《电机及拖动基础》
讲 义主讲 张友斌绪言
一、电机及电力拖动技术的发展概况
（一）电机的发展概况
1、电能的应用非常广泛，其优点有：
生产和变换经济传输和分配比较容易使用和控制方便
2、电机在电能的应用与生产上起着关键作用：
电力工业中，发电机与变压器为主要设备工业企业中，电动机作为原动机大量使用自动控制技术，控制电动机被广泛使用
3、电机为一种机械装置,其通过电磁感应作用实现机电能量转化。
4、电机是随着生产发展而产生和发展的反过来也促进了社会生产力的不断提高。
5、我国的电机制造工业也取得很大成绩。
6、电机在制造上向着大型、巨型发展。中小型电机也在控制方面也大大提高了控制技术。
（二）电力拖动的发展
1、成组拖动－－用电力拖动代替蒸汽机拖动或水力拖动。
2、单电机拖动系统
3、多电机拖动系统
4、自动化电力拖动系统
（三）自动化电力拖动系统的发展
1、继电器－接触器型控制系统（有触点断续）
2、发电机－电动机组 交磁电机放大系统、
磁放大系统等 晶闸管整流系统
3、自动化直流拖动系统向集中化、小型化、微型化控制发展。
4、交流电力拖动系统逐步取代直流电力拖动系统
5、自动化电力拖动迈向计算机控制的生产过程自动化。
6、自动化电力拖动系统成为低成本自动化系统的重要组成部分。
二、本课程的性质、任务与内容
1、本课程的性质：电气控制及其自动化专业的专业基础课。
2、本课程的任务：使学生掌握常用交直流电机、控制电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法。
为后续课程准备必要的基础知识。
3、本课程的内容：主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题，具有“电机学”和“电力拖动基础”的基本内容。
第一章磁路
§ 1－ 1 磁路的基本定律
一、磁场的几个常用量
1、磁感应强度 B
2,磁通 ф
3、磁场强度 H
二、磁路的概念
1、磁路：磁通所经过的路径。磁路可以是铁磁物质，也可以是非磁体。
在电机与变压器里，在铁心内通过的磁通称为主磁通，在铁心外及空气中通过的磁通成为漏磁通。
2、励磁励磁线圈：用以激励磁路中的磁通的载流线圈。
励磁电流：励磁线圈中的电流。
当励磁电流为直流时，磁路为直流磁路，其磁通为恒定，不随时间变化而变化。如：直流电机、同步电机内的励磁。
当励磁电流为交流时，磁路为交流磁路，其磁通随时间变化而变化。如：变压器、感应电动机、交流接触器、交流继电器等。
三,磁路的基本定律
1、安培环路定律沿着任何一条闭合回线,磁场强度的线积分值 等于该闭合回线所包围的总电流值 的代数和 。即：
L H
L iH d l
i
2、磁路的欧姆定律
/mRF
F－ 磁路的磁动势,F＝ Ni,即为作用在铁心上的安匝数，单位为 A
)/( AlR m 为磁路的磁阻，单位为 A/Wb
3、磁路的基尔霍夫定律
（ 1）磁路的基尔霍夫第一定律穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零，即磁通连续性定律。
0
（ 2） 磁路的基尔霍夫第二定律沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。
磁路与电路的不同磁路与电路虽然具有类比性，但性质二者完全不同：
1）电路中有电流 I时，就有功率损耗 ； 而在直流磁路中，维持一定量的磁通量 时。铁心中没用功率损耗。
2）电路中可以认为导线外无电流，但磁路中铁心外却有漏磁通。即没有绝对的磁绝缘体。
3）电路中的电阻率 在一定温度下时不变的，但铁心的磁导率 却随铁心的饱和程度有关。
4）对电路，当为线性电路时可以应用叠加原理。
但对铁心磁路不可应用叠加原理。因为铁心饱和时磁路为非线性。
RI 2
§ 1－ 2 常用的铁磁材料及其特性
一、铁磁物质的磁化铁磁物质包括铁、镍、钴等以及它们的合金铁磁物质的磁畴在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，磁效应相互抵消、对外不现磁性。在外磁场作用下，
磁畴就顺外磁场方向转向，排列整齐，
显出磁性来。即说铁磁物质被磁化了。
电机中常用铁磁材料的磁导率
0)6 0 0 0~2 0 0 0(Fe
二、磁化曲线和磁滞回线
1、起始磁化曲线
a
b
c d
B
HO
铁磁材料的起始磁化曲线
1）开始磁化时，因为外磁场较弱，故磁通密度增加的不快，如图中 Oa段。
2）当外磁场增强后，铁磁材料内部大量磁畴开始转向，
此时磁通密度增加的很快，
见图中 ab段。
3）若外磁场继续增加，由于铁心内的大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，磁通密度也就增加的缓慢了，如图中的 bc段，
即为饱和现象。
4）达到饱和后，磁通密度就再很难随外磁场的 增加而增加了，如图中的 cd段
2、磁滞回线略
3、基本磁化曲线略
三、铁磁材料
分为软磁材料与硬磁材料两种：
见教材
4、铁心损耗：
由磁滞损耗与涡流与损耗两部分组成。
§ 1－ 3 直流磁路的计算
略第二章 直流电机
§ 2－ 1直流电机的工作原理及结构
见讲述。
§ 2-2 直流电机的铭牌数据直流电动机型 号 励磁方式额定功率 励磁电压额定电压 励磁电流额定电流 定 额额定转速 绝缘等级标准编号 重 量出品编号 出厂日期中 华 人 民 共 和 国
× × × 电机厂制造电机的额定功率
直流电动机,PN=UN*IN*?
