《电力机车电机I》学习指导
课前说明
1、授课计划说明（导学、练习、期中考试、实验、节假日、复习）
2、教学内容安排（第一章~第四章）
3、教学遵循的原则：授之以鱼，不如授之以渔
4、教学方法（育人、导学、答疑。注重学习能力、创新能力、实作能力的培养）
5、教学手段（传统手段与现代手段相结合）
6、学习方法（耳听、眼看、手写；勤学、多问、多思）
7、成绩评定
（1）平时成绩（30%）：A、作业成绩，20%；B、考勤成绩，20%；C、实验成绩，30%；D、期中测验成绩，30%。
（2）期末考试成绩（70%）
新课导学
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第一章直流电机的基本知识
电机概述
1、电机的定义
2、电机的分类
（1）按电流制
直流电机
交流电机
（2）按能量相互转换的方式不同分
发电机：机械能→电能
电动机：电能→机械能
改变电能形式的装置：交流→直流（换流机）、改变交流电频率的变频机、改变交流电电压的变压器。
（3）按照电能的形式、电机的工作特点和用途分：
直流电机、交流电机和控制电机
3、直流电机的特点
（1）调速性能好：具有宽广的调速范围；
（2）起动性能好：较强的过载能力和较大的起动转矩； （3）结构复杂；
（4）消耗较多的有色金属，成本高； （5）运行中故障多，维修工作量大； （6）损耗大，效率较低。 1-1 直流电机基本工作原理 一、直流电机的模型结构
磁极（永久磁铁或电磁铁）、线圈（电枢绕组）、弧形铜片（换向片）、转轴、电刷（A 和B ）
二、交流发电机的工作原理
（难点祥解，附后） 三、直流发电机的工作原理
（难点祥解，附后） 四、直流电动机的工作原理
（难点祥解，附后） 五、电刷、换向器的作用
在发电机中，将线圈中的交变电势（流）转变为直流电势（流）输出在电动机中将直流电转换成线圈中的交流电，使线圈继续转动。 六、电机的可逆性
直流发电机、直流电动机的结构完全相同，一台直流电机既可做为发电机运行，也可作为电动机运行。当输入机械转矩将机械能转换成电能时，电机作为发电机运行；当输入直流电流产生电磁转矩将电能转换成机械能时，电机做电动机运行。
难点祥解
二、交流发电机的工作原理
1、感应电势的产生
用原动机拖动电枢以v 逆时针方向转动。
?=0α时 B l v e = 方向c d → a b → 外电路 A （+）B （-）
?=90α时 0=e 0=i
?=180α时 Blv e = 方向c d → a b →外电路 A （-）B （+）
?=270α时 0=e 0=i
结论：线圈内部为一交变电势，电刷引出的电势方向发生改变，为交流电势。 2、电势的波形
lv B e x x = ?x B e ∝
三、直流发电机的工作原理
1、感应电势的产生
用原动机拖动电枢以v 逆时针方向转动。
?=0α时 B l v e = 方向c d → a b → 外电路 )(+A )(-B
?=90α时 0=e 0=i
?=180α时 Blv e = 方向b a → d c → 外电路 )(+A )(-B
?=270α时 0=e 0=i
结论：线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。
2、电势的波形
lv B e x x = ?x B e ∝
四、直流电动机的工作原理
结构与直流发电机相同，但电刷A 、B 外接一直流电源
?=0α时 电流d c b a →→→ 产生逆时针方向电磁转矩
?=90α时 0=i 0=T
?=180α时 电流a b c d →→→ 产生逆时针方向电磁转矩
?=270α时 0=i 0=T
Li B f x =
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1-2 直流电机的基本结构
一、直流电机的基本组成
1、定子：直流电机的静止部分；产生磁场和作为电机的机械支撑。
2、转子：直流电机的旋转部分；是直接完成电能与机械能转换的部件。
3、气隙：定、转子间的气隙对电机的磁场影响很大。
二、定子
由机座、主磁极、换向极和电刷装置组成
（一）机座（磁轭）
1、作用：机械支撑和导磁磁路。
2、材料：中、小型采用铸刚件，大型采用钢板焊件。
