脈流牽引電動機(jī)的換向及脈流牽引電動機(jī)的出廠試驗設(shè)計

aaaa畢業(yè)設(shè)計說明書課題名稱：脈流牽引電動機(jī)的換向及脈流牽引電動機(jī)的出廠試驗專業(yè)系鐵道牽引與動力學(xué)院班級神華鐵路訂單班畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書一、 課題名稱脈流牽引電動機(jī)的換向及脈流牽引電動機(jī)的出廠試驗（主要針對使用SS型電力機(jī)車的學(xué)習(xí)者）二、 指導(dǎo)老師趙承荻三、 設(shè)計內(nèi)容與要求課題概述牽引電動機(jī)被稱為電力機(jī)車的心臓，牽引電動機(jī)的運(yùn)行性能及運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整臺機(jī)車的運(yùn)行性能。由于牽引電動機(jī)工作的特殊性（如因安放在機(jī)車車體下部兩個機(jī)車動輪之間，因而使毎臺牽引電動機(jī)的體積尺寸受到嚴(yán)格的限制，散熱條件極差，工作環(huán)境惡劣，加上機(jī)車上各臺牽引電動機(jī)共同運(yùn)行時，各臺牽引電動機(jī)負(fù)荷分配的不均勻，機(jī)車運(yùn)行時負(fù)載變化大等諸多因素），使?fàn)恳妱訖C(jī)成為機(jī)車上最為薄弱的環(huán)節(jié)，在機(jī)車運(yùn)行中牽引電動機(jī)的故障出現(xiàn)率總體較高，在機(jī)車檢修工作中，對牽引電動機(jī)的檢修是一項十分重要的項目。本課題重點(diǎn)研究脈流牽引電動機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、脈流牽引電動機(jī)的換向理論及改善換向的措施。同時學(xué)習(xí)與研究脈流牽引電動機(jī)檢修后的出廠試驗項目、內(nèi)容、試驗設(shè)備、線路、試驗方法及試驗結(jié)果的分析判斷。2、 設(shè)計內(nèi)容與要求1）畢業(yè)設(shè)計論文部分脈流牽引電動機(jī)的工作條件脈流牽引電動機(jī)的基本工作原理SS4型機(jī)車用ZD105型脈流牽引電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)脈流牽引電動機(jī)的換向特點(diǎn)及改善換向的措施脈流牽引電動機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)與檢修2)畢業(yè)設(shè)計部分脈流牽引電動機(jī)的試驗項目脈流牽引電動機(jī)的試驗內(nèi)容脈流牽引電動機(jī)的試驗設(shè)備、試驗線路及試驗方法脈流牽引電動機(jī)的試驗結(jié)果分析與判斷四、設(shè)計參考書韶山4型電力機(jī)車 張有松朱龍駒主編中國鐵道出版社2.電力機(jī)車電機(jī) 周立主編中國鐵道出版社3.電力機(jī)車電機(jī)張龍主編中國鐵道出版社4.電力機(jī)車檢修 莫堅主編中國鐵道出版社5.韶山4改型電力機(jī)車乘務(wù)員楊兆昆主編中國鐵道出版社韶山8型電力機(jī)車 趙叔東主編中國鐵道出版社實用電工手冊 趙承荻李乃夫主編 高等教育出版社電工實用手冊 劉光源主編中國電力出版社電氣技師手冊 張友漢趙承荻主編福建科學(xué)技術(shù)出版社五、 設(shè)計說明書要求1.封面目錄內(nèi)容摘要（2。。?4。。字左右，中英文）引言正文（設(shè)計方案比較與選擇、設(shè)計方案原理、計算、分析、論證，設(shè)計結(jié)果的說明及特點(diǎn)）結(jié)束語附錄（參考文獻(xiàn)、圖紙、材料清單等）六、 畢業(yè)設(shè)計進(jìn)程安排第1周（本階段末）：畢業(yè)設(shè)計開題老師講解。第2-5周（暑假）：學(xué)生收集資料、上網(wǎng)查詢、整體構(gòu)思。第6-8周（下階段1-3教學(xué)周）：老師講解輔導(dǎo)，學(xué)生在老師講解輔導(dǎo)的基礎(chǔ)上通過參閱相關(guān)資料、上網(wǎng)查詢初步完成脈流牽引電動機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、脈流牽引電動機(jī)的換向理論及改善換向的措施等內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計論文工作。第9?11周（下階段4?6教學(xué)周）：老師講解輔導(dǎo)，學(xué)生在老師講解輔導(dǎo)的基礎(chǔ)上通過參閱相關(guān)資料、上網(wǎng)查詢初步完成脈流牽引電動機(jī)檢修后的出廠試aaaa驗項目、內(nèi)容、試驗設(shè)備、線路、試驗方法及試驗結(jié)果的分析判斷等內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計工作。第12周（下階段7教學(xué)周）：答辯準(zhǔn)備。第13-14周（下階段8-9教學(xué)周）：答辯七、畢業(yè)設(shè)計答辯與論文要求畢業(yè)設(shè)計答辯要求答辯前三天，每個學(xué)生應(yīng)按時將畢業(yè)設(shè)計說明書或畢業(yè)論文、專題報告等必要資料交指導(dǎo)老師審閱，由指導(dǎo)老師寫出審閱意見。學(xué)生答辯對自述部分應(yīng)寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和意義，采用的原始資料或參考文獻(xiàn)、設(shè)計的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題、質(zhì)詢與課題密切相關(guān)的基礎(chǔ)理論、知識、設(shè)計與計算方法、實驗方法、測試方法、鑒別學(xué)生獨(dú)立工作能力、創(chuàng)新能力。畢業(yè)設(shè)計論文要求文字要求：說明書要求打?。ǔ龍D紙外），不能手寫。文字通順，語言流暢,排版合理，無錯別字，不允許抄襲。圖紙要求：按工程制圖標(biāo)準(zhǔn)制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細(xì)均勻，圓弧連接光滑，尺寸標(biāo)注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖。程序框圖、示意圖等不準(zhǔn)用徒手畫，必須按國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)或工程要求繪制。Abstractaaaa目錄引言第一章直流電動機(jī)的基本知識1.1直流電動機(jī)的工作原理1.1.1直流電動機(jī)的工作原理直流電動機(jī)是依據(jù)載流導(dǎo)體在磁場中受力而旋轉(zhuǎn)的原理制造的。通常將磁場固定不動(該磁場可以由永久磁鐵產(chǎn)生，也可由帶鐵心的通電線圈產(chǎn)生)，而導(dǎo)體做成可以在磁場內(nèi)繞中心軸OO'旋轉(zhuǎn)，如圖4-1中的線圈abcd(稱為電樞繞組)所示。為了能把直流電源引入到旋轉(zhuǎn)的線圈中去，采用了電刷與換向器的結(jié)構(gòu)，即線圈的ab邊和cd邊分別與兩個互相絕緣的半圓形銅環(huán)相連，而電刷A和B用彈簧壓在銅環(huán)上。電刷A、B固定不動，并分別與外電源的正極和負(fù)極相接。對應(yīng)于圖4-1(a)，導(dǎo)體cd通過銅環(huán)與電刷B(-)接觸，而導(dǎo)體ab則通過銅環(huán)與電刷A(+)接觸。導(dǎo)體中的電流方向如圖中的箭頭所示，根據(jù)左手定則，可以判斷出導(dǎo)體將受力的作用，而使整個線圈abcd繞軸OOaaaa'以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖4-1(b)位置時，電刷與兩個換向片之間的絕緣墊片相接。