使电动机旋转。可见在直流 电动机里,电磁转矩是驱动 转矩。根据电动机左手定则 电漉方向电动势方向 判断,电枢将按逆时针方向 旋转。电动机的驱动转矩 Mm克服负载的反作用转矩 ML,拖动负载一起旋转。 从以上分析可以看出, 无论是直流发电机还是直流 电动机,当电枢绕组中有电 流时,都要产生电磁转矩,在 发电机中是制动转矩,在电 动机中是驱动转矩。它们的 图213直流电动机的电磁转矩作用虽然不同,但物理本质 却相同,计算公式也相同。 5.直流电机中电礅功率及能量的交换 前面从电的角度论述了电枢中感应电动势的大小和性质, 又从机械力的角度讨论了电枢中电磁转矩的大小和性质。下面 我们把这两个量(电枢电动势E。和电磁转矩M)联系在一起, 看看直流电机中实现电功率与机械功率相互转换的情况。 直流电动机或直流发电机工作时,电枢绕组中有电动势Ea 和电流La,这两个物理量的相乘积E2a叫做直流电动机的电 磁功率Pn,即 P= EI 在电机里电枢电动势为E=602n,式中P悬磁极对数;N是 电枢绕组导体(有效边)的总数;a为电枢绕组中的支路对数
φ为每个磁极的气隙磁通;n为电枢转速(电机转速),这个式 子中的电机转速n,可以用角速度a表示,a-60,角速度的 单位是弧度/秒,用符号rad/s表示。(转速n是电机一分钟内旋 转的图数,角速度a表示电机一秒钟所转过的圆周角。如果用 弧度表示,那么电机旋转一周所转过的圆周角是2x弧度。因此, 2丌n就是一分钟所转过的圆周角,2x/60是每秒钟转过的圆周 角,这就是角速度u)。将这些关系式代入Pm=EaI得到 PN 根据前面的分析,PNC,是电机的结构常数而CnL=Mm 恰好是电枢的电磁转矩,所以上式可以写成 Pm= M 上式表明,直流电动机的电磁功率又等于电磁转矩与电枢 角速度的乘积。所以 E2l。=Ptm=Men 这部分功率,不论从电的角度(E)看,或从机械的角度 Mm)看,都是由于电和磁的相互作用产生出来的,所以叫做 电磁功率。 如果不考虑电机内部的损失,那么对发电机来讲,M是 原动机为了克服制动的电磁转矩所需要输入的机械功率,E2l 则是发电机电枢发出的电功率,根据能量守恒原理,它们是相 等的。对电动机来讲,El。是电枢从电源吸取的电功率,Mm 则是电动机的电磁转矩带动电枢和机械负载所输出的机械功 率,由于能量守恒,它们也是相等的。 所以,不论是直流电动机还是直流发电机,电磁功率都是 指能量转换过程中,电能转换为机械能或机械能转换为电能的
这部分功率。 那么,从电源输入的电能或者从原动机输入的机械能,是 不是全部都经过电和磁的相互作用而传送给负载了呢?当然不 会是这样。直流电机在能量转换的过程中,不可避免地会伴随 着各式各样的能量损耗(即功率损耗),因此,输入给电机的能 量并不等于它输出给负载的能量。电机的内部损耗主要有以下 三个方面: (1)电机轴承、电刷与换向器之问以及旋转部分与空气之 间的摩擦所引起的损耗,称为机械损耗,用符号△Pm表示。 (2)电枢铁心中由磁滞和涡流所引起的能量损耗,叫做铁 损,用符号△P表示。 只要直流电机通入了励磁电流并且转动起来,不管它有没 有带负载,机械损耗和铁损耗就会存在。这好比一个正在奔驰 的火车头,即使没有拉车厢,也要消耗能量一样。所以这两项 损耗合起来叫做空载损耗,用符号P0表示,△Po=△Pm+ APP。。 (3)凡是电流流过电阻的地方都会产生损耗。在电枢绕组 内、励磁绕组内、电刷内、电刷和换向器接触处(这部分电阻 叫接触电阻)等等都存在着电阻。这部分损失是在传导电流时 产生的,叫做铜损,用符号4Pc表示。 上面这些损托消耗了有用的能量,并还转化为热量使电机 发热,所以是有害的,但又是不可避免的。从运行的角度看,应 该加强维护检修,改善电机的通风条件,以保证电机能够经济 而可幕地工作。 下面再来分析一下电动机中的能量变换情况 直流电动机接上电源后,绕组中便有电流通过,由电源输 入的电功率P1中除去铜损,余下的就是被电动机吸取的电磁功
率Pm,即 Pm=PI-APc 或 P,= Pn+ APcu 电动机转动后,又产生了机械损耗及铁损耗,由电磁功率中再 减去这部分空载损耗,才是电动机轴上输出给负载的机械功率 即 Pa=P 或 Pm=P2+△ 将Pm=P2+△P代入P1=Pm+△PC式中,得到直流电动机的 功率平衡方程式是 Pt=P2+△Po+△Pce 6.直流电动机的电枢反应 直流电动机在空载运行时,电枢电流很小,可以忽略不计, 磁极与电枢间的气隙磁场可以认为是由磁极上的励磁绕组通以 直流电流产生的。而在有载运行时,电枢绕组内就有较大的电 流流过,电枢电流产生的磁势称为电枢磁势。因此,直流电动 机在有载运行时,气隙磁场是由励磁绕组磁势和电枢绕组磁势 共同产生的,气隙磁场因而发生了变化。我们将电枢磁势对主 磁场的影响称为电枢反应 电枢反应对电动机的运行性能有着很大的影响,它会引起 电动机气隙中的磁场发生畸变,并削弱电动机气隙中的磁场电 枢电流对主磁场的去磁作用必然要影响到电动机的运行憤况。 不过,在一般情况下,直流电动机中的电枢反应对电枢电动势 和电磁转矩的影响并不很大,严重问题倒是由于磁场崎变,将 引起电刷与换向器之间出现火花,影响电动机正常工作
7.直流电动机绕组元件中的电流换向问题 前面已经讲过,直流电动机绕组元件中的电流是交变的电 动机旋转时,电枢导体不断从一个磁极下转入到另一个异性磁 极下,也就是说,电枢绕组元件从一个并联支路经电刷转入另 一个并联支路。这时候,元件中电流的方向将要改变。绕组元 件中电流方向改变的过程称为换向。 日 160 4〉换向前 b)换向后 888 R (c)换向时被电刷短路 图2-14电枢绕组元件的换向过程