第1章 直流電機(jī)

第1章直流電機(jī)1.1直流電機(jī)的基本工作原理1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、額定值和主要系列1.3直流電機(jī)的電樞繞組1.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)1.5直流電動(dòng)機(jī)1.6直流發(fā)電機(jī)1.7直流電機(jī)的換向第1章直流電機(jī)主要內(nèi)容：

直流電機(jī)的用途及工作原理、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與型號(hào)、直流電機(jī)的磁路、空載磁勢(shì)的氣隙磁密與空載磁化特性、直流電機(jī)的電樞繞組、電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩、直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的特性、直流電機(jī)的換向問題。學(xué)習(xí)要求：

了解直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。理解直流電機(jī)的基本工作原理，額定值及重要系列產(chǎn)品。了解直流電機(jī)的磁路：空載時(shí)氣隙磁通密度的分析波形與空載磁化特性,直流電機(jī)的電樞繞組：?jiǎn)委B繞組，單波繞組。掌握直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理；直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。直流電機(jī)的可逆性；直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式；直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。了解直流電機(jī)的換向理論；改善換向的措施。電機(jī)是利用電磁作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。直流電機(jī)能將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或?qū)C(jī)械能換轉(zhuǎn)為直流電能。將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的叫做直流電動(dòng)機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的叫做直流發(fā)電機(jī)。直流電機(jī)的外觀直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，受電磁干擾的影響小。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)過載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。缺點(diǎn)：由于存在換向器，限制了直流電機(jī)的極限容量，維護(hù)大；其制造復(fù)雜，價(jià)格較高。簡(jiǎn)單交流發(fā)電機(jī)模型1.1直流電機(jī)的基本工作原理1.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理1.1.2直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理磁極對(duì)N,S不動(dòng);線圈abcd

旋轉(zhuǎn);換向片1,2旋轉(zhuǎn);電刷及出線A,B不動(dòng)。1.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電機(jī)物理模型1.1直流電機(jī)的基本工作原理ABabcd將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導(dǎo)體abcd內(nèi)有電流流過。電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。線圈無原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力f

的作用（安培定律）

f=Bli（左手定則）所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1、電樞里的繞組電流是交變的；2、產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是單向的(因換向器的緣故)；3、實(shí)際上電機(jī)的電樞不止一個(gè)線圈，但電磁轉(zhuǎn)矩是一樣的。

分析直流電動(dòng)機(jī)的工作過程結(jié)論:兩極直流發(fā)電機(jī)的過程1.1.2直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)相同，不同的是電刷上不加直流電壓，而是用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞朝某一方向例如朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，如圖所示。結(jié)果：電刷A——在N極下（+）電刷B——在S極下（-）直流電電機(jī)的可逆運(yùn)行原理：

從上述分析可知：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。

上述結(jié)論也適合于交流電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、額定值和主要系列1.2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)縱剖面圖橫剖面圖1－風(fēng)扇；2－機(jī)座；3－電樞；4－主磁極；5－刷架；6－換向器；7－接線板；8－出線盒9－換向極；10－端蓋定子：產(chǎn)生磁場(chǎng)主磁極（勵(lì)磁繞組主極鐵心）換向極（繞組和鐵心）機(jī)座端蓋電刷裝置轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞繞組、電樞鐵心換向器轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇

（1）定子部分1）主磁極：主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場(chǎng)分布，并使勵(lì)磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于齒槽移動(dòng)引起的鐵耗，主磁極鐵心采用0.5～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵(lì)磁繞組，整個(gè)主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極1－主極鐵心2－勵(lì)磁繞組3－機(jī)座2）換向極

——換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機(jī)座上。換向極的個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)中，也有不裝換向極的。1—換向極鐵心；2—換向極繞組

3）機(jī)座

——電機(jī)定子部分的外殼。機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。機(jī)座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機(jī)座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機(jī)座用鑄鐵件）制成。機(jī)座的兩端裝有端蓋。4）電刷裝置——電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，如圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向器表面形成滑動(dòng)接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個(gè)電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動(dòng)的刷桿座上，以便調(diào)整電刷的位置。電刷裝置1－刷握；2－電刷；3－壓緊彈簧；4－銅絲辮電刷架結(jié)構(gòu)