在這個中性線位置上，線圈中沒有電流流過，也沒有力的作用,但是前1/4轉(zhuǎn)動周期的慣性使線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動，越過中性線位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖4-1(c)位置時，導(dǎo)體ab處于S極下，而導(dǎo)體cd處于N極下(正好與4-1(a)相反)，與導(dǎo)體ab相接的銅環(huán)與電刷B(-)接觸，與導(dǎo)體cd相連的銅環(huán)與電刷A(+)接觸。對照4-1(a)及4-1(c)可以看出，位于相同磁極下的導(dǎo)體雖然發(fā)生了變化，但由于電刷及銅環(huán)(通稱換向器)的作用使磁極下導(dǎo)體中的電流方向保持不變，即作用力的方向不變，因此線圈將繼續(xù)沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，故電動機(jī)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可以歸納出直流電動機(jī)的工作原理：直流電動機(jī)在外加直流電源的作用下，在可繞軸轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體中形成電流，載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力的作用而旋轉(zhuǎn)，借助于電刷和換向器的作用，使電動機(jī)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由上分析可見，當(dāng)線圈在水平位置時，轉(zhuǎn)動力最大；在垂直位置時，轉(zhuǎn)動力最小。單線圈電樞在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)矩曲線如圖4-2所示，單線圈電樞的電動機(jī)實用價值很小，雙線圈電樞的轉(zhuǎn)矩曲線如圖4-3所示，雖然該轉(zhuǎn)矩仍是脈動的，但在最大值與最小值之間的波動已明顯削弱。直流電動機(jī)典型的電樞結(jié)構(gòu)可參看圖4-5所示，它有許多個線圈及換向片組成。4-14-2 4-31.1.2直流電機(jī)工作的可逆性根據(jù)物理學(xué)中的電磁感應(yīng)原理，若用外力使圖4-1中的導(dǎo)體abcd繞軸。。'旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)體abcd將切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，可通過電刷A、B向外電路提供直流電能，這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。由以上分析可見，直流電機(jī)的運(yùn)行是可逆的，即一臺直流電機(jī)既可作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作直流電動機(jī)運(yùn)行。當(dāng)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢時，即是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔茌敵觯髦绷靼l(fā)電機(jī)運(yùn)行。反之，當(dāng)輸入直流電能，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，則是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能輸出，此時即作直流電動機(jī)運(yùn)行。1.2直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖4-4分別為Z2及Z4系列直流電動機(jī)外形圖，其中Z4系列直流電動機(jī)上部為給電動機(jī)進(jìn)行冷卻用的騎式鼓風(fēng)機(jī)。就直流電動機(jī)而言，它也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)各主要部件的結(jié)構(gòu)與作用如下：1.2.1定子電動機(jī)中靜止不動的部分稱為定子。包括有機(jī)座、前端蓋、后端蓋、主磁極、換向磁極和電刷裝置等部分，如圖4-5所示。4-41、機(jī)座機(jī)座是作為電動機(jī)的磁路，另外用來安裝主磁極、換向磁極和前、后端蓋等部件。機(jī)座一般為鑄鋼件，小功率的直流電動機(jī)機(jī)座也可用無縫鋼管加工而成。主磁極其作用是產(chǎn)生主磁場。永磁電動機(jī)的主磁極直接由不同極性的永久磁體組成。勵磁電動機(jī)的主磁極則由主磁極鐵心和主磁極繞組兩部分組成。（1） 主磁極鐵心作為電動機(jī)磁路的一部分。由于電樞在旋轉(zhuǎn)時，電樞鐵心上的槽與齒相對于主磁極鐵心在不斷地變化，即磁路的磁阻在不斷變化，從而在主磁極鐵心中將引起渦流損耗,為減小此損耗，主磁極鐵心一般用1?1.5mm薄鋼板沖制成型后，再用鉚釘鉚緊成一個整體，最后用螺釘固定在機(jī)座上（參看圖3-6）o（2） 主磁極繞組用來通入直流電流，產(chǎn)生勵磁磁動勢。小型電動機(jī)用絕緣銅線繞制而成；大、中型電動機(jī)則用扁銅線制造。繞組在專用設(shè)備上繞好后，經(jīng)絕緣處理，安裝于主磁極鐵心上。4-5換向極用來產(chǎn)生換向磁場以改善直流電動機(jī)的換向。換向是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程,aaaa在換向時，將在電刷與換向器的接觸面上產(chǎn)生火花，不利于電動機(jī)的運(yùn)行，因此在功率稍大的直流電動機(jī)上都裝有換向極來減小火花，改善電動機(jī)的換向。換向極也由換向極鐵心和換向極繞組所組成，且換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極繞組套在換向極鐵外面，再用螺釘固定在極座上，換向極與主磁極一個隔一個間隔排列均布在機(jī)座內(nèi)部。前、后端蓋用來安裝軸承和支承整個轉(zhuǎn)子重量，一般為鑄鋼件。前后端蓋利用螺釘固定在機(jī)座兩側(cè)。電刷裝置通過電刷與換向器表面之間的滑動接觸，把電樞繞組中的電流引入或引出。電刷裝置一般由電刷、刷握、刷桿、刷桿座等部分組成，如圖4-5所示。對電刷的要求是既要有良好的導(dǎo)電性能，又要有好的耐磨性，因此電刷一般用石墨粉壓制而成。1.2.2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子通稱為電樞，是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分。由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部分組成。電樞鐵心作為磁通通路的一部分，并在鐵心槽內(nèi)嵌放電樞繞組。由于電樞鐵心不斷地在N極和S極下旋轉(zhuǎn)，使通過電樞鐵心中的磁通大小及方向都在不斷地變化，因此將產(chǎn)生磁滯及渦流損耗，為了減小磁滯及渦流損耗，電樞鐵心一般均用0.35~0.5mm厚表面具有絕緣層的硅鋼片疊壓而成，在硅鋼片的外圓沖有均勻分布的鐵心槽，用以嵌放電樞繞組。如圖-6(a所示。4-6電樞繞組用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和通過電流，實現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。電樞繞組通常都用圓形（用于小容量電動機(jī)）或矩形（用于大、中容量電動機(jī)）截面的導(dǎo)線繞制而成，再按一定的規(guī)律嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，如圖4-6（b）所示，繞組端頭則按一定規(guī)則嵌放在換向器銅片的升高片槽內(nèi)，并焊牢，成為一個完整的電樞，如圖4-5所示。換向器換向器是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。換向器是由換向銅片和云母片一片隔一片排成圓形組合裝配而成,是直流電動機(jī)的關(guān)鍵部件，也是最薄弱的部分。