直流电机原理2ppt课件

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1、第三章第三章 直流电机原理直流电机原理电机与拖动根底电机与拖动根底 第一节第一节 直流电机的根本原理和构造直流电机的根本原理和构造第二节第二节 直流电机的电枢绕组和磁场直流电机的电枢绕组和磁场第三节第三节 电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩第四节第四节 直流电机的根本方程和任务特性直流电机的根本方程和任务特性引引 言言 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁安装，将直流电能能和机械能相互转换的电磁安装，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之那转换成机械能的电机称为直流电动机，反之那么称为直流发电机。直流电

2、动机具有调速范围么称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，广且平滑， 起、起、 制动转矩大，过载才干强，易制动转矩大，过载才干强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场所。于控制的优点，常用于对调速要求较高的场所。本章主要引见直流电机的根本构造和任务原理、本章主要引见直流电机的根本构造和任务原理、电枢绕组的根本构造和磁场，以及直流电动机电枢绕组的根本构造和磁场，以及直流电动机的根本方程和任务特性。的根本方程和任务特性。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 第一节第一节 直流电机的根本原理和构造直流电机的根本原理和构造 一、直流电机的根本原理

3、一、直流电机的根本原理 根据第一章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化根据第一章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化模型，如图模型，如图3-1所示。所示。 1. 直流电动机的任务原理直流电动机的任务原理 励磁线圈通入直流电流，产生直轴励磁线圈通入直流电流，产生直轴d轴方向的主极磁通轴方向的主极磁通 ，称为主磁场。交轴，称为主磁场。交轴q轴方向上的一对电刷将电枢线圈分为上轴方向上的一对电刷将电枢线圈分为上下两部分，电枢线圈按照一定的联接方式组成电枢绕组。当直流下两部分，电枢线圈按照一定的联接方式组成电枢绕组。当直流电源经过电刷向电枢绕组供电时，电枢外表的左半部分导体即电源经过电刷向电

4、枢绕组供电时，电枢外表的左半部分导体即N极下可以流过一样方向的电流，根据左手定那么导体将遭到极下可以流过一样方向的电流，根据左手定那么导体将遭到逆时针方法的力矩作用；电枢外表的右半部分导体即逆时针方法的力矩作用；电枢外表的右半部分导体即S极下也极下也流过一样方向的电流，同样根据左手定那么导体也将遭到逆时针流过一样方向的电流，同样根据左手定那么导体也将遭到逆时针方法的力矩作用。这样，整个电枢绕组即转子将按逆时针旋转，方法的力矩作用。这样，整个电枢绕组即转子将按逆时针旋转，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理

5、第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2. 直流发电机的任务原理直流发电机的任务原理 根据电机的可逆原理，在图根据电机的可逆原理，在图3-1所示的直流电机模型中，励磁所示的直流电机模型中，励磁线圈仍通入直流电流，产生主极磁通线圈仍通入直流电流，产生主极磁通 。 电枢上不外加直流电电枢上不外加直流电压，而用原动机拖动电枢恒速旋转，压，而用原动机拖动电枢恒速旋转， 使电枢线圈切割磁力线而产使电枢线圈切割磁力线而产生感应电动势，电动势的方向由右手定那么确定。生感应电动势，电动势的方向由右手定那么确定。 由于电枢延续由于电枢延续的旋转，电枢绕组的每个线圈边交替地切割的旋转，电枢绕组的每个线圈边交替地

6、切割N极和极和S极下的磁力线，极下的磁力线，产生交变得感应电动势。产生交变得感应电动势。 再经过换向器的作用，使得在上下两个再经过换向器的作用，使得在上下两个电刷端输出的电动势为为一个方向一样的脉动电动势，电刷端输出的电动势为为一个方向一样的脉动电动势， 比如，比如， 从从电刷电刷A总是输出切割总是输出切割N极磁力线的线圈边所产生的正向电动势，从极磁力线的线圈边所产生的正向电动势，从电刷电刷B总是输出切割总是输出切割S极磁力线的线圈边所产生的负向电动势，极磁力线的线圈边所产生的负向电动势， 这这样，电刷样，电刷A一直为正极性，而电刷一直为正极性，而电刷B一直为负极性。因此，虽然线一直为负极性。

