第二章 直流电机

第二章直流电机

2.1直流电机的基本工作原理及结构

授课班级：06金盘电器授课时数：6课时授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件授课教师：邓小军审批签字：

教学目的：了解直流电机的主要构成及分类和工作原理。

一、基本工作原理

（一）直流电机的构成

（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；

（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴

（3）气隙

**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。

1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；

（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势

（2）特点：e=BLV；

a、电枢绕组中电动势是交流电动势

b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势

c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）

2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；

（1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来

（2）特点：f=BiL

a、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈

b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩

的方向不变。

c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n

同向）

**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。

3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成

（二）直流电机的基本结构

1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）

a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成

b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制

2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚

3、电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）

4、电枢绕组——电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）

5、换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）

6、电刷装置

a、电刷——石墨或金属石墨

b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）

7、换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电

枢绕组串联）

（三）励磁方式

1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；

2.分类：以直流发电机为例

分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）

他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。

**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。

二、直流电机的型号和额定值

1.型号： Z 2-9 2

铁心长度代号

机座号

第二次改型设计

直流

2.额定值

①额定功率：发电机P N：输出电功率；电动机P N：输出机械功率；

②额定电压：U N；

③额定电流：I N；

④额定值之间的关系：发电机：P N= U N I N；

电动机：P N= U N I NηN。

2.2 直流电机的电枢绕组

授课班级：06金盘电器授课时数：4课时授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件授课教师：邓小军审批签字：

教学目的：了解直流电机的电枢绕组。

电枢绕组简介

叠绕组——单叠、复叠

波绕组——单波、复波

一、电枢绕组的构成

1、元件——组成绕组的基本单元

2、元件边——上层元件边，下层元件边

3、元件数S

4、换向片数K

Q

5、槽数Q和虚槽数

u

6、槽内——层嵌放的元件边数u

二、单叠绕组

几个概念：

：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。

（1）第一节距 y

1

（2）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。

（3）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。

：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。

（4）换向节距y

k

单叠绕组相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：Y=Y k=1

例:已知某直流电机的极对数 =2 ,槽数 、元件数S 及换向片数为 ,试画出单叠绕组展开图。 解：1．计算绕组数据

因为是单叠，所以 2．画绕组展开图:

（1）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。

（2）根据 ，画出第一个元件的上下层边（1～5槽），令上层边所在的槽号

为元件号；

（3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，等分换向器，定出换向片号； （4）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第6槽与3号换向联接。按此规律，一直把16个元件全部联起来。 （5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N 极磁力 线垂直向里（进入纸面），S 极向外（从纸面穿出）；

（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上K 很多，电刷宽＝2～3片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。 所以，可得绕组展开图及并联支路图如下：

16===K S Z p Z 42

216

21=?=±=

εp Z y 1==k y y 1y

元件连接次序图为：

可见：单叠绕组的特点是：

（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；

（2）并联支路数等于磁极数；

（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；

（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。

三、单波绕组

单波绕组的合成节距与换向节距相等（如下图示）。

可见，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。

四、 换向概述

（一）、换向过程

1.换向定义：从+i a 到-i a 的过程；

2.换向周期：T k ，几毫秒；

3.换向原因：电磁、机械、电化学和电热 （二）、换向元件中的电动势

主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。 1.电抗电动势e r 从+i a 到-i a →dt

di

L

e r -= 方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同； 2.旋转电动势e k

物理中性线偏移几何中性线B ≠0……由于电枢反应影响e=BLv ≠0

方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。

（三）、改善换向的方法

1.换向的不良后果：产生火花； 火花等级：

2.改善换向的方法①装设换向磁极；

②增加换向回路的电阻；

③电刷移到气隙磁场的物理中性线附近

2.3 空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场

授课班级：06金盘电器 授课时数：2课时 授课方法：举例、实物演绎讲授 教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字： 教学目的：了解空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场。

