马达教程- 第三章 直流电机稳态分析.doc

河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸
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第三章 直流电机(DC machine)的稳态分析

3.1直流电机的基本工作原理及结构
一、基本工作原理
直流电机的构成
（1）.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；
（2）.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴
（3）.气隙
**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；
（1） 原理：导体切割磁力线产生感应电动势
（2） 特点：e=BLV；
a、 电枢绕组中电动势是交流电动势
b、 由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势
c、 电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）
2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；
（1） 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来
（2） 特点：f=BiL
a、 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈
b、 电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。
c、 电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n同向）
**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。
3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成
二、直流电机的基本结构
1、 主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）
a、 主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成
b、 励磁绕组——电路、由电磁线绕制
2、 机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚
3、 电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）
4、 电枢绕组——电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）
5、 换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）
6、 电刷装置
a、 电刷——石墨或金属石墨
b、 刷握、刷杆、连线（铜丝辨）
7、 换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）
三、励磁方式
1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；
2.分类：以直流发电机为例
分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）

他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。
**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。

二、 直流电机的型号和额定值(type and rated values)
1.型号： Z 2-9 2
铁心长度代号
机座号
第二次改型设计
直流
2.额定值
①额定功率：发电机PN：输出电功率；电动机PN：输出机械功率；
②额定电压：UN；
③额定电流：IN；
④额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；
电动机：PN= UNINηN。

3.2 电枢绕组
电枢绕组简介
叠绕组——单叠、复叠
波绕组——单波、复波
混合绕组（又称蛙型绕组）
一、电枢绕组的构成
1、 元件——组成绕组的基本单元
2、 元件边——上层元件边，下层元件边
3、 元件数S
4、 换向片数K
5、 槽数和虚槽数
6、 槽内——层嵌放的元件边数u
二、单叠绕组

单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：Y=Yk=1

单叠绕组的的特点：

1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。

2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。

3）电枢电流等于各支路电流之和。

三、单波绕组

单波绕组的合成节距与换向节距相等。

单波绕组的特点
:
1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；

2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；

3）电刷数等于磁极数；

4）电枢电动势等于支路感应电动势；

5）电枢电流等于两条支路电流之和。

四、 换向概述
（一）、换向过程
1.换向定义：从+ia到-ia的过程；
2.换向周期：Tk，几毫秒；
3.换向原因：电磁、机械、电化学和电热
（二）、换向元件中的电动势
主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。
1.电抗电动势er
从+ia到-ia→
方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；
2.旋转电动势ek
物理中性线偏移几何中性线B≠0……由于电枢反应影响e=BLv≠0
方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。
（三）、改善换向的方法
1.换向的不良后果：产生火花；
火花等级：
2.改善换向的方法①装设换向磁极；
②增加换向回路的电阻；
③电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。

3.3 空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场
一、 空载时直流电机的气隙磁场
1、 主磁通和漏磁通
2、 气隙磁场波形图
3、 特点：（1）I单独产生，即F单独产生；（2）平顶波
（3）几何中性线B为零
二、 负载时的电枢磁动势——电枢电流I
（一）交轴电枢磁动势
1、 电刷放在几何中性线
2、 电刷是电枢电流的分界线
3、 磁动势分布波形为三角形
4、 磁场波形——马鞍形
5、 电刷位于几何中心线上，F为交轴电枢磁动势
6、 磁动势的计算
（1） 电负荷（线负荷）A——电枢表面单位长度上的安培导体数
A=Z*I/π*D
式中：Z——电枢绕组总导体数
I——导体内的电流（即支路电流）
D——电枢直径（外径）
（2） 距原点为+x及-x的闭合回路的磁动势（两个磁极即一对磁极）

（3） 距原点x处每个气隙的磁动势（即每极磁动势）
（4） 交轴电枢磁动势的最大值（距原点τ/2处，即几何中型线处）
（二）直轴电枢磁动势
若电刷从几何中性线移过β角，则可把电枢磁动势Fa分解成Fad和Fag
交轴磁动势Fag=A（τ /2—b ）（安/极）
直轴磁动势Fad=Ab （安/极）
三、 电枢反应
1.概述
空载：气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（Ff=NfIf）
负载：Ff+电枢磁动势
电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。
2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布

几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0；
物理中性线：B=0处的直线位置
3.电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界
交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直
4.电枢反应性质
①电刷在几何中性线时的电枢反应
性质：交轴电枢反应；
作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱；
②电刷不在几何中性线时的电枢反应
双反应理论：，分直轴和交轴分别分析；
交轴：同①；
直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。

3．4 直流电机的感应电动势和电磁转距

一、电枢绕组的感应电动势
1． 电枢绕组的感应电动势—— 一条支路的感应电动势（即根导体）
2． 的计算：
（1） 一根导体产生的平均电动势（见P77图3—27）
=lv 式中：Ba =
=l
=
=
（2） 一条支路的电动势，即电枢电动势Ea
Ea== =n=n
式中： —每极磁通量 n—转速（） Ea—电枢电动势（V）
Ce—电动势常数
当不计饱和时： 即

