第二章 直流电机

若不计饱和影响，有
Kf If
其中Kf 为比例常数
感应电动势的计算公式为
Ea Cen Ce K f I f n Gaf I f
Z pZ Tem 2 p I a I a CTI a 4πa 2πa
其中Gaf=CT Kf ； Ω为机械角速度。
二、电磁转矩的计算
pZ 其中 CT 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2πa
电枢槽内的绝缘
1—换向片 2—连接片
第二节 直流电机的铭牌数据
直流电机的额定值有：
1、额定功率PN(kW)
2、额定电压UN(V)
3、额定电流IN(A)
4、额定转速nN(r/min)
5、额定励磁电压UfN(V)
指轴上输出 电动机 指电刷间输出的 额定条件下电机 发电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率
4个元件所产生的电枢磁动势波形
电枢反应后磁动势波形
1、有负载时气隙磁场发生了畸变 2、电枢反应呈现去磁作用
第五节 机电能量转换过程简述
从电源输入的电能 = 机械能输出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁场储能的增加+ 转换为热能的机电装置内部各种损耗 对电动机而言，上式中的电能和机械能均为正值；对发电机而言， 均为负值。
与上式对应，在某一瞬间dt内发生的能量增量为。
dWe dWm dWmec
dWe
——在时间dt内输入耦合磁场的净电能的增量
dWm
——在时间dt内耦合磁场吸收的能量的增量
——在时间dt内转换为机械能的总能量的增量
dWmec
一、感应电动势的一般表达式
d e dt
二、电磁转矩的一般表达式
设在dt 时间内转子有一个位移角θ （1）输入电能的增量
dWe ik ek dt ik d k
k 1 k 1
2
2
简单的电机模型
（2）输出机械能的增量
dWmec Tem d
电磁转矩的一般公式为
Wm Tem
第六节 感应电动势和电磁转矩的计算 一、感应电动势的计算
pn S pZ Ea 4 N y n Cen 60 2a 60a 对制成的电机，Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数
（三）复励直流电动机的工作特性
[例2-1] 一台他励直流电动机的额定数据为：
PN 1325kW U N 750V I N 1930A nN 200r / min 电枢绕组的电阻 Ra 0.0161 电刷接触压降 2ΔU c 2V
设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩 （包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求 （1）在电枢回路中突然串入电阻RΩ=0.0743Ω,求串入电阻最初瞬 间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？
Ea U I aRa 2ΔU c (750 2145 0.0161 2)V 713V
Ea 713 1 n n 200 r / min 221r / min Ea 717 0.9
三、直流发电机的工作特性
（一）空载运行 1 空载特性 当他励直流发电机被原动机拖 动，n=nN 时，励磁绕组端加上 励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 , 得出空载特性曲线U0=f(I0)。
4、电刷装置
1—刷握
2—电刷 3—压紧弹簧 4—铜丝辫
（二）直流电机的转动部分
1、电枢铁心
a)—电枢铁心 冲片 b)—电枢铁心
2、电枢绕组——由许多按
一定规律连接的线圈组成。
1—槽楔 2—线圈绝缘
3、换向器——由许多换
向片组成，换向片之间用云 母绝缘。
3—导体
4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
1——积复励发电机外特性； 2——他励发电机外特性； 3——并励发电机外特性；
第八节 直流电机的换向
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，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 原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。
Ea U a Ra I a
U f Rf I f
（二）转矩平衡方程式 d 对于电动机：Tem T2 T0 J dt 其中T2为负载制动转矩， T0为空载损耗转矩。
稳态运行时
Tem T2 T0
T 对于发电机： 1 Tem T0 J
d dt
其中T1为原动机拖动转矩。
用原动机拖动电枢逆时针方向恒速 转动，线圈边ab和cd就分别切割不同 极性磁极下的磁场，线圈中产生了交 变的电动势。由于换向器配合电刷对 电流的换向作用，在电刷A、B端的 电动势确是直流电动势。
一台直流电机 作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢 旋转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能； 作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直 流电动势，作为直流电源，输出电能。
电磁转矩也可以表示为 Tem Gaf I f I a 其中Gaf=CT Kf
第七节 直流电机的运行原理
一、直流电机的基本方程式
（一）电动势平衡方程式 若电机稳态运行，对于电动机
U a Gaf I f Ra I a Ea Ra I a U f Rf I f
若电机稳态运行，对于发电机
电动势公式 Ea Cen Ce I a n
Tem T2 T0 2 Tem CTI a CT I a 转矩公式
转矩平衡方程式 （其中，Rfc为串励绕组电阻，
Ce Ce K f ，CT CT K f ）
60 P2 Tem T2 T0 T0 2π n
第二节 直流电机的励磁方式及磁场
一、直流电机的励磁方式
1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。 2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。 4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联， 另一个与电枢绕组串联。
二、直流电机的空载磁场
直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动 势单独建立的磁场。
气隙中主磁场磁通密度的分布
磁化曲线
三、直流电机负载时的磁场及电枢反应
当直流电机带上负载以后，在电机磁 路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为 电枢磁动势。
此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势 和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对 气隙磁场的影响称为电枢反应。
当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流 过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋 转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要 处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S 极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。
（二）直流发电机的工作原理
3. 效率特性 当U=UN ,If=IfN时，η=f(Ia)的关系曲线
2 pFe pmec I a Ra 2 I a U c P2 100% 1 P U (Ia I f ) 1
（二）串励直流电动机的工作特性
电动势平衡方程式 U Cen I a ( Ra R fc )
第二章
一、直流电机的工作原理
直流电机
第一节 直流电机的工作原理及结构
（一）直流电动机的工作原理
载流导体在磁场中受到的力
f Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A) l — 导体的有效长度(m)
当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根 据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个 电磁转矩。
额定功率 PN
额定电压U N
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流I N
在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流
N
发电机：是指输出额定电压； 额定转速n
电动机：是指输入额定电压。
在额定电压、额定电流下，运 行于额定功率时对应的转速
额定励磁电流I fN
励磁方式
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 指直流电机的励磁线圈与电枢线 圈的连接方式 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。 电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状 态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额 定电流——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。
第三节 直流电机的绕组
对绕组的要求：在能够通过规定的 电流和产生足够的电动势的前提下， 尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构 简单、运行可靠。
一、简单的绕组
右图只是说明原理的示意图。它的缺 点是：随着电枢的转动，始终只有一个 线圈有电流。这样的话，材料没有充分 利用，产生的总转矩或电势均很小。 解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接 起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元 件边连接一个换向片。每个元件的两个元 件边连接2个不同的换向片。共用了4个换 向片，节省了材料，提高了输出转矩。
1-2、3-4、5-6、7-8 分别构成4个线圈
二、绕组的基本形式 （一）单叠绕组
单叠绕组的特点：元件的两个端子连 接在相邻的两个换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联， 即后一元件的首端与前一元件的末端 连在一起，接到一个换向片上。最后 一个元件末端与第一个元件首端连接 在一起，形成一个闭合回路。
a) 他励直流发电机
b) 并励直流发电机 c) 复励直流发电机
2 并励和复励直流发电机空载电压的建立