直流发电机,PN=UN*IN
直流电机运行时,若各个物理量都与它的额定值一样,就叫额定运行状态,在额定运行状态下工作 (额定工况 ),电机能可靠地运行,并具有良好的性能,
作业,p55 2－ 1
§ 2-3直流电机的绕组
绕组：直流电机的线圈，实现电能与机械能的机电能量转换的部件；为直流电机的主要电路。在电机中按一定规律连接起来，构成直流电机的 电枢绕组 。
电动机绕组：其吸收电功率,将电能转化为机械能。
发电机绕组：其吸收机械功率,将机械能转化为电能。
要求有,1，产生足够的电动势；
2，尽可能节省材料；
3，结构简单，运行可靠。
由直流电机的 工作原理可知，直流电机中必须具有能在磁场里转动的线圈。
简单的绕组
见图 2－ 12,1－ 2,3－ 4,5－ 6,7－ 8为 4个线圈的 8个边。若按图 2－ 13a连接，参见 2－ 13e
可发现 1,2,3,4为 1支路（从＋到－）,5、
6,7,8为另一支路（从－到＋），两支路并联。
元件：绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上,为绕组的一个单元。
直流电机电枢绕组构成原则：将绕组通过换向片连接起来构成闭合绕组。
单一线圈是不能产生足够的电动势或电磁转矩，必须将多个线圈连接成绕组（称为电枢绕组）
绕组的基本形式
基本形式有两种：
1.单叠绕组：元件两个端子连接于相邻的两个换热片上。
2.单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。
绕组中的一些参数：
1,极对数 p,为磁极的 N－ S对，线圈绕制时必须与磁极对数一致。
2、槽数 Q,用来镶嵌绕组的电枢表面的实际槽数。每个槽内都有上下两层元件边。
3、虚槽数 Qu,当每个槽内的上层元件边不只一个时而是 u
个时，用 Qu表示槽数，且 Qu＝ u× Q。
4,元件数 S:用来表示线圈的个数，且 S＝ Qu
5,换向片数 K,因为每个元件都要连接在换向片上，故 K
＝ S。
单叠绕组节距
节距：指被联结起来的两个元件边或换向片之间的距离。以所跨过的元件边数或换向片数来表示。
第一节距（ y1）,同一个元件两个元件边之间的距离。
Y1应接近或等于节距
换向节距（ yc）,上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离。以换向片数目表示。
第二节距 (y2),连至同一个换向片的两个元件边之间的距离。 Y2=y1－ yc
y1=Q/2p± ε=整数 （ Q为电枢的槽数,p为磁极对数）
ε是使 y1成为整数的一个分数例子
极对数 p=2,槽数 Q=16，元件数 S=16,换向片数 K=16，
即 Q=S=K=16,则 y1 =4,yc=1,y2=y1－ yc=3
节距的作用在决定元件连接顺序时非常有用
1 2 3
yc
y1
y2
单叠绕组元件连接顺序表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4
上层元件边下层元件边展开图见图 2－ 16，请看第 8个元件，其上层边在第 8槽（与第 8个换向片相连），其下层边在 12槽，且与第 9个元件的上层边 (与第 9个换向片相连）相连接。故知道元件连接顺序表就可以画出其展开图。
元件连接顺序：上层元件边 (如 1)＋ y1＝ 下层元件边 下层元件边－ y2＝ 下一个上层元件边或 前一个上层元件边 (如 1)+yc=下一个上层元件边绘制单叠绕组展开图的方法
绘制单叠绕组展开图的方法
1、绘制单叠绕组的元件连接顺序表草图
2、根据 Qu数目绘制元件的上层边并标号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
3、再绘制元件的下层边
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
绘制单叠绕组展开图的方法
4,再按元件的连接顺序将相邻的元件的上层边与下层边相连。如 1的上层边与 5的下层边相连，再与 2的上层边相连
5,绘制换向片与电刷：将换向片分成 Qu等分，且标号和与之相连的元件的上层边的标号相同。电刷数目等于 2p,放电刷的原则是：要求正、
负电枢之间得到最大的电动势。或被电刷短路的元件感应电动势最小，
电刷宽度等于换向片宽度，并与换向片接触且均匀分布，一般短接两个元件，其实是一个与上层边相连（如元件 1），一个与下层边所在的另一个元件（如元件 5）的上层边相连。
6、磁路方向、电磁转矩方向与元件中的电流方向符合左手定则。绘制其他的请参考图 2－ 16。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
1 215 6 7 8 11 12 134 5 9 10 1416 3
单叠 绕组的电路图
见图 2－ 17 参见图 2－ 16，元件 1被电刷 A1短路，元件 2,3,4的电流方向一致，构成一条支路且与换向片 5相连，同理 8,7,6的电流方向一致，构成另 1条支路且与换向片 6相连，而
5,6换向片又被电刷 B1短接，故 2,3,4,6、
7,8的电流从 B1流出。构成一对支路同理其他元件构成另 2条支路。故一共有 4条并联支路，
两对支路。
用 a表示支路对数，且有 a＝ p (p为磁极对数）
单波绕组
单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。
元件两出线端所连的换向片相隔较远相串连的两元件也相隔较远，这样连接起来的元件形式犹如波浪一样向前延伸。
节距
1、第一节距（ y1）,与单叠绕组相同
y1=Q/2p± ε=整数
合成节距 y和换向片节距 yc
pyc=K± 1，
或 yc=（ K± 1） /p
式中正负号的选择要满足 yc为整数，若 yc为整数时一般 取负号。
第二节距（ y2） y2＝ yc－ y1
各节距的在绕组的具体计算见图 2－ 18
例子
P＝ 2,Q＝ 15,S＝ K＝ 15
则 y1=Q/2p± ε=整数 ＝ 15/4 － 1/4=3
yc=(K － 1)/p=(15－ 1)/2=7 当 p为偶时取 yc为奇
y2＝ yc－ y1＝ 7－ 3＝ 4
单波绕组元件连接顺序表
展开图见图 2－ 19，请看第 1个元件，其上层边在第 1槽
（与第 1个换向片相连），其下层边在 4槽，且与第 8个元件的上层边 (与第 8个换向片相连）相连接。故知道元件连接顺序表就可以画出其展开图。 更正：电刷 A2
的位置应在换向片 12－ 13处
1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1
4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12
上层元件边下层元件边元件连接顺序：上层元件边 (如 1)＋ y1＝ 下层元件边下层元件边－ y2＝ 下一个上层元件边或 前一个上层元件边 (如 1)+yc=下一个上层元件边绘制单波绕组展开图的方法
绘制单波绕组展开图的方法
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
3、再绘制元件的下层边
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
1、绘制单波绕组的元件连接顺序表草图
2、根据 Qu数目绘制元件的上层边并标号绘制单波绕组展开图的方法
4,再按元件的连接顺序将相邻的元件的上层边与下层边相连。如 1的上层边与 4的下层边相连，再与 8的上层边相连
5,绘制换向片与电刷：将换向片分成 Qu等分，且标号和与之相连的元件的上层边的标号相同。
6、放电刷：电刷数目等于 2p,放电刷的原则是：要求正、负电枢之间得到最大的电动势。或被电刷短路的元件感应电动势最小。电刷宽度等于换向片宽度，并与换向片接触且均匀分布，一般短接两个元件，其实是一个与上层边相连（如元件 8），一个与下层边所在的另一个元件
（如元件 4）的上层边相连。绘制其他的请参考图 2－ 19。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 2 10 11 12 15 1 28 9 13 14 34 3
单波 绕组的电路图
见图 2－ 20 参见展开图 2－ 19，
支路对数 a＝ 1
作业
1：已知直流电机的极对数 p=2,虚槽数 Q=22，
元件数 S及换向片数 K都等于 22，联成单叠绕组。
（ 1）计算绕组各节距
（ 2）画出绕组展开图、磁极及电刷的位置；
（ 3）求并联之路数。
