第一章直流电动机

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1、1.2 1.2 直流电机电枢绕组简介直流电机电枢绕组简介1.3 1.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。电动机的工作特性。1.4 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向1.6

2、1.6 直流发电机直流发电机1.7 1.7 直流电动机直流电动机1.1直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构思考题与习题思考题与习题第第1章章 直流电机直流电机1.1 直流电机的基本工作原理和结构1.1.1 直流电机的主要结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。起支撑和固定作用。定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组主磁路的一部分，

3、放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器换向器：与电刷装置配合与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承1.1.11.1.1直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机的基本结构 1轴承；轴承；2轴；轴；3电枢绕组；电枢绕组；4换抽极绕组；换抽极绕组；5电枢铁心；电枢铁心；6后端盖；后端盖；7刷杆座；刷杆座；8换向器；换向器；9电刷；电刷；10主磁极；主磁极；11机座；机座；12励磁绕组；励磁绕组；13风扇；风扇；14前端盖前端盖 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 直流

4、电机的基本结构剖面图直流电机的基本结构剖面图直流电机的基本结构剖面图直流电机的基本结构剖面图 1电枢绕组；电枢绕组；1电枢铁心；电枢铁心；1机座；机座；1主磁极铁心；主磁极铁心；1励磁绕组；励磁绕组；1换向极绕组；换向极绕组；1换向极铁心；换向极铁心；1；主磁极磁靴；机座底脚；主磁极磁靴；机座底脚 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.2直流电机的工作原理直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理一、直流发电机工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交直流发电机的

5、工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按感应电动势的方向按右手定则右手定则确定（磁感线指向手心，确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）应电动势的方向。）直流发电机原理模型 在图在图1.11.1所示瞬间，所示瞬间，导体导体a b a b 、c d c d 的感应的感应电动势方向分别由电动势方向分别由 b b指指向向 a a和由和由

6、d d 指向指向 c c 。这时电刷这时电刷 A A呈正极性呈正极性, ,电刷电刷B B 呈负极性。呈负极性。 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 当线圈逆时针方向旋转当线圈逆时针方向旋转180180时，时，这时导体这时导体c d c d 位于位于N N 极下，导体极下，导体a b a b 位于位于S S 极下，各导体中电动势都分极下，各导体中电动势都分别改变了方向。别改变了方向。直流发电机原理模型 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 从图看出，和电刷从图看出，和电刷 A A接触的导体永远位于接触的导体永远位于 N N极极下，同样，和电刷下，同样，和电刷 B B接触的导体永远位于接触的导体

7、永远位于S S 极下。极下。因因此，电刷此，电刷 A A始终有正极性，电刷始终有正极性，电刷 B B始终有负极性，所始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。电动势。这就是直流发电机的工作原理。这就是直流发电机的工作原理。 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理 导体受力的方向用导体受力的方向用左手定则左

8、手定则确定。这确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。方向旋转起来。直流电动机的原理模型 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 当电枢转了当电枢转了180180后，导后，导体体 cdcd

9、转到转到 N N极下，导体极下，导体abab转到转到S S极下时，由于直流电源供给的极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷电流方向不变，仍从电刷 A A流流入，经导体入，经导体cd cd 、ab ab 后，从电刷后，从电刷B B流出。这时导体流出。这时导体cd cd 受力方向受力方向变为从右向左，导体变为从右向左，导体ab ab 受力方受力方向是从左向右，产生的电磁转向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。矩的方向仍为逆时针方向。图1.4直流电动机原理模型 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向因此，电枢一经转动，由于换向器

10、配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体作用，直流电流交替地由导体 abab和和cdcd 流入，使线圈边只要处于流入，使线圈边只要处于N N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷极下，其中通过电流的方向总是由电刷A A 流入的方向，而在流入的方向，而在S S 极下时，总是从电刷极下时，总是从电刷 B B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 1.1 直流电

