电机学总结

（换向器式直流电机）
直流电动势
换向器配合电刷电枢绕组感应电动势
−−−−−−→−第二章直流电机
2.1概述
一、直流电机的工作原理
电枢铁心气隙换向片换向器电枢电刷
●增加线圈个数并按一定规律串联起来减少导体中感应电动势的脉动
●电刷和磁极的位置相对静止
●
从电机的端口看，电机作发电机或电动机运行的区别在于电流方向发生变化发电机惯例电动机惯例
二、直流电机的主要结构部件
⎪⎪
⎪
⎪⎩
⎪
⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧换向器电枢绕组电枢铁心
转子（电枢）机座
电刷装置换向极主磁极定子三、直流电机的额定值
1、额定功率P N （额定输出功率）
6、额定转速n N 2、额定电压U N
7、额定效率ηN 3、额定电流I N
8、额定转矩T N 4、额定励磁电压U fN 9、额定温升τM
5、额定励磁电流I fN
2.2直流电机的电枢绕组
一、基本特点
绕组元件（元件）元件边端接
虚槽
S=K=Z i
1、第一节距y 1（长距、短距、整距）
2、第二节距y 2
3、合成节距y
4、换向器节距y k
（左行绕组、右行绕组）
二、单叠绕组
（1）节距计算（2）绕组连接表（3）绕组展开图
每个主极下的串联元件总是构成一条电动势方向相同的支路几何中性线——电机空载时此处的径向磁场为零
)
(00F f =Φ)(0δF f =Φ（4）电刷放置
电刷放置的一般原则：确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，被短路的
元件中的电动势为零。

换向器上的几何中性线对应于一个主极，换向器上便有一条几何中性线●
电刷应固定放置在换向器上的几何中性线上（5）绕组并联支路
并联支路数等于主极数2a=2p
三、单波绕组
)
2(2ττ
≠≈y y 同极下的所有元件总是串联成一条支路，即两条并联支路的电路结构始终保持不变2a=2●换向器上的几何中性线：当元件轴线与主极轴线重合时，该元件所接两换向片之间的中
性线。

