2）换向器的作用是实现电枢线圈内的交流电动势、电流与 电刷的直流电压、电流之间的转化。
(三) 直流电机的结构
直流电机主要包括转子和定子两大部分。转子是电机 的转动部分，定子是电机的静止部分。 1 定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括 主磁极、换向极、机座和电刷装置。
2 转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩， 实现能量的转换。主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、 转轴和风扇等。
(四) 直流电机的励磁
直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁 （并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。
(五) 直流电机中的感应电动势
其中p为极对数，N为电枢绕组的总导体数，a为支路对 数，Φ为每极主磁通，n为电机转速。
2 直流电机的功率平衡方程 （1）直流发电机的功率平衡方程
直流发电机的效率
（2）直流电动机的功率平衡方程
(九) 直流发电机的特性
1 空载特性:发电机当n为常值，I=0A时,发电机空载端电 压U0与励磁电流If之间的函数关系。 2 负载特性:发电机n为常值，I>0A时，发电机端电压U与
励磁电流之间的函数关系。
其中
（1）固有机械特性：当电动机端电压额定U=UN，每极气隙 励磁磁通额定Φ＝ΦN，电枢回路无串接电阻(Rst＝0)时的
机械特性。
（2）人为机械特性：在固有机械特性的基础上，主要分析 改变电枢回路串接电阻、改变端电压和改变励磁磁通三种 情况下的人为机械特性。
1）电枢回路串接电阻的人为机械特性：
直流电机基本知识--ppt课件
3
直流电机的优缺点
优点：
直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。 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。
缺点：
由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。
4
主要内容
1 直流电机的工作原理、主要结构、 额定值 2直流电机的电枢绕组 3直流电机的电枢反应 4电枢绕组感应电动势和电磁转矩 5直流电机换向
11
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
一、直流电机工作原理 （二）直流电动机工作原理
左 手 定 则
12
n逆时针转向
n逆时针转向
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
一、直流电机工作原理 （二）直流电动机工作原理
电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转 矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩 方向不变。
若电机实槽数为Q，虚槽数为Qu，
41
15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
3. 元件数、换向片数与虚槽数 每一元件有两个圈边， 每一换向片上接有两个圈边， 每一虚槽内放置有两个圈边， 元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数
42
15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
4. 元件、极距与节距 (1) 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多 匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换 向片相 连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 (2) 极距：是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距 离，用τ表示，
39
15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一 槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下 层，称为下层边。
直流电机的优缺点
优点：
直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。 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。
缺点：
由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。
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主要内容
1 直流电机的工作原理、主要结构、 额定值 2直流电机的电枢绕组 3直流电机的电枢反应 4电枢绕组感应电动势和电磁转矩 5直流电机换向
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15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
一、直流电机工作原理 （二）直流电动机工作原理
左 手 定 则
12
n逆时针转向
n逆时针转向
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
