第二章 直流電機

杭州電子科技大學《電機學》自動化學院第二章直流電機直流電能機械能直流電機直流發(fā)電機機械能直流電能直流電動機直流電能機械能直流發(fā)電機的應用場合：作為電解、電鍍、交流發(fā)電機的勵磁等電源，

轉速或位置的檢測。直流電動機的優(yōu)點：較大的起動轉矩、過載能力強，調速方式簡單、性能好

應用場合：電力機車、龍門刨床、造紙與印刷機械、電動自行車等2.1.1交流發(fā)電機原理C位置2.1直流電機的工作原理一個線圈在磁場中旋轉所感應的電動勢為交流電。B位置abdcD位置abdc*A*B*C*D*A電刷AB電壓UθOA位置abcdAB2.1.2

直流發(fā)電機的原理2.1.2直流發(fā)電機的原理通過換向器和電刷的配合，線圈內交流感應電動勢變?yōu)殡娝⒍嗣}動的直流電。A位置C位置B位置D位置*A*B*C*D*A電刷端電壓UθO2.1.3直流電動機的原理直流電動機換向器和電刷的作用：單方向的電磁轉矩；

將外部直流電變?yōu)榫€圈內的交流電。

D位置B位置A位置C位置在電力電子技術中：

將交流電轉換為直流電的過程稱為整流；

將直流電轉換為交流電的過程稱為逆變。直流電機的電刷和換向器共同起到了機械式變流器的作用。總結：（1）直流電機線圈內部的感應電動勢和電流為交流電，而電刷外部的電壓和電流為直流電。直流電機因此而得名。（2）直流電動機：電刷和換向器共同將電刷外部直流電轉換為線圈內部交流電，即逆變。

直流發(fā)電機：電刷和換向器共同將線圈內部交流電轉換為電刷外部直流電，即整流。（3）電刷和換向器起到了機械式變流器（整流器與逆變器的總稱）的作用。杭州電子科技大學《電機學》自動化學院2.2直流電機的結構直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。定子主磁極：永磁體0.5~1.5mm厚鋼板沖片疊壓+勵磁繞組電刷裝置換向極軸承機座、端蓋和接線盒軸承電刷裝置碳刷接線彈簧片主磁極勵磁繞組鐵心固定螺絲轉子電樞鐵心：不大于0.5mm厚硅鋼片沖片疊壓成電樞繞組換向器轉軸/dianjixilie022/3-kjdh-zhiliujijiegou/kjdh-zhiliujijiegou.html鵬芃科藝——直流電機轉子結構電樞鐵心電樞繞組轉軸換向器換向片杭州電子科技大學《電機學》2.3直流電機的額定數據額定數據即銘牌數據，是設計和使用電機的依據。額定功率PN電機在額定狀態(tài)時的輸出功率，單位W（或kW、MW）額定電壓UN（單位V或kV）額定電流IN（單位A或kA）額定轉速nN（單位r/min）額定電磁轉矩TN（單位N.m）額定輸出轉矩T2N（單位N.m）額定效率ηN直流發(fā)電機：PN指輸出的電功率，等于額定電壓和額定電流的乘積。直流電動機：PN指輸出的機械功率，等于輸入功率和效率ηN的乘積。額定功率PN直流電動機的額定功率與額定輸出轉矩、額定轉速的關系為相應地，由電機的額定功率和額定轉速也可求得額定輸出轉矩注意：功率的單位為W，轉速的單位為r/min。在額定狀態(tài)下，電機既能獲得最佳性能指標，又能長期可靠地運行。額定狀態(tài)運行也稱滿載運行。實際運行中，電機不可能總是運行在額定狀態(tài)。電機電流小于額定電流，稱欠載運行。電機電流超過額定電流，稱過載運行。長期過載或者欠載運行都不好。長期過載運行，電機可能因為過熱而損壞；長期欠載運行，效率低，容易造成電能的浪費。因此選擇電機時，應根據負載的要求，盡量讓電機運行在額定狀態(tài)。杭州電子科技大學《電機學》2.4直流電機的電樞繞組直流電動機：線圈通入電流，產生電磁轉矩，使線圈在磁場中轉動，于是線圈產生感應電動勢，吸收電功率，實現電能到機械能的能量轉換。直流發(fā)電機：線圈在外力拖動下在磁場中旋轉，產生感應電動勢，并通過換向器及電刷將產生的電動勢輸出，實現機械能到電能的能量轉換。

