直流电动机的原理及特性

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1、参考书（1）电机学周绍英编，冶金工业出版社。 （2）电力拖动牛秀岩主编，冶金工业出版社。2.1 直流电动机的基本结构和工作原理第2章 直流电动机的原理及特性（1）定子部分（静止） （2）转子部分（旋转） （3）气隙2.1.1基本结构图2.1 直流电机纵剖面图1.定子部分(stator)（1）机座机座主磁极换向极电刷装置组成导磁机械支撑作用图2.2 直流电动机的空载磁场分布图 （2）主磁极 作用在定、转子之间的气隙里产生一定形状分布 的气隙磁通密度（简称气隙磁密）。主磁极铁心极身极靴励磁绕组 组成为了让气隙磁密度在沿气隙圆周方向的空间分布更 加合理，主磁极铁心做成如图2.3所示的形状。其中套励

2、磁线圈的部分叫极身，沿气隙表面的部分叫极靴，极靴 也能起到支撑励磁线圈的作用。 图2.3 主磁极装配图1-机座2-主磁极铁心3-励磁绕组由于极靴下的气 隙远远小于极靴之外 的气隙，所以极靴下 沿电枢圆周各点的磁 场将明显大于极靴范 围以外的磁场强度， 在两极之间的几何中 心线处，磁场将等于 零。图2.4 直流电动机的空载 磁场曲线当励磁绕组通入直流电流时，各主磁极都产 生一定的极性。直流电机中要求相邻主磁极的极 性应为N、S交替出现。注意:为此，在把各主磁极上的励磁线圈相 连接时，应该注意它们的极性问题。（3）换向极换向极又称附加极或间极。 作用改善直流电动机的换向。换向极铁心绕组 安装换向极

3、一般安装在两个主磁极之间的几 何中线上. 组成（4）电刷装置 作用把转子部分的电流引出到静止的电路中（发电 机），或者把静止电路中的电流引入到电动机的 转子电路中（电动机）。 组成 电刷装置电刷电刷座2.转子部分(rotor)转子又称为电枢(armature)。转子电枢铁心 电枢绕组换向器 风扇 转轴轴承（1）电枢铁心电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分。图2.5 电枢铁心冲片3-轴向通风孔构成：将冷轧硅钢片冲成有齿、槽的冲片， 然后把这些冲片叠装起来就构成电枢铁心，其 片间有很薄的绝缘层。冲片外形如下图所示。1-齿 2-槽电枢铁心的安装 小型电动机的电枢铁心直接压装在轴上； 大型电动机的电枢铁

4、心先压装在转子支架上， 然后再将支架固定在轴上。说明 电枢铁心上开槽是为了安放电枢绕组用； 为改善通风，电枢铁心可沿轴分成几段，以形 成径向通风道。（2）电枢绕组构成 用包有绝缘层的导体构成电枢线圈； 将线圈按一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下 层中； 每个元件的两个出线端都按一定的规律与换向器 的换向片相连。连接方式单叠绕组单波绕组图2.6 典型的换向器结构图1-V形套筒2-云母环3-换向片4-连接片（3）换向器图2.7 直流电机定、转子剖面示意图1-电枢绕组2-电枢铁心3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚2.1.2 励磁方式（1）他励I

5、fIaUMUf(a)他励式接线图特点 励磁绕组与电枢绕组 不相连接。直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。励 磁方式主要分成他励、并励、串励和复励四种。（2）并励IIfIaUM(b)并励式接线图特点 励磁绕组上的电压 等于电枢绕组的端 电压。（3）串励式IaIfIUM(c)串励式接线图特点 励磁绕组的电流等于 电枢绕组的电流。（4）复励式IIf1IaUM(d)复励式If2接线图特点 一部分励磁绕组和电枢绕组 并联，另一部分和电枢绕组 串联。2.1.3 额定数据直流电动机的铭牌数据主要有： （1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示； （2）额定电压U

6、N：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示； （3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流 ，用A表示；额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINN 式中，N为直流电动机的额定效率。 （4）额定转速nN：指电动机在额定运行状态下转 子的转速，用r/min表示； （5）额定励磁电流IfN：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时，励磁绕组端的电流 。除此之外，电机的额定参数还应该包括绝缘 等级、防护等级、冷却方式、温升、重量等。2.1.4 工作原理 1.直流发电机的工作原理图2.8 直流发电机的工作原理图t0eda图2.