一、直流电机工作原理 （二）直流电动机工作原理
电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转 矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩 方向不变。
若电机实槽数为Q，虚槽数为Qu，
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
3. 元件数、换向片数与虚槽数 每一元件有两个圈边， 每一换向片上接有两个圈边， 每一虚槽内放置有两个圈边， 元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数
42
15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
4. 元件、极距与节距 (1) 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多 匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换 向片相 连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 (2) 极距：是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距 离，用τ表示，
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一 槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下 层，称为下层边。
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N
60
x处导体感应电势为： ex B xlv
导体总数为N，每一支路导体数为N/(2a)
则支路电势即电刷间电势为：
x
B(x)
Bp
12
主讲教师：阎治安
电机学
N /(2a)
Ea
B
x 1
x
N /(2a)
lv lv B
x 1
x
l
l2 p
n 60
N 2a
l
pN 60a
杂散损耗pΔ ：齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通 产生的铁耗等pΔ= ( 0.5 ~ 1 )%P2 。
17
主讲教师：阎治安
电机学
二、发电机功率平衡方程
pm pFe p p f pCu
❖功率流程图 ：
P1
P1=PM+pm+pFe+pΔ
机
=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+pΔ
复励式发电机
主讲教师：阎治安
电机学
2-2 空载时直流电机的磁场
一、直流电机的磁通路经（磁路）
主磁极1 — 气隙1－电枢齿1－电枢轭－电枢齿2－气隙2－
主磁极2－定子轭－主磁极1
主磁极1
电枢齿1 电枢齿2
4
气隙1 电枢轭
定子轭 主磁极2
气隙2
主讲教师：阎治安
二、空载磁通密度波形
空载时电枢电流为0，气隙 磁场是由励磁电流单独决定。 磁极面下气隙较小且均匀， 磁密较强且均匀。 极面外，气隙迅速增大，磁 密也迅速减弱，几何中性线处 磁密为0。 空载气隙磁密沿电枢外圆的 分布用函数B0（x）表示；分 析可知它是平顶波。
D 2
Bxl Ia
2a
2 p 2
B xlIa
p 2a
所有N个导体产生的电磁转矩为：
B(x)
Bp
p
p pN
T
NBplIa
2a
N
l
lIa
2a
2a
Ia
CT Ia
CT为结构常数。可见电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。
15
主讲教师：阎治安
电机学
二、转 矩 平 衡 （稳态时）
❖对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩T1。T1克服各种阻力转矩（如 摩擦，铁耗，风阻等）T0后与负载后电枢电流Ia产生的电磁转矩T相平衡:
Rf
Ia
Ea U
If Uf
If Rf
Ia I Ea U
14
主讲教师：阎治安
2-6 电磁转矩
电机学
在电动机中，电磁转矩是拖动转矩；而在发电机中则为阻力转矩。
一、公式推导
单个导体中的电流为：ia
Ia 2a
N
x处导体电磁力为： fx B xlia
每个导体产生的电磁转矩为（导体有效长度为l）：
x
Tx
B xlia
的电枢电流的方向相反。
10
主讲教师：阎治安
电机学
五、直轴电枢反应 •如果将电刷位置逆时针移动β角，则电枢磁势可分为两部分 直轴电枢磁势Fad ； 交轴电枢磁势Faq。
直轴电枢磁势的性质是： ❖对发电机来说，电刷顺转向偏移时为去磁，逆转向偏移时为增磁； ❖对电动机来说，电刷顺转向偏移时为增磁，逆转向偏移时为去磁。
励磁绕组和电枢绕组如何联接。
二、分类 除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励式和
自励（串励、并励和复励）式。
2
主讲教师：阎治安
Ia
I
If
I
R fC
rf
Rf
nEa U
U
RL
If
电机学
Ia n
Ea
他励式发电机
串励式电动机
If Rf
Ia I Ea U
并励式电动机
3
I U
Ia Rf c
If
Ea
n
Rf
一、直流发电机的电势平衡方程
发电机的特点： Ea和Ia同方向； Ea比U 大；T为制动转矩。
•除了电阻压降IaRa外，还要考虑电刷压降△Us •电势平衡方程为 Ea= IaRa+2△Us+U
二、直流电动机的电势平衡方程 电动机的特点：
