1、直流電機的基本結構和運行原理 本章主要分析直流電機的基本結構和工作原理，討論直流電機的磁場分布、感應電動勢、電磁轉矩、電樞反應及影響、換向及改善換向方法，從應用角度分析直流發電機和直流電動機的工作特性運行特性。第二節 直流電機的銘牌數據第三節 直流電機的繞組第四節 直流電機的勵磁方式及磁場第五節 感應電動勢和電磁轉矩的計算第六節 直流電機的運行原理第七節 直流電機的換向第一節 直流電機的工作原理與結構直流電動機的優點： 1、便于移動。 2、調速性能好。 3、啟動轉矩大。直流電動機的缺點： 1、制造工藝復雜，生產成本高。 2、維護較困難。 3、可靠性差。 直流電機在一些特殊場合被廣泛應用，如航空

2、、電力機車、化工、冶金行業、大型同步發電機勵磁、汽車電瓶充電等。第一節 直流電機的工作原理和結構一、直流電機的工作原理 直流電動機工作原理 把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。如右圖： 在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S 極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩，電機轉子逆時針方向旋轉。 當電樞旋轉到右圖所示位置時,原N極性下導體 ab 轉到 S 極下，受力方向從左向右，原S 極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續逆時針方向旋轉。 直流

3、電動機工作原理： 勵磁繞組通入直流電流產生磁動勢，繼而產生主磁場。由于換向器的作用保證同一磁極下元件邊內的電流方向始終一致，電流與磁場作用產生方向不變的電磁轉矩使直流電動機旋轉。 直流電動機換向器的作用？ 直流發電機工作原理 右圖為直流發電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。 因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。 實際直流發電機的電樞是根據實際

4、需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規律連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據需要N、S極交替旋轉多對。 當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉 1800后 ，如右圖。 導體ab在S極下，a點低位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性性仍為正，電刷B極性仍為負。直流發電機工作原理： 勵磁繞組通入直流電流產生磁動勢，繼而產生主磁場。電樞繞組切割磁力線產生感應電動勢，由于換向器的作用將元件內的交流電動勢轉換為電刷間的直流電動勢。 直流發電機換向器的作用？ 直流電機結構示意圖機座磁極極身勵磁繞組轉子磁極極掌二、直流電機的結構直流電機的主要結構1換向極鐵

5、心2換向極繞組3主極鐵心4勵磁繞組5電樞齒6電樞鐵心7換向器8電刷9電樞繞組10機座11底腳換向器結構1換向片；2墊圈3絕緣層；4套筒安裝在機座上的主極 1極身；2極靴；3勵磁繞組；4絕緣板；5機座主磁極： 建立主磁場；用115mm鋼板沖片疊裝而成。換向磁極：改善換向；用鋼塊制造或用鋼板沖片疊裝而成。勵磁繞組：用電磁線（漆包線）繞制，通直流電產生磁動勢。機座：由鑄鋼或鋼板焊接而成，即是結構件又是主磁路的一部分。電刷裝置：主要有電刷和刷握組成，引入或引出直流電。電樞鐵心：主磁路，嵌放電樞繞組；用05mm硅鋼板沖片疊 裝而成。電樞繞組：通過電流或感應電動勢實現機電能量轉換。由多個元件（獨立線圈）按

6、一定規律串聯而成，元件用電磁線繞制。 換向器：改變電樞繞組的電流或感應電動勢方向；由換向片（銅）加絕緣組成。它與電刷裝置配合使用。第二節 直流電機的銘牌數據額定功率 PN指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以 “W” 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時，則用 kW 或 MW 表示。 對于直流發電機，PN是指輸出的電功率。 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率。額定電壓 UN 指額定狀態下電樞出線端的電壓，以 “V” 為單位。額定電流 IN 指電機在額定電壓、額定功率時的輸出電流值，以 “A” 為單位。 額定轉速 nN 指額定狀態下運行時轉子的轉速，以r/min為單位。

7、額定勵磁電壓 UfN 指電機在額定狀態時的勵磁電壓值。 額定勵磁電流IfN指電機在額定工作狀態時的勵磁電流值。 此外，電機銘牌上還標有其它數據，如型號、額定效率、出廠日期、出廠編號等。 國產直流電機的系列產品代號采用大寫漢語拼音字母表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯數字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動機、第二次改進設計型，“7”表示機座號，7后面的2表示長鐵心（2號表示長鐵心，1號表示短鐵心）。 （1） Z2系列是普通中小型直流電機。 （2） ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。 其他系列的直流電機型號、技術數據可從產品目錄或相關的手冊中查

