《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》第二版第三章-直流電機(jī)

第三章直流電機(jī)第一節(jié)

緒論第二節(jié)

直流電機(jī)的電樞繞組第三節(jié)

直流電機(jī)的空載磁場第四節(jié)

直流電機(jī)的電樞磁場第五節(jié)

電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩第三章直流電機(jī)第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理第八節(jié)

直流電動機(jī)的機(jī)械特性第九節(jié)

串勵和復(fù)勵直流電動機(jī)第十節(jié)

直流電機(jī)的換向第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理一．直流電機(jī)的特點(diǎn)

直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)直流電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)是直流電動機(jī)，多用于對調(diào)速要求較高和特殊性能要求的電氣傳動裝置；將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電機(jī)是直流發(fā)電機(jī)，主要用于發(fā)出直流電作為直流電源。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理一．直流電機(jī)的特點(diǎn)

直流電動機(jī)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：速度調(diào)節(jié)方便，調(diào)速范圍寬廣，易于平滑調(diào)速；起動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大；系統(tǒng)簡單，易于控制，可靠性較高。

直流電機(jī)的主要缺點(diǎn)是電刷與換向器的接觸式換向，它影響了電機(jī)的可靠性，需要定期維護(hù)，也限制了直流電機(jī)的極限容量。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理二．基本工作原理 下圖是一臺直流發(fā)電機(jī)的模型。

主磁極

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理二．基本工作原理 下圖是一臺直流發(fā)電機(jī)的模型。

線圈第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理二．基本工作原理 下圖是一臺直流發(fā)電機(jī)的模型。

線圈的兩端分別接到兩個相對放置的導(dǎo)電片(稱換向片)，換向片之間用絕緣材料隔開。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理二．基本工作原理 下圖是一臺直流發(fā)電機(jī)的模型。

電刷電刷第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理

當(dāng)原動機(jī)拖動電樞以恒定轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，在線圈

abcd中有感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小為：相對線速度磁密導(dǎo)體ab或cd的長度第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理

感應(yīng)電動勢的方向，用右手定則確定。在右圖所示瞬間，導(dǎo)體ab、cd的感應(yīng)電動勢方向分別由b指向a和由d指向

c。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理這時電刷A呈高電位，電刷B呈低電位。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理當(dāng)電樞逆時針方向轉(zhuǎn)過180°時，導(dǎo)體ab與cd互換了位置。此時，導(dǎo)體ab、cd的感應(yīng)電動勢方向都與剛才的相反，即分別由a指向b和由c指向d。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理但由于換向片隨著線圈一道旋轉(zhuǎn)，本來與電刷B相接觸的那個換向片，現(xiàn)在卻與電刷A接觸了；與電刷A相接觸的換向片與電刷B接觸了。顯然這時電刷A仍呈正極性，電刷B呈負(fù)極性。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理從右圖看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于N極下，同樣，和電刷B接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于S極下?？梢姡珹電刷總是呈正極性，B電刷總是呈負(fù)極性。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理如果電樞繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)體ab、cd又回到左圖所示位置，顯然電刷A呈高電位；電刷B呈低電位。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理由此可見，盡管線圈abcd中的感應(yīng)電勢方向是交變的，但由于換向器的作用，電刷A、B的極性始終不變，即電刷A、B兩端輸出直流電能。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理右圖所示為直流電動機(jī)的物理模型，電刷A、B接到直流電源上。電流的方向如圖所示。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理根據(jù)電磁力定律可知，載流導(dǎo)體ab、cd上受到的電磁力為：第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。導(dǎo)體ab和cd的受力方向如右圖所示。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理這個力乘以轉(zhuǎn)子的半徑，就是轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩。此時電磁轉(zhuǎn)矩的作用方向是逆時針方向。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下。此時，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理由此可見，雖然直流電動機(jī)電樞線圈里的電流方向是交變的，但由于電刷和換向器的緣故，電磁轉(zhuǎn)矩的方向是不變的。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理三．主要結(jié)構(gòu)

下圖是一臺常用的小型直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理三．主要結(jié)構(gòu) 下圖是一臺兩極直流電機(jī)的剖面圖：

