直流電機(jī)工作原理PPT通用課件

1、第一章 直流電機(jī)Chapter 1 DC Machines本章教學(xué)基本要求：1.了解直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)，注意換向器和電刷的作用；2.熟悉直流發(fā)電機(jī)和電動機(jī)基本工作原理，熟悉電樞反應(yīng)，理解感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換要素的物理意義，掌握求解它們的計(jì)算方法；3.掌握直流電機(jī)的運(yùn)行原理，電勢、轉(zhuǎn)矩平衡方程式，以及不同勵磁方式的直流電機(jī)的工作特性；4.了解直流電機(jī)的換向。重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)： 直流電機(jī)的基本平衡方程式和工作特性。難點(diǎn)： 電樞反應(yīng)。本次課程教學(xué)要求了解直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)熟悉直流電機(jī)的額定值掌握直流電機(jī)基本工作原理機(jī)電能量關(guān)系直流電機(jī)（dc machines）是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能或?qū)⒅?/p>

2、流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置。把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的直流電機(jī)稱為直流發(fā)電機(jī)(dc generators )。把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的直流電機(jī)稱為直流電動機(jī)(dc motor )。1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1.1.1直流電機(jī)的基本工作原理1、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理 直流發(fā)電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上的。（下面用簡單直流電機(jī)模型來說明工作原理）圖1-1 直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理說明給勵磁繞組(the exciting winding)通入直流電，使在空中固定不動的主磁極呈現(xiàn)上為N極、下為S極（主磁極也可以是永久磁鐵做成）。在N和S極之間有電樞，電樞鐵芯上安放著由A

3、和X兩根導(dǎo)體組成的電樞線圈，線圈的首端（A）和末端（X）分別連在兩個(gè)相互絕緣的半圓形銅質(zhì)換相片上，換相片形成的整體稱為換相器。換相器固定在轉(zhuǎn)軸上，且與轉(zhuǎn)軸絕緣。換相片上安放著一對固定不動的電刷B1和B2，電刷能與外電路連接。氣隙磁密分布圖1-2a) 氣隙磁密分布波形圖定子、轉(zhuǎn)子和氣隙定子(stator) 在空中固定不動的部分（主磁極、電刷等）稱為定子。轉(zhuǎn)子(rotor) 隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的部分（線圈、電樞鐵芯、換相器等）稱為轉(zhuǎn)子（或稱電樞(armature) ）氣隙(air gap) 定、轉(zhuǎn)子之間有一空隙，稱為氣隙。 當(dāng)原動機(jī)帶動電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)體切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電

4、勢，大?。篹=Bxlv（V）其中：Bx導(dǎo)體所在處的磁通密度（Wb/m2）, l 導(dǎo)體的有效長度（m）， v 導(dǎo)體的線速度（m/s）。發(fā)電機(jī)工作情況感應(yīng)電勢方向感應(yīng)電勢方向由右手定則判定： 伸開右手使大拇指與四指呈90，當(dāng)磁力線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，則四指的指向?yàn)閷?dǎo)體中感應(yīng)電勢方向。分析t=0時(shí)，A端為，與之相接觸的電刷B1為+，X端為，與之相接觸的電刷B2為-；當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)了180后，即t=180時(shí)，X端旋轉(zhuǎn)到N極下，X端為，A端旋轉(zhuǎn)到S極下，A端為。圖1-2a) 線圈AX地感應(yīng)電勢波形圖換向器作用Commutator Action從分析中可得出： N極下導(dǎo)體電勢指向紙外，電刷B1總

5、為+；S極下導(dǎo)體電勢指向紙內(nèi)，電刷B2總為-，不難看出，線圈中的電勢是交流電勢，而通過換向器的作用，使電刷間的電勢為直流電勢。換向器和電刷作用(brush)換向器和電刷的共同作用：將線圈中的交流電勢整流成刷間的直流電勢；把轉(zhuǎn)動的電路與外面不轉(zhuǎn)的電路連接。從刷間電勢波形看，電勢脈動很大，為了減小電勢的脈動程度，實(shí)際電機(jī)采用很多元件組成電樞線圈，均勻分布在電樞表面，并按一定規(guī)律連接，刷間串聯(lián)元件數(shù)增多，脈動減小，就得到所需的直流電。圖1-2b) 電刷B1與B2間的電動勢波形圖電刷B1與B2間的電動勢波形2、直流電動機(jī)的基本工作原理將直流電加到電刷上（B1為+、B2為-），線圈AX上就有電流通過（A

