第19章 直流電機(jī)的運(yùn)行原理 - 副本

目錄第一節(jié)12第二節(jié)3第三節(jié)4第四節(jié)5第五節(jié)第19章直流電機(jī)的運(yùn)行原理19.1直流電機(jī)的電樞繞組按聯(lián)結(jié)方法，可分為：?jiǎn)委B繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組。區(qū)別在于電樞繞組的并聯(lián)支路數(shù)不同。

電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要部件。3.5直流電機(jī)的電樞繞組鼓形電樞繞組2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組由結(jié)構(gòu)相同的線(xiàn)圈組成，可以是單匝或多匝的。線(xiàn)圈由線(xiàn)圈邊和線(xiàn)圈端部組成，有首端和末端，首、末端分別與不同的換向片聯(lián)結(jié)。每個(gè)槽內(nèi)放置兩層線(xiàn)圈邊。線(xiàn)圈的一個(gè)線(xiàn)圈邊放在槽的上層，稱(chēng)為上層邊；另一線(xiàn)圈邊放在另一槽的下層，稱(chēng)為下層邊。直流電機(jī)的電樞繞組每個(gè)槽內(nèi)放置兩個(gè)線(xiàn)圈邊，電樞槽數(shù)Q等于線(xiàn)圈數(shù)S。實(shí)際電機(jī)中，常在槽的上、下層放置多個(gè)線(xiàn)圈邊。用虛槽來(lái)描述，如果每個(gè)實(shí)槽中有u個(gè)虛槽，則虛槽數(shù)與實(shí)槽數(shù)的關(guān)系為Qu＝uQ

。直流電機(jī)的電樞繞組線(xiàn)圈間通過(guò)換向片相互聯(lián)結(jié)，同一換向片既聯(lián)一個(gè)線(xiàn)圈的首端，又聯(lián)另一線(xiàn)圈的末端，換向片數(shù)K等于線(xiàn)圈數(shù)S。虛槽數(shù)、線(xiàn)圈數(shù)和換向片數(shù)的關(guān)系為Qu

＝S

＝K

。節(jié)距：表示相關(guān)的兩個(gè)線(xiàn)圈邊之間的距離，用虛槽數(shù)或換向片數(shù)表示。直流電機(jī)的電樞繞組第一節(jié)距y1：一個(gè)線(xiàn)圈的兩個(gè)線(xiàn)圈邊在電樞圓周表面上跨過(guò)的距離。為使線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，y1應(yīng)接近極距p。整距線(xiàn)圈：y1＝p短距線(xiàn)圈：y1＜p長(zhǎng)距線(xiàn)圈：y1＞p直流電機(jī)的電樞繞組第二節(jié)距y2：一個(gè)線(xiàn)圈的下層邊和與其串聯(lián)的另一線(xiàn)圈的上層邊間的距離。

合成節(jié)距

y

：兩個(gè)串聯(lián)的線(xiàn)圈的對(duì)應(yīng)邊的距離。

（代數(shù)和）單疊繞組單波繞組直流電機(jī)的電樞繞組換向片節(jié)距yK

：一個(gè)線(xiàn)圈的首、末端在換向器表面跨過(guò)的距離，用換向片數(shù)表示。yK

＝y(tǒng)

