电机学第3章直流电机课件

第第3 3章章 直流电机直流电机3.13.1直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构3.23.2直流电枢绕组直流电枢绕组3.33.3直流电机磁场直流电机磁场3.43.4电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩3.53.5直流电机基本方程直流电机基本方程3.63.6直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性3.73.7直流电动机的起动、调速、制动直流电动机的起动、调速、制动3.83.8直流电机的换向直流电机的换向3.13.1直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构1基本工作原理基本工作原理直流电机的用途：视频直流电机的用途：视频定子上有磁铁（主磁极）和电刷。定子上有磁铁（主磁极）和电刷。转子有环形铁心和铁心上的绕组。转子有环形铁心和铁心上的绕组。左图表示一台最简单的两极直流电左图表示一台最简单的两极直流电机模型，机模型，定子上，装设了一对直流励磁的静定子上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极止的主磁极N N和和S S，转子上装设电枢铁心。定子与转子转子上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置之间有一气隙。在电枢铁心上放置电枢线圈，线圈的首端和末端分别电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的在换向片上放置着一对固定不动的电刷电刷B1B1和和B2B2，当电枢旋转时，电枢，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接线圈通过换向片和电刷与外电路接通。通。图3-2a 线圈电动势的波形图3-2b 电刷间的电动势波形直流发电机工作原理直流发电机工作原理直流发电机工作原理直流发电机工作原理（1）线圈中的电动势和电）线圈中的电动势和电流都是交流电，通过换向流都是交流电，通过换向片及电刷作用产生的直流片及电刷作用产生的直流电动势及直流电流。电动势及直流电流。（2）感应电动势和电流的）感应电动势和电流的方向始终一致。方向始终一致。（3）电磁电流产生的磁场）电磁电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变在空间上是一个恒定不变的磁场。的磁场。（4）电磁力制动性质与转）电磁力制动性质与转子转向相反，原动机必须子转向相反，原动机必须输入机械功率克服电磁力输入机械功率克服电磁力矩制动作用使转子恒速旋矩制动作用使转子恒速旋转产生电能。转产生电能。U+NSEEIa直流电动机工作原理把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。直流电动机是将电能转变直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力受力方向从右向左，方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。U+NS电刷电刷换向片换向片II直流电动机直流电动机（1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流（交）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流（交 流）流过。换向片和电刷起逆变作用。流）流过。换向片和电刷起逆变作用。（2）从空间上看，电枢电流产生的磁场是一个恒定磁场。）从空间上看，电枢电流产生的磁场是一个恒定磁场。（3）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与电枢）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与电枢电流方向相反。电流方向相反。（4）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是驱动）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是驱动性质。性质。归纳归纳：（：（1 1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。（2 2）电枢绕组的支路数（）电枢绕组的支路数（2a2a）永远是成对出现，这是由于磁极数）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)(2p)是一个偶数是一个偶数.注：注：a a支路对数支路对数；p p极对数极对数（3 3）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。接触。（4 4）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。电势。2 2 2 2直流电机的主要结构直流电机的主要结构直流电机的主要结构直流电机的主要结构电刷盒3 3直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联）先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联）为短复励；先串在并是长复励。如果为短复励；先串在并是长复励。如果FsFs（串）和（串）和FfFf（并）方向一（并）方向一致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。