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1、 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调速和制动速和制动 。第三章 直流电机3.3 3.3 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组3.2 3.2 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 3.4 3.4 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3.6 3.6 直流动电机直流动电机 3.7 3.7 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、

2、调速和制动 3.13.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构3.5 3.5 直流发电机直流发电机直流发电机的作用：直流电源。直流发电机的作用：直流电源。直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。直流电动机优点：（直流电动机优点：（1）调速范围广，且易于平滑调节；）调速范围广，且易于平滑调节；（2）过载、启动、制动转矩大；）过载、启动、制动转矩大；（3）易于控制，可靠性高；）易于控制，可靠性高；（4）调速时的能量损耗较小。）调速时的能量损耗较小。直流电机缺点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。直流电机缺点：换向困难；造价高；故障频繁，

3、寿命短。3.1.3.1.1 1直流电机的主要结构直流电机的主要结构l 直流电机由直流电机由静止静止的定子和的定子和旋转的转子（又称电枢）旋转的转子（又称电枢）两大部分组成两大部分组成；l 定、转子之间有一间隙，定、转子之间有一间隙，称为气隙。称为气隙。一、一、定子部分定子部分 定子的主要部件有主磁极、机座、换向极、端定子的主要部件有主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。盖和电刷装置等部件组成。（1）主磁极（N、S交替排列）交替排列）主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。a.主极铁心主极铁心磁路，磁路，通常由通常由0.53mm厚低碳钢板构成厚低碳钢板

4、构成；b.励磁绕组励磁绕组电路电路，由由导导线绕制线绕制。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。组容易固定。（2）机座 机座有两个作用：一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座作为磁通通路部分称为磁轭。机座有两种类型：整体机座和叠片机座。机座的两端装有端盖。（3）端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。（4）换向极（附加极）l 安装在两相邻主磁极之间的

5、一个小磁极，它的作用是改善换向作用是改善换向情况；情况；l 由铁心、绕组构成；l 其绕组与电枢绕组串联。（5）电刷装置 电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置；它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成；电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。电刷组的数目可以用电刷杆数表示，电刷杆数与电机的主磁极数相等。二二、转子部分转子部分直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。（1）电枢铁心 l电枢铁心既是主磁路的组成部分，又

6、是电枢绕组支撑部分；l为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。l电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。（2）电枢绕组l 一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成；l 直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生 电磁转矩进行机电能量转换的部分。电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组电枢铁心冲片电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚厚)（硅钢片）（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成均匀开槽均匀开槽 换向器由许多具有换向器由许多具有燕燕尾形的换向片排成一个圆筒，尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个其间用云母片

7、绝缘，两端再用两个V形环夹紧形环夹紧。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊接在接在相应相应换向片的换向片的联接片（或联接片（或升高片升高片）上）上。（3）换向器一、直流发电机工作原理一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连接到连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转

8、子线圈与外电路的的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。（动的电刷进行的。（动画动画）3.1.2 直流电机的工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后后 ，如右图。，如右图。0180 可见，和电刷可见，和电刷A接触的导体接触的导体总是位于总是位于N极下，和电刷极下，和电刷B接触接触的导体总是位于的导体总是位于S极下。极下。导体导体ab在在S极下，极下，a点低电点低电位，位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在N极极下，下，c点低电位，点低电位，d点高电位；点高电位；电刷电刷A极性仍为正，电刷极性

9、仍为正，电刷B极极性仍为负。性仍为负。可见，和电刷可见，和电刷A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N极下，和电刷极下，和电刷B接触接触的导体总是位于的导体总是位于S极下，因此电刷极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷的极性总是正的，电刷B的的极性总是负的，在电刷极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要构成电机的电枢绕组。磁极

10、也是根据需要N、S极交替旋转多对。极交替旋转多对。二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A、B接到直流电源接到直流电源上，电刷上，电刷A接正极，电刷接正极，电刷B接负接负极。此时电枢线圈中将电流流极。此时电枢线圈中将电流流过过。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，在磁场作用下，N极性下导极性下导体体ab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S 极极下导体下导体cd受力方向从左向右。受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子

11、逆时针方向旋矩时，电机转子逆时针方向旋转。转。原原N极性下导体极性下导体ab转到转到S极下，受极下，受力方向从左向右，原力方向从左向右，原S 极下导体极下导体cd转到转到N极下，受力方向从右向极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。向旋转。（动画）（动画）当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。圈，磁极也并非

12、一对。3.1.3 直流电机的铭牌数据 额定值是制造厂对各种电气设备（本章额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌数据。气的铭牌上，故又叫铭牌数据。1、额定功率、额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下