。單疊繞組單波繞組單疊繞組：yK＝1；單波繞組：yK≈2p。單疊繞組單疊繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律以2p＝4，Qu＝S＝K＝16的直流電機(jī)為例。合成節(jié)距y為正表示右行，負(fù)表示左行。繞組可用右行，也可用左行，通常采用右行。單疊繞組繞組展開(kāi)圖電樞在旋轉(zhuǎn)，取某一時(shí)刻，磁極在上面。電動(dòng)勢(shì)方向。電刷的位置（磁極中心線(xiàn)下）。實(shí)線(xiàn)表示上層邊，虛線(xiàn)表示下層邊。幾何中性線(xiàn)：相鄰兩個(gè)主極間的中心線(xiàn)。單疊繞組單疊繞組的并聯(lián)支路圖繞組并聯(lián)支路數(shù)2a等于電機(jī)的極數(shù)，即電刷數(shù)應(yīng)與極數(shù)相同，稱(chēng)為全額電刷。單疊繞組自成一個(gè)閉合回路。NS電樞繞組展開(kāi)圖AB+_換向器由彼此絕緣的換向片構(gòu)成；換向片與電樞繞組保持相對(duì)靜止，電刷與主磁極保持靜止；電刷放在主磁極中心線(xiàn)下的換向片上。NNNNNNSSSSSS單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律經(jīng)過(guò)p對(duì)極后，應(yīng)與換向片1相鄰，即＋、－號(hào)分別表示右、左行。左行端部稍短，常被采用。y1接近極距p

。整數(shù)單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律以2p＝4，Qu＝S＝K＝15的直流電機(jī)為例。采用左行繞組。整數(shù)單波繞組繞組展開(kāi)圖單波繞組并聯(lián)支路圖電刷數(shù)通常與極數(shù)相同（全額電刷）。繞組并聯(lián)支路數(shù)2a＝2，即。單波繞組自成一個(gè)閉合回路。19.2直流電機(jī)的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)1.直流電機(jī)的勵(lì)磁方式大多數(shù)直流電機(jī)都采用勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流的方式來(lái)建立氣隙磁場(chǎng)（此外還有采用永磁體建立氣隙磁場(chǎng)的永磁直流電機(jī)）。勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。直流電機(jī)在不同的勵(lì)磁方式下，運(yùn)行特性會(huì)有明顯的差別。按勵(lì)磁方式分類(lèi)是直流電機(jī)的一種主要分類(lèi)方法。

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式以直流電動(dòng)機(jī)為例。他勵(lì)I(lǐng)a＝

I并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)I(lǐng)＝Ia＋UfIfI＝IaIa：電樞電流，

I

：輸入電流I＝Ia＋I(xiàn)f直流電機(jī)空載磁場(chǎng)分布圖

（只有勵(lì)磁磁場(chǎng)）二、直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)

1)主磁通

當(dāng)勵(lì)磁繞組通電流時(shí)，產(chǎn)生的磁通大部分由N極出來(lái)，經(jīng)氣隙進(jìn)入電樞齒，通過(guò)電樞鐵心的磁軛(電樞磁軛)，到S極下的電樞齒，又通過(guò)氣隙回到定子的S極，再經(jīng)機(jī)座(定子磁軛)形成閉合回路。這部分與勵(lì)磁繞組和電樞繞組都交鏈的磁通稱(chēng)為主磁通，用0表示。主磁通經(jīng)過(guò)的路徑稱(chēng)為主磁路。顯然，主磁路由主磁極、氣隙、電樞齒、電樞磁軛和定子磁軛等五部分組成。

漏磁通

另有一部分磁通不通過(guò)氣隙，直接經(jīng)過(guò)相鄰磁極或定子磁軛形成閉合回路，這部分僅與勵(lì)磁繞組交鏈的磁通稱(chēng)為漏磁通，以σ表示。漏磁通路徑主要為空氣，磁阻很大，所以漏磁通的數(shù)量只有主磁通的20%左右。

若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(zhǎng)度，即有Bδ∝1/δ。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(xiàn)上，磁密降為零。我們稱(chēng)氣隙磁密沿電樞表面空間分布的波形為平頂波，也可稱(chēng)之為鐘形曲線(xiàn)。

氣隙磁密分布波形

2)直流電機(jī)的空載磁化特性直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要求氣隙磁場(chǎng)每個(gè)極下有一定數(shù)量的主磁通，叫每極磁通，當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)Wf一定時(shí)，每極磁通的大小主要決定于勵(lì)磁電流If?？蛰d時(shí)每極磁通0與空載勵(lì)磁電流If