1.2.3、銘牌與額定值與三相異步電動機(jī)一樣，每臺直流電動機(jī)的機(jī)座上都有一塊銘牌，銘牌上標(biāo)明的數(shù)據(jù)稱為額定值，是正確使用直流電動機(jī)的依據(jù)。其主要參數(shù)有：額定功率PN表示電機(jī)按規(guī)定方式額定工作時所能輸出的功率。對電動機(jī)而言是指其軸上輸出的機(jī)械功率（W或kW）。額定電壓UN指在正常工作時電機(jī)出線端的電壓值。對電動機(jī)而言是指加在電動機(jī)上的電源電壓（V）。額定電流IN對應(yīng)額定電壓、額定功率時的電流值。對電動機(jī)而言是指軸上在額定負(fù)載時的輸入電流(A)o額定轉(zhuǎn)速nN指電壓、電流和輸出功率為額定值時的轉(zhuǎn)速(r/min)。勵磁方式勵磁方式是指直流電動機(jī)主磁場產(chǎn)生的方式。直流電動機(jī)主磁場的獲得通常有兩類。一類是由永久磁鐵產(chǎn)生；另一類是利用給主磁極繞組通入直流電產(chǎn)生,根據(jù)主磁極繞組與電樞繞組連接方式的不同，可分為它勵、并勵、串勵、復(fù)勵電動機(jī)。分別簡介如下：(1)永磁電動機(jī)開始永磁電動機(jī)僅在功率很小的電動機(jī)上采用，20世紀(jì)80年代起由于鉉鐵硼永磁材料的發(fā)現(xiàn)，使目前永磁電動機(jī)的功率已從毫瓦級發(fā)展到100kW以上。目前制作永磁電動機(jī)的永磁材料主要有鋁鐐鉆、鐵氧體及稀土(如鉉鐵硼)等三類。用永磁材料制作的直流電動機(jī)又分有刷(有電刷)和無刷兩類。永磁電動機(jī)由于其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；損耗低、效率高、節(jié)約能源；溫升低、可靠性高、使用壽命長；適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)而使用越來越廣泛。它在軍事上的應(yīng)用占絕對優(yōu)勢，幾乎取代了絕大部分電磁電動機(jī)；其他方面的應(yīng)用如汽車用永磁電動機(jī)、電動自行車用永磁電動機(jī)、直流變頻空調(diào)用永磁電動機(jī)等。(2)他勵電動機(jī)它的特點(diǎn)是勵磁繞組(主磁極繞組)由單獨(dú)的直流電源供電，如圖4-7(a)o (3)并勵電動機(jī)勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，因此加在這兩個繞組上的電壓相等，而流過電樞繞組的電流aaaaI和流過勵磁繞組的電流I則不同，總電流1=1+1,如圖4-7(b)所a f af刀串勵電動機(jī)勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，因此流過兩個繞組中的電流相等，如圖4-7(c)。復(fù)勵電動機(jī)勵磁繞組有兩組，一組與電樞繞組串聯(lián)，另一組與電樞繞組并聯(lián)，如圖4-7(d)。若復(fù)勵電動機(jī)的兩組勵磁繞組產(chǎn)生的磁通方向一致時，則稱為積復(fù)勵電動機(jī)，若產(chǎn)生的磁通方向相反時，則稱為差復(fù)勵電動機(jī)。關(guān)于絕緣等級、定額的含義可參看三相異步電動機(jī)銘牌中的說明。4-71.3直流電機(jī)的電動勢、轉(zhuǎn)矩和功率1.3.1直流電機(jī)的電動勢直流電機(jī)電樞在旋轉(zhuǎn)時，電樞上的每個繞組元件都要切割主磁場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得電樞回路的感應(yīng)電動勢為E=Cae(4-1)式中，C為直流電機(jī)電動勢常數(shù)，對于已制成的電機(jī)有確定值；甲為氣隙中每e極磁通（wb）;T為極距；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。當(dāng)直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢向外電路供電，此時電流方向與感應(yīng)電動勢方向一致。其電壓平衡方程為E=U+RIa aa（4-2）式中，E為發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢（V）;U為發(fā)電機(jī)端電壓（V）;I為電樞電a a流（A）;R為電樞繞組電阻（Q）。a直流電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，電源供給直流電流，導(dǎo)體ab、cd中的電流方向如圖4-8小圓圈內(nèi)的符號所示。載流導(dǎo)體在磁場內(nèi)受力的作用而形成電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，并拖動機(jī)械負(fù)載。電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，導(dǎo)體ab、cd又切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，方向（用右手定則）如圖4-8小圓圈外的符號所示?？梢姼袘?yīng)電動勢的方向與外加電源電壓（電流）的方向正好相反，因此稱為反電動勢,起到與外加電源電壓平衡的作用。由圖4-7（b）所示并勵（或他勵）電動機(jī)的電路圖可得U-E=RIaaa（4-3）式中，U為電樞電動勢（V）;E為電樞電動勢（V）;R為電樞繞組電阻（Q）;aaI為電樞支路電流（A）。a1.3.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不論是直流發(fā)電機(jī)或直流電動機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下工作時，電樞繞組中都有電流通過，因此在磁場中都將受到電磁力的作用，電磁力在電樞上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩。T=C四Ta（4-4）式中,①為每極磁通（Wb）;I為電樞總電流（A）;C為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；T為a T電磁轉(zhuǎn)矩（N?m）。對電動機(jī)來說電磁轉(zhuǎn)矩是拖動轉(zhuǎn)矩，是由電源供給電動機(jī)的電能轉(zhuǎn)換而來的，用來拖動負(fù)載運(yùn)動。對發(fā)電機(jī)來講電磁轉(zhuǎn)矩則為制動轉(zhuǎn)矩，原動機(jī)必須克服電磁轉(zhuǎn)矩才能使電樞旋轉(zhuǎn)而發(fā)出電能。其原因可用圖4-9加以說明，當(dāng)原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n順時針旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)體ab及cd切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流（在小圓圈中用X及?表示電流方向），同時載流導(dǎo)體在磁場中又將受到力的作用而形成電磁轉(zhuǎn)矩，方向（用左手定則判定）與發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，故電磁轉(zhuǎn)矩是一個制動轉(zhuǎn)矩，與原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩相平衡。發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)載電流越大，電磁轉(zhuǎn)矩也越大，于是原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩也必須增大，以克服電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。4-84-91.3.2直流電動機(jī)的功率對他勵直流電動機(jī)而言，將式（4-3）兩邊各乘I，并移項可得：aUI=EI+RI2aaaaa即 P=P+AP1 Cu（4-5）aaaa式中,P為電動機(jī)輸入電功率；P為電動機(jī)的電磁功率；AP為電動機(jī)的銅損耗。