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电子分解电子分解第第1 1章章 直直 流流 电电 机机知知识识点点1.1.直流电机的工作原理直流电机的工作原理2.2.直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式3.3.直流电机的工作特性直流电机的工作特性要要求求掌握掌握：1.1.直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理2.2.直流电机的感应电动势、电磁转矩、电磁功率等基本公式直流电机的感应电动势、电磁转矩、电磁功率等基本公式3.3.直流电动机运行时的基本方程式、工作特性直流电动机运行时的基本方程式、工作特性了解：了解：1.1.直流电机的基本结构直流电机的基本结构2.2.铭牌数据的含义铭牌数据的含义3.3.直流电机的换向直流电机的换向 直流电机是一种通过磁场的耦合作用实现机械能与直流电能直流电机是一种通过磁场的耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械。直流电机包括直流电动机和直流发电机。将机械能相互转换的旋转式机械。直流电机包括直流电动机和直流发电机。将机械能转变成直流电能的电机称为直流发电机，反之，将直流电能转变成机械能的转变成直流电能的电机称为直流发电机，反之，将直流电能转变成机械能的电机称为直流电动机。直流电机具有可逆性，一台直流电机工作在发电机状电机称为直流电动机。直流电机具有可逆性，一台直流电机工作在发电机状态，还是工作在电动机状态，取决于电机的运行条件。态，还是工作在电动机状态，取决于电机的运行条件。2 1.1.1 1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理1.1.1 1.1 1 直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理基于电磁感应定律。电磁感应定律指出，在均匀磁直流发电机的工作原理基于电磁感应定律。电磁感应定律指出，在均匀磁场中，当导体切割磁感应线时，导体中就有感应电动势产生。若磁感应线、导场中，当导体切割磁感应线时，导体中就有感应电动势产生。若磁感应线、导体及其运动方向三者相互垂直，则导体中产生的感应电动势体及其运动方向三者相互垂直，则导体中产生的感应电动势e e的大小为的大小为e=Blv （1.1）图图1.11.1是一台最简单的直流发电机的物理模型。是一台最简单的直流发电机的物理模型。N N和和S S是一对固定的磁极，是一对固定的磁极，磁极固定不动，称为定子。两磁极之间有一个可以旋转的导磁圆柱体，在其表磁极固定不动，称为定子。两磁极之间有一个可以旋转的导磁圆柱体，在其表面的槽内放置了一个线圈，线圈连同导磁圆柱体是直流电动机可转动部分，称面的槽内放置了一个线圈，线圈连同导磁圆柱体是直流电动机可转动部分，称为电机转子（或电枢）。线圈由导体为电机转子（或电枢）。线圈由导体abab和和cdcd构成，线圈的两端分别接到相互绝构成，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个圆弧形铜片（称为换向片）上，由换向片构成的圆柱体称为换向器，缘的两个圆弧形铜片（称为换向片）上，由换向片构成的圆柱体称为换向器，换向片分别与固定不动的电刷换向片分别与固定不动的电刷A A和和B B保持滑动接触，这样，线圈保持滑动接触，这样，线圈abcdabcd可以通过换可以通过换向片和电刷与外电路接通。电枢在原动机拖动下转动，把机械能转变为电能供向片和电刷与外电路接通。电枢在原动机拖动下转动，把机械能转变为电能供给接在两电刷间的负载。给接在两电刷间的负载。3 1.1.1 1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理图图1 1.1 1 直流发电机的模型直流发电机的模型4 1.1.1 1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理1.1.1 1.2.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理基于安培定律。安培定律指出，若均匀磁场直流电动机的工作原理基于安培定律。安培定律指出，若均匀磁场B与导与导体相互垂直，且导体中通以电流体相互垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上的电磁力，则作用于载流导体上的电磁力F为为F=Bli（1.2）式中，式中，l为导体的有效长度为导体的有效长度(m)；i为导体中的电流为导体中的电流(A)；F为导体所受的电磁为导体所受的电磁力力(N)。在在图图1.2(a)中，当中，当ab边在边在N极下，极下，cd边在边在S极上，电流从电刷极上，电流从电刷A、换向片、换向片1、线圈边线圈边ab和和cd，最后经换向片，最后经换向片2及电刷及电刷B回到电源的负极时，线圈中的电流方回到电源的负极时，线圈中的电流方向为向为abcd。根据左手定则可知，此瞬间导体。