(或空載勵(lì)磁磁勢(shì))稱(chēng)為電機(jī)的空載磁化特性。由于構(gòu)成主磁路的五部分當(dāng)中有四部分是鐵磁性材料，鐵磁材料磁化時(shí)的B-H曲線(xiàn)有飽和現(xiàn)象，磁阻是非線(xiàn)性的，所以空載磁化特性較大時(shí)也出現(xiàn)飽和，如圖所示。為充分利用鐵磁材料，又不致于使磁阻太大，電機(jī)的工作點(diǎn)一般選在磁化特性開(kāi)始轉(zhuǎn)彎、亦即磁路開(kāi)始飽和的部分(圖中A點(diǎn)附近)。圖

直流電機(jī)鐵心空載磁化曲線(xiàn)直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)直流電機(jī)空載時(shí)（Ia＝0）的氣隙磁場(chǎng)僅由勵(lì)磁電流If

產(chǎn)生的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff

建立。

磁動(dòng)勢(shì)Ff產(chǎn)生的磁場(chǎng)2.直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)主要分析電樞繞組流過(guò)負(fù)載電流時(shí)產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)及其作用。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)勵(lì)磁電流建立的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，稱(chēng)為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁通密度的大小、分布、電機(jī)的換向、運(yùn)行性能都有影響。電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間分布“電刷位于幾何中性線(xiàn)”通過(guò)換向片被電刷短路的整距線(xiàn)圈的線(xiàn)圈邊位于幾何中性線(xiàn)處。畫(huà)示意圖時(shí)，通常省略換向片，把電刷直接畫(huà)在幾何中性線(xiàn)處，與被短路的線(xiàn)圈邊直接接觸。通常將這種情況稱(chēng)為“電刷位于幾何中性線(xiàn)”。此時(shí)電刷的實(shí)際位置仍在主極中心線(xiàn)

電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間分布電刷位于幾何中心線(xiàn)時(shí)每極電樞磁動(dòng)勢(shì)最大值為Fa使幾何中性線(xiàn)處的氣隙磁通密度不為零。電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間分布電刷是電樞電流的分界線(xiàn)。以主極中心線(xiàn)為直軸（d

軸），以幾何中性線(xiàn)為交軸（q

軸）。電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa及其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的空間位置不動(dòng)，軸線(xiàn)在交軸處。交軸（q

軸）直軸（d

軸）電刷位于幾何中心線(xiàn)時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間分布電刷位于幾何中心線(xiàn)時(shí)規(guī)定磁動(dòng)勢(shì)及磁通密度的參考方向：出電樞、進(jìn)磁極為正。每極下導(dǎo)體數(shù)為z

/2p，導(dǎo)體電流為ia＝Ia

/2a

。電負(fù)荷A

：電樞圓周單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)，電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間分布電刷不位于幾何中心線(xiàn)時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)可分解為兩個(gè)分量：直軸、交軸磁動(dòng)勢(shì)。電刷偏離直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)直軸電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)的零點(diǎn)偏移；不飽和時(shí)，每極磁通量不變；飽和時(shí)，每極磁通量會(huì)減少。電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)畸變，幾何中心線(xiàn)處的氣隙磁通密度不為零。不飽和時(shí)，氣隙每極磁通量不變。飽和時(shí)，每極磁通量略有減小，有去磁作用。直軸電樞反應(yīng)有增磁或去磁作用。直流電機(jī)負(fù)載時(shí)氣隙磁密波形有限元方法計(jì)算的直流電機(jī)負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的分布19.3直流電機(jī)的換向直流電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，構(gòu)成電樞繞組的各線(xiàn)圈，依次從一條支路經(jīng)由電刷短路后轉(zhuǎn)入電流方向相反的另一條支路。這種電流方向的改變稱(chēng)為換向。

