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第2章 直流电机的建模与特性分析 刘锦波 山东大学 控制科学与工程学院 内容简介 2.1 直流电机的基本运行原理与结构 B、直流电机的结构 （1）额定功率：定义为额定状态下的输出功率，用 表示； 额定数据之间存在如下关系： 对于直流电动机： 对于直流发电机： B、直流电机的简单绕组 C、直流电枢绕组的基本型式 结论: 电刷是电流的分界线; 单叠绕组的支路数等于极数，即 。 2.4 直流电机的各种励磁方式与磁场 2.4.2 直流电机的空载磁场 2.4.3 直流电机负载后的电枢反应磁场 2.5 直流电机的感应电势、电磁转矩与电磁功率 C、直流电机的电磁功率 2.6 直流电机的电磁关系、基本方程式和功率流程图 C、直流电机的功率流程图 图2.25 直流电动机的电路和机械联结示意图 根据图2.25中各物理量的假定正方向（即电动机惯例），得暂（动）态电压平衡方程式为： （2-22） 一旦电动机稳态运行，则可获得直流电动机的稳态电压平衡方程式为： （2-23） a、电压平衡方程式 b、转矩平衡方程式 根据牛顿第二定律和图2.25假定的正方向，得直流电动机暂态运行时的动力学方程式为： (2-28) 稳态时，机械角速度 =常数，则稳态运行时的动力学方程式变为： (2-29) 2、当直流电机作发电机运行时： 图2.26 直流发电机的电路和机械联结示意图 a、电压平衡方程式 假定直流发电机的正方向如图2.26所示（又称为发电机惯例）。比较图2.26与图2.26可以看出：直流发电机与直流电动机相比，电枢电流的方向发生改变。相应的电磁转矩的方向也发生改变，于是得下列关系式： 直流发电机的暂（动）态电压平衡方程式变为： （2-26） 其稳态运行时的电势平衡方程式为： （2-27） b、转矩平衡方程式 直流发电机暂态和温态运行时的动力学方程式分别为： （2-30） （2-31） 3、 直流电机的等效电路 根据电压平衡方程式（2-22）和式（2-26），分别获得直流电动机和发电机电机的暂态等效电路分别为： 图2.27 直流电机的暂态等效电路 根据电压平衡方程式（2-23）和式（2-27），分别获得直流电动机和发电机电机的稳 态等效电路分别为： 图2.28 直流电机的稳态等效电路 结论: 直流电机相当于一大小可变的直流电源（或蓄电池），该电源（或电势）的大小取决于转速和励磁磁场（或磁通）的大小。 * 直流电机的基本运行原理→结构→电磁关系→数学模型（即基本方程式和等效电路）→直流电动机和发电机运行特性的分析与计算。 直流电机的图片 A、直流电机的基本运行原理 图2.1 通电导体和线圈在磁场下的受力分析 结论： 要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体 中电流方向总是流出。在直流电动机中，上述任务是由机械式换向器和电刷来完成的。 图2.2 直流电机的运行原理示意图 结论： （1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流； （2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器； （3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。 图2.3 直流电机的结构图 1-机座 2-主磁极 3-励磁绕组 4-风扇 5-轴承 6-轴 7-端盖 8-换向极 9-换向极绕组 10-端盖 11-电刷装置 12-换向器 13-电枢绕组 14-电枢铁心 2.2 直流电机的额定数据 对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率 ； 对于发电机，额定功率则是指定子侧绕组输出的电功率。 （2）额定电压：定义为额定状态下的电压，用 表示； （3）额定电流：定义为额定状态下的电压，用 表示。 （4）额定转速：定义为额定状态下的转速，用 表示； （5） 额定效率： 定义为额定条件下电机的输出功率与输入功率之比，用 表示。 （2-2） （2-1） 2.3 直流电机的电枢绕组———电路构成 A、对电枢绕组的要求 正、负电刷之间所感应的电势应尽可能大； 节省材料、结构简单。 图2.4 直流电机的简单绕组 图2.5 直流电机简单绕组的电路连接 结论: 电枢绕组为闭合绕组; 直流线圈基本上是整距线圈 a、几个术语 分类： 图2.6 直流绕组的