11、机的基本工作原理和结构 直流电机工作过程直流电机工作过程 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.3 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 额定容量额定容量额定容量额定容量( (功率功率功率功率)P)PN N(kW)(kW)。额定电压额定电压额定电压额定电压U UN N(V)(V)。额定电流额定电流额定电流额定电流I IN N(A)(A)。额定转速额定转速额定转速额定转速n nN N(r/min)(r/min)。励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流 I If fN N(A)(A)有些物理量虽然不在电

12、机铭牌上，但它也是额定有些物理量虽然不在电机铭牌上，但它也是额定有些物理量虽然不在电机铭牌上，但它也是额定有些物理量虽然不在电机铭牌上，但它也是额定值。例如在额定运行状态下的转矩、效率分别为额定转矩值。例如在额定运行状态下的转矩、效率分别为额定转矩值。例如在额定运行状态下的转矩、效率分别为额定转矩值。例如在额定运行状态下的转矩、效率分别为额定转矩和额定效率等，这些额定数据也叫铭牌数据。和额定效率等，这些额定数据也叫铭牌数据。和额定效率等，这些额定数据也叫铭牌数据。和额定效率等，这些额定数据也叫铭牌数据。 1.2.1 1.2.1 直流电枢绕组基本知识直流电枢绕组基本知识1.2.2 1.2.2 单

13、迭绕组单迭绕组1.2.3 1.2.3 单波绕组简介单波绕组简介 1.2 直流电机的电枢绕组简介 1.2 直流电机的电枢绕组简介 电枢绕组与换向片电枢绕组与换向片电枢绕组与换向片电枢绕组与换向片1.2.1 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识1.2 直流电机的电枢绕组简介元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种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。一根称为首端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁

14、极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。合成节距合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第二

15、节距第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。层边与第二个元件的上层边间的距离。单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组换向节距换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离同一元件首末端连接的换向片之间的距离。1.2.2. 1.2.2. 单叠绕组单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换向合成节距与换向节距均为节距均为1,1,即：即：。单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来

16、画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。电刷间的相对位置关系。单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。数与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电

17、动势。并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。. . . 单波绕组单波绕组单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。图所示。两个串联元件放在两个串联元件放在同极磁极下，空间位置同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻在与起始的换向片相邻的位置。的位置。单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来

18、组成一条支路，支起来组成一条支路，支路对数为路对数为1 1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2 2）当元件的几何形）当元件的几何形状对称时，电刷在状对称时，电刷在换向器表面上的位换向器表面上的位置对准主磁极中心置对准主磁极中心线，支路电动势最线，支路电动势最大大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。1.3.1 1.3.1 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.3.2 1.3.2 直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场 1.3.3 1.3.3

19、 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应1.3 1.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应1.3.1 1.3.1 1.3.1 1.3.1 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 直流电机中除直流电机中除主极磁场主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生时，还将会产生电枢磁场电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的机中的气隙磁场气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的要了解气隙磁场的情况，就要

20、先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。特性。 定义：直流电机的空载是指定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且电枢电流等于零或者很小，且 可以不计其影响的一种运行状态，可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负此时电机无负 载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁 场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立 的磁场。的磁场。 直流电机空载时的磁场分布示意图1 极靴；2极身；3元子磁轭；4励磁绕组；5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭一、直流电机的磁路一、直流电机的磁路二、空载时气隙磁磁通密度的分布图形二

21、、空载时气隙磁磁通密度的分布图形如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。为励磁磁通势。在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。零。直流电机空载磁场的磁密分布为一平顶波为一平顶波三、直流电机的空载磁化特性三、直流电机的空载磁化特性电机的磁化曲线 考虑到电机的运行性能考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定

22、运和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方图磁化曲线开始弯曲的地方图中的中的a a点（称为膝部）。点（称为膝部）。1.3.2 1.3.2 直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场 负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立作用所建立作用所建立作用所建立。一、电枢磁通势和电枢磁场一、电枢磁通势和电枢磁场一、电枢磁通势和电枢磁场一、电枢磁通势和电枢磁场 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布电刷在几

