第1章直流电动机 1.1 内容提要 1.1.1 基本要求 (1) 了解直流电动机的用途； (2) 了解直流电动机的工作原理； (3) 了解直流电动机的基本结构； (4) 熟悉直流电动机的额定值； (5) 熟悉直流电动机的励磁方式； (6) 掌握直流电动机的运行原理； (7) 熟练掌握直流电动机的各种工作特性。 1.1.2 掌握要点 1. 直流电动机的额定值 电动机的额定值是电动机运行的基本依据，直流电动机的额定值主要包括以下几种。 (1) 额定电压UN: 在额定工作条件下电动机输入电压的额定值，单位为V. (2) 额定电流IN: 在额定工作条件下电动机输入电流的额定值，单位为A. (3) 额定容量PN: 直流电动机在额定条件下运行时，电动机转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。它等于额定电压UN和额定电流IN的乘积，再乘以电动机的效率，即PN=UNINηN . (4) 额定转速nN: 电动机在额定工作条件下运行时的转子转速，单位为r/min. (5) 额定效率ηN: 在额定工作条件下，电动机输出功率与输入功率的百分比。 (6) 额定励磁电压UfN: 在额定工作条件下，电动机励磁绕组两端的电压。 (7) 额定励磁电流IfN: 在额定工作条件下，电动机励磁绕组上的电流。 2. 直流电动机的励磁方式 直流电动机的励磁方式决定着直流电动机的运行特性，采用不同的励磁方式的直流电动机，其运行特性迥然不同。 直流电动机的励磁方式可分为他励及自励，其中自励又分为并励、串励和复励三种。 图1-1所示为各种励磁方式相应的接线图。图1-1 直流电动机按励磁分类接线图 (a) 他励； (b) 并励； (c) 串励； (d) 复励 3. 直流电动机的电枢绕组 直流电动机电枢绕组的线圈在磁场中转动产生感应电动势，同时通电线圈在磁场中受到力的作用，产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。电枢绕组是直流电动机的一个重要部件。 4. 直流电动机的空载磁场 直流电动机空载时，电枢电流为零，直流电动机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁磁动势Ff建立。图1-2所示为一台四极直流电动机在空载时气隙磁场的分布情况。 电动机主磁极产生的磁通分为主磁通Φ0和漏磁通Φσ两部分。 空载磁场在一个极面下的气隙磁通密度空间分布如图1-3所示。 图1-2 主磁通和漏磁通的分布 图1-3 空载磁场在一个极面下 的磁通密度分布 空载磁场的特点是磁极面下气隙δ小且较均匀，故磁通密度较高，幅值为Bδ；但由于两极之间的气隙增加，因而其磁通密度显著下降，从磁极边缘至两磁极间的轴线(几何中心线)处，其磁通密度曲线呈陡降形态，整个曲线呈马鞍形。 5. 直流电动机的电枢反应 当电动机带上负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁动势。此时，电动机气隙磁场便由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。 负载时电枢磁动势对主极磁场的影响，称为电枢反应。 电枢反应前后的磁场分布情况如图1-4所示，其中图(a)、(b)、(c)分别为电动机空载磁场、电枢磁场和两者的合成磁场分布图。 图1-4 电枢反应对磁场分布的影响 (a) 空载时的磁场分布； (b) 电枢磁场分布； (c) 合成磁场分布 其相应的气隙磁密分布曲线如图1-5所示。 图1-5 空气隙中磁通密度分布曲线 (a) 空载磁通密度； (b) 电枢磁动势； (c) 电枢磁通密度； (d) 合成磁通密度从图1-4和图1-5的比较可见，电枢反应的结果如下。 (1) 气隙磁场发生畸变，使磁场的物理中性线偏离几何中性线一个角度。被电刷短路的换向线圈中的电动势不为零，增加了换向的困难。 (2) 电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减小，并将影响电枢绕组中的电动势和电磁转矩随之减小。 (3) 电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。 6. 直流电动机电枢绕组的感应电动势 经推导，直流电动机电枢绕组的感应电动势的计算公式为Ea=lvN2aBav=l×2pτn60×N2a×Φτl=pN60aΦn也可写成Ea=CeΦn 式中Ce=pN60a 由此可见，直流电动机电枢绕组的感应电动势，与每极磁通和转速的乘积成正比。 7. 直流电动机的电磁转矩 经推导，直流电动机的电磁转矩的计算公式为T=2pl×Ia2a×Da2×N2p×Φl×2pπDa=pN2πaΦIa也可写成T=CTΦIa式中CT=pN2πa 由此可见，直流电动机的电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。 8. 直流电动机运行的基本方程式 直流电动机各物理量的参考正方向如图1-6所示。 在此所假定的正方向下，直流电动机运行的各基本方程式如下所示。 (1) 电动势平衡方程式 直流电动机的电动势平衡方程式为U=Ea+IaR′a+2ΔUb=Ea+IaRa (2) 功率平衡方程式 直流电动机的功率平衡方程式为P1-P2=∑p=pCu+pFe+pmec+pad 直流电动机功率传递的全过程，可用如图1-7所示的功率流程图来表示。 图1-6 直流电动机物理量的参考正方向 图1-7 直流电动机的功率流程图 直流电动机的输出功率与输入功率的百分比，称为直流电动机的效率，即η=P2P1×100% (3) 转矩平衡方程式 直流电动机的转矩平衡方程式为T=T2+T09. 电机的可逆性原理 从原理上讲，一台电机不论是直流电机，还是交流电机，都可在一定的条件下作电动机运行，将电能转变为机械能；而在另一种条件下，又可作发电机运行，将机械能转换为电能，这就是电机学中的电机可逆性运行原理。 10. 直流电动机的工作特性 所谓直流电动机的工作特性，是指在电压U=UN=常值，电枢回路不串入外加电阻，励磁电流保持不变的条件下，电动机的转速n、电磁转矩T和效率η三者，与输出功率P2之间的关系曲线，即n、T、η=f(P2). 11. 并励直流电动机的工作特性 对并励直流电动机来说，工作特性是指当电压U=UN=常值，If=IfN=常值时， n、T、η=f(P2)或n、T、η=f(Ia)的关系曲线。并励直流电动机的接线图和其工作特性曲线分别如图1-8(a)、(b)所示。 图1-8 并励直流电动机的接线图和工作特性曲线 (1) 转速特性 并励直流电动机的转速特性表达式如下所示:n=EaCeΦ=U-IaRaCeΦ 可见，并励直流电动机的转速随电流Ia的增加而下降，如图1-8(b)中的转速特性曲线所示。 直流电动机的转速变化的大小，可用转速变化率(或称转速调整率)Δn来表示:Δn=n0-nNnN×100% (2) 转矩特性 并励直流电动机的转矩特性，如图1-8(b)中的转矩特性曲线所示。可见，其为一条略微向下弯曲的曲线。 (3) 效率特性 并励直流电动机的效率特性，是指U=UN=常值，If=IfN=常值时，η=f(Ia)的关系曲线。 直流电动机的效率η为η=P2P1=P1-∑pP1=1-∑pP1 并励直流电动机的效率特性，如图1-8(b)中的效率特性曲线所示。 可见，当Ia较小时，∑p随电流Ia增加较小，效率η上升较快；而当Ia较大时，∑p随电流Ia增加较大，效率η增加较慢。当Ia大到一定值时，效率η达到最大值，之后随电流Ia的增大，效率η又逐渐减小。 12. 串励直流电动机的工作特性 对串励直流电动机来说，其工作特性是指当电压U=UN=常值，n、T、η=f(P2)或n、T、η=f(Ia)的关系曲线。串励直流电动机的接线图和工作特性曲线分别如图1-9(a)、(b)所示。 图1-9 串励直流电动机的接线图和工作特性曲线 (1) 转速特性 串励直流电动机的转速表达式为n=U-IaRaCeΦ=UCeKIa-RaCeK 可见，其转速n与电枢电流Ia成反比，转速特性为一双曲线，如图1-9(b)中的曲线所示。当负载小时转速很高，负载增大时转速急剧下降，故串励电动机不允许空载或带很轻负载运转。 (2) 转矩特性 串励直流电动机的转矩表达式为T=CTΦIa=CTKI2a=CTKΦ2 可见，其电磁转矩和电枢电流的平方成正比，转矩特性为一抛物线，如图1-9(b)中的曲线所示。 (3) 效率特性 串励直流电动机的效率特性与并励直流电动机相似。 13. 复励直流电动机的工作特性 复励直流电动机的接线图如图1-10所示。 复励直流电动机通常接成积复励形式，此时串励绕组的磁动势与并励绕组的磁动势方向相同。如果并励磁动势起主要作用，其工作特性接近并励电动机的工作特性；反之，如果串励磁动势起主要作用，其工作特性就接近串励电动机的工作特性。 复励直流电动机的工作特性介于并励直流电动机与串励直流电动机的工作特性之间，如图1-11所示。 图1-10 复励直流电动机的接线图 图1-11 直流电动机的工作特性曲线 1-并励电动机； 2-以并励为主的复励电动机； 3-以串励为主的积复励电动机； 4-串励电动机； 5-差复励并励电动机 1.2 习题解答 1-1 试述直流电动机的基本工作原理。 答 直流电动机的工作原理，是建立在毕-萨电磁力定律的基础上的。在直流电动机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流，这一过程称为电流的“换向”。换向过程由换向器与电刷完成。 图1-12 习题1-1附图如图1-12所示，将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。当线圈的ab边在N极下，cd边在S极下时，电枢绕组中的电流沿着a-b-c-d的方向流动。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁转矩，使电机逆时针方向旋转。 当电枢绕组的ab边转到S极下，cd边转到N极下时，通过换向器的作用，原来与电刷A相接触的线圈a端的铜片，现已变成与电刷B接触，因而电枢绕组中的电流变成沿d-c-b-a的方向流动。运用左手定则判断出，电磁力及电磁转矩的方向仍然使电动机逆时针旋转。 在同一方向的电磁转矩作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的方向旋转，向负载输出机械功率，电机完成将电能转换成机械能输出的功能。这就是直流电动机的基本工作原理。 1-2 直流电动机由哪几个主要部件构成？这些部件的功能是什么？ 答 直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成。 直流电机的定子由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座等组成。 (1) 主磁极: 建立主磁通，包括铁芯(由低碳钢片叠成)和绕组(由铜线绕成). (2) 换向磁极: 改善换向，包括铁芯(中大型的由低碳钢片叠成，小型的由整块锻钢制成)和绕组(由铜线绕成). (3) 机座: 固定主磁极、换向磁极、端盖等，同时构成主磁路的一部分，用铸铁、铸钢或钢板卷成。 (4) 电刷装置: 引出(或引入)电流，电刷由石墨等材料制成。 转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。 (1) 电枢铁芯: 构成主磁路，嵌放电枢绕组，由电工钢片叠成。 (2) 电枢绕组: 产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换，由铜线绕成。 (3) 换向器: 用于换向，由铜片叠成。 1-3 直流电动机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流与电枢电流有怎样的关系？ 答 电流关系如下表所示(复励时，If指并励绕组的励磁电流). 励磁方式种类他励并励串励复励电动机I=Ia,If独立I=Ia+If Uf=UaI=Ia=IfI=Ia+If 表中，If为励磁电流；Ia为电枢电流；I为输入电流；Uf为励磁电压；Ua为电枢电压。 