6、端為、X端為），根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體在磁場中要受力，大小為：f=Bxli（N），其中i為流過導(dǎo)體中的電流（A），方向由左手定則確定，伸開左手使大拇指與四指呈90，當(dāng)磁力線指向手心，四指的指向?yàn)閷?dǎo)體中電流方向，則大拇指指向?qū)w受力方向。在電動機(jī)中換向器和電刷的作用換向器和電刷的共同作用是：將刷間的直流電逆變成線圈中的交流電；把外面不轉(zhuǎn)的電路與轉(zhuǎn)動的電路連接。直流電動機(jī)工作原理示意圖 圖1-3 直流電動機(jī)工作原理圖直流機(jī)結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由兩大部分組成：定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分或稱電樞）。1、定子定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機(jī)座等組成。主磁

7、極由主極鐵芯和勵磁繞組組成，鐵芯用11.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對出現(xiàn)，N、S極交替排列。換向極也由鐵芯和繞組組成，鐵芯一般是由整塊鋼組成，換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機(jī)的換向。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是連接轉(zhuǎn)動和靜止之間的電路。機(jī)座作用是固定主磁極等部件，同時(shí)也是磁路的一部分。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1-4 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖1-5 主磁極與換向極示意圖圖1-6電刷裝置圖主磁極、換向極、電刷裝置示意圖2、轉(zhuǎn)子（電樞）轉(zhuǎn)子由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等組成。電樞鐵芯一般用0.5mm涂過絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，

8、作用是嵌放電樞繞組，同時(shí)它又是電機(jī)主磁路的一部分。電樞繞組電樞繞組由絕緣導(dǎo)線繞制成的線圈（又稱繞組元件）按一定規(guī)律聯(lián)接組成，每個(gè)元件兩個(gè)有效邊分別嵌放在電樞鐵芯表面的槽內(nèi)，元件的兩個(gè)出線端分別與兩個(gè)換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。換向器換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。換向片和換向器 圖1-7 換向片和換向器 3、氣隙為了使電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子之間要留有一定大小的間隙，此間隙稱為氣隙，它是主磁路的一部分。課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流電機(jī)基本工作原理；換向器和電刷的作用

9、。2.直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)預(yù)習(xí)直流電機(jī)繞組(極軸線、幾何中線、極距、繞組元件、繞組節(jié)距等。3.預(yù)習(xí)電樞反應(yīng)和直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場。4.預(yù)習(xí)直流機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢。思考題：P33 1-11.1.3直流電樞繞組和電機(jī)模型1、直流電樞繞組（1）基本概念直流電機(jī)電樞繞組的基本形式是單疊和單波。圖1-11 兩匝元件示意圖電樞繞組節(jié)距圖繞組（2）單疊繞組單疊繞組是以相鄰元件依次串聯(lián)的連接規(guī)律連成的，每個(gè)元件的兩個(gè)出線端分別接到相鄰的兩個(gè)換相片上，最后形成一閉合回路。實(shí)際電機(jī)模型圖實(shí)際電機(jī)模型圖1-12 單疊繞組展開圖（2p2 ZuS6）單疊繞組展開圖單疊繞組等值電路 圖1-13 單疊繞組等值電路單疊繞組特

10、點(diǎn)支路對數(shù)a等于極對數(shù)p，同時(shí)還等于電刷對數(shù)b，即a=p=b；電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2aia。（3）單波繞組單波繞組是將同一極性下的所有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個(gè)串聯(lián)連接元件形式似波浪向前延伸。其特點(diǎn)是：支路對數(shù)a等于1，與極對數(shù)p無關(guān)，即a=1；電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；為了減小電刷的電流密度，實(shí)際電刷對數(shù)b等于極對數(shù)p。2、電機(jī)模型展開圖雖然能反應(yīng)電樞繞組連接規(guī)律，也能說明電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系時(shí)，采用電機(jī)模型。規(guī)定：無論電機(jī)有多少對磁極，都只用N、S一對磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中心線處，并與位于

