电枢电动势、电磁转矩及电机功率的优化

当直流电机作为电动机运行时，电磁转矩为拖动转矩，通过电动机轴带动负载，电枢感应电动势为反向电动势与电枢所加外电压相平衡；当其作为发电机运行时，电磁转矩为阻转矩，电枢感应电动势为正向电动势向外输出电压，供给直流负载。

1.直流电机的电枢电动势

在直流电机中，感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得：

式中，Ce为电动势常数，Ce=Np/（60a），取决于电机的结构。

当每极磁通Φ 、转速n 的单位分别是Wb、r/min 时，电枢电动势的单位为V。

可见：对已制成的电机，Ea正比于每极磁通Φ 和转速n。

2.直流电动机的电磁转矩

在直流电机中，电磁转矩T 是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示：

【例 3-3-1】一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469 r/min，每极磁通Φ =2.2×10-2Wb，求：

（1）此发电机电枢绕组的感应电动势。

（2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为 800 A 时，能产生多大电磁转矩？

解：先求出电动势常数

式中　CT——转矩常数；CT=Np/（2πa）取决于电机的结构，即在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、a 均为定值；

　　　Φ ——每极下的合成磁通（Wb）。

当Ia的单位为A 时，电磁转矩单位为N·m。

可见对已制成的电机，电磁转矩T 正比于气隙每极磁通Φ 及电枢电流Ia。

转矩常数CT与电势常数Ce之间有固定的比值关系：

【例 3-3-1】一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469 r/min，每极磁通Φ =2.2×10-2Wb，求：

（1）此发电机电枢绕组的感应电动势。

（2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为 800 A 时，能产生多大电磁转矩？(www.xing528.com)

解：先求出电动势常数

3.电机的损耗

（1）铜损PCu：铜损包括电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜损和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关。铜损将引起绕组及换向器发热。铜损与电流的二次方成正比，随电机的负载变化，称为可变损耗。

（2）机械损耗 Pmec：机械损耗是指电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围空气摩擦所引起的损耗，主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关。机械损耗将引起轴承和转向器发热。

（3）铁损PFe：交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗称为铁损。电枢铁心在静止的磁场中旋转，通过铁心中的磁通为交变磁通，产生铁损；电枢旋转时，电枢槽口引起主磁极表面磁通脉动，在极靴表面产生铁损。铁损大小与电机的转速、磁密及铁心冲片的厚度、材料有关。

机械损耗和铁损与负载的大小无关。Pmec和 PFe在电机空载时就存在，这两项之和称为空载损耗P0。

3.电机的损耗

（1）铜损PCu：铜损包括电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜损和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关。铜损将引起绕组及换向器发热。铜损与电流的二次方成正比，随电机的负载变化，称为可变损耗。

（2）机械损耗 Pmec：机械损耗是指电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围空气摩擦所引起的损耗，主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关。机械损耗将引起轴承和转向器发热。

（3）铁损PFe：交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗称为铁损。电枢铁心在静止的磁场中旋转，通过铁心中的磁通为交变磁通，产生铁损；电枢旋转时，电枢槽口引起主磁极表面磁通脉动，在极靴表面产生铁损。铁损大小与电机的转速、磁密及铁心冲片的厚度、材料有关。

机械损耗和铁损与负载的大小无关。Pmec和 PFe在电机空载时就存在，这两项之和称为空载损耗P0。

（4）附加损耗Pad：一般估计为电机输出功率的（0.5～1）%，即Pad=（0.5～1）%P2。

电机的总损耗：

（4）附加损耗Pad：一般估计为电机输出功率的（0.5～1）%，即Pad=（0.5～1）%P2。

电机的总损耗：

4.直流电机的电磁功率Pem

4.直流电机的电磁功率Pem

对电动机而言电动势 Ea是反电动势，电源电压 U 必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem，所以Pem是机电能量转换的桥梁。

对电动机而言电动势 Ea是反电动势，电源电压 U 必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem，所以Pem是机电能量转换的桥梁。