第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系.doc

第五篇 直流电机第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系目录第一节 直流电机的基本结构1第二节 直流电枢绕组4第三节 直流电机的磁场和电枢反应8第四节 电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式14第五节 电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式19小 结22思考题23习 题24第一节 直流电机的基本结构直流电机是旋转电机的主要类型之一。直流发电机供电质量较好，常作为直流电源用。直流电动机具有良好的起动、调速性能，常用在调速要求较高的场合。但是它与交流电机相比，由于有换向器，结构较复杂，造价较高，运行维护和可靠性较差。近年来电力电子技术发展较快，在某些场合，半导体整流电源已替代直流发电机；由电子换向线路实现无接触换流的直流无刷电动机（仍具备直流电动机的各种优异运行特性），有取代传统有刷换向器直流电动机的趋势。尽管如此，目前直流换向器电机（习惯简称直流电机）仍有相当高的实用价值。直流电机与其它旋转电机的结构基本类同。直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成，定子用来固定磁极和作为电机的机械支撑。转子有用来感应电动势而实现能量的转换部件称为电枢和实现交流电变成直流电的换向器。 一 、定子部分直流电机的定子由主磁极、电刷装置、机座等组成。直流电机的结构图如图16-1>所示。主磁极的作用是产生主磁场。主磁极由磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组构成。如图16-2>所示。当励磁绕组中通有直流励磁电流时，气隙中会形成一个恒定的主磁场，示意图如16-3>所示。图中极芯下面截面较大的部分称为极靴，极靴表面沿圆周的长度称为极弧，极弧与相应的极距之比称为极弧系数，通常为左右。极弧的形状对电机运行性能有一定影响，它能使气隙中磁通密度按一定规律分布。为了减少电枢旋转时齿、槽依次掠过极靴表面，而形成磁密变化造成铁芯涡流损耗，主磁极铁芯通常用厚的导磁钢片叠压而成，然后再固定在磁轭上。各主磁极铁芯上套有励磁绕组，励磁绕组之间可串联，也可并联。主磁极成对出现，沿圆周是N>、S极交替排列。容量较大的直流电机还有换向极（位于两个主磁极之间的较小磁极），如图16-3>中5为换向极，常用厚钢板或整块钢制成，极上装有换向极绕组，换向极下的空气隙较主磁极下的空气隙大。换向极数目一般与主磁极相同，但是小功率直流电机中，换向极的数目可以少于主磁极，甚至不装换向极。一般直流电机的机座既是电机的机械支撑，又是磁极外围磁路闭合的部分，即磁轭，因此用导磁性能较好的钢板焊接而成，或用铸钢制成。极座两端装有带轴承的端盖。电刷固定在机座或 端盖上，一般电刷数等于主磁极数。电刷装置有电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧和汇流条等组成，见图16-4>所示。电刷一般用碳-石墨制成，装于刷握中，并有弹簧压住，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。电刷装置将电枢电流由旋转的换向器通过静止的电刷与外部直流电路接通。 二、 转子部分转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。电枢铁芯是主磁路的组成部分，为了减少电枢旋转时铁芯中磁通方向不断变化，而产生的涡流和磁滞损耗，电枢铁芯通常用0.5mm>厚的硅钢片叠压而成，叠片间有一层绝缘漆。见图16-5>所示。图中环绕轴孔的一圈小圆孔为轴向通风孔，较大的电机还有径向通风系统，即将铁芯分为几段（图16-5>（a）为两段），段与段之间留有约为10mm的通风槽，构成径向通风道。电枢铁芯的外缘，均匀地冲有齿和槽，一般为平行矩形槽。电枢绕组有绝缘导体绕成线圈嵌放在电枢铁芯槽内，每一线圈有两个端头，按一定规律连接到相应的换向片上，全部线圈组成一个闭合的电枢绕组。电枢绕组是直流电机的功率电路部分，也是产生感应电动势、电磁转矩和进行机电能量转换的核心部件，绕组的构成对电机的性能关系密切，其具体连接方法和功能，将在下一节中讨论。 