2：已知直流电机的极对数 p=2,虚槽数
Q=S=K=19,联成单波绕组。
（ 1）计算绕组各节距
（ 2）画出绕组展开图、磁极及电刷的位置；
（ 3）求并联之路数。
3,P55 2－ 5
§ 2-4直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式
按励磁方式的不同，直流电机可分为 4种：
1、他励直流电机 2,并励直流电机 3,串励直流电机 4,复励直流电机
直流电机的运行特性随着励磁方式的不同有很大的差别。直流发电机主要励磁方式是他励式、并励式和复励式。
Ua
Ia
If
电枢励磁绕组
I
I＝ Ia＋ If Ua＝ Uf
Ua
Ia
电枢励磁绕组
Ia＝ If
Ua＝ Uf
Ua
电枢励磁绕组励磁绕组
I
If1
Ia
I＝ Ia+If1
Ua
Ia
UfIf
电枢励磁绕组
Ia与 If独立
Ua与 Uf独立直流电机的空载磁场
直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小且可以不计其影响的一种运行状态。因此，
直流电机的空载磁场是指由励磁磁动势单独建立的磁场。
在电机中绝大部分磁通经由主磁极及气隙而通过电枢铁心，因其同时与励磁磁通和电枢绕组相交链，称为主磁通－ ф0,主磁通的磁回路的气隙小，总磁导率大。
另一部分不与电枢绕组相交链，称为漏磁通－
фζ 。 漏磁通的磁回路气隙大，总磁导率小。
漏磁通的数量比主磁通的数量小得多，在直流电机中里，一般忽略不计。
ф0
Ff0(If0)电机的磁化曲线电机的磁化曲线说明 ф0小的时候 Ff0正比例增加，当 ф0达到一定值时，磁化曲线呈饱和特性。电机饱和程度要影响到电机的运行特性。
主磁通 ф0与励磁电流 If0或励磁磁动势 Ff0的关系如下图所示,(电机的磁化曲线 )
磁化曲线气隙中主磁场磁密的分布
η (极距 )
Bδ
气隙中主磁场磁密 Bδ的分布注：气隙空间用 δ表示由于极靴下的气隙分布不均匀，故主磁通经过的磁路不同，在磁极轴线附近气隙小，则 Bδ大，在极靴的极尖处气隙大，则 Bδ小。在极靴以外，则 Bδ显著减小。在两磁极之间的几何中心线处，磁密为 0
直流电机负载时的磁场及电枢反应
当电枢绕组内流过电流，在电机磁路中所形成的磁动势称为电枢磁动势。负载时电机的气隙磁场是由励磁磁动势与电枢磁动势共同建立。
电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应与电机的运行特性关系很大：对电动机影响转速，对发电机影响其端电压。且不利于换向。同时其与气隙磁场作用产生电磁转矩。
电枢磁场使主磁通一半加强，一半减弱，并使电枢表面磁密等于零处偏离几何中性线，而是处在物理中性线（通过电枢表面磁密为 0的直线）。
电枢反应的作用
电枢反应由两种：
1,助磁作用：但由于饱和作用使气隙磁场发生畸变
2,去磁作用：使磁通略有减少
总之，电枢反应的作用不但使电机的气隙磁场发生畸变而且还会呈去磁作用。
第五节 机电能量转化的过程（简述）
输入的 电能＝磁场储存的能量的增加＋内部损耗＋输出机械能机电能量的 转化的过程是由磁场耦合场的变化对电气系统和机械系统的反应所引起的。即：
转动过程中切割磁场产生感应电动势，而电磁转矩又对机械部件作用。
电动机 在外部输入电能，在转子中产生电磁转矩来驱动转子转动，则将电能转化为机械能。
发电机 在外部机械能的作用下使转子转动来切割磁场，电枢产生电磁感应生成感应电动势，从而将机械能转化为电能。
第六节 感应电动势和电磁转矩的计算
感应电动势计算感应电动势的一般表达式：
e＝－ dψ /dt
dψ－ 各绕组磁链的增量 dt－ 时间变化负号“－” 表示了电动势 e的方向与 ψ的变化方向的关系，即：当
ψ增加时,d ψ>0,e<0
当 ψ减小时,d ψ<0,e>0
对电机有：
电枢感应电动势 Ea＝ CeΦn －－－－ 重要公式或 Ea＝ GafIfΩ
Ce＝ pZ/60a,为电机的一个常数。称为电动势常数
Gaf＝ CTKf,Ω—— 机械角速度 Ω=60n*2π
CT＝ 60/2π,也为电机的一个常数。称为转矩常数磁通 Φ ＝ KfIf Kf为比例常数,If为励磁电流电磁转矩的计算
电磁转矩 Tem ＝ CTф Ia－－－－ 重要公式或 Tem ＝ Gaf If Ia
EaIa＝ Gaf If ΩIa＝ TemΩ－－－－ 重要公式
§ 2-7 直流电机的运行原理
一、直流电机的基本方程式
1、电动势平衡方程式动态时，
对电动机有,对发电机有：
dt
diLiRiGU a
aaafafa
dt
diLiRu f
ffff
dt
idLiRiGU a
aaafafa
)()(
dt
diLiRu f
ffff
稳态时，
对电动机有,对发电机有：
aafafa IRIGU
fff IRU?
aaaa IRUE
fff IRU?
即：
aaaa IREU
一、直流电机的基本方程式
2、转矩平衡方程式根据力学牛顿定理，电机在任何瞬间必须保持力学平衡，也即保持转矩平衡直流电动机励磁输入电功率输出机械功率
aU
aIf
I fU
2T emT 0T
机械负载电动机转矩平衡示意图直流发电机励磁输出电功率输入机械功率
aU
aIf
I fU
1T emT 0T
原动机转矩发电机转矩平衡示意图电动机的转矩平衡方程式
dt
dJTTT
em
02
其中
dt
dJT
J
为惯性转矩
2T
为机械负载制动转矩
0T
为空载损耗转矩当电动机以稳定的转速运转时 0
dt
dJT
J
则稳态运行时有：
02 TTT em aaaa IREU
dt
dJTTT
em
01
其中 T1为原动机提供的拖动转矩
dt
dJT
J
为惯性转矩
0T 为空载损耗转矩当发电机稳定运行时 0 dtdJT J
则稳态运行时有：
01 TTT em aaa IRUE
发电机的转矩平衡方程式
3、功率平衡关系式机械功率2
P
Fepmecpcp
CuapCufp
emP
1P
电功率电功率2P
Fep
mecp cp
Cuap
Cufp
emP
1P
机械功率电动机的功率图发电机的功率图
aacaaffa IEURIUIIIUUIP )2()(1
emcaCfC PpppP uu1
其中
ffC UIp u?
为励磁损耗
aaaC IRp u 2? 为电枢损耗
ac UIp 2
为电刷接触损耗 U? 为电刷接触电压降
emaaem TIEp 为电磁功率
m e cFe
emem
ppP
PPTTTp
0
0202 )(
Fep 为铁心损耗 mecp 为机械损耗
2P
为输出的机械功率并励电动机的功率平衡关系式
cC u aC u f
acaaf
acaaaacaaaaem
m e cFeem
emem
PppP
IURIUIUI
IURIUIIURIUIEP
ppPP
pPTTTP
2
2
2
1
0011
2
)2)2(
)(
UIP?2 发电机的输出功率
I 发电机的负载电流并励电动机的功率平衡关系式
§ 2-7 直流电机的运行原理二、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指：端电压 U＝ UN（ 额定电压）,If＝ IfN(额定励磁电流），电枢回路无外串电阻时，电动机转速 n,电磁转矩 Tem与效率 η三者和输出功率 P2之间的关系，即 转速特性、转矩特性、效率特性的总称,
)(
)(
)(
2
2
2
Pf
PfT
Pfn
em
或
)(
)(
)(
a
aem
a
If
IfT
Ifn
实际运行中，电枢电流 aI 与 2P 的变化趋势差不多，
故工作特性表示为与 之间的 关系aI
效率特性转矩特性转速特性
（ 1）,转速特性转速特性指当 的关系曲线时,)(,
afNfN IfnIIUU
:,有代入电动势平衡方程式把公式 aaaea IREUnCE
a
e
a
e
a
e
a
e
Inn
C
R
C
U
n
I
C
R
C
U
n
'
0
'
0
则令转速公式理想空载转速当输出功率增加时，电枢电流也增加，由于电枢反应使得气隙磁场减弱，转速特性曲线不是一条直线下降
n
转速特性曲线 aNI
aI
1、并励直流电动机的工作特性
（ 2）、转矩特性转矩特性指当 的关系曲线时,)(,
aemfNfN IfTIIUU
线可得转矩特性的关系曲由公式 aTem ICT
emT
aIaNI
当电枢电流较大时。由于电枢反应，使得气隙磁场减弱，故 转矩特性在 电枢电流较大时偏离直线转矩特性曲线
（ 3）、效率特性效率特性指 的关系曲线时,)(,
afNfN IfIIUU
%100
)(
2
1
%100)1(%100/
2
1
12
fa
caaC u fm e cFe
IIU
URIppp
P
p
PP?
