电机学第三章直流电机
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章7直流电动机的起动、调速和制动
调速的方法
U I a Ra n Ce
磁场控制
9 调励磁电流调速
电机学
调速 Speed Governing
调速：调节转速、转速控制 电动机调速的基本要求
– – – –
n nN n1 t1 O t
调速范围：D=nmax/nmin 平滑性 经济性
调速设备简单、可靠、操作方便
10
电机学
If
18
电机学
直流电动机的反接制动
方法
励磁回路不变，将加在电枢回路的电 压反接。
-U=Ea+Ia(Ra+RL) Ia=-(U+Ea)/(Ra+RL) 将产生很大的制动性质的电磁转矩。
原理
19
电机学
直流电动机的反接制动
+ U 电动
Q 制动 B n0
n A
Ra
Ia
RL I’a + Ea –
n Ia1
If3
ia
n0
O
If1>If2>If3
If2
If1 TeN Te
IaN n1 nN
O
Te=CTΦIa
n
13
t
电机学
串励电动机的调速
n n
TL
Rs1<Rs2<Rs3 Rs1 Rs3 O Rs2 Te O
TL U1>U2>U3 U1 U3 U2 Te
调速方式 改变Rs 改变U
14
主要优点 简单 转速可调低、可调高
他励和并励电动机的调速 ▲电枢回路串电阻调速
n
n0 RΩ=0
IaN nN n1
直流电机的磁场
磁化曲线的纵坐标有时不用F0，而用If表示，它们之间只差一个与励磁绕组匝数有关的比例系数，此外，纵坐标也可以用空载时的电枢电压U代替，当电机转速恒定时，U与Φ0，之间也只相差一个与电枢绕组匝数有关的比例系数。因此，磁化曲线可表示为U＝f(If)和Φ0=f(If)或U=f(F0)等多种形式，只需变换一下有关比例系数即可。
3.2 直流电机的电枢磁动势和磁场
电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场
电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势
直流电机空载时的气隙磁场仅由主极的励磁磁动势所建立。当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，产生的磁动势称为电枢磁动势。此时，气隙磁场就由主极磁动势与电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。正是由于这两个磁动势的互相作用，直流电机才能进行机电能量转换。
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两个齿，计算高度为2hz，磁场强度为Hz。
两个主极，计算高度为2hm，磁场强度为Hm。
一个定子轭，平均长度为Lj，磁场强度为Hj。
一个转子(电枢)轭，平均长度为La，磁场强度为Ha，用磁路计算方法求得磁动势F0，以及相应的励磁电流If。
两个气隙，计算长度为2δ，磁场强度为Hδ。
当电刷放在几何中性线上时，电枢磁势全部为交轴分量，直轴分量为零。因此这时只有交轴电枢反应。此时电机中的磁场应由主极磁势和交轴电枢磁势共同建立，如图a所示。由图可见磁场发生了畸变，电枢圆周上连接电刷的几何中性线处出现了磁通，而实际的磁密为零之点偏移了一个α角。我们将电枢圆周上通过圆心和磁密为零之点的直线称为物理中性线。
直流电机有负载时，由于电枢反应的去磁作用和电枢回路的电阻压降，使发电机端电压比空载时低。为了保持发电机的端电压不变，负载时必须增加主极的励磁电流， 以补偿电枢反应和电阻压降。
第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。
3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。
3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。
3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。
对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。
当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。
如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。
3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。
但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。
第三章 直流电机(2-5)
3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间 的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。 4）结构材料：使电机各个零件构成一个整体，要 求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。 四、电机的发热： 任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热 的现象，我们已经学过了电工，那么，很显然， 这是损耗的出现所导致的结果。 1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升 而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度 之差，我们称之为温升。 电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况， 还与电机的工作方式有关：