一、 空载时直流电机的气隙磁场

1、主磁通和漏磁通（见下图）

2、气隙磁场波形图（见下图）

特点：（1）I单独产生，即F单独产生；（2）平顶波

（3）几何中性线B为零

二、负载时的电枢磁动势

（一）交轴电枢磁动势

1、电刷放在几何中性线

2、电刷是电枢电流的分界线

3、磁动势分布波形为三角形

4、磁场波形——马鞍形

5、电刷位于几何中心线上，F为交轴电枢磁动势

6、磁动势的计算

（1）电负荷（线负荷）A——电枢表面单位长度上的安培导体数A=Z*I/π*D

式中：Z——电枢绕组总导体数

I——导体内的电流（即支路电流）

D ——电枢直径（外径）

（2）距原点为+x 及-x 的闭合回路的磁动势（两个磁极即一对磁极）

（3）距原点x 处每个气隙的磁动势（即每极磁动势）

（4）交轴电枢磁动势的最大值（距原点τ/2处，即几何中型线处）

（二）直轴电枢磁动势

若电刷从几何中性线移过β角，则可把电枢磁动势Fa 分解成Fad 和Fag 交轴磁动势Fag=A （τ /2—b ）（安/极） 直轴磁动势Fad=Ab （安/极）

三、 电枢反应

1.概述

空载：气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（F f =N f I f ） 负载：F f +电枢磁动势

电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。 2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布 ：只增加磁路饱和作用

σΦΦ→

→0

f f F I

几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0； 物理中性线：B=0处的直线位置

3.电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界 交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直

4.电枢反应性质

①电刷在几何中性线时的电枢反应 性质：交轴电枢反应；

作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱； ②电刷不在几何中性线时的电枢反应

双反应理论：aq ad a F F F +=，分直轴和交轴分别分析； 交轴：同①；

直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。

2．4 直流电机的感应电动势和电磁转距

授课班级：06金盘电器 授课时数：2课时 授课方法：举例、实物演绎讲授 教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字： 教学目的：了解直流电机的感应电动势和电磁转距。

一、电枢绕组的感应电动势

1． 电枢绕组的感应电动势Ea ：一条支路的感应电动势（即a

Za

2根导

体）

2． Ea 的计算：

（1） 一根导体产生的平均电动势a v e a v e =a B

lv =l

τφl

60

...n

D a π

=

60

2a a

D n

D p

πφ

π?

=

260

p

n φ 式中：Ba =

l τφ ；60a

D n πν= ；60

a

D πτ=

（2） 一条支路的电动势，即电枢电动势Ea

Ea=

2a Z a

av e =

2a

Z a

n p φ60.2 =φ

a

p Z a

60n=φe

C n 式中： φ —每极磁通量 n —转速（min r ） Ea —电枢电动势（V ）

Ce —电动势常数 当不计饱和时：φI ∞ 即

f

f

I K =φ

602a e e f f

af f E C n C K I C I φπ

Ω

∴===Ω

式中：260n πΩ=

Q 602n π

Ω

∴=； Caf —运动电动势常数（602e

af f C C K π

=）

二、直流电机的电磁转距

1． 直流电机的电磁转距——全部电枢导体产生的电磁转矩 2． Te 的计算 (1)

一根导体所受点电磁力a v

f fav l B av

=ia (2)

全部电枢导体产生的电磁转矩，即直流电机的电磁转矩

Bav =l τφ=2a D l p

φπ=2a p D l φπ

Te =Zafav

2a D =Za

2a D B avlia = Za 2

a

D l D p

a

π

φ

2l Ia / 2a

2a

a T a pZ I C I a

φφπ=

=

式中:

φ

—每极磁通量（Wb ） ；a

I —电枢总电流（A ） ； e

T ..—电磁转矩（N *m ）； C T 转矩常数（2a

T pZ C a

π=）

当不计饱和时：f f I K =φΘ

e t a T f

f

a af f

a T C I C K

I

I C I

I φ∴===

式

中

：

60

2af

T f

e f C C K

C K π

==

（同运动电动势常数602e

af

f C C K π

=）

三、直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较：

2.5 直流电机的基本方程

授课班级：06金盘电器 授课时数：2课时 授课方法：举例、实物演绎讲授 教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字： 教学目的：了解直流电机的基本方程。