换向器由许多彼此绝缘的换向片组合而成，见图16-6>所示。它的作用是将电枢绕组中的交流电动势用机械换向的方法转变为电刷间的直流电动势，或反之。换向片可以为燕尾形，升高部分分别焊入不同线圈两个端点引线，片间用云母片绝缘，排成一个圆筒形，目前小型直流电机改用塑料热压成形，简化了工艺，节省了材料。 三 、励磁方式直流电机的电路主要有两个部分，一个是套在主磁极铁芯上的励磁绕组，另一个是嵌在电枢铁芯槽中的电枢绕组。此外还有换向极绕组。电机的运行特性与励磁绕组获得励磁电流的方式，即励磁绕组与电枢绕组间的连接方式关系很大，按励磁方式直流电机可分为他励和自励两大类。直流电机的各种励磁方式如图16>7所示。（1）他励式 他励式励磁绕组与电枢绕组不相连接，而由另一个独立的直流电源供给励磁。（2>）自励式 >自励式励磁绕组与电枢绕组按一定的规律相联接。直流发电机中，励磁电流由发电机本身供给；直流电动机中，励磁电流和电枢电流同由一个直流电源供给。自励式按两个绕组的连接方法不同又可分为：并励、串励和复励。1）并励 励磁绕组与电枢绕组并联，两个绕组上的电压相等，即电机的端电压。2）串励 励磁绕组与电枢绕组串联，两个绕组中电流相同。 3>）复励 >励磁绕组分两部分，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联。如串联绕组所产生的磁动势与并联绕组所产生的磁动势方向相同，称为积复励；若两者相反，则称为差复励。通常应用的直流电机为积复励。先将串联绕组与电枢绕组串联，然后再与并联绕组并联，称长分接法复励；反之，先将并联绕组与电枢绕组并联，然后再与串联绕组串联，称短分接法复励。（3>）永磁式 >直流电机的励磁方式除了有以上电励磁方式外，还有永磁式，它是由永久磁铁建立励磁磁场，而无励磁绕组。第二节 直流电枢绕组电枢绕组是直流电机重要组成部分，也是构成比较复杂，变化比较多的部件。本节仅介绍其基本构成原则和两种最基本的绕组形式>单叠和单波绕组。电枢绕组的基本要求是能产生足够的感应电动势，允许通过规定的电流，从而产生所需电磁转矩，并尽可能节约材料、工艺简单、运行可靠。电枢绕组由结构形状相同的线圈单元组成，每一线圈的两端分别接至两个换向片，每个换向片又与两个线圈的端头相连，所以电枢绕组是各线圈通过换向片串联起来的，是一个闭合绕组。而交流电机的绕组是开启绕组，它是从一导体出发，依次连接该相所有线圈，每相都有首端与终端。为了便于分析直流电枢绕组，这里介绍几个绕组的术语，其中有些在交流绕组中已经讲过。电枢绕组均为双层绕组见图16-8（a），一个线圈有两个圈边分别处于不同极面下，放在电枢铁芯的槽中，一个在槽的上层位置，另一个必定在下层位置，跨距约等于一个极距，如图16-8>（a）所示。对于一般的小型电机，每一槽中仅有上、下两个圈边，而大型电机每一槽中上层和下层并列嵌放了几个圈边，如图16-8>（b）所示，每层有C=3个圈边。在这种情况下，常引入虚槽的概念，即取一个上层圈边与一个下层圈边为一个虚槽，这样虚槽数Ze、实槽数Z>和并列圈边数C之间的关系为 （16-1）电机的线圈数S、换向片数K也等于虚槽数Ze，即（16-2）设每个线圈有Nc匝，电枢总的导体数N为（16-3）直流电机电枢绕组分为叠绕组和波绕组两大类，各种绕组在电枢及换向器上的连接规律可由几个绕组“节距”来确定。1 第一节距 一个线圈的两个圈边之间的距离，称第一节距。通常用虚槽数表示，为了获得较大的感应电动势，应等于或接近于一个极距，必须是整数，故（16-4）式中 为使凑成整数的一个分数。为整距，为短距，为长距，一般取整距或短距绕组。2 第二节距联至同一换向片上两个圈边之间的距离，即前一个线圈的下层圈边与后一个线圈上层圈边之间所跨的虚槽数，称第二节距。 3 合成节距紧相串联的两个线圈对应圈边之间的距离，称合成节距，同样用虚槽数表示。之间关系可由图16-9>所示，其表达式为 （16-5）式中 对叠绕组为负值；对波绕组为正值。4 换向器节距 每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面上所跨的距离，称为换向器节距，用换向片数表示，换向片数与虚槽数相同，故（16-6）一>、单叠绕组单叠绕组是指一个绕组元件相对于前一绕组元件仅仅移过一个槽，同时每个线圈的出线端依次连在相邻的换向片上，所以(16-7）式中 >“+1>”和“-1”分别表示右行和左行绕组；图16-9（a）y=+1>为右行绕组，而左行绕组连接线相互交错，用铜较多，故很少采用。