電樞換向極主極機(jī)座第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理 直流電機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子和 轉(zhuǎn)子由前后兩個端蓋聯(lián)接和支撐。定子部分主要包括機(jī)座、主磁極、換向極和電刷裝置等。轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇和轉(zhuǎn)軸 等。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理定子部分——機(jī)座機(jī)座有兩方面的作用：一是導(dǎo)磁，二是機(jī)械支撐。 機(jī)座導(dǎo)磁部分稱為定子磁軛，是主磁路的一部分，一般多用導(dǎo)磁的鑄鋼或厚鋼板制成。

定子部分——主磁極

主磁極又稱主極，它在氣隙中產(chǎn)生按照一定波形分布的氣隙磁密。主磁極上還裝有勵磁線圈或永久磁鐵。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理下圖是主磁極的示意圖。主極鐵心是用0.5～1.0mm厚的硅鋼片沖制而成，然后疊裝在一起。繞制好的勵磁線圈套在主極鐵心上，用螺釘把整個主磁極緊固在機(jī)座的內(nèi)表面上。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理為了讓氣隙磁密沿電樞的圓周方向分布得更加合理，主磁極的鐵心做成下圖所示形狀，其中較窄的部分叫極身，較寬的部分叫極靴。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理定子部分——換向極 換向極又稱附加極，容量較大的直流電機(jī)，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極以改善直流電機(jī)的換向。定子部分——電刷

電刷通過換向片把電機(jī)轉(zhuǎn)動部分的電流引出或引入。電刷與換向器需要配合使用。

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理轉(zhuǎn)子部分——電樞鐵心電樞鐵心是直流電機(jī)主磁路的一部分。電樞旋轉(zhuǎn)時，鐵心中磁通方向的變化將在鐵心中引起渦流損耗與磁滯損耗。轉(zhuǎn)子部分——電樞繞組 電樞線圈嵌放在電樞鐵心的槽中，線圈的出線端與換向器的換向片按照一定的規(guī)律相連，構(gòu)成電樞繞組。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理 下圖為直流電機(jī)電樞示意圖：轉(zhuǎn)軸換向器電樞鐵心電樞繞組風(fēng)扇

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理轉(zhuǎn)子部分——換向器

換向器由一系列換向片組成，每兩個相鄰的換向片用絕緣薄片隔開。通常換向片數(shù)與線圈元件數(shù)相同。端蓋

端蓋把定、轉(zhuǎn)子聯(lián)成一個整體，前后兩個端蓋分別固定在定子機(jī)座的兩端，端蓋還對電機(jī)起著防護(hù)作用。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理 四．直流電機(jī)的額定值額定功率(容量)，單位為W或kW；額定電壓，單位為V；額定電流，單位為A；額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min；額定勵磁電壓，單位為V；額定勵磁電流，單位為A。

額定轉(zhuǎn)矩

，單位為

；

額定效率

。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理直流電動機(jī)的額定功率，定義為轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率：直流發(fā)電機(jī)的額定容量，定義為電刷端的輸出電功率：電動機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩為額定功率除以額定角速度， 即：

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理 直流電機(jī)運(yùn)行時，若各個物理量都達(dá)到額定值，就稱為額定運(yùn)行狀態(tài)。 如果電機(jī)電流小于額定電流，稱為欠載或輕載運(yùn)行；超過額定電流，稱為過載運(yùn)行。過載會造成電機(jī)過熱而燒毀；欠載運(yùn)行效率不高，浪費(fèi)資源。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理例3.1

一臺直流發(fā)電機(jī)，額定功率=160kW，額定電壓=230V，額定效率=90%，計算該發(fā)電機(jī)的輸入功率及額定電流。 解:額定輸入功率

額定電流第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組一．繞組的基本特點(diǎn) 電樞繞組在電機(jī)的磁場中旋轉(zhuǎn)，會感應(yīng)出電動勢；當(dāng)電樞繞組中有電流流過時，會產(chǎn)生電樞磁勢，它與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩。有了電動勢與電流便可產(chǎn)生電磁功率。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 對直流電機(jī)電樞繞組的基本要求如下：產(chǎn)生盡可能大的電動勢，且波形良好；能通過足夠大的電流；結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，可靠性高；換向良好。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 電樞繞組是由許多個形狀相同的線圈按照一定規(guī)律聯(lián)接起來的。每個線圈都稱為元件，元件的個數(shù)用S表示。左圖是一個多匝元件，用Ny代表元件的匝數(shù)，圖中Ny=2。同一個元件的首端和尾端接到不同的換向片上，各個元件通過換向片彼此聯(lián)接起來的。可見，電樞繞組總的元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，即S=K。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 電樞繞組是由許多個形狀相同的線圈按照一定規(guī)律聯(lián)接起來的。每個線圈都稱為元件，元件的個數(shù)用S表示。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組