4直流电机的额定值直流电机的额定值在额定状态下运行时，可以保证各电气设备在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作长期可靠地工作 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期当电流大于额定电流，称过载或超载，长期会影响寿命会影响寿命(过热）；过热）；当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量不能充分利用，会降低效率；不能充分利用，会降低效率；当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。又叫额定负载状态又叫额定负载状态 长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。运行效率、工作性能等比较好。3.2 3.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.1.直流电机绕组的构成直流电机绕组的构成电枢绕组是直流电机的电路部分，实现机电能量转换的枢钮。电枢绕组是直流电机的电路部分，实现机电能量转换的枢钮。直流电机电枢绕组分三种形式：叠绕组、波绕组、混合绕组。直流电机电枢绕组分三种形式：叠绕组、波绕组、混合绕组。绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有效边是指线圈的直线部分。效边是指线圈的直线部分。端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。槽数槽数Z=Z=元件数元件数S=S=换向片数换向片数K K极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示 p p为为主磁极极对数主磁极极对数基本术语：基本术语：第一节矩第一节矩y y1 1:元件的两条有效边在电枢元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节矩。用表面上所跨的距离称为第一节矩。用槽数来表示。当槽数来表示。当y y1 1=，为整矩绕组，为整矩绕组，当当y y1 1 为短矩绕组。因为短矩绕组为短矩绕组。因为短矩绕组有利于换向，尚能节省部分端部用铜，有利于换向，尚能节省部分端部用铜，故常被采用。故常被采用。为小于为小于1 1的分数。的分数。第二节矩第二节矩y2:y2:在相串连的两个元件中，在相串连的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称上层边在电枢表面上所跨的距离，称为第二节矩为第二节矩y y2 2，用槽数表示。，用槽数表示。合成节矩合成节矩y y：相串连的两个元件的对：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节矩成节矩y y。用槽数表示。用槽数表示。换向器节矩换向器节矩y yk k:每个元件的首末两端所每个元件的首末两端所连接的两片换向片在换向器表面上的连接的两片换向片在换向器表面上的距离，用换向片数表示。注：换向器距离，用换向片数表示。注：换向器的节距总是等于合成节矩。的节距总是等于合成节矩。y=y=y yk k 单单波绕组波绕组单叠单叠绕组绕组2.2.单单叠叠绕组绕组单叠绕组：相邻联接的两单叠绕组：相邻联接的两个元件互相交错地重叠。个元件互相交错地重叠。多个相邻元件依次串联，多个相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依同时每个元件的引线端依次焊接到相邻的换向片上次焊接到相邻的换向片上最后形成闭合回路。最后形成闭合回路。整个整个绕组成折叠式前进绕组成折叠式前进y=y=ykyk=1=1时绕组向右移动；时绕组向右移动；y=y=ykyk=-1=-1时绕组向左移动；时绕组向左移动；（用铜量较多，很少采用）（用铜量较多，很少采用）换向片数换向片数=元件数元件数=单迭绕单迭绕组的槽数组的槽数电枢绕组的特点电枢绕组的特点第一节距第一节距同一个主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，有几个主磁极就有几条支路;电枢绕组为双层绕组，电枢绕组为双层绕组，S=K=ZS=K=Z电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势;安放电刷的原则：几何安放电刷的原则：几何中性线上中性线上单叠绕组：单叠绕组：y=y=ykyk=1,=1,且并联支路数且并联支路数a=Pa=P单波绕组：单波绕组：y=y=ykyk=（k-1k-1）/p/p为整数为整数,a=1,a=1 单叠绕组的联结规律可用绕组展开图来表示。绕组展开图,是想象把电枢沿轴向剖开展成平面，所见到的绕组图。绘制展开图的步骤是:第一步:计算绕组的各节距。第二步:画槽、画元件，按顺序编号。第三步:画换向片，按顺序编号。第四步:排列、联结绕组。第五步:放置主磁极。第六步:安放电刷。例1-1一台一台4 4极极1616槽直流电机，换向片数槽直流电机，换向片数K=16K=16；元件数；元件数S=16S=16；试画出整距右行单叠绕组展开图试画出整距右行单叠绕组展开图解 计算绕组的各节距:解 计算绕组的各节距:。画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽，槽数等于平行线画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽，槽数等于平行线数，每个槽有一条实线和一条虚线，分别表示上层边和下数，每个槽有一条实线和一条虚线，分别表示上层边和下层边。层边。标出元件：画出第一个元件，跨从标出元件：画出第一个元件，跨从1515。展开图中可以把一。展开图中可以把一个元件画成一匝。个元件画成一匝。第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标换向片号；换向片编号与上层边槽号及元件号相同。换向片号；换向片编号与上层边槽号及元件号相同。