1—電刷；2—刷握；3—彈簧壓板；4—座圈；5—刷桿1)電樞鐵心

——電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的硅鋼片疊壓夾緊而成，如圖所示。小型電機(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。鐵芯的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。(2)轉(zhuǎn)子(電樞)部分2）電樞繞組——作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機(jī)電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。槽楔導(dǎo)體槽底絕緣層間絕緣槽絕緣線圈絕緣3）換向器—在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流；在直流發(fā)電機(jī)中能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)勢(shì)。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個(gè)圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個(gè)V形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖所示。小型電機(jī)常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。云母環(huán)V型套筒換向片連接片普通換向器塑料換向器4)轉(zhuǎn)軸—轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，一般采用圓鋼加工而成。額定值：是制造廠對(duì)各種電氣設(shè)備（本章指直流電機(jī)）在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以保證各電氣設(shè)備長(zhǎng)期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)或試驗(yàn)的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。1.2.2直流電機(jī)的額定值直流電機(jī)的額定值主要有：☆額定功率PN——指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率。對(duì)直流發(fā)電機(jī)來說，是指電刷端輸出的電功率，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來說，是指軸上輸出的機(jī)械功率。單位：W或kW、

MW?！铑~定電壓UN——指額定狀態(tài)下電樞繞組的輸出電壓，單位：V?！铑~定電流IN——指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，單位：A?！铑~定轉(zhuǎn)速nN——指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。注意：額定容量，對(duì)直流發(fā)電機(jī)來說，是指電刷端輸出的電功率，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來說，是指軸上輸出的機(jī)械功率。所以，直流發(fā)電機(jī)的額定容量為：而直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為：ηN是直流電機(jī)的額定效率。額定值還有ηN，TN等。如果I＜IN，為欠載或輕載；如果I＞IN，為過載或超載；如果I＝IN，為滿載運(yùn)行。欠載運(yùn)行額定運(yùn)行狀態(tài)過載運(yùn)行運(yùn)行效率低，浪費(fèi)過熱損壞機(jī)器正好1.2.3直流電機(jī)的主要系列Z2，Z3，Z4，ZD2，ZF2等，詳見課本P14●復(fù)習(xí)上節(jié)課主要內(nèi)容直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、額定值和主要系列結(jié)構(gòu)：定子，轉(zhuǎn)子額定值：額定功率與額定電流、額定電壓的關(guān)系系列產(chǎn)品直流發(fā)電機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)：1.3直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，電樞繞組的名稱由此而來，并為此把直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子稱為電樞.直流電機(jī)電樞繞組最基本的形式有兩種：?jiǎn)委B繞組、單波繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件。每個(gè)線圈有兩個(gè)有效邊，分別位于電樞圓周相距一個(gè)極距的兩個(gè)槽中。一個(gè)邊在上層時(shí)，另一個(gè)邊一般在下層。1.3.1元件與節(jié)距(1)電樞繞組元件繞組線圈結(jié)構(gòu)上層有效邊端接部分端接部分下層有效邊線圈首端線圈尾端繞組元件放置在槽上層的有效邊，稱上層邊（畫成實(shí)線）；放置在下層的有效邊，稱下層邊（畫成虛線）。元件的首末端：每一個(gè)元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。電樞繞組：繞組元件按一定規(guī)律連接形成。

單疊繞組：

單波繞組：?jiǎn)委B、單波繞組聯(lián)接示意圖疊繞組：指串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進(jìn)。S——元件數(shù)（線圈數(shù)）K——換向片數(shù)＝元件數(shù)Zu——總虛槽數(shù)（把一個(gè)上層元件邊與一個(gè)下層元件邊看成一個(gè)虛槽）Z——總實(shí)槽數(shù)，電樞鐵芯實(shí)際的槽數(shù)u——一個(gè)實(shí)槽的虛槽數(shù)u=1