1 Cu對并勵或串勵電動機(jī)而言，銅損耗除電樞繞組電阻R上的損耗外，還應(yīng)包a括電流在勵磁繞組電阻上產(chǎn)生的損耗。電磁功率在轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的輸出功率P的過程中，有一小部分消耗于2克服電動機(jī)的機(jī)械損耗和鐵損耗(總稱空載損耗)，用AP表示。則0則 P=P+AP+AP=P+AP1 2 0 Cu2(4-6)式中，P為電動機(jī)輸出功率；AP為電動機(jī)功率損耗。2直流電動機(jī)效率n為P P?=烏x100%= P x100%P P,AP,AP1 2Cu0(4-7)1.4直流電動機(jī)的工作特性直流電動機(jī)的工作特性主要是指轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性。所謂轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)加在直流電動機(jī)兩端的電壓不變時，電樞電流與轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。而轉(zhuǎn)矩特性則是指當(dāng)加在直流電動機(jī)兩端電壓不變時，電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系。當(dāng)直流電動機(jī)工作時，輸出的是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，因此電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系是很重要的特性，這種特性稱為機(jī)械特性。當(dāng)電動機(jī)的勵磁方式不同時，主磁通甲隨負(fù)載電流I的變化而變動的情況不a同，導(dǎo)致不同勵磁方式的直流電動機(jī)特性有很大差別，下面分別加以討論。1.4.1并勵電動機(jī)(他勵電動機(jī))工作特性1.轉(zhuǎn)矩特性T=f(I)a當(dāng)電源電壓u不變，勵磁電流I也不變時，電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流I之間f a的相互關(guān)系即為轉(zhuǎn)矩特性。由公式T=C甲I可知，由于磁通甲基本不變，因此TMa與I近似為正比關(guān)系，如圖4-10曲線T=f(I)所示。aa轉(zhuǎn)速特性n=f(I)a當(dāng)電源電壓U不變，勵磁電流I也不變時，轉(zhuǎn)速n與電樞電流I之間的相fa互關(guān)系即為轉(zhuǎn)速特性。由式(4-1)及(4-3)可得_U-RI— aac€e(4-8)由于電樞繞組電阻R一般很小，因此壓降RI很小，即并勵電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨a aa電樞電流的增加稍有下降，如圖4-10曲線n=f(I)所示。這種特性稱硬特性。a機(jī)械特性n=f(T)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩(可近似看作輸出轉(zhuǎn)矩)T之間的關(guān)系即為機(jī)械特性。對并勵電動機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)矩T正比于I,故只要將圖4-10中n=fa(I)曲線的橫坐標(biāo)由I改為T，該曲線即代表機(jī)械特性曲線n=f(T)。aa4-104-111.4.2串勵電動機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)矩特性T=f(I)a當(dāng)電源電壓u不變時，電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流I之間的關(guān)系即為轉(zhuǎn)距特性。a當(dāng)電樞電流I比較小時，磁通甲正比于電樞電流I,故有a aT€C①I=KI2Taa(4-9)即電磁轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流的平方；當(dāng)電樞電流較大，電動機(jī)磁路飽和時，⑦為常數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖4-11曲線T=f(I)所示。a轉(zhuǎn)速特性n=f(I)a當(dāng)電源電壓U不變時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流I之間的關(guān)系即為轉(zhuǎn)速特a性。當(dāng)電動機(jī)輕載時，則對應(yīng)的電樞電流I比較小，⑦也比較小，由公式(4-8)a可見，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流I成反比，曲線為雙曲線。當(dāng)電動機(jī)空載時，a空載電流I很小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速將相當(dāng)高，可能造成機(jī)損事故，因此串勵電動機(jī)不a允許空載運(yùn)行。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載較重時，即I較大時，由于磁路飽和，甲基本不變,a串勵電動機(jī)轉(zhuǎn)速特性就與并勵電動機(jī)相似，即略向下傾斜，如圖4-11曲線n=f(I)所示。該曲線的特征是從空載到滿載，電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化很大，這種特性稱a為軟特性。機(jī)械特性n=f(T)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系即為機(jī)械特性。對串勵電動機(jī)而言，當(dāng)電樞電流I很小時，①也很小，此時電磁轉(zhuǎn)矩T也很小，而對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n由式(4-8)a可知應(yīng)為很大。當(dāng)電樞電流I較大時，甲也較大，此時電磁轉(zhuǎn)矩T也較大，而轉(zhuǎn)a速n則小，由數(shù)學(xué)分析及實踐運(yùn)行證明，其形狀也相似于雙曲線，因此，如同并勵電動機(jī)一樣，將圖4-11中的轉(zhuǎn)速特性曲線n=f(I)的橫坐標(biāo)由I改為T，aa就可以代表機(jī)械特性n=f(T)。aaaa1.5直流電動機(jī)的起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動1.5.1直流電動機(jī)的起動直流電動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程稱為起動過程，直流電動機(jī)在起動過程中不但轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，而且轉(zhuǎn)矩、電流等也在變化。對直流電動機(jī)起動的要求是應(yīng)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩以縮短起動時間，提高生產(chǎn)率，同時電動機(jī)的起動電流又不能過大。全壓起動全壓起動又稱直接起動，即直流電動機(jī)在起動時，給電動機(jī)加額定電壓U直接起動電動機(jī)，如圖4-12所示，起動時先合上開關(guān)S1，建立主磁場，同時在電樞繞組上加額定電壓，使電動機(jī)起動。在起動開始瞬間，雖然給電動機(jī)加上電源電壓U,但由于轉(zhuǎn)子的慣性，一開始轉(zhuǎn)速n=0,故反電動勢E=C^n=0,ae由式(3-3)可知，此時電樞電流I為aU-E€U€IRstaaRa4-10)將此時的電流為稱起動電流，用I表示。由于電樞繞組的電阻R一般很小,st a故起動電流很大，中、小型直流電動機(jī)約為額定電流的1。倍左右，較大容量的電動機(jī)甚至可高達(dá)20倍。