元件嵌放在電樞鐵心的槽里，如下圖所示。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組同一個元件的一個元件邊占了某個槽的上半槽（該元件邊稱為上層邊），另一元件邊占了另一槽的下半槽（該元件邊稱為下層邊）。

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組同一個槽里能嵌放兩個元件邊，一個元件有兩個元件邊，所以電樞槽數(shù)等于元件數(shù)。

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組元件嵌放在槽內(nèi)的部分能切割氣隙磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，稱為有效部分。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組槽外的部分是端接部分，簡稱端部，在主磁極磁場之外，端部不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 在直流電機(jī)中，往往在一個槽里上、下層并列嵌放了幾個元件的元件邊。

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組把一個上層元件邊與一個下層元件邊視為一個虛槽。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組一個實(shí)槽中的虛槽數(shù)等于該實(shí)槽里上層或下層并列的元件邊數(shù)，用u表示。下圖中，虛槽數(shù)u

=3。用代表電機(jī)的總虛槽數(shù)，Z代表總實(shí)槽數(shù)，則有：第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組用N代表電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)，則有式中是每個元件的匝數(shù)。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 直流電機(jī)電樞繞組分為以下三種類型：疊繞組：又分為單疊繞組和復(fù)疊繞組。波繞組：又分為單波繞組和復(fù)波繞組。蛙繞組：由疊繞組和波繞組混合繞制。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組二．單疊繞組 電樞繞組中任何兩個串聯(lián)元件都是后一個疊在前一個上面的稱為疊繞組。1.節(jié)距 節(jié)距是指被聯(lián)接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，用所跨過的虛槽數(shù)或換向片數(shù)來度量。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第一節(jié)距 第一節(jié)距是同一個元件的兩個元件邊之間的跨距。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組確定的原則是使元件中感應(yīng)電動勢最大，即等于或接近一個極距。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(2)合成節(jié)距y

相鄰串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊之間的跨距稱為合成節(jié)距。對單疊繞組有:

y=1第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(3)換向器節(jié)距每個元件首、末端所聯(lián)兩個換向片之間的跨距稱為換向器節(jié)距，用換向片數(shù)目表示。對單疊繞組有。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(4)第二節(jié)距與同一個換向片相聯(lián)的兩個元件中元件1的下層元件邊到元件2的上層元件邊之間的跨距稱為第二節(jié)距。對單疊繞組有第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組連接元件時，聯(lián)接的順序是從左向右進(jìn)行，稱為右行繞組。左圖就是右行繞組。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組2.

單疊繞組的展開圖

繞組展開圖就是將電樞槽中沿圓周方向分布的繞組展開成平面。在畫繞組展開圖之前，首先要根據(jù)電機(jī)的參數(shù)計算出元件的各種節(jié)距。

下面通過一個具體的例子加以說明。

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組例3.3 一臺直流電機(jī)的極數(shù)，，畫出右行單疊繞組的展開圖。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組（1）節(jié)距計算： 第一節(jié)距

合成節(jié)距

換向器節(jié)距

第二節(jié)距

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組（2）畫出虛槽 畫出16根等長等距離的實(shí)線，在實(shí)線旁邊，再畫16根等長等距的虛線，分別代表各槽上層和下層元件邊。一根實(shí)線和一根虛線代表一個虛槽，依次把槽編上號碼，如下圖所示。（3）放置磁極 每個磁極的寬度大約等于