故效率 是电枢电流的二次曲线。
有一个最大值效率曲线 )( aIf
aIaNI
效率特性曲线
并励直流电动机的工作特性曲线
aNI
aNI
emT?n
并励直流电动机的工作特性
n
emT
2、串励电动机的工作特性
aNI
aNI
emT?n n
emT
串励电动机的工作特性
3、复励电动机的工作特性复励电动机的工作特性介于并励与串励电动机之间。
若串励励磁起主要作用，则其工作特性就接近串励电动机。若并励励磁起主要作用，则其工作特性就接近并励电动机。以转速特性为例，见下图
aNI
aNI
n 并励电动机的转速特性复励电动机的转速特性串励电动机的转速特性三、直流发电机的运行特性
直流发电机作为直流电源有被大功率晶闸管整流电源所取代的趋势；其接线为他励、并励、
复励。其运行时由原动机拖动且保持 n＝ nN
直流发电机的运行特性有：
1） 负载特性，当 常数时，,若,
则为空载特性
2）外特性，励磁电流 为常数时，
3）调节特性，当 为常数时，
其中空载特性与外特性比较重要
I )( fIfU?
fI )( IfU?
U )( IfI
f?
0?I
(一）空载特性
1、空载特性 )(
00 fIfU?
空载特性是指 Nnn? 时，发电机空载端电压 0U
与励磁电流 0fI 之间的关系特性，即 )( 00 fIfU?
空载特性的测取方法,
1）调节励磁电流 使发电机的空载端电压0fI
NUU )3.1~1.1(0?
2）调节励磁电流 使 逐步降到 0，在此过程中测取 与
0fI 0fI
0fI 0U
空载特性见图 2－ 43。
空载特性表明了电机磁路中的磁通量与其所作用磁动势的关系。
即当转速恒定时，电动势与磁动势之间的关系,E0＝ f（ If）
2、并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机因为无外部直流电源供电，
所以其必须先在空载下建立电压，即自励。
U0
Ia
If
电枢励磁绕组
Rf
并励发电机的接线图自励过程：
1）当电机内部有剩磁时，原动机带动电枢旋转时切割剩磁，产生剩磁电动势
2）若励磁绕组与电枢绕组并联极性正确，即使此时励磁绕组中电流所建立的磁动势与原先的剩磁方向一致，则电枢电动势因为磁场的增强而增大，则励磁电流也增大（ U0 ＝ If Rf）。
3）若 Rf 小于某一个值，则在 U0 ＝ If Rf
的同时也满足空载特性 U0＝ f（ If0） 时，
则会使空载端电压稳定在某一个数值处。
并励发电机自励的条件有三个：
1）电机必须有剩磁。
2）励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确
3）励磁回路总电阻小于该转速下的临界电阻。（见图 2－ 44）
（二）负载运行由发电机的电动势平衡方程式：
可知：发电机的外特性与励磁连接方式有很大的关系。
aaeaaa RInCRIEU
直流发电机的外特性
1
2 3
1－ 复励发电机的外特性
2－他励发电机的外特性
3－并励发电机的外特性
§ 2－ 8直流电机的换向
直流电机的换向使指：电枢绕组元件从一条支路退出而进入另一条支路时，元件那电流由＋
ia变为 0，在由 0变为－ ia的 整个过程。
换向过程是非常复杂的过程，其中有电磁、机械、电化学等多种因素作用。
在换向过程中的电磁方面会出现换向元件产生电枢感应电动势、元件内电流变化引起的电抗电动势。这使得换向时电流变化延迟而且在换向片完成换向了但元件内电流还未完全换向，
即电流未完全达到－ ia,此时换向元件内储存了磁场能，在外部电源的作用下必须释放，且其以弧光放电的形式释放。此弧光会引起火花。
且换向元件所储存的磁场能与电枢电流和转速成正比。故必须采取措施来改善换向。
换向过程对电流变化的影响：
1）电抗电动势 ex,由换向元件的自感与换向元件之间的互感形成。
2）电枢反应电动势 ea,由换向元件切割电枢磁场所产生。
此二者产生一个附加电流 ik
i
t
－ ia
＋ ia
Tk
a）
a） 无电动势影响时电流的换向过程
b） 换向过程电动势产生的附加电流
c)有电动势影响时的电流换向过程
－ ia
b）
i
t＋ ia
Tk
iKT
i
＋ ia
t
－ ia
Tk
c）
换向的改善在两磁极的几何中性线处安装换向极，并且其线圈（称为换向极绕组）与电枢绕组串连，依据使换向极所产生的磁场与电枢磁场相反的原则来确定换向绕组的极性。
补偿绕组在大容量和工作繁重的直流电机中为了保证在任何负载下能抵消电枢反应。特在主磁极下安装与电枢绕组相串连的补偿绕组，从而改善换向的同时也能保证电机安全运行。但结构复杂，
一般电机中不使用。
第二章 小结
1、直流电机的工作原理
（ 1）直流电动机的工作原理：将直流电压加在电动机的电刷两端，通过换向片流经电枢绕组，根据电磁原理，
电枢产生电磁转矩，电枢在此转矩作用下转动，从而使得电能转化为机械能。同时产生反电动势。达到电势平衡、功率平衡和转矩平衡。
（ 2）直流发电机的工作原理：发电机电枢绕组在原动机的拖动下转动而切割励磁磁场，根据电磁感应定律，
在电枢上产生电动势，并通过换向片与换向器，将电枢上产生的交变电动势输出为直流电动势，从而将机械能转化为电能。同时在电枢上产生电磁转矩。达到电势平衡、功率平衡和转矩平衡。
2、直流电机的结构可分为静止与转动两大部分
（ 1）静止部分的结构：
1）主磁极 2）换向极 3）机座
4）电刷装置
（ 2）转动部分
1)电枢铁心
2） 电枢绕组
3）换向器
3、直流电机的铭牌数据每台电机的机座上都有铭牌。 铭牌数据是在使用电机时的重要依据直流电机运行时,若各个物理量都与它的额定值一样,就叫额定运行状态,在额定运行状态下工作 (额定工况 ),电机能可靠地运行,并具有良好的性能,
直流电动机型 号 励磁方式额定功率 励磁电压额定电压 励磁电流额定电流 定 额额定转速 绝缘等级标准编号 重 量出品编号 出厂日期中 华 人 民 共 和 国
× × × 电机厂制造
4、直流电机的绕组
1）直流电机的电枢绕组是机电能量转化的起着重要的作用－是实现机电能量转化的主要部件。
2）绕组的基本形式有两种：单叠绕组与单波绕组。在此基础上可构成多种绕组形式。
3）对绕组的认识要求：会计算节距，会画绕组展开图。
4）绕组对应电路图的连接关系与支路数。
5、直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式有四种：他励、并励、
串励、复励、其中发电机不采用串励。
不同的励磁方式对电机的工作特性影响很大，其电学关系也有很大差别。