電樞繞組的元件數(shù)和換向片數(shù)、槽數(shù)之間的關(guān)系：

因?yàn)槊恳粋€(gè)線圈有兩個(gè)邊，而每一換向片總是把一個(gè)線圈的尾端與緊跟的另一個(gè)線圈的首端焊接在一起，因此，線圈數(shù)與換向片數(shù)相等；如果電樞鐵心每個(gè)槽內(nèi)只安排一個(gè)上層邊和一個(gè)下層邊，這樣，線圈數(shù)又與單元槽數(shù)相等。由此可知，一臺(tái)直流電機(jī)的元件數(shù)S與換向片數(shù)K、槽數(shù)Z之間有關(guān)系為：

S=K=Z

指被聯(lián)結(jié)起來的兩個(gè)元件邊或換向片之間距離。以跨過的元件數(shù)或槽數(shù)或換向片數(shù)來表示。第一節(jié)距、第二節(jié)距、合成節(jié)距、換向器節(jié)距。(2)節(jié)距極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。

1）第一節(jié)距y1：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。

=整數(shù)e±=pZy21

y1=τ為整距繞組y1＜τ為短距繞組

y1＞τ為長(zhǎng)距繞組為使每個(gè)元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大：4）換向片節(jié)距yk：同一元件首末端連接的換向片之間的距離，用換向片數(shù)表示。yk

y=yk，對(duì)單疊繞組：y=yk=1

2）第二節(jié)距y2：第一個(gè)元件的下層邊與相連的第二個(gè)元件的上層邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。

對(duì)單疊繞組：y2=y1-y

3）合成節(jié)距y：直接相連的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。

y單波繞組的節(jié)距

第一節(jié)距y1：

第二節(jié)距y2

合成節(jié)距y

換向片節(jié)距yk對(duì)單波繞組：y=y1+y2y=yk1.3.2單疊繞組單疊繞組的特點(diǎn)是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即：（1）計(jì)算節(jié)距【舉例】

一臺(tái)4極16槽直流電機(jī)，已知換向片數(shù)K=16；電樞繞組的線圈數(shù)S=16；試畫出整距右行單疊繞組展開圖?！痉治觥?/p>

每槽兩個(gè)邊，每個(gè)線圈兩個(gè)邊，所以槽數(shù)Z=線圈數(shù)S=16,極距τ＝Z/2p＝16/4＝4槽。

因?yàn)橐鬄檎嗑€圈即第一節(jié)距y1＝τ＝4（槽）

又因?yàn)閱委B右行，則合成節(jié)距y＝1；

則第二節(jié)距y2＝y(tǒng)1－y＝3（槽）；換向片節(jié)距yk＝1。

畫出均勻分布的平行豎線代表電機(jī)各槽的元件邊，下層邊用虛線，上層用實(shí)線畫；標(biāo)出槽號(hào)：畫出第一個(gè)元件，跨1~5。展開圖中可以把一個(gè)元件畫成一匝。[注意元件的端部要畫對(duì)稱]在第一個(gè)元件的引出線端畫出換向器的兩根橫平行線，并標(biāo)出換向片號(hào)；換向片號(hào)與所連的上層邊槽號(hào)要相同。依次串聯(lián)16個(gè)元件。再畫出各磁極N、S、N、S。畫出電樞轉(zhuǎn)向和電刷連線。繞組展開圖和元件聯(lián)接圖如下：（2）繪制繞組展開圖極數(shù)2p=4元件S=16換向器K=16槽數(shù)Z=16右行繞組單疊繞組連接順序表（3）單疊繞組連接順序表單疊繞組并聯(lián)支路圖(4)單疊繞組的并聯(lián)支路圖1）同一個(gè)磁極下各元件串聯(lián)成一個(gè)支路，并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)a=p。2）電刷在換向器表面的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，正負(fù)電刷間引出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大，被電刷短路的元件里的感應(yīng)電勢(shì)最小。3）電刷桿數(shù)等于極數(shù)。(5)單疊繞組的特點(diǎn)1）第一節(jié)距y1

2）合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk選擇yk應(yīng)使串聯(lián)的元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向同向1.3.3單波繞組1-=Kpyk（1）節(jié)距

單波繞組的換向器節(jié)距為yk是一個(gè)整數(shù)

