直流電動機工作原理演示文稿目前一頁\總數五十二頁\編于十五點優選直流電動機工作原理目前二頁\總數五十二頁\編于十五點1.2直流電機電樞繞組簡介1.3直流電機的電樞反應

本章主要討論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的運行特性和直流電動機的工作特性。1.4直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩1.5直流電機的換向1.6直流發電機1.7直流電動機1.1

直流電機的基本工作原理與結構思考題與習題目前三頁\總數五十二頁\編于十五點1.1直流電機的基本工作原理和結構1.1.1直流電機的主要結構主磁極：產生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構成換向磁極：改善換向。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機座和端蓋：起支撐和固定作用。定子轉子電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導線繞制而成，是電路部分。換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換轉軸軸承目前四頁\總數五十二頁\編于十五點1.1.2直流電機的工作原理1.1直流電機的基本工作原理和結構一、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。直流發電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械。目前五頁\總數五十二頁\編于十五點

當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉時同，線圈abcd將感應電動勢。如右圖，導體ab在N極下，a點高電位，b點低電位；導體cd在S極下，c點高電位，d點低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負。目前六頁\總數五十二頁\編于十五點

當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉后，如右圖。

與電刷A接觸的導體總是位于N極下，與電刷B接觸的導體總是位于S極下,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。

導體ab在S極下，a點低電位，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極性仍為正，電刷B極性仍為負。

實際直流發電機的電樞是根據實際需要有多個線圈。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。目前七頁\總數五十二頁\編于十五點二、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。

直流電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械。

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。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。目前八頁\總數五十二頁\編于十五點

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。

與直流發電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。

當電樞旋轉到右圖所示位置時目前九頁\總數五十二頁\編于十五點直流電動機的工作原理示意圖:目前十頁\總數五十二頁\編于十五點1.1.3直流電機的銘牌數據額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發電機指軸上輸出的機械功率電動機發電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速.對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。目前十一頁\總數五十二頁\編于十五點

此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機運行時，所有物理量與額定值相同——電機運行于額定狀態。電機的運行電流小于額定電流——欠載運行；運行電流大于額定電流——過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態或額定狀態附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。目前十二頁\總數五十二頁\編于十五點

直流樞繞組基本知識1.2直流電機的電樞繞組簡介元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。疊繞組：指串聯的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。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串聯起來，象波浪式的前進。第一節距：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。目前十三頁\總數五十二頁\編于十五點合成節距：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。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。單疊繞組單波繞組換向節距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。1.2.2.單疊繞組

單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節距與換向節距均為1,即：。

單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關系。目前十四頁\總數五十二頁\編于十五點單疊繞組的展開圖目前十五頁\總數五十二頁\編于十五點根據單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯支路電路圖:單疊繞組的的特點：1）同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極數與支路數相同。2）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。3）電樞電流等于各支路電流之和。目前十六頁\總數五十二頁\編于十五點１.２.３單波繞組

單波繞組的特點是合成節距與換向節距相等，展開圖如下圖所示。

兩個串聯元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；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。目前十七頁\總數五十二頁\編于十五點單波繞組的并聯支路圖:單波繞組的特點1）同極下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數為1，與磁極對數無關；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數等于磁極數；4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。目前十八頁\總數五十二頁\編于十五點直流電機的空載磁場1.3直流電機的電樞反應

直流電機工作中，主磁極產生主磁極磁動勢，電樞電流產生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應。

右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數為，流過電流，每極的勵磁磁動勢為：目前十九頁\總數五十二頁\編于十五點

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，大約是主磁通的20%。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目前二十頁\總數五十二頁\編于十五點

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，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。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

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，氣隙逐漸變大，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。目前二十一頁\總數五十二頁\編于十五點

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。目前二十二頁\總數五十二頁\編于十五點

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，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關系，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，額定磁通設定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區的位置。目前二十三頁\總數五十二頁\編于十五點

直流電機負載時的負載磁場

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，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。目前二十四頁\總數五十二頁\編于十五點

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，如圖中所示。目前二十五頁\總數五十二頁\編于十五點

直流電機的電樞反應

當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。目前二十六頁\總數五十二頁\編于十五點目前二十七頁\總數五十二頁\編于十五點由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：2)、對主磁場起去磁作用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角，磁通密度的曲線與空載時不同。

磁路不飽和時，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。目前二十八頁\總數五十二頁\編于十五點2、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。

電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢。電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移發電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁目前二十九頁\總數五十二頁\編于十五點1.4.1

直流電機的電樞電動勢1.4直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩產生: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——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機——反電勢(與電樞電流反方向).)(電動勢常數為電機的結構常數其中可見,直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關。目前三十頁\總數五十二頁\編于十五點1.4.2直流電機的電磁轉矩產生: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)。