式中： ；
Caf—运动电动势常数（）
二、直流电机的电磁转距
1． 直流电机的电磁转距——全部电枢导体产生的电磁转矩
2． Te的计算
(1) 一根导体所受点电磁力
favia
(2) 全部电枢导体产生的电磁转矩，即直流电机的电磁转矩
Bav===
Te=Zafav=Zaavlia = Zal Ia/ 2a
式中: —每极磁通量（Wb） ；—电枢总电流（A） ；
—电磁转矩（N*m）； CT转矩常数（）
当不计饱和时：

式中：
（同运动电动势常数）

三、直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较：

…：电动势常数
性质：电源电动势；
与同向
性质：反电动势；
与方向相反

…：电磁转矩常数
性质：制动转矩；
与n 反向
性质：驱动转矩；
与n 同向

3.5 直流电机的基本方程
一、电动势平衡方程

式中：：电枢回路总电阻；：正、负电刷电压降，一般为0.6～2伏；
发电机：取“+”；电动机：取“-”；
忽略电刷压降，则
**结论：发电机：；电动机：；即根据与U的大小判断直流电机的运行状态。
二、直流电机的功率平衡方程
以并激直流发电机为例
pCua+p0
p0=pmec+pFe
P1 Pem P2
(机)

转子 定子
pCuf
发电机：
机械能→电能
电动机：
电能→机械能
电机效率：

三、转矩平衡方程
1.发电机：
2.电动机：
四、直流电机的可逆性
改变电机的外界条件，可以改变其运行状态。
例：直流发电机由原动机拖动并入电网运行时，若去掉原动机，n↓→Ea↓当 Ea<U时,Ia反向,电动运行.

3.6 直流发电机的运行特性
1． 空载特性—指n=nN=常数,I=0时,U0=f(If)关系曲线
（1） 接线图（见P82 图 3—33）
（2） 实验方法
<1>保持（原动机拖动）n=nN=常数
<2>调节，使从零↑至U0=1.25UN,逐点测取U0,If
<3>使If↓至If=0，在将If反向，直至U0=-1.25UN测取U0,If
<4>在逐步调到If=0，得闭合曲线
<5>取闭合曲线的平均值，可得到U0=f(If)曲线。（见P82 图 3—34）
（3） 特点
<1>曲线形状同磁化曲线(Ea∝φ,If∝Ff )
<2>当If=0时，剩磁感应电动势（由φ产生）
<3>If较小时，U0=f(If)近似为直线。
<4>If较大时，U0=f(If)出现饱和（在UN附近）
2．外特性 —指n=常数, If =常值 U=f(I) 关系曲线
（1） 接线图（见P83 图 3—35）
（2） 实验方法：调节RL→I↑逐点测取I,U.
（3） 特点—随着I↑→U↓
（4） 分析：引起U↓的原因
<1>电枢绕组电阻压降IaRa.[Ia↑→IaRa↑→U=Ea-IaRa↓]
<2>电枢反应去磁[Ia↑→φ↓→Ea=Cenφ↓→U=Ea-IaRa↓
(5)额定电压调整率△UN—保持n=常数,If=常数,当发电即从额定负载过渡到空载时,电压升高量(U0-UN)与UN的比值 △UN=(U0-UN)/ UN
*他励直流发电机△UN=5%-10%
*他励直流发电机在IfN下短路时， 其短路电流IK=E0/Ra↑↑
3. 调整特性-指n=nN=常数,保持U=UN=常数时,If=f(I)关系曲线
为保持U不变,应使If↑→φ↑→Ea↑补偿电枢反应去磁和降压,使U不变
4．效率特性
（1）损耗 不变损耗Pfe, PΩ;可变损耗: Pcua, Pcuf,Pcub, P△
(2)表达式η=1-∑P/P1= (Pfe+PΩ+P△+ Ia2Ra+UfIf+△2UsIa )/( Pfe+PΩ+P△+ Ia2Ra+UfIf+△2UsIa+UIa)
石墨电刷,取△2Us=2V;金属石墨电刷,取△2Us=0.6V
二、并励直流发电机的自励和外特性 (特点:Ia=I+If,Uf=U)
1． 自励
（1） 自励过程
<1>空载特性曲线U0=f(Uf)或Eao=f(If0)
<2>励磁电阻线（又称励磁回路伏安线）If=f(Uf)为一条直线
<3>空载工作点 A(U0,If0)—上述两曲线交点
<4>自励过程设点集中有剩磁，当原动机拖动以n旋转时，导体切割
（2） 自励条件
<1>电机中必须有剩磁，否则应充磁
<2>励磁绕组与电枢绕组连接正确（与转向有关），否则应反接或让电机反转。
<3>励磁回路总电阻Rf不能大于该转速下的临界电阻Rfcr，否则 应使Rf
<4>转速不能过低（n↓→Rfcr↓ 致使rf>Rfcr）
2． 空载特性（与他励相似）
（1）空载时,I=0,但Ia=If≠0 Uo=Ea-IaRa≠Ea
但是 If↓↓ Uo≈Ea
（2）用他励法求 Uo=f(If)
3． 调整特性（与他励相似）
4． 外特性—指 n=常值 Rf=常值 时,U=f(I)关系曲线（见P85 图 3—40）
特点：
（1） 并励 发电机随着负载的增加，电压下降比他励快
（2）随负载增加会出现“拐弯”现象
<1> 当负载较小时（RL较大时）→△U小→U较大→If较大→φ较大→磁路饱和
此时负载增大时（RL减小时）→U↓→If↓但近似不变→Ea
近似不变→I↑
<2> 当负载较大时（RL较小时）→△U大→U较小→If较小→
φ较小→磁路不饱和
此时负载再增大时（RL减小时）→I↓→IaRa↓→U↓
→I↓→φ↓→Ea↓→U↓↓
（即电压下降幅度大于负载电阻减小的幅度）→I=U/RL
*一般Icr=(2,3)IN
当RL=0时，即短路时：U=0 I=Ik=Er/Ra<IN