11、幾何中心線處的元件接觸，一個(gè)圓圈代表一個(gè)元件。我們把幾何中心線對應(yīng)的軸線又稱為交軸，用q-q表示；與交軸垂直的磁極軸線稱為直軸，用d-d表示。為了方便，以后在分析電機(jī)內(nèi)部電磁過程時(shí)均采用電機(jī)模型。直流電機(jī)模型直流電機(jī)模型1.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)和主要系列為使用戶正確使用電機(jī)，電機(jī)制造廠在每臺電機(jī)的機(jī)座上都釘一塊金屬牌，上面標(biāo)有電機(jī)的工作條件和根據(jù)國標(biāo)制定的額定數(shù)據(jù)（又稱額定值），該標(biāo)牌稱為銘牌，如圖所示。直流電機(jī)銘牌直流電動機(jī)型 號 Z272 產(chǎn)品編號 7001結(jié)構(gòu)類型 _ 勵磁方式 他勵功 率 22kW 勵磁電壓 220V電 壓 220V 工作方式 連續(xù)電 流 116.3A 絕緣等級 B

12、級轉(zhuǎn) 速 1500r/min 重 量 _kg標(biāo)準(zhǔn)編號 JB1104-68 出廠日期 _年_月說明在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電機(jī)各物理量在額定值時(shí)的運(yùn)行，稱為額定運(yùn)行。電機(jī)處于額定運(yùn)行狀態(tài)，具有良好的性能，工作可靠。當(dāng)電機(jī)電流小于額定電流時(shí)的運(yùn)行，稱為欠載運(yùn)行，電機(jī)長期欠載，效率不高，造成浪費(fèi)；當(dāng)電機(jī)電流大于額定電流時(shí)的運(yùn)行，稱為過載運(yùn)行，長期過載，使電機(jī)過熱，降低使用壽命甚至損壞電機(jī)。所以額定值是選擇電機(jī)的依據(jù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇電機(jī)容量，使電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)。2、國產(chǎn)電機(jī)主要系列 國產(chǎn)直流電機(jī)的系列產(chǎn)品代號采用大寫漢語拼音字母表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組合表示，例如：“Z2-7

13、2”表示直流電動機(jī)、第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)型，“7”表示機(jī)座號，7后面的2表示長鐵芯（2號表示長鐵芯，1號表示短鐵芯）。國產(chǎn)直流電機(jī)的主要系列說明如下：1）Z2系列是普通中小型直流電機(jī)。該系列直流電機(jī)有發(fā)電機(jī)、調(diào)壓發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等。其工作方式為連續(xù)的。電機(jī)僅用于正常的使用條件，即非濕熱地區(qū)，非多塵或無有害氣體場所，非嚴(yán)重過載或無沖擊性過載要求的情況下。系列容量范圍從0.4220kW，采用E級和B級絕緣。新設(shè)計(jì)的Z4系列電動機(jī)，可以取代Z2、Z3系列直流電動機(jī)。2）ZZJ系列ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機(jī)，適用于軋鋼機(jī)、起重機(jī)、升降機(jī)、電鏟等。該系列電動機(jī)的傳動慣量低、過載能力大，速度反應(yīng)快

14、。因而能經(jīng)受快速而頻繁的起動、制動與反轉(zhuǎn)。其它系列的直流電機(jī)型號、技術(shù)數(shù)據(jù)可從產(chǎn)品目錄或相關(guān)的手冊中查到。1.2直流電機(jī)的磁場直流電機(jī)的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式。除永磁式微直流電機(jī)外，直流電機(jī)的磁場都是通過勵磁繞組通入電流激勵而建立的。按勵磁方式不同可分為四種：他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。1、他勵勵磁繞組接在獨(dú)立的電源上，與電樞繞組無關(guān)。2、并勵勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。3、串勵勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。4、復(fù)勵圖1-19 直流電機(jī)的勵磁方式勵磁方式復(fù)勵主磁極上有兩套勵磁繞組，一套與電樞繞組并聯(lián)稱并勵繞組，另一套與電樞繞組串聯(lián)稱串勵繞組。若兩套勵磁繞組產(chǎn)生的磁勢是相加，則稱積復(fù)勵；若兩套