Ea和Ia反方向； U 比 Ea大；T为拖动转矩。 •转子一旦旋转，就有电势存在。 •因电势与电流方向相反。故电动机的感应电 势又叫反电势。 U = Ea+IaRa+2△Us
三、电枢磁场与励磁磁场 （主磁场）的合成
——电枢反应
Ba x
8
B0 x B x
主讲教师：阎治安
电机学
•在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内 磁密减弱。 •实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。 磁场发生了畸变，0点发生了位移。
•(交轴）电枢反应的影响： •1、气隙磁场发生畸变
19
主讲教师：阎治安
电机学
本章小结
•直流电机的主磁场一般由主极铁心上的励磁绕组产生。励磁绕 组与电枢回路之间的连接方式有：他励、并励、串励、复励。 不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响。 •直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁 路的情况。一般情况下，直流电机的空载磁通密度分布为平顶 波。 •直流电机负载时，电枢磁场对主磁场的影响被称为电枢反应。 •交轴电枢反应使主磁场的波形发生畸变，而且会对主磁场产生 去磁作用。当电刷偏离几何中性线时，还将产生去磁或者增磁 的直轴电枢反应。
11
主讲教师：阎治安
电机学
2-4 电枢绕组中的感应电势
•当电枢以一定的转速n 向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁
力线感应电势。 •由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应电势，即一条支路中所 有串联导体的感应电势之和。本节将推导感应电势的计算公式。
导体有效长度为 l
切割磁力线的速度为： v 2 p n
❖功率平衡方程
P1
P1=PM+pa+pb =P2+pm+pFe+pΔ+pa+pb+pf
电
=P2+Σp
p f pCu pm pFe p
PM
P2
动
机
❖电磁功率PM：从电功率转化为机械功率的那一部分功率。
❖效率
PM=EaIa
❖本章作业： p36 题2—2,3,5,6,7
P2 1
p
P2
P1
P1 P2 p
2
2
上式表达了电枢磁势的分布，将一对极 的电枢磁势波形画出，将得到三角波。
7
主讲教师：阎治安
电机学
二、电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布：
•磁密由磁势和气隙磁阻共同决定。 •极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势； •两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小。一个周期的 磁密波形呈马鞍形。
Ba
x
0
Fa x
铁心损耗pFe： 电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁
耗近似与磁密的平方及转速的1.2--1.5次方成正比。
励磁损耗pf：pf = Uf If = If2 Rf
pm+pFe+pf 统称为空载损耗(不变损耗)。
负载损耗（可变损耗） ：电枢回路电阻损耗 pa= Ia2 Ra；电刷接触压降损
耗 Pb = 2 ΔUs Ia ——总称铜耗 pcu = pa +Pb
20
主讲教师：阎治安
电机学
本章小结（续）
• 发电机和电动机是直流电机的两种运行状态。在两种状态下， 电明枢感绕应组电中势均的产大生小正感比应于电势转。速直及流每电极势磁的通公。式在发Ea电= 机Ce中Φn 表 Ea>U，在电动机中U>Ea。
• 同样，直流发电机和电动机中均存在电磁转矩。其公式T= C转T矩ΦI是a在拖发动电转机矩中。，电磁转矩是制动转矩，在电动机中电磁
对发电机而言前极端去磁、 后极端增磁；
对电动机而言则为前极端 增磁、后极端去磁。 2、此反应会使某一支路 的电势分布不均匀（如图示）。
Ba x
B0 x B x
9
主讲教师：阎治安
电机学
四、补偿绕组
• 为了减少电枢反应的影响，在磁极表面的槽 中安装补偿绕组；
• 补偿绕组与电枢绕组串联； • 补偿绕组导体电流的方向与其对应的极面下
5
电机学
B0( X )
主讲教师：阎治安
电机学
2-3 负载时直流电机的磁场――电枢反应
•电枢磁场对主磁场的影响，被称为电枢反应。 •电枢反应会影响电机的性能。
一、电枢磁势的分布
N
•电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。 •电枢电流的方向以电刷连线来分界。 •电枢磁势的轴线总是与两电刷的连线相重合。 •当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时，电枢 磁势的轴线在交轴方向，称为交轴电枢反应磁势。
电机学
第一篇 直流电机
第 2 章 直流电机的基本理论
内容简介
直流电机的磁场: 励磁方式、磁场分布、电枢反应
直流感应电势： 电势公式、电势方程式
电磁转矩： 转矩公式、转矩平衡方程式
功率与损耗 损耗分析、功率平衡方程式
1
主讲教师：阎治安
电机学
2-1 直流电机的励磁方式
一、定义 直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是
S
6
主讲教师：阎治安
电机学
•设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距0点为x处作一闭合磁力线回路。 该闭路包围的电流数即为总磁势Fa 。 •电枢表面单位长度上的安培导体数A 称为电机的线负荷。
线负荷
A Nia
Da
距0点为x处，每个气隙的电枢反应
磁势为（忽略铁心中的磁势降）