依次串联依次串联1616个元件。个元件。再画出各磁极再画出各磁极N N、S S、N N、S S。单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图画电刷，电刷组数画电刷，电刷组数=主主磁极数磁极数,绕组的电刷中绕组的电刷中心线在每个磁极的中心心线在每个磁极的中心线上。线上。即保证电刷必即保证电刷必须与位于几何中线处的须与位于几何中线处的导体相接触。导体相接触。画出电枢转向和电刷连画出电枢转向和电刷连线线此时的等效电路图，一此时的等效电路图，一条主磁极对应一条支路，条主磁极对应一条支路，单叠绕组的支路数等于单叠绕组的支路数等于极数，这里为极数，这里为4 4极，即极，即有有4 4个支路个支路a=pa=p；电枢绕组的总电；电枢绕组的总电流流IaIa=2a*=2a*ia(iaia(ia为各支为各支路的电流即元件电流或路的电流即元件电流或元件中每匝导体电流元件中每匝导体电流)3 3单波绕组单波绕组单波绕组：相邻联接的两个元件呈波浪形单波绕组的连接规律是从某一换向片开始，把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到开始换向片的相邻换向片上。然后，从该换向片开始，继续绕连，一直把全部元件联完，最后又回到开始出发的那个换向片，构成一个闭合回路。右行绕组端接交叉，且比左行绕组端接线略长，故波绕组常用左行绕组。对应元件边处于同极性主的磁极下，所以其合成节距应接近或等于一对极的距离，但不能正好等于二倍极距。（如果相等的话无法绕下去）画出画出4 4极极1515槽单波左行槽单波左行绕组展开图绕组展开图 分析：合成节距分析：合成节距 y y（k k 1 1）/P/P（15151 1）/2/27 7（槽）（左行）（槽）（左行）第一节距第一节距 y yZ/(2P)+Z/(2P)+=15/4-=15/4-3/4=313/4=31（槽）采用短距（槽）采用短距绕组绕组(y1)(y1)第二节距第二节距 y2y2y yy1y14 4（槽）；（槽）；小结：常用直流电机绕小结：常用直流电机绕组型式的支路数组型式的支路数2a2a。单叠绕组：单叠绕组：2a=2p2a=2p；单波绕组：单波绕组：2a=22a=2；双叠绕组：双叠绕组：2a=4p2a=4p；双波绕组：双波绕组：2a2a 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)直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场3.3 直流电机的电枢反应直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。右右图为一台四极图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流，流过电流 ，每极的励，每极的励磁磁动势为：磁磁动势为：直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主主磁路磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。空载时的气隙磁通密度为空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图一平顶波，如下图(b)(b)所示。所示。空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c)(c)所示。所示。为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。(2)直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场直流电机带上负载后，电枢绕组直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称中有电流，电枢电流产生的磁动势称为为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。电机的磁场发生变化。右右图为一台电刷放在图为一台电刷放在几何中性几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为为交轴磁动势交轴磁动势。如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则有无穷多整距元件分布，则电电枢磁动势枢磁动势在气隙圆周方向空间在气隙圆周方向空间分布呈分布呈三角波三角波，如图中，如图中 所所示。示。由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的为对称的马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所示。所示。(3)(3)直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的位置有关。位置有关。A A 当当电刷在电刷在几何中性线上时几何中性线上时，将主，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a a）所示。所示。主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。B B 当当电刷电刷不在几何中性线上时不在几何中性线上时电刷从电刷从几何中性线偏移几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所示。所示。电枢磁动势可以分解电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电为两个垂直分量：交轴电枢磁动势枢磁动势 和直轴电枢和直轴电枢磁动势磁动势 。