開(kāi)始換向換向過(guò)程中換向結(jié)束直流電機(jī)的換向換向性能是直流電機(jī)運(yùn)行品質(zhì)的重要指標(biāo)。換向不好會(huì)在電刷與換向片間產(chǎn)生有害的火花。當(dāng)火花超過(guò)一定限度時(shí)，會(huì)加劇電刷和換向器的磨損，可能損壞電刷和換向器表面，甚至產(chǎn)生環(huán)火，使電機(jī)不能正常運(yùn)行甚至損壞。產(chǎn)生換向火花的原因有多方面，受電磁、機(jī)械、電刷材質(zhì)、電化學(xué)、電熱以及環(huán)境等多種因素影響。

直流電機(jī)的換向改善換向的方法在幾何中性線(xiàn)處安裝換向極（最有效的方法）。采用補(bǔ)償繞組。選用合適的電刷。換向極19.3直流電機(jī)的換向

換向是直流電機(jī)中一個(gè)非常重要問(wèn)題，直流電機(jī)的換向不良，將會(huì)造成電刷與換向器之間產(chǎn)生電火花，嚴(yán)重的會(huì)使電機(jī)燒毀。所以，要討論影響換向的因素以及產(chǎn)生電火花的原因，進(jìn)而采取有效的方法改善換向，保障電機(jī)的正常運(yùn)行。一、換向的過(guò)程

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞繞組的元件旋轉(zhuǎn)，從一條支路經(jīng)過(guò)固定不動(dòng)的電刷短路，后進(jìn)入另一條支路，元件中的電流方向?qū)⒏淖?，這一過(guò)程稱(chēng)為換向。

一、換向的過(guò)程

圖是電機(jī)中一元件K的換向過(guò)程，設(shè)bS為電刷的寬度，一般等于一個(gè)換向片bK的寬度，電樞以恒速Va從左向右移動(dòng)，TK為換向周期，S1、S2分別是電刷與換向片1、2的接觸面積。

(1)換向開(kāi)始瞬時(shí)(圖(a)所示)，t=0，電刷完全與換向片2接觸，S1=0，S2為最大，換向元件K位于電刷的左邊，屬于左側(cè)支路元件之一，元件K中流的電流i=+ia，由相鄰兩條支路而來(lái)的電流為2ia，經(jīng)換向片2流入電刷。

(2)在換向過(guò)程中(圖(b)所示)，t=TK/2，電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片1、2各接觸一部分，換向元件K被電刷短路，按設(shè)計(jì)希望此時(shí)K中的電流i=0，由相鄰兩條支路而來(lái)的電流為2ia，經(jīng)換向片1、2流入電刷。

(3)換向結(jié)束瞬時(shí)，(圖(c)所示)，t=TK，電樞轉(zhuǎn)到電刷完全與換向片1接觸，S1為最大，S2=0，換向元件K位于電刷右邊，屬于右側(cè)支路元件之一，K中流過(guò)的電流i=-ia，相鄰兩條支路電流2ia經(jīng)換向片1流入電刷。隨著電機(jī)的運(yùn)行，每個(gè)元件輪流經(jīng)歷換向過(guò)程，周而復(fù)始，連續(xù)進(jìn)行。

(a)換向開(kāi)始瞬時(shí)(b)換向過(guò)程中某一瞬時(shí)(c)換向結(jié)束瞬時(shí)

3.10直流電機(jī)的換向

二、影響換向的因素

影響換向的因素是多方面的，有機(jī)械因素、化學(xué)因素，但最主要的是電磁因素。機(jī)械方面可通過(guò)改善加工工藝解決，化學(xué)方面可通過(guò)改善環(huán)境進(jìn)行解決。電磁方面主要是換向元件K中，附加電流iK的出現(xiàn)而造成的，下面分析產(chǎn)生iK的原因。1.理想換向(直線(xiàn)換向)

換向過(guò)程所經(jīng)過(guò)的時(shí)間(即換向周期TK)極短，只有幾毫秒，如果換向過(guò)程中，換向元件K中沒(méi)有附加其它的電動(dòng)勢(shì)，則換向元件K的電流i均勻地從+ia變化到-ia(+ia→0→-ia)，如圖1.29曲線(xiàn)1所示，這種換向稱(chēng)為理想換向，也稱(chēng)直線(xiàn)換向。2.延遲換向

