直流電動機的原理及特性

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1、參考書（1）電機學電機學周紹英編，冶金工業出版社。周紹英編，冶金工業出版社。（2）電力拖動電力拖動牛秀巖主編，冶金工業出版社。牛秀巖主編，冶金工業出版社。2.1 直流電動機的基本結構和工作原理直流電動機的基本結構和工作原理第2章 直流電動機的原理及特性（1）定子部分（靜止）定子部分（靜止）（2）轉子部分（旋轉）轉子部分（旋轉）（3）氣隙）氣隙2.1.1基本結構基本結構圖圖2.1 直流電機縱剖面圖直流電機縱剖面圖 1.定子部分定子部分(stator)（1）機座）機座機座機座主磁極主磁極換向極換向極電刷裝置電刷裝置組成組成導磁導磁機械支撐機械支撐作用作用圖圖2.2 直流電動機的空載磁場分布圖直流電

2、動機的空載磁場分布圖（2）主磁極）主磁極 作用作用 在定、轉子之間的氣隙里產生一定形狀分布在定、轉子之間的氣隙里產生一定形狀分布的氣隙磁通密度（簡稱氣隙磁密）。的氣隙磁通密度（簡稱氣隙磁密）。主磁極主磁極鐵心鐵心極身極身極靴極靴勵磁繞組勵磁繞組 組成組成 為了讓氣隙磁密度在沿氣隙圓周方向的空間分布更為了讓氣隙磁密度在沿氣隙圓周方向的空間分布更加合理，主磁極鐵心做成如圖加合理，主磁極鐵心做成如圖2.3所示的形狀。其中套勵所示的形狀。其中套勵磁線圈的部分叫極身，沿氣隙表面的部分叫極靴，極靴磁線圈的部分叫極身，沿氣隙表面的部分叫極靴，極靴也能起到支撐勵磁線圈的作用。也能起到支撐勵磁線圈的作用。圖圖2

3、.3 主磁極裝配圖主磁極裝配圖1-機座機座2-主磁極鐵心主磁極鐵心3-勵磁繞組勵磁繞組 由于極靴下的氣由于極靴下的氣隙遠遠小于極靴之外隙遠遠小于極靴之外的氣隙，所以極靴下的氣隙，所以極靴下沿電樞圓周各點的磁沿電樞圓周各點的磁場將明顯大于極靴范場將明顯大于極靴范圍以外的磁場強度，圍以外的磁場強度，在兩極之間的幾何中在兩極之間的幾何中心線處，磁場將等于心線處，磁場將等于零。零。圖圖2.4 直流電動機的空載直流電動機的空載磁場曲線磁場曲線 當勵磁繞組通入直流電流時，各主磁極都產當勵磁繞組通入直流電流時，各主磁極都產生一定的極性。直流電機中要求相鄰主磁極的極生一定的極性。直流電機中要求相鄰主磁極的極性

4、應為性應為N、S交替出現。交替出現。注意注意:為此，在把各主磁極上的勵磁線圈相為此，在把各主磁極上的勵磁線圈相連接時，應該注意它們的極性問題。連接時，應該注意它們的極性問題。（3）換向極）換向極 換向極又稱附加極或間極。換向極又稱附加極或間極。作用作用 改善改善直流電動機的換向。直流電動機的換向。換向極換向極鐵心鐵心繞組繞組 安裝安裝 換向極一般安裝在兩個主磁極之間的幾何換向極一般安裝在兩個主磁極之間的幾何中線上中線上.組成組成（4）電刷裝置）電刷裝置 作用作用 把轉子部分的電流引出到靜止的電路中（發電把轉子部分的電流引出到靜止的電路中（發電機），或者把靜止電路中的電流引入到電動機的機），或者