7、9 线圈感应电动势的变化曲线图2.10 电刷之间的电动势波形t0edaeda0t图2.11 四个线圈时换向后的电势波形图2.11是一台两极电机，当转子上装有在 空间互差90o的四个线圈并连接到四个换向片 时的电势波形图 (感兴趣的同学可参见参考书 (1)的202页) 。结论：若电机在每极下的导体数大于8 时，电势脉动的幅度将小于其平均电势的 1%。这时电势的脉动是不易明显察觉的， 可以认为是恒定的电势。teda0图2.12 多个线圈时换向后的电势波形综上所述可知：在直流发电机中，线 圈上的感应电动势是交变的，但在电刷上 的电动势方向却是始终不变的。此时换向 片所起的作用是将线圈内的交流电动势改

8、 变为外电路上的直流电动势，即所谓的整 流作用。2.直流电动机的工作原理图2.13 直流电动机的工作原理图从以上分析可见：在直流电动机中， 线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转 矩方向却是恒定的。此时换向片所起的作 用是将外电路的直流电流改变为线圈内的 交变电流，即所谓的逆变作用。2.4 感应电动势和电磁转矩直流电动机运行时，当电枢绕组内流 过电流时，载流导体与气隙磁场相作用， 就会产生电磁转矩，使得电枢导体运动； 电枢导体的运动又将切割气隙磁场，在电 枢绕组中产生感应电动势。本节将讨论电 枢绕组的感应电动势和电磁转矩的计算问 题。2.4.1 电枢绕组的感应电动势计算公式为：Ea=CEn 式中

9、： 称为电动势常数， p是电 机极对数； Na为电枢绕组的总导体数； 2a为电枢绕组的支路个数，对于单叠绕 组，其a= p，而对于单波绕组，其a= 1；为电机每极的磁通量（Wb）；n是电机的转速（r/min）。2.4.2 电磁转矩其计算公式为 T=CTIa式中， 称为转矩常数，其中p，Na，a的含 义同CE；Ia为电枢电流。转矩常数CT与电动势常数CE之间的关系为：CT=9.55 CE2.5 直流电动机稳态运行时 的基本方程式和功率关系2.5.1 基本方程式 1. 电机稳态运行时的基本方程式图2.14标出了他励直流 电动机各物理量的参考方向 （即规定正方向）。图中：TLT nIfIaUEaUf

10、图2.14 他励直流电动机 各量的规定正方向U 电枢两端的端电压；Ea电枢感应电动势； Ia电枢电流； T 电磁转矩； TL负载转矩； N 电机的转速； Uf 励磁电压； If 励磁电流； 主磁通。根据图2.14所规定的正方向，可以列出直流 电动机稳态运行时的基本方程式为 U=Ea+IaRa Ea=CEn T=CTIa T=T0+T2 If=Uf / Rf=f(If , Ia)式中， Ra是电枢绕组回路的电阻； T0是电动机 空载转矩； T2是电动机输出转矩；Rf是励磁绕组 回路的电阻。举例：当他励直流电动机的电源电压U、 电枢回路电阻Ra、每极磁通量、负载转 矩TL已知情况下，如何根据基本方