0.7倍極距，圖中用表示極距，4個磁極均勻分布在各槽之上，并標(biāo)上

N，S極性。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組（4）畫換向器 在槽的下方，畫16個小方塊代表換向片，換向片的編號應(yīng)與槽的編號有一定對應(yīng)關(guān)系。如下圖所示。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組（5）聯(lián)接繞組 元件1由換向片1經(jīng)第1槽上層，跨過節(jié)距，聯(lián)到第5槽的下層，然后回到換向片2。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組元件2由換向片2經(jīng)第2槽上層和第6槽下層相聯(lián)，然后回到換向片3。按此規(guī)律依次聯(lián)接，如下圖所示。(6)確定導(dǎo)體感應(yīng)電動勢方向

N極的磁場在氣隙里的方向是進(jìn)紙面的，S極是出紙面的。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組

1、5、9、13四個元件正好位于兩個主磁極的中間，該處氣隙磁密為零，所以不感應(yīng)電動勢。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組（7）放置電刷

在直流電機(jī)里，電刷組數(shù)與主極的個數(shù)一樣多。它們均勻地放在換向器表面圓周方向的位置。每個電刷的寬度大于等于每一個換向片的寬度。 放置電刷的原則是，要求正、負(fù)電刷之間得到最大的感應(yīng)電動勢，或被電刷所短路的元件中感應(yīng)電動勢最小。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組在下圖中，由于每個元件的幾何形狀對稱，如果把電刷的中心線對準(zhǔn)主極的中心線，就能滿足上述要求。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組被電刷所短路的元件正好是1、5、9、13，這4個元件中的電動勢為零。這四個元件把回路分成四段，每段串聯(lián)三個電動勢方向相同的元件。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組由于對稱關(guān)系，這四段電路中的電動勢大小相等，方向兩兩相反。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組3.

單疊繞組元件聯(lián)接次序

第1虛槽上層元件邊經(jīng)聯(lián)接到第5虛槽的下層元件邊，構(gòu)成了第1個元件。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第2虛槽上層元件邊經(jīng)聯(lián)接到第6虛槽的下層元件邊，構(gòu)成了第2個元件。3.

單疊繞組元件聯(lián)接次序

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第5虛槽的下層元件邊經(jīng)聯(lián)接到第2虛槽的上層元件邊，這樣就把第1、2兩個元件聯(lián)接起來了。3.

單疊繞組元件聯(lián)接次序

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組3.

單疊繞組元件聯(lián)接次序

依此類推，如下圖所示：第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組3.

單疊繞組元件聯(lián)接次序

從下圖中看出，從第1元件開始，相鄰元件依次串聯(lián)，繞電樞一周后又回到第1元件的起始點(diǎn)?？梢姡麄€繞組構(gòu)成一個閉合回路。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組4.

單疊繞組的并聯(lián)支路圖 按照之前各元件聯(lián)接的順序，可以得到如下圖所示的并聯(lián)支路圖：第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組4.

單疊繞組的并聯(lián)支路圖單疊繞組并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)。即

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組

綜上所述，單疊繞組具有以下特點(diǎn)：位于同一個磁極下的各元件串聯(lián)起來組成一個支路，有幾 個磁極就有幾條支路，即。對于對稱元件，電刷的位置與主磁極中心線位置一致時， 正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動勢最大。電刷組數(shù)等于極數(shù)。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 電刷的位置，雖然對準(zhǔn)主磁極的中心線，但被電刷所短路元件的兩個邊位于幾何中性線處。 所以，電刷放在幾何中性線上，是指被電刷所短路的元件的元件邊位于幾何中性線處。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組三．單波繞組

單疊繞組是把同一個磁極下的元件串聯(lián)起來組成一個支路，以保證支路中的元件電動勢同方向。

如果把相同極性磁極下的元件都串聯(lián)起來組成一個支路，相鄰串聯(lián)元件對應(yīng)邊的距離約為兩個極距，就形成了如圖3.12所示的波浪形態(tài)，稱為波繞組。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組三．單波繞組1.節(jié)距 (1)第一節(jié)距 與單疊繞組一樣，等于或接近一個極距。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(2)換向器節(jié)距

單波繞組應(yīng)使相串聯(lián)的元件感應(yīng)電動勢同方向。需要把相鄰兩個串聯(lián)的元件放在同極性磁極的下面，使它們在空間位置上相距約兩個極距。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(2)換向器節(jié)距

當(dāng)p個串聯(lián)的元件沿著圓周向一個方向繞了一周，其末尾所聯(lián)的換向片必須與起始的換向片1相鄰，才能使第二周繼續(xù)聯(lián)結(jié)下去，即 因此第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 在滿足為整數(shù)時，上式一般都取負(fù)號。這種繞組聯(lián)接的順序是從右向左進(jìn)行，稱左行繞組，如下圖所示。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(3)合成節(jié)距

合成節(jié)距與換向器節(jié)距相等。即：第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組(4)

第二節(jié)距

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組2.