15、勵磁繞組產(chǎn)生的磁勢是相減，則稱差復(fù)勵。實(shí)際應(yīng)用中常用積復(fù)勵。積復(fù)勵與差復(fù)勵示意圖1.2.2直流電機(jī)空載時(shí)的磁場直流電機(jī)空載是指電機(jī)對外無功率輸出、不帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。直流電機(jī)空載時(shí)，勵磁繞組內(nèi)有勵磁電流，電動機(jī)電樞電流很小可忽略而發(fā)電機(jī)電樞電流為零，這時(shí)電機(jī)的磁場由勵磁電流單獨(dú)建立。圖1-8 直流電機(jī)的空載磁場分布說明主磁極N、S交替分布，故磁場的分布是對稱的。其中絕大部分磁通經(jīng)主磁極、氣隙、電樞鐵芯及定子磁軛閉合，這部分磁通同時(shí)鏈繞勵磁繞組和電樞繞組，稱主磁通，記作：0，主磁通參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，能產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是工作磁通。還有一小部分磁通不穿過電樞，僅與勵磁繞組自身鏈繞，稱漏磁

16、通，記作：，漏磁通不穿過電樞表面，不參加機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，不是工作磁通。主磁通通過的磁路稱主磁路，主磁路中氣隙較小，故磁阻較??；漏磁通通過的磁路稱漏磁路，漏磁路中空氣隙較大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，約占主磁通的20%左右。1、空載時(shí)氣隙磁密分布如果不考慮電樞表面齒槽效應(yīng)，假設(shè)電樞表面是光滑的，根據(jù)磁路定律可推出氣隙磁密反比于氣隙長度，即有B1/。主磁極下的氣隙小，而且均勻，氣隙磁密分布均勻；在主磁極極靴尖，氣隙增大，磁阻增大，磁密下降；在極靴尖外，氣隙迅速增大，氣隙磁密急劇下降，在相鄰兩極的空間分界線上，磁密降為零。我們稱氣隙磁密沿電樞表面空間分布的波形為平頂波，也可稱之為鐘形曲線。

17、圖1-10 氣隙磁密分布波形2、電機(jī)的磁化曲線電機(jī)的磁化曲線是指電機(jī)主磁通0與勵磁磁勢Ff的關(guān)系曲線，即0=（Ff）。當(dāng)勵磁繞組的匝數(shù)Nf一定時(shí)，改變勵磁電流If就可改變磁勢，磁化曲線也可用0=（If） 表示。電機(jī)的磁化曲線可通過實(shí)驗(yàn)或電機(jī)磁路計(jì)算得到。圖中曲線1是電機(jī)磁化曲線，曲線2是氣隙線，它表示氣隙中所消耗的磁勢，由于空氣中的0為常數(shù)，故氣隙線是線性的。曲線特點(diǎn)電機(jī)的磁化曲線具有飽和特點(diǎn)，當(dāng)主磁通0較小時(shí)，鐵磁材料的磁位降較小，勵磁磁通主要消耗在氣隙中；當(dāng)主磁通0較大時(shí)，鐵磁材料出現(xiàn)飽和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲線離開氣隙線彎曲呈非線性。圖1-9 電機(jī)的磁化曲線曲線分析磁化曲線表

18、征的磁路的飽和程度對電機(jī)運(yùn)行性能有很大的影響。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，要考慮節(jié)省材料，磁通密度B值盡量取得大些，但又不能使磁路太飽和，所以，為了更有效經(jīng)濟(jì)地利用材料，一般額定磁通取在直流電機(jī)磁化曲線開始彎曲的地方。飽和系數(shù) 電機(jī)的飽和程度可以用飽和系數(shù)表示。他是指主磁0通為額定磁通N時(shí)，勵磁磁勢F0與氣隙磁勢F的比值，即k 的大小對電機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響，一般電機(jī)中的k =1.111.35。1.2.3直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁勢由勵磁電流If產(chǎn)生的勵磁磁勢Ff和電樞電流Ia產(chǎn)生的電樞磁勢Fa共同建立。圖a表示由電樞電流單獨(dú)產(chǎn)生的電樞磁場，根據(jù)電樞電流方向和右

