unit2_直流电机

额定功率 PN
指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W” 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时，则用 kW 或 MW 表示。
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。 即 ：PN＝UNIN 对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以：PN＝UNINηN
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 电枢反应。 直流电机的空载磁场 右图为一台四极 直流电机空载时的磁 场示意图。 励磁绕组的串联匝数 为 N f ，流过电流为 I f
每极的励磁磁动势为：
Ff I f N f
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电 动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主 磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大 约是主磁通的20%。 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大小和形 状。 磁极中心及附近的气隙小且 极靴 均匀，磁通密度较大且基本为常 极身 数，靠近极尖处，气隙逐渐变大， 几何中性线 磁通密度减小；极尖以外，气隙 明显增大，磁通密度显著减少， 在磁极之间的几何中性线处，气 （a）气隙形状 隙磁通密度为零。
直流电动机：调速性能好，应用于电气 机车、 起重吊车、自行 车、电动汽车等。
2.1.1 直流电机的基本工作原理
直流发电机工作原理: 右图为直流发电机的物理模型， N、S为定子磁极，abcd是固定在 可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈 连同导磁圆柱体称为电机的转子或 电枢。线圈的首末端a、d连接到两 个相互绝缘并可随线圈一同旋转的 换向片上。转子线圈与外电路的连 接是通过放置在换向片上固定不动 的电刷进行的。
右图为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布 情况。 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 磁场在空间的分布情况，电枢磁动势 为交轴磁动势。
直流电机的电枢反应
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 场的影响称为电枢反应。电枢反 应与电刷的位置有关。 1、当电刷在几何中性线上时， 将主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，如图（a）所示。
两个串联元 件放在同极磁极 下，空间位置相 距约两个极距； 沿圆周向一个方 向绕一周后，其 末尾所边的换向 片落在与起始的 换向片相邻的位 置。
单波绕组的绕组展开图
单波绕组的并联支路图
二、 直流电机的励磁方式
直流电机的励磁方式（图中方向按发电机标出）
供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励 方式又分并励、串励和复励三种方式。 他励：直流电机的励磁电流由其它直 流电源单独供给。
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
电动机——驱动(与转速方向相同)。
三、直流发电机的基本方程
如图规定各物理量的参考方向
电枢电动势和电动势平衡方程： 电枢电动势：Ea Ce n
向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：

U

Ia
二、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
电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢 电动势。
pN Ea n Ce n 60 a pN 式中：Ce 为电机的结构常数 ，称为电动势常数 60 a
可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。
性质:
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。
绕组的并联支路电路图
单波绕组
单波绕组的合成节距与换向节距相等。
单波绕组的特点
1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数 无关； 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极 中心线，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数； 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。
单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节 y 距均为1，即： yk 1 。 单叠绕组的的特点： 1） 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路 数相同。 2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电 刷间电动势等于并联支路电动势。 3）电枢电流等于各支路电流之和。
直流电动机工作原理: 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
在磁场作用下，N极性下导 体ab受力方向从右向左，S 极下 导体cd受力方向从左向右。该 电磁力形成逆时针方向的电磁 转矩。当电磁转矩大于阻转矩 时，电机转子逆时针方向旋转。 把电刷A、B接到直流电源 上，电刷A接正极，电刷B接负 极。此时电枢线圈中将电流流 过。
T1
2 Ra为电枢回路总电阻， Ub 为正负电刷与换
Ea U I a Ra 2Ub U I a Ra
从方程式可见，直流发电机 Ea U
G I f Ea
n
T0 Tem

Uf

电磁转矩和转矩平衡方程：
电磁转矩： Tem CT I a
直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩 T1 、 电磁转矩 Tem和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 T0 。 平衡方程为： T1 =Tem +T0 励磁特性公式：
第二章 直流电机
2.1 直流电机工作原理与基本构造 2.2 直流电机的绕组与铭牌数据
2.3 直流电机的的运行原理
2.4 直流发电机的运行特性
2.5 直流电动机的运行特性
2.6 直流电动机的起动、调速与制动
2.1 直流电机工作原理与基本构造
直流电机：实现直流电能与机械能的转换
直流发电机：逐渐被固体整流装置替代
当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 1800 后 ，如右图。 导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位； 电刷A极性仍为正，电刷B极性 仍为负。 可见，和电刷A接触的导体 总是位于N极下，和电刷B接触 的导体总是位于S极下。
可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触 的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的 极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈 分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来， 构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。

U
G

I Ia
If F U
并励：电机的励磁绕组与电枢绕 组并联。且满足 I a I I f 。
串励：励磁绕组与电枢绕组串联。 满足 。 Ia I f I

U
G

I

U

I
Ia
If
Ia
G
F
F
If
复励：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。
直流发电机的励磁电流
每极气隙磁通
U If Rf
f (I a , I f )
功率平衡方程：
原动机输入给发电机的机械功率 P1
空载损耗 P 包括： 机械摩擦损耗Pmec 、铁损耗 PFe 、附加损耗 Pad。 0 电磁功率P P P Tem Ea I a em 1 0 电磁功率一方面代表电动势为Ea的电源输出电流 I a 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械功率。 电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗P Cua 输出的电功率 P P P 2 em Cua
发电机——电源电势(与电枢电流同方向);
电动机——反电势(与电枢电流反方向).
直流电机的电磁转矩
电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用, 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
Tem
pN I a CT I a 2a
其中CT
pN 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2a
额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。 额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。

2.3 直流电机的运行原理 一、空载和负载时直流电机的磁动势和磁场
0
A
N
为了经济、合理地利用材料，一般 直流电机额定运行时，额定磁通 N 设定 在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入 饱和区的位置。
0
I fN
If0 If F f 0 IN
直流电机负载时的负载磁场
直流电机带上负载后，电枢绕 组中有电流，电枢电流产生的磁动 势称为电枢磁动势。电枢磁动势的 出现使电机的磁场发生变化。
当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下，受 力方向从左向右，原S 极下导体 cd转到N极下，受力方向从右向 左。该电磁力形成逆时针方向的 电磁转矩。线圈在该电磁力形成 的电磁转矩作用下继续逆时针方 向旋转。 同直流发电机相同，实际 的直流电动机的电枢并非单一 线圈，磁极也并非一对。

第一节距 y1 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第二节距 y2 ：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。 合成节距 y ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 单叠绕组 单波绕组
y y1 y2 y y1 y2