在直流電機中，在磁場中轉動的線圈是實現能量轉換的樞紐，所以直流電機的線圈被稱為電樞繞組。元件：單匝元件、多匝元件元件的首端和尾端同一個元件的首端和尾端分別接到不同的換向片上，而各個元件之間又通過換向片彼此連接起來。電樞的換向片數K等于元件數S和虛槽數Ze，是實槽數Z的k倍。直流電機的線圈是以什么樣的方式進行分布的呢？實槽虛槽2.4.1單層電樞繞組四個線圈：1-2,3-4,5-6,7-8

若作為直流電動機運行，則無法產生足夠大的電磁轉矩。若作為直流發(fā)電機運行，則無法產生足夠大的感應電動勢。因此，必須按照一定的規(guī)律將所有的線圈連起來，盡可能使所有的線圈都起作用。單層布置的多線圈繞組單層繞組位置一的情況單層繞組位置一時的展開圖在單層繞組位置一時：1、2、3和4是一條支路，8、7、6和5形成一條支路，兩條支路并聯在電刷之間。在該位置，所有的線圈都在發(fā)揮作用。每個線圈的兩個邊分別在不同的主磁極下，這時產生最大的感應電動勢和電磁轉矩。單層繞組位置二的情況單層繞組位置二時的展開圖在單層繞組位置二時：3和4是一條有效支路，8和7形成一條有效支路，兩條支路并聯在電刷之間。在該位置，只有兩個線圈在發(fā)揮作用。只有兩個線圈的不同邊分別在不同的主磁極下，這時產生的感應電動勢和電磁轉矩最小。雙層繞組位置一的情況雙層繞組位置一時的展開圖在雙層繞組位置一時：1、2、3和4是一條支路，8、7、6和5形成一條支路，兩條支路并聯在電刷之間。在該位置，所有的線圈都在發(fā)揮作用。每個線圈的兩個邊分別在不同的主磁極下，這時產生最大的感應電動勢和電磁轉矩。雙層繞組位置二的情況雙層繞組位置二時的展開圖在雙層繞組位置二的情況下：3和4是一條有效支路，8和7形成一條有效支路，兩條支路并聯在電刷之間。在該位置，只有兩個線圈在發(fā)揮作用。只有兩個線圈的不同邊分別在不同的主磁極下，這時產生的感應電動勢和電磁轉矩最小。結論：將線圈嵌放在電樞鐵心槽內，并通過一定的規(guī)律連接起來。當轉子旋轉時，從電刷看進去，電樞繞組上每條支路串聯的線圈和線圈數量在發(fā)生變化，但是由元件邊構成的并聯支路數保持不變。

