1、河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 1 页电气工程系第三章 直流电机(DC machine)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
2、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
3、.01.5mm 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）河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 2 页电气工程系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
4、） 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。河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 3 页电气工程系二、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.额定值额定功率：发电机 PN：输出电功率；电动机 PN：输出机械功率；额定电压：U N；额定电流：I N；额定值之间的关系：发电机：P N= UN IN；电动机：P N= UNIN N。
5、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 K5、 槽数 和虚槽数Qu6、 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。河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 4 页电气
6、工程系三、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 er从+i a 到-i a dtiL方向：由
7、楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；2.旋转电动势 ek物理中性线偏移几何中性线 B0由于电枢反应影响 e=BLv0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.改善换向的方法装设换向磁极；增加换向回路的电阻；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）平顶波河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 5 页电气工程系（3）几何中性线 B 为零二
8、、 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/*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 /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 角，则可把电枢磁动势 F
9、a 分解成 Fad 和Fag交轴磁动势 Fag=A（ /2b ） （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=NfIf）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0ffI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河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 6 页电气工程系交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直4.电枢
10、反应性质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；电刷不在几何中性线时的电枢反应双反应理论： ，分直轴和交轴分别分析；aqdaF交轴：同；直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。34 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 一条支路的感应电动势（即 根导Ea aZ2体）2 的计算：Ea（1） 一根导体产生的平均电动势 （见 P77 图 327）ave= lv 式中：Ba =aveaBl= l 60.nDa 60aDn= 2aap a= 60n（2） 一条支路的电动势，即电枢电动势 EaEa= = = n= na
11、Zve2aZnp60.aZ0eC式中： 每极磁通量 n转速（ ） Ea电枢电动mir势（V）河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 7 页电气工程系Ce电动势常数当不计饱和时： 即IfIK602aeeff affECnICI 式中： ；260Caf运动电动势常数（ ）602eaf fCK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 avffav ialBav(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= = =l2aDlpaplTe=Zafav =Za avlia = Za l Ia/ 2a aaB2aD
12、pa2aTapZICI式中: 每极磁通量（ Wb） ； 电枢总电流（A ） ；a电磁转矩（N*m） ； CT 转矩常数（ ） eT. 2aTpZ当不计饱和时： fIKetaTffaaffaCICI式中： 602afTf efK（同运动电动势常数 ）af f河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 8 页电气工程系三、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： ：电动势常数nCEeaeaE性质：电源电动势；与 同向aei性质：反电动势； 与 方向相反ai ：电磁转矩常数aTmITemT性质：制动转矩；与 n 反向e性质：驱动转矩；与 n 同向em3.5 直流电机的基本方程一、电动势平衡
13、方程baaURIE2式中： ：电枢回路总电阻； ：正、负电刷电压降，一般为 0.62 伏；b发电机：取“+” ；电动机：取“-” ；忽略电刷压降，则 aaI*结论：发电机： ；电动机： ；即根据 与 U 的大小判断直流EEaaE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pCua+p0 p0=pmec+pFe P1 Pem P2 (机)转子 定子pCuf 发电机： 01pPem机械能电能PpbCufa12电动机： e1电能机械能m102河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 9 页电气工程系电机效率： %102P三、转矩平衡方程1.发电机： 01Tem2.电动机： 2四、直