19、手螺旋定則，可判斷電樞磁勢的軸線與電刷軸線（也是幾何中心線）重合，并與主磁極軸線正交，故電刷位于幾何中心線上時(shí)的電樞磁勢也是交軸電樞磁勢。圖b表示僅由勵磁電流產(chǎn)生的空載磁場。假設(shè)電機(jī)磁路不飽和，可利用疊加原理，得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場如圖c所示。圖線負(fù)荷為了分析電樞磁勢沿電樞表面分布情況，現(xiàn)引入電樞線負(fù)荷的概念。線負(fù)荷是指在電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用A表示。設(shè)N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，ia為導(dǎo)體電流，Da為電樞直徑，則根據(jù)線負(fù)荷定義有： 電樞磁勢如果將電樞外表面從幾何中心線處展開成直線如圖所，并設(shè)主磁極軸線與電樞表面的交點(diǎn)處為原點(diǎn)0，這點(diǎn)的電樞磁勢為零，在離原點(diǎn)x處作一矩形磁閉合回路，根據(jù)安培環(huán)

20、路定律，當(dāng)磁路不飽和時(shí)，有 即Fax=Ax，其中Fax為每個(gè)氣隙磁勢，可見Fax與x成正比，則電樞磁勢分布波形是三角波，如圖曲線Fax=(x)所示。電樞磁密根據(jù)Bax=oHax，可推出電樞磁密為： 可見在磁極下，氣隙均勻，則Baxx；在極尖，因氣隙很大，則Bax很小，電樞磁密沿電樞表面分布為一馬鞍波形，如圖曲線Bax=(x)所示。氣隙磁密曲線Box=(x)表示勵磁磁通密度，亦即電機(jī)空載時(shí)的磁通密度曲線。由上述分析可知，電機(jī)負(fù)載時(shí)的氣隙磁密Bx應(yīng)等于勵磁磁密Box與電樞磁密的Bax合成，如圖曲線Bx=(x)所示。圖1-17 直流電機(jī)負(fù)載時(shí)氣隙磁密波形1.2.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，電

21、樞繞組流過電流，出現(xiàn)電樞磁勢。從上面分析可知：電樞磁勢對主磁極產(chǎn)生的磁場有影響，故對電機(jī)的運(yùn)行性能也會產(chǎn)生一定的影響。我們把電樞磁勢對勵磁磁勢產(chǎn)生的影響稱為電樞反應(yīng)。1.電刷位于幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)電刷位于幾何中性線時(shí)電樞反應(yīng)表現(xiàn)為：（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變（2）使物理中性線偏移（3）當(dāng)磁路飽和時(shí)有祛磁作用電刷位于幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變 設(shè)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)先進(jìn)入磁極的那個(gè)磁極尖稱為前極尖，電樞離開磁極的那個(gè)磁極尖稱為后極尖。電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變，對發(fā)電機(jī)而言是前極尖磁場被削弱后極尖磁場被加強(qiáng)；對電動機(jī)而言是前極尖磁場被加強(qiáng)后極尖磁場被削弱。電刷位于幾何中性線時(shí)的電樞反

22、應(yīng)（2）使物理中性線偏移我們把氣隙中各點(diǎn)磁通密度為零的點(diǎn)的連線稱為物理中性線。直流電機(jī)空載時(shí)，幾何中性線與物理中性線重合。負(fù)載時(shí)，物理中性線偏離幾何中性線角，對發(fā)電機(jī)而言是順轉(zhuǎn)向偏離角；對電動機(jī)而言是逆轉(zhuǎn)向偏離角。電刷位于幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)（3）當(dāng)磁路飽和時(shí)有祛磁作用磁路未飽和時(shí)，氣隙里的磁通密度Bx由勵磁磁密Box與電樞磁密的Bax疊加得到。磁路飽和時(shí)，要利用磁化曲線才能得到負(fù)載時(shí)的氣隙磁通密度分布曲線，顯然由于磁化曲線進(jìn)入飽和點(diǎn)后具有飽和性，使負(fù)載時(shí)的氣隙磁場比空載時(shí)的磁場要弱，如圖虛線Bx=(x)所示。2.電刷偏離幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)由于裝配或換相的需要等原因，有時(shí)電刷會偏離幾何中