根据左手定则可知，此瞬间导体ab所受电磁力向左，导体所受电磁力向左，导体cd所受电磁力向右，这样就在线圈所受电磁力向右，这样就在线圈abcd上产生一个转矩，称为电磁转矩，该上产生一个转矩，称为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆指针方向旋转。转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆指针方向旋转。当电枢转过当电枢转过180之后，如之后，如图图1.2(b)所示，所示，cd转到转到N极下，极下，ab转到转到S极上，此极上，此时电流流经的途径是通过电刷时电流流经的途径是通过电刷A、换向片、换向片2、线圈边、线圈边dc和和ba，最后经换向片，最后经换向片1及及电刷电刷B回到电源的负极，线圈中的电流方向为回到电源的负极，线圈中的电流方向为dcba。因此线圈中的电流。因此线圈中的电流改变了方向，但用左手定则可判断，这时电磁转矩的方向仍是逆时针方向。改变了方向，但用左手定则可判断，这时电磁转矩的方向仍是逆时针方向。5 1.1.1 1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理图图1 1.2.2 直流电动机的模型直流电动机的模型6 1.1.1 1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理从上述分析可知，虽然直流电动机电枢绕组线圈中流通的电流为交变的，从上述分析可知，虽然直流电动机电枢绕组线圈中流通的电流为交变的，但但N极和极和S极下所受力的方向并未发生变化，产生的电磁转矩却是单方向的，极下所受力的方向并未发生变化，产生的电磁转矩却是单方向的，因此电枢的转动方向仍保持不变。改变线圈中电流的方向是由换向器和电刷来因此电枢的转动方向仍保持不变。改变线圈中电流的方向是由换向器和电刷来完成的。完成的。在实际直流电动机中，有许多线圈牢固地嵌在电枢铁芯槽中。当线圈（导在实际直流电动机中，有许多线圈牢固地嵌在电枢铁芯槽中。当线圈（导体）中通过电流时，处在磁场中的导体因受到电磁力而运动，即带动整个电枢体）中通过电流时，处在磁场中的导体因受到电磁力而运动，即带动整个电枢旋转，通过转轴便可带动工作机械。这就是直流电动机的基本工作原理。旋转，通过转轴便可带动工作机械。这就是直流电动机的基本工作原理。综上所述，可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运行，又可以作为综上所述，可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运行，又可以作为发电机运行，这主要取决于不同的外部条件。若将直流电源加在电刷两端，电发电机运行，这主要取决于不同的外部条件。若将直流电源加在电刷两端，电机就能将直流电能转换为机械能，作电动机运行；若用原动机拖动电枢旋转，机就能将直流电能转换为机械能，作电动机运行；若用原动机拖动电枢旋转，输入机械能，电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种运行状态输入机械能，电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种运行状态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。实际的直流发电机和直流电动机，因的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。实际的直流发电机和直流电动机，因为设计制造时考虑了长期作为发电机或电动机运行性能方面的不同要求，在结为设计制造时考虑了长期作为发电机或电动机运行性能方面的不同要求，在结构上要有区别。构上要有区别。7 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌1.2.1 1.2.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机在结构上主要有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子或直流电机在结构上主要有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子或电枢，静止部分称为定子。定子与转子之间有间隙，称为气隙。定子部分包括电枢，静止部分称为定子。定子与转子之间有间隙，称为气隙。定子部分包括主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖和轴承等部件；转子部分包括电枢铁主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖和轴承等部件；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部件。芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部件。直流电机的结构如直流电机的结构如图图1.3所示。直流电机组成部件如所示。直流电机组成部件如图图1.4所示。所示。