電樞繞組的所有元件邊幾乎都得到了充分的利用，這樣就可以最大程度上發(fā)揮直流電機發(fā)電或者電動的性能。杭州電子科技大學《電機學》直流電機電樞繞組最基本的連接型式有兩種：單疊繞組和單波繞組。單疊繞組第一節(jié)距換向器節(jié)距2.4.2繞組的基本型式單疊繞組的特點：每個元件的首、尾端連接在相鄰的兩個換向片上。實線表示上層邊，虛線表示下層邊。1.單疊繞組舉例：已知一臺直流電機的極數為2p=4,Z=S=K=16，畫出它的右行單疊繞組的展開圖。首先計算第一節(jié)距：換向器節(jié)距：16151413121110987654321線圈n+-+-根據電刷位置和元件的連接順序，可以畫出電樞繞組的電路圖。電機運行時，電刷是固定不動的，而繞組是在旋轉的。各元件組成支路的情況也在發(fā)生變化，而電路的連接模式是固定不變的。單疊繞組的特點：(1)位于同一磁極下的各個元件串聯起來組成一條支路，支路數等于極數；(2)當元件的幾何形狀對稱、電刷放在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時，電機能夠產生最大的感應電動勢或者電磁轉矩；(3)電刷數目等于主磁極的極數。2.單波繞組單波繞組單波繞組的特點：(1)單波繞組把所有N極下的全部元件串聯起來形成一條支路，把所有S極下的全部元件串聯起來形成另一條支路。由于主磁極只有N、S極之分，因此單波繞組的支路數與極數無關，支路數永遠是2。(2)當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器上的位置對準主磁極的中軸線，支路的電動勢最大。(3)電刷的數目和極數相等。在極對數都大于1，且極對數和元件數相同的情況下：（1）單疊繞組：并聯支路數多，每個支路的元件數少，適用于較低電壓、較大電流的電機；（2）單波繞組：支路數永遠等于2，每個支路的元件數較多，適合于較高電壓、較小電流的電機。

單疊繞組和單波繞組的對比杭州電子科技大學《電機學》2.5直流電機的勵磁方式和磁場2.5.1直流電機的勵磁方式直流電機主磁極產生的磁場稱為主磁場，也稱為勵磁磁場。主磁場分為兩大類：（1）由永磁體形成主磁極（永磁直流電機）；（2）采用勵磁繞組產生主磁極。分為四種基本方式：他勵式、并勵式、串勵式和復勵式。2.5.2直流電機的空載磁場直流電機不帶負載時的運行狀態(tài)稱為空載運行?？蛰d運行時電樞電流近似為零。直流電機的空載磁化特性

氣隙里需要一定數量的每極磁通。（電磁轉矩、電動勢）設計電機時要先計算磁路，確定產生一定數量氣隙磁通所需的勵磁磁動勢，或者當勵磁繞組匝數一定的情況下，需要的勵磁電流?？蛰d氣隙磁感應強度分布2.5.3直流電機的電樞反應直流電機的電樞磁通分布直流電機帶負載后，電樞磁動勢出現。電樞磁動勢必然會影響空載時僅有勵磁磁動勢單獨產生的磁場，從而影響氣隙磁感應強度的分布情況，這種現象稱為電樞反應。電樞磁動勢也稱為電樞反應磁動勢。直流電機電樞旋轉，但電樞導體中電流分布的情況卻是不變的，因此電樞磁動勢的方向不變，相對靜止。電樞磁動勢產生的磁場的軸線與勵磁磁動勢產生的主磁場相互垂直。結論：在直流電機帶負載時，磁路飽和導致每極相對于空載時的磁通減少，這種現象稱為電樞反應的去磁效應。杭州電子科技大學《電機學》自動化學院2.6直流電機的感應電動勢和電磁轉矩

2.6.1電樞繞組的感應電動勢氣隙磁感應強度的平均值單根導體電動勢的平均值導體切割磁力線的線速度單根導體的平均感應電動勢

電樞感應電動勢的方向由電機的轉向和主磁場的方向決定，只要有一個量改變方向時，電動勢方向就隨之改變，但是當兩個量的方向同時改變，電動勢的方向不變。電樞繞組的感應電動勢直流電機的電動勢常數2.6.2電樞繞組的電磁轉矩單根導體所受的平均電磁力單根導體的電流單根導體的電磁轉矩電樞繞組總的電磁轉矩為直流電機的轉矩常數直流電機的電動勢常數與轉矩常數的關系

電磁轉矩的方向是由電樞電流的方向和主磁場的方向決定的，其中只要有一個方向改變，則電磁轉矩將隨之改變，但是當兩個方向同時改變時電磁轉矩的方向不變。杭州電子科技大學《電機學》2.7直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機：輸出電功率，其電氣輸出量為端部的電壓和電流；直流電動機：輸出機械功率，其機械量包括轉速和電磁轉矩。2.7.1