電機(jī)換向希望是理想換向，但由于影響換向的主要因素——電磁因素的存在，使得換向不能達(dá)到理想，而出現(xiàn)了延遲換向，引起火花。電磁因素的影響有電抗電動(dòng)勢(shì)以及電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)兩種情況。3.10直流電機(jī)的換向

二、影響換向的因素

影響換向的因素是多方面的，有機(jī)械因素、化學(xué)因素，但最主要的是電磁因素。機(jī)械方面可通過(guò)改善加工工藝解決，化學(xué)方面可通過(guò)改善環(huán)境進(jìn)行解決。電磁方面主要是換向元件K中，附加電流iK的出現(xiàn)而造成的，下面分析產(chǎn)生iK的原因。1.理想換向(直線(xiàn)換向)

換向過(guò)程所經(jīng)過(guò)的時(shí)間(即換向周期TK)極短，只有幾毫秒，如果換向過(guò)程中，換向元件K中沒(méi)有附加其它的電動(dòng)勢(shì)，則換向元件K的電流i均勻地從+ia變化到-ia(+ia→0→-ia)，如圖1.29曲線(xiàn)1所示，這種換向稱(chēng)為理想換向，也稱(chēng)直線(xiàn)換向。2.延遲換向

電機(jī)換向希望是理想換向，但由于影響換向的主要因素——電磁因素的存在，使得換向不能達(dá)到理想，而出現(xiàn)了延遲換向，引起火花。電磁因素的影響有電抗電動(dòng)勢(shì)以及電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)兩種情況。3.10直流電機(jī)的換向

(1)電抗電動(dòng)勢(shì)eX：電抗電動(dòng)勢(shì)又可分為自感電動(dòng)勢(shì)eL與互自感電動(dòng)勢(shì)eM。由于換向過(guò)程中，元件K內(nèi)的電流變化，按照棱次定律將在元件K內(nèi)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)eL=-Ldia/dt；另外，其它元件的換向?qū)⒃谠﨣內(nèi)產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)eM=-Mdia/dt，則

eX=eL+eM(1.12)eX總是阻礙換向元件內(nèi)電流i變化的，即eX與換向前電流+ia方向相同，即阻礙換向電流減少的變化。圖3.39直線(xiàn)換向與延時(shí)換向

圖3.30換向元件K中產(chǎn)生的電樞反映電動(dòng)勢(shì)3.10直流電機(jī)的換向

(2)電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì))eV：電機(jī)負(fù)載時(shí)，電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，幾何中性線(xiàn)處磁場(chǎng)不再為零，這時(shí)處在幾何中性線(xiàn)上的換向元件K將切割該磁場(chǎng)，而產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eV；電動(dòng)機(jī)時(shí)物理中性線(xiàn)逆著旋轉(zhuǎn)方向偏離一角度，按右手定則，可確定eV的方向，eV與換向前電流ia方向相同。

(3)附加電流iK：元件換向過(guò)程中將被電刷短接，除了換向電流i外，由于eX與eV的存在，產(chǎn)生了附加電流iK。

iK=(eX+eV)/(R1+R2)(1.13)

式中，R1、R2分別為電刷與換向片1、2的接觸電阻。

iK與eX+eV方向一致，并且都阻礙換向電流的變化，即與換向前電流+ia方向相同。iK的變化規(guī)律如圖1.29中曲線(xiàn)2所示。這時(shí)換向元件的電流是曲線(xiàn)1與2的疊加，即如圖1.29中曲線(xiàn)3所示。可見(jiàn)，使得換向元件中的電流從+ia變化到零所需的時(shí)間比直線(xiàn)換向延遲了，所以稱(chēng)作延遲換向。3.10直流電機(jī)的換向

