直流电机的介绍课件.ppt

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1、直直流流电电机机1直流电机的主要结构和工作原理2直流电机的磁场、电枢反应和电枢绕组3直流电机的基本方程式和运行特性1 直流电机的主要结构和工作原理v直流电机的主要结构直流电机的主要结构v直流电机的工作原理直流电机的工作原理v直流电机的额定值直流电机的额定值v1.1直流电机的主要结构：直流电机的主要结构：直流电机由静止的部分直流电机由静止的部分定子定子和旋转的部分和旋转的部分转子转子两大部分构成：两大部分构成：1、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡）主磁极：在

2、大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用流和磁滞损耗，主磁极铁心用11.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。极用螺钉固定在机座上。主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕祖在此磁场的作使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩用下感应电动势和产生电磁转矩.2）换向极：换向极又称附加极或间极）换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。在相邻两主极之间，它也是由铁心

3、和绕组构成。3）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。2、转子部分：转子又称为电枢，包

4、括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。扇、轴和轴承等。1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗电枢铁心通常用电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要

5、电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。能量转换的关键性部件。1.2直流电机的工作原理：直流电机的工作原理：1直流发电机的工作原理：直流发电机的工作原理：线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。向器的交流发电机。2直流电动机的工作原理：直流电动机的工作原理：在直流电动机中，线圈中的电

6、流是交变的，但产生的电磁转矩恒定的。在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩恒定的。v3、直流电机的可逆性：、直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能

7、。可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。理。v1.3直流电机的额定值：直流电机的额定值：为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有：定了保证值，这些保证值称为电机的额

8、定值。直流电机的额定值有：v1额定容量额定容量（功率）（功率）（kW）v2额定电压额定电压（V）；）；v3额定电流额定电流（A）;v4额定转速额定转速（rmin）；）；v5励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流（A）.2直流电机的磁场、电枢反应和电枢绕组直流电机的磁场、电枢反应和电枢绕组v空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空载和负载时直流电机的磁动势和磁场v直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组v直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩2.1空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空载和负载时直流电机的磁动势和磁场在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建

9、在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。立磁场的。一、直流电机的励磁方式：一、直流电机的励磁方式：1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。立。2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联）串励式：电枢绕组和励磁绕组相

10、串联2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：分为积复励和差复励：积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：叫做差复励：二、空载时直流电机的磁场分布：二、空载时直流电机的磁场分布：空载：空

11、载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流即电枢电流为零的状态。那么为零的状态。那么，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。主磁通主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通，磁通，

12、漏磁通：漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通 .特点：特点：1）由同一个磁动势所产生）由同一个磁动势所产生2）所走的路径不同，这就导致了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不）所走的路径不同，这就导致了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。这一点将是我们

13、主要研究的方向。极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙，极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙，显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学形式之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下：来看一下：设设电电枢枢圆圆周周为为 轴轴而而磁磁极极轴轴线线处处为为纵纵轴轴，又又设设电电枢枢长长度度为为 ，则则离离开开坐坐标标原原点为点为 的的 范围内的气隙主磁通为：范围内的气隙主磁通为：则空载时每极主磁通为则空载时每极主磁通为：换言之，空

14、载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。换言之，空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。电机的磁化曲线：电机的磁化曲线：在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样即可以获得较大的磁通，在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。三、负载时的气隙磁场和电枢磁动势：三、负载时的气隙磁场和电枢磁动势：负载时的气隙磁场：负载时的气隙磁场：由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化，而这个变化由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化，而这

15、个变化的性质将是我们下面研究的重点的性质将是我们下面研究的重点电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电枢反应，下面我们就来具体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到底枢反应，下面我们就来具体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机上位置的摆放密切相关：会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机上位置的摆放密切相关：(一一)、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场

16、：、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机进行数学分析，我们得到一个有此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机进行数学分析，我们得到一个有关磁动势分布的表达式：关磁动势分布的表达式：其中，其中，A叫做电枢线负载，也就是电枢表面单位周长上的安培导体数，叫做电枢线负载，也就是电枢表面单位周长上的安培导体数，x是是沿圆周方向的沿圆周方向的距离，因此，我们可以得到磁密的空间分布式：距离，因此，我们可以得到磁密的空间分布式：其中，其中，为气为气隙计算长度，可见，磁密的分布和气息的大小是成反比隙计算长度，可见，磁密的分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚好验证了上一节的磁密