图图1 1.3.3 直流电机的结构图直流电机的结构图1-1-风扇；风扇；2-2-机座；机座；3-3-电枢；电枢；4-4-主磁极；主磁极；5-5-刷架；刷架；6-6-换向器；换向器；7-7-接线板；接线板；8-8-出线盒；出线盒；9-9-换向极；换向极；10-10-端盖端盖8 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌图图1 1.4.4直流电机的组成部件直流电机的组成部件1-1-前端盖；前端盖；2-2-风扇；风扇；3-3-机座；机座；4-4-电枢；电枢；5-5-电刷架；电刷架；6-6-后端盖后端盖9 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌1.1.定子部分定子部分定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支架。定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支架。（1）主磁极）主磁极（2）换向极）换向极（3）电刷装置）电刷装置（4）机座）机座（5）端盖）端盖图图1 1.5 .5 直流电机的主磁极直流电机的主磁极1-1-极掌；极掌；2-2-机座；机座；3-3-励磁绕组；励磁绕组；4-4-主磁极铁芯主磁极铁芯10 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌图图1 1.6 .6 直流电机的换向极直流电机的换向极1-1-换向极铁芯；换向极铁芯；2-2-换向极绕组换向极绕组图图1 1.7.7电刷装置电刷装置1-1-电刷；电刷；2-2-刷握；刷握；3-3-弹簧压板；弹簧压板；4-4-刷杆座；刷杆座；5-5-刷杆刷杆11 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌2.2.转子部分转子部分转子是直流电机的重要部件。由于在转子绕组中产生感应电动势和电磁转转子是直流电机的重要部件。由于在转子绕组中产生感应电动势和电磁转矩，因此转子是机械能与电能相互转换的枢纽，也称其为电枢。矩，因此转子是机械能与电能相互转换的枢纽，也称其为电枢。（1）电枢铁芯）电枢铁芯（2）电枢绕组）电枢绕组（3）换向器）换向器（4）风扇、转轴和支架）风扇、转轴和支架图图1 1.8 .8 电枢铁芯冲片及电枢电枢铁芯冲片及电枢图图1 1.9 .9 换向器换向器1-1-连接片；连接片；2-2-换向片；换向片；3-3-云母环；云母环；4-V4-V形套筒形套筒12 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌1.2.2 1.2.2 直流电机的铭牌及额定值直流电机的铭牌及额定值铭牌钉在电机机座的外表面上，其上标明电机主要额定数据及电机产品数据，铭牌钉在电机机座的外表面上，其上标明电机主要额定数据及电机产品数据，供用户参考。铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定供用户参考。铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据如出电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据如出厂编号、出厂日期等。厂编号、出厂日期等。电机制造厂按一定标准及技术要求，规定了电机高效长期稳定运行的经济电机制造厂按一定标准及技术要求，规定了电机高效长期稳定运行的经济技术参数，称为电机的额定值。额定值是使用和选择电机的依据，因此使用前技术参数，称为电机的额定值。额定值是使用和选择电机的依据，因此使用前一定要详细了解这些铭牌数据。一定要详细了解这些铭牌数据。表表1.1为某台直流电动机的铭牌。为某台直流电动机的铭牌。13 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌1.1.型号型号型号表明该电机所属的系列及主要特点，采用大写汉语拼音字母和阿拉伯型号表明该电机所属的系列及主要特点，采用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，通常由三部分构成：第一部分为产品代号；第二部分为规格代号；数字表示，通常由三部分构成：第一部分为产品代号；第二部分为规格代号；第三部分为特殊环境代号。例如型号第三部分为特殊环境代号。例如型号Z3-95中的中的“Z”表示普通用途直流电机；表示普通用途直流电机；脚注脚注“3”表示第三次改型设计；第一个数字表示第三次改型设计；第一个数字“9”是机座直径尺寸序号；第二是机座直径尺寸序号；第二个数字个数字“5”是铁芯长度序号。是铁芯长度序号。2.2.额定值额定值(1)额定电压额定电压UN额定电压是指在额定运行条件下，电机出线端的电压。对电动机是指输入额定电压是指在额定运行条件下，电机出线端的电压。对电动机是指输入额定电压对发电机是指输出额定电压（额定电压对发电机是指输出额定电压（V）。）。(2)额定电流额定电流IN额定电流是指电机在额定电压条件下，运行于额定功率时的电流。对电动额定电流是指电机在额定电压条件下，运行于额定功率时的电流。