這樣大的起動電流將帶來以下不良影響：電動機(jī)的電刷與換向器之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花而導(dǎo)致電刷與換向器表面的燒損；產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩使傳動機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械受到強(qiáng)烈的沖擊而損壞；使電網(wǎng)電壓波動，影響供電的穩(wěn)定性。由于上述原因，除小容量的電動機(jī)以外，一般不允許全電壓直接起動。通常采用的起動方法有兩種，即降低電源電壓起動和在電樞回路中串電阻起動。直接起動優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備簡單，操作方便。缺點(diǎn)是起動電流大。降低電源電壓起動(降壓起動)可以采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路作為直流電動機(jī)的可調(diào)電壓電源。有關(guān)該電路的工作原理及調(diào)壓過程將在電子技術(shù)課程中介紹。在直流電動機(jī)起動瞬間，為其供給較低的直流電壓，以后，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，逐步增加直流電壓的數(shù)值，直到電動機(jī)起動完畢正常運(yùn)行時，加在電動機(jī)上的電壓即是電動機(jī)的額定電壓。用降低電源電壓的方法起動并勵電動機(jī)時必須注意：起動時并勵電動機(jī)上必須加額定的勵磁電壓，使磁通保持額定值，否則電動機(jī)起動電流雖然比較大，但起動轉(zhuǎn)矩卻很小，電動機(jī)可能無法起動。例4-1有一臺并勵直流電動機(jī)，電樞繞組電阻R=0.4Q，額定電壓。=a110V，設(shè)磁通恒定不變，當(dāng)n=n時，E=100V，求：(1)額定電流I;(2)N a N直接起動時的起動電流I；(3)要使電動機(jī)起動瞬時的電流I限制在2倍額定st 1電流之內(nèi)，求起動時的電壓U。解(1)I1==110-100A=25AnR 0.4a(2)IU110A=—n= A=275AstR0.4a(3)I=U=211RaU1=2ri=2x0.4x25V=20Van3.電樞回路中串電阻起動并勵電動機(jī)及串勵電動機(jī)的串電阻起動電路分別如圖4-13及圖4-14所示。通?？砂窗哑饎与娏飨拗圃冢?.5?2.5）I的范圍內(nèi)來選擇起動電阻的大小。在N起動過程中，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的升高，E也隨著升高，電樞電流就相應(yīng)地減a小，為了保持一定的加速轉(zhuǎn)矩，應(yīng)將起動電阻逐漸切除。圖4-15為用于10kW以下的直流電動機(jī)起動用的起動變阻器外形圖，起動時起動手輪置于圖中所示的位置，開始起動時，全部起動電阻R均串入電樞回路，起動電流被限制在允許st的范圍內(nèi)，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，將手輪逐步向右旋轉(zhuǎn)，起動電阻被逐漸切除（電阻值逐步減?。?，電動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高，直到手輪右旋到底，被失壓線圈的磁力吸住，此時R=0，電動機(jī)起動完畢。st電樞回路串電阻的起動方法所需設(shè)備較簡單，但在起動過程中起動電阻上有能量損耗。而降低電源電壓起動則所需設(shè)備較復(fù)雜，價格較貴，但在起動過程中基本上不損耗能量。對于小功率直流電動機(jī)一般用串電阻起動；容量稍大但不需經(jīng)常起動的電動機(jī)也可用串電阻起動，而需經(jīng)常起動的電動機(jī)，如起重、運(yùn)輸機(jī)械上的電動機(jī)則宜用降低電源電壓的辦法起動。4-134-14 4-151.5.2直流電動機(jī)的調(diào)速直流電動機(jī)的調(diào)速是指用人為的辦法來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由公式n=u—?dú)馄呖梢钥闯?直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有以下幾種方法：C①e改變電源電壓U；減小主磁通①；改變電樞回路的電壓降RI,通常在電樞回路中串入調(diào)速電阻R,aa av則電樞回路中的電壓降為(R+R)Ioaava改變電源電壓U調(diào)速目前廣泛采用晶閘管整流裝置作為一個輸出電壓可調(diào)的直流電源,給直流電動機(jī)供電。對于并勵電動機(jī)而言，可調(diào)直流電源只能加在電樞回路中，勵磁回路用另外一個電壓恒定的直流電源供電。這種調(diào)速方法的主要特點(diǎn)是：調(diào)速范圍寬廣，可以從低速一直調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，速度變化平滑，通常稱為無級調(diào)速。調(diào)速過程中沒有能量損耗，且調(diào)速的穩(wěn)定性較好。轉(zhuǎn)速只能由額定轉(zhuǎn)速往低調(diào)，不能超過額定轉(zhuǎn)速(因端電壓不能超過額定電壓)。所需設(shè)備較復(fù)雜，成本較高。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，這種調(diào)速方法已被越來越廣泛地采用。在晶閘管變流技術(shù)采用以前，直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵發(fā)電機(jī)一直流電動機(jī)組來實現(xiàn)，通稱F-D系統(tǒng)，許多大型的龍門刨床、重型鏜床、軋鋼機(jī)中即采用此系統(tǒng)。它由三相異步電動機(jī)去拖動直流他勵發(fā)電機(jī)，由發(fā)電機(jī)發(fā)出可調(diào)的直流電壓，供電給直流電動機(jī)。由于F-D系統(tǒng)所需電機(jī)數(shù)量多、效率低、噪聲及干擾也較大，故已被逐步淘汰。減小主磁通①調(diào)速aaaa當(dāng)直流電動機(jī)的電源電壓不變時，如使主磁通①減小，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)地升高，故通圖4-16稱為削弱磁場調(diào)速。對并勵電動機(jī)而言，可在勵磁回路中串聯(lián)磁場調(diào)節(jié)電阻R，如圖4-16(a)所示；對串勵電動機(jī)而言，可在勵磁回路兩端pf并聯(lián)磁場分路電阻R如圖4-16(b)所示，以減小流過勵磁回路中的電流，pf使①降低，從而達(dá)到調(diào)速目的。這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：由于調(diào)速在勵磁回路中進(jìn)行，功率小，故能量損耗小，控制方便。轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)，且調(diào)速范圍一般來講比較窄，只能作輔助調(diào)速之用。所需設(shè)備較簡單。3.在電樞回路中串入調(diào)速電阻調(diào)速調(diào)速方法接線與圖4-13及圖4-14相同，但必須注意，調(diào)速變阻器可作起動變阻器用，而起動變阻器不能用于調(diào)速，因為起動變阻器是按短時工作設(shè)計的,如將它用于調(diào)速，則很容易損壞。該調(diào)速方法的特點(diǎn)是：所需設(shè)備較簡單、成本較低，因此在小功率直流電動機(jī)中用得較多。在2。世紀(jì)70年代前，由于晶閘管調(diào)壓技術(shù)尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流電動機(jī)中也采用電樞回路串電阻調(diào)速，如城市電車、礦用電力機(jī)車、蓄電池運(yùn)輸車等。電動機(jī)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級調(diào)速。特性曲線較軟，即負(fù)載變動時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大。