6、直流电机的磁场
1）要理解空载时的磁化曲线与电机饱和程度影响电机运行之间的关系。
2）电枢反应的作用：是使气隙磁场畸变和磁场减弱。使磁密为 0处偏离几何中性线，
为换向带来不利。
7、电机的机电能量转换过程
1)能量转化关系式
2) 在转化过程种的电磁作用以及电磁转矩的计算和感应电动势的计算。
8,重要公式：
1）电磁转矩 Tem＝ CTф Ia 或 Tem ＝ Gaf If Ia
2） EaIa＝ Gaf If ΩIa＝ TemΩ
3）电势平衡：
aaaa IREU
（电动机）
aaaa IRUE
（发电机）
9、直流电机的工作特性
aIaNI
emT?n n
emT
aIaNI
emT?n n
emT
串励电动机的工作特性并励电动机的工作特性
aNIaNI
n
复励电动机的转速特性串励电动机的转速特性
10、发电机的工作特性
1）空载特性
2）并励发电机的自励过程与条件
3）外特性
11、直流电机的换向
1）换向过程种存在的问题
2）改善换向的方法与意义
3）补偿绕作的作用
讲 义主讲 张友斌绪言
一、电机及电力拖动技术的发展概况
（一）电机的发展概况
1、电能的应用非常广泛，其优点有：
生产和变换经济传输和分配比较容易使用和控制方便
2、电机在电能的应用与生产上起着关键作用：
电力工业中，发电机与变压器为主要设备工业企业中，电动机作为原动机大量使用自动控制技术，控制电动机被广泛使用
3、电机为一种机械装置,其通过电磁感应作用实现机电能量转化。
4、电机是随着生产发展而产生和发展的反过来也促进了社会生产力的不断提高。
5、我国的电机制造工业也取得很大成绩。
6、电机在制造上向着大型、巨型发展。中小型电机也在控制方面也大大提高了控制技术。
（二）电力拖动的发展
1、成组拖动－－用电力拖动代替蒸汽机拖动或水力拖动。
2、单电机拖动系统
3、多电机拖动系统
4、自动化电力拖动系统
（三）自动化电力拖动系统的发展
1、继电器－接触器型控制系统（有触点断续）
2、发电机－电动机组 交磁电机放大系统、
磁放大系统等 晶闸管整流系统
3、自动化直流拖动系统向集中化、小型化、微型化控制发展。
4、交流电力拖动系统逐步取代直流电力拖动系统
5、自动化电力拖动迈向计算机控制的生产过程自动化。
6、自动化电力拖动系统成为低成本自动化系统的重要组成部分。
二、本课程的性质、任务与内容
1、本课程的性质：电气控制及其自动化专业的专业基础课。
2、本课程的任务：使学生掌握常用交直流电机、控制电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法。
为后续课程准备必要的基础知识。
3、本课程的内容：主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题，具有“电机学”和“电力拖动基础”的基本内容。
第一章磁路
§ 1－ 1 磁路的基本定律
一、磁场的几个常用量
1、磁感应强度 B
2,磁通 ф
3、磁场强度 H
二、磁路的概念
1、磁路：磁通所经过的路径。磁路可以是铁磁物质，也可以是非磁体。
在电机与变压器里，在铁心内通过的磁通称为主磁通，在铁心外及空气中通过的磁通成为漏磁通。
2、励磁励磁线圈：用以激励磁路中的磁通的载流线圈。
励磁电流：励磁线圈中的电流。
当励磁电流为直流时，磁路为直流磁路，其磁通为恒定，不随时间变化而变化。如：直流电机、同步电机内的励磁。
当励磁电流为交流时，磁路为交流磁路，其磁通随时间变化而变化。如：变压器、感应电动机、交流接触器、交流继电器等。
三,磁路的基本定律
1、安培环路定律沿着任何一条闭合回线,磁场强度的线积分值 等于该闭合回线所包围的总电流值 的代数和 。即：
L H
L iH d l
i
2、磁路的欧姆定律
/mRF
F－ 磁路的磁动势,F＝ Ni,即为作用在铁心上的安匝数，单位为 A
)/( AlR m 为磁路的磁阻，单位为 A/Wb
3、磁路的基尔霍夫定律
（ 1）磁路的基尔霍夫第一定律穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零，即磁通连续性定律。
0
（ 2） 磁路的基尔霍夫第二定律沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。
磁路与电路的不同磁路与电路虽然具有类比性，但性质二者完全不同：
1）电路中有电流 I时，就有功率损耗 ； 而在直流磁路中，维持一定量的磁通量 时。铁心中没用功率损耗。
2）电路中可以认为导线外无电流，但磁路中铁心外却有漏磁通。即没有绝对的磁绝缘体。
3）电路中的电阻率 在一定温度下时不变的，但铁心的磁导率 却随铁心的饱和程度有关。
4）对电路，当为线性电路时可以应用叠加原理。
但对铁心磁路不可应用叠加原理。因为铁心饱和时磁路为非线性。
RI 2
§ 1－ 2 常用的铁磁材料及其特性
一、铁磁物质的磁化铁磁物质包括铁、镍、钴等以及它们的合金铁磁物质的磁畴在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，磁效应相互抵消、对外不现磁性。在外磁场作用下，
磁畴就顺外磁场方向转向，排列整齐，
显出磁性来。即说铁磁物质被磁化了。
电机中常用铁磁材料的磁导率
0)6 0 0 0~2 0 0 0(Fe
二、磁化曲线和磁滞回线
1、起始磁化曲线
a
b
c d
B
HO
铁磁材料的起始磁化曲线
1）开始磁化时，因为外磁场较弱，故磁通密度增加的不快，如图中 Oa段。
2）当外磁场增强后，铁磁材料内部大量磁畴开始转向，
此时磁通密度增加的很快，
见图中 ab段。
3）若外磁场继续增加，由于铁心内的大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，磁通密度也就增加的缓慢了，如图中的 bc段，
即为饱和现象。
4）达到饱和后，磁通密度就再很难随外磁场的 增加而增加了，如图中的 cd段
2、磁滞回线略
3、基本磁化曲线略
三、铁磁材料
分为软磁材料与硬磁材料两种：
见教材
4、铁心损耗：
由磁滞损耗与涡流与损耗两部分组成。
§ 1－ 3 直流磁路的计算
略第二章 直流电机
§ 2－ 1直流电机的工作原理及结构
见讲述。
§ 2-2 直流电机的铭牌数据直流电动机型 号 励磁方式额定功率 励磁电压额定电压 励磁电流额定电流 定 额额定转速 绝缘等级标准编号 重 量出品编号 出厂日期中 华 人 民 共 和 国
× × × 电机厂制造电机的额定功率
直流电动机,PN=UN*IN*?