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，有其中目前三十一頁\總數五十二頁\編于十五點1.5.1換向概述1.5直流電機的換向

為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。

直流電機的某一個元件經過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向。

電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。

電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。

電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為元件112目前三十二頁\總數五十二頁\編于十五點

換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。

產生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現象。

元件從開始換向到換向終了所經歷的時間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經過電刷時都要經歷換向過程。目前三十三頁\總數五十二頁\編于十五點1.5.2換向的電磁理論換向元件中的電動勢：自感電動勢

和互感電動勢：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產生的。切割電動勢：在幾何中性線處，由于電樞反應在存在，電樞反應磁密不為零，在換向元件中感應切割電動勢。換向元件中的合成電動勢為：

根據楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總是阻礙換向的。換向電動勢：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應的電動勢。換向電動勢是幫助換向的。目前三十四頁\總數五十二頁\編于十五點換向元件中的電流：

設兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是和，元件自身的電阻為,流過的電流為,元件與換向片間的連線電阻為,元件在換向時的回路方程：

忽略元件電阻和元件與換向片間的連線電阻，并設電刷與換向片的接觸總電阻為，則可推導出換向元件中的電流變化規律為目前三十五頁\總數五十二頁\編于十五點一、直線換向當時換向元件電流隨時間線性變化。當時換向元件電流隨時間不是線性變化，出現電流延遲現象。二、延遲換向當時換向元件電流隨時間再是線性變化，出現電流超前現象。三、超越換向直線換向延遲換向超越換向目前三十六頁\總數五十二頁\編于十五點

改善換向的方法

除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，換向元件中產生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電刷下產生火花。還有機械和化學方面的因素也能引起換向不良產生火花。

改善換向一般采用以下方法：選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻裝設換向磁極位于幾何中性線處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串聯，在換向元件處產生換向磁動勢抵消電樞反應磁動勢大型直流電機在主磁極極靴內安裝補償繞組補償繞組與電樞繞組串聯，產生的磁動勢抵消電樞反應磁動勢目前三十七頁\總數五十二頁\編于十五點1.6.1直流發電機的勵磁方式1.6直流發電機

供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復勵三種方式。1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。

他勵直流發電機的電樞電流和負載電流相同，即：目前三十八頁\總數五十二頁\編于十五點2、并勵：發電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯。且滿足3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯。滿足目前三十九頁\總數五十二頁\編于十五點4、復勵：

并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯，一個與電樞繞組并聯。目前四十頁\總數五十二頁\編于十五點1.6.2直流發電機的基本方程如圖規定各物理量的參考方向一.電動勢平衡方程從方程式可見，直流發電機滿足二.轉矩平衡方程發電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給的驅動轉矩、電磁轉矩和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩。轉矩平衡方程為：目前四十一頁\總數五十二頁\編于十五點直流發電機的勵磁電流三、勵磁特性公式每極氣隙磁通四.功率平衡方程原動機輸入給發電機的機械功率

電磁功率機械摩擦損耗、鐵損耗、附加損耗

空載損耗包括：

電磁功率一方面代表電動勢為的電源輸出電流時發出的電功率，一方面又代表轉子旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機械功率。電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗輸出的電功率自勵發電機中還應減去勵磁損耗目前四十二頁\總數五十二頁\編于十五點1.6.3他勵發電機的運行特性一、空載特性定義:當、時，

直流發電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。空載時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空載特性實質上就是。所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。目前四十三頁\總數五十二頁\編于十五點二、外特性定義：當、時，

由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵

根據可知端電壓下降有兩個原因：(一)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；(二)電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。目前四十四頁\總數五十二頁\編于十五點三、調節特性定義：當、時，

由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響.

并勵發電機的自勵條件和外特性

并勵發電機的勵磁是由發電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發電機不同。并勵發電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。目前四十五頁\總數五十二頁\編于十五點一、自勵條件

曲線1為空載特性曲線,曲線2為勵磁回路總電阻特性曲線，也稱場阻線。

原動機帶動發電機旋轉時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產生。增大,場阻線變為曲線3時，稱為臨界電阻。若再增加勵磁回路電阻，發電機將不能自勵。

如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確，勵磁電流產生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大，增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端的電壓與相等，達到穩定的平衡工作點A。目前四十六頁\總數五十二頁\編于十五點可見，并勵直流發電機的自勵條件有：二、空載特性

并勵發電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉速下的臨界電阻（2）并聯在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確目前四十七頁\總數五十二頁\編于十五點三、外特性四、調節特性