7、因此，虽然线圈切割不同极性磁极所产生的感应电动势是交变的，圈切割不同极性磁极所产生的感应电动势是交变的， 但经过换向但经过换向器的作用，在电刷两端却输出直流电压。器的作用，在电刷两端却输出直流电压。 二、直流电机的二、直流电机的根本构造根本构造 直流电动机和直直流电动机和直流发电机在主要构造流发电机在主要构造上根本一样，常用的上根本一样，常用的中小型直流电动机构中小型直流电动机构造如图造如图3-2所示。直流所示。直流电动机主要由定子、电动机主要由定子、转子，电刷安装、端转子，电刷安装、端盖、轴承、通风冷却盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。系统等部件组成。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理

8、 1. 定子定子 定子由机座、主磁极、换向极、电刷安装等组成，其剖面定子由机座、主磁极、换向极、电刷安装等组成，其剖面构造表示图如图构造表示图如图3-3所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机的机械支架。的机械支架。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2. 转子转子 转子又称电枢由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴转子又称电枢由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，如图和风扇等组成，如图3-4所示。它的作用是产生电磁转矩或感应所示。它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。电动势，实现机电能量的转换。 第三章第三章 直流电机原理直流电

9、机原理1静止部分定子主磁极换向极机座电刷安装2转动部分转子电枢铁心电枢绕组换向器3气隙主磁极：大中型电机中，主磁极是一种电磁铁，铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。为了使主磁通在气隙中分布的更为合理一些，铁心下部称为极靴要比套绕组的部分称为级身宽，同时也使绕组结实的套在铁心上 电枢铁心是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心普通用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如下图。电枢铁心固定在转轴或转子支架上。铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。二、直流二、直流电机的机的额定定值 额定定值根据国家根据国家规范、范、电机的

10、机的设计目的、目的、实验数据，数据，电机制造厂机制造厂给每台每台电机机规定的主要性能目的。定的主要性能目的。直流直流电机的机的额定定值铭牌数据牌数据1.1.额定功率定功率PN kWPN kW2.2.额定定电压UN VUN V3.3.额定定电流流IN AIN A4.4.额定定转速速nN rpmnN rpm或或r/minr/min直流直流电机的机的额定定值铭牌数据牌数据1.1.额定功率定功率PNPN：指在：指在额定定电压、额定定电流、流、额定定转速条件下任速条件下任务的的输出功率。出功率。(1).(1).电动机：机：轴上上输出的机械功率出的机械功率(2).(2).发电机：机：电枢枢输出的出的电功率

11、功率电动机的机的输入功率入功率P1=UNxINP1=UNxIN电动机的机械功率机的机械功率PN=UNxINxNPN=UNxINxN发电机的机的输入功率入功率P1=P1=机械功机械功率率发电机的机的输出功率出功率PN=UNxIN= P1xNPN=UNxIN= P1xN直流直流电机的机的额定定值铭牌数据牌数据2.2.额定定电压UNUN：平安任：平安任务的外加的外加电压 或或输出出电压 。3.3.额定定电流流ININ：平安任：平安任务的外加的外加电流流 或或输出出电流流 。4.4.额定定转速速nNnN：在：在额定定电压、额定定电流、流、额定功率定功率 条件下任条件下任务时，对应的的转速。速。*.*.

12、功率与功率与转速、速、转矩的关系矩的关系角角转速速rad/srad/s、转矩矩NmNm，那么，那么PWPW例例3-1 3-1 某直流某直流电动机机铭牌牌为：PN=10kWPN=10kW， UN=220V UN=220V， nN=1500rpm nN=1500rpm，N=88.6%N=88.6%求：求：1.1.额定运定运转时的的输入功率入功率 2. 2.额定定电流、流、额定定转矩矩解：解：1. P1=PN/N=10/0.886=11.29 (kW)1. P1=PN/N=10/0.886=11.29 (kW)2. IN=P1/UN=11.29x103/220=51.3 (A)2. IN=P1/UN

13、=11.29x103/220=51.3 (A) TN=PN/wN=10x103/(1500x2/60) TN=PN/wN=10x103/(1500x2/60) =63.66 (Nm) =63.66 (Nm)例例3-2 3-2 某直流某直流发电机机铭牌牌为：PN=90kWPN=90kW， UN=230V UN=230V， nN=1450rpm nN=1450rpm，N=89.6%N=89.6%求：求：1.1.额定运定运转时的的输入机械功率、入机械功率、输入入转矩矩 2. 2.额定定电流流解：解：1. P1=PN/N=90/0.896=100.45 (kW)1. P1=PN/N=90/0.896=