直流发电机,PN=UN*IN
直流电机运行时,若各个物理量都与它的额定值一样,就叫额定运行状态,在额定运行状态下工作 (额定工况 ),电机能可靠地运行,并具有良好的性能,
作业,p55 2－ 1
§ 2-3直流电机的绕组
绕组：直流电机的线圈，实现电能与机械能的机电能量转换的部件；为直流电机的主要电路。在电机中按一定规律连接起来，构成直流电机的 电枢绕组 。
电动机绕组：其吸收电功率,将电能转化为机械能。
发电机绕组：其吸收机械功率,将机械能转化为电能。
要求有,1，产生足够的电动势；
2，尽可能节省材料；
3，结构简单，运行可靠。
由直流电机的 工作原理可知，直流电机中必须具有能在磁场里转动的线圈。
简单的绕组
见图 2－ 12,1－ 2,3－ 4,5－ 6,7－ 8为 4个线圈的 8个边。若按图 2－ 13a连接，参见 2－ 13e
可发现 1,2,3,4为 1支路（从＋到－）,5、
6,7,8为另一支路（从－到＋），两支路并联。
元件：绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上,为绕组的一个单元。
直流电机电枢绕组构成原则：将绕组通过换向片连接起来构成闭合绕组。
单一线圈是不能产生足够的电动势或电磁转矩，必须将多个线圈连接成绕组（称为电枢绕组）
绕组的基本形式
基本形式有两种：
1.单叠绕组：元件两个端子连接于相邻的两个换热片上。
2.单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。
绕组中的一些参数：
1,极对数 p,为磁极的 N－ S对，线圈绕制时必须与磁极对数一致。
2、槽数 Q,用来镶嵌绕组的电枢表面的实际槽数。每个槽内都有上下两层元件边。
3、虚槽数 Qu,当每个槽内的上层元件边不只一个时而是 u
个时，用 Qu表示槽数，且 Qu＝ u× Q。
4,元件数 S:用来表示线圈的个数，且 S＝ Qu
5,换向片数 K,因为每个元件都要连接在换向片上，故 K
＝ S。
单叠绕组节距
节距：指被联结起来的两个元件边或换向片之间的距离。以所跨过的元件边数或换向片数来表示。
第一节距（ y1）,同一个元件两个元件边之间的距离。
Y1应接近或等于节距
换向节距（ yc）,上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离。以换向片数目表示。
第二节距 (y2),连至同一个换向片的两个元件边之间的距离。 Y2=y1－ yc
y1=Q/2p± ε=整数 （ Q为电枢的槽数,p为磁极对数）
ε是使 y1成为整数的一个分数例子
极对数 p=2,槽数 Q=16，元件数 S=16,换向片数 K=16，
即 Q=S=K=16,则 y1 =4,yc=1,y2=y1－ yc=3
节距的作用在决定元件连接顺序时非常有用
1 2 3
yc
y1
y2
单叠绕组元件连接顺序表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4
上层元件边下层元件边展开图见图 2－ 16，请看第 8个元件，其上层边在第 8槽（与第 8个换向片相连），其下层边在 12槽，且与第 9个元件的上层边 (与第 9个换向片相连）相连接。故知道元件连接顺序表就可以画出其展开图。
元件连接顺序：上层元件边 (如 1)＋ y1＝ 下层元件边 下层元件边－ y2＝ 下一个上层元件边或 前一个上层元件边 (如 1)+yc=下一个上层元件边绘制单叠绕组展开图的方法
绘制单叠绕组展开图的方法
1、绘制单叠绕组的元件连接顺序表草图
2、根据 Qu数目绘制元件的上层边并标号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
3、再绘制元件的下层边
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
绘制单叠绕组展开图的方法
4,再按元件的连接顺序将相邻的元件的上层边与下层边相连。如 1的上层边与 5的下层边相连，再与 2的上层边相连
5,绘制换向片与电刷：将换向片分成 Qu等分，且标号和与之相连的元件的上层边的标号相同。电刷数目等于 2p,放电刷的原则是：要求正、
负电枢之间得到最大的电动势。或被电刷短路的元件感应电动势最小，
电刷宽度等于换向片宽度，并与换向片接触且均匀分布，一般短接两个元件，其实是一个与上层边相连（如元件 1），一个与下层边所在的另一个元件（如元件 5）的上层边相连。
6、磁路方向、电磁转矩方向与元件中的电流方向符合左手定则。绘制其他的请参考图 2－ 16。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
1 215 6 7 8 11 12 134 5 9 10 1416 3
单叠 绕组的电路图
见图 2－ 17 参见图 2－ 16，元件 1被电刷 A1短路，元件 2,3,4的电流方向一致，构成一条支路且与换向片 5相连，同理 8,7,6的电流方向一致，构成另 1条支路且与换向片 6相连，而
5,6换向片又被电刷 B1短接，故 2,3,4,6、
7,8的电流从 B1流出。构成一对支路同理其他元件构成另 2条支路。故一共有 4条并联支路，
两对支路。
用 a表示支路对数，且有 a＝ p (p为磁极对数）
单波绕组
单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。
元件两出线端所连的换向片相隔较远相串连的两元件也相隔较远，这样连接起来的元件形式犹如波浪一样向前延伸。
节距
1、第一节距（ y1）,与单叠绕组相同
y1=Q/2p± ε=整数
合成节距 y和换向片节距 yc
pyc=K± 1，
或 yc=（ K± 1） /p
式中正负号的选择要满足 yc为整数，若 yc为整数时一般 取负号。
第二节距（ y2） y2＝ yc－ y1
各节距的在绕组的具体计算见图 2－ 18
例子
P＝ 2,Q＝ 15,S＝ K＝ 15
则 y1=Q/2p± ε=整数 ＝ 15/4 － 1/4=3
yc=(K － 1)/p=(15－ 1)/2=7 当 p为偶时取 yc为奇
y2＝ yc－ y1＝ 7－ 3＝ 4
单波绕组元件连接顺序表
展开图见图 2－ 19，请看第 1个元件，其上层边在第 1槽
（与第 1个换向片相连），其下层边在 4槽，且与第 8个元件的上层边 (与第 8个换向片相连）相连接。故知道元件连接顺序表就可以画出其展开图。 更正：电刷 A2
的位置应在换向片 12－ 13处
1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1
4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12
上层元件边下层元件边元件连接顺序：上层元件边 (如 1)＋ y1＝ 下层元件边下层元件边－ y2＝ 下一个上层元件边或 前一个上层元件边 (如 1)+yc=下一个上层元件边绘制单波绕组展开图的方法
绘制单波绕组展开图的方法
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
3、再绘制元件的下层边
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615
1、绘制单波绕组的元件连接顺序表草图
2、根据 Qu数目绘制元件的上层边并标号绘制单波绕组展开图的方法
4,再按元件的连接顺序将相邻的元件的上层边与下层边相连。如 1的上层边与 4的下层边相连，再与 8的上层边相连
5,绘制换向片与电刷：将换向片分成 Qu等分，且标号和与之相连的元件的上层边的标号相同。
6、放电刷：电刷数目等于 2p,放电刷的原则是：要求正、负电枢之间得到最大的电动势。或被电刷短路的元件感应电动势最小。电刷宽度等于换向片宽度，并与换向片接触且均匀分布，一般短接两个元件，其实是一个与上层边相连（如元件 8），一个与下层边所在的另一个元件
（如元件 4）的上层边相连。绘制其他的请参考图 2－ 19。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 2 10 11 12 15 1 28 9 13 14 34 3
单波 绕组的电路图
见图 2－ 20 参见展开图 2－ 19，
支路对数 a＝ 1
作业
1：已知直流电机的极对数 p=2,虚槽数 Q=22，
元件数 S及换向片数 K都等于 22，联成单叠绕组。
（ 1）计算绕组各节距
（ 2）画出绕组展开图、磁极及电刷的位置；
（ 3）求并联之路数。