單波繞組的展開圖下面通過一個具體的例子加以說明。例3.4 一臺直流電機(jī)，，，試聯(lián)成單波繞組。

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組（1）節(jié)距計算：第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 其余步驟同例

3.3，不再贅述。下圖是它的繞組展開圖。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組3.

單波繞組的并聯(lián)支路圖

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組3.

單波繞組的并聯(lián)支路圖 從上圖可以看出，單波繞組把所有N極下的全部元件串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路，所有S極下的全部元件串聯(lián)起來構(gòu)成另一支路。所以單波繞組的支路對數(shù)恒等于1，即

第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組 單波繞組具有以下特點(diǎn)：同極性下各元件串聯(lián)起來組成一個支路，支路對數(shù)。對于對稱元件，電刷位置與主磁極中心線位置一致時，支 路電動勢最大。電刷組數(shù)也應(yīng)等于極數(shù)。第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組

單疊繞組并聯(lián)支路數(shù)多，支路元件數(shù)少，適合電壓較低、電流較大的電機(jī)。 單波繞組支路對數(shù)恒等于1

，支路元件數(shù)較多，適合電壓較高、電流較小的電機(jī)。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場一．直流電機(jī)的勵磁方式 勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式。直流電機(jī)可分為以下幾種類型：他勵直流電機(jī)并勵直流電機(jī)串勵直流電機(jī)復(fù)勵直流電機(jī)第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場1.

他勵直流電機(jī) 他勵直流電機(jī)勵磁電流由其他直流電源單獨(dú)供電。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場2.

并勵直流電機(jī) 并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電機(jī)電樞的兩端并聯(lián)，電樞電壓等于勵磁電壓。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場3.

串勵直流電機(jī) 串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞回路串聯(lián)，電樞電流等于勵磁電流。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場4.

復(fù)勵直流電機(jī) 復(fù)勵直流電機(jī)的勵磁繞組分為兩部分，一部分與電樞回路串聯(lián)，一部分與電樞回路并聯(lián)。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場二．直流電機(jī)的磁場 直流電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時，其磁場是由電機(jī)勵磁繞組電流和電樞繞組電流共同產(chǎn)生的，其中勵磁繞組起著主要作用。 首先研究勵磁繞組里有勵磁電流，電樞繞組無電流時的磁場情況。我們把這種情況稱為電機(jī)的空載運(yùn)行，又稱無載運(yùn)行。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場1.磁通與磁動勢第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場磁通分為兩部分，絕大部分磁通閉合路徑如下圖所示，稱為主磁通。另一小部分磁通經(jīng)主極間的空氣或定子磁軛閉合，不參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，稱為漏磁通。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場 設(shè)每極主磁通為

Φ0，漏磁通為

ΦS，則通過每個主極鐵心中的總磁通為為主極漏磁系數(shù)，其大小與磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常kS=1.15～1.25第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場 設(shè)每極主磁通為

Φ0，漏磁通為

ΦS，則通過每個主極鐵心中的總磁通為

設(shè)產(chǎn)生主磁通

Φ0的每對極勵磁磁動勢為

F0，則由全電流定律有:

Nf

為每個主極上的勵磁繞組匝數(shù)

第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場 針對直流電機(jī)的特點(diǎn)，為便于求解，將主磁路分為五部分：定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙電樞齒電樞磁軛主磁極定子磁軛兩個氣隙，磁路長度為2

，磁場強(qiáng)度為Hδ

。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場兩個電樞齒，磁路長度為2hz

，磁場強(qiáng)度為

Hz

。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場兩個主磁極，磁路長度為

2hm

，磁場強(qiáng)度為

Hm

。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場一個定子磁軛，平均磁路長度為

Lj

，磁場強(qiáng)度為Hj

。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場一個轉(zhuǎn)子(電樞)軛，平均磁路長度為

La

，磁場強(qiáng)度為

Ha。

第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場

運(yùn)用全電流定律，參照磁路計算方法進(jìn)行求解，求得磁動勢F0，以及相應(yīng)的勵磁電流If

第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場2.

