1、第三章 直流电机原理,3.1 直流电机的用途及基本工作原理,3.1.1 直流电机的用途3.1.2 直流电机的基本工作原理,3.1.1 直流电机的用途,直流电机的用途 作电源用：直流发电机(逐渐被电力电子整流装置取代) 作动力用：直流电动机(用于对调速要求高的机械) 控制系统测量元件：直流测速发电机 控制系统执行元件：直流伺服电动机 直流电动机的优势 调速范围广，且易于平滑调速。 直流电机的缺点 换向问题（机械换向、电子换向）,永磁直流电动机,3.1.2 直流电机基本工作原理,直流电机的物理模型如图所示。线圈在磁场中旋转，线圈的两条边分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接，铜片上又各压着
2、一个固定不动的电刷。,电刷,换向片,一. 直流电动机原理,1. 电源正接换向片A，电源负接换向片B,电流：由A流进，由B流出； 电磁转矩：方向逆时针； 线圈感应电动势：A为高电位，B为低电位。,2. 线圈逆时针旋转电源正接换向片B，电源负接换向片A,电流：由B流进，由A流出； 电磁转矩：方向逆时针； 线圈感应电动势：B为高电位，A为低电位。,结论：线圈内部电流 Ia交变，感应电动势 Ea交变，且与电流方向相反，电磁转矩T方向不变。,二. 直流发电机原理,1. 原动机提供机械转矩T1，带动线圈逆时针旋转，当换向片A接电刷A，换向片B接电刷B时,线圈感应电动势：A为高电位，B为低电位； 电流：由A
3、流出，由B流入； 电磁转矩：方向顺时针；,2. 原动机提供机械转矩T1，带动线圈逆时针旋转，当换向片A接电刷B，换向片B接电刷A时,线圈感应电动势：B为高电位，A为低电位； 电流：由B流出，由A流入； 电磁转矩：方向顺时针；,结论：线圈内部电流 I 交变，感应电动势 Ea交变，但电刷电动势方向不变，电磁转矩T方向与T1相反。,三. 直流电机工作原理的特点,1. 直流电机工作的关键部件是换向器和电刷。 2. 直流电机线圈内部的感应电动势和电流是交变的，由电刷引入或导出的电流是方向恒定的，线圈受到的电磁转矩是单方向的。 3. 直流电动机和直流发电机的基本机构相同，带负载工作时，线圈内部都有感应电动
4、势产生，线圈都会受到电磁转矩的作用，因此，直流电机是可逆的。,3.2 直流电机的主要结构与型号,3.2.1 主要结构 3.2.2 铭牌数据 3.2.3 国产直流电机的主要系列,3.2.1 直流电机主要结构,直流电机的结构总体上包括定子和转子两大部分。定子电机的静止部分转子电机的运动部分，一般称为电枢 其中，直流电机的关键结构包含：主磁极电枢绕组(线圈)换向器电刷,一. 定子部分,1. 机座起到机械支撑作用，同时，又是构成直流电机磁路的一部分。因此，需要好的导磁性能和富余的机械强度，一般用铸钢或厚钢板制成。,定子部分主要包括机座、主磁极、换向极和电刷装置。,2. 主磁极在 主磁极铁心 上固定 励
5、磁绕组，产生磁场并使电枢表面的气隙磁密按一定形状在空间分布。主磁极铁心是由11.5mm的 低碳钢板 叠成。,极身,极靴,机座,主磁极,励磁绕组,3. 换向极一般用于1kW以上的直流电机中，位置在两主极之间，帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用整块钢或钢板绝缘后叠装而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，且与电枢绕组相串联。,主极,换向极,4. 电刷装置 电刷：由 石墨 做成的导电块； 刷握（刷盒）； 刷杆支臂； 刷辫：将电动势或电流引出或引入电机，由细铜丝编成。,具有恒压弹簧的刷握和电刷,二. 转子部分,转子部分主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴及轴承、风扇等部件。转子主体如图所示
6、。,1. 电枢铁心通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成，片间用绝缘漆以减少损耗(涡流和磁滞损耗)。,槽,齿,轴向通风孔,轴孔,2. 电枢绕组用带绝缘的铜导线绕成一个一个的N匝线圈元件，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。电枢绕组是直流电机的主要电路部分，是实现机电能量转换的关键部件。,3. 换向器由许多 换向片（由铜料组成）组成。换向片之间彼此以云母片相互绝缘，全部又以云母环对地绝缘。,三. 端盖,端盖把定子和转子连为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座的两端，并支撑着转子，端盖也有保护电机内部的作用。,直流电机整体结构图,直流
