直流电动机的原理及特性

参考书（1）电机学电机学周绍英编，冶金工业出版社。周绍英编，冶金工业出版社。（2）电力拖动电力拖动牛秀岩主编，冶金工业出版社。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）定子部分（静止）（2）转子部分（旋转）转子部分（旋转）（3）气隙）气隙2.1.1基本结构基本结构图图2.1 直流电机纵剖面图直流电机纵剖面图 1.定子部分定子部分(stator)（1）机座）机座机座机座主磁极主磁极换向极换向极电刷装置电刷装置组成组成导磁导磁机械支撑机械支撑作用作用图图2.2 直流电动机的空载磁场分布图直流电动机的空载磁场分布图（2）主磁极）主磁极 作用作用 在定、转子之间的气隙里产生一定形状分布在定、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）。的气隙磁通密度（简称气隙磁密）。主磁极主磁极铁心铁心极身极身极靴极靴励磁绕组励磁绕组 组成组成 为了让气隙磁密度在沿气隙圆周方向的空间分布更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加合理，主磁极铁心做成如图2.3所示的形状。其中套励所示的形状。其中套励磁线圈的部分叫极身，沿气隙表面的部分叫极靴，极靴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。也能起到支撑励磁线圈的作用。图图2.3 主磁极装配图主磁极装配图1-机座机座2-主磁极铁心主磁极铁心3-励磁绕组励磁绕组 由于极靴下的气由于极靴下的气隙远远小于极靴之外隙远远小于极靴之外的气隙，所以极靴下的气隙，所以极靴下沿电枢圆周各点的磁沿电枢圆周各点的磁场将明显大于极靴范场将明显大于极靴范围以外的磁场强度，围以外的磁场强度，在两极之间的几何中在两极之间的几何中心线处，磁场将等于心线处，磁场将等于零。零。图图2.4 直流电动机的空载直流电动机的空载磁场曲线磁场曲线 当励磁绕组通入直流电流时，各主磁极都产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生一定的极性。直流电机中要求相邻主磁极的极性应为性应为N、S交替出现。交替出现。注意注意:为此，在把各主磁极上的励磁线圈相为此，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。连接时，应该注意它们的极性问题。（3）换向极）换向极 换向极又称附加极或间极。换向极又称附加极或间极。作用作用 改善改善直流电动机的换向。直流电动机的换向。换向极换向极铁心铁心绕组绕组 安装安装 换向极一般安装在两个主磁极之间的几何换向极一般安装在两个主磁极之间的几何中线上中线上.组成组成（4）电刷装置）电刷装置 作用作用 把转子部分的电流引出到静止的电路中（发电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）。转子电路中（电动机）。组成组成 电刷装置电刷装置电刷电刷电刷座电刷座2.转子部分转子部分(rotor)转子又称为电枢转子又称为电枢(armature)。转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器风扇风扇转轴转轴轴承轴承（1）电枢铁心电枢铁心 电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分。电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分。图图2.5 电枢铁心冲片电枢铁心冲片3-轴向通风孔构成：构成：将冷轧硅钢片冲成有齿、槽的冲片，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。片间有很薄的绝缘层。冲片外形如下图所示。1-齿2-槽电枢铁心的安装电枢铁心的安装 小型电动机的电枢铁心直接压装在轴上；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心先压装在转子支架上，大型电动机的电枢铁心先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。然后再将支架固定在轴上。说明说明 电枢铁心上开槽是为了安放电枢绕组用；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，以形为改善通风，电枢铁心可沿轴分成几段，以形成径向通风道。成径向通风道。（2）电枢绕组电枢绕组 构成构成 用包有绝缘层的导体构成电枢线圈；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、下将线圈按一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下层中；层中；每个元件的两个出线端都按一定的规律与换向器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。的换向片相连。连接方式连接方式单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组图图2.6 典型的换向器结构图典型的换向器结构图1-V形套筒形套筒2-云母环云母环3-换向片换向片4-连接片连接片（3）换向器）换向器图图2.7 直流电机定、转子剖面示意图直流电机定、转子剖面示意图1-电枢绕组电枢绕组2-电枢铁心电枢铁心3-机座机座4-主磁极铁心主磁极铁心5-励磁绕组励磁绕组6-换向极绕组换向极绕组7-换向极铁心换向极铁心8-极靴极靴9-底脚底脚2.1.2 励磁方式励磁方式（1）他励）他励IfIaUMUf(a)他励式接线图接线图特点特点励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组不相连接。