3、要求：具有良好的导磁性能和较大的机械强度。
（二）主磁极
1、作用：产生主磁通
2、组成：1）主极铁心：电工刚片或薄刚片叠压铆接。
2）主极线圈（励磁绕组）：通以直流励磁电
流产生主磁通。
微型电机采用磁铁作为磁极——永磁式磁极
（三）换向极
1、作用：产生换向磁通，改善直流电机的换向。
2、组成：1）换向极铁心：整块钢板加工而成。
2）换向极线圈：匝数较少，导线较粗 3、安放位置：两个主磁极之间的几何中心线位置上。
（四）电刷装置
1、作用：通过电刷与换向器表面的滑动接触把转动的电枢绕组与外电路相连。
2、组成：电刷、刷握、刷杆及刷杆座等。
压指是一个弹簧片，控制电刷与换向片接触。
三、转子（电枢）完成电能与其他能转换的枢纽
（一）转轴 1、作用：传递转矩
2、要求：具有足够的机械强度
3、材料：合金钢锻压 （二）电枢铁心
1、作用：固定电枢绕组、构成磁路、承受电磁力
2、材料：硅钢冲片叠压而成
3、冲片结构：电枢槽、轴孔、通风孔 （三）电枢绕组
作用：产生感应电势，通过电流产生电磁转矩，实现机电能量的转换。 （四）换向器
1、作用：机械整流，用以完成交流电与直流电相互转换。
2、结构：由换向片组成，呈燕尾形。 （五）冷却风扇（有些电机有） 四、直流电机的铭牌和额定值 （一）直流电机的铭牌
（二）直流电机的额定值
根据国家标准要求设计和试验所得的一组反映电机性能的主要数据，称为电机的额定值。
1、 额定功率)(KW P N
发电机： N N N I U P =
电动机： N N N N I U P η=————轴端的有效机械功率 2、额定电压)(V U N 3、额定电流)(A I N 4、额定转速min)/(r n N 过载运行：电机过热 轻载运行：容量不能充分利用
难点祥解
(本次课无难点)
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1-3 直流电机的电枢绕组 一、电枢绕组概述
1、概念：直流电机的电枢绕组是由放置在电枢铁心槽中的许多线圈（元件）通过换向器按一定规律连接起来构成的线圈（元件）组合。
2、电枢绕组的安放
直流电机都采用双层绕组，每个电枢槽里都放有上、下两层元件边，嵌放元件时，一边置于一槽的上层，另一边则置于另一槽的下层，全部元件嵌
放完时，每一槽中必然被上、下两层元件边所充满。
3、元件的构成
(1)有效边：处于电枢槽中直接参与电磁过程的元件部分。 (2)端部： 元件的槽外部分，换向器一端是前端部，另一端称为后端部。
4、有关电枢绕组的几个基本概念 元件——是电枢绕组的基本工作单元。 元件组——是由若干个元件捆扎在一起组成
的。
始端——与上层边相连的出线端。 末端——与下层边相连的出线端。 实槽——电枢表面实际加工出来的槽数。 虚槽——上、下两个元件边在实槽中所占的空间。
总元件数S 、总换向片数K 、总实槽数Z 、总虚槽数μZ 之间的关系
μμ?===Z Z K S
μ ——一个元件组含有的元件数（实槽中所包含的虚槽数）
二、绕组节距
1、绕组节距——元件的两边、相连接的两元件之间、元件所连接的换向片之间都有一定的距离，绕组间的这些距离称为绕组节距。
2、绕组节距介绍
（1）线圈节距1y （第一节距）——同元件两有效边在电枢表面所跨过的距离。
极距τ：相邻两主磁极在电枢表面所跨过的距离。
p
D a
2πτ=
（长度单位）
p
Z 2μτ=
（虚槽数）
ετ+=1y
τ=1y 0=ε 整距绕组
1y <τ ε<0 短距绕组 1y >τ ε>0 长距绕组
(2)合成节距y
相连接的两个绕组元件的对应边在电枢表面所跨过的距离。
(3)换向器节距K y
同一个绕组元件首末端所连接的两换向片之间在换向器表面所跨过的距离。
K y y =
(4)后节距2y （第二节距）
相串联的两元件中，第一元件的下层边与第二元件的上层边在电枢表面所跨过的距离。
单叠绕组 y y y -=12 单波绕组 y y y +=12 三、绕组的分类
1、叠绕组
（1）单叠绕组 （2）复叠绕组 2、波绕组
（1）单波绕组 （2）复波绕组 3、混合绕组（蛙式绕组）
难点祥解
(本次课无难点)
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四、单叠绕组
（重点讲解，见后） 五、均压线
