第1章 直流电机1.1 直流电机的基本工作原理和结构1.1.1 直流电机的主要结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器换向器：与电刷装置配合与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承第1章 直流电机1.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图右图为为直流发电机的物理模型，直流发电机的物理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端枢。线圈的首末端a a、d d连接到两个连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。电刷进行的。直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。是将机械能转变成电能的旋转机械。第1章 直流电机 当原动机驱动当原动机驱动电机转子逆时针旋电机转子逆时针旋转时同，线圈转时同，线圈abcdabcd将感应电动势。如将感应电动势。如右图，导体右图，导体abab在在N N极极下，下，a a点高电位，点高电位，b b点低电位；导体点低电位；导体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电点高电位，位，d d点低电位；电点低电位；电刷刷A A极性为正，电刷极性为正，电刷B B极性为负。极性为负。第1章 直流电机 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后，如右图后，如右图。 与电刷与电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，与电刷极下，与电刷B B接触的导体总是位接触的导体总是位于于S S极下极下, ,电刷电刷A A的极性总是正的，的极性总是正的，电刷电刷B B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低电位，点低电位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点点低电位，低电位，d d点高电位；电刷点高电位；电刷A A极性极性仍为正，电刷仍为正，电刷B B极性仍为负。极性仍为负。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。第1章 直流电机二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。 直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力受力方向从右向左，方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。第1章 直流电机 原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下，受下，受力力方向从左向右，原方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力方极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。下继续逆时针方向旋转。 与直流发电机相同，实际的与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。磁极也并非一对。 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时第1章 直流电机直流电直流电动机的动机的工作原工作原理示意理示意图图:第1章 直流电机1.1.3 直流电机的铭牌数据额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。第1章 直流电机 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运欠载运行；运行电流大于额定电流行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。作性能等比较好。第1章 直流电机1.2.1 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识1.2 直流电机的电枢绕组简介元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。一根称为首端，另一根称为末端。极极距距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。叠叠绕组绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第1章 直流电机合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离层边与第二个元件的上层边间的距离。单叠单叠绕组绕组单单波绕组波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。1.2.2. 1.2.2. 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换向合成节距与换向节距均为节距均为1,1,即：即： 。 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。电刷间的相对位置关系。第1章 直流电机单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图第1章 直流电机根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。数与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。第1章 直流电机. . . 单波绕组单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。图所示。 两个串联元件放在两个串联元件放在同极磁极下，空间位置同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻在与起始的换向片相邻的位置。的位置。第1章 直流电机单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来组成一条支路，支起来组成一条支路，支路对数为路对数为1 1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2 2）当元件的几何形）当元件的几何形状对称时，电刷在状对称时，电刷在换向器表面上的位换向器表面上的位置对准主磁极中心置对准主磁极中心线，支路电动势最线，支路电动势最大大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。第1章 直流电机1.3.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。 右右图为一台四极图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流，流过电流 ，每极的励，每极的励磁磁动势为：磁磁动势为：第1章 直流电机 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主主磁路磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路第1章 直流电机 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。第1章 直流电机 空载时的气隙磁通密度为空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图一平顶波，如下图(b) (b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c) (c) 所示。所示。第1章 直流电机 为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。如右图所示。 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。第1章 直流电机1.3.2 直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称中有电流，电枢电流产生的磁动势称为为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。电机的磁场发生变化。 右右图为一台电刷放在图为一台电刷放在几何中性几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。 假设励磁电流为零，只有电枢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生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为为交轴磁动势交轴磁动势。第1章 直流电机 如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则有无穷多整距元件分布，则电电枢磁动势枢磁动势在气隙圆周方向空间在气隙圆周方向空间分布呈分布呈三角波三角波，如图中，如图中 所所示。示。 由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的为对称的马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所示。所示。第1章 直流电机1.3.31.