现举例说明单叠绕组的连接。设绕组的极数2p=4>，电枢有20槽，c=1，单叠右行绕组。则 第一节距 为整距绕组第二节距 根据已知的各个节距，可以画出电枢绕组的展开图。如图16-10所示。图中电枢绕组和换向器是旋转的，而磁极和电刷是不动的，因此，只须将磁极均匀分布在绕组上，电刷的中心线对着磁极中心线。按照主磁极的磁性和电枢旋转方向，可以确定圈边中的感应电动势的方向以及电刷的极性。可见，每个极面下各线圈元件中感应电动势的方向相同，在整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流。由于有四个电刷（电刷数等于磁极数）均匀分布在换向器圆周上，各个电刷都将一个线圈元件短路，该元件的电动势恰为零，这样每个极面下的线圈元件串联成一个支路，本例中有四条并联支路，如图16-11>所示。 由上可见，单叠绕组电刷数应该与磁极数相同，并联支路数等于电机极数，即 （16-8）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即（16-9）故叠绕组是一种并联支路数较多，电枢电流较大，而电刷间电动势较小的并联绕组。二 、单波绕组波绕组与叠绕组不同，单波绕组的每一绕组元件的出发点和终端不是在相邻的换向片上，而是相隔近似一对极距，经过p>个绕组元件串联后，回到原出发换向片的相邻一片上，所以（6-10>）式中“+1”和“-1”分别表示右行和左行绕组，图16-9>（b）为左行绕组，为了避免连线交错，节约铜线，常采用左行绕组。现举例说明单波绕组的连接。设极数2p=4，电枢有19槽，C=1>，单波左行绕组。则合成节距 第一节距 第二节距 由于合成节距必须为整数，所以波绕组的换向片数和极数之间应该有一合理配置，如一个4>极电机，换向片为18或20都不能绕成单波绕组。依据确定的各个节距，可以排出各绕组元件连接次序图和单波绕组的展开图，见图16-12>和图16-13。由图可见，单波绕组只有两条并联支路，它的每一条支路包含了同一极性下的所有元件，所以它与电机的极数无关。即(16-11） 展开图中电刷的安放与单叠绕组相同，照理两条并联支路只需要一对电刷，便可将电动势导出，但是流过电刷的电流密度有一定限制，若减少电刷个数，必定增加每个电刷的截面积，因此一般仍取电刷数等于极数。由上分析可见，单波绕组与单叠绕组各有特点，单波绕组具有最少的并联支路数，即a=1>，因此电刷间的电动势较大，而电枢电流较小，故又称串联绕组。 实用中直流电枢绕组除单叠和单波绕组外，还有复叠、复波和混合绕组。双叠绕组y=2，可以看成是两个单叠绕组组合而成，并联支路数为极数的2倍。双波绕组，可以看成是两个单波绕组组合而成，并联支路数2a=4>。混合绕组由一套波绕组和一套叠绕组按一定规律组合而成。就使用而言，各种绕组的主要区别是并联支路数的多少。通常根据电机的所需电流的大小和电压的高低来选择绕组的形式。第三节 直流电机的磁场和电枢反应一 、空载时直流电机的磁场在空载时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁电流所产生，由于励磁电流是直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。这一磁场在空间分布，即一个极面下磁场分布如图16-14>（a）所示，磁极面下磁阻较小且较均匀，故磁密较高为，而两极之间的气隙处，磁密显著降低，从磁极边缘至几何中线处，磁密沿曲线平滑下降，称边缘磁通。 电机主磁极产生的磁通分成两部分，主磁通通过气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组，是电机中产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气隙，总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向相邻的磁极，它只与励磁绕组交链，不与电枢绕组交链，故称磁极漏磁通。设磁极产生的总磁通为，则（16-12）故 （16-13）式中 场漏系数，一般可取。直流电机的主磁路包括以下组成部分：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。