铁心是导电的，交变的磁通也能在铁心中感 性电动势，并引起环流，这些环流在铁心内 部围绕磁通做涡流状流动，称为涡流。涡流 在铁心中引起的损耗称为涡流损耗
磁滞损耗和涡流损耗，总称铁心损耗
PFe CFe B f G
2 m 1.3
硅 钢 片 中 的 涡 流
B
八、能量守恒定律： 物理中的能量守恒定律在这里同样使用， 稳态运行时，
电刷A与B间的电动势波形
思考：如果没有换向器，电刷A、B间的电动势 波形是什么样的？
2、直流电动机的工作原理
在电动机中换向器和电刷的作用
换向器和电刷的共同作用是： 1、保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方 向，使电动机能连续的旋转。 2、将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； 3、把外面不转的电路与转动的电路连接。 思考：若无换向器，会出现什么结果？
电刷
b
N
a c
S + U –
I F IE Fd Tn NhomakorabeaE
换向片
当直流电机运行于发电状态时，感应电动势 的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通 过电刷输出电能。
2. 电磁转矩 直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁 通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的 电磁转矩公式为 T=CT Ia
电机学3—4章重点
1第三章：1、直流电机的电枢反应（柴兆森说是重点）2、交轴电枢的去磁（参考p83—p84）3、并励发电机的自励条件（p92）,直流发电机的并励的外特性的特点（p93最上面一段）.4、串励电动机的运行特性（1、串励电动机的特点：转速随着负载的增加而迅速下降2、串励电动机不允许空载运行）5、直流电机的计算指标（他励发电机的额定电压调整率（p90最下面一段）、并励电动机的转速调整率（p95），并励直流电机的电磁转矩（p85—p86），电枢绕组的感应电动势（p84—p85））6、熟悉直流电机的基本方程。
7、分清直流电动机中U>Ea (U=Ea+Ia*Ra)、Te=T0+T2，电磁转矩是驱动转矩；直流发电机中Ea>U(Ea=U+Ia*Ra)、T1=T0+Te,此时电磁转矩是制动转矩。
8、发电机的额定功率是指输出的电功率，电动机的额定功率是指输出的机械功率。
典型例题；课后习题3—6、3—9、3—12、3—17、3—18、例题3—1；计算题都是类似于做过的课后习题的类型；第四章：1、整距线圈及短距线圈电动势（书上4.3节）、磁动势（课本4.5节和4.6节）的计算；2、每极每相下槽数的计算q=Q/2p*m1(Q:总槽数，m1:相数)3、节距因数的含义（p121），以及基波节距因数(p123)、基波分布因数(p123)、节距因数三者的不同）;典型例题：课后习题4—3、4—11、4—13、4—16、4—17、4—21；画图题有一道三相双层叠绕组的画法，如P138习题4-3，画图的时候自己还要会计算q、y1等；不考高次谐波的有关知识；第四章我记得不是特别全，大家可以去找侯俊杰、薛金华、或者王鹏坤再去问一下具体要考的；。
直流电机ppt
二、直流电二机、的直电流枢电反机应的电枢反应
直流电机的电枢反应
直轴
直轴与交轴：主极的轴线称为直轴，与直轴正交
的轴线叫交轴
电枢反应定义：电机带上负载时，电枢绕组中
交轴
有电流流过，载流的电枢绕组将产生磁动势，电枢磁 动势对主磁场的影响叫电枢反应。
图2-1 直流电机交直轴示意图
电枢反应分类：交轴电枢反应和直轴电枢反应
Te
Rj ：调节电阻
R为j 0时，由于 Ra远小于 ， CeCT2 故不计磁饱和时直流电动机的机 械特性为一稍微下降的直线。如 果计及磁饱和时，交轴电枢反应 呈现去磁作用，曲线下降程度减 小。
图4-2 直流电动机机械特性
五、直流电动机的启动、调速和制动
直流电动机的启动
启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则
工作特性
转矩特性：Te f (P2 )
Te
T0
T2
T0
P2
：转子机械角速度
转矩特性基本呈线性关系；实
际上，P2 增大时，转速略有下 降，故曲线将略微向上弯曲。
效率特性： f (P2 )
P2
P2 P
当不变损耗等于可变损耗 时，电机效率最大。
机械特性
n
u Ce
Ra CeCT
Rj 2
主要内容
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一、直流电机的工作原理和基本结构 二、直流电机的电枢反应 三、直流电机基本方程 四、直流电动机的运行特性 五、直流电动机的启动、调速和制动
一、直流电机的工作原理和基本结构
工作原理
电刷
+
N I
U I
–
换向片
S
以电动机为例
电机学第3章第1学期直流电机PPT课件
结构较复杂
直流电机
成本较高 可靠性稍差
使它的应用受到 限制
5
3.1 直流电机的工作原理及结构
1. 直流电动机的工作原理
电刷
＋ U －
N
S 换向片
N
＋
U
－
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
6
直流电机模型
磁极
产生旋转
支柱
半环形 金属环
7
直流电机模型
转轴
换向片
电刷
8
直流电机模型
转向 电流方向 换向片
线圈 磁极
③ 换向器 ④ 转轴与风扇
(a) 转子主体 直流电机的转子
19
(b) 电枢铁心冲片
20
21