7、电机装配图,四、电机的防护方式p336,根据不同的冷却和保护方式分为 开启式、防护式、封闭式 和 防暴式。,开启式,无专门的防护装置，定子两侧和端盖上有通风口，靠转子本身在旋转时带动的空气来冷却。 散热好，容易进灰尘、水滴和铁屑等杂质，只能在清洁、干燥的环境中使用。,防护式,用于中小型电机。机座下有通风口，垂直下落的异物不易进入电机内部；两端端盖有进风口和出风口，转轴上装有风扇。端盖的进出风口上有带孔的网罩，以防止外物落入电机。 散热好，但不能防止潮气和灰尘侵入，适用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境。,封闭式,电机内腔与机外不连通，只靠电机外表面的散热来冷却。主要应用在空气中含尘、潮湿
8、、有腐蚀性成分等较恶劣的场合或浸在液体中(密封式潜水泵)。 又可分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通风式及密封式 等。机壳外表面带有肋状散热片以增加其散热面积，大容量的电机常用管道式通风，或用另外的风机对电机进行吹风循环。,防暴式,在封闭式电机的基础上制成隔爆形式，机壳有 足够 的 机械强度，封闭得更严密。 适用于含有易燃易爆气体的场合，如矿井、油库、煤气站。保证当电机内部逐渐积累的可燃气因偶尔的火花引起爆炸时，能使此时的爆炸不致蔓延到机外而引起严重事故。,3.2.2 电机的铭牌数据,（1）电机型号：一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。 （2）额定容量（功率） （kW）：表示由
9、 温升 和 换向条件 的限制按所 规定的工作方式 电机所能供应的功率。 发电机：输出的电功率 电动机：输出的机械功率,连续、短时、周期,（3）额定电压 （V）：在额定工作情况时，电机出线端的平均电压值，直流电机一般不是很高。 发电机：输出端额定电压 电动机：输入端额定电压,（4）额定电流 （A）：额定情况下的电枢电流。发电机：电动机：,（5）额定转速 （r/min） （6）励磁方式和额定励磁电流 （A）,他励、并励、串励、复励,（7）定额：分为连续、短时、间歇三种定额工作方式，未标注时即为连续定额工作方式，表示电机在额定情况下连续运行时，温升不致超过允许值。 （8）绕组温升或绝缘等级：绝缘等级
10、越高，其允许温升就高。,电机铭牌数据的计算,一台直流发电机,其铭牌数据如下所示,求该发电机的输入功率及额定电流各为多少?,解:,额定输入功率:,额定电流:,一台直流电动机,其铭牌数据如下所示,求该电动机的输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少？,解：,额定输入功率：,额定电流：,额定输出转矩：,3.2.3 国产直流电机的主要系列产品,Z2-31,一般用途的防护式中小型直流电机,第二次设计,机座号,铁心长度顺序号,Z2系列电机为适用于一般调速场合的基本系列直流电动机，具有调速范围大，控制简单，可靠等优点。Z2系列电机是B级绝缘结构，电机防护等级为IP21，基本结构及安装型式为IMB3，根据用户
11、要求还可制成IMB35和IMB5结构及安装型式，也可制成带测速发电机的派生系列电机。 Z2系列直流电动机广泛使用于矿山，交通运输，纺织印染，造纸印刷以及化工和机床等工业中需调速的动力拖动场合。,ZZJ800系列轧机辅传动用直流电动机是参照国际电工委员会IEC3413轧机辅传动电动机技术条件标准制造的，是钢铁工业的重要动力设备，在工作环境恶劣的场合下，能经受频繁的起动、制动、频繁的可逆转，重复出现大的过载转距，主要使用于工作辊道，压下装置，活套张力辊，剪切机，钳吊吊车等设备上，是ZZ/ZZK，ZZY，ZZJO，ZZJ2等系列电机的更新替代产品。,本系列电机采用多角形结构，空间利用率高，定子磁轭为