14、100.45 (kW)2. IN=PN/UN=90x103/230=391.3 (A)2. IN=PN/UN=90x103/230=391.3 (A) T1=P1/wN=100.45x103/(1450x2/60) T1=P1/wN=100.45x103/(1450x2/60) =661.64 (Nm) =661.64 (Nm)第二节第二节 直流电机的电枢绕组和磁场直流电机的电枢绕组和磁场 一、直流电机的电枢绕组一、直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能转换的中心部件。在实践的直流电机中，为添加电机的机电能

15、转换的中心部件。在实践的直流电机中，为添加电机的感应电动势和电磁转矩其电枢外表均匀分布的槽内嵌放了许多感应电动势和电磁转矩其电枢外表均匀分布的槽内嵌放了许多线圈，线圈， 这些线圈按一定规律与换向器联接起来，这些线圈按一定规律与换向器联接起来， 组成电枢绕组成电枢绕组。组。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图3-5所示。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另所示。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构

16、成双层绕组，如图一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图3-6所示。所示。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 按按照照元元件件首首尾尾端端与与换换向向片片联联接接规规律律的的不不同同，电电枢枢绕绕组组可可分分为为叠叠绕绕组组和和波波绕绕组组，叠叠绕绕组组又又有有单单叠叠和和复复叠叠之之分分，波波绕绕组组也也有有单单波波和复波之分。单叠绕组是直流电机电枢绕组的根本方式。和复波之分。单叠绕组是直流电机电枢绕组的根本方式。 二、直流电机的磁场二、直流电机的磁场 1. 空载磁场空载磁场 直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功率输

17、出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。率输出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 主主磁磁通通0 的的大大小小决决议于于励励磁磁磁磁动势Ff 、磁磁路路各各段段几几何何尺尺寸寸和和选用用的的资料料性性质。在在磁磁路路尺尺寸寸和和资料料已已定定的的情情况况下下，0 与与Ff 满足足图3-9所所示示的的 0 = fFf 关关系系曲曲线。假假设励励磁磁绕组匝匝数数一一定定，磁磁动势Ff 便便与与励励磁磁电流流If 成成正正比比，使使 0 = fFf = fIf ，称称为磁化曲磁化曲线。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 磁磁化化曲

18、曲线阐明明，电机机中中磁磁通通增增大大时，磁磁通通与与磁磁动势成成线性性正正比比，但但当当磁磁通通到到达达一一定定数数值时，磁磁通通增增长缓慢慢，呈呈饱和和趋势，随随着着磁磁动势继续添添加加，磁磁通通趋于于平平直直。普普通通电机机空空载时，电机机的的磁磁场处于于磁磁化化曲曲线浅浅饱和区的和区的a点。点。 2. 电枢反响枢反响 直流直流电机在主极建立了主磁机在主极建立了主磁场，当，当电枢枢绕组中中经过电流流时，产生生电枢磁枢磁动势，也在气隙中建立起，也在气隙中建立起电枢磁枢磁场。这时电机的气隙机的气隙中构成由主极磁中构成由主极磁场和和电枢磁枢磁场共同作用的合成磁共同作用的合成磁场。这种由种由电枢

19、枢磁磁场引起主磁引起主磁场畸畸变的景象称的景象称为电枢反响。枢反响。 首先分析首先分析电枢磁枢磁场的的单独分布。独分布。 由于由于电枢枢绕组中各支路中各支路电流流是是经电刷与外刷与外电路路衔接的，接的， 电枢外表的磁枢外表的磁场分布与分布与电刷分布有刷分布有关。关。电刷是刷是电枢外表枢外表电流分布的分界限，如流分布的分界限，如图3-10a所示，根据右所示，根据右手螺旋定那么，其磁通分布和磁密分布曲手螺旋定那么，其磁通分布和磁密分布曲线展开如展开如图3-10b所示。所示。如如电枢元件在枢元件在电枢外表的分布是均匀的，枢外表的分布是均匀的， 那么那么电枢磁枢磁动势在主磁在主磁极中央极中央为零，在两

20、磁极的中零，在两磁极的中间为最大。最大。 两磁极中两磁极中间的气隙磁阻大，的气隙磁阻大，使磁通最大点出如今主磁极两端，而在极使磁通最大点出如今主磁极两端，而在极间处磁通减少呈磁通减少呈马鞍形。鞍形。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 直流电机负载运转时主磁极的一端磁通添加，另一端磁通减直流电机负载运转时主磁极的一端磁通添加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反响。何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反响。 第三章第三章 直流电机