13、运行时，电机的输出功率，以指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于 1kW 或或 1MW 时，则用时，则用 kW 或或 MW 表示。表示。对于直流发电机，对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。即即 ：PNUNIN 对于直流电动机，对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以：是指输出的机械功率，所以：PNUNINN 额定励磁电流额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。指电机在额定状态时的励磁电流值。额定电压额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的

14、电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。为单位。额定电流额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为单位。为单位。额定转速额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单为单位。位。3.3.1 3.3.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势3.3 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。nCnapzEea60性质性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).，称为电动势常数为电机的

15、结构常数式中：apzCe60可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。3.3.2 直流电机的电磁转矩 电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。ataICIapzT2性质性质:发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。流成正比。为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中ap

16、zCt2etCC55.93.4 3.4 直流电动机直流电动机直流电动机能把直流电能转换为机械能。直流电动机能把直流电能转换为机械能。(原理原理)直流电机按励磁方式直流电机按励磁方式分为他励电机分为他励电机;自励电机（并励电机、自励电机（并励电机、串励电机和复励电动机三种方式）。串励电机和复励电动机三种方式）。主要内容主要内容:直流电动机的运行原理、工作特性、机械特性直流电动机的运行原理、工作特性、机械特性及起动、调速和制动运行及起动、调速和制动运行直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流直流电机的励磁电流由其它直流电

17、源单独供给。由其它直流电源单独供给。aII GUUfIFaII 他励直流发电机的电枢电他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：流和负载电流相同，即：一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。2 2、并励、并励：发电机的励磁绕发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满组与电枢绕组并联。且满足足 。faIIIfIFIGUaI3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组串联。满足串联。满足 。IIIfaGIaIfIFU4 4、复励、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励

18、磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF二、二、直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程aEMUaIT0T2TnfIfU如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向电机稳态时的基本方程如下：电机稳态时的基本方程如下：atICTLTTTT02nCEeaaaaRIEUfffRUI),(faIIf)(102cuFemMpppPpPP功率关系功率关系aaaaaRIIEUI2两边同乘以电枢电流两边同乘以电枢电流aaaRIEU电压平衡等式电压平衡等式aacuRIp2电枢回路的铜损耗电枢回路的

19、铜损耗aUIP 1从电源输入的电功率从电源输入的电功率aaMIEP电枢吸收的电磁功率电枢吸收的电磁功率转矩平衡等式转矩平衡等式02TTT两边同乘以机械角速度两边同乘以机械角速度02TTT02pPPMcuMpPP1若考虑附加损耗和励磁回路消耗的功率，则若考虑附加损耗和励磁回路消耗的功率，则)(102facuFemMpppppPpPP三、直流电动机的工作特性三、直流电动机的工作特性（1）转速特性）转速特性1、他励（并励）直流电动机的工作特性NUU 定义：当 、时，fNfII)(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按

20、线性关系变化。流按线性关系变化。（2）转矩特性）转矩特性NUU 定义：当 时，fNfII)(aIfT 转矩表达式atICT 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。上升的慢。)(aIfn)(aIfTaIn0T0T)(2aIfT（3）、效率特性）、效率特性由方程式可得由方程式可得pPpPpP2111 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机负载电流

21、增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。此时效率又变小。aI0NUU 定义：当定义：当 、时，时，)(aIffNfII2.他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性定义定义:当电动机加上一定的电压当电动机加上一定的电压 和一定的励磁电流和一定的励磁电流 时时,转速转速 与电动机电磁转矩与电动机电磁转矩 的关系的关系,即即)(Tfn nUfITTnTCCRCUCIRCUnetaeNeaaeN02eCUn0理想空载转速理想空载转速2etaCCR机械特性的斜率机械特性的斜率3

22、3、串励、串励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：磁电流呈线性关系。即：afIkIk转速特性转速特性eaaeeaaeCkRICkUCIRCUn因转矩特性因转矩特性2atatICkICTT0n 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。机不宜轻载或空载运行。eaetkCRTUkCCn 3.5 3.5 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动 一、直流电动机的起动一、直流电动机

23、的起动 起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这就是电动机的起动过程。就是电动机的起动过程。1、起动转矩要足够大、起动转矩要足够大;2、起动电流不要太大、起动电流不要太大（小于允许值）（小于允许值）;3、起动过程消耗的能量要小、起动过程消耗的能量要小;4、起动设备简单、起动设备简单,便于控制。便于控制。对起动性能的要求：对起动性能的要求：降压起动降压起动起动时降低电枢绕组电压起动时降低电枢绕组电压。2、起动方法、起动方法直接起动直接起动直接将电机接到额定电压的电源，进行起动。直接将电机接到额定电压的电源，进行起动。电枢回路串电阻起