12、叠片式，适用整流器供电，能承受脉动电流与电流急剧变化(负载变化)之工况。磁极安装有精确定位，因而换向良好。 Z4系列直流电机广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工业轧机传动，金属切削机床，造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出机械等。,3.3 直流电机的励磁方式及磁场,3.3.1 直流电机的励磁方式 3.3.2 直流电机的空载磁场 3.3.3 直流电机的电枢反应,3.3.1 直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式主要有：他励、并励、串励、复励。不同的励磁方式直流电机有不同的特性。,调速、起动、制动、,1、他励直流电机,励磁电流由其它直流电源单独供给， 励磁绕组匝数多，导线截面积小，电阻大。,2、
13、并励直流电机,励磁绕组与电机电枢的两端并联。作为并励发电机，励磁绕组与电枢共用同一电源，与它励直流电机没有本质区别。 励磁绕组匝数多，导线截面积小，电阻大。,3、串励直流电机,励磁绕组与电枢回路串联，电枢电流也是励磁电流。 励磁绕组匝数少，导线截面积大，电阻小。,4、复励直流电机,励磁绕组一部分与电枢回路串联，一部分与电枢回路并联。 可以是并励绕组先与电枢回路并联再与串励绕组串联， 也可以接成串励励磁绕组先与电枢串联再与并励励磁绕组并联,3.3.2 直流电机的空载磁场,目前，绝大多数直流电机的 主磁场 都是由 励磁绕组 通以直流励磁电流产生的。 实际上，直流电机在负载运行时，磁场是由电机中各个
14、绕组：励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组 等共同产生的。其中，励磁绕组 起着主要作用。 励磁绕组中有励磁电流，其它绕组中无电流时的磁场情况称为电机空载运行，又叫无载运行。,主磁通,主极漏磁通,励磁绕组,电枢,直流电机的主磁路 ：定、转子之间的气隙（两段）、电枢齿（两段）、电枢磁轭、主磁极（两段）、定子磁轭。,一 空载气隙磁密空间分布波形,设励磁绕组励磁电流为 If ，匝数为Wy，则图中所取磁路的磁通势为 2 IfWy2 Fy,定子磁轭,主磁极,电枢磁轭,电枢齿,气隙,根据磁路欧姆定律，有：,其中，气隙的磁阻为：,结论：,气隙磁密 的大小与气隙长度 成反比，在每一极下近似平均分布； 实际上气隙磁密的
15、分布不均匀，磁极中心附近的磁密大，两极尖处磁密小，在两极之间的几何中心线处磁密等于零。,空载均匀气隙时的气隙磁密,极身,极靴,二 空载磁化特性,我们把 空载 时 气隙每极磁通 与空载励磁磁通势 或 空载励磁电流 的关系称为直流电机的空载磁化特性.,空载磁化特性曲线,气隙线,空载磁化特性曲线的特点:饱和现象,当磁通较小时，总磁位降主要是气隙磁位降，空载特性呈直线关系； 当磁通较大，铁磁材料出现饱和时，铁磁材料的磁位降剧增，空载特性呈饱和特点。,3.5 电枢电动势与电磁转矩,3.5.1 电枢电动势 3.5.2 电磁转矩,3.5.1 电枢电动势,电枢电动势定义为直流电机正负电刷之间的感应电动势，也即
16、电枢绕组中每条支路里的感应电动势。,一根导体的电动势：,设一个磁极极距范围内，平均磁密为 ，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为 ，则：,总导体数,一条支路的导体数,电动势常数,Wb,r/min,V,结论：,已经制好的电机，它的电枢电动势大小 正比 与每极磁通和电机转速； 电动势方向也由磁通方向和电机转速方向共同决定。,3.5.2 电磁转矩,一根导体所受的平均电磁力矩为:,N根导体所受电磁力矩为:,电枢总电流,转矩常数,Wb,A,N.m,结论：,已经制好的电机，它的电磁转矩大小正比 与每极磁通和电枢电流； 电磁转矩方向也由磁通方向和电枢电流方向决定。 转矩常数 CT 与电动势常数 Ce
17、 的关系为：,例：,一台八极直流电机，总元件数为 S，电枢绕组以转速 n 旋转。若分别将绕组以单叠和单波方式绕制，哪一种绕制方法输出的感应电动势较大；若电枢绕组通入相同的直流电流，那一种绕组产生的电磁转矩较大。,解：直流电机输出感应电动势和电磁转矩分别为：,则，单波绕组输出的感应电动势和电磁转矩较大。,例：,如何改变他励直流发电机的电压极性？ 如何改变他励直流电动机的转向？,改变他励直流发电机电压极性的方法：改变原动机转向；改变励磁电压极性,改变他励直流电动机转向的方法：改变电枢电压极性；改变励磁电压极性,【例题 】将并励、串励和复励电动机电源电压的极性改变，能否改变该电动机的旋转方向？为什么