电刷顺电刷顺转向偏移转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁3.43.4直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩设气隙磁场的分布（如图37）所示，则每根导体的感应电动势为一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势式中，导体所在处的气隙磁密；导体的有效长度；导体相对气隙磁场的速度。电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的 令为平均气隙磁密，则上式改写为 将 代入上式得出电动势的代数和，则电动势公式电动势公式：式中，每极的总磁通量；电动机常数；电动势公式。电动势公式。二二 、直流电机的电磁转矩、直流电机的电磁转矩 电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为式中，该点处的气隙磁密。一个极下的载流导体上的电磁转矩应为式中，气隙平均磁密。整个电枢上的电磁转矩则为 可得直流电机的转矩公式为 再考虑到 一、电压方程；基本方程 二、转矩方程。一、电压方程一、电压方程 1 1、他励直流电机、他励直流电机 发电机发电机：则有；电动机电动机：则有。3.53.5直流电机的基本方程直流电机的基本方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 。图3-8 发电机图3-9 电动机2 2、并励直流电机、并励直流电机 其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁 3 3、串励直流电机、串励直流电机 其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励 另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。电压为电枢端电压，即发电机：电动机：磁绕组与电枢绕组相串联，有 。二、转矩方程二、转矩方程 为电磁转矩。1 1、发电机情况下、发电机情况下 电机本身的机械阻力转矩；原动机的驱动转矩；电磁转矩为制动转矩，有 电动机轴上的负载转矩。式中，2 2、电动机情况下、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率三、电磁功率发电机发电机：机械能转化为电能；电动机电动机：电能转化为机械能。电磁功率用 表示，则将 代入上式，得四、直流电机的可逆性四、直流电机的可逆性 电机的可逆性：电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；电动机运行。发电机、亦可作为电动机运行。3.63.6直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并励电动机的运行特性 1 1、工作特性工作特性指 时，。特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。（1 1）、）、转速特性转速特性 据转速公式 得出转速特性曲线转速调整率 ：注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。图3-10 并励电动机的工作特性（2 2）、）、转矩特性转矩特性 转矩方程（3 3）、）、效率特性效率特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。得出转矩特性曲线。2 2、转矩、转矩转速特性转速特性 指 ，励磁回路电阻 常值时，。转速与转矩的关系表达式为得特性曲线（如图311）结论：硬特性结论：硬特性图3-11 并励电动机的转矩转速特性二二 、串励电动机的运行特性、串励电动机的运行特性 1 1、工作特性、工作特性特点：是指 时，或 （图形312）转速公式 上式表明 曲线大致为一双曲线。式中 为串励绕组的电阻。轻载时，、常值 负载增加，磁路饱和，常值 注意：串励电动机不允许空载运行。注意：串励电动机不允许空载运行。图3-12 串励电动机的工作特性（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。2 2、转矩、转矩转速特性转速特性 是指 时 。由电压方程可知 其转速调整率定义为：图3-13 串励电动机的转矩-转速特性式中 。于是电磁转矩为 可得（如图3-13）结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。下降，是软特性。三、复励电动机的特点三、复励电动机的特点 复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和 复励电动机的转矩转速特性（如图3-14）。串励电动机之间。+-图3-5c 串励式+-图3-5 复励式图3-6 空载时直流电机的气隙磁场图3-14 复励电动机的转矩-转速特性复励串励并励 结构较复杂结构较复杂直流电机直流电机 成本较高成本较高 使它的应用受到使它的应用受到 限制限制 可靠性较差可靠性较差 1.1.直流电动机以其良好的直流电动机以其良好的起动性起动性和和调速性能调速性能著称著称。2.2.直流发电机直流发电机供电质量供电质量较好，常常作为励磁电源。较好，常常作为励磁电源。电动势平衡方程式电动势平衡方程式：转矩平衡方程式：转矩平衡方程式：直流电机稳态时T=T2+T0=TZ稳定运行时电枢电流为，理想空载时TZ=0，即Ia=0；功率平衡方程式输入的电功率为输入的电功率为：电磁功率电磁功率PMPM为：为：电机的空载损耗：电机的空载损耗：电力拖动系统运动方程式描述了系统的运电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。机转轴上的各种转矩。（1）拖动运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：可写出拖动系统的运动方程式：其中其中 为系统的惯性转矩。为系统的惯性转矩。