3）第二節(jié)距y2pKyk1-=（2）單波繞組的展開圖2p=4，Z=S=K=15y1=3yk=7y=7y2=4極距：pKyk1-=換向片節(jié)距：Z=15，2p=4單波繞組展開圖單波繞組連接順序表(3)單波繞組的連接順序表單波繞組的并聯(lián)支路圖(4)單波繞組的并聯(lián)支路圖1）同極性下各元件串聯(lián)起來組成一個(gè)支路，支路對(duì)數(shù)a=1，與磁極對(duì)數(shù)p無關(guān)。2）元件幾何對(duì)稱時(shí)，支路電動(dòng)勢(shì)最大（電刷間）3）電刷桿也等于極數(shù)（5）單波繞組的特點(diǎn)：結(jié)論在電機(jī)的極對(duì)數(shù)（大于1）、元件數(shù)、導(dǎo)體截面積相同情況下，單疊繞組并聯(lián)支路數(shù)多，每個(gè)支路里的元件少，適合較低電壓較大電流的電機(jī)。單波繞組，支路數(shù)永遠(yuǎn)為1，每個(gè)支路里含的元件數(shù)較多，適合較高電壓、較小電流的電機(jī)。1.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)直流電機(jī)無論是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，都必須具有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，所以磁場(chǎng)是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介。1.4.1直流電機(jī)的勵(lì)磁方式1.4.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)1.4.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)及負(fù)載磁場(chǎng)1.4.4電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)1.4.1直流電機(jī)的勵(lì)磁方式定義：

直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的接線方式稱為勵(lì)磁方式。實(shí)質(zhì)上就是勵(lì)磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式有他勵(lì)和自勵(lì)（串勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)）。他勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁電流由其他直流電機(jī)單獨(dú)供給，自勵(lì)——電機(jī)的勵(lì)磁電流由電機(jī)自身供給。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有不同的特性。電樞繞組與勵(lì)磁繞組并聯(lián)電樞繞組與勵(lì)磁繞組串聯(lián)勵(lì)磁繞組由直流電源單獨(dú)供電有并勵(lì)又有串勵(lì)繞組勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電，勵(lì)磁電壓Uf與電樞電壓U彼此無關(guān)，如圖（a）所示。（1）他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由同一電源供電，勵(lì)磁電壓Uf等于電樞電壓U，如圖（b）所示。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相似。（2）并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后再接于直流電源，此時(shí)的電樞電流就是勵(lì)磁電流，如圖（c）所示。（3）串勵(lì)直流電機(jī)電動(dòng)機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組。并勵(lì)繞組與電樞繞組并聯(lián)后再與串勵(lì)繞組串聯(lián)，然后接于電源上，如圖（d）所示。（4）復(fù)勵(lì)直流電機(jī)1.4.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)的空載是指電樞電流等于零或者很小，電樞磁通勢(shì)也很小，且可以不計(jì)其影響的一種運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)無負(fù)載，發(fā)電機(jī)不輸出電功率，電動(dòng)機(jī)不輸出機(jī)械功率。所以直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)可認(rèn)為是由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立的磁場(chǎng)。當(dāng)勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流，各主磁極極性依次呈現(xiàn)為N極和S極，由于電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，不論極數(shù)多少，每對(duì)極的磁路是相同的，因此只要分析一對(duì)極的磁路情況就可以了。直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)NS主磁通漏磁通漏磁通：僅交勵(lì)磁繞組本身，不進(jìn)入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為漏磁通。Fs(1)主磁通和漏磁通空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)分布：F0主磁通：經(jīng)過主磁極、氣隙、電樞鐵心及機(jī)座構(gòu)成磁回路。它同時(shí)與勵(lì)磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主磁通。特點(diǎn)：1）由同一個(gè)磁通勢(shì)所產(chǎn)生2）所走的路徑不同，這就導(dǎo)致了他們對(duì)應(yīng)磁路上所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布規(guī)律不同。主磁通磁路的磁導(dǎo)較大；漏磁通磁路以空氣為主，磁導(dǎo)較小，而作用在這兩條磁路的磁通勢(shì)是相同的。