5、把靜止電路中的電流引入到電動機的轉子電路中（電動機）。轉子電路中（電動機）。組成組成 電刷裝置電刷裝置電刷電刷電刷座電刷座2.轉子部分轉子部分(rotor)轉子又稱為電樞轉子又稱為電樞(armature)。轉子轉子電樞鐵心電樞鐵心電樞繞組電樞繞組換向器換向器風扇風扇轉軸轉軸軸承軸承（1）電樞鐵心電樞鐵心 電樞鐵心是直流電動機主磁路的一部分。電樞鐵心是直流電動機主磁路的一部分。圖圖2.5 電樞鐵心沖片電樞鐵心沖片3-軸向通風孔構成：構成：將冷軋硅鋼片沖成有齒、槽的沖片，將冷軋硅鋼片沖成有齒、槽的沖片，然后把這些沖片疊裝起來就構成電樞鐵心，其然后把這些沖片疊裝起來就構成電樞鐵心，其片間有很薄的絕緣

6、層。沖片外形如下圖所示。片間有很薄的絕緣層。沖片外形如下圖所示。1-齒2-槽電樞鐵心的安裝電樞鐵心的安裝 小型電動機的電樞鐵心直接壓裝在軸上；小型電動機的電樞鐵心直接壓裝在軸上；大型電動機的電樞鐵心先壓裝在轉子支架上，大型電動機的電樞鐵心先壓裝在轉子支架上，然后再將支架固定在軸上。然后再將支架固定在軸上。說明說明 電樞鐵心上開槽是為了安放電樞繞組用；電樞鐵心上開槽是為了安放電樞繞組用；為改善通風，電樞鐵心可沿軸分成幾段，以形為改善通風，電樞鐵心可沿軸分成幾段，以形成徑向通風道。成徑向通風道。（2）電樞繞組電樞繞組 構成構成 用包有絕緣層的導體構成電樞線圈；用包有絕緣層的導體構成電樞線圈；將線圈

7、按一定的次序嵌入電樞鐵心槽內的上、下將線圈按一定的次序嵌入電樞鐵心槽內的上、下層中；層中；每個元件的兩個出線端都按一定的規律與換向器每個元件的兩個出線端都按一定的規律與換向器的換向片相連。的換向片相連。連接方式連接方式單疊繞組單疊繞組單波繞組單波繞組圖圖2.6 典型的換向器結構圖典型的換向器結構圖1-V形套筒形套筒2-云母環云母環3-換向片換向片4-連接片連接片（3）換向器）換向器圖圖2.7 直流電機定、轉子剖面示意圖直流電機定、轉子剖面示意圖1-電樞繞組電樞繞組2-電樞鐵心電樞鐵心3-機座機座4-主磁極鐵心主磁極鐵心5-勵磁繞組勵磁繞組6-換向極繞組換向極繞組7-換向極鐵心換向極鐵心8-極靴

8、極靴9-底腳底腳2.1.2 勵磁方式勵磁方式（1）他勵）他勵IfIaUMUf(a)他勵式接線圖接線圖特點特點勵磁繞組與電樞繞組勵磁繞組與電樞繞組不相連接。不相連接。直流電動機勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。直流電動機勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。勵勵磁方式主要分成他勵、并勵、串勵和復勵四種。磁方式主要分成他勵、并勵、串勵和復勵四種。（2）并勵）并勵IIfIaUM(b)并勵式接線圖接線圖特點特點勵磁繞組上的電壓勵磁繞組上的電壓等于電樞繞組的端等于電樞繞組的端電壓。電壓。（3）串勵式）串勵式IaIfIUM(c)串勵式接線圖接線圖特點特點勵磁繞組的電流等于勵磁繞組的電流等于電樞繞組的電流。電樞繞組