18、？怎样才能改变其转向？,将并励、串励和复励电动机电源电压的极性改变，不能改变电动机的转向。,若要改变并励、串励、复励电动机的转向，只需将励磁绕组与电枢绕组反极性相接，电源电压极性不变。,3.5.3 直流电机的电枢反应,电机带负载时，电枢绕组中会有电枢电流，电枢电流也产生磁通势，叫电枢磁通势。 电枢磁通势改变气隙磁密分布情况及每极磁通量的大小，这种现象称为电枢反应。 解决的方法：加补偿绕组和换向绕组。,电枢反应的影响：1、合成磁场歪扭，主磁场轴线不在主磁极中心线上，气隙磁密过零的地方偏离了几何中性线；2、去磁效应。,增强,减弱,减弱,增强,几何中性线,物理中性线,消除电枢反应的方法： (1) 加
19、装换向极； (2) 加装补偿绕组。,3.6 直流发电机,3.6.1 直流发电机稳态运行基本方程 3.6.2 直流发电机稳态运行功率关系 3.6.3 他励直流发电机运行特性 3.6.4 并励直流发电机,3.6.1 直流发电机稳态运行的基本方程,发电机惯例,3.6.2 功率关系,铁损耗（磁滞和涡流）,机械摩擦损耗,发电机空载损耗（不变损耗）,发电机供给负载的功率,他励直流发电机的功率传递过程,【例题】一他励直流发电机，PN=10 kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4。如果磁通保持不变，求1000r/min时的空载电压U0和900r/min时的满载电压U。,解：1000r/m
20、in时的空载电压即指其感应电动势的值，可以由额定运行状态求得：,此时，输出电压为：,磁通不变，转速为900r/min时满载的感应电动势,解：发电机的输出功率,发电机励磁回路电流,发电机电枢回路电流,【例题】一并励直流发电机，输出电压 U=230V，输出电流 I=100A ，Ra=0.2，Rf=115，n=1500r/min， T0=17.32Nm。求发电机的输出功率P2 、电磁功率Pe、输入功率 P1 和效率 。,发电机电磁功率,发电机空载损耗功率,效率为,发电机输入功率,解：额定电流,励磁回路额定电流,【例题】一台额定功率PN=20kW的并励直流发电机，额定电压 UN=230V，电枢回路总电
21、阻Ra=0.156，励磁回路总电阻Rf=73.3，额定转速nN=1500r/min。 已知空载损耗功率p0=1kW，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。(忽略附加损耗),励磁绕组铜损耗,电磁功率,电枢回路额定电流,电枢绕组铜损耗,总损耗,输入功率,效率,例：一台额定功率 的并励直流发电机，额定电压 ，额定转速 ，电枢回路总电阻 ，励磁回路总电阻 。已知机械损耗和铁损耗 ， 求额定负载 情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率 及效率。（计算过程中，令 ，附加损耗 。）,3.6.3 他励直流发电机的运行特性,直流发电机基本方程式中的四个变量U、Ia(负载电流
22、)、If、n，固定其中两个，就可以得到发电机的一个运行特性。一般情况下，可以固定n为额定恒值。,一. 空载特性：当n=常数，Ia=0(空载)时，感应电动势与励磁电流的关系 E=f(If),根据感应电动势的物理表达式 E=CEn，E与成正比，所以空载特性与磁化曲线相似，仍然具有饱和性、磁滞性。,剩磁感应电动势,二. 负载特性(外特性)：当n=常数，If=常数，发电机带负载时，发电机输出电压与输出电流的关系 U=f(I),根据他励发电机电枢回路方程：U=E-IaRa=E-IRa，则 (1)当 I 增加时，负载输出电压U减小； (2)当 I 增加时，电枢反应去磁效应增强，E减小，则U进一步减小。,电
23、压调整率VR：发电机空载电压 U0 与额定电压 UN 之差与额定电压的百分比。他励发电机约为5%10%。,三. 调节特性：当n=常数，U=常数，发电机带负载时，发电机励磁电流与输出电流的关系 If=f(I),实际含义：他励发电机带负载运行，若要保证输出电压恒定，则负载变化时需怎样调节励磁电流。,四. 效率特性：效率随负载变化的曲线= f(P2),3.6.4 并励直流发电机,问题：若要建立电压E，需 If；若需 If，则必须建立电压。则并励发电机如何建立电压？,1. 自励条件,(1) 主磁极必须有剩磁 r,(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁磁通r同方向,rEIf,与r同方向EIfE,与r反方向