為了產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時(shí)，氣隙磁通

與空載磁通勢(shì)或空載勵(lì)磁電流的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。如右圖所示。電機(jī)的磁化曲線可以通過電機(jī)磁路計(jì)算求的。電機(jī)的主磁通所經(jīng)過的磁回路由主磁極鐵心、氣隙、電樞齒、電樞鐵心和磁軛等五部分組成。所以電機(jī)磁化曲線的形狀必然和所采用的鐵磁材料的B-H曲線相似。(2)直流電機(jī)的空載磁化特性當(dāng)磁通較小時(shí)，鐵磁部分沒有飽和，磁壓降很小，整個(gè)磁路的磁動(dòng)勢(shì)幾乎全部消耗在氣隙上，而氣隙的導(dǎo)磁系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，因此曲線近似為一直線（圖中0A段）；當(dāng)磁通增大時(shí)，曲線逐漸彎曲，很大時(shí)，呈飽和特性。

為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材料，一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，額定磁通設(shè)定在圖中A點(diǎn)（膝部），即在磁化特性曲線開始進(jìn)入飽和區(qū)的位置。

空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。

磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。

空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如圖所示。(3)空載磁場(chǎng)氣隙磁密分布曲線

直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁通勢(shì)稱為電樞磁通勢(shì)。電樞磁通勢(shì)的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場(chǎng)發(fā)生變化。負(fù)載時(shí)電機(jī)中的氣隙磁場(chǎng)由勵(lì)磁磁通勢(shì)和電樞磁通勢(shì)共同建立。

直流電機(jī)工作中，主磁極產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)，電樞電流產(chǎn)生電樞磁通勢(shì)。電樞磁通勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁通勢(shì)的影響稱為電樞反應(yīng)。1.4.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)及負(fù)載磁場(chǎng)(1)直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布情況。

假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間的分布情況。（2）直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)一個(gè)繞組元件的磁通勢(shì)磁通勢(shì)流入定子為正，流出為負(fù)。如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖所示。由于主磁極下氣隙長(zhǎng)度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長(zhǎng)度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖所示。直流電機(jī)的電樞反應(yīng)(3)負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線Bax主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線Box兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線Bδx直流電機(jī)的電樞反應(yīng)(3)負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場(chǎng)

1）磁路不飽和時(shí)把主磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)合成，將合成磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)比較，即1與4比較。磁場(chǎng)發(fā)生畸變。物理中性線偏離幾何中性線。2）磁路飽和時(shí)

實(shí)際的氣隙合成磁場(chǎng)分布曲線為5，磁通減小。這就是電樞反應(yīng)的去磁作用。由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：1)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變

空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。

2)對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用

磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電樞反應(yīng)為去磁作用。1.4.4電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)簡(jiǎn)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。大小:一根導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

Bav與每極主磁通

的關(guān)系為

由此導(dǎo)得

線速度v可以表示為

式中：為極距；p為極對(duì)數(shù)；n為電樞轉(zhuǎn)速；L為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度。)(電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中可見，直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)；電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)。直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)：1.4.5電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時(shí),在磁場(chǎng)內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩.大小:一根導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受電磁力的大小:一根電樞導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為:為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中可見，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)——驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)。電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩：●總結(jié)直流電機(jī)的磁場(chǎng)空載磁場(chǎng)電樞反應(yīng)負(fù)載時(shí)的合成磁場(chǎng)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩1.5直流電動(dòng)機(jī)1.5.1直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本關(guān)系式1.5.2并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1.5.3串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1.5.4復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性按勵(lì)磁方式的不同，直流電動(dòng)機(jī)分他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)4類。規(guī)定各物理量的參考方向如圖,電動(dòng)機(jī)的基本方程如下：1.5.1直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本關(guān)系式并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)(1)電壓平衡方程式并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，加在電樞兩端電壓為U，電樞電流為Ia，電樞電動(dòng)勢(shì)為Ea，由電動(dòng)機(jī)工作原理可知Ea是反電勢(shì)。（2）轉(zhuǎn)矩平衡方程式并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0相平衡：由此可見，電動(dòng)機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩一部分與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，另一部分是空載損耗。（3）功率平衡方程式電壓平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式：直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，從電網(wǎng)吸取電功率，除去電樞回路的銅損耗，及勵(lì)磁回路銅耗，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌猩系碾姶殴β?。電磁功率并不能全部用來輸出，它的一部分是運(yùn)行時(shí)的機(jī)械損耗、鐵損和附加損耗，剩下的部分才是軸上對(duì)外輸出的機(jī)械功率。