23、何中性线上时的电枢磁场分布假设励磁电流为零，假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为况，电枢磁动势为交轴交轴磁动势磁动势。二、电枢磁通势二、电枢磁通势单独单独产生的气隙磁通密度波形产生的气隙磁通密度波形为一三角波（为一三角波（气隙是均匀气隙是均匀） 四个元件所产生的电枢磁通势四个元件所产生的电枢磁通势 如果气隙是均匀的，如果气隙是均匀的，则在极靴范围内，磁密则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。但分布也是一条直线。但在两极极靴之间的空间在两极极靴之间的空间内，因气隙长度大为增内，因

24、气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密却反而减小，因此磁密分布曲线密分布曲线是马鞍形是马鞍形（见书中图形）（见书中图形） 1.3.3 1.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应定义定义: :电枢磁场对主磁场的电枢磁场对主磁场的 影响称为电枢反应。影响称为电枢反应。 电枢反应与电刷位置电枢反应与电刷位置 有关。有关。 一、电刷在几何中心线上的电枢反应一、电刷在几何中心线上的电枢反应一、电刷在几何中心线上的电枢反应一、电刷在几何中心线上的电枢反应 合成磁场合成磁场 合成磁密分布合成磁密分布 合成磁场合成磁场 有有负

25、负载载时时电电枢枢磁磁场场对对主主磁磁场场的的影影响响称称为为电电枢枢反反应应。电电刷刷在在几几何何中中心心线线处处时时，电电枢枢磁磁场场与与主主磁磁场场垂垂直直，此此时时的的电电枢枢反反应称交轴电枢反应。应称交轴电枢反应。利利用用迭迭加加原原理理，将将空空载载时时的的主主磁磁通通密密度度BOX与与负负载载时时电电枢枢磁磁通通密密度度逐逐点点相相加加，就就得得到到负负载载时时气气隙隙中中的的合合成成磁磁通通密密度度BX分布曲线分布曲线。一、电刷在几何中心线上的电枢反应一、电刷在几何中心线上的电枢反应 合成磁场合成磁场 交交轴轴电电枢枢反反应应的的性性质质有有以以下两点：下两点：（1）气气隙隙合

26、合成成磁磁场场发发生生了了畸畸变变。在在每每一一磁磁极极下下，主主极极磁磁场场的的一一半半被被削削弱弱，而而另另一一半半被被加加强强，此此时时的的物物理理中中心心线线偏偏离离了了几几何何中中心心线线。当当运运行行于于发发电电状状态态时时，其其物物理理中中心心线线顺顺转转动动方方向向偏偏离离几几何何中中心心线线一一个个角角度度；当当运运行行于于电电动动状状态态时时，其其物物理理中中心心线线逆逆转转动动方向偏移了一个角度方向偏移了一个角度。一、电刷在几何中心线上的电枢反应一、电刷在几何中心线上的电枢反应 对对主主磁磁场场有有附附加加去去磁磁作作用用。在在磁磁路路不不饱饱和和时时，主主极极磁磁场场被

27、被削削弱弱的的数数量量恰恰好好等等于于被被加加增增的的量量，因因此此负负载载时时的的合合成成磁磁通通量量与与空空载载时时相相同同。但但实实际际电电机机一一般般运运行行于于磁磁化化曲曲线线的的临临界界饱饱和和点点，主主磁磁极极因因磁磁饱饱和和的的影影响响，增增磁磁部部分分少少而而减减磁磁部部分分多多，从从而而使使负负载载时时合合成成磁磁通通量量略略比比空空载载时时少少，起到了去磁作用。起到了去磁作用。合成磁场合成磁场 一、电刷在几何中心线上的电枢反应一、电刷在几何中心线上的电枢反应 若若电电刷刷不不在在几几何何中中心心线线处处，此此时时的的电电枢枢反反应应磁磁场场可可以以分分解解为为交交轴轴与与

28、直直轴轴两两个个分分量量，产产生生的的电电枢枢反反应应除除了了有有交交轴轴电电枢枢反反应应外外，还还存存在在直直轴轴电电枢枢反应。反应。合成磁场合成磁场 二、电刷在几何中心线上的电枢反应二、电刷在几何中心线上的电枢反应直轴电枢反应直轴电枢反应磁场与主极轴磁场与主极轴线重合，若电线重合，若电枢反磁场与主枢反磁场与主磁场同向，则磁场同向，则起增磁作用；起增磁作用；若电枢反应磁若电枢反应磁场与主磁场相场与主磁场相反，则起去磁反，则起去磁作用。作用。合成磁场合成磁场 二、电刷在几何中心线上的电枢反应二、电刷在几何中心线上的电枢反应 为为了了保保证证电电机机的的正正常常换换向向，就就必必须须使使直直轴轴