直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式2.7.1直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式2.7.2直流發(fā)電機的功率關系輸出功率電樞回路銅損耗輸入功率電磁功率空載損耗鐵損耗機械損耗直流發(fā)電機的電磁功率機械功率電功率直流發(fā)電機產生的電功率？在直流發(fā)電機中,電磁功率PM

是機械功率和電功率之間的媒介，它的存在才使得發(fā)電機實現機械功率和電功率之間的直接轉換。他勵直流發(fā)電機的功率流圖為附加損耗或雜散損耗，不超過電機額定功率的1％。直流發(fā)電機的效率與其容量有關，容量越大的直流發(fā)電機效率越高。杭州電子科技大學《電機學》自動化學院2.8直流電動機的運行特性電機可逆原理：一臺直流電機既可作為發(fā)電機運行，又可作為電動機運行。2.8.1他勵直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式幾點結論：(1)直流電動機的輸入電壓大于電樞感應電動勢，電機才能輸入電功率，

否則變?yōu)榘l(fā)電機運行模式。(2)直流發(fā)電機和直流電動機的感應電動勢和電磁轉矩的計算是一樣的。(3)直流電動機電磁轉矩

T

需要克服空載轉矩

T0，剩余部分才是有效輸出

轉矩

T2。T0

和

T2

共同構成電機的負載轉矩。(4)若外部電壓和勵磁電流不變，當負載轉矩不變時，直流電動機的電樞

電流、感應電動勢和轉速都是固定不變的。直流電動機與直流發(fā)電機的對比直流發(fā)電機直流電動機NSST

n

NNSTn SN(1)直流發(fā)電機：T

和

n方向相反，T

是制動性轉矩；

直流電動機：T

和

n方向相同，T

是拖動性轉矩。根據

T

和

n方向的異同判斷直流電機是運行在發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)。(2)直流發(fā)電機：Ea

大于外部電壓

U；直流電動機：外部電壓

U大于

Ea

。由此也可判斷直流電機是運行在發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)。2.8.2他勵直流電動機的功率關系其中， 為輸入電功率， 為輸出機械功率。

直流電動機的效率與其容量有關，容量越大的直流電動機效率越高。其中， 為總功率損耗，為機械摩擦損耗，為鐵損耗，為回路總的銅耗，為附加損耗。。2.8.3他勵直流電動機的工作特性1. 轉速特性當 ,時，的關系稱為轉速特性。2.轉矩特性當

,3.效率特性當

,時，的關系稱為轉矩特性。時，的關系稱為效率特性。忽略電樞反應的影響。當

Ia

增大時，n下降，T

增大，

n、T

和

Ia

之間是線性關系。當

Ia

增大時，η逐漸增大。當

Ia

增大到一定程度后，

η減小。電樞反應

去磁效應nTη杭州電子科技大學《電機學》自動化學院2.9他勵直流電動機的機械特性2.9.1機械特性的一般表達式他勵直流電動機的機械特性：U和If一定時，轉速和轉矩之間的關系。串入電樞回路的電阻理想空載轉速機械特性的斜率機械特性的一般表達式2.9.2固有機械特性當，，時的機械特性叫固有機械特性。固有機械特性的特點

T

越大，n

越低。(3)固有機械特性的斜率β

：較小時為硬特性，較大時為軟特性。(2)當T

為0時，n

為理想空載轉速n0，Ia=0。(4)當T=TN，n=nN時，轉速差Δn=n0–nN

為額定轉速差。

直流電動機硬特性一般要求Δn=0.05n0。直接起動時大電流和大轉矩，對電機非常不利，應避免。(5)直流電動機直接起動時電流為(6)

第二象限：T<0，n>n0，正向回饋制動(發(fā)電狀態(tài))。直流電動機的運行都是基于其機械特性進行分析。(7)

第四象限：T>Ts