21、原理直流电机原理 三、直流三、直流电机的励磁方式机的励磁方式 在直流在直流电机中，由定子励磁机中，由定子励磁线圈通圈通电所所产生的主磁生的主磁场称称为励励磁磁磁磁场。不同的励磁方式，直流。不同的励磁方式，直流电机的运机的运转特性有很大差特性有很大差别。按。按励磁励磁绕组的供的供电方式不同，可把直流方式不同，可把直流电机分成以下四种：机分成以下四种：第三章第三章 直流电机原理直流电机原理第三第三节 电枢枢绕组感感应电动势和和电磁磁转矩矩 在直流在直流电机运机运转时，电枢枢绕组在磁在磁场中切割磁力中切割磁力线，产生感生感应电动势，同，同时电枢枢绕组中有中有电流便会受流便会受电磁力的作用。下面磁力的

22、作用。下面讨论感感应电动势和和电磁磁转矩的矩的计算公式。算公式。 一、一、电枢枢绕组感感应电动势 电枢枢绕组感感应电动势是指直流是指直流电机机电枢上正、枢上正、负电刷刷间产生生的感的感应电动势，如，如图3-13所示，所示，电刷刷间感感应电动势波形好像一个波形好像一个交流正弦交流正弦电压经过整流以后的波形，整流以后的波形，这阐明直流明直流电机机电枢上枢上产生生的是交流的是交流电，经过电刷刷换向后才向后才输出直流出直流电。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理第三章第三章 直流电机原理直流电机原理这里，直流里，直流电机运机运转时在在电刷刷间产生的平均感生的平均感应电动势为 由式由式1-35电机机

23、产生的感生的感应电动势为3-1由由电枢枢转动的机械角速度的机械角速度 与感与感应电动势角角频率率 e 的关系的关系 3-23-3 式式3-1表示的直流表示的直流电机感机感应电动势可写成可写成 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理由于由于电枢枢绕组的匝数的匝数N与与电枢枢总有效有效边数数Z以及支路以及支路对数数a的关系的关系为 N = Z/4a， 3-4令令 为电动势常数，那么就得到直流常数，那么就得到直流电机的机的电枢枢电动势计算公式算公式3-5第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 二、电磁转矩二、电磁转矩 这里利用第一章推导的普通电机电磁转矩方程式这里利用第一章推导的普通电机电磁转矩方程

24、式1-44来来计算直流电机的电磁转矩。从直流电机的根本构造可以看出，它计算直流电机的电磁转矩。从直流电机的根本构造可以看出，它是一种定子绕组为凸极的电机，现假定其满足以下条件：是一种定子绕组为凸极的电机，现假定其满足以下条件： 1可以忽略各种饱和与非线性；可以忽略各种饱和与非线性； 2电刷的位置在几何中心线上，即电刷的位置在几何中心线上，即 r = 90 ，并忽略电刷，并忽略电刷宽度；宽度； 3忽略磁动势的空间谐波；忽略磁动势的空间谐波； 4电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽；电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽； 如图如图3-1所示的直流电机，在定子绕组中通以直流励磁电流所示的直流电机

25、，在定子绕组中通以直流励磁电流If ，产生恒定的磁通，产生恒定的磁通 ，这时，这时 sr = ，由电枢绕组产生的每极磁，由电枢绕组产生的每极磁动势动势Fa 波形如图波形如图3-14所示，其幅值为所示，其幅值为 对电枢磁枢磁动势Fa 进展傅里叶展傅里叶变换，其正弦基波分量的幅，其正弦基波分量的幅值Fa1为第三章第三章 直流电机原理直流电机原理将上述各将上述各变量的关系代入式量的关系代入式1-44，得，得第三章第三章 直流电机原理直流电机原理令令 为转矩常数，那么可得直流矩常数，那么可得直流电机机电磁磁转矩矩计算公式算公式3-6 另外，根据比另外，根据比-萨电磁力定律，磁力定律，计算直流算直流电机

26、机电枢枢绕组元件元件边在磁在磁场中的受力，也可推中的受力，也可推导出与式出与式3-6同同样的的电磁磁转矩方程，矩方程，这方面的内容可参方面的内容可参阅教材有关的内容。教材有关的内容。 第四节第四节 直流电机的根本方程和任务特性直流电机的根本方程和任务特性 直流电机的运转情况可以用根本方程来研讨。直流电机可直流电机的运转情况可以用根本方程来研讨。直流电机可为发电机运转和电动机运转。当直流电机由外动力拖动，在电为发电机运转和电动机运转。当直流电机由外动力拖动，在电枢转轴上输入机械能，电枢感应出电动势，并经电刷转换输出枢转轴上输入机械能，电枢感应出电动势，并经电刷转换输出直流电能向负载供电，感应电动

