电机与拖动
第2章 直流电机
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 直流电机的工作原理 直流电机的基本结构和额定值 直流电机的磁场和电枢反应 直流电机的感应电动势和电磁转矩 直流电动机的运行分析 直流发电机的运行分析
1
第2章 直流电机
2.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
N ＋ U － － U ＋
二、直流电机的电枢绕组
1. 绕组的基本概念 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、 复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。 (1) 元件 上元件边 后端接 是构成电枢绕组的基本 单元，其两端分别与两 片换向片相连的单匝或 多匝线圈。
前端接 下元件边 电枢绕组的元件
第2章 直流电机
(2) 叠绕组和波绕组
元件边 (有效边)
If
他励 I U If Ia M U I
并励
Ia M If
串励
复励
第2章 直流电机
2. 直流发电机按励磁方式分类 分为他励和自励。
If Uf Ia G I Ua If Ia G I U
他励 Ia G If I If
并励（自励） Ia G
I U
U
串励（自励）
复励（自励）
第2章 直流电机
2.3 直流电机的磁场和电枢反应
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
※ 电刷的中心线对 着磁极的中心线： ① 电刷之间的电动 势最大。 ② 被电刷短接的元 件电动势为零。 ※ 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。
几何中心线
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电机装配图
第2章 直流电机
三、直流电机的额定值
1. 额定电压 UN
4. 额定转速 nN
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5. 额定励磁电压 UfN 6. 额定励磁电流 IfN ※ 额定状态 ： 指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 ※ 满载状态 ： 指 I = IN 的状态。
第2章 直流电机
四、直流电机的励磁方式
1. 直流电动机按励磁方式分类
Ia
Ua M If
I Uf
U
Ia M
一、直流电机的空载磁场
空载时电枢电流可忽略不计。 空载磁场由主磁极的励磁磁 动势单独作用产生。 空载时磁场轴线与磁极轴线 相重合。 几何中性线： 相邻两主极之间的中心线。 该处的径向磁通密度为零。
几何 中性线

B0

几何 中性线 磁场轴线 磁极轴线
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二、负载时的电枢磁动势
直轴d
交轴q
直流电机结构图
电枢绕组 电枢铁心
换向器 电刷装置 磁轭
主磁极
励磁绕组 风扇
轴承
轴
端盖 附加极绕组 补偿磁极 端盖
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直流电机横向剖面图
主极铁心
电枢槽
励磁绕组 定子磁轭
换向极
电枢齿
极靴 换向极绕组 电枢导体 电枢铁心 底脚
第2章 直流电机
直流电机的定子
第2章 直流电机
直流电机的换向极和电刷
在几何中性线处 (x = /2) 的电枢磁动势为 1 Faq = A = Famax 2
第2章 直流电机
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为 Fa(x) Ax Ba(x) = 0Ha(x) = 0 = 0 (x) (x)
※ ——等效气隙长度。
三、直流电机的电枢反应
负载时电机中磁场： 由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。 电枢反应： 电枢磁动势对主极磁场的影响。
几何 中性线 Fa

2
O
x

2 Fa(x)

x
Ba(x)
第2章 直流电机
消耗在 x 点处每个气隙上的电枢磁动势为 1 2x Fa(x) = Nia = Ax － ≤x≤ 2 2 Da

2
※ ia —— 导体的电流； N —— 电枢总导体数； Da —— 电枢的直径。 Nia A = D —— 电枢表面单位长度上的安培导体数， a 称为电枢的线负荷。
发电机的 UN ：指输出电压的额定值。 电动机的 UN ：指输入电压的额定值。
2. 额定电流 IN
发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动机的 IN ：指输入电流的额定值。
3. 额定功率 PN
发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值(UN INηN ) 。
第2章 直流电机
换向不良的影响 ① 会在换向器和电刷间产生火花； ② 火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器； ③ 火花会产生电磁波，对无线通信造成干扰。
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3. 改善换向的方法 (1) 加装换向磁极 (2) 移动电刷
换向极

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2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
一、直流电机的感应电动势
单位：AΒιβλιοθήκη 第2章 直流电机3. 电磁转矩的方向和性质 方向：由 和 Ia 共同决定。 性质：发电机为制动转矩，Te 与 n 方向相反。 电动机为拖动转矩，Te 与 n 方向相同。 4. 电动势常数和转矩常数的关系 pN pN CE = ，CT = 因为 2a 60a 60 则 CT = CE = 9.55 CE 2
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12 S1
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
3 6' 4 7' 5 8'
B1 1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12 S1 A1
11' 8 10' 7 9' 6
A2
9 12' 10 1' 11 2'
N/2a N/2a N/2a
平均气隙磁密 B Bav
E = ex = Bxlv = lv Bx 1 1 1 N 每极下的磁通 = lv Bav 2a 2p pN N =l n = n = CE n 60 60a 2a l
第2章 直流电机
单位：Wb
E = CE n
※ CE —— 电动势常数。
二、直流发电机的工作原理
N －
N －
E
E
＋ S
＋
S
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电磁关系
原动机
做功

电磁转矩 (阻转矩)
感应电动 势和电流
换向
输出 直流电
第2章 直流电机
气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形
b
N
A
0 A
X
2
3
t
+
0
eXA
e
X×
S
π
0 e
－
t
0
t
第2章 直流电机
每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形
N
S
S
线圈边中电流不改变方向，则平均 Te = 0。
第2章 直流电机
2.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
电刷
N ＋ S
换向片
N
＋ U －
U
－
S
线圈边切割磁力线会产生什么？
第2章 直流电机
电磁关系
直流 换向 电流
交流 电流

电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
做功
克服
反电 动势
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※ T0—— 空载转矩，是由电动机的机械摩擦损耗及铁损 引起的总转矩； T2—— 输出转矩，即生产机械的制动转矩； TL——负载转矩，它是电动机的空载转矩 T0 与生产 机械的转矩 T2 的总称。
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电枢直径为：
2 p D=
电枢电流与支路电流的关系为： Ia ia = 2 a D 则 Te = NTav = N B li 2 av a p Ia pN =N l = Ia 2 a 2 a l
单位：Wb
Te = CT Ia
※ CT —— 转矩常数。
(N· m)
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
B2
5' 2 4' 1 3' 12
结论：
① 每个主磁极下的元件串联成一条支路； ② 绕组的并联支路对数等于极对数，即 a = 2= p。
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单叠绕组的展开图
磁极中心线
1 2 3 N 5 6S 8 9N 11 12 S
(V)
单位：r/min
3. 感应电动势的方向和性质 方向：由 和 n 共同决定。 性质：发电机为电源电动势； 电动机为反电动势。
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二、直流电机的电磁转矩
1. 电磁转矩的产生 电枢电流 ia F →Te 磁 场 2. 电磁转矩的大小 设电刷在几何中性线处，元件为整距。 (1) 同一极下每根导体受到的平均电磁力为 fav = Bavlia ※ ia —— 导体中的电流 。 每根导体受到的平均电磁转矩为 D D Tav = fav = Bav lia 2 2
第2章 直流电机
四、电枢反应对换向的影响及改善措施
1. 电枢反应对换向的影响 ① 处在几何中性线处的换向元件的 e≠0，使换 向发生困难。 ② 气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀； 当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限 度，将产生电位差火花； 而且随着电弧的拉长可能出现环火。 ※ 电刷是与处在几何中性线处的元件所连接 的换向片接触的。
第2章 直流电机
2. 单叠绕组