华中科技大学版【电机学】(第三版)电子讲稿【第三章】
第三章直流电机的稳态分析
主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的启动、调速和制动进行了分析。
3-1直流电机的工作原理和基本结构
电机是由两大部分组成1、静止部分——定子
2、旋转部分——转子
一、直流电机的静止部分（定子）
1、主磁极
主磁通的作用是建立主磁场。主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成它的，铁心是由1～1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。极靴的作用是使主磁通在过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。
2、机座
其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。
3、换向极
换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。
4、电刷装置
电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。
二、直流电机的转动部分
1、电枢铁心
电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢部分绕组的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅钢片叠压而成.
2、电枢绕组.
电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧.
3、换向器
换向器也是直流电机的重要部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。
换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上.
三、电流电机的工作原理
1、直流电动机的工作原理
我们首先分析一个简单的物理模型，图中N.S是一对磁铁,它可以是永久磁铁,也可以为电磁铁，所谓电磁铁就是在磁极铁心上绕上励磁线圈且通入直流，便产生固定的极性。
两极间装一转动的线圈，当线圈abcd中通入直流电流，此时载流导体在磁场受到力的作用，根据电磁力定律，
力的大小为f=bli 方向由左手定则判断
在力的作用下使线圈按逆时针方向旋转，当线圈转过180度后,所产生的电磁转距变成顺时针方向了，所以这种物理模型不能作连续运转.要使电枢受到一个方向不变的电磁转距.关键在于旋转过程中应保持每极下导体中甸柳的方向不变，即流过线圈中的电流方向及时的加以变换，即进行所谓”换向”，为此必须增加换向器装置.
换向器由互相绝缘的换向片构成,装在轴上与电枢一同旋转,换向器又与两个固定不动的电刷B1、B2相接触，这样当直流电压加于电刷时，换向器的作用使外电路的直流电流改为线圈内的交变电流，这种换向作用称为逆变，以保证每极下导体中所流过的电流方向不变,从而使电机连续的旋转，这就是直流电动机的工作原理。
2、直流发电机的工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电势靠换向器的作用，从电刷端引出时为直流电势的原理，如上图所示模型中,电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢按逆时针方向旋转,根据电磁感应定律导体ab和cd分别切割不同极下的磁力线而感应电势
e=BLV 方向由右手定则判定
整个线圈的电势. E ad=2BLV
当电枢逆时针转过180度时,线圈边中和整个线圈电势反向,随着电枢的旋转线圈中感应出交变电势，而在电刷两端的电势却为直流电势。由于换向器的作用,电刷B1通过换向片所引出的电势始终是切割N极磁力线的线圈中的电势，因此B1始终是正极性，同理B2始终是负极性.所以电刷端引出方向不变,但大小变换的脉振电势,这就是直流发电机的工作原理.
3、直流电机运行的可逆性
从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一台直流电机即可作为发电机运行,也可以作为电动机运行,只是外界条件不同而已.一个是输入机械能,一个是输入电能,这种既能作发电机运行,又能作电动机运行的原理,在电机理论中称为可逆原理.
4、脉动的减小
为了减小电枢感应电动机和电磁转距的脉动,实际的电枢绕组由许多线圈串联而成.脉动可减小下图为3个线圈产生的电动势之和.可见其脉动程度较1个线圈大大减小,电磁转距的情况与电势类似,实际的一台直流电机,每极下线圈很多,则作为发电机运行可获得直流电势.
四、励磁方式
我们知道直流电机的磁场,可以由永久磁场产生.也可以由励磁绕组产生.前者为永久磁场后者为电磁场,一般来讲永久磁铁的磁场较弱,所以现在绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的.我们称这种磁场为直流电机的主磁场,有时也称为励磁磁场.
励磁绕组的供电方式称为励磁方式.直流电机的运行性能因励磁方式的不同而不同,按照励磁方式的不同,直流电机分他励和自励两大类.
1、他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源供电的直流电机电枢电流等于负载电流Ia=I
2、并励直流电机
励磁绕组与电枢绕组并联后加同一电压
.对发电机:Ia=I+I f对于电动机:I=Ia+I f
3、串联直流电机
励磁绕组与电枢绕组串联
I=Ia=I f
4、复励直流电机
具有两个励磁绕组,一个与电枢并联.一个与电枢绕组串联.
电枢与并联绕组并联后再与串励磁绕组串联称短复励.
电枢与串联绕组串联后再与并励磁绕组并联称长复励.
若串励绕组与并励绕组产生的磁势方向相同为积复励,相反为差复励.
五、直流电机的额定值
每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌,上面标注一些额定数据,若电机运行时,各数据符合额定值,这样的运行情况称为额定工况,在额定下运行,可保证电机可靠的运行,并具有优良的性能. 根据国标，直流电机的额定数据有：
1、额定功率 P N （千瓦KW ）
2、额定电压 U N （伏V ）
3、额定电流 I N （安A ）
4、额定转速 n N (转/分 r/min)
5、额定励磁电压 U Fn （伏V ）
6、额定励磁电流 I fN （安A ）
注、对发电机额定功率为 P N =U N I N
对电动机额定功率为 P N =U N I N ηN P 1=U N I N
3-2直流电机的电枢绕组
电枢绕组是直流电机的电路部分,也是直流电机的核心部分,是实现机电能量转换的枢纽,无论是电动机还是发电机,它们的电枢绕组在磁场中旋转,都会感应出电势，当电枢中有电流时，又产生电磁转矩，从而实现了机电能量的转换。
电枢绕组的构成应能产生足够的感应电势，并允许通过一定的电枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。
本节主要介绍单叠和单波绕组的组成及连接规律。
一. 直流电枢绕组的构成
电枢绕组分 1.叠绕组2.波绕组3.混和绕组
组成绕组的基本单元称为元件.元件有单匝,也有多匝,一个元件由两条导体边和端接线组成。元件边置于槽内称为有效边,端接线置于铁心外,不切割磁场，仅起连接线作用
一条有效边放在上层，另一条有效边放在下层构成双层
绕组，元件首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最
后使整个绕组通过换向片连接城一个闭合回路。
若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则整个绕组元件
数s 应等于槽数Q
S=Q
在大型电机中每槽上、下层包含U 个元件，此时
S=UQ U 为槽内一层嵌放的元件边数.
通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间作为一个虚槽Qu
则:Qu=S=UQ
由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接,所以换向片数K=S
则K=S=Qu
二、直流电枢绕组的节距
电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的,下面分别叙述各个节距的定义和计算方法.
1. 第一节距y 1
一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距用y 1表示
整数=±=εP
Q y u 21: