1、第1章 直流电机 电机及拖动全册配套最完整电机及拖动全册配套最完整 精品课件精品课件1 第1章 直流电机 1.2 1.2 直流电机电枢绕组简介直流电机电枢绕组简介 1.3 1.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。电动机的工作特性。 1.4 1
2、.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 1.6 1.6 直流发电机直流发电机 1.7 1.7 直流电动机直流电动机 1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构 思考题与习题思考题与习题 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
3、 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 右图为直流发电机的物理模型，右图为直流发电机的物理模型， N N、S S为定子磁极，为定子磁极，a
4、bcdabcd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
5、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。 0 180 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
6、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
7、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受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S
8、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，受力方向从左向右，原下，受力方向从左向右，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
9、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 N P额定功率额定功率 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
10、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 N U额定电压额定电压 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 N I额额定定电电流流 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. N n额额定定转转速速 fN I额额定定励励磁磁电电流流 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
11、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
12、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。 极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的
13、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。 D t = 2 p 叠绕组叠绕组：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。 1 y 第1章 直流电机 合成节距合成节距 ：连接同一换
14、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。y 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。 2 y 21 yyy 单叠绕组单叠绕组 21 yyy 单波绕组单波绕组 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。 k y 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
15、 节距均为节距均为1,1,即：即： 。1 k yy 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
16、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；
17、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
18、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。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 当励磁绕组的串联匝数当励磁绕组的串联
19、匝数 为为 ，流过电流，流过电流 ，每，每 极的励磁磁动势为：极的励磁磁动势为： f N f I fff NIF 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
20、、 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 主磁路主磁路 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
21、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)
22、 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。 0 0 0f F 0f I 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
23、位置。性曲线开始进入饱和区的位置。 N fN I 0f F 0f I IN f I A 0 N 0 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组中有电流，电枢电流产生的磁动 势称为势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的。电枢磁动势的 出现使电机的磁场发生变化。出现使电机的磁场发生变化。 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
24、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。 ax F 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
25、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。 ax B ax B ax F 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、当电刷在几何中性线上时当电刷在几何中性线上时，将，将 主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分
26、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。 第1章 直流电机 x B0 ax B x B 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两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场得到负载时气隙磁场 的磁通密度分布曲线的磁通密度分布曲线 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
27、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
28、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、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时 电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移 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。 ad F aq F 电枢磁动势可以分电枢磁动势可以分 解为两个垂直分量：交解为两个垂直分量：交 轴电枢磁动势轴电枢磁动势 和直轴和直轴 电枢磁动势电枢磁动
29、势 。 电刷顺转向偏移电刷顺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: : 60 ae pN E nC n a 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
30、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 a pN Ce 60 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: : 2 emaTa pN T IC I a 性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转
31、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 a pN C T 2 eT CC9.55 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
32、, ,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 。 a ii 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 a ii 元件1 a v 1 2 i i a i 2 a i a i 2 i 1 i a ii a ii a i 2 a i a i 2 i 1 i
33、 a ii a ii a i 2 a i a i 2 i 1 i 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
34、，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： 自感电动势自感电动势 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。 L e M e 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
35、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。 a e 换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为： kaML eeeee 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。 k e 第1章 直流电机 换向元件中的电流：换向元件中的电流： 11kbkb Ri(RR)i(RR)ie 设两相邻的
36、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元件与换向片间的连线电阻 为为 , ,元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程： 1b R 2b R Ri k R 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 b R 2 k alk kk k b k eTt iiii TT T R ()
37、 tTt 第1章 直流电机 一、直线换向 0 e 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。 0 e 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 0 e 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 a i 直线换向直线换向 a i k T t0 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
38、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
39、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
40、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。 a II G U f U f I a II 他励直流发电机的电枢电流他励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 af I =I+I f I U I a E a I 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 af I = I = I U I a I f I a E 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
41、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。 2f I U a E I a I 1f I I a E U a I 1f I 2f I 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 2 aaabaa EUI RUUI R 从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足 a EU 二二. . 转矩平衡方程转矩平衡方程 10em TTT f I f U U a I 1 T 0
42、 T em T n a E em T 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： 1 T 0 T 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 f f U I R 三、励磁特性公式三、励磁特性公式 每极气隙磁通每极气隙磁通 af f(I ,I ) 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 1 P 电磁功率电磁功率 aaemem IETPPP 01 mec p机械
43、摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗 Fe p 、附加损耗附加损耗 ad p 空载损耗空载损耗 包括：包括： 0 p a E 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。 a I Cua P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 Cuaem PPP 2 cuf p 自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗 第1章 直流电
44、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 1 Cn0I)f(IU f 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 a EU 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 U f I )( fa IfE 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
45、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 N nn fNf II f(I)U 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 U 0 U 0I aae RInCU 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，电枢反应的去磁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；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
46、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 1 Cn 2 CU f(I)I f 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. . f I 0 I 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
47、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 f I0 U 1 0 f I A 2 0 U 3 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 。 fff UI R f R 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
48、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 。 f I 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 。 f R f R cr R 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。 f I ffR I 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
49、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 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是并励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
50、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 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励并励发电机的电枢电流，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。磁电流，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
