第三章直流电机分析

第三章直流电机的原理及结构本章主要介绍直流电机的结构和基本工作原理、直流电机绕组的构成、直流电机的电枢反应、直流电机绕组的电动势和电磁转矩、直流发电机和直流电动机的功率转矩等内容。

本章共有10节课，内容和时间分配如下：1.掌握直流电机的结构及工作原理。

（2节）2.掌握直流电机绕组有关的结构。

（2节）3.掌握直流电机绕组的电枢反应。

（1节）4.掌握直流电机的电枢电动势和电磁转矩。

（1节）5.掌握直流发电机的基本方程式和运行特性、并励发电机的条件。

( 2.5节)6.掌握直流电动机的基本方程式和运行特性。

( 1.5节)第一节直流电机的基本工作原理一直流电机的用途直流电动机的优点：1 调速范围广，易于平滑调节2 过载、启动、制动转矩大3 易于控制，可靠性高4 调速时的能量损耗较小缺点: 换向困难，容量受到限制，不能做的很大。

应用: 轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。

直流发电机用作电解、电镀、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。

二、直流电机的工作原理原理：任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。

为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。

（一）直流发电机的工作原理1．工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。

e=Blv。

B:磁密l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。

正方向：用右手定则判断。

电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。

如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。

理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势）2 发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。

（1）构成：磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。

励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。

容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。

用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。

第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。

3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。

3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。

3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。

对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。

当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。

如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。

3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。

但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。

第三章直流电机的工作原理及特性3.1、为什么直流电记得转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？答：直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠加而成是因为要防止电涡流对电能的损耗。

3.2、并励直流发电机正传时可以自励，反转时能否自励？答：不能，因为反转起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩与磁场方向相反，这样磁场被消除，所以不能自励。

3.3、一台他励直流电动机所拖动的负载转矩T L=常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中那些量必然要发生变化？答：T=K tφI a u=E+I a R a当电枢电压或电枢附加电阻改变时，电枢电流大小不变。

转速n与电动机的电动势都发生改变。

3.4、一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩T L=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化? 是大于，小于还是等于E1？答：T=I a K tφ，φ减弱，T是常数，I a增大。

根据E N=U N-I a R a ，所以E N减小，小于E1。

3.5、一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：P N=180kW，U N=230V，n N=1450r/min，η=89.5%，试求：N①该发电机的额定电流；②电流保持为额定值而电压下降为100V时，原动机的输出功率（设此时η=ηN）解：①因为P N=U N I N，所以I N= P N/U N=180*1000/230=782.6A②因为η=IU/P，所以P= IU/ηN=782.6*100/89.5=87441W=87.44KW3.6、已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：P N=7.5KW，U N=220V，n N=1500r/min，η=88.5%，试求该电机的额定电流和额定转矩。

N解：对于电动机：P N=U N I NηN所以I N= P N/( U NηN)=7500/(220*0.885)=38.52A输出转矩：T N=9.55P N/n N=9.55*7500/1500=47.75N·m3.7、一台他励直流发电机：P N=15KW，U N=230V，I N=65.3A，n N=2850r/min，R a =0.25Ω，其空载特性为：U 0/ V 115 184 230 253 265I f/A 0.442 0.802 1.2 1.686 2.10今需在额定电流下得到150V 和220 V的端电压，问其励磁电流分别应为多少？解：由空载特性得到其空载特性曲线为：E2652532302201841501150.4420.710.802 1.21.08 1.6862.10f I当U=150V 时 I f =0.71A当U=220V 时 I f =1.08A 3.8、一台他励直流电动机的铭牌数据为：P N =5.5KW ，U N =110V ，I N =62A ，n N =1000r/min ，试绘出它的固有机械特性曲线。

《电机与电⽓控制技术》第2版习题解答第三章直流电机《电机与电⽓控制技术》第2版习题解答第三章直流电机3-1直流电机中为何要⽤电刷和换向器，它们有何作⽤？答：直流发电机与直流电动机的电刷是直流电压、电流引出与引⼊的装置。

在发电机中换向器是将电枢元件中的交变电势度换为电刷向直流电势；在电动机中换向器使外加直流电流变为电枢元件中的交流电流，产⽣恒定⽅向的转矩，使电枢旋转。

3-4阐明直流电动机电磁转矩和电枢电动势公式T=C tφI a1，E a=C eφn中各物理量的涵义。

答：直流电动机电磁转矩T=C TφI a式中C T：与电动机结构有关的常数，称转矩系数；φ：每极磁通；I a：电枢电流、T：电磁转矩。

直流电动机电枢电动势公式E a=C eφn式中：C e：与电动机结构有关的另⼀常数，称电动势系数；φ：每极磁通；n：电动机转速；E a：电枢电动势。

3-5直流电动机电枢电动势为何称为反电动势？答：直流电动机电枢转动时，电枢绕组导体切割磁⼒线，产⽣感应电动势，由于该电动势⽅向与电枢电流的⽅向相反，故称为反电动势。

3-6试写出直流电动机的基本⽅程式，它们的物理意义各是什么？答：直流电动机的基本⽅程式有电动势平衡⽅程式、功率平衡⽅程式和转矩平衡⽅程式。

1）电动势平衡⽅程式：U=E a+I a R a式中U：电枢电压；E a：电枢电动势；I a：电枢电流；R a：电枢回路中内电阻。

2）功率平衡⽅程式：电动机的输⼊电功率P1=P em+P cua式中P em：电磁功率P cua：电枢绕组的铜损电动机输出的机械功率：P2=P em-P Fe-P m=P1-P cua-P Fe-P m式中P Fe：电枢铁⼼损耗；P m：机械损耗；P1：电动机输⼊的电功率。

3）转矩平衡⽅程式：T2=T-T0式中T2：电动机轴上输出的机械转矩；T：电动机电磁转矩；T0：空载转矩。

3.7.何谓直流电动机的机械特性，写出他励直流电动机的机械特性⽅程式。