9、的電流。（4）復勵式）復勵式IIf1IaUM(d)復勵式If2 接線圖接線圖 特點特點一部分勵磁繞組和電樞繞組一部分勵磁繞組和電樞繞組并聯，另一部分和電樞繞組并聯，另一部分和電樞繞組串聯。串聯。2.1.3 額定數據額定數據 直流電動機的銘牌數據主要有：直流電動機的銘牌數據主要有：（1）額定功率）額定功率PN：指電動機在額定運行狀態：指電動機在額定運行狀態下軸上輸出的機械功率，用下軸上輸出的機械功率，用W或或kW表示；表示；（2）額定電壓）額定電壓UN：指電動機在額定運行狀態：指電動機在額定運行狀態下電機兩端的電壓，用下電機兩端的電壓，用V表示；表示；（3）額定電流）額定電流IN：指電動機在額定

10、電壓下運：指電動機在額定電壓下運行，輸出功率為額定功率時流過電機的電流，行，輸出功率為額定功率時流過電機的電流，用用A表示；表示；額定功率、額定電壓、額定電流之間的關系為：額定功率、額定電壓、額定電流之間的關系為：PN=UNINN式中，式中，N為直流電動機的額定效率。為直流電動機的額定效率。（4）額定轉速）額定轉速nN：指電動機在額定運行狀態下轉：指電動機在額定運行狀態下轉子的轉速，用子的轉速，用r/min表示；表示；（5）額定勵磁電流）額定勵磁電流IfN：指電動機在額定電壓下運：指電動機在額定電壓下運行，輸出功率為額定功率時，勵磁繞組端的電流。行，輸出功率為額定功率時，勵磁繞組端的電流。除此

11、之外，電機的額定參數還應該包括絕緣除此之外，電機的額定參數還應該包括絕緣等級、防護等級、冷卻方式、溫升、重量等。等級、防護等級、冷卻方式、溫升、重量等。2.1.4 工作原理工作原理1.直流發電機的工作原理直流發電機的工作原理圖圖2.8 直流發電機的工作原理圖直流發電機的工作原理圖t0eda 圖圖2.9 線圈感應電動勢的變化曲線線圈感應電動勢的變化曲線 圖圖2.10 電刷之間的電動勢波形電刷之間的電動勢波形t0edaeda0t圖圖2.11 四個線圈時換向后的電勢波形四個線圈時換向后的電勢波形 圖2.11是一臺兩極電機，當轉子上裝有在空間互差90o的四個線圈并連接到四個換向片時的電勢波形圖(感興趣

12、的同學可參見參考書(1)的202頁)。結論：若電機在每極下的導體數大于結論：若電機在每極下的導體數大于8時，電勢脈動的幅度將小于其平均電勢的時，電勢脈動的幅度將小于其平均電勢的1%。這時電勢的脈動是不易明顯察覺的，。這時電勢的脈動是不易明顯察覺的，可以認為是恒定的電勢?？梢哉J為是恒定的電勢。teda0圖圖2.12 多個線圈時換向后的電勢波形多個線圈時換向后的電勢波形 綜上所述可知：在直流發電機中，線綜上所述可知：在直流發電機中，線圈上的感應電動勢是交變的，但在電刷上圈上的感應電動勢是交變的，但在電刷上的電動勢方向卻是始終不變的。此時換向的電動勢方向卻是始終不變的。此時換向片所起的作用是將線圈內

13、的交流電動勢改片所起的作用是將線圈內的交流電動勢改變為外電路上的直流電動勢，即所謂的整變為外電路上的直流電動勢，即所謂的整流作用。流作用。2.直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理圖圖2.13 直流電動機的工作原理圖直流電動機的工作原理圖 從以上分析可見：在直流電動機中，從以上分析可見：在直流電動機中，線圈中的電流是交變的，但產生的電磁轉線圈中的電流是交變的，但產生的電磁轉矩方向卻是恒定的。此時換向片所起的作矩方向卻是恒定的。此時換向片所起的作用是將外電路的直流電流改變為線圈內的用是將外電路的直流電流改變為線圈內的交變電流，即所謂的逆變作用。交變電流，即所謂的逆變作用。2.4 感應電動勢和電