除气隙外，其它部分均由铁磁材料组成。主磁路和漏磁路示意图见图16-14>（b）所示。二、 负载时电枢电流的磁场当直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也将产生磁场，称作电枢磁场。为了分析方便，首先讨论电枢磁场，然后讨论由主磁极磁动势和电枢磁动势共同作用的合成磁场。在实际电机中，电刷放在磁极中心线上的换向片上，该换向片所连的圈边在两磁极中间，即几何中性线（交轴线）附近。下面磁场分析为了简单计，略去换向器只画主磁极、电枢绕组和电刷。此时，在图16-15>（a）中电刷位置恰在交轴处，即电枢绕组电流改变方向处，电枢绕组由许多线圈组成，每个线圈跨距近似为极距，一个线圈流过电流产生气隙磁动势为矩形波，幅值为，每二相邻线圈都移过一个齿距，流过电流大小相同，气隙中合成的磁动势等于各线圈磁动势波的叠加，所得合成磁动势为一个级形波，幅值为。如线圈沿电枢分布无限增多，则级形波趋近于三角波，如图16-15>（b）所示，电枢磁场轴线在交轴处，它和主磁极磁动势的轴线（直轴处）相差电角度。 取主磁极轴线为横坐标原点，每个气隙所消耗的电枢磁动势为（16-14）式中 A线负荷，电枢总的导体数。当时，即电刷位于交轴处，电枢磁动势为最大值（16-15>）式中 极距。三交轴电枢反应当直流电机带有负载时，就有主磁极磁动势和电枢磁动势同时作用在空气隙。电枢磁动势的存在使空载磁场分布情况改变，即负载时电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。通常电刷处于交轴处，由于电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合，故称为交轴电枢反应。图16-16(a)表示主磁极产生的气隙磁场分布图（不考虑电枢齿槽的影响，下同），曲线的横坐标为沿圆周的距离，纵坐标为磁通密度。每极磁通为一个极距内曲线及横坐标间所包含的面积。图16-16(b)表示电枢磁动势为三角形波。由于直流电机定子为凸极，空气隙是不均匀的，极面下磁阻小且均匀，与成正比，而在极尖以外，磁阻增大很多，尽管在交轴处最大，但是仍将下降，比极尖处低很多。故电枢电流产生的磁场分布波与电枢磁势分布波有较大不同，曲线呈马鞍形如图16-16(c)所示。空气隙中的合成磁场即为与之和，如图16-16>（d）所示。由图可见，电枢磁动势使一半极面下（如图上所示的右半极面下）的磁通增加，而使另一半极面下的磁通减少。如不考虑磁路的饱和现象，上述一半磁极增加的磁通正好等于另一半磁极减少的磁通，故每一极面下的总磁通仍将保持不变，合成磁场的分布如图16-16>（d）中实线所示。但是，实际上磁路通常有饱和现象存在，由于增磁部分的磁密很大，磁路饱和程度增加，使的高峰部分略有下降，如图16-16>（d）中虚线所示，因此，使一半极面下所增的磁通小于另一半极面下所减少的磁通，故每一极面的总磁通略有减少。交轴电枢反应对电机运行的影响有以下几个方面。 （1）电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减少。由于电机中磁路饱和现象的存在，交轴电枢磁动势将产生一去磁作用，也即使每极面下的总磁通略有减少，其大小可用一个等效的直轴去磁安匝来表示，与磁路的饱和程度有关，随电枢电流的大小而变化，为了简便起见，可近似认为与电枢电流成正比。这样磁通的有效磁动势为 （16-16）式中磁极磁动势如将式（16-16）各项均除以磁极的每极匝数，则即 （16-17）式中 电机实际的励磁电流产生磁通的有效励磁电流（2）电枢反应使极面下的磁通密分布不均匀。由图16-16（d）可知交轴电枢反应使一半磁极面的磁密增大，而另一半极面下的磁密减少，我们称电枢进入极面的磁极极尖为前极尖，电枢离开极面处的极尖为后极尖。因此，在发电机的情况下，电枢反应使前极尖下的磁密削弱，而使后极尖的磁密增强；电动机状态正好相反，电枢反应使前极尖下的磁密增强，而使后极尖的磁密减弱，如图16-18>所示。这样会使导体切割最强的磁场所产生的感应电动势比一般的值高得多，从而各换向片间的电动势分布也不均匀，若超过换向片间的安全电压，使片间发生表面放电，导致电位差火花，严重的情况下形成环火，烧坏电机的换向器和电枢。此外，电枢磁动势的存在使交轴处的磁场不为零，将妨碍线圈中的电流换向。