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的位置有关。位置有关。1 1、当当电刷在电刷在几何中性线上时几何中性线上时，将，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a a）所示。所示。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处的直线位置第1章 直流电机主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线第1章 直流电机由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于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弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。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，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性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。第1章 直流电机2 2、当、当电刷电刷不在几何中性线上时不在几何中性线上时电刷从电刷从几何中性线偏移几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所示。所示。 电枢磁动势可以分解电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电为两个垂直分量：交轴电枢磁动势枢磁动势 和直轴电枢和直轴电枢磁动势磁动势 。电刷顺电刷顺转向偏移转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁第1章 直流电机1.4.1 直流电机的电枢电动势1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时电枢旋转时, ,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。枢电动势。大小大小: :性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中可见可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第1章 直流电机1.4.2 直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, ,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小: :性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比流成正比为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中第1章 直流电机1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述1.5 直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时支路时, ,元件里的电流方向改变，即元件里的电流方向改变，即换向换向。 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元接触时，元件件1 1的被短路，电流被分流。的被短路，电流被分流。 电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为元件11 2第1章 直流电机 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，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，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周换向周期期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。第1章 直流电机1.5.2 1.5.2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：自感自感电动势电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为： 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。是阻碍换向的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。的电动势。换向电动势是帮助换向的换向电动势是帮助换向的。第1章 直流电机换向元件中的电流：换向元件中的电流： 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和和 ，元件，元件自身的电阻为自身的电阻为 , ,流过的电流为流过的电流为 , ,元件与换向片间的连线电阻为元件与换向片间的连线电阻为 , ,元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程： 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为换向片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变，则可推导出换向元件中的电流变化规律为化规律为第1章 直流电机一、直线换向当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当当 时换向元件电流随时间再时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向直线换向延迟换向延迟换向超越换向超越换向第1章 直流电机1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。产生火花。 改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势第1章 直流电机1.6.1 1.6.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.6 直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励他励和和自励自励两大类，自励方式又分两大类，自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。 他他励励直流发电机的电枢电流直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：第1章 直流电机2 2、并励、并励：发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足第1章 直流电机4 4、复励、复励： 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。第1章 直流电机1.6.2 1.6.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一. .电动势平衡方程电动势平衡方程从从方程式可见，直流发电机满足方程式可见，直流发电机满足二二. . 转矩平衡方程转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：第1章 直流电机直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流三、励磁特性公式三、励磁特性公式每极每极气隙磁通气隙磁通四四. .功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率电磁功率机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗、附加损耗附加损耗 空载损耗空载损耗 包括：包括： 电磁功率电磁功率一方面代表电动势为一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。械功率。电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率输出的电功率自励自励发电机中还应减去励磁损耗发电机中还应减去励磁损耗第1章 直流电机1.6.3 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性一、空载特性定义定义: :当当 、 时，时， 直流发电机的空载特性是非线直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。作为空载特性曲线。空载时空载时空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线空载特性实质上就是空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。化特性曲线相同。第1章 直流电机二、外特性定义：当定义：当 、 时，时， 由曲线可见，负载电流增大时，端由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。电压有所下降。他励他励并励 根据根据 可知可知端电压下降端电压下降有两个原因：有两个原因：(一一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；(二二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。