27、势大于电枢端电压，电机作发直流电能向负载供电，感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运转。当直流电机电枢输入直流电源电压，此电压经电刷电机运转。当直流电机电枢输入直流电源电压，此电压经电刷转换流入电枢绕组，转换流入电枢绕组， 电枢受电磁转矩作用，电枢受电磁转矩作用， 在转轴输出机械在转轴输出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于电枢电压，那么能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于电枢电压，那么电机作电动机运转。本节给出直流电机稳态运转时的根本方程电机作电动机运转。本节给出直流电机稳态运转时的根本方程和任务特性。和任务特性。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 一、直流电动机一、直流

28、电动机 在列写直流电动机的根本方程之前，先规定相关物理量的在列写直流电动机的根本方程之前，先规定相关物理量的参考正方向，假设各物理量的瞬时实践方向与参考正方向一致，参考正方向，假设各物理量的瞬时实践方向与参考正方向一致，其值为正，反之为负。其值为正，反之为负。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 1. 电压方程方程 (1) 他励直流他励直流电动机机 他励式直流他励式直流电动机的励磁机的励磁线圈采用圈采用单独独电源供源供电 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 直流直流电动机的机的电枢回路枢回路电源源电压Ua，电枢枢绕组的的电阻阻Rw ，正、正、负电刷的接触刷的接触电压降降为2Ub ，由基

29、，由基尔霍夫霍夫电压定律可列出定律可列出电枢回路方程枢回路方程 3-73-8式中式中 Ra 包括包括电枢枢绕组和和电刷刷压降的等效降的等效电阻；阻； Ea 直流直流电机感机感应电动势3-9 (2)并励直流并励直流电动机机 如如图3-12b所示，所示，电动机采用并励方式机采用并励方式时， 励磁励磁绕组与与电枢回路并枢回路并联， 共用一个共用一个电源，源，电枢回路的枢回路的电压方程与他励方程与他励时一一样，并有，并有 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理3-103-11 (3) 串励直流串励直流电动机机 如如图3-12c所示，所示，电动机采用串励方式机采用串励方式时，励磁，励磁绕组与与电枢回路串

30、枢回路串联，再与，再与电源源衔接，此接，此时3-123-13 2. 转矩方程矩方程 直流直流电动机机电枢外加枢外加电压后，任后，任务在在电动运运转形状，此形状，此时，电枢枢产生生电磁磁转矩矩Te ，其方向如，其方向如图3-16所示，所示，为逆逆时针转动，与与电动机空机空载转矩矩T0 和和电动机的机的轴上上负载转矩矩TL 相反。当相反。当电机机稳态运运转时，应有有Te与与T0、TL相平衡。相平衡。这样，按，按图3-15中正中正方向的商定，可写出方向的商定，可写出电动机的机的转矩方程矩方程第三章第三章 直流电机原理直流电机原理3-12 3. 功率方程功率方程 励磁回路励磁回路输入的入的电功率功率

31、3-13电枢回路枢回路输入的入的电功率功率第三章第三章 直流电机原理直流电机原理3-16式中式中 pCua = RaIa2 电枢回路的枢回路的铜耗；耗； Pem =EaIa 电机的机的电磁功率，且有磁功率，且有3-17由上式可得由上式可得电动机机电磁磁转矩的另一种矩的另一种计算公式算公式3-18 由此可见，电枢的电磁功率用于抑制电枢轴上的机械负载转由此可见，电枢的电磁功率用于抑制电枢轴上的机械负载转矩，实现机电能量的转换。在转矩平衡方程矩，实现机电能量的转换。在转矩平衡方程3-14两边乘以转两边乘以转速速 ，可得，可得 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理3-19式中式中 PL 电机的机械机

32、的机械负载功率；功率； p0 电机的空机的空载损耗，包括机械摩擦耗，包括机械摩擦损耗耗pmec 和和 铁心心损耗耗pFe 。 上式上式阐明，明，电磁功率磁功率转换成空成空载损耗和机械能耗和机械能输出。他励直出。他励直流流电动机机电动运运转时的功率关系如的功率关系如图3-16所示。所示。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理此此时，电动机的机的输入入电功率功率式中，式中，P2 电动机的机的输出功率，并有出功率，并有P2=PL；padd 电动机的附加机的附加损耗，是未被包括在耗，是未被包括在铜耗、耗、铁耗耗 和机械和机械损耗之内的其他耗之内的其他损耗；耗； p 电动机的机的总损耗，并有耗，并有第三