14、磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩 直流電動機運行時，當電樞繞組內流過電流時，載流導體與氣隙磁場相作用，就會產生電磁轉矩，使得電樞導體運動；電樞導體的運動又將切割氣隙磁場，在電樞繞組中產生感應電動勢。本節將討論電樞繞組的感應電動勢和電磁轉矩的計算問題。2.4.1 電樞繞組的感應電動勢電樞繞組的感應電動勢 計算公式為：Ea=CEn 式中：稱為電動勢常數，p是電機極對數；Na為電樞繞組的總導體數；2a為電樞繞組的支路個數，對于單疊繞組，其a=p，而對于單波繞組，其a=1；為電機每極的磁通量（Wb）；n是電機的轉速（r/min）。2.4.2 電磁轉矩電磁轉矩 其計算公式為T=CTIa式中，稱為轉矩常數，其中

15、p，Na，a的含義同CE；Ia為電樞電流。轉矩常數CT與電動勢常數CE之間的關系為：CT=9.55 CE2.5 直流電動機穩態運行時直流電動機穩態運行時的基本方程式和功率關系的基本方程式和功率關系2.5.1 基本方程式基本方程式1.電機穩態運行時的基本方程式電機穩態運行時的基本方程式 圖圖2.14標出了他勵直流標出了他勵直流電動機各物理量的參考方向電動機各物理量的參考方向（即規定正方向）。圖中：（即規定正方向）。圖中：TLTnIfIaUEaUf圖圖2.14 他勵直流電動機他勵直流電動機各量的規定正方向各量的規定正方向U 電樞兩端的端電壓；電樞兩端的端電壓；Ea電樞感應電動勢；電樞感應電動勢；I

16、a電樞電流；電樞電流；T 電磁轉矩；電磁轉矩；TL負載轉矩；負載轉矩；N 電機的轉速；電機的轉速；Uf 勵磁電壓；勵磁電壓；If 勵磁電流；勵磁電流；主磁通。主磁通。根據圖2.14所規定的正方向，可以列出直流電動機穩態運行時的基本方程式為U=Ea+IaRaEa=CEnT=CTIaT=T0+T2If=Uf/Rf =f(If,Ia)式中，Ra是電樞繞組回路的電阻；T0是電動機空載轉矩；T2是電動機輸出轉矩；Rf是勵磁繞組回路的電阻。舉例：當他勵直流電動機的電源電壓U、電樞回路電阻Ra、每極磁通量、負載轉矩TL已知情況下，如何根據基本方程式計算直流電動機穩態運行時的轉速n？2.基本方程式的應用基本方

17、程式的應用（1）計算Ia（2）計算Ea（3）計算n2.5.2 功率關系功率關系 U=Ea+IaRa兩邊同乘以Ia得UIa=EaIa+Ia2Ra即 P1=PM+pCua式中，P1=UIa為電動機從電源輸入的電功率；PM=EaIa為電磁功率，即把電功率轉換成機械功率的那部分功率；pCua=Ia2Ra為電樞回路總的銅損耗。把式T=T0+T2兩邊同乘以得T=T0+T2即 PM=p0+P2式中，PM=T為電磁功率，理論上可以證明：T=EaIa；p0=T0是空載損耗，包括鐵損耗pFe和機械摩擦損耗pm；P2=T2為轉軸上輸出的機械功率。他勵直流電動機穩態運行時的總損耗為:p=pCua+pFe+pm+ps式

18、中，ps為附加損耗或雜散損耗，它的具體產生原因可參見參考書(1)中的231頁。pCuap0=pm+pFeP1=U IaPM=EaIa=TP2=T2圖圖2.15 他勵直流電動機穩態運行時的功率流他勵直流電動機穩態運行時的功率流程圖程圖 并勵電動機的總損耗還應包含勵磁損耗pCuf，即p=pCua+pFe+pm+ps+pCuf 此時電動機的效率為：例題：已知一臺他勵直流電動機的額定功率PN=110kW，額定電壓UN=400V，額定電流IN=276A，額定轉速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0807，忽略磁飽和影響。求額定運行時：(1)電磁轉矩；(2)輸出轉矩；(3)輸入功率；(4)

19、效率。解：電樞感應電動勢電磁功率（1）電磁轉矩（2）輸出轉矩（3）輸入功率（4）效率2.6 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性 直流電動機的機械特性是指直流電動機在運行過程中轉矩和轉速之間的關系，即n=f(T)。式中，稱為理想空載轉速；稱為機械特性的斜率。2.6.1他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 他勵直流電動機的機械特性是指電動機的電樞電壓U、勵磁電流If保持一定（通常保持額定值）時，轉速與轉矩之間的關系。圖圖2.16 他勵直流電動機的機械特性曲線他勵直流電動機的機械特性曲線nn0nNTNT0 這種特性稱之為硬特性，因為隨電磁轉矩的增加，轉速只稍有變化?？紤]磁飽和時的機

20、械特性曲線TT Ian0圖圖2.17考慮磁飽和時的機械特性曲線考慮磁飽和時的機械特性曲線nT0 去磁作用1.固有機械特性 當電動機電樞兩端的電源電壓為額定電壓、氣隙磁通為額定值、電樞回路不外串電阻，即U=UN、=N、電樞回路外串電阻R=0時，這種情況下的機械特性稱為固有機械特性。圖圖2.18他勵直流電動機的固有機械特性曲線他勵直流電動機的固有機械特性曲線nn0nNT0TNT0（3）實際的空載轉速為 ；（4）當T=TN時，轉速n=nN；他勵直流電動機的固有機械特性具有以下的特點：（1）其特性曲線是一條略為下斜的直線；（2）其特性為硬特性；（5）直流電動機在額定電壓下剛起動時，電樞電流 ，稱為起動

21、電流，電磁轉矩T=CTNIs=Ts，稱為起動轉矩。起動電流Is、起動轉矩Ts一般很大，所以他勵、并勵直流電動機一般不允許在額定電壓下直接起動。（6）電磁轉矩反向時的情況Tn0T的實際方向與n的方向相反 T由拖動性轉矩變為制動性轉矩T0PM=EaIa0P1=UNIa0電動機發電機IaUNEa+-TnTL1UNIaUNEa(a)TABTL1(TL2 TL1)0nnAnBn0(c)圖圖2.19 電車下坡時的回饋制動電車下坡時的回饋制動a電車平路行駛；b電車下坡；c機械特性Ea+-TTL1UNIaTL2EaUN(b)n例題：已知一臺他勵直流電動機的數據為：PN=75kW，UN=220V，IN=383A

22、，nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0192，忽略磁路飽和的影響。求：(1)理想空載轉速；(2)固有機械特性的斜率；(3)額定轉速降；(4)若電動機拖動恒轉矩負載TL=0.82TN運 行(TN為額定電磁轉矩)，問電動機的轉速、電樞電流以及電樞電動勢為多大？解：（1）理想空載轉速（2）斜率（3）額定轉速降（4）負載時的轉速降電動機的轉速電樞電流電樞電動勢2.人為機械特性 當直流電動機的電源電壓、勵磁電流、電樞回路串接電阻等參數由于生產機械的需要而做人為調整時，其機械特性將相應發生變化，變化后的特性稱為人為機械特性。（1）電樞回路串接電阻時的人為機械特性+UREaRaIaUfIf圖

23、圖2.20 電樞回路串接電阻的原理圖電樞回路串接電阻的原理圖電動機電樞兩端的電源電壓為額定電壓UN；條件：氣隙磁通量為額定值N；電樞回路總電阻為(Ra+R)。機械特性表達式為：人為人為固有固有R2 R1圖圖2.21 電樞回路串接電阻的人為機械特性曲線電樞回路串接電阻的人為機械特性曲線nn0RaRa+R1Ra+R20TTL特點：理想空載轉速n0不變，與固有機械特性相同；斜率隨(Ra+R)的增大成正比例地增加，因而形成一組過n0的放射狀直線。電樞回路串接電阻的人為機械特性主要用于電動機的起動和調速（額定轉速以下）。用途：（2）改變電樞電源電壓時的人為機械特性條件：保持氣隙磁通量為額定值N不變；電樞