对电动机而言，是指带额定负载时的输入电流；对发电机而言，是指带额定负载时的机而言，是指带额定负载时的输入电流；对发电机而言，是指带额定负载时的输出电流（输出电流（A）。）。14 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌(3)额定功率额定功率PN额定功率是指在额定电压条件下电机所能供给的功率。对于电动机额定功额定功率是指在额定电压条件下电机所能供给的功率。对于电动机额定功率是指电动机轴上输出的额定机械功率率是指电动机轴上输出的额定机械功率(4)额定转速额定转速nN额定转速是指电机在额定电压、额定电流条件下，且电机运行于额定功率额定转速是指电机在额定电压、额定电流条件下，且电机运行于额定功率时电机的转速（时电机的转速（rmin）。）。此外，铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重量等参数。还有此外，铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重量等参数。还有一些额定值，如额定效率一些额定值，如额定效率N、额定转矩、额定转矩TN、额定温升、额定温升N，一般不标注在铭牌，一般不标注在铭牌上。上。电机在实际运行时，不可能总工作在额定状态，其运行情况由负载大小来电机在实际运行时，不可能总工作在额定状态，其运行情况由负载大小来决定。如果负载电流等于额定电流，称为满载运行；负载电流大于额定电流，决定。如果负载电流等于额定电流，称为满载运行；负载电流大于额定电流，称为过载运行；负载电流小于额定电流，称为欠载运行。长期过载运行将使电称为过载运行；负载电流小于额定电流，称为欠载运行。长期过载运行将使电机因过热而缩短寿命，长期欠载运行则电机不能充分利用，效率低。选择电机机因过热而缩短寿命，长期欠载运行则电机不能充分利用，效率低。选择电机时，应根据负载要求，尽可能使其接近于额定情况下运行。时，应根据负载要求，尽可能使其接近于额定情况下运行。15 1.2 1.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌1.2.3 1.2.3 直流电机的主要系列简介直流电机的主要系列简介我国常用直流电机的主要系列简介如下。我国常用直流电机的主要系列简介如下。（1）Z系列系列Z系列电机是通风防护式的，适用于调速范围不大的机械拖动，应在少灰系列电机是通风防护式的，适用于调速范围不大的机械拖动，应在少灰尘、少腐蚀及温度低的场所使用。尘、少腐蚀及温度低的场所使用。（2）Z2系列系列Z2系列是系列是Z系列的改进，也是防护式的，调速范围可达系列的改进，也是防护式的，调速范围可达2 1，即转速可超，即转速可超过额定转速一倍。过额定转速一倍。（3）ZO系列系列ZO系列电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。系列电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。（4）ZD系列系列ZD系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所，如大型机系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所，如大型机床、卷扬机、起重设备等。床、卷扬机、起重设备等。（5）ZQD系列系列ZQD系列是直流牵引电动机，用于牵引车辆。系列是直流牵引电动机，用于牵引车辆。直流电机系列很多，使用时可查电机产品目录或有关电工手册。直流电机系列很多，使用时可查电机产品目录或有关电工手册。16 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.3.1 1.3.1 直流电枢绕组基本知识直流电枢绕组基本知识电枢绕组是直流电机的电路部分，是电机实现机电能量转换的枢纽。电枢电枢绕组是直流电机的电路部分，是电机实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的主要作用是产生感应电动势和电磁转矩。绕组的主要作用是产生感应电动势和电磁转矩。电枢绕组是由许多结构与形状相同的线圈（以下称元件）按一定规律连接电枢绕组是由许多结构与形状相同的线圈（以下称元件）按一定规律连接而成。直流电机电枢绕组为双层分布绕组，其连接方式有叠绕组和波绕组两种而成。直流电机电枢绕组为双层分布绕组，其连接方式有叠绕组和波绕组两种类型类型（图（图1.10）。叠绕组又分为单叠绕组和复叠绕组；波绕组又分为单波绕组。叠绕组又分为单叠绕组和复叠绕组；波绕组又分为单波绕组和复波绕组；此外还有蛙形绕组，即叠绕组和波绕组混合绕组。下面介绍电枢和复波绕组；此外还有蛙形绕组，即叠绕组和波绕组混合绕组。下面介绍电枢绕组中常用的基本知识。绕组中常用的基本知识。图图1 1.10 .10 直流电枢绕组元件直流电枢绕组元件（a a）、（）、（b b）叠绕组元件；）叠绕组元件；（c c）、（）、（d d）波绕组元件）波绕组元件171.1.