24、EIfE,问题：电机的磁通和感应电动势E是否会无止境地增加？,rEIf,与r同方向EIfE,空载时 E与If 满足两个关系：,a. 空载特性曲线 E=f(If)；,b. 励磁回路欧姆定律E=IfRf+IaRaIfRf ，也称为场阻线，其斜率为tan=E/If=Ra+RfRf,如图所示，感应电动势最终稳定在p点，自励过程结束，不会无止境地增加。,场阻线与空载特性的线性部分重合，两线交点不止一个，电动势和励磁电流极不稳定。,励磁回路电阻大于临界电阻，所建立的电压与Er相差无几，发电机不能自励。,(3) 励磁电路的电阻应小于临界电阻r,自励条件:,电机的主磁路要有剩磁； 并联在电枢绕组两端的励磁绕组
25、极性要正确； 励磁回路的总电阻必须小于该转速下的临界电阻。,3.7 直流电动机运行原理,3.7.1 稳态运行关系式 3.7.2 功率关系 3.7.3 工作特性,3.7.1 他励直流电动机稳态运行的基本方程式,电动机惯例,其中，Ra 为电枢回路电阻，包括电枢绕组的电阻和电刷与换向器之间的接触电阻，Rf 为励磁回路的电阻。,3.7.2 他励直流电动机的功率关系,电磁功率,电枢回路总铜损耗（可变损耗）,铁损耗（磁滞和涡流）,机械摩擦损耗,发电机空载损耗（不变损耗）,他励直流电动机的总损耗为：pCua+pFe+pm+ps,他励直流电动机的功率传递过程,思考：并励直流电动机稳态运行基本方程式和功率流向？
26、,【例题 】一台四极他励直流电动机，电枢回路总电阻Ra=0.208，当此电机运行在电源电压U=220V，电机转速n=1500r/min，电枢电流 Ia=74A时，电机铁损耗 pFe=362W，机械摩擦损耗pm=204W（忽略附加损耗）。求： (1)电磁转矩是多少？ (2)输入功率和效率各是多少？,解：(1)电磁功率,电磁转矩,(2)输入功率,输出功率,效率,【例题】一并励直流电动机，U=110V，I=12.5A，n=1500r/min，TF=6.8Nm，T0=0.9Nm。求该电动机的P2、Pe、P1、总损耗Pal和。,解：电动机的输出功率,电动机的空载损耗功率,电磁功率为,输入功率为,总损耗功
27、率,效率为,【例题】一台并励直流电动机， PN=96kW， UN=440V，nN=500r/min，IN=255A， IfN=5A，电枢电阻Ra=0.078，忽略电枢反应的影响，试求：(1) 额定输出转矩；(2) 在额定电流时的电磁转矩。,解：(1) 额定输出转矩,(2) 额定时的电枢电流,额定时的电磁功率,额定电流时的电磁转矩,【例题 】某他励直流电动机的额定数据为： PN=6kW， UN=220V，nN=1000r/min，pCua=500W， p0=395W。计算额定运行时电动机的T2N、T0、TN、Pe、N、Ra。,解： 额定输出转矩,空载损耗转矩,额定电磁转矩,额定效率,额定电流,电
28、枢回路电阻,电磁功率,【例题】一台他励直流电动机额定数据为： PN=7.5kW，UaN=220V，IN=40A，nN=1000r/min，Ra=0.5。拖动恒转矩负载TL=0.5TN稳态运行，求电动机的转速及电枢电流。,解：电动机稳态运行,电动机带恒转矩负载，磁通恒定，则电枢电流,电动机转速,例：一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，电枢总导体数 ,电枢回路总电阻 。当此电机运行在电源电压 ，电机的转速为 ，气隙每极磁通 ，此时电机的铁损耗 ，机械摩擦损耗 （忽略附加损耗）。 （1）该电机运行在发电机状态，还是电动机状态？ （2）电磁转矩是多少？ （3）输入功率和效率各是多少？,例：一台并励
29、直流电动机，忽略电枢反应影响，试求： （1）额定输出转矩； （2）在额定电流时的电磁转矩,3.7.3 直流电动机的工作特性,1、转速特性,直流电动机的工作特性是指其端电压 U=UN、电枢回路无外串电阻、励磁电流 If=IfN时，电动机转速 n、电磁转矩 Te和效率三者与输出功率 P2或电流 I2之间的关系。,转速特性,问题1：稳态电枢电流是由什么因素决定的？,电枢电流分别满足电枢回路方程和电磁转矩物理表达式：,电动机稳态运行时，转轴保持力矩平衡，即T=TL，若TL大小不变，则T为恒值，在磁通不变时，电枢电流 Ia 即为恒值。因此，电动机的稳态电枢电流是由TL和的大小决定的。,问题2： 负载大小