(4)附加電流對(duì)換向的影響。由于iK的出現(xiàn)，破壞了直線(xiàn)換向時(shí)電刷下電流密度的均勻性，從而使后刷端電流密度增大，導(dǎo)致過(guò)熱，前刷端電流密度減小，如圖3.31所示。當(dāng)換向結(jié)束，即換向元件K的換向片脫離電刷瞬間，iK不為零，換向元件K中儲(chǔ)存的一部分磁場(chǎng)能量LKi2K/2就以火花的形式在后刷端放出，這種火花稱(chēng)為電磁性火花。當(dāng)火花強(qiáng)烈時(shí)，將灼傷換向器材和燒壞電刷，最終導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行。圖3.31延遲換向時(shí)附加電流的影響三、改善換向的方法

產(chǎn)生火花的電磁原因是換向元件中出現(xiàn)了附加電流iK，因此要改善換向，就得從減小、甚至消除附加電流iK著手。1.選擇合適的電刷3.10直流電機(jī)的換向

從可見(jiàn)，當(dāng)eX+eV一定時(shí)，可以選擇接觸電阻(R1,R2)較大的電刷，從而減小附加電流來(lái)改善換向。但它又引起了損耗增加及電阻壓降增大，發(fā)熱加劇，電刷允許流過(guò)的電流密度減小，這就要求應(yīng)同時(shí)增大電刷面積和換向器的尺寸。因此，選用電刷必須根據(jù)實(shí)際情況全面考慮，在維修更換電刷時(shí)，要注意選用原牌號(hào)。若無(wú)相同牌號(hào)的電刷，應(yīng)選擇性能接近的電刷，并全部更換。2.移動(dòng)電刷位置

如將直流電機(jī)的電刷從幾何中性線(xiàn)n-n移動(dòng)到超過(guò)物理中性線(xiàn)m-m的適當(dāng)位置，如圖1.32(a)中v-v所示，換向元件位于電樞磁場(chǎng)極行相反的主磁極下，則換向元件中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為一負(fù)值，使，電機(jī)便處于理想換向。所以對(duì)直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)逆著旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷，如圖1.32(a)所示。但是，電動(dòng)機(jī)負(fù)載一旦發(fā)生變化，電樞反應(yīng)強(qiáng)弱也就隨之發(fā)生變化，物理中性線(xiàn)偏離幾何中性線(xiàn)的位置也就隨之發(fā)生變化，這就要求電刷的位置應(yīng)做相應(yīng)的重新調(diào)整，實(shí)際中是很難做到。因此，這種方法只有在小容量電機(jī)中才采用。3.10直流電機(jī)的換向

(a)移動(dòng)電刷位置改善換向(b)安裝換向極改善換向

圖3.32改善換向的方法

3.10直流電機(jī)的換向

3.裝置換向極

直流電機(jī)容量在1kW以上一般均裝有換向極，這是改善換向最有效的方法，換向極安裝在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線(xiàn)上，如圖3.32(b)所示。改善換向的作用是在換向區(qū)域(幾何中性線(xiàn)附近)建立一個(gè)與電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa相反的換向極磁動(dòng)勢(shì)FK，它除了抵消換向區(qū)域的電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa(使eV=0)之外，還要建立一個(gè)換向極磁場(chǎng)，使換向元件切割換向極磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)與電抗電動(dòng)勢(shì)eX大小相等、方向相反的電動(dòng)勢(shì)e'V，使得e'V+eX=0，則iK=0，成為理想換向。為了使換向極磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)抵消eX和eV，換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)，這時(shí)流過(guò)換向極繞組上的電流ia，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與ia成正比。且與電樞磁動(dòng)勢(shì)方向相反便可隨時(shí)抵消。換向極極性應(yīng)首先根據(jù)電樞電流方向，用右手螺旋定則確定電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線(xiàn)方向，然后應(yīng)保證換向極產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)方向相反，而互相抵消，即電動(dòng)機(jī)換向極極性應(yīng)與順著電樞旋轉(zhuǎn)方向的下一個(gè)主磁極極性相反，如圖3.32(b)所示。3.10直流電機(jī)的換向