在調(diào)速電阻上有較大的能量損耗，即經(jīng)濟(jì)性能較差。目前此種調(diào)速方法已基本被晶閘管可調(diào)直流電源調(diào)速代替。1.5.3直流電動機(jī)的反轉(zhuǎn)直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于磁場方向和電樞繞組中的電流方向。只要改變磁場方向或電樞繞組中的電流方向，電動機(jī)的轉(zhuǎn)向也隨之改變。因此改變直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一種是改變主磁場的方向，即將勵磁繞組與直流電源的接線對調(diào)，稱勵磁繞組反接法；另一種是改變電樞繞組中的電流方向，稱電樞反接法。分別如圖4-17所示。必須注意：如果同時改變主磁場的方向和電樞繞組中的電流方向，則電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變。4-171.5.4直流電動機(jī)的制動在實際應(yīng)用中有時需使機(jī)械迅速停轉(zhuǎn)，有時需限制機(jī)械的轉(zhuǎn)速(如起重機(jī)械下放重物、電車、電傳動機(jī)車下坡等)，以免發(fā)生危險，為此就需對電動機(jī)實施制動。所謂制動就是加上一個與電動機(jī)轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，用來使電動機(jī)迅速停轉(zhuǎn)或限制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果制動轉(zhuǎn)矩是用機(jī)械制動閘的摩擦轉(zhuǎn)矩來產(chǎn)生，則稱為機(jī)械制動；如果是電動機(jī)本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，則稱電氣制動。電氣制動按其產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩的方法不同又可分為再生制動、電阻制動和反接制動等幾種。1.再生制動（又稱回饋制動、發(fā)電制動）所謂再生制動是電機(jī)此時處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，將發(fā)出的電能反送回電網(wǎng)。TJ E 由式I=_a可看出，當(dāng)電機(jī)作電動機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時，則電源電壓U大于aRa反電動勢E,即U>E，故I與U同方向。如電機(jī)在運(yùn)行時由于某種原因使a a aE>U（例如起重機(jī)下放重物，運(yùn)輸機(jī)械下坡等），則電樞電流I方向就改變了，aa即I與U方向相反，電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能，這時電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T=C甲I，也a Ma因I的反向而改變方向，即與電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相反，故起制動轉(zhuǎn)矩的作用。a怎樣才能使電機(jī)的反電動勢E大于電源電壓U呢？由式E=C甲n可知，a ae如果電機(jī)的磁通甲不變,則只要使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n即可使E>0 au。因此當(dāng)電傳動機(jī)車、電車等下坡時，或起重設(shè)備下放重物時，只要當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于n時，即作發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩以限制電機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，0并同時向電網(wǎng)輸送電能。對于串勵電動機(jī)而言，由于磁通隨I的變化而變化，不a能保持不變。為此串勵電動機(jī)如要進(jìn)行再生制動，必須先將串勵電動機(jī)改為他勵，由專門的低壓直流電源給勵磁繞組供電，以保證磁通有一定的數(shù)值（不隨I而變a化）。2.電阻制動（又稱能耗制動）將電機(jī)的電樞繞組從電源上切除（磁極繞組仍接在電源上），電機(jī)靠慣性將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，此時電機(jī)已處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，但并不是將電能反送回電網(wǎng)，而是消耗在專用電阻R（稱制動電阻）的發(fā)熱上。如圖4-18所示，轉(zhuǎn)動時只需將開關(guān)S合向下方，此時勵磁電流仍由直流電源供電，產(chǎn)生恒定的磁通甲，電樞靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)切割磁通aaaa甲而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E給制動電阻R供電，將電能消耗在電阻的發(fā)熱上,a而電樞電流I則與電動機(jī)運(yùn)行時的方向相反，故產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，對電機(jī)實a行制動。電阻制動與再生制動相比所需設(shè)備簡單，成本低。但能量無法利用，白白的損耗在電阻的發(fā)熱上。這種制動方法在運(yùn)輸、起重設(shè)備上應(yīng)用較廣。電阻制動的另一不足之處是不易對機(jī)械迅速制停，因為當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢時，則E越小，1aa也越小，使制動轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩）相應(yīng)減小。3.反接制動反接制動利用改變加在電樞繞組上的電壓方向（使I反向）或改變勵磁電流a的方向（使甲反向），從而使電磁轉(zhuǎn)矩T反向成為制動轉(zhuǎn)矩。因此反接制動的原理實際上與反轉(zhuǎn)原理是一樣的，只是要注意以下兩點(diǎn)：（1） 電樞繞組反接時，一定要在電樞回路中串接電阻以限制電樞電流I的a數(shù)值，如圖4-19所示，否則在反接的瞬間，反電動勢E數(shù)值未變，而外加電a壓方向相反，變?yōu)榕cE同方向，故在該瞬間加在電樞繞組上的電壓接近兩倍的a外加電壓，如不串接電阻，將因電樞電流過大而使電刷與換向器表面產(chǎn)生強(qiáng)烈火花而損壞。（2） 當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低至接近零時就應(yīng)立即切斷電源，否則電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。反接制動一般用于要求強(qiáng)烈制動或要求迅速反轉(zhuǎn)的場合，通常只在小功率直流電動機(jī)上采用。4-18 4-19第二章直流牽引電動機(jī)的換向2.1直流電機(jī)磁場2.1.1主磁場直流電機(jī)的空載是指電樞電流為零，只有勵磁繞組中存在電流。因此，空載時電機(jī)的氣隙磁場完全有勵磁繞組的電流所產(chǎn)生。且可以不計其影響的一種運(yùn)行狀態(tài)，此時電機(jī)無負(fù)載，即無功率輸出。所以直流電機(jī)空載時的氣隙磁場可以看作就是主磁場，即由勵磁磁通勢單獨(dú)建立的磁場。當(dāng)勵磁繞組通入勵磁電流，各主磁極極性依次呈現(xiàn)為可極和S極，由于電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)對稱，不論極數(shù)多少，每對極的磁路是相同的，因此只要分析一對極的磁路情況就可以了。圖是一臺四極直流電機(jī)空載時的磁場分布示意圖（一對極的情形）。