直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖：并勵(lì)他勵(lì)1.5.2并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在,勵(lì)磁電流，電樞回路不串電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T

和效率分別與電樞電流之間的關(guān)系。

轉(zhuǎn)速特性

轉(zhuǎn)矩特性

效率特性當(dāng)U=UN，If=IfN時(shí)，n=f(Ia)

忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化(1)轉(zhuǎn)速特性電壓平衡方程式當(dāng)U=UN，If=IfN時(shí)，T=f(Ia)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。線性關(guān)系(2)轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)U=UN，If=IfN時(shí)，η=f(Ia)不隨負(fù)載電流變化的損耗稱為不變損耗。當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入功率大部分消耗在不變損耗上；負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時(shí)銅損快速增大此時(shí)效率又變小。(3)效率特性并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性

電樞電流與勵(lì)磁電流關(guān)系：轉(zhuǎn)速特性

當(dāng)電樞電流不大時(shí)，轉(zhuǎn)速特性具有雙曲線性質(zhì)；當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不宜輕載或空載運(yùn)行。1.5.3串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電機(jī)磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵(lì)磁電流呈線性關(guān)系。即：轉(zhuǎn)矩特性電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩比并勵(lì)電動(dòng)機(jī)大很多，當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，和并勵(lì)直流電機(jī)相同。1.5.3串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性效率特性：和并勵(lì)直流電機(jī)相同。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

積復(fù)勵(lì)介于并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)之間。1.5.4復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性1.6直流發(fā)電機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流發(fā)電機(jī)可以分為他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)、串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)。現(xiàn)在主要采用他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，為此本節(jié)只介紹這種發(fā)電機(jī)。如圖規(guī)定各物理量的參考方向（1）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式從方程式可見，直流發(fā)電機(jī)滿足（2）轉(zhuǎn)矩平衡方程式發(fā)電機(jī)軸上有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入給的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩平衡方程為：1.6.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式（3）功率平衡方程式原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率

機(jī)械摩擦損耗、鐵損耗空載損耗包括：電磁功率

電磁功率一方面代表電動(dòng)勢(shì)為的電源輸出電流時(shí)發(fā)出的電功率，一方面又代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機(jī)械功率。電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗輸出的電功率自勵(lì)發(fā)電機(jī)中還應(yīng)減去勵(lì)磁損耗他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖●復(fù)習(xí)上節(jié)課主要內(nèi)容1.直流電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)的3個(gè)平衡關(guān)系電壓平衡轉(zhuǎn)矩平衡功率平衡2.直流電動(dòng)機(jī)的3個(gè)工作特性轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性效率特性（1）空載特性1.6.2他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性可通過空載實(shí)驗(yàn)來測(cè)定他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)線路定義:空載特性是指原動(dòng)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(lì)磁電流之間的關(guān)系，即：U0=?(If)。空載特性實(shí)質(zhì)上就是。所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。

直流發(fā)電機(jī)的空載特性是非線性的，上升與下降的過程是不相同的。實(shí)際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線?？蛰d時(shí)（2）外特性定義：當(dāng)、時(shí)，負(fù)載實(shí)驗(yàn)接線圖（2）外特性

由曲線可見，負(fù)載電流增大時(shí)，端電壓有所下降。

根據(jù)可知端電壓下降有兩個(gè)原因：1)在勵(lì)磁電流一定情況下，負(fù)載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動(dòng)勢(shì)減少；2)電樞回路上的電阻壓降隨負(fù)載電流增大而增加，使端電壓下降。（5～10）%1.7直流電機(jī)的換向

就一個(gè)具體的電樞元件(線圈)來說，其電流總是不斷變化的。或者說電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)具體的電樞元件總是不斷地從一個(gè)支路轉(zhuǎn)進(jìn)另外一個(gè)支路。元件中電流的方向改變的過渡過程稱為換向過程，簡(jiǎn)稱換向。

為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。元件112

電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。電刷同時(shí)與換向片1、2接觸時(shí)，元件1被短路，電流被分流。

電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為

換向剛開始時(shí)

處于換向中時(shí)