四、補(bǔ)償繞組

在大容量和工作繁重的直流電機(jī)中，在主極極靴上專(zhuān)門(mén)沖出一些均勻分布的槽，槽內(nèi)嵌放一種所謂補(bǔ)償繞組，如圖3.33(a)所示。補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，因此補(bǔ)償繞組的磁動(dòng)勢(shì)與電樞電流成正比，并且補(bǔ)償繞組連接得使其磁動(dòng)勢(shì)方向與電樞磁動(dòng)勢(shì)相反，以保證在任何負(fù)載情況下隨都能抵消電樞磁動(dòng)勢(shì)，從而減少了由電樞反應(yīng)引起氣隙磁場(chǎng)的畸變。電樞反應(yīng)不僅給換向帶來(lái)困難，而且在極弧下增磁區(qū)域內(nèi)可使磁密達(dá)到很大數(shù)值。當(dāng)元件切割該處磁密時(shí)，會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)，以致使處于該處換向片間的電位差較大。當(dāng)這種換向片間電位差的數(shù)值超過(guò)一定限度，就會(huì)使換向片間的空氣游離而擊穿，在換向片間產(chǎn)生電位差光火花。在換向不利的條件下，若電刷與換問(wèn)片間發(fā)生的火花延伸到片間電壓較大處，與電位差火花連成一片，將導(dǎo)致正負(fù)電刷之間有很長(zhǎng)的電弧連通，造成換向器整個(gè)圓周上發(fā)生環(huán)火如圖3.33(b)，以致燒壞換向器。所以，直流電機(jī)中安裝補(bǔ)償繞組也是保證電機(jī)安全運(yùn)行的措施，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，一般直流電機(jī)中不采用。3.10直流電機(jī)的換向

(a)環(huán)火(b)補(bǔ)償繞組

圖3.33環(huán)火和補(bǔ)償繞組

19.4電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為了簡(jiǎn)單，假定：電樞表面光滑無(wú)槽；電樞繞組導(dǎo)體數(shù)目無(wú)窮多，且均勻分布；繞組采用整距線(xiàn)圈；電刷位于幾何中性線(xiàn)（實(shí)際位置在磁極中心線(xiàn)）。電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea

，簡(jiǎn)稱(chēng)電樞電動(dòng)勢(shì)，是指正、負(fù)極性電刷間的電動(dòng)勢(shì)。Ea

就是電樞繞組任一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢(shì)，等于一條并聯(lián)支路串聯(lián)的所有導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)之和。

電樞繞組有效導(dǎo)體總數(shù)為z＝2SNk（S為線(xiàn)圈數(shù)，Nk為線(xiàn)圈匝數(shù)），則電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)設(shè)氣隙磁通密度平均值為Bav

，則氣隙每極磁通量＝Bavlep

，一根導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值為電樞電動(dòng)勢(shì)為為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（le為有效長(zhǎng)度）電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞電動(dòng)勢(shì)如果線(xiàn)圈不是整距，而是短距的，則Ea會(huì)略有降低。但實(shí)際電機(jī)不允許短距太大，所以可不計(jì)其影響。如果電刷不位于幾何中性線(xiàn)，Ea將會(huì)減小。電樞電動(dòng)勢(shì)Ea與每極磁通量、轉(zhuǎn)速n成正比。電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce

與極對(duì)數(shù)

p

、導(dǎo)體總數(shù)

z

、并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a有關(guān)。電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩T為電樞所有導(dǎo)體上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之和。