3.7 直流电动机的拖动概念运动方程的实用形式：运动方程的实用形式：系统旋转运动的系统旋转运动的三种状态三种状态1)1)当当 或或 时时,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态，即处运行状态，即处于稳态。于稳态。2)2)当当 或或 时时,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。3)3)当当 或或 时时,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。常把常把 或或 称为动负载转矩称为动负载转矩,把把 称为静负载转矩称为静负载转矩.（2 2）生产机械的负载转矩特性）生产机械的负载转矩特性一恒转矩负载特性特点：负载转矩恒定不变，与负载转速无关。反抗性恒转矩负载特点：负载转矩的方向总是与运动方向相反，转矩的性质是反抗运动的制动性转矩。如机床刀架的平移运动、轧钢机、地铁列车等磨擦类型的负载。位能性恒转矩负载 特点：负载转矩的方向固定不变，并与转速的方向无关。如电梯、起重机、提升机等。二、恒功率负载特性特点：负载功率保持不变，所以有 即转矩与转速成反比。这类负载如机床的切削加工，粗加工时切削量大，用低转速；精加工时切削量小，用高转速，在整个过程中功率不变。三、通风机负载特性特点：此类负载负载转矩与转速的平方成正比，即 如通风机、水泵、油泵等。T TL Ln电力拖动系统的稳定运行条件 电力拖动系统的平衡状态 当电动机的负载转矩n=f(TZ)和与机械特性n=f(T)相交。即T=TZ时，dn/dt=0,转速不变（静止或匀速），Ia=T/CM维持不变，此时为拖动系统处于平衡状态。电力拖动系统的稳定平衡状态 稳定平衡状态：原系统处于平衡状态，由于某种原因，偏离了平衡状态，但能够在新的条件下自动达到新的平衡或者外界扰动消失后，能够恢复到原来的平衡状态，称为系统稳定平衡状态，否则不稳定。电压突然变化时，转速不变，然后用T和TZ的大小来判定转速的升高和降低。来判断是否能回到 原来的平衡状态。(1)(1)必要条件必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点有交点,即存在即存在(2)充分条件充分条件:在交点处在交点处,满足满足:。或者说或者说,在交点的转速以上存在在交点的转速以上存在 ,在交点的转速在交点的转速以下存在以下存在3.8直流电动机的起动直流电动机的起动、调速、制动调速、制动一、他励直流电动机的起动定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳态起动即 n=0，Ea=0 之瞬间，起动电流将很大。起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个动态过程。这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。直流电动机起动的原则（1）起动电流要小，使 。同时要求满磁起动If=IfN。（2）起动转矩要大，使 。（3）起动设备简单可靠经济。电动机的电动机的起动起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他为了限制起动电流，他励励直流电动机通常采用直流电动机通常采用电枢回路串电电枢回路串电阻阻或或降低电枢电压降低电枢电压起动。起动。起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。降压起动降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。起动过程电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动以三级电阻起动时电动机为例以三级电阻起动时电动机为例二、他励直流电动机的制动二、他励直流电动机的制动制动：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速值运转（制动过程），或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转（稳定运行），这就是电动机的制动问题。实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。机械制动就是给一个人为地机械阻力；例如，自行车下坡时使用手动拉闸；或机械抱闸，其时间短，但闸皮磨损严重。优点是结构简单。电磁制动是使电机本身在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩，其特点是：制动转矩大，操作控制方便，直流电机的电磁制动类型有能耗制动、反能耗制动、反接制动和回馈制动接制动和回馈制动。电磁制动，操作控制方便，制动转矩大能耗制动能耗制动能耗制动的原理和方法方法：保持If不变，电枢端电压与电源开关断开，接到制动电阻上。即=N，U=0，电枢回路总电阻R=Ra+Rz。0=E+Ia(Ra+Rz)，接电阻瞬间，转速不变，于是得Ia=-Cen/(Ra+Rz)。电流变为负，电磁转矩也变为负，说明电磁转矩与转速反向，为制动性转矩。实质是把轴上 输入的机械能转换成电能，全 部消耗在电阻上，所以称为能 耗制动。反接制动反接制动电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动电动电动制动制动 开关开关S S投向投向“电动电动”侧时，电枢接正极侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向关投向“制动制动”侧，电枢回路串入制动电阻侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：产生反向电流：反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用而产生很强的制动作用电压反接制动电压反接制动。