33、章第三章 直流电机原理直流电机原理由此，由此，电动机的效率机的效率为3-203-21第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 假假设忽略忽略电枢反响，枢反响， 当当Ia 添加添加时，转速速n下降，构成下降，构成转速降速降 n，如，如图3-17中曲中曲线1 所示。所示。 假假设思索思索电枢反响的去磁效枢反响的去磁效应，磁，磁通下降能通下降能够引起引起转速的上升，与速的上升，与Ia 增大引起的增大引起的转速降相抵消，使速降相抵消，使电动机的机的转速速变化很小。化很小。实践运践运转中中为保保证电动机机稳定运定运转，普，普通使通使电动机的机的转速随速随电流流Ia 的添加而下降。的添加而下降。转速降普通速

34、降普通为额定定转速的速的38%，呈根本恒速形状。，呈根本恒速形状。 4. 任务特性任务特性 (1) 转速特性转速特性 是指当是指当Ua=UN ，If =IfN 时，时，n = fI a的关的关系曲线。由感应电动势公式和电压方程可得系曲线。由感应电动势公式和电压方程可得3-22第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 (2) 转矩特性矩特性 是指当是指当Ua=UN ，I f=I fN时，Te = fI a的关的关系曲系曲线。由。由转矩特性公式矩特性公式Te = CT Ia 可知，在磁通可知，在磁通为额定定值时，电磁磁转矩与矩与电枢枢电流成正比。假流成正比。假设思索思索电枢反响的去磁效枢反响的去磁效

35、应，转矩随矩随电枢枢电流的添加而略微下垂，如流的添加而略微下垂，如图3-17中曲中曲线2所示。所示。 (3) 效率特性效率特性 是指是指Ua =UN ，I f =I fN 时， = fI a的关的关系曲系曲线。由式。由式3-20可可见，电动机的机的损耗中耗中仅电枢回路的枢回路的铜耗耗与与电流流Ia成平方正比关系，其他部分与成平方正比关系，其他部分与电枢枢电流无关。流无关。电动机的机的效率随效率随Ia 增大而上升，当增大而上升，当Ia 大到一定大到一定值后，效率又逐后，效率又逐渐下降，如下降，如图3-17中曲中曲线3所示。普通直流所示。普通直流电动机的效率在机的效率在0.750.94之之间。 第

36、三章第三章 直流电机原理直流电机原理第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 直流直流电动机在运用机在运用时一定要保一定要保证励磁回路励磁回路衔接可靠，接可靠，绝不能不能断开。一旦励磁断开。一旦励磁电流流 If = 0， 那么那么电机主磁通将迅速下降至剩磁机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，假磁通，假设此此时电动机机负载较轻，电动机的机的转速将迅速上升，呵速将迅速上升，呵斥斥“飞车；假；假设电动机的机的负载为重重载，那么，那么电动机的机的电磁磁转矩将矩将小于小于负载转矩，矩， 使使电机机转速减小，但速减小，但电枢枢电流将流将飞速增大，速增大， 超越超越电动机允机允许的最大的最大电流流值，引起，引起电枢

37、枢绕组因大因大电流流过热而而烧毁。 因此，在因此，在闭合合电动机机电枢枢电路前路前应先先闭合励磁合励磁电路，保路，保证电动机机可靠运可靠运转。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 二、直流发电机二、直流发电机 直流发电机各物理量的参考正方向选定如图直流发电机各物理量的参考正方向选定如图3-18a所示。所示。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 1. 电压方程电压方程 他励式直流发电机由外动力拖动按图他励式直流发电机由外动力拖动按图3-18a 所示逆时针旋转，所示逆时针旋转，产生感应电动势产生感应电动势Ea ，并且，并且Ea Ua，使电枢电流，使电枢电流Ia反向，此时电枢反向，此时电枢回

38、路的电压方程为回路的电压方程为其中，其中， 。 他他励励式式直直流流发电机机的的励励磁磁线圈圈采采用用单独独电源源供供电，其其回回路路方方程程见式式3-7，即，即3-23第三章第三章 直流电机原理直流电机原理3-243-25 假假设设发发电电机机采采用用并并励励方方式式，励励磁磁绕绕组组与与电电枢枢回回路路并并联联，由由图图3-19所所示示的的电电流流方方向向，电电枢枢回回路路的的电电压压方方程程与与他他励励时时一一样样，但但电电流变为式流变为式3-25，即，即 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2. 转矩方程矩方程 直流直流发电机的机的电枢在外枢在外动力力转矩矩Tm的拖的拖动下逆下逆时