30、对转速的影响问题,根据他励直流电动机稳态运行方程式可得：,当TL增大时，T增大，转速n降低。,2、转矩特性,转距特性,3、效率特性,思考当他励电动机负载和磁场一定时，若电枢电压下降电枢电流会发生怎样的变化？其稳态值是否会变化？,电枢电流分别满足电枢回路方程和电磁转矩物理表达式：,U或RaIaTTLnEIaT=TL,思考当电动机带恒定负载TL运行，励磁绕组突然断电时，会发生什么现象？,根据他励直流电动机稳态运行方程式可得：,a) 很小，E剧减，Ia立即剧增，换向器和电枢绕组都有被烧坏的危险。,b) 若负载为TL2，工作点由a经由b最终到达c点，电动机停转，这种现象称为“闷车”，亦即堵转，一般在重
31、载和满载时容易发生。,c) 若负载为TL1，工作点由d经由e最终到达f点，电动机不断加速直至超过允许值，这种现象称为“飞车”，此时，电动机在机械方面受到严重损伤，甚至危及操作人员的安全。这种情况一般在轻载和空载时容易发生。,3.9 串励和复励直流电动机,介绍串励和复励直流电动机的特点。,串励电动机稳态运行方程式：,1. 电流问题,(1) 电枢电流 Ia 、励磁电流 If 和电源电流 I 相同。,(2) 励磁电流大，励磁绕组的导线粗，匝数少，Rf较小。,3.9.1 串励电动机,与并励直流电动机相比，串励电动机具有如下优点：,a. 相同的T，串励电动机电枢电流变化量Ia小，即负载转矩变化时，电源供
32、给的电流可以保持相对稳定的数值，波动较小。,b. 对应允许的最大电枢电流 Iamax=(1.52.0)IaN，可以产生较大的电磁转矩，因此，串励电动机具有较大的起动转矩和过载能力。,2. 电磁转矩问题,(1) 电枢电流 Ia 较小时，磁路未饱和，Ia，TIa2,(2) 电枢电流 Ia 较大时，磁路饱和，=常数，TIa,3. 转速问题,(1) T=0时，Ia=If=I=0，n0=U/(CE)很大，约为(56)nN,(2) T较小时，磁路未饱和，TIan迅速下降,(3) T较大时，磁路饱和，磁通增加缓慢甚至不再增加，因而随转矩的增加转速下降得缓慢，与他励直流电动机类似。,4. 应用问题,(1) 适
33、用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较大起动转矩及过载能力的生产机械，如起重机、电气机车等起重运输设备； (2) 串励电动机不允许在空载和轻载下运行，不应采用诸如皮带轮等传动方式，以免皮带滑脱造成电动机空载。为安全起见，电动机与它所拖动的生产机械应采用直接耦合。,3.9.2 复励直流电动机,他励,串励,复励,1. 机械特性介于并励电动机和串励电动机之间。 2. 兼有并励和串励电动机的优点，即由于有并励绕组，它可以在空载和轻载下运行，由于有串励绕组，它的起动转矩和过载能力大。,3.8 他励直流电动机的机械特性,描述他励直流电动机电磁转矩 和转速 之间的关系。是研究电动机起动、调速、运行时的有效形
34、式。,3.8.1 机械特性的一般表达式,机械特性的斜率,理想空载转速,3.8.2 固有机械特性,当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻 时的机械特性称为电动机的固有 机械特性。,固有机械特性的特点：,考虑电枢反应时,、是一条下斜直线，斜率为 ，其值很小，习惯上称为硬特性。当斜率 很大时称为软特性。,2、理想空载转速点：,3、额定转速点： ，额定转速降为， ，一般地说，约为 ，这是硬特性的数量体现。,6、固有机械特性位于三个象限之内，在第象限为正向电动运行，其它两个象限都为制动运行。其中，第象限为发电状态，第象限为起重机下放重物状态。,5、起动点： ，电磁转距 称为起动转
35、距，电枢电流 称为起动电流。直接起动时，起动电流很大，会影响换向，因此，直流电机（除微型）一般不允许直接起动。,【例题】一台他励直流电动机额定功率 PN=96kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=250A，额定转速nN=500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.078。求：(1) 理想空载转速n0；(2) 固有特性的斜率 。,解：(1)电动机额定状态时,理想空载转速为,(2) 固有机械特性斜率,【例题】一台他励直流电动机额定功率 PN=22kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=115A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.1，忽略空载转矩T0，电动机拖动恒转矩