17、分布的曲线形式。关系的，这就刚好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。(二二)、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：看图：引出了直轴电枢磁动势，看图：引出了直轴电枢磁动势，直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为直轴电枢势。直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为直轴电枢势。(三三)、交轴、直轴电枢反应：、交轴、直轴电枢反应：1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。在这里，我们为了分析问题的简单，在这里，我们为了分析问题的简单，假定（假定（1）磁场是不饱和的，（）磁场是不饱和的，

18、（2）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，我们就可以对上图进行叠加，可知时针。这样，我们就可以对上图进行叠加，可知A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，

19、亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。磁作用。2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出：上可以看出：A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，磁的，B:若为电动机，刚好相反，这里不在具体分析。若为电动机，刚好相反，这里不在具体分析。2.2直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组

20、绕组的重要性我们在这里不在重复，要注意的是：电枢绕组的连接须满足在能绕组的重要性我们在这里不在重复，要注意的是：电枢绕组的连接须满足在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能的节省材料，并且希望通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能的节省材料，并且希望结构简单，运行可靠。结构简单，运行可靠。一、介绍几个概念：一、介绍几个概念：（1 1）极轴线：磁极的中心线；）极轴线：磁极的中心线；（2 2）几何中性线：磁极之间的平分线，）几何中性线：磁极之间的平分线，（3 3）：极对数；：极对数；（4 4）极距）极距 ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽数表示，：在电枢铁心表面上，一个

21、极所占的距离。可用槽数表示，（槽），式中（槽），式中Z Z为电枢总槽数；为电枢总槽数；（5 5）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，元件）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，元件的两个出线端分别接到两片换向片上，并与其他元件相连。一个元件边放在的两个出线端分别接到两片换向片上，并与其他元件相连。一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，因此，一个槽里总有上下层两个线圈槽的上层，另一边放在另一槽的下层，因此，一个槽里总有上下层两个线圈边，称为双层绕组，见图所示；边，称为双层绕组，见图所示；（6 6）元件节距（第一节距）元件节距（第一节距）：元件两

22、条边的距离，以槽数计，总是整数。：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数。整数整数其中：其中：凑整分数。：凑整分数。=0 =0，绕组称为整距绕组，绕组称为整距绕组 取负值，取负值，称为短距绕组称为短距绕组 取取正正号号时时 ，称称长长距距绕绕组组。短短距距绕绕组组端端接接短短、省省铜铜，且且有有利利于于换换向，故常用；向，故常用；（7 7）合合成成节节距距 ：相相串串联联两两个个元元件件的的对对应应边边在在电电枢枢表表面面上上的的距距离离，称称为为合成节距，通常也用槽数来表示合成节距，通常也用槽数来表示（8 8）换换向向器器节节距距 ：元元件件两两个个出出线线端端所所接接换换向向片片的的距距离离

23、，通通常常用用换换向向片数片数K K来表示。来表示。二、单叠绕组：二、单叠绕组：在这里，我们用一个具体的事例来给大家进行分析。在这里，我们用一个具体的事例来给大家进行分析。例：已知某直流电机的极对数例：已知某直流电机的极对数 2 2，槽数，槽数 、元件数、元件数S S及换向片数及换向片数K K为为:试画出单叠绕组展开图。试画出单叠绕组展开图。解：解：1 1计计算算绕组绕组数据数据 因为是单叠，所以因为是单叠，所以 2 2画绕组展开图画绕组展开图 为为了了清清晰晰和和直直观观起起见见，工工程程上上都都把把电电机机的的电电枢枢绕绕组组图图画画成成沿沿电电枢枢轴轴线线切切开，展成平面的绕组展开图。开