電樞電流為Ia時(shí)，一根導(dǎo)體中的電流為Ia

/2a每根導(dǎo)體產(chǎn)生的平均電磁力為電磁轉(zhuǎn)矩為（dr為電樞直徑）設(shè)線(xiàn)圈為整距，電刷位于幾何中性線(xiàn)，則一個(gè)主極下各導(dǎo)體的電流方向相同，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向相同。電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。如果線(xiàn)圈不是整距的，則總的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)減??；因?yàn)橥ǔ６叹嗖淮螅圆豢紤]此影響。電刷不位于幾何中性線(xiàn)時(shí)，T

的增減與電樞反應(yīng)性質(zhì)有關(guān)。電磁轉(zhuǎn)矩T

與每極磁通量、電樞電流Ia成正比。19.5直流電機(jī)的基本方程式直流電機(jī)的基本方程式描述電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)通過(guò)電磁感應(yīng)作用而實(shí)現(xiàn)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。直流電機(jī)的基本方程式包括：電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式和功率平衡方程式等。1.直流發(fā)電機(jī)的基本方程式參考方向以并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)為例。按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定參考方向。向負(fù)載側(cè)看，U與輸出電流

I

同向。

Ea＞U，Ea與Ia

同向。勵(lì)磁電流

If與勵(lì)磁電壓Uf

的參考方向相同。原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩

T1與轉(zhuǎn)速

n

同向。電磁轉(zhuǎn)矩

T

與

n

反向，為制動(dòng)性。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式電動(dòng)勢(shì)平衡方程式Ra

為電樞回路總電阻（包括ra和電刷接觸電阻），在一定范圍內(nèi)可視為常數(shù)。電樞回路的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式常用形式：ra為電樞回路各繞組的總電阻；2Ub為一對(duì)電刷接觸電阻的壓降。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式電動(dòng)勢(shì)平衡方程式Rf

為勵(lì)磁回路總電阻。（包括勵(lì)磁繞組電阻和串入的附加電阻）電流關(guān)系勵(lì)磁回路If為勵(lì)磁電流；I為輸出電流。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式T0為空載轉(zhuǎn)矩（由電機(jī)的機(jī)械摩擦和鐵耗等引起，總是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩）。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡。按照轉(zhuǎn)矩的參考方向，可得直流發(fā)電機(jī)的基本方程式功率平衡方程式軸上輸入的機(jī)械功率P1扣除空載損耗

p0，等于電磁功率Pem?？蛰d損耗p0包括機(jī)械損耗

pm、鐵耗

pFe

和附加損耗

pad。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式功率平衡方程式說(shuō)明原動(dòng)機(jī)克服電磁轉(zhuǎn)矩T所提供的機(jī)械功率T

，轉(zhuǎn)換成了電樞回路的電功率EaIa

，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸入機(jī)械功率，電樞繞組輸出電功率。電磁功率Pem是電磁轉(zhuǎn)矩

T

吸收的機(jī)械功率，也是電樞回路獲得的電功率。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式功率平衡方程式電樞得到的電磁功率

Pem

扣除電樞銅耗

pCu

和勵(lì)磁銅耗

pCuf

，等于輸出功率P2。他勵(lì)時(shí)，功率平衡方程式中不計(jì)勵(lì)磁銅耗

pCuf

。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式功率流程圖2.直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式直流電機(jī)的可逆原理發(fā)電機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)直流電機(jī)的可逆原理以他勵(lì)電機(jī)為例說(shuō)明可逆原理：一臺(tái)電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是直流電機(jī)的可逆原理。

把一臺(tái)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)于直流電網(wǎng)上運(yùn)行，保持不變。保持發(fā)電機(jī)的不變，減少原動(dòng)機(jī)的輸出功率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)下降到一定程度時(shí)，使得，此時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電功率，原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率僅僅用來(lái)補(bǔ)償電機(jī)的空載損耗。繼續(xù)降低原動(dòng)機(jī)的，將有，反向，這時(shí)電網(wǎng)向電機(jī)輸入電功率，電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。同理，上述的物理過(guò)程也可以反過(guò)來(lái)，電機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機(jī)狀態(tài)。電機(jī)的可逆原理：