23、性線。從上面分析得到，當(dāng)電刷位于幾何中性線時(shí)，電樞電流只產(chǎn)生交軸電樞磁勢，而電刷偏離幾何中性線時(shí)，設(shè)以電動機(jī)為例電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏離角，產(chǎn)生的電樞磁勢為Fa，將Fa分解成交軸電樞磁勢Faq和直軸電樞磁勢Fad，交軸電樞磁勢Faq對主磁場的影響與上面分析的電刷位于幾何中性線的電樞反應(yīng)情況一樣，而直軸電樞磁勢Fad與主磁極軸線重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，當(dāng)電刷順電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏離角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁勢Fad有助磁作用。電刷偏離幾何中線角時(shí)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)1.2.5直流電機(jī)的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢是指從一對正負(fù)電刷之間引出的電勢，也稱為電

24、樞電勢，記作Ea。感應(yīng)電勢如果設(shè)N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，a為并聯(lián)支路對數(shù)，Bav為一個(gè)磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體切割磁場的速度，則電樞電勢為： 式中 稱為電勢常數(shù)，它是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)說明電勢表達(dá)式Ea=CenEan，改變或n的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通單位為Wb，轉(zhuǎn)速n單位為r/min，則電樞電勢Ea單位為V；Ea方向取決于和n的方向，改變的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。 2.直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，fav每根導(dǎo)體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩

25、為：即有： 式中 稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它也是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。說明從電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式T=CTIa可見：TIa，改變或Ia的大小，可使T大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉(zhuǎn)矩T單位為Nm；T方向取決于和Ia的方向，改變的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式：根據(jù) 和 可得到電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式：所以有：CT=9.55Ce課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流電機(jī)繞組特點(diǎn)。2.電樞反應(yīng)和直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場。3.直流機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢。4.預(yù)習(xí)直流發(fā)電機(jī)。思考題：P33 1-10 、 1-11、1-12 、1-15 、1-16作業(yè)：P

26、33 1-3 、 1-41.3直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)是將原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O(shè)備，即有：機(jī)械能直流電能。1.3.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 直流發(fā)電機(jī)的基本方程式與勵磁方式有關(guān)，勵磁方式不同，基本方程式略有差別。下面以他勵直流發(fā)電機(jī)為例，介紹其基本方程式。1.電壓方程式我們以發(fā)電機(jī)慣例，規(guī)定直流發(fā)電機(jī)各物理量正方向如圖所示。1.電壓方程式他勵直流發(fā)電機(jī)慣例他勵直流發(fā)電機(jī)慣例方程式電樞回路方程為：Ea=U+IaRa式中Ra為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內(nèi)阻。勵磁回路方程為：Uf=IfRf式中Rf為勵磁回路總電阻，它包括勵磁回路外串電阻和勵磁繞組內(nèi)阻。從發(fā)電機(jī)電壓基本

27、方程式可見：電樞電勢Ea必須大于電樞端電壓U，這也是判斷電機(jī)是否處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。2.轉(zhuǎn)矩方程式式中：T1為原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩，T為發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其性質(zhì)為制動轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩，它是由電機(jī)的機(jī)械摩擦和鐵損引起的轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由原動機(jī)決定，T1T，故電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，是阻礙原動機(jī)的阻力矩。3.功率平衡關(guān)系從原動機(jī)輸入的機(jī)械功率為：P1=Pem+p0 式中：P1為輸入的機(jī)械功率；Pem為電磁功率；p0為空載損耗。空載損耗等于鐵損pFe、機(jī)械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即：p0=pFe+pm+pad其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計(jì)算。靠經(jīng)驗(yàn)估算約為額定功率P的0.5%

28、1%。功率公式電磁功率為：從中可見電磁功率可表示為：Pem=T上式說明電磁功率具有機(jī)械功率性質(zhì)。同時(shí)電磁功率又可表示為：Pem=EaIa此表達(dá)式說明電磁功率又具有電功率性質(zhì)，所以電磁功率是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。發(fā)電機(jī)輸出的電功率為：P2=Pem-pCua式中：pCua為電樞回路銅耗；P2為輸出的電功率，同時(shí)輸出功率又可表示為： P2=UIa圖1-21 他勵直流發(fā)電機(jī)功率流程圖他勵直流發(fā)電機(jī)功率流程圖4.效率他勵直流發(fā)電機(jī)的總損耗為p=pFe+pm+pad+pCua，即：p=p0+pCua效率為： ，即有： 例題例題5-1一臺并勵直流發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)為：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/m