24、，展成平面的绕组展开图。（1）先画）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长根等长等距的虚线，代表各槽下层元等距的虚线，代表各槽下层元件件边边。实际实际上一根上一根实线实线和一根虚和一根虚线线代表一代表一个槽，依次把槽个槽，依次把槽编编上号，如上号，如图图18-618-6所示；所示；（2 2）根根据据 Y1 ，画画出出第第一一个个元元件件的的上上下下层层边边（1 15 5槽槽），令令上上层层边边所所在在的槽号的槽号为为元件号；元件号；（3 3）接接上上换换向向片片，1 1、2 2片片之之间间对对准准元元件件中中心心线线，之之后后

25、等等分分换换向向器器，定定出出换换向片号；向片号；（4 4）画画出出第第二二个个元元件件，上上层层边边在在第第2 2槽槽，与与第第一一个个元元件件的的下下层层边边联联接接；下下层边层边在第在第6 6槽与槽与3 3号号换换向向联联接。按此接。按此规规律，一直把律，一直把1616个元件全部个元件全部联联起来。起来。5）放磁极：磁极宽度约为）放磁极：磁极宽度约为 均匀分布在圆周上，均匀分布在圆周上，N N极磁力线垂直向里极磁力线垂直向里（进入纸面），（进入纸面），S S极向外（从纸面穿出）；极向外（从纸面穿出）；6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换

26、向片宽（实际上K K很多，电刷很多，电刷 宽宽 2 23 3片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。可可以以看看出出，一一个个极极下下导导体体电电流流的的方方向向是是完完全全一一致致的的（同同一一槽槽中中上上下下层层边边不不属属于于同同一一线线圈圈。但但电电流流的的方方向向一一致致）。而而且且，N N、S S极极下下导导体

27、体电电流流的的方方向向相反，所以能产生一个方向固定的转矩。相反，所以能产生一个方向固定的转矩。单叠绕组元件联接次序图单叠绕组元件联接次序图从第从第1号元件开始，绕电枢一周，把全部元件边都串联起来，之号元件开始，绕电枢一周，把全部元件边都串联起来，之后又回到第后又回到第1号元件的起始点号元件的起始点1。可见，整个绕组是一个闭合回路。可见，整个绕组是一个闭合回路。单叠绕组电路图：单叠绕组电路图：为为了了进进一一步步说说明明单单叠叠绕绕组组各各个个元元件件的的联联接接次次序序及及其其电电动动势势分分布布情情况况，按按图图18-18-7 7各各元元件件的的联联接接顺顺序序，可可得得到到如如图图18-8

28、18-8所所示示的的绕绕组组电电路路图图。从从图图18-818-8可可以以看看出出，每每个个极极下下的的元元件件组组成成 一一条条支支路路，这这就就是是说说，单单叠叠绕绕组组的的并并联联支支路路数数正正好好等等于于电电机机的的极极数数，即即(为为 并并联联支支路路对对数数）。这这是是单单叠叠绕绕组组的的重重要特点之一。要特点之一。从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：（1 1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；（2）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数，（3 3）整个电枢绕组的闭合回路中，

29、感应电动势的总和为零，绕组内部无）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“流流”；（4 4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；（5 5）正正负负电电刷刷之之间间引引出出的的电电动动势势即即为为每每一一支支路路的的电电动动势势，电电枢枢电电压压等等于于支支路路电电压；压；（6 6）由由正正负负电电刷刷引引出出的的电电枢枢电电流流为为各各支支路路电电流流之之和和，即即(式式中中 为为每每一一条条支支路路的的电电流流，即即绕绕组组元元件件中中流流过过的的电电流流）,在在元元件件端端接接线线

30、对对称称的的情情况况下下，电电刷刷的的实实际际位位置置应应在在磁磁极极中中心心线线下下，此此时时，正正负负电电刷刷间间引引出出的的电电动动势势亦亦为为最最大，此时电刷的位置，习惯上称为大，此时电刷的位置，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置电刷放在几何中性线位置”三、单波绕组：如图所示，因为绕组连接起来后像波浪形，所以得名。三、单波绕组：如图所示，因为绕组连接起来后像波浪形，所以得名。相关概念：相关概念：1）节距：）节距：整数整数整数整数单波绕组展开图：单波绕组展开图：我们以一个具体的例子来看这个问题：我们以一个具体的例子来看这个问题：已知某直流电机极对数已知某直流电机极对数p p2 2，槽数、