二、电动势反向的反接制动只适用于只适用于位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载电枢回路串入较大电电枢回路串入较大电阻阻 后特性曲线后特性曲线正向电动状态提正向电动状态提升重物升重物(A(A点点)负载作用下负载作用下电机反向旋电机反向旋转转(下放重物下放重物)电机以稳电机以稳定的转速定的转速下放重物下放重物D D点点在电枢回路中串联一个较大的电阻在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实即可实现制动现制动.工作点由工作点由A-B-A-B-C-DC-D,CD,CD段为制段为制动段动段回馈制动回馈制动 回馈制动时的机械特性方回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。程与电动状态时相同。电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 情况，情况，此时此时 ，反向，反向，反向，由驱动变为制动。从能量方向看，反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态电机处于发电状态回馈制动状态。回馈制动状态。稳定运行有稳定运行有两种情况两种情况:当电车下当电车下坡时，运坡时，运行转速可行转速可能超过理能超过理想空载转想空载转速速,进入第进入第二象限二象限电压反电压反接制动接制动带位能带位能性负载性负载进入第进入第四象限四象限直流他励电动机各种运行状态下的机械特性正常接线正常接线可有三种运转状态可有三种运转状态正转正转正正转转状状态态三、直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。他励他励直流电动机的转速为直流电动机的转速为电气调速方法电气调速方法:1.1.调压调速调压调速;2.2.电枢串电阻调速电枢串电阻调速;3.3.调磁调速调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。机械特性上。调速方法调速方法（1 1）电枢回路串电阻调速）电枢回路串电阻调速未串未串电阻时电阻时的工作点的工作点串串电阻后电阻后,工作点由工作点由AAAABB0（2 2）降低电源电压调速）降低电源电压调速TemTLAAB调速压前调速压前工作点工作点A A降压瞬间降压瞬间工作点工作点稳定后工稳定后工作点作点降压调速降压调速过程与电枢串过程与电枢串电阻调速过程电阻调速过程相似，调速过相似，调速过程中转速和电程中转速和电枢电流（或转枢电流（或转矩）随时间变矩）随时间变化的曲线也相化的曲线也相似似。（3 3）减弱磁通调速）减弱磁通调速调节磁场前调节磁场前工作点工作点弱磁弱磁瞬间工作瞬间工作点点AAAA弱磁弱磁稳定后的稳定后的工作点工作点AB减弱磁通后，减弱磁通后，理想空载转速理想空载转速上升上升,曲线的曲线的斜率值增大。斜率值增大。一、换向概述3.9 直流电机的换向为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。电刷与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。元件11 2换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期 。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。二、换向的电磁理论换向元件中的电动势：自感电动势和互感电动势：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。切割电动势：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。换向电动势：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。换向元件中的电流：设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是和，元件自身的电阻为，流过的电流为，元件与换向片间的连线电阻为，元件在换向时的回路方程：忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为，则可推导出换向元件中的电流变化规律为1、直线换向当时换向元件电流随时间线性变化。当时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。2、延迟换向当时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。3、超越换向直线换向延迟换向超越换向三、改善换向的方法除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极，位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势例 某并励直流电动机额定数据如下：PN=96KW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A,nN=500r/min.电枢回路总电阻Ra=0.078,电枢反应忽略不计。试求：（1）额定运行时的输出转矩TN与电磁转矩T。（2）理想空载转速n0与实际空载转速n0。（3）于额定运行时突然在电枢回路中串入电阻R=0.122,R串入初瞬时的电枢电流与转速各为多少？（4）保持额定运行时总负载转矩不变，则串入R=0.122,R而稳定后的电枢电流与转速各为多少？某并励直流电动机额定电压220V，额定电流75A，额定转速1000r/min,电枢回路总电阻0.26，额定时励磁回路总电阻91，铁耗及附加损耗600W，机械损耗198W，电枢反应及去磁作用不计。试求：（1）额定运行时的电磁转矩及输出转矩；（2）理想空载转速；（3）实际空载电流及实际空载转速。