●
仍然放置2p 组电刷→降低电刷上的电流密度
四、电枢绕组的均压线
●将直流电枢绕组中理论上电位相等的点用均压线连接起来，保证电流在各支路均匀分配
均压节距
2.3直流电机的磁场
一、直流电机按励磁方式分类
1、他励直流电机
2、并励直流电机
3、串励直流电机
4、复励直流电机
二、直流电机的空载磁场
主磁场
1、磁通与磁动势
主磁通漏磁通主极漏磁系数五段式主磁路结构2、主磁场分布
气隙磁密为一平顶波
3、磁化曲线
∙直流电机的磁化曲线：电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线∙气隙磁化曲线（气隙线）
∙饱和系数个
三、直流电机的电枢磁场
1、电刷在几何中性线上
∙电刷正规的放置方法——“在几何中性线上”
∙忽略铁磁材料磁压降，电枢磁动势Ax x a
D a
i a N a D a i a xN x a F ===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ππ221)(三角形
)
()(00x F x B δμδ'
=
)
(0)()(a 0)(a 0)(a x Ax
x x H x H x B δμδμμ===∙电刷在几何中性线上时，电枢磁动势的轴线也在几何中性线上，恰与主极轴线正
交
∙交轴电枢磁动势2
τ
A a F aq F =
=∙磁通密度沿气隙的分布马鞍形
2、电刷偏离几何中性线
交轴磁动势最大值)
2
(aq βτ
b A F -=直轴磁动势最大值β
Ab F =ad 四、电枢反应
电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应1、交轴电枢反应
物理中性线
∙交轴电枢反应不但使气隙磁场畸变，而且还有去磁作用3、直轴电枢反应
直轴电枢磁场轴线与主极轴线重合→影响每极磁通的大小（发电机顺去逆助）
五、感应电动势和电磁转矩
1、感应电动势
电动势常数
ΦΩ=Φ=Φ=T C n E C n a
pN E 60a 2、电磁转矩
转矩常数
a a 2a T em I C I a
pN T Φ=Φ=π3、电动势常数与转矩常数的关系
30
2/60/π
π=
=
a
a pN a a pN C C T
E 2.4直流发电机的基本特性
一、基本方程
1、电动势平衡方程
2、功率平衡方程
电磁功率电功率平衡方程（可变损耗）总的功率平衡方程（不变损耗）发电机的效率
3、转矩平衡方程
)()()(a 0x B x B x B δ合成气隙磁密波形密分布电枢磁场产生的气隙磁空载气隙磁密分布→+⎪⎩⎪
⎨⎧+==+=+=f a f f j f f a a )(I I I R I r r I U R I U E 电流方程
励磁回路
电枢回路
Ω
T EI P em a em ==cu 2cua cuf 2em p P p p P P +=++=0em ad Fe mec em 1p P p p p P P +=+++=100%-1100%11
2⨯∑=⨯=⎪⎭⎫
⎝⎛P p P P η0
em 10em 1
T T T Ω
P ΩP ΩP +=+=
二、他励发电机的运行特性
可测得物理量：端电压U ，负载电流I ，励磁电流I f 和转速n 等1、空载特性
当n=常值、I=0时，
的关系曲线空载特性曲线是电机最基本的特性曲线，是电机设计制造情况（即材料利用率和磁路饱和度）的综合反映
无论是何种励磁方式的直流电机，其空载特性曲线均由他励接线方式测定2、负载特性
当n=常值、I=常值时，的关系曲线
相同励磁电流作用下，不同负载电流的端电压不同①电枢电阻上的压降②电枢反应的去磁作用特性三角形3、外特性
当n=常值、I f =常值时，
的关系曲线随负载电流增大而下垂的曲线
电枢回路上的压降和电枢反应的去磁效应都随电流增加而增加电压变化率
4、调节特性
当n=常值、U=常值时，的关系曲线调节特性随负载电流增大而上翘要保持端电压不变，励磁电流必须随负载电流的增加而增加，以补偿电枢反应的去磁作用，并且由于铁磁材料的饱和影响，励磁电流增加的速率还要高于负载电流。

三、并励发电机的自励条件和外特性
1、自励过程与条件
自励发电机的基本含义、物理过程→空载特性曲线与励磁回路电阻线的交点并励发电机的自立条件（1）电机应有剩磁
（2）励磁绕组连接正确
（3）励磁回路电阻应小于临界电阻，以确保电机端有一个适当的端电压不同的转速将对应于不同的临界电阻2、外特性
当n=常值、R f =常值时，的关系曲线并励发电机端电压比他励发电机下降得快。

