第三章直流电机的稳态分析

第三章直流电机的稳态分析3.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理直流电机的构成（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=BiLa、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：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：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；复激：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(type and rated values)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。

3.2 电枢绕组电枢绕组简介叠绕组——单叠、复叠波绕组——单波、复波混合绕组（又称蛙型绕组）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S4、换向片数KQ5、槽数Q和虚槽数u6、槽内——层嵌放的元件边数u二、单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：Y=Y k=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。

三、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。

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 →dtdiLe 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；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。

3.3 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2、气隙磁场波形图3、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——电枢电流I（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→→0f 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。

3．4 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aZa2根导体）2． Ea 的计算：（1） 一根导体产生的平均电动势av e （见P77图3—27） av e =a Blv 式中：Ba =lτφ=lτφl60...nD a π 60a D nπν==602a aD nD pπφπ∙60aD πτ==260pn φ （2） 一条支路的电动势，即电枢电动势EaEa=2aZ aav e =2aZ an p φ60.2 =φap Z a60n=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 =φ602a e e f faf f E C n C K I C I φπΩ∴===Ω式中：260n πΩ=602n Ω∴=； Caf —运动电动势常数（602eaf 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avf 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 pφπ=2a p D l φπTe =Zafav2aD =Za 2aD B avlia = Za 2a D l D paπφ2l Ia / 2a2aa T a pZ I C I aφφπ==式中:φ—每极磁通量（Wb ） ；aI —电枢总电流（A ） ； eT ..—电磁转矩（N *m ）； C T 转矩常数（2aT pZ C aπ=）当不计饱和时：f f I K =φe t a Tf f a af f a T C I C K I I C I I φ∴=== 式中：602afT fe f C C KC K π==（同运动电动势常数602eaff C C K π=）3.5 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 以并激直流发电机为例P 1 (机发电机：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：%10012⨯=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<U 时,Ia 反向,电动运行.3.6 直流发电机的运行特性1．空载特性—指n=nN =常数,I=0时,U=f(If)关系曲线（1）接线图（见P82 图3—33）（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P82 图3—34）（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。