电枢绕组元件电枢绕组元件电枢绕组元件由绝缘铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽中能与电枢绕组元件由绝缘铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽中能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边，它是进行电磁能量转换的磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边，它是进行电磁能量转换的部分。伸出槽外的部分，仅起连接作用，不能直接转换能量，称为端部，如部分。伸出槽外的部分，仅起连接作用，不能直接转换能量，称为端部，如图图1.10所示。所示。2.2.极距极距沿电枢表面相邻磁极的距离称为极距沿电枢表面相邻磁极的距离称为极距，如，如图图1.13所示。当用线性长度表所示。当用线性长度表示时，极距的表达式为示时，极距的表达式为图图1 1.13 .13 极距极距 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组183.3.节距节距表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距。直流电机电枢表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距。直流电机电枢绕组的节距有第一节距绕组的节距有第一节距y1、第二节距、第二节距y2、合成节距、合成节距y和换向器节距和换向器节距yK四种。四种。（1）第一节距）第一节距y1（2）第二节距）第二节距y2（3）合成节距）合成节距y（4）换向器节距）换向器节距yK图图1 1.14 .14 电枢绕组的节距电枢绕组的节距 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组194.4.绕组展开图绕组展开图将电枢表面某处沿轴向剖开，展开成一个平面，就得到绕组展开将电枢表面某处沿轴向剖开，展开成一个平面，就得到绕组展开图图1.15。绕组展开图可清楚地表示绕组连接规律。其中实线表示上层元件边，虚线表示绕组展开图可清楚地表示绕组连接规律。其中实线表示上层元件边，虚线表示下层元件边。一个虚槽中的上、下元件边用紧邻的一条实线和一条虚线表示，下层元件边。一个虚槽中的上、下元件边用紧邻的一条实线和一条虚线表示，每个方格表示一片换向片。为分析方便，使其宽度与槽宽相等。画展开图时，每个方格表示一片换向片。为分析方便，使其宽度与槽宽相等。画展开图时，要先对电枢槽、绕组元件和换向片进行编号，一个绕组元件的上层边所在的槽、要先对电枢槽、绕组元件和换向片进行编号，一个绕组元件的上层边所在的槽、上层边所连接的换向片和该元件标号相同。例如上层边所连接的换向片和该元件标号相同。例如1号元件上层边放在号元件上层边放在1号槽，并号槽，并与与1号换向片连接。号换向片连接。下面以单叠绕组与单波绕组为例介绍电枢绕组的结构和连接规律。下面以单叠绕组与单波绕组为例介绍电枢绕组的结构和连接规律。1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组单叠绕组的连接规律是将所有相邻元件依次串联，即后一个元件的首端与单叠绕组的连接规律是将所有相邻元件依次串联，即后一个元件的首端与前一个元件的尾端相连，同时每个元件的两个出线端依次连接到相邻换向片上，前一个元件的尾端相连，同时每个元件的两个出线端依次连接到相邻换向片上，最后形成一个闭合回路。所以单叠绕组的合成节距等于一个虚槽，换向器节距最后形成一个闭合回路。所以单叠绕组的合成节距等于一个虚槽，换向器节距等于一个换向片，即等于一个换向片，即 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组20y=yK=1（1.14）y=1表示每串联一个元件就向右移动一个虚槽或一个换向片，称为右行绕表示每串联一个元件就向右移动一个虚槽或一个换向片，称为右行绕组；组；y=-1表示每串联一个元件就向左移动一个虚槽或一个换向片，称为左行表示每串联一个元件就向左移动一个虚槽或一个换向片，称为左行绕组。绕组。由于左行绕组的元件接到换向片的连接线互相交错，用铜较多，很少采用。由于左行绕组的元件接到换向片的连接线互相交错，用铜较多，很少采用。直流电机的电枢绕组多用右行绕组。直流电机的电枢绕组多用右行绕组。1.3.3 1.3.3 单波绕组单波绕组波绕组因其元件连接呈波浪形，故称为波绕组。单波绕组的连接规律是从波绕组因其元件连接呈波浪形，故称为波绕组。单波绕组的连接规律是从某一换向片出发，将相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串某一换向片出发，将相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来，直至沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上，联起来，直至沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上，然后再从此换向片出发，依次连接其余元件，最后回到开始出发的换向片，形然后再从此换向片出发，依次连接其余元件，最后回到开始出发的换向片，形成一个闭合回路。成一个闭合回路。