2、 作用：消除各支路电势不均而引起的环流，以减小损耗，改善电机的换向。
3、 支路电势不等造成的危害 （1）空载时，产生很大的环流。
（2）负载时，造成支路电流严重不均，换向困难，火花严重。 （3）支路电势不均还造成绕组铜耗增大。
3、均压线的安放位置
均压线是各支路理论上的等电位点间连线，通常嵌放在电枢前端，电枢绕组下方，连接在等电位点的换向片间。
1、 均压线的种类
全额均压 （a
K
条均压线）
21全额均压、3
1全额均压 难点祥解
（一）、单叠绕组的连接规律
2、 概念：换向器节距、合成节距均等于1，即1==K y y 的叠绕组称为单叠绕
组。
3、 举例：42=p 16===K S Z μ 1=μ的直流电机单叠绕组 1==K y y 16==
μ
μ
Z Z
44
16
21===
p Z y （0=ε） 31412=-=-=y y y
4、 单叠绕组的连接规律总结
(1)一个元件的始、末两端分别连接在相邻的两个换向片上。 (2)两串联的元件，前元件的末端与
后元件的始端连在同一换向片上。
(3)每一元件连接后向右跨过一个虚槽、一个换向片。
(4)最后一个元件的末端与第一个元件的始端共同连接于换向片1，整个绕组为一闭合回路。
（二）、主极位置
主极在圆周上均匀分布，极靴宽度一般为0.6~0.7τ，电枢电势的分界线也是磁场的分界线。
（三）、电刷的位置
空载时在正、负电刷之
间能获得最大电势的原则确定。
放在磁极中心线对应位置上，电刷必须与主极轴线下的换向片相接触，电刷
数等于磁极数，放置时正、负电刷相间排列。
（四）、并联支路数
应以一个磁极下的元件组成一条支路（每一支路都是由上层边处在同一主极下的元件串联而成）以获得最大电势。一个主极对应于一条支路，各支路电势相等，单叠绕组的支路数恒等于磁极数。
（五）、单叠绕组的特点
5、 一个磁极下的元件串联成一条支路，绕组的并联支路数恒等于磁极数
p a 22=。
6、 电机电势等于支路电势，电枢电流为支路电流之和。i U U =,i a I a ?=2.
7、 电刷位置必须置于主极中心线上，电刷数等于磁极数。
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1-4 直流电机的磁场 一、直流电机的励磁方式
1、定义：是指直流电机的励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式。
2、种类：
（1）他励：有独立的励磁电源
特点：a I I = f I 仅取决于励磁回路。 （2）并励：励磁绕组与电枢绕组相并联
特点：励磁电流与端电压有关，一般为额定电流5%
I R U
I f
f ?==
%5 而要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数，因此，励磁绕组匝数多，电枢绕组匝数少。
（3）串励：励磁绕组与电枢绕组相串联 特点：f a I I I == 励磁绕组匝数少，导线粗
（4）复励：主磁极有两个励磁绕组，一个是串励，一个是并励。 并励绕组起主要作用（70%以上），串励绕组仅起补偿作用。
并励绕组：匝数多，导线细。 串励绕组：匝数少，导线粗。 二、直流电机的空载磁场
1、定义：主磁极励磁电流建立的磁场为空载磁场。
2、空载磁场的分布：
（1）主磁通0Φ：经过气隙进入铁心的磁通。同时匝链着励磁绕组和电枢绕组。
（2）漏磁通σΦ：在两主极极靴之间，主磁极铁心根部上、机壳之间也存在磁通，不与电枢绕组相链，一般
0%)20~%15(Φ=Φσ
注：漏磁通使磁极铁心磁通密度增大，增大了磁路的饱和程度，对电机会产生不利影响。
3、电机的磁化曲线
（1）定义：指电机的主磁通与励磁磁势的关系曲线。
)(f F f =Φ
（2）曲线分析
（ⅰ）在f I ，Φ较小时，磁路处于非饱和状态。此时，磁路中铁磁部分的磁阻很小，而气隙磁路具有很大的不变的磁阻，因此在磁路不饱和时，由气隙磁阻决定了0Φ与)(f f I F 之间呈直线性变化。
（ⅱ）随着Φ、f I 的增大，铁磁部分的磁路逐渐饱和，其磁阻也逐渐增大，使得励磁磁势增量几乎全部落在铁磁部分磁路中，使得磁化曲线偏离直线出现弯曲。
磁化曲线直线部分的延长线称为气隙线，出
现弯曲的部分称为膝部。