四 直轴电枢反应 若电刷不在几何中性线上，把电刷顺着发电机的旋转方向或逆着电动机的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布也随之变化，电枢磁动势的轴线也随着电刷移动。如图16-19>中的曲线1。为了分析方便，可以将电枢磁动势分成两个分量，交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势，如图16-19>中曲线2和3所示，曲线1>为2和3之和。在图16-20>中，角度内的磁动势，其轴线与主极轴线重合，称为直轴电枢反应。其余部分角度内的磁动势，其轴线与主磁极轴线相正交，称为交轴电枢反应。图16-20(a)中的直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相反，使主磁通减弱，呈去磁作用。图16-20(b)中的电刷位置逆着发电机的旋转方向或顺着电动机的旋转方向移过了一个角度，此时直轴电枢磁动势方向与主磁极极性相同，故呈磁化作用。 设电枢磁动势每极安匝数为，其作用轴线在电流换向处，即电刷所在位置。电枢磁动势中的直轴电枢磁动势的最大值与主极轴线一致，其大小与角度范围内导体数有关，（16-18>）同理，电枢磁动势中交轴电枢磁动势的最大值为（16-19）【例16-1】一台四极直流发电机，额定电枢电压230V，额定电枢电流84.8A，额定转速为1500r/min。电枢绕组为单波绕组，共有444根导体，电枢回路的总电阻为，电枢直径。励磁绕组每极匝数为900>匝。在额定运行情况下励磁电流为2.85A>。当转速为1500r/min时，测得电机的空载特性数据见表16-1。试求：表16-1 【例16-1】的表E0（V）44104160210240258275If0（A）0>370>911>452>002>382>743>28（1）电枢的线负载A；（2）电刷在交轴处额定时，电枢反应的交轴磁动势；（3）额定时，电枢反应的等效去磁安匝；（4）若电刷顺着电枢旋转方向移动电角度，电枢磁动势的直轴分量和交轴分量。解：（1>）线负载为（2 ）交轴电枢磁动势的幅值为（3 ）额定运行时电枢反应电动势为由空载特性，求对应的有效励磁电流为已知在额定情况下励磁电流，则交轴电枢反应去磁作用的等效励磁电流为(A)额定时，交轴电枢反应的等效去磁安匝数为交轴电枢反应的去磁作用与电枢电流的大小与关，额定时去磁安匝数约为总的励磁磁动势的15%>。（4）电刷移动电角度，电枢磁动势直轴分量最大值为该直轴电枢反应磁动势与主磁极磁动势方向相反为去磁作用电枢磁动势交轴分量最大值为第四节 电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式直流电机的运行情况可以用基本方程式来分析，因此首先讨论电枢绕组的感应电动势和电磁转矩，进而导出直流电机稳态运行时电压平衡式、功率平衡式和转矩平衡式。一、 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势是指电机正、负电刷之间的电动势，电刷间的电动势即等于一条支路中各串联导体的电动势的代数和。由于电枢是旋转的，由电刷量得的电动势，并非某几个固定导体的感应电动势之和，而是位于电刷之间一定位置的各个导体的感应电动势之和。如图16-21>所示。图中某一个导体的感应电动势为（16-20）式中 -某导体所在处的气隙磁密-电枢导体有效长度-导体切割气隙磁场的速度设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路，则每一条支路中的串联导体数为N/2a>，电刷之间的感应电动势为 （16-21）上式中各处的气隙磁密不尽相同，为简单计，设每一极面下平均气隙磁密，它等于电枢表面各点气隙磁密的平均值，这样每一极的磁通量为（1622>）每根导体的平均感应电动势为（1623>）由此可得相邻电刷之间感应电动势为（1624>）式中 电枢旋转速度，r/min每一磁极的总磁通量，电动势常数，式（16-24>）系电刷在交轴且绕组为整距时直流电机感应电动势的计算公式，感应电动势与每极磁通量及转速的乘积成正比。如果绕组短距或电刷不在交轴处，使支路中一部分导体的感应电动势因磁场方向相反而反相，相互抵消，导致电刷间电动势的减小。