39、针旋旋转，任，任务在在发电形状形状时，与反方向的空，与反方向的空载转矩矩T0 和和电磁磁转矩矩Te 平衡。平衡。这样，按，按图3-18中正方向的商定，中正方向的商定， 可写出可写出发电机形状的机形状的转矩平衡矩平衡方程方程3-26 3. 功率方程功率方程 对于直流于直流发电机，机，输入的机械功率入的机械功率为3-27因因电磁功率磁功率3-28第三章第三章 直流电机原理直流电机原理3-29 上式上式阐明，他励直流明，他励直流发电机将机将输入的原入的原动机的机械功率机的机械功率转换成成电能能输出和内部的出和内部的热能能损耗。其功率关系如耗。其功率关系如图3-20所示，可所示，可见机械能机械能转换成

40、成电能的能的变换过程。程。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 由此可得，直流由此可得，直流发电机的效率机的效率为3-30式中式中 p 直流直流发电机的机的总损耗，耗，对于他励直流于他励直流发电机机对于并励直流于并励直流发电机，那么在上式中机，那么在上式中还应加上励磁加上励磁损耗耗pCuf 。3-31第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 4. 任任务特性特性 (1) 空空载特性特性 是指当是指当发电机不机不带负载Ia=0，U = Ea时，E0 = Ea = fIf的关系曲的关系曲线。这里分两种情况里分两种情况讨论： 1) 对于他励直流于他励直流发电机由机由感感应电动势公式公式 ，且，且n恒

41、定不恒定不变，因此，因此 ，由，由图3-9给出的出的 0 = fIf磁化磁化曲曲线可得到的可得到的Ea = fIf的的 关系，即他励直流关系，即他励直流发电机的空机的空载特性与其空特性与其空载磁化曲磁化曲线是是类似的。如似的。如图3-21所示。所示。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 2) 对于并励和复励直流发电机，其励磁电流要靠发电机本身对于并励和复励直流发电机，其励磁电流要靠发电机本身提供的电压产生，提供的电压产生， 而发电机电压的产生那么需求有励磁电流才行。而发电机电压的产生那么需求有励磁电流才行。由此可见，并励和复励直流发电机在起始阶段需求有一个自我励由此可见，并励和复励直流发电机

42、在起始阶段需求有一个自我励磁并建立电压的过程，这称之为自励过程。磁并建立电压的过程，这称之为自励过程。 图图3-22给出了并励和给出了并励和复励直流发电机空载电压建立的过程：复励直流发电机空载电压建立的过程： 当原动机拖动发电机以恒当原动机拖动发电机以恒定转速定转速n 旋转时，旋转时， 由于主磁极存在剩磁，由于主磁极存在剩磁， 电枢绕组切割剩磁磁通电枢绕组切割剩磁磁通会产生一个较小的感应电动势会产生一个较小的感应电动势Eod， 由由Eod 在励磁回路中产生励在励磁回路中产生励磁电流磁电流If1 ； 假设极性正确，假设极性正确， 将在磁路中产生与剩磁方向一样的将在磁路中产生与剩磁方向一样的磁通，

43、使主磁路中磁通添加，使感应电动势增大为磁通，使主磁路中磁通添加，使感应电动势增大为E1，E1又使励又使励磁电流增大为磁电流增大为If2 ； 如此循环，如此循环， 使得感应电动势和励磁电流不断使得感应电动势和励磁电流不断添加，最终建立起发电机的空载电动势。添加，最终建立起发电机的空载电动势。 例如，例如， 在图在图3-22中的中的A点点E0A，IfA稳定任务。稳定任务。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 必需指出，自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件的：必需指出，自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件的：一是一是 电机必需有剩磁，假设没有须事先进展充磁；电机必需有剩磁，假设没有须事先进

44、展充磁；二是二是 励磁绕组的极性必需正确，励磁绕组的极性必需正确，也就是励磁绕组与电枢并联时接也就是励磁绕组与电枢并联时接线要正确；三是励磁回路的电阻线要正确；三是励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率不能太大，即其伏安特性的斜率U/If 不能太陡如斜线不能太陡如斜线1， 否否那么假设伏安特性的斜率太陡，那么假设伏安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无与发电机空载特性交点很低或无交点见斜线交点见斜线2， 就无法建立就无法建立空载电压。总之，自励发电机的空载电压。总之，自励发电机的运转首先要在空载阶段建立电压，运转首先要在空载阶段建立电压，然后才干带负载运转。然后才干带负载运转。 第

