第一章第一章 直流电机直流电机自控教研室直流电机及其用途直流电机及其用途直流发电机把机械能转化为电能；直流发电机把机械能转化为电能；直流电动机把电能转化为机械能。直流电动机把电能转化为机械能。 用途：用途：直流电动机的优点：直流电动机的优点： 调速范围宽，且易于平滑调速；调速范围宽，且易于平滑调速； 过载、起动、制动转矩大；过载、起动、制动转矩大； 易于控制，可靠性高；易于控制，可靠性高； 调速时能量损耗小。调速时能量损耗小。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理一、直流发电机工作原理一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理右图为直流发电机的物理模型，模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连连接到两个相互绝缘并可随线接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。的电刷进行的。直流发电机的工作原理动画直流发电机的工作原理动画二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理直流电动机的工作原理动画直流电动机的工作原理动画三三. 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 l直流发电机和直流电动机的结构是完全相直流发电机和直流电动机的结构是完全相同的，每一台电机既可作为发电机运行，同的，每一台电机既可作为发电机运行，也可作为电动机运行也可作为电动机运行 n电机的实际运行方式由外施条件决定，如在电机电机的实际运行方式由外施条件决定，如在电机轴上外施机械功率使电枢转动，通过电机可以把轴上外施机械功率使电枢转动，通过电机可以把机械功率转换为电功率，作为发电机运行；如果机械功率转换为电功率，作为发电机运行；如果在电枢线圈中外施电功率，产生线圈电流，通过在电枢线圈中外施电功率，产生线圈电流，通过电机可以把电功率转换为机械功率，作为电动机电机可以把电功率转换为机械功率，作为电动机运行。运行。 第二节第二节 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 l静止部分（称为定子）静止部分（称为定子） 产生磁场和构成磁路产生磁场和构成磁路 ,电机机械支撑电机机械支撑 l旋转部分（称为转子）旋转部分（称为转子） 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换转换 l定子和转子之间间隙定子和转子之间间隙 （称为空气隙）（称为空气隙）气隙既保证了电机的安全运行，又是磁气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重要组成部分路的重要组成部分 主要结构主要结构主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心换向器换向器转轴转轴磁极铁心磁极铁心励磁绕组励磁绕组电刷电刷刷握刷握绝缘支架绝缘支架压紧力调整装置压紧力调整装置定子定子转子转子直直流流电电机机（产生电动势，流过（产生电动势，流过（产生电动势，流过（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）电流，产生电磁转矩）电流，产生电磁转矩）电流，产生电磁转矩）定子的结构定子的结构l机座n主磁极n换向极n电刷装置转子的结构转子的结构l转轴n电枢铁心n电枢绕组n换向器直流电机的额定值直流电机的额定值 额定功率：额定功率： P PN N，kWkW 额定电压：额定电压： U UN N，V V 额定电流：额定电流： I IN N，A A 额定转速：额定转速： n nN N，r/minr/min直流发电机：直流发电机：直流电动机：直流电动机： 绕组温升及绝缘等级：绕组温升及绝缘等级：T TN N，K K；B B，F F，H H 等。等。第四节第四节 直流电机的磁场直流电机的磁场 一一.直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式励磁电流励磁电流励磁磁场励磁磁场(主磁场主磁场)励磁方式励磁方式空载时，只有励磁绕组中有电流，此时为空载磁场。 二二. 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通 是主要的，它能在电枢绕组中是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通 没有这个作用，没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主主磁通磁通小得多，大约是主磁通的小得多，大约是主磁通的20%。 空载磁场气隙磁密分布曲线空载磁场气隙磁密分布曲线(P22)空载磁化特性曲线空载磁化特性曲线 主磁通主磁通 的大小取决于励磁磁势的的大小取决于励磁磁势的 大小和磁路各段磁阻的大小对大小和磁路各段磁阻的大小对一台特定的电机，其磁路材料及其一台特定的电机，其磁路材料及其几何尺寸已经确定，即磁阻已定几何尺寸已经确定，即磁阻已定;而而励磁绕组的匝数也已确定，因此，励磁绕组的匝数也已确定，因此，主磁通仅与励磁电流有关，两者的主磁通仅与励磁电流有关，两者的关系可由这台电机的磁化曲线关系可由这台电机的磁化曲线三三. 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 直流电机带有负载时，电枢绕直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场流也会产生磁场，称为电枢磁场 右图为一台电刷放在几何中性右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分线的两极直流电机的电枢磁场分布情况布情况。 