此外，负载时交轴电枢反应使极面下磁通密度的分布发生畸变，又由于磁饱和影响，产生交轴电枢反应去磁作用，电刷间的感应电动势与极面下磁密的分布情况无关，但是与极面下总磁通量成正比，这样负载时的感应电动势比空载时略小。电刷间电动势为直流，但是电枢导体的感应电动势是交变的，其频率为（16-25）二、 电压平衡式1 直流发电机电压平衡式直流电机的电压、电流关系，可按照励磁方式画出一张接线图，并按电机的运行状态标出电流、电压和电动势的方向，然后应用电路定律，列出有关方程。兹以并励发电机为例说明之。电路图如图16-22(a)所示。并励发电机的电枢电流为（16-26）式中 负载电流励磁电流发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端电压，即>U，则（16-27）式中 端电压；电枢回路中各串联绕组的电阻电压降；每一电刷的接触电压降，通常可以认为为常数，一般对石墨电刷取=1V。此时，感应电动势与电流方向一致，电机输出电功率。绕组感应电动势，发电机的转速取决于原动机，通常保持不变。2 直流电动机电压平衡式以并励直流电动机为例，电路图如图16-22(b)所示。电源流入电动机的电流I为（16-28）在电动机中感应电动势的方向与电枢电流的方向相反，故称反电动势，反电动势较端电压小，即，则（16-29）三、 功率平衡式1 直流发电机功率平衡式 把式（16-26）和式（16-27）相乘，可得并励直流发电机的电磁功率为（16-30）式中 输出电功率,励磁损耗，电枢铜损耗，电刷的电损耗，发电机输入的是机械功率，外施机械功率不能全部转化为电磁功率，因此，输入功率为（16-31）式中 机械损耗，即轴承摩擦损耗、电刷和换向器的摩擦损耗、通风损耗。它们都与转速有关。铁芯损耗，电机旋转时，电枢铁芯中的磁通是交变的，由此产生涡流和磁滞损耗，总称铁芯损耗。附加损耗，又称杂散损耗，。把式（16-30）代入式（16-31）得（16-32）式中 总损耗式（16-32>）为并励发电机的功率平衡式，由此可画出并励直流发电机功率流程图，如图16-23>所示。图中机械损耗和铁芯损耗空载时就已存在，总称空载损耗，当负载变化时，它们的数值基本不变，故又称不变损耗。而电枢绕组的铜损耗和电刷接触压降损耗是由负载电流所引起的，称负载损耗，受负载电流大小而变化，故又称可变损耗。而空载时电枢电流很小，所引起的和可忽略不计。励磁损耗消耗的功率很小，一般仅为。并励发电机的励磁损耗与负载电流大小无关，可认为是不变损耗。输出功率与输入功率之比就是电机的效率，即 （16-33）2直流电动机功率平衡式以并励直流电动机为例。由电网供给的电功率为输入功率（1634）直流电动机的输入电功率扣除电枢铜损耗、电刷的电损耗及励磁损耗后才是电枢绕组吸收的电磁功率 ，电磁功率转换成机械功率，但是它并不是电动机的轴上输出有效的机械功率，它们之间的关系是（1635>）进一步计及附加损耗，则直流电动机的功率平衡式为（1636）由此可画出并励直流电动机的功率流程图，如图16-24>所示。【例16-2】有一积复励发电机，额定功率20KW，额定电压220V，长分接法励磁，电枢绕组电阻，串励绕组电阻，电刷接触电压降，并励绕组回路电阻，空载损耗，略去附加损耗。试求：额定负载时各绕组的铜损耗、电磁功率、输入功率和效率。解：发电机的接线图如图16-25所示。 负载电流励磁电流电枢电流 感应电动势电磁功率 电枢绕组铜耗 并励绕组铜耗 串励绕组铜耗 电刷的电损耗 输入功率 效率 第五节 电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式当电枢绕组中有电流流过，它与电机磁场相互作用，将产生电磁力，电枢受到一个电磁转矩。这个转矩表达式可用推导绕组感应电动势表达式类似的方法导出。电枢绕组中某一导体的电磁力为（16-37）式中 导体中的电流流过电刷的电流，故。导体j产生的电磁转矩为（16-38）式中 电枢直径设电枢共有N>根导体，则电枢总的电磁转矩为（16-39>）同样，为简单计，设每一极面下平均气隙密度为，则一根导体的平均电磁转矩为（16-40>）总电磁转矩（16-41）以和代入式（16-41>），则（16-42）式中 电枢绕组的电磁转矩，转矩常数，每一磁极的总磁通量，式（16-42>）系电刷在交轴处导出的直流电机电磁转矩公式，电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。电磁转矩也可由电磁功率求得，即同样，绕组不是整距、电刷位置位移以及气隙磁场变化等也会对电磁转矩产生影响，讨论略。