36、负载TL=0.85TN运行，求稳定运行时电动机的转速、电枢电流及电动势。,解法一：电动机稳态运行,电动机带恒转矩负载，磁通恒定，则电枢电流,电枢电动势,电动机转速,解法二：求解电动机的CEN,理想空载转速,电动机带额定负载时的转速降落,电动机转速,负载为TL=0.85TN时的转速降落,3.8.3 人为机械特性,他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻 大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。,1. 电枢回路串电阻的人为机械特性,特点： (1) 理想空载转速 n0不变； (2) R越大，斜率 越大，硬度越小，称为特性曲线变软。,2. 降低电枢电压的人为机械特性,特点： (1) 斜率
37、不变，硬度不变，仍为硬特性； (2) 理想空载转速 n0 随电压成比例下降。,3. 减弱磁通的人为机械特性,特点： (1) 斜率 增大，硬度减小，特性变软； (2) 理想空载转速 n0 随磁通减小而增加。,【例题】一台他励直流电动机额定功率PN=7.5kW，UN=220V，IN=41A，nN=1500r/min，Ra=0.376，拖动恒转矩负载运行，若把磁通减小到=0.8N，不考虑电枢电流过大的问题，计算下面情况下改变磁通前后电动机拖动负载稳定运行的转速各是多少？(1) 当TL=0.5TN时；(2) 当TL=TN时？,解：电动机额定状态运行,额定电磁转矩为,(1) 当TL=0.5TN，=N时，
38、电动机转速为,当TL=0.5TN，=0.8N时，电动机转速为,(2) 当TL=TN，=N时，电动机转速为,当TL=TN，=0.8N时，电动机转速为,3.8.4 根据电机的铭牌数据估算机械特性,途径一：,确定机械特性上的两点(n0，0)和(nN，TN),途径二：,途径三：,【例题】一台他励直流电动机， PN=40kW，UaN=220V，IaN=210A，nN=750r/min。求：(1) 固有特性；(2) 固有特性的斜率 。,解：(1)忽略T0，则额定电磁转矩为,理想空载转速为,(2) 电枢回路总电阻,固有特性斜率,【例题】一台他励直流电动机的铭牌数据为：额定功率 PN=50kW，额定电压UaN
39、=220V，额定电流IaN=250A，额定转速nN=1150r/min。试计算其固有机械特性。,解：(1) 估算额定电枢电动势，根据额定容量知道，这台电动机属于中等容量电机，则取,(2) 计算CEN,(3) 计算额定理想空载转速,(4) 计算额定电磁转矩,于是可得固有机械特性上的两点(1208.8，0)和(1150，434.5),例：一台他励直流电动机的铭牌数据为：试计算其固有机械特性。,3.10 直流电机的换向,一、直流电机换向的定义,换向是指旋转着的电枢绕组元件 从一条支路进入另一条支路 时，在被电刷短接的过程中，元件内电流方向所发生的变化。 元件从开始换向到换向结束所用的时间称为换向周期
40、 ，通常为12ms的时间，甚至更短。,二、换向问题的重要性,换向过程复杂，它不仅是电磁 的变化过程，同时还受到机械、化学、电离等各种因素的影响； 电流换向时，通常在换向结束时瞬间出现火花，换向不良时将会出现强烈的火花，引起换向器表面和电刷的损坏，从而使电机不能继续运行。,三、火花产生的原因,主要是电磁原因：在换向过程中，电流的变化会使元件本身产生自感电动势；同时换向的元件间有互感电动势；换向元件切割磁力线产生切割电动势；等等。 若合成电动势不为零，则换向快结束时需要将多余的能量释放，因此会出现火花。,四、改善换向的措施,在主极之间加换向极（或主极上加装补偿绕组）。 换向极磁通势 与电枢磁通势