4、气隙磁密分布曲线
主极气隙为不均匀气隙，磁密呈梯形分布。 极下部分磁密大小相等且数值较大，极尖处气隙逐渐增加磁密明显减小，几何中心线处，磁密为零。 三、电枢磁场
1、定义：电机负载运行时，电枢绕组中通过电流所产生的磁场。
2、电枢磁场特点 （1）在空间静止不动。
（2）电枢磁场轴线与主极磁场轴线垂直，为交轴电枢磁场。
（3）电枢磁密a B 在空间分布呈马鞍形（'
δ
μa
a F B =——气隙长度）
四、电枢反应
1、定义：电机负
载运行时，电枢磁场对主极磁场的影响。
2、直流电机电枢反应的性质（主要分析交轴电枢反应）
（1）气隙磁场发生畸变，每个主极下的磁场，一半被削弱，一半被加强。
（2）气隙磁场畸变后，会使电枢绕组一条支路中各串联线圈间电势分布不均匀。 （3）每极磁通量和气隙平均磁密下降（去磁作用）
难点祥解 (本次课无难点)
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1-5 直流电机的感应电势和电磁转矩 一、直流电机的感应电势 （重点讲解，见后） 二、直流电机的电磁转矩
（重点讲解，见后） 三、直流电机的能量转换过程
1、电磁功率M P ：指通过电磁作用传递的功率。它可以表现为机械功率的形式，也可表现为电功率的形式。实际计算中常将它作为机械量与电磁量计算的桥梁。
2、直流发电机的能量转换过程
以串励发电机为例：当发电机负载运行时（f a I I I ==），则电枢绕组中一定会产生电磁转矩a T I C T φ=，且电磁转矩为阻转矩，正是该电磁阻力转矩使发电机从原动机上吸收机械功率，从而转换为电功率输出，电磁转矩是发电机完成机械能转换的必要条件。
P M =E a I a
3、直流电动机的能量转换过程
电动机运行时，电枢绕组感应电势n C E e a φ=，其方向与电枢电流相反（电枢电流方向由外电压决定），为反电势。正是该反电势使电动机得以从电源中吸收电功率，从而转换成机械功率输出。反电动势是电动机完成电能与机械能转换的必要条件。
P M =Tω
式中：T ——电磁转矩
ω——电机角频率
注：能量转换过程均遵守能量守恒定律。
难点祥解
一、直流电机的感应电势
1、定义：直流电机的感应电势是指电机正负电刷间的电势，也即支路电势。
2、计算公式：n C E e a φ= 式中：φ——每极磁通量（wb ）
n ——电机转速min)/(r e C ——电机的结构常数 a
pN
C e 60=
说明：
（1）直流电机的感应电势是指电枢表面圆周上固定位置（电刷间）的电枢线圈中感应电势之和，对于给定的电机，e C 为常数，φ∝a E ，n 。
（2）a E 的大小，仅和磁通的大小有关，和磁密分布无关。
（3）若为短距绕组，两线圈边中感应电势方向相反，互相抵消，使感应电势减少。 （4）电刷偏离几何中心线时，则电刷间所包含的总磁通量有所减少，使感应电势相应减少。
二、直流电机的电磁转矩
1、定义：电枢绕组中通过电流时，在磁场中将受到电磁力的作用，电磁力在电枢轴上产生的转矩称电磁转矩。
2、计算公式：a T I C T φ= 式中：φ——每极磁通量（wb ）
a I ——电枢电流 i a I a ?=2 T C ——电机转矩常数 a
pN
C T π2=
说明：
（1）对于给定的电机，T C 为常数，T C 与φ、a I 成正比。 （2）T C 的大小，仅和磁通的大小有关，和磁密分布无关。 （3）若为短距绕组，使电机转矩减少。
（4）电刷偏离几何中心线时，则电刷间所包含的总磁通量有所减少，使电机转矩相应减少。
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1-6 直流电机的基本方程 一、电势平衡方程式
1 定义：指电机的电势和电压间的平衡关系。
2 表达式：
发电机： a a a R I U E += 电动机： a a a R I E U +=
a R ：电枢回路总电阻（绕组电阻+电刷换
向器电阻）
要求会根据
a E 与U 的大小来判断电机的运行状态。 二、转矩平衡方程式
1 定义：指电机运行时拖动转矩与阻转矩的平衡关系。
2 表达式：
发电机： 01T T T += 转向取决于1T 方向 式中：1T ——原动机输入转矩，为拖动转矩。
0T ——空载转矩