1 直流发电机转矩平衡式由原动机供给的外施机械转矩为（16-43）式中输入机械功率，W>；角速度，；输入机械转矩，。直流发电机的电磁转矩是电磁作用使发电机转子受到制动的阻力转矩，即所谓反转矩空载损耗所引起的空载制动转矩为（16-44>）直流发电机的转矩平衡方程式为（16-45）2 直流电动机转矩平衡式直流电动机的电磁转矩是用以带动机械负载的驱动转矩。电动机的转矩平衡式为（16-46）式中 电磁转矩，；轴上的输出转矩，就是机械负载制动转矩，；由机械损耗、铁芯损耗和杂散损耗引起的空载制动转矩， 从原理上讲，任何直流电机既可作为发电机，亦可作为电动机运行。若电机由原动机驱动，且电枢的感应电动势，则电枢向电网输出电流，此时电磁转矩是起制动作用的反转矩，电机为发电机状态；若电枢的感应电动势，则电枢电流和相应的电磁转矩将变为零，电机为理想空载状态；若电枢的感应电动势，则电网向电枢输入电流，此时电磁转矩将成为驱动转矩，电机为电动机状态。小 结本章介绍直流电机的基本构成、磁场分析和电磁作用原理。（1>）直流电机的结构特点是有一换向器>电刷装置，它能使旋转的电枢绕组中的交流感应电动势，变换成静止的电刷间的直流电动势，故称为机械换向结构。电枢绕组是直流电机的核心部件，当电枢绕组在磁场中旋转时就将产生感应电动势和电磁转矩。与交流绕组相比，直流电枢绕组的主要特点： >是闭合绕组。每个线圈元件有两个端点，分别连在两个特定换向片上，整个绕组通过换向片连成一体，形成闭合回路； >绕组均为双层绕组，线圈数、换向片数和总的虚槽数相等； >绕组的并联支路数取决于绕组的形式。单波绕组支路数最少，仅2>条，而单叠绕组的支路数较多，。（2）直流电机磁场的性质、大小和分布与电机的工作特性及换向关系密切。空载时，电机内部磁场由励磁绕组单独激励，是一个恒定磁场。负载时，电机内部同时存在主极励磁磁动势和电枢磁动势，电枢反应使气隙磁场的大小和分布发生变化，对电机运行的影响主要是： >考虑磁饱和现象，磁场畸变将使每极总磁通有所减少； >磁场畸变后，使交轴处磁场不为零，极面下磁密分布不均，从而使换向片间电动势分布也不均，对换向不利。每一主极面下磁场一半削弱，另一半被加强，如表16-2>。 当电刷离开交轴几何中性线时，电机不仅有交轴电枢反应，还有直轴电枢反应，直轴电枢反应的作用，如表16-3。表 16-2 电枢反应的作用 表 16-3 移动电刷后直轴电枢反应的作用电动机发电机前极尖助磁去磁后极尖去磁助磁电动机发电机顺电枢转向移电刷助磁去磁逆电枢转向移电刷去磁助磁（3）直流电机电枢绕组的感应电动势，即感应电动势正比于每极磁通量和转速。在发电机中，感应电动势与电枢电流同方向，且，电压平衡方程式为；在电动机中，感应电动势为反电动势，电动势与电流方向相反，且，电压平衡方程式为。以此还能推出功率平衡方程式，画出发电机状态和电动机状态的功率流程图。（4>）直流电机电枢绕组的电磁转矩，即电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。在发电机中，电磁转矩是制动转矩，转速与转矩方向相反，转矩平衡方程式为；在电动机中，电磁转矩是驱动转矩，转速与转矩方向相同，转矩平衡方程式为。直流电机的电磁功率可写成，它显示了电机内部机械功率与电磁功率之间的转换关系。思考题16-1 简述直流电机的各主要部件。为什么电枢铁芯要用硅钢片叠成，而磁轭却可用铸钢或钢板制成？16-2 换向器和电刷装置在直流电机中起什么作用？如何确定电刷的正确位置？电刷如果偏离正确位置，对电机运行有何影响？16-3 比较同步电机的集电环与直流电机的换向器在功能上有何异同？16-4为什么直流电机的电枢绕组是闭合绕组？闭合回路中会有环流吗？16-5 简要说明叠绕组和波绕组的区别？16-6 一台六极直流电机原为单波绕组，如改绕成单叠绕组，并保持线圈元件数、导体数、每线圈匝数、每槽并列圈边数不变，问该电机的额定容量要不要改变？额定电压、电流要不要变化？为什么？16-7 有一台四极直流电机，电枢为单叠绕组，如发生下列故障，试分析电机会出现什么现象：（1>）有一主磁极失磁；（2>）有一对相邻电刷跌落。16-8 电枢反应磁动势与主磁极磁动势有何不同？16-9 交轴电枢反应和直轴电枢反应对电机性能会产生哪些影响？16-10 直流电机负载时的电枢绕组电动势与无载时是否相同？计算电枢绕组电动势时，所用的磁通 是指什么？