电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。
构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530 或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。
电枢绕组
作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用
电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。
（1）第一节距y1
一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称 为第一节距，用y1表示。
常采用短距绕组，可节省用铜。
y1
y1
Zi 2p
=整数
y1
整距绕组 短距绕组 长距绕组
+ Ia
If +
+ I Ia If
他 Ua
M
Uf
U
M
并
励－
－
－
励
+I
串U
励－
Ia
M
电机学第三章直流电机
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，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。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
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电机学Electric Machinery
电气工程教研室
1
基本要求：
1.掌握直流电机的基本工作原理
2.了解直流电机的基本结构
3.掌握直流电机的额定值
4
5
一、直流电机及其用途
1.直流电机的功能
•直流电动机：直流电能⇨机械能•直流发电机：机械能⇨直流电能
2.直流电机的用途1）直流电动机
直流电动机具有良好的起动性能和调速性能。
主要应用于对起动和调速性
能要求较高的生产机械中。
Z4系列直流电动机
二、直流电机的基本工作原理
通电导体和线圈在磁场下的受力分析
结论：
要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体中电流方向总是流出。
7
1.直流电动势的产生（直流发电机）
通过换向器和电刷将交流变成直流
8
12
直流发电机电枢绕组感应的电动势是极性交替
变化的交流电动势，只是由于换向器和电刷的
配合作用，在电刷两端输出的电动势是极性恒
定的直流电动势。
13
14
2.平均电磁转矩的产生（直流电动机）
导体中的电动势和电流为交流
加于直流电动机的直流电压，借助于换向器和电刷的配合作用，将外电路的直流电流变为线圈内的交变电流，这样每极下导体中所流过的电流方向是不变的，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，电机能够沿确定的方向连续地旋转。
结论：
（1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流；
（2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆
变器；
（3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整
流器。
17
18
3.直流电机的可逆原理
同一台直流电机在不同的外界条件下，既可以作为发电机运
行，也可以作为电动机运行，这称为直流电机的可逆原理。
永磁直流电动机
直流励磁机
直流电机横剖面示意图
20
小型直流电机的3D剖面图
21
22
作为磁路的一部分；
极只能成对出现
极的个
S
N
极数：主磁极的个数，等
S N
24
252）主磁极
作用：建立主磁场。
构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。
主磁极钢板冲片（1-1.5mm 厚）
主磁极由钢板冲片
叠压而成
励磁绕组套在主磁极极身上
3）换向极
作用：改善换向。
构成：换向极铁心和套装在铁心上的换向极绕组。
换向极绕组与电枢绕组串联。
26
4）端盖
端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定、转子连为一体。
同时还对电机内部起防护作用。
作用：电枢电路的引出（或
引入）装置。
构成：电刷、刷握、刷架、
汇流条、座圈等。
1—刷握；2—电刷；
3—压紧弹簧；4—铜丝辫
27
电刷
转轴电枢铁心
电枢绕组
换向器
轴承
30
1）电枢铁心
•作用： 电机主磁路的一部分；
嵌放电枢绕组。
•构成：一般用0.5mm 厚的硅钢片
叠装而成。
电枢铁心
轴向通风孔
(a)矩形槽(b)梨形槽
电枢铁心冲片
上元件边
前端接
下元件边
电枢绕组在槽中
32
3）换向器
•作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。
•构成：由许多燕尾式的换向片排列成一个圆筒，片间用V 形云母片绝缘，两端再用两个V
形环夹紧而构成。
换向器
33
3.直流电机的额定值
1）额定功率P N(kW)
额定运行状态下电机的输出功率。
直流电动机：轴上输出的机械功率。
直流发电机：电刷间输出的电功率。
2）额定电压U N(V)
额定运行状态下电枢出线端的平均电压。
3）额定电流I N(A)
额定运行状态下电枢出线端的电流。
34
354）额定转速n N ( r/min)额定运行状态下时转子的转速。
5）额定励磁电流I fN (A)
额定运行状态时电机的励磁电流值。
N N N P U I =N N N N
P U I η=•直流电动机：•直流发电机：。