29、in，電樞繞組總電阻Ra=0.0259，并勵繞組內(nèi)阻Rf=22.8，額定負(fù)載時(shí)，并勵回路串入的調(diào)節(jié)電阻Rf=3.5，一對電刷壓降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加損耗pad=0.005PN，試求額定負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸入功率、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。解：（1）求電磁功率 勵磁電流為： 額定負(fù)載電流為：例題續(xù)電樞電流為：電樞電勢為：電磁功率為：（2）求輸入功率例題續(xù)（3）求電磁轉(zhuǎn)矩（4）求效率1.3.2他勵直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，端電壓U、負(fù)載電流I、勵磁電流If這三個(gè)基本物理量之間的函數(shù)關(guān)系。一般保持其中一個(gè)物理量不變，討論剩余兩個(gè)量之間的關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)

30、系就是運(yùn)行特性。1.空載特性空載特性是指原動機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN，輸出端開路，負(fù)載電流I=0（Ia=0）時(shí)，電樞端電壓與勵磁電流之間的關(guān)系，即：U0=E0=(If)圖1-23 他勵直流發(fā)電機(jī)空載特性發(fā)電機(jī)空載特性實(shí)驗(yàn)接線圖空載特性可以由實(shí)驗(yàn)測出，實(shí)驗(yàn)接線圖如所示。圖1-24注意：實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要單方向改變勵磁回路電阻測取數(shù)據(jù)，在測取的數(shù)據(jù)中應(yīng)包含額定點(diǎn)，電壓可測取到U0=（1.11.3）UN為止，線性部分測取的數(shù)據(jù)可稀疏一些，非線性部分測取的數(shù)據(jù)可密集一些，這樣得到的曲線較準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)可測取上、下兩個(gè)分支曲線，一般取平均值作為空載特性曲線，如圖中虛線所示。另外，特性曲線與轉(zhuǎn)速有關(guān)，實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要保持額定轉(zhuǎn)

31、速。2.外特性外特性是指原動機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN，勵磁電流If=IfN時(shí)，電樞端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系，即：U=(I)，如圖曲線1所示。這是一條略微下斜的曲線。從空載到負(fù)載電壓下降的原因是：負(fù)載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；電樞電流增大，使電樞反應(yīng)的祛磁作用增強(qiáng)，端電壓進(jìn)一步下降。圖1-24 他勵（并勵）直流發(fā)電機(jī)的外特性直流發(fā)電機(jī)的外特性電壓變化率發(fā)電機(jī)的端電壓隨負(fù)載的變化程度可用電壓變化率（或稱電壓調(diào)整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載（U=UN，I=IN）過渡到空載（U=U0，I=0）時(shí)，電壓升高的數(shù)值與額定電壓的百分比，即： 通常他勵直流發(fā)電機(jī)的電壓變化

32、率U%約為（510）%。1.3.3并勵直流發(fā)電機(jī)他勵直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性好，但勵磁回路需一直流電源供電，若實(shí)際應(yīng)用中沒有條件，可采用并勵，這樣就不需設(shè)制專門的直流勵磁電源了。1.自勵過程 當(dāng)發(fā)電機(jī)在原動機(jī)帶動下以恒定的額定轉(zhuǎn)速nN運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在有剩磁條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢Er（約為25%UN），從而在發(fā)電機(jī)電樞兩端建立剩磁電壓Ur，在剩磁電壓Ur作用下，產(chǎn)生不大的勵磁電流If（If=Ur/Rf），此勵磁電流通過勵磁繞組會產(chǎn)生磁場，磁場的方向如果與剩磁方向一致，則主磁通得以加強(qiáng)，使電樞端電壓進(jìn)一步提高，端電壓的升高，又使勵磁電流增大，主磁通更加強(qiáng)，如此反復(fù)，最終使電樞端電壓