11、程式 计算直流电动机稳态运行时的转速n？2. 基本方程式的应用（1）计算Ia（2）计算Ea（3）计算n2.5.2 功率关系U=Ea+IaRa两边同乘以Ia得 UIa=EaIa+Ia2Ra 即 P1=PM+pCua式中，P1=UIa为电动机从电源输入的电功率；PM=EaIa为电磁功率，即把电功率转换成机械功率的那部分功率；pCua=Ia2Ra为电枢回路总的铜损耗。把式T=T0+T2两边同乘以得 T=T0+T2 即 PM=p0+P2式中，PM= T为电磁功率，理论上可以证明： T=EaIa；p0 =T0是空载损耗，包括铁损耗pFe和机械摩擦损耗pm；P2 =T2为转轴上输出的机械功率。他励直流电动

12、机稳态运行时的总损耗为: p= pCua+pFe+pm+ps 式中，ps为附加损耗或杂散损耗，它的具体产生 原因可参见参考书(1)中的231页。pCuap0=pm+pFeP1=U IaPM=EaIa=TP2=T2图2.15 他励直流电动机稳态运行时的功率流 程图并励电动机的总损耗还应包含励磁损耗 pCuf，即 p= pCua+pFe+pm+ps+pCuf 此时电动机的效率为：例题：已知一台他励直流电动机的额定功率 PN=110kW，额定电压UN=400V，额定电流 IN=276A，额定转速nN=1500r/min，电枢回 路总电阻Ra=0.0807，忽略磁饱和影响。 求额定运行时：(1)电磁转

13、矩；(2)输出转矩 ；(3)输入功率；(4)效率。解：电枢感应电动势电磁功率（1）电磁转矩（2）输出转矩（3）输入功率（4）效率2.6 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性是指直流电动机 在运行过程中转矩和转速之间的关系，即 n=f(T)。式中， 称为理想空载转速；称为机械特性的斜率。2.6.1他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢电压U、励磁电流If保持一定（通常保持额定值 ）时，转速与转矩之间的关系。图2.16 他励直流电动机的机械特性曲线nn0 nNTNT0这种特性称之为硬特性，因为随电磁转矩 的增加，转速只稍有变化。考虑磁饱和时的机械特性曲线TTIan0

14、图2.17考虑磁饱和时的机械特性曲线nT0 去磁作用1.固有机械特性当电动机电枢两端的电源电压为额定电压、 气隙磁通为额定值、电枢回路不外串电阻，即 U=UN、=N、电枢回路外串电阻R=0时，这种 情况下的机械特性称为固有机械特性。图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线nn0 nNT0TNT0（3）实际的空载转速为 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线；（2）其特性为硬特性；（5）直流电动机在额定电压下刚起动时，电 枢电流 ，称为起动电流，电磁转矩 T=CTNIs=Ts，称为起动转矩。 起动电流Is、起动转

15、矩Ts一般很大，所以 他励、并励直流电动机一般不允许在额定电 压下直接起动。（6）电磁转矩反向时的情况Tn0T的实际方向与n的方向相反T由拖动性转矩变为制动性转矩 TUNEa+-TnTL1 UNIaUNEa(a)TABTL1(TL2 TL1)0nnAnBn0(c)图2.19 电车下坡时的回馈制动a电车平路行驶； b电车下坡； c机械特性Ea+-TTL1 UNIaTL2EaUN(b)n例题：已知一台他励直流电动机的数据为： PN=75kW，UN=220V，IN=383A，nN=1500r/min， 电枢回路总电阻Ra=0.0192，忽略磁路饱和的影 响。求：(1)理想空载转速； (2)固有机械特性的斜率； (3)额定转速降；(4)若电动机拖动恒转矩负载TL=0.82TN运 行 (TN为额定电磁转矩)，问电动机的转速、电枢电 流以及电枢电动势为多大？解：（1）理想空载转速（2）斜率（3）额定转速降（4）负载时的转速降电动机的转速电枢电流电枢电动势2.人为机械特性当直流电动机的电源电压、励磁电流、电枢 回路串接电阻等参数由于生产机械的需要而做人 为调整时，其机械特性将相应发生变化，变化后 的特性称为人为机械特性。（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性+UR EaRaIaUfIf 图2.20 电枢回路串接电阻的原理图电动机电枢两端的电源电压为额定电压UN；条件