45、三章第三章 直流电机原理直流电机原理 (2) 外特性外特性 是指当励磁是指当励磁电流流坚持不持不变，改，改动外部外部负载时，其，其输出出电压与与负载电流的关系，即流的关系，即U=fIa。他励直流。他励直流发电机的外机的外特性如特性如图3-23中曲中曲线1所示，随着所示，随着电流的增大，其流的增大，其输出出电压下降。下降。这是由于：是由于： 随着随着发电机的机的负载添加，其添加，其电枢反响的去磁效枢反响的去磁效应加加强，使每极磁通量减小，使每极磁通量减小，导致致电枢枢电动势下降。下降。 电枢回路枢回路电阻阻上的上的电压将随着将随着电流上升而增大，使流上升而增大，使发电机的机的输出出电压下降。下降

46、。实践上，他励直流践上，他励直流发电机的机的负载电流从零流从零变化到化到额定定值时，其，其输出出电压下降不大，接近于一个恒下降不大，接近于一个恒压源。源。对于并励直流于并励直流发电机，因机，因还要向励磁回路供要向励磁回路供电，其外特性要更，其外特性要更软一些。一些。 第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 (3) 调理特性调理特性 当外接负载变化时，为了坚持发电机的输出电当外接负载变化时，为了坚持发电机的输出电压压U不变，可调理励磁电流不变，可调理励磁电流If 。例如：对于负载电流增大引起的。例如：对于负载电流增大引起的电压下降，可经过添加励磁电流，加大磁通量，从而使电枢电动电压下降，可经过添

47、加励磁电流，加大磁通量，从而使电枢电动势增大，以抵消负载电流在电枢回路的电压降，到达维持发电机势增大，以抵消负载电流在电枢回路的电压降，到达维持发电机电压恒定的目的。他励直流发电机调理特性电压恒定的目的。他励直流发电机调理特性 If =fIa如图如图3-23中曲线中曲线2所示。所示。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理 (4) 效率特性效率特性 他励直流发电机带负载运转时，其损耗中仅电他励直流发电机带负载运转时，其损耗中仅电枢回路的铜耗与电流枢回路的铜耗与电流 Ia 的平方成正比，称为可变损耗；其他部分的平方成正比，称为可变损耗；其他部分损耗与电枢电流无关，称为损耗与电枢电流无关，称为 不变

48、损耗。不变损耗。 当负载较小时，当负载较小时， Ia 也较也较小，此时发电机的损耗是以不变损耗为主，但因输出功率小而效小，此时发电机的损耗是以不变损耗为主，但因输出功率小而效率低；随着负载添加，率低；随着负载添加，P2增大而效率上升，当可变损耗与不变损增大而效率上升，当可变损耗与不变损耗相等时效率到达最大值；以后，假设继续添加负载，可变损耗耗相等时效率到达最大值；以后，假设继续添加负载，可变损耗将随着将随着Ia增大而成为损耗的主要部分，增大而成为损耗的主要部分， 效率又逐渐下降。他励直效率又逐渐下降。他励直流发电机的效率特性曲线流发电机的效率特性曲线 如图如图3-23b所示。所示。 第三章第三

49、章 直流电机原理直流电机原理小小 结结 作为直流电能与机械能相互转换的运动安装，直流作为直流电能与机械能相互转换的运动安装，直流电机在构造上保证了直流电动机和直流发电机任务形状电机在构造上保证了直流电动机和直流发电机任务形状的可逆性。直流电动机定子绕组的励磁方式有：他励、的可逆性。直流电动机定子绕组的励磁方式有：他励、并励、串励和复励。并励、串励和复励。 直流电机的电枢绕组是实现能量转换的主要部件。直流电机的电枢绕组是实现能量转换的主要部件。直流电机的空载磁场由定子绕组接通直流电源建立的，直流电机的空载磁场由定子绕组接通直流电源建立的，在电枢绕组通电也产生磁场，并且与定子绕组的磁场所在电枢绕组通电也产生磁场，并且与定子绕组的磁场所成后产生了电机的电枢反响效应，该效应会影响电机的成后产生了电机的电枢反响效应，该效应会影响电机的任务形状。任务形状。 直流电机在运转时电枢产生的感应电动势和电磁转直流电机在运转时电枢产生的感应电动势和电磁转矩公式为矩公式为直流电动机的根本方程包括电压平衡方程、转矩平衡方直流电动机的根本方程包括电压平衡方程、转矩平衡方程和功率平衡方程。利用这些方程可分析电机的运转特程和功率平衡方程。利用这些方程可分析电机的运转特性，进而可以获得不同励磁方式直流电动机的任务特性。性，进而可以获得不同励磁方式直流电动机的任务特性。