电流增加时，电枢回路电阻下降、电枢反应的去磁作用、因端电压下降而导致励磁电流减小
负载电流有“拐弯”现象
短路电流剩磁电动势
●实际的工作点要么位于负载特性曲线上，就是位于励磁回路电阻线上●
分清负载时电枢电动势、空载电动势、空载电压、负载时端电压
)(f 0I f U =∙∙)(f I f U =∙∙)(I f U =∙∙%
1000⨯-=∆N N
U U U U )(f I f I =∙∙∙)(I f U =∙a
0k R E I r =
四、复励发电机的特点
复励发电机的外特性中，串励绕组用来补偿电枢回路的电阻压降和电枢反应的去磁作用复励发电机能在一定范围内自动调整端电压的变化
2.5直流电动机的基本特性
一、基本方程
1、电动势平衡方程
2、功率平衡方程
电功率平衡方程电磁功率平衡方程总的功率平衡方程3、转矩平衡方程4、状态方程
直流电动机的机电动态行为
二、工作特性
电动化运行时转速n 、电磁转矩T em 、效率η与负载P 2的关系曲线（一）并励电动机
保持U=U N =常值，I f =I fN =常值（对应于P 2=P N ，n=n N 时的励磁电流值）1、速率特性对于一台设计良好的直流电动机来说，以稳定运行为前提，速率特性总是略微下降转速调整率并励电动机运行时，励磁绕组不能开路
重载时，使电机停转，反电动势为0，电枢电流急剧增加而导致过热轻载时，导致“飞速”而损坏转动部件2、转矩特性T 2是一条略微上翘的经过原点的直线3、效率曲线普通电机大都在接近额定功率前效率取最大值，此时电机中的可变损耗理论上与不
⎩⎨
⎧+=+=f
a a a I I I R I E U 电流方程电枢回路
稳态运行时）
（动态情况下励磁回路电枢回路
E ΦΩC Ωi k U i R t i
L U Ωi k i R t i L T ===+=++⎪⎩
⎪⎨
⎧
f af f f f f f af a a a
a
d d d d ()cu em cua cuf em f a a a f a 1)(p P p p P U U P I I R I E I I +=++===+++02ad F
e mec 2em p P p p p P P +=+++=p P p p P P ∑+=++=20Cu 210
2em 0
2em T T T p Ω
ΩP ΩP +=+=T T T t
Ω
J
T T T ∆++=++=0202em d d )
(2P f n =Φ
C R I U n E a a -=
100%
0⨯-=∆N
N n n n n Ω
P T T T T 2
020em +
=+=∙∙∙)
(2em P f T =)
(2P f =η
增加而快速上升
会随2em P T ∙∙∙)
(2em P f T =变损耗相等
（二）串励电动机
保持端电压恒定，且U=U N =常值1、速率特性串励电动机的速度随负载增加而下降的速度很快
①串励电动机端电压下降幅度稍大于并励电动机②随的增大而增加转速调整率
2、转矩特性转矩按大于电流一次方的速率增加，串励电动机有较大的启动转矩和很强的过载能力（三）复励电动机
积复励介于并励和串励之间，差复励不稳定
三、机械特性
U=U N =常值时，转速n 与电磁转矩T em 之间的关系曲线称为机械特性自然机械特性、人工机械特性机械特性方程式 2.6直流电力传动
一、电力传动系统基础
（一）运动方程与转动惯量
1、多轴旋转系统
∑==K k k k ΩJ JΩ0
22
021212、直线运动系统
2
21-k 2
121k k k v m ΩJ =（二）稳定运行条件
电动机的稳定运行的含义
电力拖动机组稳态运行条件：
负载机械特性曲线的斜率大于电动机机械特性曲线的切线
数学描述：
L L T n
T n T T n
T n d d
d d 0)(d d )(d d em em <<-=∆或
)(em T f n =em
2j a j a a )
(T Φ
C C R R ΦC U Φ
C R R I U n T E E E +-=
+-=
⎪⎩
⎪
⎨⎧+-=+=软特性
串励电动机硬特性并励电动机)(j
a 2em 10R R C T U C n k n n j
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=g 4d d 2em GD J T T t ΩJ L )(f a a R R I U +-ΦC E %1004/1⨯-=
∆N
N
n n n n )
(2P f n =∙∙a I
∙st
ΦI C T T st =st
a
a a 0,0I R U
R E U I E n ==-=
==启动瞬间∙二、直流电动机的启动
研究电机的启动的目的：缓解限制启动电流与希望产生较大的电磁转矩的要求的矛盾
1、直接启动
只限于小容量电机。

不采取任何措施，直接将静止电枢投入额定电压的启动过程①电源及励磁回路开关S f 先于电枢回路开关S 0合上，以确保电枢回路得电前磁场已
经建立
②再将电枢回路通电2、电枢回路串电阻启动
启动时将一启动电R st 串入电枢回路，启动结束后将电阻切除
①励磁回路电阻最小，使磁场最强
②电枢回路最大电阻，以限制启动电流③先将励磁回路通电，建立磁场④再将电枢回路通电，启动磁场⑤逐级切除电枢回路所串电阻
⑥调节励磁回路所串电阻，获得所需要的转速3、降压启动
抑制启动电流最有效，能量消耗比较少需要专用调压直流电源
三、直流电动机的调速
1、电枢回路串电阻调速
R j 的串入使特性变软，即速度下降。