不相连接。直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。励励磁方式主要分成他励、并励、串励和复励四种。磁方式主要分成他励、并励、串励和复励四种。（2）并励）并励IIfIaUM(b)并励式接线图接线图特点特点励磁绕组上的电压励磁绕组上的电压等于电枢绕组的端等于电枢绕组的端电压。电压。（3）串励式）串励式IaIfIUM(c)串励式接线图接线图特点特点励磁绕组的电流等于励磁绕组的电流等于电枢绕组的电流。电枢绕组的电流。（4）复励式）复励式IIf1IaUM(d)复励式If2 接线图接线图 特点特点一部分励磁绕组和电枢绕组一部分励磁绕组和电枢绕组并联，另一部分和电枢绕组并联，另一部分和电枢绕组串联。串联。2.1.3 额定数据额定数据 直流电动机的铭牌数据主要有：直流电动机的铭牌数据主要有：（1）额定功率）额定功率PN：指电动机在额定运行状态：指电动机在额定运行状态下轴上输出的机械功率，用下轴上输出的机械功率，用W或或kW表示；表示；（2）额定电压）额定电压UN：指电动机在额定运行状态：指电动机在额定运行状态下电机两端的电压，用下电机两端的电压，用V表示；表示；（3）额定电流）额定电流IN：指电动机在额定电压下运：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，行，输出功率为额定功率时流过电机的电流，用用A表示；表示；额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为：额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为：PN=UNINN式中，式中，N为直流电动机的额定效率。为直流电动机的额定效率。（4）额定转速）额定转速nN：指电动机在额定运行状态下转：指电动机在额定运行状态下转子的转速，用子的转速，用r/min表示；表示；（5）额定励磁电流）额定励磁电流IfN：指电动机在额定电压下运：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。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。等级、防护等级、冷却方式、温升、重量等。2.1.4 工作原理工作原理1.直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理图图2.8 直流发电机的工作原理图直流发电机的工作原理图t0eda 图图2.9 线圈感应电动势的变化曲线线圈感应电动势的变化曲线 图图2.10 电刷之间的电动势波形电刷之间的电动势波形t0edaeda0t图图2.11 四个线圈时换向后的电势波形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，。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。可以认为是恒定的电势。teda0图图2.12 多个线圈时换向后的电势波形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片所起的作用是将线圈内的交流电动势改变为外电路上的直流电动势，即所谓的整变为外电路上的直流电动势，即所谓的整流作用。流作用。2.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理图图2.13 直流电动机的工作原理图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，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。交变电流，即所谓的逆变作用。2.4 感应电动势和电磁转矩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电枢绕组的感应电动势 计算公式为：Ea=CEn 式中：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直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率关系的基本方程式和功率关系2.5.1 基本方程式基本方程式1.电机稳态运行时的基本方程式电机稳态运行时的基本方程式 图图2.14标出了他励直流标出了他励直流电动机各物理量的参考方向电动机各物理量的参考方向（即规定正方向）。图中：（即规定正方向）。图中：TLTnIfIaUEaUf图图2.14 他励直流电动机他励直流电动机各量的规定正方向各量的规定正方向U 电枢两端的端电压；电枢两端的端电压；Ea电枢感应电动势；电枢感应电动势；Ia电枢电流；电枢电流；T 电磁转矩；电磁转矩；TL负载转矩；负载转矩；N 电机的转速；电机的转速；Uf 励磁电压；励磁电压；If 励磁电流；励磁电流；主磁通。