1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组21 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组22由直流电机的基本工作原理可知，直流电机无论是作发电机运行还是作电由直流电机的基本工作原理可知，直流电机无论是作发电机运行还是作电动机运行，必须具有一定强度的气隙磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换动机运行，必须具有一定强度的气隙磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。为此，在分析直流电机的运行原理之前，必须对直流电机的励磁方式、的媒介。为此，在分析直流电机的运行原理之前，必须对直流电机的励磁方式、空载和负载时的气隙磁场进行分析。空载和负载时的气隙磁场进行分析。1.4.1 1.4.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式主磁极上励磁绕组通以直主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为流励磁电流产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁磁动势单独励磁磁动势。励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁产生的磁场是直流电机的主磁场，又称为励磁磁场。励磁绕场，又称为励磁磁场。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式的不同可直流电机按励磁方式的不同可以分为他励直流电机、并励直以分为他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励流电机、串励直流电机、复励直流电机。各种励磁方式如直流电机。各种励磁方式如图图1.21所示。所示。1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场图图1 1.21 .21 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式231.1.他励直流电机他励直流电机励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系，励磁电流励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系，励磁电流If由一个独立的直流电源由一个独立的直流电源提供，与电枢电流提供，与电枢电流Ia无关。无关。图图1.21（a）中的电流中的电流I，对发电机而言，是指发电，对发电机而言，是指发电机的负载电流；对电动机而言，是指电动机的输入电流，他励电机的电枢电流机的负载电流；对电动机而言，是指电动机的输入电流，他励电机的电枢电流与电流与电流I相等，即相等，即Ia=I。直流电机采用永久磁铁产生磁场，称为永磁式电机。永磁直流电机也可看直流电机采用永久磁铁产生磁场，称为永磁式电机。永磁直流电机也可看作他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。作他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。2.2.并励直流电机并励直流电机图图1.21（b）中励磁绕组和电枢绕组并联。对发电机而言，励磁电流由发中励磁绕组和电枢绕组并联。对发电机而言，励磁电流由发电机自身提供，电机自身提供，Ia=I+If；对电动机而言，励磁绕组与电枢绕组并接于同一外加；对电动机而言，励磁绕组与电枢绕组并接于同一外加电源，电源，Ia=I-If。他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的1%5%，因此励磁绕组的导线细、匝数多。因此励磁绕组的导线细、匝数多。1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场243.3.串励直流电机串励直流电机图图1.21（c）中励磁绕组和电枢绕组串联，中励磁绕组和电枢绕组串联，Ia=I=If。对发电机而言，励磁。对发电机而言，励磁电流由发电机自身提供；对电动机而言，励磁绕组与电枢绕组串接于同一外加电流由发电机自身提供；对电动机而言，励磁绕组与电枢绕组串接于同一外加电源。串励直流电机的励磁绕组的导线粗、匝数少。电源。串励直流电机的励磁绕组的导线粗、匝数少。4.4.复励直流电机复励直流电机图图1.21（d）中有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联，称为并励绕组；中有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一套与电枢绕组串联，称为串励绕组。两个绕组产生的磁动势方向相同时称另一套与电枢绕组串联，称为串励绕组。