41、方向相反，且数值上略大于电枢反应磁通势。 这样，换向极磁通势可以抵消 电枢反应磁通势，剩余的磁通势在换向元件里产生感应电动势，抵消 换向元件由于换向产生的电动势，就可以消除电刷下的火花。,直流电机的空载磁化特性曲线=f(If)：具有饱和性,直流电机的磁场由主磁极磁场、电枢磁场、换向极磁场共同作用产生。,直流电机磁场及励磁方式,直流电机的空载气隙磁场分布：气隙磁密大小与气隙长度成反比；空间基本均匀分布，但靠近主磁极极靴处减小，两主磁极几何中心线处（两主极交界处）为零。,直流电机的励磁方式：他励、并励、串励、复励,直流电机单叠绕组和单波绕组的基本特点,Ze=S=K，且各元件联结构成闭合回路； 电刷
42、将闭合回路分为2a 条并联支路；,单叠绕组：a(并联支路对数)= p(极对数) 或 2a=2p单波绕组：a=1 或 2a=2,单叠绕组和单波绕组的基本特点,单叠绕组：a（并联支路对数）p（极对数） 单波绕组：a1,电枢绕组的电动势：,电枢绕组的电磁转矩：,电枢绕组的电动势和电磁转矩,他励直流电动机的稳态运行方程及功率流向,他励直流发电机和电动机的稳态运行方程,他励直流发电机,他励直流电动机,当EaU时，直流电机工作在发电 状态。,他励直流发电机和电动机的功率流向,他励直流发电机,他励直流电动机,他励直流电动机的机械特性,固有机械特性 人为机械特性,第三章 直流电机原理 小结,直流电机的电枢铁心
43、为什么是用0.35mm0.5mm厚的硅钢片叠成的？ 直流电机气隙磁密与气隙的长度有何关系？电机的空载磁化特性曲线为什么具有饱和特性？ 直流电机有哪些励磁方式？对不同的励磁方式，I（电源或负载电流）、Ia 、If 有何关系？ 单叠绕组与单波绕组在并联支路数上的主要区别是什么？,一台直流发电机的额定空载电动势是230V，试问在下列情况下电动势的变化如何？ 磁通减少10 励磁电流减少10 磁通不变，速度增加20 磁通减少10，同时速度增加20 他励直流电动机运行在额定状态，如果负载为恒转矩负载，减小磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？,直流发电机的损耗主要有哪些？随负载变化的情况怎样？ 直流电机的效
44、率随输出功率不同会怎样变化？ 他励直流发电机由空载到额定负载，端电压为什么会下降？并励发电机与他励发电机相比，哪一个的电压变化大? 他励直流电动机带负载运行，负载增大时，电机转速会发生怎样的变化？如果电枢反应的去磁作用很明显，对电机转速会有什么影响？ 改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？改变串励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？,某他励直流电动机的额定数据为：PN=7.5kW，UN =220V，IN =40A，nN =1000r/min，Ra =0.5。拖动TL=0.5TN 恒转矩负载运行时，电动机的转速及电枢电流是多大？（p67）,两台完全一样的并励直流电动机UN =230V，
45、nN=1200r/min，Ra =0.1。在n=1000r/min时，空载特性上的数据分别为 If =1.3A，E0 =186.7V 和 If =1.4A，E0=195.9V。 现将这两台电机的电枢绕组、励磁绕组都接在 230V 的电源上（极性正确），并且两台电机转轴连在一起，不拖动任何负载。当 n=1200r/min 时，第1台电机励磁电流为1.4A，第2台励磁电流为1.3A。 判断那一台是发电机，哪一台是电动机？并求运行时的总损耗。（p67）,第一台为并励直流发电机，第二台为并励直流电动机,【例题】直流电机中以下哪些量方向不变，哪些量是交变的：(1)励磁电流；(2)电枢电流；(3)电枢感应
46、电动势；(4)电枢元件感应电动势；(5)电枢导条中的电流；(6)主磁极中的磁通；(7)电枢铁心中的磁通。,解：(1)励磁电流为直流电流，大小和方向不变； (2)电枢电流指电刷两端流入或流出的电流，方向不变； (3)电枢感应电动势指电刷两端的电动势，方向不变； (4)电枢元件感应电动势指一个线圈的感应电动势，是交变的,(5)电枢导条中的电流是交变的； (6)电机的磁场在大小和空间分布上是不变的，而主磁极与磁场无相对运动，因此主磁极中的磁通是不变的； (7)电机的磁场在大小和空间分布上虽然不变，但电枢旋转与磁场有相对运动，因此电枢铁心中的磁通交变。,【例题】运行在电动状态的直流电机电磁转矩的方向与电枢转向相同还是相反？运行在发电状态的直流电机呢？,解：(1)电动状态直流电机电磁转矩与电枢转向相同。 (2)发电状态直流电机电磁转矩与电枢转向相反。,