3.7 直流电动机的运行特性
1． 转矩—转速特性（机械特性）——电磁转矩Te与转速n之间的关系曲线
n=f（Te）或Te= f（n）
*（1）n=f（Te）与励磁方式有关
（2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性
U=UN Rfj=0 Iaj=0

（3）硬特性与软特性
2． 工作特性——指U=UN= 常数Rfj=0时n,Te,η与P2的关系曲线
(1) 转速特性 n=f(P2)或n=f(Ia)
(2) 转矩特性 Te=f(P2)
(3) 效率特性 η=f(P2)
一、 并励直流电动机的运行特性
（一） 转矩—转速特性——指U=UN=常数,Rf=常数,n=f(Te)
1． 接线图
2． 表达式Ea=U-IaRa=Cenφ; Ia=Te/CTφ
n=(U-IaRa)/Ceφ=U/Ceφ-RaIa/Ceφ=U/Ceφ-RaTe/CTCeφ2
=n0-RaTe/ CTCeφ2
3． N=f(Te)曲线 *特点：硬特性
4． 引起n下降的原因
T2↑→Te↑→Ia↑→IaRa↑→n↓
　　　　　　　┗→φ↓→n0↑Ra/ CTCeφ2↑→n↓

（二） 工作特性
1． 转速特性n=f(Ia)或n=f(P2)
（1） 表达式
（2） 分析：P2↑→T2↑→Te↑→Ia↑→n↓
（3） 并励直流电动机的转速调整率△n
△n=(n0-nN)/nN
*△n=(3~8)%励磁绕组不允许断开
2． 转矩特性
（1）表达式
（2）分析
3． 效率特性
同其它电机：
可变损耗等于不变损耗时，
1、

2、

3．8直流电动机的起动、调速和制动
一、 直流电动机的起动
1． 对起动性能的要求：
Tst足够大
Ist尽量小（小于允许值）
2． 起动方法
（1） 直接起动——直接将电枢投入UN起动
（2） 电枢回路串变阻器起动——起动时在电枢回路串入起动电阻Rst
（3） 降压起动——起动降低电枢绕组电压 U<UN
二、直流电动机速度的调节
1． 对调速性能的要求：
（1） 调速范围大 （）
（2） 调速平滑；
（3） 经济性好
（4） 方法简便可靠
2． 调速方法
因为 n=U/Ceφ-Ia(Ra+RΩ)/CeCTφ2
所以 （1）电枢回路串电阻RΩ
（2）改变励磁电流 If （励磁回路串电阻）
（3）改变电枢电压U
三、直流电动机的制动（电磁制动）
一般保持原磁场大小，方向不变，仅改变
1． 能耗制动
2． 反接制动
3． 回馈制动

3.9 直流电机的换向
一、 换向过程产生火花的原因
（换向过程——元件电流改变方向的过程）
1． 电磁原因：
（换向周期）时，附加换向电流
即延时换向或过份超越换向
2． 机械原因：
换向器不同心
换向器表面粗糙
电刷压力不当
云母突出
动平衡不好
3． 化学原因：
电刷压力过大
环境中缺少必要的水分和氧气
影响氧化亚铜薄膜的生成 火花
（因为氧化亚铜薄膜具有较高电阻，所以有利于限制）
二、改善换向的方法
1．减小电抗电动势
2．移动电刷位置——使电刷位于物理中性线或超过物理中性线
（因为中性线与负载大小有关，还与转向有关，所以有局限性）
3．设置换向极——换向极位于主磁极之间，一般与主磁极数目相同。换向
绕组与电枢绕组串联。
在发电机中，换向极极性应与顺旋转方向的下一个主极
的极性相同
在发电机中，换向极极性应与顺旋转方向的下一个主极
的极性相反
4． 嵌放补偿绕组——在主磁极极靴上冲槽
换向绕组与电枢绕组串联
换向绕组产生的磁动势与电枢磁动势相反
5． 选用合适电刷
选用原型号电刷
所有电刷型号相同
电枢尺寸合适
6．提高加工质量，加强维护

电气工程系