24、动电枢回路串电阻起动起动时在电枢回路串入起动电阻起动时在电枢回路串入起动电阻sR问题：问题：为什么说直流电动机直接起动的起初起动电流很为什么说直流电动机直接起动的起初起动电流很大？它会对电机产生什么影响大？它会对电机产生什么影响？问题：问题：起动直流电动机时，在电枢回路中串电阻的目的是什起动直流电动机时，在电枢回路中串电阻的目的是什么？为什么要在起动过程切除电阻？么？为什么要在起动过程切除电阻？注意：注意：并励直流电动机，由于励磁绕组与电枢绕组并联，电并励直流电动机，由于励磁绕组与电枢绕组并联，电枢电压降低，励磁电压即降低，从而主磁通降低，影响到反枢电压降低，励磁电压即降低，从而主磁通降低，影

25、响到反电动势的建立和起动转矩的减少，所以并励直流电动机如用电动势的建立和起动转矩的减少，所以并励直流电动机如用降压起动，励磁绕组须采用他励，使励磁电压不受电枢电压降压起动，励磁绕组须采用他励，使励磁电压不受电枢电压的影响。的影响。1对调速性能的要求：对调速性能的要求：（1）调速范围大（调速范围大（2）调速平滑（调速平滑（3）经济性好经济性好（4）方法简便可靠方法简便可靠二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速2调速方法调速方法因为因为 TCCRRCUnetsae2所以所以（1）改变电枢回路的串联电阻）改变电枢回路的串联电阻 ；（2）改变励磁电流）改变励磁电流 （励磁回路串电阻），即改变气（励磁

26、回路串电阻），即改变气隙磁通隙磁通 ；（3）改变电枢电压）改变电枢电压 。sRUfI3.他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速（1）改变电枢回路的串联电阻改变电枢回路的串联电阻 特点：特点：a.转速只能在对应电枢绕组电阻的基本转速往下调；转速只能在对应电枢绕组电阻的基本转速往下调；b.电枢回路串入较大电阻后机械特性变软，负载变化电枢回路串入较大电阻后机械特性变软，负载变化对转速的影响较大，工作不稳定；对转速的影响较大，工作不稳定；c.难以实现平滑调速；难以实现平滑调速；d.损耗大，经济性差损耗大，经济性差e.属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。（2）减小气隙磁通）减小气隙磁通特点：特点：a.转速

27、只能在对应额定励磁电流的基本转速往上调转速只能在对应额定励磁电流的基本转速往上调,电电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制；动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制；b.可以实现平滑调速；可以实现平滑调速；c.损耗小，设备简单，控制方便损耗小，设备简单，控制方便d.属于恒功率调速。属于恒功率调速。(3)降压降压调速调速特点：特点：a.转速只能在对应额定电压的基本转速往下调；转速只能在对应额定电压的基本转速往下调；b.稳定性好；稳定性好；c.调速范围大调速范围大,可以实现平滑调速；可以实现平滑调速；e.属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。一般保持原磁场大小，方向不变。一般保持原磁

28、场大小，方向不变。制动的方法：回馈制动制动的方法：回馈制动 能耗制动能耗制动 反接制动反接制动1.回馈制动回馈制动 电机将系统具有的动能回馈电网，这种制动称之为回电机将系统具有的动能回馈电网，这种制动称之为回馈制动。馈制动。特点特点：比较经济；只能发生在比较经济；只能发生在 期间。期间。0nn 将转动部分的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上，将转动部分的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。所以称为能耗制动。2.能耗制动能耗制动三、直流电动机的制动（电磁制动）三、直流电动机的制动（电磁制动）这种制动方法在转速较高时制动作用较大，随着转速这种制动方法在转速较高时制动作用较大，

29、随着转速下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制动装置，使系统迅速停转。动装置，使系统迅速停转。可以准确停车。可以准确停车。3.反接制动反接制动（1）电压反接的反接制动）电压反接的反接制动 电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩则电磁转矩反向，产生制动转矩。常用于反转拖动系统中，制动特性陡峭，制动效果好，常用于反转拖动系统中，制动特性陡峭，制动效果好，能耗比较大。能耗比较大。他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路串入电阻，使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出串入电阻，使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第四象限，转速反向，这种制动运行状态，称为转速反现在第四象限，转速反向，这种制动运行状态，称为转速反向制动运行。向制动运行。（2）转速反向的反接制动）转速反向的反接制动常用于起重设备低速下放重物的场合常用于起重设备低速下放重物的场合。