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直流电机

第五篇直流电机

直流电机的基本原理和电磁关系

直流电机的工作原理和基本结构

工作原理

简单电机模型

静止（定子）的部分：

磁极N、S，电刷1（正）、2（负）。

转动（转子）的部分：

换向器（换向片A、B），线圈abcd。

直流发电机原理过程

换向器和线圈由原动机带动恒速旋转，线圈两导体切割定子磁场，感应交流电势和电流，经电刷引出，电势和电流变成直流，供给直流负载。

直流电动机原理过程

从电刷两端加直流电压和电流，经换向器变成交流，在线圈中流通的电流与定子磁场相互作用，产生恒定方向的电磁力和力矩，使转子转动，带动机械负载。

电势波形注意问题（发电机工作）

单根导体电势：

e=Blv，线圈电势为2e；

电势e波形与磁场B相似，但B是位置变量，e是时间变量。

一个线圈换向前e波形的波形有正、负半周，换向后e波形全是正半周，脉动100%。

加一个线圈和两片换向片，电刷引出电势波形的脉动减为50%。

当每极下导体个数大于8，电刷引出电势脉动<1%。

可认为是较为稳定的直流电势和电流。

基本结构

定子

作用：

产生磁场，机械支撑。

包括：

主极、换向极、电刷、机座、端盖、轴承。

主极：

由1~1.5mm钢片迭压而成，产生气隙磁场。

主极成对均匀分布。

换向极：

由1~1.5mm钢片迭压而成，改善换向。

个数同主极，安装在两极之间。

电刷：

用碳石墨制成，与换向器配合，交直流变换。

电刷装于刷握中，有弹簧压在换向器上。

机座：

铸钢或厚钢板焊接成圆形或多边形。

起保护、支撑其它部件，磁闭合通路作用。

要求机械强度导磁性。

转子

作用：

感应电势，与外界机械连接。

包括：

电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇。

电枢铁芯：

开槽0.5mm硅钢片迭成，嵌放电枢绕组和磁通路。

冲片有轴孔、轴向通风孔。

电枢绕组：

由铜线或漆包线绕制（多匝）的线圈，用于感应电势或电流通路。

换向器：

由相互绝缘的铜质换向片组合而成，起机械换接（整流）进行交直流变换。

换向片之间用云母片绝缘，换向片用燕尾形固定，围成圆筒形，升高部分焊接线圈引线。

励磁方式

他励式：

励磁电源独立于电枢绕组。

自励式：

分为并励、串励、积复励、差复励。

并励：

并励绕组与电枢绕组并联。

发电机有Ia=If+IL，电动机有I=If+Ia。

串励：

串励绕组与电枢绕组串联。

发电机有Ia=If=IL，电动机有I=If=Ia。

积复励：

有并励和串励两个励磁绕组，产生磁势方向相同。

长分接法：

发电机有Ia=Is=If+IL，电动机有I=If+Is,Is=Ia。

短分接法：

发电机有IL=Is=If+Ia，电动机有I=Is=If+Ia。

差复励：

有并励和串励两个励磁绕组，产生磁势方向相反。

永磁式：

没有励磁绕组，由永久磁铁建立励磁恒定磁场。

直流电枢绕组

一些概念

线圈边：

分上层边（实线）、下层边（虚线）。

环型闭合绕组：

一个线圈有多匝，两个引出线，所有线圈由引线相连成闭合绕组。

所有连线处接一片换向片，换向片个数等于线圈个数。

实槽Z：

实际开槽数。

虚槽Ze：

等于线圈数，每槽放C个线圈，则Ze=CZ。

第一节距y1：

一个线圈的两个线圈边所跨槽数（虚槽）。

第二节距y2：

相连两线圈，前线圈的下层边跨到后线圈的上层边（虚槽）。

合成节距y：

相连两线圈对应边的跨距（虚槽）。

y=y1+y2

单叠绕组

举例数据:

Z=20,C=1,2p=4,a=2,y1=5,y2=-4,y=1。

作图步骤:

画槽并编号,线圈编号以其上层边（实线）所在的槽编号一致。

画磁极，轴线对称，相隔极距τ=20/4=5（槽）。

画1号线圈上层边（实线），下层边（虚线）据y1=5,画在6号。

画1号线圈的相连线圈，据y2=-4,定为2号，画上层。

下层边据y1=5,画在7号。

以此类推…，画完20个线圈，右行，封闭。

线圈相连接线，分别接一个换向片，换向片编号与线圈一致。

画电刷，位置与主极轴线一致（“三线合一”）。

根据电势、电流方向定电刷正、负极性。

并联支路引线，支路数2a=2p=4。

注意事项：

线圈端部要对称，被电刷短路的线圈电势才能为零。

一个极下的线圈连成一条支路，支路数等于极数。

电刷引出总电势较小Ea=支路电势；总电流较大，等于各支路汇流Ia=2a×ia。

单波绕组

举例数据:

Z=19,C=1,2p=4,a=1,y1=5,y2=4,y=9。

作图步骤:

画槽并编号,线圈编号以其上层边（实线）所在的槽编号一致。

画磁极，轴线对称，相隔极距τ=19/4=4.75（槽）。

画1号线圈上层边（实线），下层边（虚线）据y1=5,画在6号虚线。

画1号线圈的相连线圈，据y2=4,定为10号上层。

下层边据y1=5,画在15号虚线。

以此类推…，画完19个线圈，左行，封闭。

线圈相连接线，分别接一个换向片，换向片编号与线圈一致。

画电刷，位置与主极轴线一致。

根据电势、电流方向定电刷正、负极性。

并联支路引线，支路数2a=2。

注意事项：

线圈端部要对称，被电刷短路的线圈电势才能为零。

N、S极下的线圈分别各连成一条支路，支路数等于2。

电刷引出总电势较大，Ea=（∑e）/2；总电流较小，等于2个支路汇流Ia=2×ia。

作业：

习题16-4、16-5

直流电机的磁场和电枢反应

空载磁场（主极磁场）

磁通分布

概念

主磁通Φ：

由主极产生，穿过气隙到电枢，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通。

磁极漏磁通Φσ：

由主极产生，不穿过气隙，只与本身绕组或相邻磁极绕组交链的磁通。

每极总磁通KσΦ：

主磁通Φ和磁极漏磁通Φσ之和。

（场漏系数）

气隙磁通密度Bδ：

主极下气隙均匀，主极磁场在气隙建立的磁密为平顶波。

负载电枢磁场

电枢磁势波形：

积分法画成，三角波，最大值在交轴。

最大值计算：

设：

总导体数N，电枢直径Da，导体电流ia，电枢电流（电刷引出）Ia。

线负荷：

磁势最大值：

交轴电枢反应

电枢反应概念：

电枢磁势对主极的影响。

由于电枢磁势最大值在交轴，简称交轴电枢反应。

磁密波形分析：

知道四个中任意三个，可以确定第四个。

即：

主极极性、电流方向、发电机或电动机运行、转向。

发电机运行：

电流、极性、转向用“右手定则”。

电动机运行：

电流、极性、转向（力）用“左手定则”。

交轴电枢反应结果：

去磁

使极面下气隙磁密分布不均匀。

当发电机运行，后极尖磁场增强，前极尖磁场减弱；

当电动机运行，前极尖磁场增强，后极尖磁场减弱。

交轴电枢反应对电机运行的影响：

去磁作用，使每极磁通减小。

设去磁量为Faqd（或ΔIf），实际所加励磁为Ff（If），

则有效励磁：

Ff0=Ff-Faqd，或If0=If-ΔIf

气隙磁密畸变，各换向片之间电势大小不等，产生电位差火花，严重的出现环火。

交轴处磁密不等零，妨碍线圈电流换向。

直轴电枢反应

产生原因：

电刷偏离交轴位置。

图示分析：

电刷顺发电机转向偏离几何中心线β，对应弧长=

。

电枢反应分析：

发电机（电动机）运行时，电刷顺（逆）电机转向偏离β角，电枢反应磁势分解出直轴分量Fad呈去磁作用，交轴分量Faq呈交磁作用。

发电机（电动机）运行时，电刷逆（顺）电机转向偏离β角，电枢反应磁势分解出直轴分量Fad呈助磁作用，交轴分量Faq呈交磁作用。

磁势表达式：

磁势最大值：

计算例子：

例16-1

[例16-1]直流发电机，单波绕组，2p=4,UN=230V,IaN=84.8A,nN=1500r/min,ra=0.147Ω,Da=29.5cm,N=444匝,Nf=900匝,额定运行时,励磁电流IfN=2.85A,电枢反应电势EaN=242.5V。