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，磁动势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。直流电机的为积复励，磁动势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场251.4.2 1.4.2 磁路与磁路定律磁路与磁路定律1.1.磁路磁路磁通所通过的路径称为磁路，磁路主要由铁磁材料构成磁通所通过的路径称为磁路，磁路主要由铁磁材料构成(包括气隙包括气隙)，其目，其目的是为了能用较小的电流产生较强的磁场，以便得到较大的感应电动势或电磁的是为了能用较小的电流产生较强的磁场，以便得到较大的感应电动势或电磁力。只在磁路中闭合的磁通称为主磁通，而部分经过磁路、部分经过磁路周围力。只在磁路中闭合的磁通称为主磁通，而部分经过磁路、部分经过磁路周围媒质，或者全部经过磁路周围媒质闭合的磁通称为漏磁通。因为铁磁材料的磁媒质，或者全部经过磁路周围媒质闭合的磁通称为漏磁通。因为铁磁材料的磁导率远高于周围媒质的磁导率，所以主磁通远大于漏磁通。导率远高于周围媒质的磁导率，所以主磁通远大于漏磁通。1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场2.2.磁路的基本定律磁路的基本定律（1）全电流定律（安培环路定律）全电流定律（安培环路定律）（2）基尔霍夫磁通定律）基尔霍夫磁通定律（3）基尔霍夫磁压定律）基尔霍夫磁压定律图图1 1.22 .22 全电流定律全电流定律26 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场图图1 1.23 .23 有分支磁路有分支磁路图图1 1.24 .24 不同截面且有气隙的磁路不同截面且有气隙的磁路271.4.3 1.4.3 直流电机的空载磁场和磁化曲线直流电机的空载磁场和磁化曲线直流电机空载是指电机不带负载时的运行状态。在发电机中，空载时无电直流电机空载是指电机不带负载时的运行状态。在发电机中，空载时无电功率输出，对他励直流发电机而言，电枢电流等于零；在电动机中，空载时无功率输出，对他励直流发电机而言，电枢电流等于零；在电动机中，空载时无机械功率输出，此时电枢电流很小，由电枢电流产生的电枢磁场可忽略不计，机械功率输出，此时电枢电流很小，由电枢电流产生的电枢磁场可忽略不计，所以直流电机的空载磁场可以看作是由励磁绕组通以励磁电流后建立的励磁磁所以直流电机的空载磁场可以看作是由励磁绕组通以励磁电流后建立的励磁磁动势单独产生的磁场，又称主磁场。动势单独产生的磁场，又称主磁场。1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场1.1.空载磁场和磁路空载磁场和磁路图图1.25是一台四极直流电机的是一台四极直流电机的空载磁场分布示意图。空载磁场分布示意图。图图1 1.25 .25 直流电机空载时的磁场分布直流电机空载时的磁场分布1-1-极靴；极靴；2-2-极身；极身；3-3-定子磁轭；定子磁轭；4-4-励磁线圈；励磁线圈；5-5-气隙；气隙；6-6-电枢齿；电枢齿；7-7-电枢磁轭电枢磁轭28 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场2.2.空载磁场气隙磁通密度分布曲线空载磁场气隙磁通密度分布曲线由于主磁极结构上的特点，气隙磁通由于主磁极结构上的特点，气隙磁通密度密度B的分布是不均匀的。空载时气隙磁通的分布是不均匀的。空载时气隙磁通密度分布如密度分布如图图1.26所示，在极靴下气隙较所示，在极靴下气隙较短，气隙中各点磁密较大；在极靴范围以短，气隙中各点磁密较大；在极靴范围以外，气隙明显增长，磁通密度迅速下降，外，气隙明显增长，磁通密度迅速下降，至两极分界处，磁通密度下降到零。因此至两极分界处，磁通密度下降到零。因此其气隙磁通密度其气隙磁通密度(简称磁密简称磁密)分布曲线为分布曲线为图图1.26中所示的近似梯形的平顶波。磁密为中所示的近似梯形的平顶波。磁密为零的线与电机轴线所决定的平面称为物理零的线与电机轴线所决定的平面称为物理中性面。两极之间的几何分界面为几何中中性面。两极之间的几何分界面为几何中性面。显然，当电机只存在主极磁场时，性面。显然，当电机只存在主极磁场时，几何中性面与物理中性面重合。几何中性面与物理中性面重合。图图1 1.26 .26 空载时气隙磁通密度空载时气隙磁通密度分布图分布图29 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场3.3.空载磁化特性曲线空载磁化特性曲线空载时，主磁通空载时，主磁通0的大小仅取决于的大小仅取决于励磁磁动势励磁磁动势Ff(Ff=NIf)的大小和主磁路各的大小和主磁路各段磁阻的大小。对一台特定的电机，其段磁阻的大小。对一台特定的电机，其磁路材料及其几何尺寸已确定，即磁阻磁路材料及其几何尺寸已确定，即磁阻已确定；而励磁绕组的匝数也已确定，已确定；而励磁绕组的匝数也已确定，因此，主磁通因此，主磁通0与励磁电流与励磁电流If有关，两有关，两者的关系可由磁化曲线者的关系可由磁化曲线0=f(If)来描述，来描述，如如图图1.27所示。所示。