31、元件数及换向片数为槽数、元件数及换向片数为z=s=kz=s=k1515。要求绕单要求绕单波绕组。波绕组。解：解：1 1）计算相关节距：）计算相关节距：2 2）连图：）连图：2）绕组元件连接次序：）绕组元件连接次序：从从绕绕组组展展开开图图可可以以后后出出，全全部部1515个个元元件件是是按按下下列列次次序序串串联联而而构构成成一一个个闭闭合合回回路路的的，即即：1 1815714613512411310291 这这样样，我们就可以作出他的次序图：我们就可以作出他的次序图：4）单波绕组电路图：）单波绕组电路图：根根据据单单波波绕绕组组1515个个元元件件的的串串联联次次序序及及电电刷刷位位置置，

32、可可以以画画出出本本例例单单波波绕绕组组的电路图如图所示。的电路图如图所示。可可以以看看出出，元元件件1515、7 7、1414、6 6、1313串串联联在在一一起起，即即处处在在S S极极下下的的所所有有元元件件串串联联在在一一起起构构成成一一条条支支路路，各各元元件件的的电电动动势势方方向向是是相相同同的的。元元件件4 4、1111、3 3、1010、2 2串串联联在在一一起起，构构成成另另一一条条支支路路，它它们们的的电电动动势势方方向向也也是是相相同同的的。由由此此可可见见，单单波波绕绕组组是是把把所所有有N N极极下下的的全全部部元元件件串串联联起起来来组组成成了了一一条条支支路，把

33、所有路，把所有S S极下的全部元件串联起来组成了另一支路。极下的全部元件串联起来组成了另一支路。由由于于磁磁极极只只有有N N、S S之之分分，所所以以单单波波绕绕组组的的支支路路图图对对数数与与极极对对数数多多少少无无关关，永远为永远为1，即：，即：a a1.如图：如图：单单波波绕组绕组有以下特点：有以下特点：（1 1）同同极极性性下下各各元元件件串串联联起起来来组组成成一一条条支支路路支支路路对对数数，1 1，与与磁磁极极对对数数无关；无关；（2 2）当当元元件件的的几几何何形形状状对对称称时时，电电刷刷在在换换向向器器表表面面上上的的位位置置对对准准主主磁磁极极中中心心线线，支路，支路电

34、动势电动势最大；最大；（3 3）电电刷刷组组数数应应等于极数（采用全等于极数（采用全额电额电刷）；刷）；（4 4）电电枢枢电电流流 。从从上上面面的的分分析析可可知知，相相同同元元件件数数时时，叠叠绕绕组组并并联联支支路路数数多多，每每条条支支路路里里串串联联元元件件数数少少，适适用用于于较较低低电电压压、较较大大电电流流的的电电机机。对对于于单单波波绕绕组组，支支路路对对数数永永远远等等于于1 1，每每条条支支路路里里所所包包含含的的元元件件数数较较多多，所所以以这这种种绕绕组组适适用用于较高电压，较小电流的电机，至于大容量的电机，可以采用混合绕组。于较高电压，较小电流的电机，至于大容量的电

35、机，可以采用混合绕组。2.3直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩一、电枢电动势：一、电枢电动势：电电枢枢电电动动势势是是指指直直流流电电机机正正负负电电刷刷之之间间的的感感应应电电动动势势，也也就就是是电电枢枢绕绕组组里里每每条条并并联联支支路路的的感感应应电电动动势势。所所以以，我我们们可可以以先先求求一一根根导导体体的的在在一一个个极极距距范范围围内内所所产产生生的的平均电动势，再求一条支路的。平均电动势，再求一条支路的。一个磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用表示，极距为表示，极距为，电枢的轴向有效长度为，电枢的轴向有效长度为，每极磁通为每极磁

36、通为，则则v一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：v又因为：又因为：v所以：所以：因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为电枢总导数，为电枢总导数，），），于是，电枢电动势为：于是，电枢电动势为：式中，式中，是一个常数，称为电动势常数。是一个常数，称为电动势常数。二、电磁转矩：二、电磁转矩：如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：）先求一个导体的平均电磁力：2）平