只能下调降速
对于恒转矩负载，电枢电流不变，损耗增加，输出功率减小，效率降低2、改变励磁电流调速
对于恒转矩负载，减小励磁电流使电机转速升高，电机输出功率增加，同时电枢电
流增加，输入功率增加，电动机效率几乎不变通常只适合于上升调速3、改变端电压调速
转速既可升高，也可降低
四、直流电机的制动
机械制动、电磁制动1、能耗制动
并励电动机→他励发电机电磁转矩方向与转速方向相反
∙
st a st R R U
I +=
em
2
a 0T ΦC C R I Φ
C R n n n T E j E j
j -
=-
=-=∆2
f 1
f 2112a I I ΦΦn n I ≈≈的影响）
路电阻的影响（忽略忽略电枢反应和电枢回∙
∙
0=∑e 0>∑e a
y Av l N e λ2rav =∙0≈∑e 将所有可转换利用的惯性动能全部转化为电能，消耗在制动电阻R L 上及机组本身上，时间较长2、反接制动
在保持励磁电流不变的条件，利用反向开关把电枢两端反接到电网上的制动方式
当转速接近零值时，应及时把电源断开，否则电机将反转运行起来。

反接制动的优点是能很快地使机组停转，缺点是电流过大，反接时电
枢回路串入足够大的电阻R L 来限制电流2、回馈制动
串励改为并励或他励，当转速升高至某一数值，即当E>U 时，电流就反向，电机进入发电机运行状态，电磁转矩起制动作用
2.7直流电机的换向
一、换向过程
元件中电流方向发生变换的过程称为换向换向过程一般是很短暂的
二、经典换向理论
1、换向元件中的电动势（1）旋转电动势
（2）电抗电动势
换向元件中总的电动势在理想情况下，e k 和e r 大小相当，方向相反，2、电动势平衡方程及电流变化规律
k
b
a )21(i i R e T t i i L k +='∑+-
=直线换向电流分量附加换向电流分量
1直线换向，电刷下电流密度均匀分布
2延迟换向，过零时间滞后于直线换向，后刷边电流密度值大于前刷边，火
花在后刷边产生
3超越换向，过零时间提前，前刷边电流密度值大于后刷边，火花在前刷边
产生
3、换向理论的补充
接触面的点接触与离子导电理论接触面的氧化膜理论
0<∑e ∙r
k e e e +=∑a
a
R E
U I +-=L
a a R R E
U I ++-
=a
k y k lv B N e 2=e R i R i R i R i iR y ∑=--++222b 2111b 1
三、改善换向的措施
目的：消除电刷下的火花
根本原因：电流是导致延迟或超越换向，进而产生火花具体途径：减小换向回路合成电动势e ∑增加换向回路电阻1、装置换向极
换向极装在相邻主磁极间的几何中性线上（换向的元件元件边位于几何中性线上）
∙换向极绕组产生的磁动势一部分用以平衡交轴电枢反应磁动势，
另一部分用于建立换向区气隙磁场
∙换向极绕组必须与电枢绕组串联
∙换向极磁动势的方向与交轴电枢反应磁动势的方向相反2、移动电刷位置
利用主磁场来代替换向极所产生的换向磁场∙发电机顺转向偏移，电动机逆转向偏移
∙电刷移动的角度应大于物理中性线移动的角度∙两大缺点
四、环火及补偿绕组
1、环火的形成
2、防止环火的方法
安装补偿绕组
五、无刷直流电机
1、工作原理
用电子开关线路替代机械换向装置中的电刷和换向器多相对称方式
转子位置检测器----提供相对位置信号2、转子位置检测器
k i。