29、电电枢枢反反应应不不能能起起增增磁磁作作用用，从从而而要要求求在在电电机机运运行行时时，最最好好是是将将电电刷刷由由几几何何中中心心线线移移到到物物理理中中心心线线上上，即即作作电电动动机机运运行行时时，可可逆逆转转动动方方向向移移一一个个合合适适的的角角度度，作作发发电电机机运运行行时时，则则要要顺顺时时针针移移动动一一个合适角度。个合适角度。合成磁场合成磁场 二、电刷不在几何中心线上的电枢反二、电刷不在几何中心线上的电枢反1.4 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.4.1 1.4.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势1.4.2 1.4.2 直流电

30、机的电磁转矩直流电机的电磁转矩1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势定义：电枢绕组中的定义：电枢绕组中的定义：电枢绕组中的定义：电枢绕组中的感应电动势。感应电动势。感应电动势。感应电动势。运行时感应电动势始终存在运行时感应电动势始终存在运行时感应电动势始终存在运行时感应电动势始终存在直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势都感应产生电动势, ,这个感应电动势是指一条支路的电动势。这个感应电动势是指一条支路的电动势。 电动机、发

31、电机运行时电枢元件中的电势与电流方向电动机、发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向 要计算支路电动势，可先求出每个元要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。联元件数，就可得出支路电动势。 计算感应电动势的计算计算感应电动势的计算 CeCe为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数CeCe不在变化，因此电枢电动势仅与

32、气隙磁通和转速不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。和磁通均可改变电枢电动势的大小。1.4.2 1.4.2 1.4.2 1.4.2 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩定义定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流 流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该 力与力与

33、力与力与电机电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。电枢铁心半径之积为电磁转矩。电枢铁心半径之积为电磁转矩。电枢铁心半径之积为电磁转矩。 式中式中式中式中CtCtCtCt为转矩常数，仅与为转矩常数，仅与为转矩常数，仅与为转矩常数，仅与电机电机结构有关。从结构有关。从结构有关。从结构有关。从CeCeCeCe与与与与CtCtCtCt的表达式可以看出的表达式可以看出的表达式可以看出的表达式可以看出Ct =9.55CeCt =9.55CeCt =9.55CeCt =9.55Ce。 由由由由 Tem=CtIa Tem=CtIa Tem=CtIa Tem=CtIa 可看出，制造好的直流电机其电磁转可看出，制造好的

34、直流电机其电磁转可看出，制造好的直流电机其电磁转可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。 : :1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述 1.5.2 1.5.2 换向的电磁理论换向的电磁理论 1.5.3 1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法 直流电机的换向是指电枢绕组元件经过电刷直流电机的换向是指电枢绕组元件经过电刷直流电机的换向是指电枢绕组元件经过电刷直流电机的换向是指电枢绕组元件经过电刷从一个支路进入另一个支路从一个支路进

35、入另一个支路从一个支路进入另一个支路从一个支路进入另一个支路, ,该元件的电流也从该元件的电流也从该元件的电流也从该元件的电流也从一个方向变换成另一个方向的过程。换向过程一个方向变换成另一个方向的过程。换向过程一个方向变换成另一个方向的过程。换向过程一个方向变换成另一个方向的过程。换向过程是否顺利、良好，关系到直流电机能否正常工是否顺利、良好，关系到直流电机能否正常工是否顺利、良好，关系到直流电机能否正常工是否顺利、良好，关系到直流电机能否正常工作作作作 直流电机的换向火花是影响直流电机正常直流电机的换向火花是影响直流电机正常直流电机的换向火花是影响直流电机正常直流电机的换向火花是影响直流电机