37、均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：3）电机总的电磁转矩则为：）电机总的电磁转矩则为：式中：式中：是一个常数，称为转矩常数，是一个常数，称为转矩常数，是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。比与每极磁通和电枢电流。，对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系，之间有一固定的关系，或或三、直流电机的电磁功率：三、直流电机的电磁功率：3 直流电机的基本方程式和运

38、行特性直流电机的基本方程式和运行特性v直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式v直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性v直流电动机直流电动机v直流电机的换向直流电机的换向v直流电机的起动、制动与调速直流电机的起动、制动与调速3.1直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式在这里，首先对正方向进行规定：和交流电机一样，我们令对发电机而言，电流流在这里，首先对正方向进行规定：和交流电机一样，我们令对发电机而言，电流流出为正方向；对电动机而言，电流流入为正方向。出为正方向；对电动机而言，电流流入为正方向。一、电动势平衡方程式：一、电动势平衡方程式：如如图图所所示示，根根据据基基尔尔霍霍夫夫第

39、第二二定定律律，对对任任一一有有源源的的闭闭合合回回路路，所所有有电电动动势势之之和和等等于于所有电压降和（所有电压降和（），），有：有：二、转矩平衡方程式：二、转矩平衡方程式：直流发电机在稳态运行时，电机的转速为直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩；一个是电磁转；一个是电磁转矩矩T；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用表示载转矩，用表示T T0 0,.空载转矩是一个制动

40、性转矩空载转矩是一个制动性转矩,永远与转永远与转速速n的方向相的方向相反反由上图可得：由上图可得：三、功率平衡方程式：三、功率平衡方程式：从原动机输入的机械功率可用下式表示从原动机输入的机械功率可用下式表示：式中电磁功率式中电磁功率PM为转换成电枢回路的电功率：为转换成电枢回路的电功率：其中，其中，空载损耗空载损耗为：为：由以上各式可得：由以上各式可得：如此，则发电机的效率为：如此，则发电机的效率为：额额定定负负载载时时，直直流流发发电电机机的的效效率率与与电电机机的的容容量量有有关关。10kW以以下下的的小小电电机机，效效率率约约为为75%88.5%；10100kW的的，效效率率约约为为85

41、%90%;1001000kW的电机，效率约为的电机，效率约为88%93%。3.2直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性所谓运行特性，就是要找出电机在工作的过程中所展现的某些特性，并将这些特所谓运行特性，就是要找出电机在工作的过程中所展现的某些特性，并将这些特性用曲线的形式进行表示，在直流电机中，我们要重点掌握的有：性用曲线的形式进行表示，在直流电机中，我们要重点掌握的有：（1）负载特性负载特性指指当当n=常常数数且且I=常常数数时时，U=f(If)的的关关系系，其其中中当当I=0时时的的特特性性U0=f(If)称称为为发发电电机机的空载特性。的空载特性。（2）外特性外特性指当指当n=常数且常

42、数且If=常数或常数或Rf=常数时，常数时，U=f(I)的关系的关系（3）调节特性）调节特性指当指当n=常数且常数且U=常数时，常数时，If=f(I)的关系。的关系。（4）效率曲线）效率曲线下面进行详细的几种主要特性的介绍：下面进行详细的几种主要特性的介绍：一、他励直流发电机的空载特性：一、他励直流发电机的空载特性：实验条件：如图所示，实验条件：如图所示，打打开开闸闸刀刀开开关关Q，调调节节电电阻阻从从而而改改变变励励磁磁电电流流，由由零零开开始始单单调调增增长直至长直至，然后让，然后让单调减小至零再反向单调增加单调减小至零再反向单调增加直直至至负负的的为为，然然后后又又使使单单调调减减小小至

43、至零零。在在调调节节过过程程中中读读取取空空载载端端电电压压与与励励磁磁电电流流数数组组数数据据，即即的的空空载载特特性性，如如图图19所示。所示。分析特性：分析特性：1）由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线是一闭合的回线。是一闭合的回线。2 2）由于电机有剩磁，使得）由于电机有剩磁，使得 时仍有一个时仍有一个很低的电压，称之为剩磁电压，很低的电压，称之为剩磁电压，其值约为的其值约为的%。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。示）作为空载特性。3）空载特性）空载特性与电机的磁化曲线与电