当转速为额定时，测得电机的空载特性数据如下表，试求：

E0（V）

44

104

160

210

240

258

275

If0（A）

0.37

0.91

1.45

2.0

2.38

2.74

3.28

（1）电枢的线负载A；

（2）电枢在交轴时Fa；

（3）电枢反应等效去磁安匝数Faqd；

（4）电刷顺转向偏离β=8°电角度，此时的Fad和Faq。

解：

单波绕组，a=1

（1）

（2）

（3）根据额定电枢反应电势242.5V,在特性曲线240~258之间作线性插值，

求得对应的有效励磁电流：

作业：

16-9

电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式

电枢绕组的感应电势

电枢绕组的感应电势Ea指正、负电刷之间的电势，等于支路电势：

其中：

Ce为电势常数。

电压平衡方程式

励磁电流

电压平衡式

功率平衡方程式

功率流程图示意

功率方程式

电磁功率：

各种损耗概念

不变损耗：

电机转动后（转速不变），损耗就存在，且大小不变，不随负载大小而变。

机械损耗pmec----轴承、电刷、换向器等各种摩擦损、风损。

铁芯损耗pFe----电枢铁芯中的交变磁通磁滞、涡流损耗。

附加损耗pad----杂散损耗，经验数据（0.5%~1%）P2。

其中：

空载损耗p0=pmec+pFe

可变损耗：

随负载电流（电枢电流）的大小而变。

励磁铜损pf----UIf=（1%~3%）PM,他励时，单独电源，损耗不计。

电枢铜损pa----电枢电阻损耗，与电枢电流平方成正比。

电刷电损pb----2ΔUIa=2Ia，与电刷表面接触状况有关。

效率：

计算例子：

例16-2

[例16-2]长分接法积复励直流发电机,PN=20KW,UN=220V,ra=0.156Ω,rs=0.00714Ω,ΔU=1V,∑rf=78.3Ω,p0=1KW,pad不计。