8、到。 第三節 直流電機的繞組一、簡單的繞組二、繞組的基本形式 直流電機電樞繞組的基本形式有單疊繞組、單波繞組和混合繞組三種形式。 在實際中由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個元件邊，將一個上層邊（首端）和一個下層邊（末端）在槽內所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數S 等于實槽數Q。第一節距：一個元件的兩個邊在電樞表面跨過的距離，用 y1表示（以槽數計）。第二節距：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的 下層邊與第二個元件的上層邊間的距離，用y2 表示（以槽數計）。直流樞繞組基本概念：合成節距：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間

9、的距 離，用y表示。 單疊繞組： y = y1 - y2 單波繞組： y = y1 + y2換向節距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離，用 yc表示。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示 (以槽數計）。 =Q/2p 注：p為極對數。（一）單疊繞組 相鄰的元件依次串聯，元件的兩個首末端連接于相鄰的兩個換向片上。 以極對數 p=2的直流電機為例，說明單疊繞組的聯接。設S（元件數）=K（換相片數）=Q（槽數）=16，取第一節距y1等于極距=16/4=4 ，換相器節距yc =1。瞬間繞組的并聯支路電路圖：單疊繞組的的特點：同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極對數p與支路對數a

10、相同。電刷數等于主磁極數，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯支路電動勢。電樞電流等于各支路電流之和。（二）單波繞組 指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件依次串聯起來。沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。 以極對數p =2的直流電機為例，說明單波繞組的聯接。設S（元件數）=K（換相片數）=Q（槽數）=15， =15/4=3+3/4 取第一節距y1=3，換相器節距yc =7。瞬間繞組的并聯支路電路圖：單波繞組的特點：同極下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數為a=1，與磁極對數無關；電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；為了減

11、小電刷的電流密度，實際電刷對數b=極對數p。 在實際應用中，直流電機除，單疊繞組、單波繞組外還有復疊、復波及混合繞組形式，如m疊繞組或m波繞組它的并聯支路數是單疊繞組、單波繞組的m倍。應用： 疊繞組并聯支路數多，通常用于電流較大、電壓正常（較低）和轉速正常的大中型直流電機。 波繞組并聯支路數少，通常用于電流較小、電壓較高和轉速較低的中小型直流電機。 第四節 直流電機的勵磁方式及磁場一、直流電機的勵磁方式 直流電機的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式。除永磁式微型直流電機外，直流電機的磁場都是通過勵磁繞組通入電流激勵而建立的。 按勵磁方式不同可分為：他勵、并勵、串勵和復勵。 他勵并勵串勵復勵

12、二、直流電機的空載磁場 下圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。 當勵磁繞組的串聯匝為Nf ，流過電流為If ，則每極的勵磁磁動勢為：Ff =If Nf 。 直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通比主磁通小得多，所以在直流電機里一般不計漏磁通。磁力線由N極出來，經氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經定子鐵軛回到N極。主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路。漏磁通漏磁路 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，

13、主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。 磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數，靠近極尖處，氣隙逐漸大，磁通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀 （b）氣隙磁密分布 空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖所示。 為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通。空載時，氣隙磁通0與空載磁動勢Ff0 或空載勵磁電流If0 的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。 為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通N設定在圖中A點，即在磁化特性曲線

14、接近進入飽和區的位置。三、 直流電機負載時的負載磁場及電樞反應 直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現使電機的磁場發生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。 假設勵磁電流為零，此時只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。 如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中Fax所示。 由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中Bax所示。 當

15、勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對勵磁磁動勢產生的氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。 1、當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。 主磁場的磁通密度分布曲線 電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線 1) 使氣隙磁場發生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線，磁通密度的曲線與空載時不同。 2) 呈去磁作用 磁路

16、不飽和時，主磁場被削弱的數量等于加強的數量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質。由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：一、感應電動勢的計算第五節 感應電動勢和電磁轉矩的計算產生:電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱 為電樞電動勢。大小:性質: 發電機電源電動勢(與電樞電流同方向)； 電動機反電動勢(與電樞電流反方向)。為電機的結構常數（電動勢常數）。其中 可見，直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有

17、關。二、電磁轉矩的計算產生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的 作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。大小:性質: 發電機制動(與轉速方向相反)； 電動機驅動(與轉速方向相同)。 EaIa或Te稱為電磁功率。 可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉矩常數，有其中第六節 直流電機的運行原理一、直流電機的基本方程式 電動勢平衡方程式： 電動機 U=Ea +Ia Ra（+2Uc） 發電機 Ea=U +Ia Ra （+2Uc） 勵磁回路 Uf =If Rf 其中感應電動勢 Ea=Ce n 轉矩平衡方程式： 電動機 Te=T2+T0 式中，Te為電動機中產