2：已知直流电机的极对数 p=2,虚槽数
Q=S=K=19,联成单波绕组。
（ 1）计算绕组各节距
（ 2）画出绕组展开图、磁极及电刷的位置；
（ 3）求并联之路数。
3,P55 2－ 5
§ 2-4直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式
按励磁方式的不同，直流电机可分为 4种：
1、他励直流电机 2,并励直流电机 3,串励直流电机 4,复励直流电机
直流电机的运行特性随着励磁方式的不同有很大的差别。直流发电机主要励磁方式是他励式、并励式和复励式。
Ua
Ia
If
电枢励磁绕组
I
I＝ Ia＋ If Ua＝ Uf
Ua
Ia
电枢励磁绕组
Ia＝ If
Ua＝ Uf
Ua
电枢励磁绕组励磁绕组
I
If1
Ia
I＝ Ia+If1
Ua
Ia
UfIf
电枢励磁绕组
Ia与 If独立
Ua与 Uf独立直流电机的空载磁场
直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小且可以不计其影响的一种运行状态。因此，
直流电机的空载磁场是指由励磁磁动势单独建立的磁场。
在电机中绝大部分磁通经由主磁极及气隙而通过电枢铁心，因其同时与励磁磁通和电枢绕组相交链，称为主磁通－ ф0,主磁通的磁回路的气隙小，总磁导率大。
另一部分不与电枢绕组相交链，称为漏磁通－
фζ 。 漏磁通的磁回路气隙大，总磁导率小。
漏磁通的数量比主磁通的数量小得多，在直流电机中里，一般忽略不计。
ф0
Ff0(If0)电机的磁化曲线电机的磁化曲线说明 ф0小的时候 Ff0正比例增加，当 ф0达到一定值时，磁化曲线呈饱和特性。电机饱和程度要影响到电机的运行特性。
主磁通 ф0与励磁电流 If0或励磁磁动势 Ff0的关系如下图所示,(电机的磁化曲线 )
磁化曲线气隙中主磁场磁密的分布
η (极距 )
Bδ
气隙中主磁场磁密 Bδ的分布注：气隙空间用 δ表示由于极靴下的气隙分布不均匀，故主磁通经过的磁路不同，在磁极轴线附近气隙小，则 Bδ大，在极靴的极尖处气隙大，则 Bδ小。在极靴以外，则 Bδ显著减小。在两磁极之间的几何中心线处，磁密为 0
直流电机负载时的磁场及电枢反应
当电枢绕组内流过电流，在电机磁路中所形成的磁动势称为电枢磁动势。负载时电机的气隙磁场是由励磁磁动势与电枢磁动势共同建立。
电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应与电机的运行特性关系很大：对电动机影响转速，对发电机影响其端电压。且不利于换向。同时其与气隙磁场作用产生电磁转矩。
电枢磁场使主磁通一半加强，一半减弱，并使电枢表面磁密等于零处偏离几何中性线，而是处在物理中性线（通过电枢表面磁密为 0的直线）。
电枢反应的作用
电枢反应由两种：
1,助磁作用：但由于饱和作用使气隙磁场发生畸变
2,去磁作用：使磁通略有减少
总之，电枢反应的作用不但使电机的气隙磁场发生畸变而且还会呈去磁作用。
第五节 机电能量转化的过程（简述）
输入的 电能＝磁场储存的能量的增加＋内部损耗＋输出机械能机电能量的 转化的过程是由磁场耦合场的变化对电气系统和机械系统的反应所引起的。即：
转动过程中切割磁场产生感应电动势，而电磁转矩又对机械部件作用。
电动机 在外部输入电能，在转子中产生电磁转矩来驱动转子转动，则将电能转化为机械能。
发电机 在外部机械能的作用下使转子转动来切割磁场，电枢产生电磁感应生成感应电动势，从而将机械能转化为电能。
第六节 感应电动势和电磁转矩的计算
感应电动势计算感应电动势的一般表达式：
e＝－ dψ /dt
dψ－ 各绕组磁链的增量 dt－ 时间变化负号“－” 表示了电动势 e的方向与 ψ的变化方向的关系，即：当
ψ增加时,d ψ>0,e<0
当 ψ减小时,d ψ<0,e>0
对电机有：
电枢感应电动势 Ea＝ CeΦn －－－－ 重要公式或 Ea＝ GafIfΩ
Ce＝ pZ/60a,为电机的一个常数。称为电动势常数
Gaf＝ CTKf,Ω—— 机械角速度 Ω=60n*2π
CT＝ 60/2π,也为电机的一个常数。称为转矩常数磁通 Φ ＝ KfIf Kf为比例常数,If为励磁电流电磁转矩的计算
电磁转矩 Tem ＝ CTф Ia－－－－ 重要公式或 Tem ＝ Gaf If Ia
EaIa＝ Gaf If ΩIa＝ TemΩ－－－－ 重要公式
§ 2-7 直流电机的运行原理
一、直流电机的基本方程式
1、电动势平衡方程式动态时，
对电动机有,对发电机有：
dt
diLiRiGU a
aaafafa
dt
diLiRu f
ffff
dt
idLiRiGU a
aaafafa
)()(
dt
diLiRu f
ffff
稳态时，
对电动机有,对发电机有：
aafafa IRIGU
fff IRU?
aaaa IRUE
fff IRU?
即：
aaaa IREU
一、直流电机的基本方程式
2、转矩平衡方程式根据力学牛顿定理，电机在任何瞬间必须保持力学平衡，也即保持转矩平衡直流电动机励磁输入电功率输出机械功率
aU
aIf
I fU
2T emT 0T
机械负载电动机转矩平衡示意图直流发电机励磁输出电功率输入机械功率
aU
aIf
I fU
1T emT 0T
原动机转矩发电机转矩平衡示意图电动机的转矩平衡方程式
dt
dJTTT
em
02
其中
dt
dJT
J
为惯性转矩
2T
为机械负载制动转矩
0T
为空载损耗转矩当电动机以稳定的转速运转时 0
dt
dJT
J
则稳态运行时有：
02 TTT em aaaa IREU
dt
dJTTT
em
01
其中 T1为原动机提供的拖动转矩
dt
dJT
J
为惯性转矩
0T 为空载损耗转矩当发电机稳定运行时 0 dtdJT J
则稳态运行时有：
01 TTT em aaa IRUE
发电机的转矩平衡方程式
3、功率平衡关系式机械功率2
P
Fepmecpcp
CuapCufp
emP
1P
电功率电功率2P
Fep
mecp cp
Cuap
Cufp
emP
1P
机械功率电动机的功率图发电机的功率图
aacaaffa IEURIUIIIUUIP )2()(1
emcaCfC PpppP uu1
其中
ffC UIp u?
为励磁损耗
aaaC IRp u 2? 为电枢损耗
ac UIp 2
为电刷接触损耗 U? 为电刷接触电压降
emaaem TIEp 为电磁功率
m e cFe
emem
ppP
PPTTTp
0
0202 )(
Fep 为铁心损耗 mecp 为机械损耗
2P
为输出的机械功率并励电动机的功率平衡关系式
cC u aC u f
acaaf
acaaaacaaaaem
m e cFeem
emem
PppP
IURIUIUI
IURIUIIURIUIEP
ppPP
pPTTTP
2
2
2
1
0011
2
)2)2(
)(
UIP?2 发电机的输出功率
I 发电机的负载电流并励电动机的功率平衡关系式
§ 2-7 直流电机的运行原理二、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指：端电压 U＝ UN（ 额定电压）,If＝ IfN(额定励磁电流），电枢回路无外串电阻时，电动机转速 n,电磁转矩 Tem与效率 η三者和输出功率 P2之间的关系，即 转速特性、转矩特性、效率特性的总称,
)(
)(
)(
2
2
2
Pf
PfT
Pfn
em
或
)(
)(
)(
a
aem
a
If
IfT
Ifn
实际运行中，电枢电流 aI 与 2P 的变化趋势差不多，
故工作特性表示为与 之间的 关系aI
效率特性转矩特性转速特性
（ 1）,转速特性转速特性指当 的关系曲线时,)(,
afNfN IfnIIUU
:,有代入电动势平衡方程式把公式 aaaea IREUnCE
a
e
a
e
a
e
a
e
Inn
C
R
C
U
n
I
C
R
C
U
n
'
0
'
0
则令转速公式理想空载转速当输出功率增加时，电枢电流也增加，由于电枢反应使得气隙磁场减弱，转速特性曲线不是一条直线下降
n
转速特性曲线 aNI
aI
1、并励直流电动机的工作特性
（ 2）、转矩特性转矩特性指当 的关系曲线时,)(,
aemfNfN IfTIIUU
线可得转矩特性的关系曲由公式 aTem ICT
emT
aIaNI
当电枢电流较大时。由于电枢反应，使得气隙磁场减弱，故 转矩特性在 电枢电流较大时偏离直线转矩特性曲线
（ 3）、效率特性效率特性指 的关系曲线时,)(,
afNfN IfIIUU
%100
)(
2
1
%100)1(%100/
2
1
12
fa
caaC u fm e cFe
IIU
URIppp
P
p
PP?