36、正常运行及使用寿命的关键问题，解决换向火花过运行及使用寿命的关键问题，解决换向火花过运行及使用寿命的关键问题，解决换向火花过运行及使用寿命的关键问题，解决换向火花过大，是直流电机维护的关键技术。大，是直流电机维护的关键技术。大，是直流电机维护的关键技术。大，是直流电机维护的关键技术。1.5直流电机的换向直流电机的换向换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。火花等级：火花等级：1 1级级-没有火花没有火花 1.251.25级级-一小部分地方有微弱点状火花一小部分地方有微弱点状火花 1.51.5级级-大部分电刷下有微弱火花大部分电刷下有微弱火

37、花 2 2级级-全部电刷边缘上均有火花全部电刷边缘上均有火花 3 3级级-全部电刷边缘上均有很大的火花且火星向全部电刷边缘上均有很大的火花且火星向 外飞溅外飞溅对正常工作的电机，火花等级不能超过对正常工作的电机，火花等级不能超过1.51.5级。级。1.5.1 1.5.1 1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述换向概述换向概述1.5.2 1.5.2 换向的电磁理论换向的电磁理论概念：是指换向元件在换向过程中电流变化的情概念：是指换向元件在换向过程中电流变化的情 况，从而判断况，从而判断 什么情况下会产生火花，什么情况下不产生火花。什么情况下会产生火花，什么情况下不产生火花。 直线换直线换向向延

38、迟换延迟换向向一、直线换向一、直线换向定义：是一种最基本的换向过程，换向元件里定义：是一种最基本的换向过程，换向元件里的换向电流随时间线性变化。的换向电流随时间线性变化。特点：电刷下不产生火花。特点：电刷下不产生火花。二、延迟换向二、延迟换向定义：定义：电抗电动势和电枢反应电动势的作用是电抗电动势和电枢反应电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。 特点：特点：电刷与换向片之间出现火花。电刷与换向片之间出现火花。图1.23 1.5.3 1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法 改善换向的目的：消除或削弱电刷下的火花改善换向的目的：消除或削弱电刷下的火花。

39、 方法：从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，方法：从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向， 就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和势和 电枢反应电动势。电枢反应电动势。 一、选用合适的电刷一、选用合适的电刷 增加电刷与换向片之间的接触电阻。在选用时，增加电刷与换向片之间的接触电阻。在选用时，要综合考虑接触电阻的大小和电能损耗、发热、摩擦等因素。要综合考虑接触电阻的大小和电能损耗、发热、摩擦等因素。更换电刷时必须尽量选择同一牌号的。更换电刷时必须尽量选择同一牌号的。 二、装设换向极二、装设换向极 目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。

40、目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。1.6 1.6 直流发电机直流发电机1.6.1 1.6.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.6.2 1.6.2 直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式1.6.3 1.6.3 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性1.6.4 1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性1.6.1 1.6.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.6 直流发电机供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励他励和和自励自励两大类，自励方式又分两大类，自励方式又分并励并励、串励串励和和复

41、励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：2 2、并励、并励：发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足4 4、复励：、复励： 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。1.6

42、.2 1.6.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一. .电动势平衡方程电动势平衡方程从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足二二. . 转矩平衡方程转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流三、励磁特性公式三、励磁特性公式每极气隙磁通每极气隙磁通四四. .功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电机的

43、机械功率原动机输入给发电机的机械功率电磁功率电磁功率机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗、附加损耗附加损耗空载损耗空载损耗 包括：包括：电磁功率电磁功率一方面代表电动势为一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。械功率。电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗1.6.3 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性一、空载特性定

44、义定义: :当当 、 时，时， 直流发电机的空载特性是非线直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。作为空载特性曲线。空载时空载时空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线空载特性实质上就是空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。化特性曲线相同。二、外特性定义：当定义：当 、 时，时， 由曲线可见，负载电流增大时，端由曲线可见，负载电流增大时，端电

45、压有所下降。电压有所下降。他励他励并励根据根据 可知可知端电压下降端电压下降有两个原因：有两个原因：(一一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；作用使每极磁通量减少，使电动势减少；(二二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。下降。为什为什么低么低? ?三、调节特性定义：当定义：当 、 时时，由曲线可见，在负载电流变化由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电