18、生的電磁轉矩；T2為軸輸出轉矩，其性質為制動轉矩；T0為空載轉矩，由電機的機械摩擦和鐵損引起的轉矩。T2+T0為總的阻轉矩，方向與Te相反。 發電機 T1=Te+T0 式中，T1為原動機的拖動轉矩；Te為發電機中產生的電磁轉矩，其性質為制動轉矩；發電機的轉向由原動機決定，T1 Te，故電磁轉矩為制動轉矩，是阻礙原動機轉動的阻轉矩。 功率平衡關系 電動機 P1=pCuf+pCua+pc+Pe Pe=pFe+pmech+P2二、直流電動機的工作特性 有關方程式： 并勵直流電動機的工作特性 轉速特性： 忽略電樞反應的去磁作用，轉速與電樞電流按線性關系變化。naI0n思考題：1、直流電動機空載啟動電流

19、大，還是負載啟動電流大？2、為什么直流電動機啟動轉矩大？3、Te為驅動轉矩，TZ增大后， Te會自動增大？4、直流啟動電動機？ 轉矩特性：轉矩表達式： 考慮電樞反應的作用，轉矩上升的速度比流上升慢。 效率特性： 其中空載損耗p0與負載電流變化無關，稱為不變損耗。電樞銅耗pCua隨負載電流平方倍變化，又稱可變損耗。 - - 當負載電流從零逐漸增大時，效率也隨之增大，當負載電流增大到一定程度，效率達最大，之后隨負載電流的繼續增大，效率反而減小。 - - 如果令 d/dIa=0，可得：說明不變損耗等于可變損耗時，效率最高，效特性的這個特點，對其他電機、變壓器也適用，具有普遍意義。 串勵直流電動機的工

20、作特性 當負載電流較小時，電機磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關系。即：轉速特性：轉矩特性： 當負載電流較大時，磁路飽和，串勵電動機的效率特性與并勵電動機相同。 當負載電流為零時，電機轉速趨于無窮大，所以串勵電動機不宜輕載或空載運行。 復勵電動機工作特性 常用的復勵電動機大都為積復勵。這時串勵繞組的勵磁方向和并勵繞組的勵磁方向相同。積復勵電動機的轉速特性比并勵電動機軟，但比串勵電動機硬，介于二者之間。同理，復勵電動機的轉矩特性和機械特性也將介于并勵電動機和串勵電動機的相應特性之間，并依并勵磁動勢和串勵磁動勢的相對強弱而有所不同。如并勵磁動勢在總磁動勢中占優勢，則復勵電動機的特性和并勵電

21、動機接近。反之，如串勵磁動勢在總磁動勢中占優勢，則復勵電動機的特性和串勵電動機接近。適當地選擇并勵磁動勢和串勵磁動勢的相對強弱，可以使復勵電動機具有負載所需要的特性。 差復勵電動機應用極少。 復勵串勵并勵三、直流發電機的特性 直流發電機大都作為電源使用，勵磁方式有：他勵、并勵和復勵。 空載運行 空載特性 空載特性是指原動機的轉速n=nN，輸出端開路，負載電流I=0時，電樞端電壓與勵磁電流之間的關系，即： U0=E0=（If）。空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線 如圖，曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻Rf特性線，也稱場阻線Uf=If Rf 。如果增大Rf ，場阻

22、線斜率增大，空載電壓降低。如果繼續增大Rf，場阻線變為曲線3，此時Rf稱為臨界電阻Rfcr。若再增加勵磁回路電阻，發電機將不能自勵建壓。 并勵直流發電機自勵（建壓）條件： 分析： 原動機帶動發電機旋轉時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩余磁通感應電動勢，在電動勢作用下勵磁回路產生電流。如果并聯在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性正確，則產生的磁動勢與剩磁方向相同，使主磁路的磁通增加，電動勢增大。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與電樞回路相等（即U=Uf=If Rf）時，發電機電壓達到穩定的平衡工作點A。-+UIa 負載特性 當n=nN ，If =IfN時，U=f (I)的關系，稱為負載特性，如右圖。 由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。 根據公式U=Ce n-IaRa 可知，如果轉速不變，端電壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增大，使端電壓下降。 解決這一問題可采用積復勵繞組。積復勵勵磁方式如圖：總結：（1）電機的