14、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，nEa当 Ea保持（原动机拖动）n=n N=常数调节，使从零至 U0=1.25UN,逐点测取 U0,If使 If至 If=0，在将 If 反向，直至 U0=-1.25UN 测取 U0,If在逐步调到 If=0，得闭合曲线取闭合曲线的平均值，可得到 U0=f(If)曲线。 （见 P82 图 334）（3） 特点曲线形状同磁化曲线(Ea ,I fF f )当 If=0 时，剩磁感应电动势（由 产生）If 较小时，U 0=f(If)近似为直线。If 较大时，U 0=f(If)出现饱和（在 U
15、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（见 P83 图 335）（2）实验方法：调节 RLI 逐点测取 I,U.（3）特点随着 IU（4）分析：引起 U的原因电枢绕组电阻压降 IaRa.IaI aRaU=E a-IaRa电枢反应去磁I aE a=CenU=E a-IaRa(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(U 0-UN)与 UN 的比值 U N=(U0-UN)/ UN*他励直流发电机U N=5%-10%*他励直流发电机在 IfN 下短路时， 其短路电流 IK=E0/Ra3. 调整特
16、性-指 n=nN=常数,保持 U=UN=常数时,I f=f(I)关系曲线为保持 U 不变,应使 If 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 Pfe, P ;可变损耗: P cua, Pcuf,Pcub, P河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 10 页电气工程系(2)表达式 =1-P/P 1= (Pfe+P +P + Ia2Ra+UfIf+2U sIa )/( Pfe+P +P + Ia2Ra+UfIf+2U sIa+UIa)石墨电刷,取2U s=2V;金属石墨电刷,取2U s=0.6V二、并励直流发电机的自励和外特性 (特点:I a=I+If,Uf=U)
17、1自励（1）自励过程空载特性曲线 U0=f(Uf)或 Eao=f(If0)励磁电阻线（又称励磁回路伏安线）I f=f(Uf)为一条直线空载工作点 A(U0,If0)上述两曲线交点自励过程设点集中有剩磁 ，当原动机拖动以 n 旋转时，导r体切割 r（2）自励条件电机中必须有剩磁，否则应充磁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。励磁回路总电阻 Rf 不能大于该转速下的临界电阻 Rfcr，否则 应使 Rf 转速不能过低（nRfcr 致使 rfRfcr）2空载特性（与他励相似）（1）空载时,I=0,但 Ia=If0 Uo=Ea-IaRaEa但是 If UoEa（2）用他励
18、法求 Uo=f(If)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（见 P85 图 340）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”现象当负载较小时（RL 较大时）U 小U 较大I f 较大 较大磁路饱和此时负载增大时（RL 减小时）UI f 但近似不变Ea 近似不变I当负载较大时（RL 较小时）U 大U 较小I f 较小 较小磁路不饱和此时负载再增大时（RL 减小时）IIaRaU IEa U河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 11 页电气工程系（即电压下降幅度大于负载电阻减小的幅度）I=U/RL*一般
19、Icr=(2,3)IN 当 RL=0 时，即短路时：U=0 I=Ik=Er/RaIN3.7 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=UN Rfj=0 Iaj=0 NU0ajI（3）硬特性与软特性2工作特性指 U=UN= 常数 Rfj=0 时 n,Te, 与 P2 的关系曲线(1) 转速特性 n=f(P2)或 n=f(Ia)(2) 转矩特性 Te=f(P2)(3) 效率特性 =f(P 2)一、 并励直流电动机的运行特性（一）转
20、矩转速特性指 U=UN=常数,R f=常数,n=f(T e)1接线图2表达式 Ea=U-IaRa=Cen; I a=Te/CTn=(U-IaRa)/Ce=U/C e-R aIa/Ce=U/C e-R aTe/CTCe 2=n0-RaTe/ CTCe 23N=f(T e)曲线 *特点：硬特性4引起 n 下降的原因T2TeIaIaRa nn 0R a/ CTCe 2n（二）工作特性1转速特性 n=f(Ia)或 n=f(P2)（1）表达式（2）分析：P 2T 2T eI an（3）并励直流电动机的转速调整率n河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 12 页电气工程系n=(n 0-nN)/nN*n=
21、(38)%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， max38 直流电动机的起动、调速和制动一、 直流电动机的起动1对起动性能的要求：Tst 足够大Ist 尽量小（小于允许值）2起动方法（1）直接起动直接将电枢投入 UN 起动（2）电枢回路串变阻器起动起动时在电枢回路串入起动电阻 Rst（3）降压起动起动降低电枢绕组电压 UUN二、直流电动机速度的调节1对调速性能的要求：（1）调速范围大 （ ）minax D调 速 比（2）调速平滑；（3）经济性好（4）方法简便可靠2调速方法因为 n=U/Ce-I a(Ra+R )/CeCT 2所以 （1
22、）电枢回路串电阻 R（2）改变励磁电流 If （励磁回路串电阻）（3）改变电枢电压 U三、直流电动机的制动（电磁制动）一般保持原磁场大小，方向不变，仅改变 方 向aITn反 向1能耗制动2反接制动3回馈制动河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 13 页电气工程系3.9 直流电机的换向一、 换向过程产生火花的原因（换向过程元件电流改变方向的过程）1电磁原因：（换向周期）时，附加换向电流etT 0ci即延时换向或过份超越换向2机械原因：换向器不同心换向器表面粗糙电刷压力不当云母突出动平衡不好3化学原因：电刷压力过大环境中缺少必要的水分和氧气影响氧化亚铜薄膜的生成 火花（因为氧化亚铜薄膜具有较高电阻，所以有利于限制 ） ci二、改善换向的方法1减小电抗电动势2移动电刷位置使电刷位于物理中性线或超过物理中性线（因为中性线与负载大小有关，还与转向有关，所以有局限性）3设置换向极换向极位于主磁极之间，一般与主磁极数目相同。换向 绕组与电枢绕组串联。在发电机中，换向极极性应与顺旋转方向的下一个主极 的极性相同 在发电机中，换向极极性应与顺旋转方向的下一个主极 的极性相反4嵌放补偿绕组在主磁极极靴上冲槽 换向绕组与电枢绕组串联 换向绕组产生的磁动势与电枢磁动势相反5选用合适电刷 选用原型号电刷所有电刷型号相同电枢尺寸合适 6提高加工质量，加强维护