從圖中看出，由陌極出來的磁通，大部分經(jīng)過氣隙進(jìn)入電樞齒部，再經(jīng)過電樞磁軛到另一部分的電樞齒，又通過氣隙進(jìn)入aaaa牟極，再經(jīng)過定子磁輾回到原來出發(fā)的M極，成為閉合回路。這部分磁通同時匝鏈著勵磁繞組和電樞繞組，電樞旋轉(zhuǎn)時，能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢，或者產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，把這部分磁通稱為主磁通，用屮表示。此外還有一小部分磁通不0進(jìn)入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子磁輾形成閉合回路，這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈，稱為漏磁通，用CP打表示。由于主磁通磁路的氣隙較小，磁導(dǎo)較大，漏磁通磁路的氣隙較大，磁導(dǎo)較小，而作用在這兩條磁路的磁通勢是相同的，所以漏磁通在數(shù)量上比主磁通要小得多，大約是主磁通的15%-20%左右。圖1.16直流電機(jī)空載時的磁場分布示意圖1—極靴；2一極身；3—元子磁軛；4—勵磁繞組；5一氣隙；6—電樞齒；7—電樞磁軛由于主磁極極靴寬度總是比一個極距要小，在極靴下的氣隙又往往是不均勻的,所以主磁通的每條磁力線所通過的磁回路不盡相同,在磁極軸線附近的磁回路中氣隙較??；接近極尖處的磁回路中氣隙較大。如果不計鐵磁材料中的磁壓降，則在氣隙中各處所消耗的磁通勢均為勵磁磁通勢。因此，在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點(diǎn)磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。不考慮齒槽影響時，直流電機(jī)空載磁場的磁密分布如圖1.17所示。

圖1.17直流電機(jī)空載磁場的磁密分布圖1.17直流電機(jī)空載磁場的磁密分布cp,也就是需要有一定的勵磁磁通勢馬口，或者當(dāng)勵磁繞組匝數(shù)一定時，需要有0一定的勵磁電流'扣。把空載時主磁通Cp與空載勵磁磁通勢當(dāng)口或空載勵磁電流0』扣的關(guān)系，即cp=/（^o）或cp=『（"』，稱為直流電機(jī)的磁化曲線，它表明了0 0電機(jī)磁路的特性。0FfNF-ro(lfo)0FfN圖1.18電機(jī)的磁化曲線2.2.2電樞磁場直流電機(jī)帶有負(fù)載時.電樞繞組中有電流通過電樞繞組的電流也會產(chǎn)生磁場,稱為電樞磁場電樞磁場沿電樞表面的分布情況，與電樞電流的分布情況有關(guān)。在直流電機(jī)中，電樞電流的分界線是電刷，在電刷軸線兩側(cè)對稱分布，所以電樞磁場的分布情況與電刷的位t有關(guān)。電刷的正常位里，應(yīng)在主極軸線下的換向片上，這時與電刷相連接的電樞線圈單元位于幾何中心線上或附近。在分析電樞磁場的示意圖上常常省去換向器，把電劇畫成與線圈的導(dǎo)體育接相詐所以在正常情況下.電劇百墳畫在兒何中心線下面就電刷在幾何中心線上和偏離幾何中心線兩種倩況進(jìn)行分析。1.電刷在幾何中心線上此時，電樞電流以電刷為分界線，相鄰兩電刷間的電樞圓周上的導(dǎo)體電流方向都相同，而每一電刷的兩側(cè)的導(dǎo)體電流方向相反。因此，只要電刷不動，不論電樞是靜止或者旋轉(zhuǎn)，電樞表面電流分布的情況總是不變的，所以電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場在空間總是靜止的。圖1一28所示為兩極電機(jī)的電樞電流的方向和電樞磁場分布情況。兩極電機(jī)的電樞電流和磁場電樞磁場磁通的方向與導(dǎo)體電流方向間符合右手螺旋定則，這時電樞可以看成是一個電磁鐵，白的N極和S極位于電刷軸線上.因此電樞磁場的軸線為電刷軸線。與主極磁場的軸線在空間垂直，稱為文軸電樞磁場。主極隴場軸線稱為d軸，電樞磁場軸線稱為q軸。電樞磁勢在空間的分布情況.可應(yīng)用全電流定律進(jìn)行分析。將圖1-38展開成圖1-39,圖(a)表示電樞電流和磁通的分布，由圖可見電樞支路的中點(diǎn)對應(yīng)在主極的軸線上，電樞磁通環(huán)繞支路中點(diǎn)向兩邊對稱分布。以支路中點(diǎn)為基準(zhǔn)，任取一磁通管，通過磁通管所形成的回路的磁勢Fa等于此回路中所包含的全電流。因此，對應(yīng)主極中心點(diǎn)，回路磁勢為零;而通過電刷軸線的回路磁勢最大。假定電樞表面導(dǎo)體均勻而又連續(xù)分布,則電樞磁勢的分布曲線為一三角形，如圖1-39(h)所示。三角形分布的電樞磁勢將產(chǎn)生怎樣的磁密分布呢?從圖1-39(e)可以看到，每一電樞磁通都經(jīng)過電樞鐵心、氣隙和主極鐵心形成閉合回路，由于鐵磁物質(zhì)的磁阻相對空氣磁阻數(shù)值很小，可以認(rèn)為，上述閉合磁路中的盛勢全部降在兩個氣晾上。aaaa因此，電樞磁勢產(chǎn)生盛場的磁通密度為—a軸圖t-3a兩祖電機(jī)的電格扭場陽les39電棍扭勢和盆密分布刀一，。FoOs(1-22式中s'為有效氣隙長度在磁極下面，氣隙的長度基本不變，可以認(rèn)為B.隨Fe的增加而增加;但在極間區(qū)域，由于空氣隙變得很大，雖然凡繼續(xù)增加，但磁密B。反而減少所以B。的分布曲線為馬鞍形.如1-39(b)所示綜上所述，當(dāng)電刷在幾何中心線上時，電樞磁場有如下特點(diǎn)：在空間靜止不動；電樞磁場軸線與主極磁場軸線垂直，為交軸電樞磁場；電樞磁場磁密B。在空間的分布為馬鞍形2.2.3電樞反應(yīng)電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場，電棍磁場的出現(xiàn)必然會對空載時的主極磁場產(chǎn)生影響，稱為電樞反應(yīng)。交軸電樞磁勢對主極磁場的影響稱為交軸電樞反應(yīng);直軸電樞磁勢對主極磁場的影響稱為直軸電樞反應(yīng)1交軸電樞反應(yīng)在一般情況下，電刷總是位于幾何中心線上，電樞磁勢全部為交軸電樞磁勢,只有交軸電樞反應(yīng)，因而這種電樞反應(yīng)是常見的，此時電機(jī)中的磁場由兩種磁勢共同建立，即主極磁勢建立的磁場和電樞磁勢建立的磁場亞加而成。圖l-41(b)中B.表示空載時由主極磁勢單獨(dú)建立的主磁場沿電樞表面的分布曲線(梯形)。圖l-41(c)中Ba表示由交軸電樞磁勢單獨(dú)建立的電樞磁場沿電樞表面分布曲線(馬鞍形)。當(dāng)電機(jī)磁路不飽和時，磁路的磁阻為常值，可把B。和B。相加得負(fù)載后合成破場沿電樞表面的分布曲線Ba｝如圖l-41(c)中實線。實際上電機(jī)的進(jìn)路往往是飽和的，由于合成的磁通在增加的那一半極面中飽和程度增加，使該部分的磁阻增大，磁密減少，如圖1-41(c)中虛線所示aaaa交軸電樞磁場使電機(jī)氣隙磁密分布情況發(fā)生了變化交軸電樞反應(yīng)的影響是：氣隙磁場發(fā)生畸變。每個主極下的磁場，一半被削弱，另一半被加強(qiáng)，便氣隙的徽密分布曲線由平頂形變成尖頂形。氣隙磁場琦變以后會使電樞繞組一條支路中各申聯(lián)線圈間電勢分布很不均勻。如圖1-42所示，在極尖處的磁密大大增加，線圈處在這個部位時，感應(yīng)電勢很大使所接兩個換向片間電壓很大，可能超過換向片間的安全電壓，產(chǎn)生火花或電弧.使電機(jī)損壞。每極磁通減少和氣隙平均磁密下降。在磁路不飽和時，因主磁場被消弱的數(shù)量等于被加強(qiáng)的數(shù)#.所以氣隙磁通#和平均氣隙磁密沒有變化。實際上，由于磁路飽和的影響，一半極面下磁通增加的#小于另一半極面下磁通減少的#因此負(fù)暇時的每極磁通t比空載時的每極磁通量有所減少，則平均磁密有所下降。交軸電樞磁場對主極磁場起去磁的作用這種去磁作用是通過磁路飽和作用而產(chǎn)生的。2.直軸電樞反應(yīng)電刷不在幾何中心線時，電樞磁勢中包含有交軸和直軸電樞磁勢兩個分量,將同時出現(xiàn)交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)。交軸電樞反應(yīng)的影響如上所述。直軸電樞磁勢與主極軸線重合，若F與主極磁勢方向相同，起增磁作用;若凡與主極班勢方向相反，起去磁作用。