33、建立。圖1-25 并勵直流發(fā)電機(jī)接線圖并勵直流發(fā)電機(jī)接線圖圖1-26 并勵直流發(fā)電機(jī)自勵過程自勵過程并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵條件并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵條件是：電機(jī)必須有剩磁，否則應(yīng)利用其它直流電源對其充磁；勵磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁方向一致，否則應(yīng)改變并勵繞組極性；勵磁回路總電阻應(yīng)小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中，并勵直流發(fā)電機(jī)自勵而電壓未能建立時(shí)，應(yīng)先減小勵磁回路的外串電阻，看電壓是否能建立，不行再改變勵磁繞組與電樞繞組連接的極性，若電壓還不能建立，則應(yīng)考慮可能沒有剩磁，充磁后，再進(jìn)行自勵發(fā)電。2.外特性并勵直流發(fā)電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，當(dāng)發(fā)電

34、機(jī)端電壓下降，勵磁電流減少，使磁通變?nèi)?，則電樞電勢降低，從而使端電壓進(jìn)一步下降，所以它的外特性要比他勵直流發(fā)電機(jī)下垂如圖曲線2所示。它的電壓變化率U%約為（2030）%。直流發(fā)電機(jī)的外特性 圖1-24他勵直流電動機(jī)外特性曲線課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流發(fā)電機(jī)基本方程式(電壓、功率、轉(zhuǎn)矩)、功率流程、運(yùn)行特性2.并勵直流發(fā)電機(jī)自勵條件3.預(yù)習(xí)直流電動機(jī)。思考題：P33 1-16、1-17 、 1-18、1-19作業(yè)：P33 1-21電機(jī)的可逆原理 直流電機(jī)的運(yùn)行是可逆的，同一臺電機(jī)既可在一定條件下作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可在另一條件下作電動機(jī)運(yùn)行，如在原動機(jī)的拖動下，可作為發(fā)電機(jī)，將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗缭?/p>

35、電樞兩端輸入直流電能，可作為電動機(jī)，將輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。 1.4直流電動機(jī)直流電動機(jī)是將輸入的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電氣設(shè)備，即有： 直流電能機(jī)械能。1.4.1直流電動機(jī)的基本方程式1.電壓方程式下圖（a）、（b）分別表示他勵和并勵直流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)以電動機(jī)慣例標(biāo)注的各量之間正方向，圖中I為線路電流，他勵時(shí)有：I=Ia；并勵時(shí)有：I=Ia+If。他勵（并勵）直流電動機(jī)慣例他勵（并勵）直流電動機(jī)慣例電樞回路電壓方程式U=Ea+IaRa其中反電勢Ea=Cen，若為并勵時(shí)，存在：U=If（rf+Rfad）=IfRf 由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電勢Ea上。2.

36、轉(zhuǎn)矩方程式電動機(jī)空載時(shí)，軸上輸出轉(zhuǎn)矩T2=0，則有： T=T0當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL，軸上輸出有T2=TL，電動機(jī)勻速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有： T=T2+T0 其中電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，可用公式T=CTIa計(jì)算，（T2+T0）為總的阻轉(zhuǎn)矩，方向與T相反。 3.功率平衡關(guān)系他勵直流電動機(jī)輸入功率為：P1=UI=UIa=Ia（Ea+IaRa）=EaIa+Ia2RaP1=Pem+pCua式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為電功率，pCua=Ia2Ra為電樞回路上的銅耗。并勵直流電動機(jī)并勵直流電動機(jī)輸入功率為：P1=UI=U（Ia+If）=UIa+UIf=（Ea+IaRa）Ia+UIf =EaIa+Ia2Ra+UIf =

37、EaIa+Ia2Ra+If2Rf，P1=Pem+pCua+pCuf 式中pCuf=If2Rf為勵磁回路上的銅耗。 電磁功率在轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘以角速度可得：T=T2+T0，則有：Pem=P2+p0也可表示為：P2=Pem-p0 式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為機(jī)械功率，空載損耗：p0=pFe+pm+pad。 圖1-30 他勵直流電動機(jī)功率流程圖他勵直流電動機(jī)的功率流程圖并勵直流電動機(jī)功率流程圖并勵直流電動機(jī)的功率流程圖1.4.2他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性直流電動機(jī)工作特性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件下，轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線。實(shí)際運(yùn)行中，電樞電流Ia是隨P2增大而增大，又便于測量，故也可把轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率與電樞電流Ia之間的關(guān)系曲線稱為工作特性。1.轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻R=0時(shí)，n=(Ia)關(guān)系。根據(jù)電勢方程式Ea=Cen和電壓方程式U=Ea+IaRa可得：