1-4 一台四极直流电动机，采用单叠绕组，问: (1) 若取下一只或相邻两只电刷，电机是否可以工作？ (2) 若只用相对两只电刷，电机是否可以工作？ (3) 若有一磁极失去励磁将产生什么后果？ 答 根据直流电机电枢绕组的并联支路图分析。 (1) 如果仅取下一只电刷，剩下三只电刷仍能工作。由于现在是剩下两条支路并联，因此对感应电动势并无影响。设原来电枢绕组每条支路电流为I, 4条支路并联总电流为4I。现在由于两条支路的电阻相等，因此两条支路并联总电流为2I，现在电流和原来电流之比为2I4I=12，所以现在功率为原来功率的1/2. 只用相邻两只电刷，电机能够工作。此时，电枢感应电动势不受影响，但电机容量要减小。现在两条支路并联，一条支路电阻为另一条支路电阻的3倍，因此两路并联总电流为I+13I=43I。现在电流和原来电流之比为43I4I=13，因此，现在功率减为原来功率的1/3。在轻载时尚能运行，重载或满载不能运行。 (2) 只用相对的两只电刷时，此时虽形成两条并联支路，每条支路下一半元件的电动势方向与另一半元件的电动势方向恰好相反，故每条支路总电动势为零，所以电动机无法工作。 (3) 若有一磁极失去励磁时，电动势不受影响。失去励磁的那条支路无电动势，因此相当于三条支路并联，总电流为原来总电流的3/4，即功率为原来功率的3/4. 1-5 何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有何影响？公式Ea=CeΦn和T=CTΦIa中的Φ应是什么磁通？ 答 直流电机在空载运行时，气隙磁场仅由励磁磁动势产生。当电机带上负载后，气隙磁场便由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。负载时电枢磁动势对主极磁场的影响，称为电枢反应。 电刷在几何中性线时产生交轴电枢反应，其结果是: ①气隙磁场发生畸变，使磁场的物理中性线偏离几何中性线一个角度α。被电刷短路的换向线圈中的电动势不为零，增加了换向的困难。对发电机来说，顺电枢旋转方向移过α角；对电动机来说，则逆电枢旋转方向移过α角。②一半磁极磁通增加，另一半磁极磁通减小。在磁路不饱和的情况下，增加与减少的磁通相同，每极磁通不变。磁路饱和时，增加得少，减少得多，每极磁通减少，电动势和电磁转矩随之减小。 电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢反应(其结果与上同)外， 还产生直轴电枢反应，其结果是去磁或助磁。 公式Ea=CeΦn和T=CTΦIa中的Φ应是每个极面下的气隙合成磁通，它由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生。 1-6 直流电动机电刷之间的感应电动势与某一导体的感应电动势有何不同？ 答 一个导体元件所感应的电动势为交流电动势，其表达式为e=Bavlv。由于气隙磁通密度Bav在N、S极下正、负交替地变化，因此一个元件的感应电动势也是交变的。 电刷间的感应电动势为直流电动势，是一个支路的电动势，其表达式为Ea=pN60aΦn. 1-7 直流电动机的感应电动势与哪些因素有关？若一台直流电动机在额定工作条件下运行时的感应电动势为220V，试问在下列情况下电动势变为多少？ (1) 磁通减少10%; (2) 励磁电流减少10%; (3) 转速增加20%; (4) 磁通减少10%，同时转速增加20%. 答 直流电动机的感应电动势表达式为Ea=pN60anΦ，其中，Ce=pN60a，由电机结构决定的常数，称为电动势常数。所以感应电动势与气隙每极磁通量Φ和电枢的转速n有关。若每极磁通Φ保持不变，则电枢电动势和转速成正比；若转速保持不变，则电枢电动势与每极磁通成正比。 (1) Φ减少10%, Ea亦减少10%，为198V; (2) If减少10% ，由于磁路饱和，Φ减少不到10%, Ea亦减少不到10%，因此198VU, T与转速n反方向时为发电机运行状态； 当EaU,EaB