假设励磁电流为零，只有电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。电枢磁动势为交轴磁动势。电枢磁场 电枢反应及其影响电枢反应及其影响电枢反应电枢反应:电枢磁场对气隙磁场的影响。电枢磁场对气隙磁场的影响。1)直流发电机的电枢反应直流发电机的电枢反应特点特点 从发电机的整个磁场来说，电枢磁场对主磁从发电机的整个磁场来说，电枢磁场对主磁场的作用在半个磁极下是去磁的，在另外半场的作用在半个磁极下是去磁的，在另外半个磁极下是助磁的，好像助磁作用可以补偿个磁极下是助磁的，好像助磁作用可以补偿去磁作用，其实不然。因为铁磁材料都具有去磁作用，其实不然。因为铁磁材料都具有饱和特性，而实际发电机额定励磁工作时又饱和特性，而实际发电机额定励磁工作时又处于磁路接近饱和状态下，实际上造成加强处于磁路接近饱和状态下，实际上造成加强的部分没有加强多少，而削弱的部分削弱较的部分没有加强多少，而削弱的部分削弱较多，最终结果是主磁场还是被削弱了。多，最终结果是主磁场还是被削弱了。2)直流电动机的电枢反应直流电动机的电枢反应此时此时N极下所有导体中的电流方向极下所有导体中的电流方向向里，向里，S极下所有导体中的电流方向极下所有导体中的电流方向向外，电枢磁场方向自右向左。这向外，电枢磁场方向自右向左。这个磁场的轴线与主磁场的轴线相垂个磁场的轴线与主磁场的轴线相垂直。电枢磁场与主磁场同时存在，直。电枢磁场与主磁场同时存在，这两个磁场的合成结果是几何中性这两个磁场的合成结果是几何中性面的磁感应强度不再为零，物理中面的磁感应强度不再为零，物理中性面不再与几何中性面重合，而是性面不再与几何中性面重合，而是逆着电动机旋转方向移动了一个逆着电动机旋转方向移动了一个 角。角。直流电机电枢反应的影响有直流电机电枢反应的影响有:使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变;略有去磁作用略有去磁作用: 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁作用。第六节第六节 直流电机的换向直流电机的换向直流电机的换向直流电机的换向 直流电机工作时，旋转的电枢绕组元件由某一支路经过直流电机工作时，旋转的电枢绕组元件由某一支路经过电刷而进入另一支路，该元件中的电流由原来的方向转电刷而进入另一支路，该元件中的电流由原来的方向转换成相反的方向，这种元件中电流方向的转换过程称为换成相反的方向，这种元件中电流方向的转换过程称为换向换向。 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度时，将烧灼换向器和电刷，生火花。当火花大到一定程度时，将烧灼换向器和电刷，使其表面粗糙并留下灼痕，而不光滑的换向器表面与粗使其表面粗糙并留下灼痕，而不光滑的换向器表面与粗糙的电刷接触又促使火花进一步增强，如此恶性循环直糙的电刷接触又促使火花进一步增强，如此恶性循环直到电机不能正常运行。此外，伴随着换向火花还有电磁到电机不能正常运行。此外，伴随着换向火花还有电磁波向外辐射，会对周围的通信设施造成干扰。因此研究波向外辐射，会对周围的通信设施造成干扰。因此研究换向伺题，分析火花产生的原因，并设法将火花消除，换向伺题，分析火花产生的原因，并设法将火花消除，具有十分重要的意义。具有十分重要的意义。换向过程换向过程从换向开始到换向结束的过程就称为换向过程。电枢绕组中每个从换向开始到换向结束的过程就称为换向过程。电枢绕组中每个元件都要经过换向过程，所有元件在换向过程中的情况一样，只元件都要经过换向过程，所有元件在换向过程中的情况一样，只需讨论一个元件的换向过程就可以了。图表示需讨论一个元件的换向过程就可以了。图表示1号元件的换向过程。号元件的换向过程。设电刷的宽度等于一个换向片的宽度，电刷不动，元件和换向器设电刷的宽度等于一个换向片的宽度，电刷不动，元件和换向器以以v的速度自右向左运动。的速度自右向左运动。若在一个换向周期内，换向元件中电流的变化规若在一个换向周期内，换向元件中电流的变化规律如图的曲线律如图的曲线1(直线直线)所示，称之为所示，称之为直线换向直线换向。 直线换向具有以下特点直线换向具有以下特点: 换向元件中的电流由换向元件中的电流由+ia均匀连续地变化至均匀连续地变化至-ia 在换向过程中，电刷两侧在换向过程中，电刷两侧电流密度是均匀的，因而发热电流密度是均匀的，因而发热也是均匀的。直线换向是一种也是均匀的。直线换向是一种理想的情况。理想的情况。影响换向的电磁原因影响换向的电磁原因1)电抗电动势电抗电动势 换向时换向线圈中换向电流换向时换向线圈中换向电流i的大小、的大小、方向发生急剧变化，因而会产生自感电动势。同时，方向发生急剧变化，因而会产生自感电动势。同时，进行换向的线圈不止进行换向的线圈不止个，电流的变化，除了各自个，电流的变化，除了各自产生自感电动势外，各线圈之间还会产生互感电动产生自感电动势外，各线圈之间还会产生互感电动势。自感电动势和互感电动势的总和称为电抗电动势。自感电动势和互感电动势的总和称为电抗电动势势ex。根据楞次定律，电抗电动势根据楞次定律，电抗电动势ex具有阻碍换向具有阻碍换向线圈中电流变化的趋势。线圈中电流变化的趋势。 2)电枢反应电动势电枢反应电动势 直流电机负载运行时磁场不为直流电机负载运行时磁场不为零，这时处在几何中性线上的换向线圈，电动势，零，这时处在几何中性线上的换向线圈，电动势，即电枢反应电动势即电枢反应电动势ea，电枢反应使主极磁场畸变，电枢反应使主极磁场畸变，几何中性线处的就要切割电枢磁场的磁力线而产生几何中性线处的就要切割电枢磁场的磁力线而产生一种旋转该电动势也阻碍电流的换向。一种旋转该电动势也阻碍电流的换向。改善换向的方法改善换向的方法l选用合适的电刷选用合适的电刷l装设换向极装设换向极l装设补偿绕组装设补偿绕组l排除造成换向火花的其他原因排除造成换向火花的其他原因