一、电动势平衡方程

b a a a

U R I U E ?±±=2

式中：a R ：电枢回路总电阻；

b U ?2：正、负电刷电压降，一般为0.6～2伏；

发电机：取“+”；电动机：取“-”；

忽略电刷压降，则a a a

R I U E ±=

**结论：发电机：U E a >；电动机：U E a <；即根据a E 与U 的大小判断直流电

机的运行状态。

二、直流电机的功率平衡方程

以并励直流发电机为例

P 1 (机

Cuf 发电机：01p P P em -=

∑-=---=p P p p p P P b Cuf Cua em 12 机械能→电能 电动机：b Cuf Cua em p p p P P ---=1

∑-=-=p P p P P em 102 电能→机械能 电机效率：%1001

2

?=

P P η 三、转矩平衡方程

1.发电机：01T T T em -=

2.电动机：02T T T em +=

四、直流电机的可逆性

改变电机的外界条件，可以改变其运行状态。

例：直流发电机由原动机拖动并入电网运行时，若去掉原动机，n ↓→Ea ↓当 Ea

2.6 直流电机的运行特性

授课班级：06金盘电器 授课时数：4课时 授课方法：举例、实物演绎讲授

教具：实物、幻灯片课件授课教师：邓小军审批签字：教学目的：了解直流电机的运行特性。

一、并励直流发电机的运行特性

1．空载特性—指n=n

N =常数,I=0时,U

=f(I

f

)关系曲线

（1）接线图

（2）实验方法

<1>保持（原动机拖动）n=n N=常数

<2>调节，使从零↑至U0=1.25U N,逐点测取U0,I f

<3>使I f↓至I f=0，在将I f反向，直至U0=-1.25U N测取U0,I f

<4>在逐步调到I f=0，得闭合曲线

<5>取闭合曲线的平均值，可得到U0=f(I f)曲线。（见下图）

（3）特点

<1>曲线形状同磁化曲线(Ea∝φ,I f∝F f )

<2>当I f=0时，剩磁感应电动势（由φ产生）

<3>I f较小时，U0=f(I f)近似为直线。

<4>I f较大时，U0=f(I f)出现饱和（在U N附近）

2．外特性—指n=常数, I f =常值 U=f(I) 关系曲线

（1）接线图

（2）实验方法：调节R L→I↑逐点测取I,U.

（3）特点—随着I↑→U↓

（4）分析：引起U↓的原因

<1>电枢绕组电阻压降I a R a.[I a↑→I a R a↑→U=E a-I a R a↓]

<2>电枢反应去磁[I a↑→φ↓→E a=C e nφ↓→U=E a-I a R a↓

(5)额定电压调整率△U N—保持n=常数,I f=常数,当发电即从额定负载过渡到空载时,电压升高量(U0-U N)与U N的比值△U N=(U0-U N)/ U N *他励直流发电机△U N=5%-10%

*他励直流发电机在I fN下短路时，其短路电流I K=E0/R a↑↑

3.调整特性-指n=n

N =常数,保持U=U

N

=常数时,I

f

=f(I)关系曲线

为保持U不变,应使I f↑→φ↑→Ea↑补偿电枢反应去磁和降压,使U不变4．效率特性

（1）损耗不变损耗P fe, PΩ;可变损耗: P cua, P cuf,P cub, P△

(2)表达式η=1-∑P/P1= (P fe+PΩ+P△+ I a2R a+U f I f+△2U s I a)/( P fe+PΩ+P△+

I a2R a+U f I f+△2U s I a+UI a)

石墨电刷,取△2U s=2V;金属石墨电刷,取△2U s=0.6V

当不变损耗等于可变损耗时，效率达到最高。

二、并励直流发电机的自励和外特性(特点:I a=I+I f,U f=U)

1．自励

（1）自励过程

<1>空载特性曲线U0=f(U f)或E ao=f(I f0)