试求额定负载时：

（1）各绕组的铜损；

（2）电磁功率；（3）输入功率；（4）效率？

解：

（1）额定负载运行时：

（2）电磁功率

（3）输入功率

P1=PM+p0=22238.8+1000=23238.8（W）

（4）效率

电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式

电枢绕组的电磁转矩T

电刷引出的电枢电流为Ia，导体电流（支路电流）为Ia/（2a）。

转矩平衡式

只与转轴机械功率有关，相应功率除Ω等于转矩：

作业：

习题16-2、16-10、16-11

直流发电机和直流电动机

自励发电机的电压建起

自励建压过程

电枢旋转时，因磁极剩磁→在电枢绕组产生剩磁电压→加在励磁绕组中→有微小的励磁电流→加强磁极磁场→产生更大的电枢电压→…以此返复→…至建立稳定电压。

自励建压条件

主极有剩磁，磁化曲线有饱和（弯曲）现象；

励磁接法正确，使最初微小的励磁电流产生的磁势方向与剩磁方向相同；

励磁回路的总电阻（场阻）小于对应转速的临界电阻。

直流发电机的运行特性

空载特性

定义：

在n=nN（=const.），IL=0时，U0=f（If）的曲线。

∵U0=E0=CeΦn，∴空载特性与电机的磁化曲线Φ=f（If）相似。

说明：

他励、并励绕组一样，测试相同。

串励是在主极上另一套绕组，线圈截面大，匝数少，曲线斜率小。

外特性

定义：

在n=nN（=const.），If=const.时，U=f（IL）的曲线。

电压调整率：

外特性曲线是电压随负载电流变化而变化，变化大小用电压调整率表示：

说明：

他励：

引起端电压下降的原因有：

①Ia↑→（Iara）↑

②Ia↑→电枢反应去磁作用↑→Φ↓→Ea↓

由

得，电压是下降。

并励：

引起端电压下降的原因除上面的①，②外，还有：

③U↓→If↓→Φ↓→Ea↓→U↓↓，所以，并励外特性曲线比他励要软。

串励：

IL=IS=Ia,当IL=0→IS=0→U=0,特性过原点。

由

IL↑→Ea↑和Ia（ra+rS）↑→U↑或Ｕ↓

开始，磁路未饱和，Ea↑起作用，U↑

电流较大时，磁路饱和，Ea↑有限，Ia（ra+rS）↑主导作用，可使U↓

复励：

积复励：

串励绕组的磁化方向与并励的磁化方向相同。

串励绕组的磁化作用除了补偿电枢反应的去磁作用外，还使电枢绕组中的感应电势升高，以平衡电枢回路中的电阻压降。

根据补偿这两点的情况不同，分为：

平复励----从空载到满载，刚好补偿，电压大小一样。

欠复励----从空载到满载，不够补偿，电压下降。

超复励----从空载到满载，过补偿，电压上升。

差复励：

串励绕组的磁化方向与并励的磁化方向相反，没有补偿，反而进一步去磁。

电压快速下降。

调整特性

定义：

在n=nN（=const.），U=const.时，If=f（IL）曲线。

说明：

串励If=IS=IL,没有调整特性；

并励测试调整特性，要按他励办法，特性与他励相似。

计算例子：

例17-1

[例17-1]一台并励发电机，n=1450r/min，ra=0.516Ω，ΔU=1V，IaN=40.5A，当满载时电枢反应的去磁作用相当于并励绕组励磁电流0.05A。

当转速为1000r/min，测得空载特性的数据如下，试求：

If0（A）

0.64

0.89

1.38

1.73

2.07

2.75

E0（V）

101.5

145

218

249

264

284

（1）若满载端电压为230V，问并励回路电阻为多少？

电压变化率为多少？

若每极加串励绕组5匝，可将满载电压提升至240V，保持励磁场阻不变，问每极并励绕组有几匝？

若串励绕组增至10匝，问满载端电压为多少？

解：

作业：

17-1、17-2

直流电动机的机械特性和工作特性

工作特性

转矩特性

定义：

在U=UN,If=const.时，T=f（Ia）曲线。

说明：

并励：

T=CTΦIa，励磁不变，线性；若考虑电枢反应去磁，Φ↓→T略微下倾。

串励：

由于Φ=kIa，T=CTΦIa∝Ia2，曲线快速上翘。

复励：

有串励，上翘；有并励，下倾，最后介于二者之间。

转速特性

定义：

在U=UN,If=const.时，n=f（Ia）曲线。

说明：

并励：

，特性下倾，但变化不大，特性较硬，其中n0为空载转速。

。

串励：

，

特性为双曲线。

转速随电流变化较大，

。

复励：

特性介于二者之间。

机械特性

定义：

在U=UN,If=IfN,∑ra=const.时，n=f（T）或T=f（n）曲线。

说明：

并励：

Ra=0，自然机械特性，Ra愈大，曲线下倾愈大。

并励电动机工作中，不可断开励磁回路或快减励磁电流，否则：

Φ↓≈0→Ea↓→Ia↑（

），从T=CTΦIa得：

若Φ↓>Ia↑→T↓→n↓→Ea↓→Ia↑↑→“过热损坏”

若Φ↓

串励：

，也是双曲线，软特性。

根据特性曲线的特点，有：

串励电动机启动力矩大（n小，T大），过载能力强（T∝Ia）。

串励电动机不允许空载或轻载（一般转矩>TN/4），否则n会很大。

带负载用齿轮或连轴，不能用皮带轮。

复励：

特性介于并励和串励之间。

有串励，可以克服过载或突然增加负载；

有并励，可以避免轻载或空载运行转速过大。

永磁直流电动机

特点：

定子主极由永久磁铁制成，体积小；没有励磁损耗，效率高；

但气隙磁通密度小，且不可调；磁性受温度影响大，会退磁。

工作特性类似他励。

直流电动机的稳定运行

常用负载类型

恒转矩负载：

T=const.,P∝n,如输送带、起重机、压缩机等。

平方转矩负载：

T∝n2，P∝n3，如风机、水泵负载。

恒功率负载：

T∝1/n，P=const.，如轧钢机、机床。

稳定运行判定

静态稳定运行的概念：

机组受干扰，工作点发生偏离，扰动消失后，能否回到原工作点，判定是否是稳定运行的工作点。

静态稳定运行，在工作点处，满足：

计算例子：

例17-2

[例17-2]有一台并励电动机，满载运行，UN=220V,IaN=40.5A,ra=0.516Ω,ΔU=1V，Fadq=100A，Nf=1350匝,∑rf=123.3Ω。