去磁作用使電機(jī)的每極磁通#下降，導(dǎo)致電樞電勢顯奢降低;增磁作用將引起電機(jī)換向情況惡化。若F與主極磁勢方向相反，起去磁作用，去磁作用使電機(jī)的每極的磁通量下降，導(dǎo)致電樞電動勢顯著降低。2.2換向的基本概念2.2.1火花的現(xiàn)象和火花的等級人們從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，直流牽引電動機(jī)運(yùn)行時，其電刷與換向器之間常常伴有火花。火花通常出現(xiàn)在電刷的后刷邊，發(fā)生火花是直流電機(jī)換向不良的直接表現(xiàn)。如果火花在電刷上的范圍很小，亮度微弱，呈淺藍(lán)色，它對電機(jī)運(yùn)行并無危害，不必要求絕對沒有火花。但當(dāng)火花在電刷上的范圍較大，比較明亮，呈白色或紅色，就會灼傷換向器及電刷，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。因此，火花的大小直接反映了直流電機(jī)換向性能的好壞。aaaa火花等級分類火花等級電刷下的火花程度換向器及電刷的狀態(tài)1無火花換向器上沒有黑痕及電刷上沒有灼痕114電刷邊緣僅小部分（約1/5至1/4刷邊長）有斷續(xù)的幾點(diǎn)點(diǎn)狀火花112電刷邊緣大部分（大于1/2刷邊長）有連續(xù)的較稀的顆粒狀火花換向器上有黑痕但不發(fā)展，用汽油即能擦除，同時電刷上有輕微灼痕2電刷邊緣大部或全部有連續(xù)較密的顆粒狀火花，開始有斷續(xù)的舌狀火花換向器上有黑痕用汽油不能擦除，同時電刷上灼痕；如短時出現(xiàn)這級火花，換向器上不出現(xiàn)灼痕，電刷不燒焦或損壞3電刷整個邊緣有強(qiáng)烈的舌狀火花，伴有爆裂聲換向器上有黑痕用汽油不能擦除，同時電刷上灼痕；如在這一級火花下短時運(yùn)行，換向器上將出現(xiàn)灼痕，同時電刷將被燒焦或損壞表中1級、1丄級、1丄級均為無害火花，允許電機(jī)在這些等級火花下長期運(yùn)行。在2級火花作用下,2換向器上會出現(xiàn)灰渣和黑色的痕跡，隨著運(yùn)行時間的延長，黑色痕跡將逐漸擴(kuò)展，電刷和換向器磨損也顯著增加，因此2級火花只允許短時出現(xiàn)。電機(jī)運(yùn)行時絕不允許出現(xiàn)3級火花。直流和脈流牽引電動機(jī)由于工作條件惡劣，如負(fù)載急劇變化、電網(wǎng)電壓波動、強(qiáng)烈的機(jī)械振動和沖擊，在脈動電壓下工作等，都使電機(jī)的換向更加困難。為了保證牽引電動機(jī)運(yùn)行可靠，直流牽引電動機(jī)在運(yùn)行時火花等級應(yīng)限制在下述范圍內(nèi)：在額定磁場和個削弱磁場級位上正常運(yùn)行時，火花不應(yīng)超過1丄級，在其他情況下運(yùn)行時，火花不應(yīng)超過2級。對于脈流牽引電動機(jī)，其換向條件更為困難，允許在2級火花下持續(xù)運(yùn)行。此時，換向器表面將變黑，但只要不損害換向器工作表面，這種火花是允許的。aaaa直流和脈流牽引電動機(jī)在運(yùn)行過程中的火花情況，除使用專門的儀器側(cè)量外，是很難直接觀察到的。2.2.2換向的物理過程為了解每個電樞元件中電流換向過程，以一個單疊繞組元件為例來分析。為了簡便起見，假設(shè)電刷寬度b等于一個換向片片距B,電刷固定不動，換向器b K開始換向瞬間，電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片相接觸的位置，如（a）所示。這時換向元件屬于電刷右邊的一條電樞繞組支路，元件中流過電流i等于電樞繞組支路電流i，設(shè)此電流的方向為正；當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片都接觸的位置時，如a圖（b）所示，換向元件被電刷短路，這時隨著換向器的繼續(xù)移動，換向元件中的電流i開始減小。當(dāng)i減小到零之后，再反向增加；當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到電刷只與換芯片接觸，如圖（c）所示，換向元件屬于電刷左邊的一條電樞繞組支路，這時元件中的電流仍等于電樞繞組支路電流i，但其方向與原來相反，即為-i。至此,換向結(jié)束。如上所述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的電樞元件從電樞繞組一條支路經(jīng)過電刷進(jìn)入電樞繞組另一條支路時，該元件中電流從一個方向變換到另一個方向。電樞繞組元件中的電流方向的改變成為換向。換向元件從換向開始到換向結(jié)束所經(jīng)歷的時間稱為換向周期，以T表示，如k圖所示，T也就是換向過程中換向器在空間移動距離b所需的時間。換向周期k bT是很短的，通常只有千分之幾秒，在這么短的時間內(nèi)，換向元件中的電流，k有+i變到-i,因此產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢和電勢，然很短，但換向過程卻很復(fù)a a雜。2.2.3換向元件中的電動勢及換向電流1、換向元件中的電動勢電抗電動勢er根據(jù)電磁感應(yīng)定理，當(dāng)閉合回路中磁鏈變化時，將產(chǎn)生反電動勢，力圖阻止磁鏈的變化，即阻止電流的變化，這種反電動勢電抗電動勢。電抗電動勢e的方r向與換向前的電流方向一致，即換向元件中電抗電動勢e的作用是阻礙電流換r向的。電抗電動勢e的大小取決于電樞電流和轉(zhuǎn)速，電流越大，轉(zhuǎn)速越高，則r電抗電動勢e越大，電機(jī)換向就越困難。r電樞反應(yīng)電動勢ea電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，除了主磁場外，還存在電樞磁場，如圖所示，在幾個中心處，主磁場等于零，但存在著較強(qiáng)的電樞磁場。當(dāng)電樞磁場旋轉(zhuǎn)時，處于幾何中性線上的換向元件，將切割交軸電樞磁場而產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動勢e，根據(jù)右手a定則可以判斷e的方向也是與換向電流方向相同，即e和e方向一致，都是a a r阻礙電流換向的。換向電動勢eK上述所討論的兩個電動勢e和e，是沒有安裝換向極的電機(jī)中的換向元件r a中所感應(yīng)的電動勢，它們都是阻礙電流換向的。換向極極性正確，以使它的磁勢與交軸電樞反應(yīng)磁勢相反。這樣，當(dāng)換向元件切割換向極磁場時，感應(yīng)產(chǎn)生換向電動勢e，其方向與e和e相反，用來抵消e和e對換向的不利影響。因K r a r a此，當(dāng)電機(jī)換向時，換向元件回路內(nèi)合成電動勢等于以上電動勢之和，即€e=e+e-eraK當(dāng)換向電動勢e選擇的合適，使e=e+e，恰好可以互相抵消時，換向元K kra件中合成電動勢&=0，此時電動機(jī)能得到滿意的換向。如果換向極磁場不合適,則合成電動勢就不等于零,這時在換向元件中將產(chǎn)生附加電流。過大的附加電流,會使電機(jī)換向惡化。2、換向元件中的電阻如圖所示換向元件電路，若不計元件及引線電阻，換向回路的電阻即時電刷與換向片間的接觸電阻。接觸電阻的大小可以認(rèn)為和電刷接觸面積成反比，設(shè)R為電刷總接觸電阻，R、R分別為電刷與換向片1、2的接觸電阻，貝ij1 2R=R丄iTk—taaaa如圖的換向元件電路，可得換向元件回路的電動勢平衡方程。(ia+i)R-(i-i)R=€eTOC\o"1-5"\h\z1a 2換向元件中電流的變化規(guī)律為i=i(i-2)+x氣t”=i+iaTR T2 LKk k式中i—線換向電流Li 附加換向電流k在換向過程中，換向元件中的電流i的變化情況可根據(jù)€e的不同，可分為電阻換向、延遲換向和超越換向三種基本類型。電阻換向當(dāng)e=e,e時為理想換向情況，此時，元件中的合成電動勢€e=0,換向Kra元件中的電流的變化取決于換向元件回路電阻，故成為電阻換向。延遲換向在一般情況下，換向電動勢e并不可能抵消電抗電動勢e和電樞反應(yīng)電動K r勢e，若換向極磁場較弱，則e<e,e，合成電動勢€e?0，則換向元件中產(chǎn)生a Kra附加電流i,根據(jù)楞次定律可知，i是阻止換向電流