44、机的磁化曲线形状相似，只差一个比例常数。形状相似，只差一个比例常数。4）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以用上述）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以用上述方法求取，他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲线。方法求取，他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲线。二、他励直流发电机的外特性：二、他励直流发电机的外特性：实验条件：实验条件：使发电机接上负载，当原动机保持使发电机接上负载，当原动机保持，调节，调节使之不使之不变，然后改变负载使变，然后改变负载使从零增加到从零增加到，读取，读取、之值，即得到外特之值，即得到外特性曲线性曲线，如图，

45、如图19所示。电流增大时，端电压下降，其原所示。电流增大时，端电压下降，其原因有两个：因有两个：负负载载增增大大时时，电电枢枢反反映映的的去去磁磁作作用用增增强强，使使每每极极磁磁通通量量减减小小，从从而使电枢电动势减小而使电枢电动势减小电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。而而我我们们发发现现并并励励方方式式下下，端端电电压压下下降降的的更更快快一一些些：负负载载增增大大时时，电电枢枢反反应应的的去去磁磁作作用用增增强强，使使每每极极磁磁通通量量减减小小，这这样样不不仅仅影影响响了了电电枢枢电电动动势势，使使端端电电压

46、压下下降降，同同时时端端电电压压的的下下降降进进一一不不也也影影响响了了励励磁磁电电流流使使之之减减小小，这这样样一一来来，又又使使得得的的电电枢枢电电动动势势双双重重减减小，所以，并励下降的更快一些。小，所以，并励下降的更快一些。电压变化率：电压变化率：由空载倒负载，电压下降的程度。由空载倒负载，电压下降的程度。他励直流发电机的电压变化率约为他励直流发电机的电压变化率约为。三、他励直流发电机的效率曲线：三、他励直流发电机的效率曲线：不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小无关，称为不变损耗。不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小无关，称为不变损耗。可变损耗：负载运行时电枢绕组的

47、铜损耗与可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与 成正比，称为可变损耗。同成正比，称为可变损耗。同样，我们可用实验的方法得到效率曲线。如图：样，我们可用实验的方法得到效率曲线。如图：我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，那么，这是为什么呢？我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，那么，这是为什么呢？分析：我们知道在负载较小时，电机内的损耗主要以不变损耗为主，随着分析：我们知道在负载较小时，电机内的损耗主要以不变损耗为主，随着负载的增加，电枢电流也在随之增加，这样，铜损耗的作用开始显著，负载的增加，电枢电流也在随之增加，这样，铜损耗的作用开始显著，当增加到和不变损耗相等时，出现效率最大点，随

48、后，若继续增加负载，当增加到和不变损耗相等时，出现效率最大点，随后，若继续增加负载，可变损耗将有大量的以热的形式存在，并且增大的速度比不上铜损耗可变损耗将有大量的以热的形式存在，并且增大的速度比不上铜损耗增增加速度，使加速度，使 效率反而随着输出的增大而降低效率反而随着输出的增大而降低。四、并励直流发电机的自励建压：四、并励直流发电机的自励建压：在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励式和自励式，在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励式和自励式，现在，我们就来看看这种自励过程是如何实现的：如图所示现在，我们就来看看这种自励过程是如何实现的：如图所示 由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电

49、机由原动机推动至额定转由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的电将流过一个不大的电流，并产生一个不大的励磁磁动势。如果流，并产生一个不大的励磁磁动势。如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机的励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机的 剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁通和由它产生的电剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁通和由它

50、产生的电枢端电压有所增加。在比较高的励磁电压作用下，励磁电流又枢端电压有所增加。在比较高的励磁电压作用下，励磁电流又进一步加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一进一步加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机这就是发电机自励过程。自励过程。在在自自励励过过程程中中，发发电电机机的的电电压压是是否否会会无无限限制制地地增增长长下下去去呢呢？从从图图19-819-8可可以以清清楚楚地地看看出出，当当发发电电机机的的电电压压上上升升到到P P点点所所对对应应的的