T ——电磁转矩
电动机： 20T T T += 转向取决于T 方向 式中：T ——电磁转矩，为拖动转矩。
2T ——输出转矩。 三、功率平衡方程式
1 定义：指电机的输入功率与输出功率及损耗功率间的平衡方程式。
2 电机的损耗
(1)铜耗cu p ：当电机的各种绕组中流过电流而
产生的电阻损耗。 随负载而变化——可变损耗。
(2)铁耗Fe p ：由于铁心中的磁滞、涡流而产生的损耗。 (3)机械损耗Ωp ：由于各种机械摩擦、通风而产生的损耗。 空载损耗： Ω+=p p p Fe 0 ——不变损耗
(4)附加损耗s p ：由于气隙磁场畸变、电流分布不均、均压电流等造成的损耗。约为输出功率0.5%~1%。
s Fe cu p p p p p +++=∑Ω 3 功率平衡方程式
(1)发电机：01p P P M +=（原动机输入的机械功率，部分用于克服空载损耗，大部分转换为电磁功率）
s cu M p p P P ++=2（电磁功率一部分用于电枢铜耗和附加损耗，大部分用于输出）
p P p p p P p P P s cu M ∑+=+++=+=20201
(2)电动机：cu M p P P +=1（原动机输入的电功率，一部分用于铜耗，大部分转换 为电磁功率）
02p p P P s M ++=
p P p p p P p P P cu s cu M ∑+=+++=+=2021
四、电机的效率
1 定义：电机输出功率与输入功率1P 之比的百分数。
2 计算式
%1001%1001
1112?∑-=?∑-==
P p
P p P P P η 难点祥解
(本次课无难点)
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1-7 直流发电机的运行特性 一、概述
1 定义：直流发电机的运行特性是指在保持发电机以恒定转速运行时，端电压U 、负载电流I 及励磁电流f I 这三个基本物理量之间的关系。
2 运行特性的种类
（1）空载特性 当N n n = 0=I 时， )(f I f U = （2）负载特性 当N n n = C I =时， )(f I f U = （3）外特性 当N n n = C I f =时，)(I f U = （4）调整特性 当N n n = N U U =时，)(I f I f =
此特性为了保持端电压为常数恒定，当负载电流发生变化时，励磁电流要相应变化的规律。
二、他励发电机 （a I I =）
1、空载特性 )(0f I f U = 0==I I a N n n =
)(
0f N e e a I f n C n C E U U ====φ
与磁化曲线形状相同。
一般电机都有一些剩磁，即当0=f I 时，若电机旋转仍有一定电压，称为剩磁电压
N U U )%42('0-=。
2、外特性 )(I f U = a a e R I n C U -=φ
N n n = '
C C I f =Φ→= a N e IR n C C U -='
↓↑→↑→U R I I a a
↓↓→↑→↑→→U φ去磁作用电枢磁场
电压调整率 %1000?-=
?N
N
U U U U
电压调整率小说明发电机端电压更稳定。 三、并励发电机 （f a I I I +=）
（一）空载特性 )
(0f I f U =
0=I ，N f a I I I )%3~1(== 其产生的电阻压降和
电枢反应可以忽略不计。
)(0f N e I f n C U U ?==
（二）自励过程和电压建立的条件
1、剩磁—任何磁性物质，一经受到励磁，即使把励磁电流下降为零，仍然会有少量剩余磁性。 剩磁是并励发电机运行的必要条件。
2、自励过程：并励发电机利用剩磁建立稳定电压的过程。
（1）励磁磁通与剩磁通方向相同，可使电势持续上升；若方向相反，则剩磁被削弱，发电机电压将不能建立。
（2）自励过程分析： 电势是否会无止境上升？ 并励发电机在建立电压的过程中，负载为开路。
建压过程中励磁回路有电阻f R ，感应电势减去磁场电阻所需要的压降用于建压。
f f R I u U -=?00（场电阻）
↓↑→0u I f 且上升速度逐渐缓慢（因为空载特性具有饱和性）
，到达A 点时，f f R i u =0，00=?∴U ，此时励磁电流和感应电势不再增大，电机进入空载稳定状