当转速nN=1000r/min,为额定时，测得电机的空载特性数据如下表，试求：

E0（V）

70

100

150

172

182

196

If0（A）

0.64

0.89

1.50

1.73

2.07

2.75

CeΦ

0.07

0.10

0.15

0.172

0.182

0.196

（1）空载转速、额定转速、转速变化率。

（2）每极加串励NS=6匝时，积复励电动机时额定转速和转速变化率。

（3）差复励电动机时额定转速和转速变化率。

解：

作业：

17-6

直流电动机的起动、调速和制动

起动

起动性能：

起动转矩大；起动电流小；起动时间短；起动设备经济、可靠。

起动方法：

直接起动、电枢串变阻器起动、降电源电压起动。

其中：

直接起动适用小容量，降压起动适用他励，要有专用电源。

起动器：

起动过程：

转起动手柄接第一触点→全部电阻串入→II2→转动手柄，切掉第一部分电阻→I↑，但保持I

运行完断电，手柄被弹簧拉回原处，便于下次起动。

调速

概述：

比较两种电动机

异步电动机：

优点：

结构简单、运行可靠、造价低。

缺点：

起动性能差、调速难、降低电网功率因数。

直流电动机：

优点：

起动性能好、调速性能好（经济、平滑、范围广）、不影响电网功率因数。

缺点：

结构复杂、可靠性差、造价高。

调速公式依据

转速：

有变磁通、变电压、变串接电阻三种调速方法。

调速方法

调节励磁电流以改变磁通Φ

If↓→Φ↓→n↑，忽略Ea变化，认为n∝1/Φ∝1/If；

额定工作点磁路已饱和，从该点开始，If只能下调，不能上调；

最低转速（要If↑和Φ↑）受励磁绕组本身固有电阻及磁路饱和的限制；

最高转速（要If↓和Φ↓）受到机械强度及换向的限制。

消耗小，调速比1:

2~1:

6。

调节电枢回路串接的电阻Ra

Ra↑→n↓

Ra=0,n最大，从该点开始，n只能下调；

调速过程中，消耗能量大，效率低，不经济；

Ra↑→机械特性变软→n受负载影响波动大；

恒转矩，轻负载时，调速范围太小。

调节外施电源电压U

U↓→n↓，n∝U

从额定工作点开始，U一般要下调，n下降，U反向，n也反向；

可以用于降压起动

调速消耗小，范围广，1:

24以上；

要专用设备，投资大。

制动

直流电动机“电动”时：

T驱动电机转动，T与n同向；

直流电动机“制动”时：

T反向，n受惯性不变，则T与n方向相反。

能耗制动

电动：

制动：

特点：

耗能（机组动能消耗在电阻R中）、操作简便、低速制动力矩小。

回馈制动

电动：

制动：

特点：

节能（电功率回馈电网）、制动作用仅限于限制n的增加。

反接制动

电动：

制动：

特点：

耗能（机组动能消耗在电阻R中）、制动力矩大、制动到零时要迅速切断电源。

计算例子：

例17-3

[例17-3]积复励直流电动机，UN=220V,IaN=22A,rf=121Ω,ra=0.954Ω,△U=1V,Nf=1530（匝）,NS=25,Fadq=200（安匝）,在他励状态下，测定n=500（r/min）时的磁化曲线如下，试求：

If0（A）

0.29

0.46

0.63

0.80

1.34

1.87

2.86

E0（V）（当n=500）

39.4

59.2

79.0

98.6

138.0

157.6

177.4

CeΦ（当n=750或500）

0.0788

0.118

0.158

0.197

0.276

0.315

0.355

E0（V）（当n=750）

59.1

88.8

118.5

147.9

207

236.4

266.1

（1）变励磁调速：

为使nN=750r/min,励磁串电阻Rf=?

此时的T，n0

（2）变电枢串接电阻调速：

电枢串电阻Ra=1Ω，此时的nN,n0,P1,pR

解：

满载时电势：

直流电机的换向和改善换向的方法