下降。为什为什么低么低? ?第1章 直流电机三、调节特性定义：当定义：当 、 时，时， 由曲线可见，在负载电流变化由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响路电阻压降对对输出端电压的影响. .1.6.41.6.4 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。条件称为自励条件。第1章 直流电机一、自励条件 曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线, ,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线，也称场阻线也称场阻线 。 原动机带动发电机旋转时，如果主磁原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生动势。在电动势作用下励磁回路产生 。增大增大 , ,场阻线变为曲线场阻线变为曲线3 3时，时， 称为临界电阻称为临界电阻 。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与与 相等，达到稳定的平衡工作点相等，达到稳定的平衡工作点A A。第1章 直流电机可见，并励直流发电机的自励条件有：可见，并励直流发电机的自励条件有：二、空载特性 并并励励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确思考题思考题电机正转能自电机正转能自励励, ,反转能自励反转能自励吗吗? ?第1章 直流电机三、外特性三、外特性四、调节特性四、调节特性 并并励励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。 对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步进一步下降下降。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。第1章 直流电机1.7 直流电动机1.7.1 1.7.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 以他励电机为例说明可逆原理：以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。联于直流电网上运行保持电源电压不变。 一台一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。就是直流电机的可逆原理。 减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得一定程度时，使得 ，此时电枢电流为零，发电机输出的电，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。 继续降低原动机的转速，将有继续降低原动机的转速，将有 ，电枢电流反向，这时，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。 同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。转变到发电机状态。第1章 直流电机第1章 直流电机1.7.2 直流电动机的基本方程规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下：电动机的基本方程如下：第1章 直流电机1.7.3 1.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1 1、转速特性、转速特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性定义：当定义：当 、 时，时，由由方程式可得方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化载电流按线性关系变化2 2、转矩特性、转矩特性转矩表达式转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。比电流上升的慢。定义：当定义：当 、 时，时，第1章 直流电机3 3、效率特性、效率特性由由方程式可得方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。定程度时铜损快速增大此时效率又变小。定义：当定义：当 、 时，时，第1章 直流电机二、串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：磁电流呈线性关系。即：转速特性转速特性转矩特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。他励电动机相同。 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。第1章 直流电机1-7 直流电机的换向1. 换向过程？（假设电刷宽度等于换向片宽度）电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束，电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束， 从一条支路转换到另一条支路，从一条支路转换到另一条支路， 电流改变了方向。电流改变了方向。 换向元件中电流的这种变化过程，称为换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程换向过程。 从换从换向开始到换向结束所需时间，称为向开始到换向结束所需时间，称为换向周期换向周期第1章 直流电机直线换向如果换向元件中电势为零，如果换向元件中电势为零， 则在被电刷短路的闭合回则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。路中不会有环流。 换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线时一条直线，决定。变化曲线时一条直线， 称为称为直线换向直线换向。 但是换向过程中， 不可能没有电势！t+ia-iai第1章 直流电机2. 换向元件中的感应电势(1) 电抗电势电抗电势er换向元件中由于换向电流的变化所引起的换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势和互感电势之和，称为自感电势和互感电势之和，称为电抗电势电抗电势。Lr：换向元件的电抗系数， 包括自感和互感er的平均值：设设电刷宽度电刷宽度bs等于换向片宽度等于换向片宽度bk， 换向片数为换向片数为K，换向周期Tk：第1章 直流电机电抗电势的特点 电机负载越重或转速越高，电机负载越重或转速越高， 电抗电抗电势越大。电势越大。 电抗电势的方向阻止换向电流的变化，电抗电势的方向阻止换向电流的变化， 因此因此er的方向必与换向前的元件电流的方向必与换向前的元件电流ia的方的方向一致。向一致。第1章 直流电机换向元件所处的几何中线处，换向元件所处的几何中线处，主磁场几乎为零；主磁场几乎为零；电枢反应磁势所产生的磁通电枢反应磁势所产生的磁通a正好穿过换向元件。正好穿过换向元件。电枢旋转时，电枢旋转时， 换向元件切割换向元件切割a 所生电势所生电势ea称为旋转电势。称为旋转电势。 aeaNSner（2）旋转电势第1章 直流电机旋转电势 的特点设设换向元件匝数为换向元件匝数为Wk，电枢反应磁势在换向电枢反应磁势在换向元件处所生的磁密为元件处所生的磁密为Ba， 则则ea的平均值：的平均值：特点：（1） ， 负载越重或者转负载越重或者转速越高，速越高， 旋转电势也越大。旋转电势也越大。 （2） 据右手定则，据右手定则， ea的方向总是与换的方向总是与换向前元件中的电流方向相同，向前元件中的电流方向相同， ea与与er 方方向一致，也是阻碍换向的。向一致，也是阻碍换向的。 第1章 直流电机ti（3）电刷下产生火花的原因换向元件中存在两个方向相同的电势换向元件中存在两个方向相同的电势er和和ea， 合成电势：合成电势： 合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流：合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流：由闭合转为断开时，由由闭合转为断开时，由ik建立的建立的电磁能量以火花的形式释放出来。电磁能量以火花的形式释放出来。i k第1章 直流电机二、改善换向的方法减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效地改善换向。地改善换向。最有效的办法：装换向极最有效的办法：装换向极。NSaneaerNkSk抵消电枢反应磁势，使ea0换向极磁势建立Bk，产生ek，使第1章 直流电机安装换向极的要求 换向极应装在几何中性线上换向极应装在几何中性线上; 换向极的极性使产生的换向极的极性使产生的Bk方向与电枢反方向与电枢反应磁势的方向相反。应磁势的方向相反。 换向极绕组必须与电枢绕组串联，使换向极绕组必须与电枢绕组串联，使在任何时候，在任何时候， eker第1章 直流电机加换向极后的结构图第1章 直流电机三、环火及其防止电枢反应使气隙磁场发生畸变，电枢反应使气隙磁场发生畸变， 使处于使处于Bmax处的元处的元件的感应电势增大。件的感应电势增大。 当片间电压当片间电压Uk超过一定值时，超过一定值时， 换向片间产生火花，称为换向片间产生火花，称为电位差火花电位差火花。 电位差火花与换向火花连成一片，电位差火花与换向火花连成一片， 构成环火。构成环火。防止环火的措施：在主磁极的极靴装补偿绕组，防止环火的措施：在主磁极的极靴装补偿绕组， 并与电枢绕组串联。产生的磁势方向与电枢反应并与电枢绕组串联。产生的磁势方向与电枢反应磁势相反。磁势相反。