直流电机结构

工作原理

机械结构

绕组理论

额定值

直流电机工作原理

发电机

电动机

机械结构

绕组初步

额定值

额定值会卸载电机外壳的铭牌上，或者买电机的时候都给给出来。

直流电机的额定参数与符号及单位

符号

单位

额定功率

$P_N$

$\text{kW}$

额定电压

$U_N$

$\text{V}$

额定电流

$I_N$

$\text{A}$

额定转速

$n_N$

$\text{r/min}$

额定励磁电压

$U_{fN}$

$\text{V}$

要注意的是，额定功率指的是输出功率。对于直流发电机有 $P_N = U_N I_N$ ，对于电动机指的是转轴上输出的机械功率 $P_N = \eta_N U_N I_N = T_N \omega$

电机运行时各个量都达到额定值，此时就是额定运行状态；超过额定值，就是过载运行状态；远小于额定值，是轻载运行状态，此时效率较低。

直流电机基本理论

励磁方式

流经电枢回路的电流为电枢电流 $I_a$ ，流经励磁回路的电流为励磁电流 $I_f$ ，当然小型直流电机也有直接用永磁体的。

励磁方式有这几种

从左到右依次为他励、并励、串励、复励。

在直流电机控制系统里面，使用他励方式。或者直接用永磁体电机，这样两个量之间就是独立的，方便控制。

电枢反应

空载气隙磁场

空载时，电枢电流很小，可以忽略不计，认为电机内磁场完全由励磁电流的磁势产生。

空载时主磁极磁势产生主磁通和漏磁通，主磁通经过气隙。按照磁路的分析思路，除了气隙的磁路各段都是铁磁材料（电路中的导线），磁阻很小，认为总磁势大部分消耗在气隙中。磁路不太饱和时，忽略铁心磁阻，认为磁势全部降落在气隙里。

认为电枢表面时光滑的，则气隙大小决定了磁通密度，那么空载时气隙磁场分布情况如下图

漏磁通不经过电枢，通过其他地方闭合，漏磁通不会再电枢绕组里产生感应电势。

负载磁场

有负载以后，电枢电流不为0了，电枢电流也会产生电枢磁势，这时候气隙磁场又励磁磁势和电枢磁势共同决定。电枢磁势使气隙磁场与空载相比发生变化，这个现象叫电枢反应。

分析电枢反应时，可以把电枢电流产生的磁场和励磁电流产生的磁场分开来讨论，然后叠加。

电枢反应对电机运行时不利的，有些电机为了克服电枢反应的影响，采用了补偿绕组。

电枢绕组感应电势

电枢绕组是在切割磁感线运动的，因此会产生感应电势。反电势的来源，其表达式为

$E_a = C_e \Phi n$

其中 $C_e = \frac{pN}{60a}$ ，这个表达式很符合直觉。

电势平衡

直流发电机

$E_a = U + I_a R_a + 2\Delta U_s$

这个考虑的比较细致了，电刷的接触压降也考虑进去了，一般取 $2\Delta U_s = 2\text{V}$

直流电动机

$U = E_a + I_a R_a + 2\Delta U_s$

电磁转矩

$T = C_T \Phi I_a$

其中 $C_T = \frac{pN}{2\pi a}$

功率平衡

功率平衡需要取考虑损耗，主要有：机械损耗、铁心损耗、励磁损耗、负载损耗、附加损耗。

本质上是能量守恒问题，涉及到一个输出效率，理解上并不困难，就是输入功率-所有损耗=输出功率。

直流电动机

起动

大容量的直流电动机是不允许直接启动的，启动一瞬间，转速为0，反电势为0，直接启动电流为

$I_{st} = \frac{U}{R_a}$

这时候启动电流将达到额定电流的 $10 \sim 20$ 倍，因此需要一些适当的方法限制一下。主要有电枢回路串电阻启动、降压启动。

直流电机结构