24、回路不串接電阻(即R=0)；改變電樞兩端的電源電壓U。機械特性表達式為：圖圖2.22 改變電樞電源電壓時的人為機械特性曲線改變電樞電源電壓時的人為機械特性曲線nn00Tn0n0nnnTLUNUUU U UN人為固有特點：理想空載轉速n0與U成正比。斜率不變，與固有機械特性相同，各條人為特性曲線平行；改變電樞電源電壓的人為機械特性主要用于電機的起動和調速（額定轉速以下），并且調速時能保持機械特性的硬度不變。用途：（3）減少氣隙磁通量時的人為機械特性電動機電樞兩端電源電壓為UN；條件：電樞回路不外串電阻(R=0)；改變氣隙磁通。機械特性表達式為：NN人為固有圖圖2.23 他勵直流電動機減弱磁通時的

25、人為機他勵直流電動機減弱磁通時的人為機械特性曲線械特性曲線nn00TTL特點：磁通減弱會使斜率加大，因與磁通的平方成反比；磁通減弱會使n0升高，因n0與磁通成反比；減弱磁通的人為機械特性主要用于調速（額定轉速以上），但由于受到電機換向能力和機械強度的限制，其向上調速的范圍并不是很大。人為機械特性是一組直線，它們既不平行也非放射狀。磁通減弱時，特性上移而且變軟。用途：2.7 電力拖動系統穩定運行條件電力拖動系統穩定運行條件 所謂電力拖動系統穩定問題，也就是系統的工作點穩定問題，是指電力拖動系統在某種擾動作用下離開了原工作點（或平衡狀態）后，是否能在新的條件下運行于新的工作點（或平衡狀態）；且在擾

26、動消失后，系統是否還能回到原來的工作點（或平衡狀態）?！皵_動”一般是指電網電壓的波動或負載的微小變化。電力拖動系統運行于平衡狀態的充要條件是：T=TL是否每一個工作點（平衡狀態）都是穩定的呢？問題：圖圖2.24 電力拖動系統穩定運行分析電力拖動系統穩定運行分析nn02ABC1TTCTLTB0圖圖2.25 拖動系統不穩定運行分析拖動系統不穩定運行分析n2AB1TTL0CDTB 對于拖動系統，其工作點（平衡狀態）穩定的充分必要條件是：在T=TL處有：結論：證明：nnTL=f(n)T=f(n)ATLTTLT0圖圖2.26 探討穩定運行條件的例子探討穩定運行條件的例子 現設系統在某種擾動作用下離開了原

27、工作點A，轉速變為n=nA+n，相應的電動機轉矩變為T=T+T，負載轉矩變為TL=TL+TL，于是運動方程式變為：假設系統運行于工作點A，則根據系統處于平衡狀態的充要條件可知，在A點處有：T=TL，。因為電動機轉矩和負載轉矩都是轉速的函數，且各增量都很小，所以上式可以近似地表示為：式中：dT/dn為電動機機械特性的硬度；dTL/dn為負載轉矩特性的硬度。將系統運行于平衡狀態的充要條件代入后，上式可變為將上式兩邊積分，于是有根據初始條件：t=0，n=nqs可以得到積分常數C式中：nqs為起始轉速的增量。由上式可以看出：只有e的指數為負，才能保證轉速增量n在擾動消失后，隨時間t的增加按指數曲線衰減為零。因此，系統工作點穩定運行的充要條件應該是在T=TL處：對于恒轉矩負載，因為dTL/dn=0，所以平衡狀態穩定的充要條件是：在T=TL處，電動機機械特性的硬度即機械特性曲線應稍微向下傾斜。