<2>励磁电阻线（又称励磁回路伏安线）I f=f(U f)为一条直线

<3>空载工作点A(U0,I f0)—上述两曲线交点

φ，当原动机拖动以n旋转时，导

<4>自励过程设点集中有剩磁

r

φ

体切割

r

（2）自励条件

<1>电机中必须有剩磁，否则应充磁

<2>励磁绕组与电枢绕组连接正确（与转向有关），否则应反接或

让电机反转。

<3>励磁回路总电阻Rf不能大于该转速下的临界电阻R fcr，否则应使R f

<4>转速不能过低（n↓→R fcr↓致使r f>R fcr）

2．空载特性（与他励相似）

（1）空载时,I=0,但I a=I f≠0 Uo=Ea-IaRa≠Ea

但是I f↓↓Uo≈Ea

（2）用他励法求Uo=f(I f)

3．调整特性（与他励相似）

4．外特性—指n=常值Rf=常值时,U=f(I)关系曲线

特点：

（1）并励发电机随着负载的增加，电压下降比他励快

（2）随负载增加会出现“拐弯”现象

<1>当负载较小时（R L较大时）→△U小→U较大→I f较大→φ

较大→磁路饱和

此时负载增大时（R L减小时）→U↓→I f↓但近似不变→Ea

近似不变→I↑

<2>当负载较大时（R L较小时）→△U大→U较小→I f较小→

φ较小→磁路不饱和

此时负载再增大时（R L减小时）→I↓→IaRa↓→U↓

→I↓→φ↓→Ea↓→U↓↓

（即电压下降幅度大于负载电阻减小的幅度）→I=U/R L

*一般Icr=(2,3)I N

当R L=0时，即短路时：U=0 I=I k=E r/R a

三、他励直流电动机的运行特性

1．转矩—转速特性（机械特性）——电磁转矩Te与转速n之间的关系曲线n=f（Te）或Te= f（n）

*（1）n=f（Te）与励磁方式有关

（2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性 U=U N R fj =0 I aj =0

N

φφ=

N

U U ≠ N

φφ≠

0a j I ≠

（3）硬特性与软特性

2．工作特性——指U=U N = 常数R fj =0时n,T e ,η与P 2的关系曲线

(1) 转速特性 n=f(P 2)或n=f(I a ) (2) 转矩特性 Te=f(P 2) (3) 效率特性 η=f(P 2)

四、 并励直流电动机的运行特性

（一）转矩—转速特性——指U=U N =常数,R f =常数,n=f(T e )

1．接线图

2．表达式E a =U-I a R a =C e n φ; I a =T e /C T φ

n=(U-I a R a )/C e φ=U/C e φ-R a I a /C e φ=U/C e φ-R a T e /C T C e φ2 =n 0-R a T e / C T C e φ2

3．N=f(T e )曲线 *特点：硬特性 4．引起n 下降的原因

T2↑→Te ↑→Ia ↑→IaRa ↑→n ↓

┗→φ↓→n 0↑R a / C T C e φ2↑→n ↓

（二）工作特性

1．转速特性n=f(I a )或n=f(P 2)

（1）表达式

（2）分析：P 2↑→T 2↑→T e ↑→I a ↑→n ↓ （3）并励直流电动机的转速调整率△n △n=(n 0-n N )/n N

*△n=(3~8)%励磁绕组不允许断开 2．转矩特性 （1）表达式 （2）分析 3．效率特性 同其它电机：

可变损耗等于不变损耗时，

m a x

η

η=

2.7 直流电动机的起动、调速和制动

授课班级：06金盘电器 授课时数：4课时 授课方法：举例、实物演绎讲授 教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字： 教学目的：了解直流电动机的起动、调速和制动。

一、直流电动机的起动

起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这就是电动机的起动过程。

起动条件：1、起动转矩要足够大， 2、起动电流不要太大。 （一）直接起动

注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0，所以，起动电流为：

可见，这种方法下的起动电流很大，因此，除了小容量的电动机可采用直接加电压起动的方法外，一般直流电动机都不采用这种方法。

a

N

st R U I =