图图1 1.27 .27 空载磁化曲线空载磁化曲线301.4.4 1.4.4 直流电机的负载磁场和电枢反应直流电机的负载磁场和电枢反应 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场1.1.负载磁场和电枢反应负载磁场和电枢反应当直流电机负载运行时，不但励磁电流流过励磁绕组产生主磁场，而且电枢当直流电机负载运行时，不但励磁电流流过励磁绕组产生主磁场，而且电枢绕组中有电枢电流流过，将建立一个磁动势绕组中有电枢电流流过，将建立一个磁动势Fa，该磁动势也要产生一个电枢磁场。，该磁动势也要产生一个电枢磁场。因此直流电机负载运行时的气隙磁场是主磁场和电枢磁场的合成磁场，即负载运因此直流电机负载运行时的气隙磁场是主磁场和电枢磁场的合成磁场，即负载运行时的气隙磁场是由励磁磁动势行时的气隙磁场是由励磁磁动势Ff和电枢磁动势和电枢磁动势Fa共同建立的。显然，电枢磁场共同建立的。显然，电枢磁场的存在必然对主极磁场产生影响，通常把电枢磁场对主磁场的影响称作电枢反应。的存在必然对主极磁场产生影响，通常把电枢磁场对主磁场的影响称作电枢反应。2.2.电枢反应的影响电枢反应的影响电枢反应对直流电机的运行特性影响很大，对于发电机来说，它直接影响到电枢反应对直流电机的运行特性影响很大，对于发电机来说，它直接影响到电机的感应电动势；对于电动机来说，它直接影响到与电机拖动性质有关的电磁电机的感应电动势；对于电动机来说，它直接影响到与电机拖动性质有关的电磁转矩乃至转速。转矩乃至转速。下面以直流电动机的电枢反应为例，来分析电枢反应对直流电机气隙磁场的下面以直流电动机的电枢反应为例，来分析电枢反应对直流电机气隙磁场的影响。为分析简化起见，换向器通常不画出来，把电刷画在电枢圆周上，如影响。为分析简化起见，换向器通常不画出来，把电刷画在电枢圆周上，如图图1.28所示。另外，把主磁场和电枢磁场分开，单独分析，最后再分析气隙合成磁所示。另外，把主磁场和电枢磁场分开，单独分析，最后再分析气隙合成磁场。场。31 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场图图1 1.28 .28 直流电动机的气隙磁场分布示意图直流电动机的气隙磁场分布示意图综上所述，直流电机电综上所述，直流电机电枢反应的影响是：枢反应的影响是：1）使气隙磁场发生畸）使气隙磁场发生畸变，磁通密度分布不再均匀，变，磁通密度分布不再均匀，物理中性线偏离几何中性线。物理中性线偏离几何中性线。2）在磁路饱和时有去）在磁路饱和时有去磁作用，使每个磁极下的总磁作用，使每个磁极下的总磁通有所减小，即磁通有所减小，即0。总之，气隙磁场的畸变，总之，气隙磁场的畸变，会使直流电机气隙的磁通密会使直流电机气隙的磁通密度分布不再均匀，换向变得度分布不再均匀，换向变得困难，换向器与电刷间的火困难，换向器与电刷间的火花增大；而磁场的减弱，又花增大；而磁场的减弱，又会使感应电动势和电磁转矩会使感应电动势和电磁转矩有所减小，从而影响到直流有所减小，从而影响到直流电机的运行性能。电机的运行性能。321.5.1 1.5.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势 1.5 1.5 直流电机的基本公式直流电机的基本公式在直流电机中，感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即在直流电机中，感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即导体切割磁感应线而产生的。电枢绕组的感应电动势是指电机正、负电刷之导体切割磁感应线而产生的。电枢绕组的感应电动势是指电机正、负电刷之间的电动势，也就是一条并联支路电动势，它等于一个支路中所有串联导体间的电动势，也就是一条并联支路电动势，它等于一个支路中所有串联导体感应电动势之和。感应电动势之和。根据电磁感应定律，每个导体感应电动势的平均值根据电磁感应定律，每个导体感应电动势的平均值eav=Bavlv （1.23）直流电机的电枢是实现机电能量转换的核心，一台直流电机运行时，无直流电机的电枢是实现机电能量转换的核心，一台直流电机运行时，无论是作为发电机还是作为电动机，电枢绕组中都要因切割磁感应线而产生感论是作为发电机还是作为电动机，电枢绕组中都要因切割磁感应线而产生感应电动势，同时载流的电枢导体与气隙磁场相互作用产生电磁转矩。应电动势，同时载流的电枢导体与气隙磁场相互作用产生电磁转矩。331.5.2 1.5.2 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 1.5 1.5 直流电机的基本公式直流电机的基本公式在直流电机中，电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的电在直流电机中，电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。根据电磁力定律，载流导体在磁场中受到电磁力的作用。当磁力所形成的。根据电磁力定律，载流导体在磁场中受到电磁力的作用。当电枢绕组中有电流通过时，构成绕组的每个导体在气隙中将受到电磁力的作电枢绕组中有电流通过时，构成绕组的每个导体在气隙中将受到电磁力的作用，该电磁力乘以电