16-11 电磁转矩的大小与哪些因素有关？气隙中磁场的分布波形对其有无影响？16-12 电刷之间的感应电动势与某一导体的感应电动势有什么不同？16-13直流电机作为发电机运行与作为电动机运行时，感应电动势起着怎样不同的作用？电磁转矩又起着怎样不同的作用？16-14 直流电机电磁功率的物理意义。16-15直流电机稳态运行时，磁通是不变的，试问其铁芯损耗是否存在，为什么？16-16 直流发电机与直流电动机的功率流程图有何异同之处。习 题16-1 设有一台20KW，4极直流发电机，转速为1000r/min，电枢共有37>槽，每槽并列圈边数C=3，每线圈元件匝数=2，试问：电枢绕组原为单波绕组，端电压为230V>，求电机的额定电流及电枢绕组各项数据；电枢绕组改为单叠绕组，求电机的额定电压、电流及电枢绕组各项数据；空载时每极磁通量；各导体中感应电动势的频率。解：（1>）额定电流绕组元件数S，换向片数K和虚槽数为电枢总导体数 设该绕组为单波左行，合成节距为第一节距 第二节距 (2)>如电枢绕组改为单叠绕组，并联支路将发生变化。单叠绕组时：2a=2p=4。单波绕组时：2a=2>。这样每一支路中的串联导体数单叠绕组只有单波绕组的一半，因此电枢绕组的感应电动势也将减半，如果电机的功率保持不变，则电枢电流将增加一倍。单叠绕组时额定电压 额定电流 额定功率 设该绕组为单叠右行，合成节距为第一节距 第二节距 设空载时电枢绕组感应电动势等于端电压空载时每极磁通量导体中感应电动势是交变的，频率为16-2 设有一台10KW，230V，4>极，2850r/min的直流发电机，额定效率为85.5%，电枢有31槽，每槽有12>个导体，电枢绕组为单波绕组。试求：（1>）该电机的额定电流；（2>）该电机的额定输入转矩；（3>）额定运行时电枢绕组回路电压降为端电压的10%>，则额定时每极磁通为多少？（4>）电枢导体中感应电动势的频率。16-3 已知一台4极，1000r/min的直流电机，电枢有42>槽，每槽中有3个并列圈边，每元件有3匝，每极磁通为，电枢绕组为单叠绕组。试问：（1>）电枢绕组的感应电动势；（2>）若电枢电流，电枢的电磁转矩。16-4 试作一单叠绕组的展开图，并画出磁极和电刷的位置。（2p=4，Z=K=26）16-5 试作一单波绕组的展开图，并画出磁极和电刷的位置。（2p=4，Z=K=21）16-6 试在表16-4的空格中填入答案表16-4 习题16-6的表座号1234绕组型式单叠单波极对数p2343换向片数K3228441246电枢槽数Z32147123总导体数N每元件匝数Nc2421每槽并列圈边数C1合成节距y1第一节距y1第二节距y2并联支路双路a1左行还是右行16-7 有一台直流发电机，4极，电枢绕组总导体数N=266，单波绕组，额定时转速为1500r/min，电枢电流。试求：（1>）当 时，求每极磁通；（2>）当每极磁通保持不变，电枢绕组改为单叠绕组，求电枢绕组的感应电动势；（3>）当每极磁通保持不变，转速降至1200r/min，求电枢绕组的感应电动势；（4>）当每极磁通保持不变，电枢的电磁转矩T>；（5>）当每极磁通保持不变，且电机的功率不变，电枢绕组改为单叠绕组，求电枢电流和电磁转矩T>。16-8 有一台4极直流发电机额定电枢电流为43A>，电枢为单波绕组，共有378根导体，电枢直径为13.8cm，电刷放在交轴处，试求：（1>）电枢线负载A；（2>）电枢磁动势的幅值；（3>）若电刷顺着电枢旋转方向移动电角度，求电枢磁势的直轴分量和交轴分量的幅值，直轴电枢反应是去磁作用还是磁化作用？16-9 有一台4极、110V>、1500r/min直流电动机，额定电枢电流为33.3A，电枢为单波绕组，共有91个换向片，每线圈元件匝数为3，电枢直径为14.2cm，电枢绕组直流电阻，电刷在交轴，由于磁路饱和现象，电枢反应的等效去磁安匝数为交轴磁动势安匝数的12%>。该机在1500r/min时，测得的磁化曲线的数据见表16-5。在额定运行情况下，励磁绕组中的电流为1.53A，试求：表16-5 习题16-9的表E0（V）6080100120140If0（A）072105136172244（1>）电枢的线负载A；（2>）电枢反应的交轴磁动势；（3>）电枢反应的等效去磁磁动势；（4>）励磁绕组的每极匝数。16-10 有一台并励发电机，额定容量，电枢电阻，电刷接触压降=1V，并励回路电阻，额定时电枢铁耗，机械损耗。试求：（1>）