46、枢回励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响路电阻压降对对输出端电压的影响. .1.6.41.6.4 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。条件称为自励条件。一、自励条件一、自励条件曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线, ,曲线曲线2

47、 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线，也称场阻线也称场阻线 。原动机带动发电机旋转时，如果主磁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动势。在电动势作用下励磁回路产生 。增大增大 , ,场阻线变为曲线场阻线变为曲线3 3时，时， 称为临界电阻称为临界电阻 。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路

48、磁通增加，电动势增大，主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与与 相等，达到稳定的平衡工作点相等，达到稳定的平衡工作点A A。可见，并励直流发电机的自励条件有：可见，并励直流发电机的自励条件有：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。在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3 3）励磁回路的总）励磁回路的总电阻小于该转速下电阻小于该

49、转速下的临界电阻的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确三、外特性三、外特性四、调节特性四、调节特性并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作对并励发电机，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：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，端电压由于上述两个原因使端电压下降，引

50、起励磁电流减小，端电压进一步进一步下降下降。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。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。1.7 1.7 直流电动机直流电动机1.7.1 1.7.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理1.7.2 1.7.2 直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程1.7.3 1.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1.7.1 1.7.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 可逆原理可逆原理: :直流电机在一定的条件下，可作为发电机运行，把机直流电机在一定的条件下，可作为发电机运行，把机械能转变为电能供给直流负载；而在另外的条件下又可

51、把电能转换为械能转变为电能供给直流负载；而在另外的条件下又可把电能转换为机械能拖动机械负载。机械能拖动机械负载。 任何直流电机都是可逆的，但这并不是说是厂商提供的直流机任何直流电机都是可逆的，但这并不是说是厂商提供的直流机可以不分发电机和电动机了。因为电机是有额定工作状态的，这也是可以不分发电机和电动机了。因为电机是有额定工作状态的，这也是制造厂家为该电机设计的最佳工作状态，若混用，会不同程度的偏离制造厂家为该电机设计的最佳工作状态，若混用，会不同程度的偏离最佳工作状态，是电机的性能变坏。最佳工作状态，是电机的性能变坏。 1.7.2 1.7.2 直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程 一、一

52、、电动势平衡方程式电动势平衡方程式 以并励发电机为例以并励发电机为例 根据基尔霍夫电压定律得：根据基尔霍夫电压定律得：并励电动机枢回路励磁回路电路并励电动机枢回路励磁回路电路二、二、转矩平衡方程式转矩平衡方程式电机的转矩平衡关系图三、三、功率平衡方程式功率平衡方程式功率平衡关系图功率平衡关系图 1、 P1 = Pem + pcua 2、Pem=Tem=(T2+T0)=P2+P03 3、综上有：、综上有： P P1 1 = P = Pemem + p + pcuacua = P = P2 2 +p +pFeFe+ p+ pmecmec+ p+ pcua cua + + = = P2+4 4、电动

53、机效率、电动机效率：返回1.7.3 1.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性1 1、转速特性、转速特性并励电动机的工作特性并励电动机的工作特性也称为自然转速特性或固有转速特性。当=0时，得理想空载转速由方程式可得由方程式可得2 2、转矩特性、转矩特性定义：当定义：当 、 时，时，转矩表达式转矩表达式3、效率特性定义：当定义：当 、 时，时， （1 1）铜耗）铜耗 电流流过导体时，消耗在电阻内的损耗；其次是电流流过导体时，消耗在电阻内的损耗；其次是励磁回路的铜耗励磁回路的铜耗 p pcufcuf = I = If fR Rf f ；还有电刷接触损耗；还有电刷接触损耗 （2 2）铁耗）铁耗 电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗的损耗 （3 3）机械损耗）机械损耗 机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗 （4 4）附加损耗）附加损耗( (又称杂散损耗又称杂散损耗) ) 当电动机不变损耗等于随电流平方而变的可变损耗时，电动机效率达到最大。此结论对所有电机有普遍意义。