故效率 是电枢电流的二次曲线。
有一个最大值效率曲线 )( aIf
aIaNI
效率特性曲线
并励直流电动机的工作特性曲线
aNI
aNI
emT?n
并励直流电动机的工作特性
n
emT
2、串励电动机的工作特性
aNI
aNI
emT?n n
emT
串励电动机的工作特性
3、复励电动机的工作特性复励电动机的工作特性介于并励与串励电动机之间。
若串励励磁起主要作用，则其工作特性就接近串励电动机。若并励励磁起主要作用，则其工作特性就接近并励电动机。以转速特性为例，见下图
aNI
aNI
n 并励电动机的转速特性复励电动机的转速特性串励电动机的转速特性三、直流发电机的运行特性
直流发电机作为直流电源有被大功率晶闸管整流电源所取代的趋势；其接线为他励、并励、
复励。其运行时由原动机拖动且保持 n＝ nN
直流发电机的运行特性有：
1） 负载特性，当 常数时，,若,
则为空载特性
2）外特性，励磁电流 为常数时，
3）调节特性，当 为常数时，
其中空载特性与外特性比较重要
I )( fIfU?
fI )( IfU?
U )( IfI
f?
0?I
(一）空载特性
1、空载特性 )(
00 fIfU?
空载特性是指 Nnn? 时，发电机空载端电压 0U
与励磁电流 0fI 之间的关系特性，即 )( 00 fIfU?
空载特性的测取方法,
1）调节励磁电流 使发电机的空载端电压0fI
NUU )3.1~1.1(0?
2）调节励磁电流 使 逐步降到 0，在此过程中测取 与
0fI 0fI
0fI 0U
空载特性见图 2－ 43。
空载特性表明了电机磁路中的磁通量与其所作用磁动势的关系。
即当转速恒定时，电动势与磁动势之间的关系,E0＝ f（ If）
2、并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机因为无外部直流电源供电，
所以其必须先在空载下建立电压，即自励。
U0
Ia
If
电枢励磁绕组
Rf
并励发电机的接线图自励过程：
1）当电机内部有剩磁时，原动机带动电枢旋转时切割剩磁，产生剩磁电动势
2）若励磁绕组与电枢绕组并联极性正确，即使此时励磁绕组中电流所建立的磁动势与原先的剩磁方向一致，则电枢电动势因为磁场的增强而增大，则励磁电流也增大（ U0 ＝ If Rf）。
3）若 Rf 小于某一个值，则在 U0 ＝ If Rf
的同时也满足空载特性 U0＝ f（ If0） 时，
则会使空载端电压稳定在某一个数值处。
并励发电机自励的条件有三个：
1）电机必须有剩磁。
2）励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确
3）励磁回路总电阻小于该转速下的临界电阻。（见图 2－ 44）
（二）负载运行由发电机的电动势平衡方程式：
可知：发电机的外特性与励磁连接方式有很大的关系。
aaeaaa RInCRIEU
直流发电机的外特性
1
2 3
1－ 复励发电机的外特性
2－他励发电机的外特性
3－并励发电机的外特性
§ 2－ 8直流电机的换向
直流电机的换向使指：电枢绕组元件从一条支路退出而进入另一条支路时，元件那电流由＋
ia变为 0，在由 0变为－ ia的 整个过程。
换向过程是非常复杂的过程，其中有电磁、机械、电化学等多种因素作用。
在换向过程中的电磁方面会出现换向元件产生电枢感应电动势、元件内电流变化引起的电抗电动势。这使得换向时电流变化延迟而且在换向片完成换向了但元件内电流还未完全换向，
即电流未完全达到－ ia,此时换向元件内储存了磁场能，在外部电源的作用下必须释放，且其以弧光放电的形式释放。此弧光会引起火花。
且换向元件所储存的磁场能与电枢电流和转速成正比。故必须采取措施来改善换向。
换向过程对电流变化的影响：
1）电抗电动势 ex,由换向元件的自感与换向元件之间的互感形成。
2）电枢反应电动势 ea,由换向元件切割电枢磁场所产生。
此二者产生一个附加电流 ik
i
t
－ ia
＋ ia
Tk
a）
a） 无电动势影响时电流的换向过程
b） 换向过程电动势产生的附加电流
c)有电动势影响时的电流换向过程
－ ia
b）
i
t＋ ia
Tk
iKT
i
＋ ia
t
－ ia
Tk
c）
换向的改善在两磁极的几何中性线处安装换向极，并且其线圈（称为换向极绕组）与电枢绕组串连，依据使换向极所产生的磁场与电枢磁场相反的原则来确定换向绕组的极性。
补偿绕组在大容量和工作繁重的直流电机中为了保证在任何负载下能抵消电枢反应。特在主磁极下安装与电枢绕组相串连的补偿绕组，从而改善换向的同时也能保证电机安全运行。但结构复杂，
一般电机中不使用。
第二章 小结
1、直流电机的工作原理
（ 1）直流电动机的工作原理：将直流电压加在电动机的电刷两端，通过换向片流经电枢绕组，根据电磁原理，
电枢产生电磁转矩，电枢在此转矩作用下转动，从而使得电能转化为机械能。同时产生反电动势。达到电势平衡、功率平衡和转矩平衡。
（ 2）直流发电机的工作原理：发电机电枢绕组在原动机的拖动下转动而切割励磁磁场，根据电磁感应定律，
在电枢上产生电动势，并通过换向片与换向器，将电枢上产生的交变电动势输出为直流电动势，从而将机械能转化为电能。同时在电枢上产生电磁转矩。达到电势平衡、功率平衡和转矩平衡。
2、直流电机的结构可分为静止与转动两大部分
（ 1）静止部分的结构：
1）主磁极 2）换向极 3）机座
4）电刷装置
（ 2）转动部分
1)电枢铁心
2） 电枢绕组
3）换向器
3、直流电机的铭牌数据每台电机的机座上都有铭牌。 铭牌数据是在使用电机时的重要依据直流电机运行时,若各个物理量都与它的额定值一样,就叫额定运行状态,在额定运行状态下工作 (额定工况 ),电机能可靠地运行,并具有良好的性能,
直流电动机型 号 励磁方式额定功率 励磁电压额定电压 励磁电流额定电流 定 额额定转速 绝缘等级标准编号 重 量出品编号 出厂日期中 华 人 民 共 和 国
× × × 电机厂制造
4、直流电机的绕组
1）直流电机的电枢绕组是机电能量转化的起着重要的作用－是实现机电能量转化的主要部件。
2）绕组的基本形式有两种：单叠绕组与单波绕组。在此基础上可构成多种绕组形式。
3）对绕组的认识要求：会计算节距，会画绕组展开图。
4）绕组对应电路图的连接关系与支路数。
5、直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式有四种：他励、并励、
串励、复励、其中发电机不采用串励。
不同的励磁方式对电机的工作特性影响很大，其电学关系也有很大差别。
6、直流电机的磁场
1）要理解空载时的磁化曲线与电机饱和程度影响电机运行之间的关系。
2）电枢反应的作用：是使气隙磁场畸变和磁场减弱。使磁密为 0处偏离几何中性线，
为换向带来不利。
7、电机的机电能量转换过程
1)能量转化关系式
2) 在转化过程种的电磁作用以及电磁转矩的计算和感应电动势的计算。
8,重要公式：
1）电磁转矩 Tem＝ CTф Ia 或 Tem ＝ Gaf If Ia
2） EaIa＝ Gaf If ΩIa＝ TemΩ
3）电势平衡：
aaaa IREU
（电动机）
aaaa IRUE
（发电机）
9、直流电机的工作特性
aIaNI
emT?n n
emT
aIaNI
emT?n n
emT
串励电动机的工作特性并励电动机的工作特性
aNIaNI
n
复励电动机的转速特性串励电动机的转速特性
10、发电机的工作特性
1）空载特性
2）并励发电机的自励过程与条件
3）外特性
11、直流电机的换向
1）换向过程种存在的问题
2）改善换向的方法与意义
3）补偿绕作的作用