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+IaRaEa=CEnT=CTIaT=T0+T2If=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图图2.15 他励直流电动机稳态运行时的功率流他励直流电动机稳态运行时的功率流程图程图 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 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 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。图图2.16 他励直流电动机的机械特性曲线他励直流电动机的机械特性曲线nn0nNTNT0 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TT Ian0图图2.17考虑磁饱和时的机械特性曲线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。图图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线他励直流电动机的固有机械特性曲线nn0nNT0TNT0（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T0PM=EaIa0P1=UNIa0电动机发电机IaUNEa+-TnTL1UNIaUNEa(a)TABTL1(TL2 TL1)0nnAnBn0(c)图图2.19 电车下坡时的回馈制动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+-TTL1UNIaTL2EaUN(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+UREaRaIaUfIf图图2.20 电枢回路串接电阻的原理图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：气隙磁通量为额定值N；电枢回路总电阻为(Ra+R)。机械特性表达式为：人为人为固有固有R2 R1图图2.21 电枢回路串接电阻的人为机械特性曲线电枢回路串接电阻的人为机械特性曲线nn0RaRa+R1Ra+R20TTL特点：理想空载转速n0不变，与固有机械特性相同；斜率随(Ra+R)的增大成正比例地增加，因而形成一组过n0的放射状直线。电枢回路串接电阻的人为机械特性主要用于电动机的起动和调速（额定转速以下）。用途：（2）改变电枢电源电压时的人为机械特性条件：保持气隙磁通量为额定值N不变；电枢回路不串接电阻(即R=0)；改变电枢两端的电源电压U。机械特性表达式为：图图2.22 改变电枢电源电压时的人为机械特性曲线改变电枢电源电压时的人为机械特性曲线nn00Tn0n0nnnTLUNUUU U UN人为固有特点：理想空载转速n0与U成正比。斜率不变，与固有机械特性相同，各条人为特性曲线平行；改变电枢电源电压的人为机械特性主要用于电机的起动和调速（额定转速以下），并且调速时能保持机械特性的硬度不变。用途：（3）减少气隙磁通量时的人为机械特性电动机电枢两端电源电压为UN；条件：电枢回路不外串电阻(R=0)；改变气隙磁通。机械特性表达式为：NN人为固有图图2.23 他励直流电动机减弱磁通时的人为机他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性曲线械特性曲线nn00TTL特点：磁通减弱会使斜率加大，因与磁通的平方成反比；磁通减弱会使n0升高，因n0与磁通成反比；减弱磁通的人为机械特性主要用于调速（额定转速以上），但由于受到电机换向能力和机械强度的限制，其向上调速的范围并不是很大。人为机械特性是一组直线，它们既不平行也非放射状。磁通减弱时，特性上移而且变软。用途：2.7 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 所谓电力拖动系统稳定问题，也就是系统的工作点稳定问题，是指电力拖动系统在某种扰动作用下离开了原工作点（或平衡状态）后，是否能在新的条件下运行于新的工作点（或平衡状态）；且在扰动消失后，系统是否还能回到原来的工作点（或平衡状态）。“扰动”一般是指电网电压的波动或负载的微小变化。电力拖动系统运行于平衡状态的充要条件是：T=TL是否每一个工作点（平衡状态）都是稳定的呢？问题：图图2.24 电力拖动系统稳定运行分析电力拖动系统稳定运行分析nn02ABC1TTCTLTB0图图2.25 拖动系统不稳定运行分析拖动系统不稳定运行分析n2AB1TTL0CDTB 对于拖动系统，其工作点（平衡状态）稳定的充分必要条件是：在T=TL处有：结论：证明：nnTL=f(n)T=f(n)ATLTTLT0图图2.26 探讨稳定运行条件的例子探讨稳定运行条件的例子 现设系统在某种扰动作用下离开了原工作点A，转速变为n=nA+n，相应的电动机转矩变为T=T+T，负载转矩变为TL=TL+TL，于是运动方程式变为：假设系统运行于工作点A，则根据系统处于平衡状态的充要条件可知，在A点处有：T=TL，。因为电动机转矩和负载转矩都是转速的函数，且各增量都很小，所以上式可以近似地表示为：式中：dT/dn为电动机机械特性的硬度；dTL/dn为负载转矩特性的硬度。将系统运行于平衡状态的充要条件代入后，上式可变为将上式两边积分，于是有根据初始条件：t=0，n=nqs可以得到积分常数C式中：nqs为起始转速的增量。由上式可以看出：只有e的指数为负，才能保证转速增量n在扰动消失后，随时间t的增加按指数曲线衰减为零。因此，系统工作点稳定运行的充要条件应该是在T=TL处：对于恒转矩负载，因为dTL/dn=0，所以平衡状态稳定的充要条件是：在T=TL处，电动机机械特性的硬度即机械特性曲线应稍微向下倾斜。