主磁場分布

設(shè)電樞表面光滑無齒，氣隙磁動勢為，x處的氣隙長度和氣隙磁密分別為

和，則有：第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場 由于極靴寬度小于極距，主極下的氣隙是不均勻的，氣隙磁密在一個極下的分布規(guī)律如下圖所示。

第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場3.磁化曲線 直流電機(jī)的磁化曲線是指電機(jī)的主磁通與勵磁磁動勢的關(guān)系曲線Φ0=f(F0)。

磁化曲線的起始部分基本上是一條直線 隨著Φ0的增大，磁通密度不斷增加，鐵磁材料逐漸開始飽和，磁導(dǎo)率開始下降，磁化曲線出現(xiàn)彎曲，斜率逐漸趨近于零。

第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場

為了充分利用導(dǎo)磁材料，電機(jī)磁路的額定工作點(diǎn)一般設(shè)計在磁化曲線開始彎曲的拐點(diǎn)附近。第三節(jié)直流電機(jī)的空載磁場

F0與

If

之間只差一個勵磁繞組匝數(shù)的倍數(shù)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定時，U與

Φ0

之間也只相差一個比例系數(shù)。 因此，磁化曲線可表示為

Φ0=f(F0

)

、U=f(If

)

、Φ0=f(If)

或U=f(F0)等多種形式。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場

當(dāng)電樞繞組中有電流流過時，該電流也會在電機(jī)中產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。 下面分別在電刷位于幾何中性線和偏離幾何中性線兩種情況下對該磁場進(jìn)行分析。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場一．電刷位于幾何中性線上只考慮電樞磁場。將電刷直接畫在電樞表面被電刷短路的元件邊所在的位置，即幾何中性線上。如右圖所示。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場一．電刷位于幾何中性線上

圖中，根據(jù)右手定則定性地給出了電樞電流所建立的磁場的分布情況。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 將電樞沿左側(cè)幾何中性線處展開成直線，畫出電刷和主極，以主極軸線與電樞表面的交點(diǎn)為原點(diǎn)O。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 在一個極距范圍內(nèi)，取距原點(diǎn)為+x和–x的兩點(diǎn)形成一矩形閉合回路，該回路包圍的總電流數(shù)為

第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場由全電流定律可知：

為消耗在該閉合回路各段磁路上的總磁動勢。假設(shè)磁路不飽和，則鐵磁材料中的磁壓降可忽略不計，全部磁動勢都消耗在兩個氣隙上，則全電流定律轉(zhuǎn)化為下式：其中，為x處電樞磁動勢第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場x處的電樞磁動勢為為電機(jī)的線負(fù)荷，表示沿電樞表面單位長度上安培導(dǎo)體數(shù)。在一個極距范圍內(nèi)運(yùn)用上式，可得到電樞磁動勢沿電樞表面的分布第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場電樞磁動勢沿空間的分布為三角形波，奇函數(shù)，在主極軸線處過零，在幾何中性線處有最大值第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 電刷位于幾何中性線上時，電樞磁動勢的軸線也位于幾何中性線上，與主極軸線（直軸）正交，故稱為交軸電樞磁動勢，其最大值用表示。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 由于主極下的氣隙不均勻，并且相鄰兩主極之間的氣隙很大，因此磁通密度的分布曲線為左圖所示的馬鞍形。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場二．電刷偏離幾何中性線

設(shè)電刷偏離幾何中性線的電角度為，相當(dāng)于在電樞表面偏移了弧長為的距離，如右圖所示。由于電刷總是電流分布的分界點(diǎn)，可以把電樞磁動勢分為兩部分來討論。

第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場一部分為2角之外的范圍內(nèi)的導(dǎo)體電流產(chǎn)生的交軸電樞磁動勢，如左圖所示，其最大值為：第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場另一部分為范圍內(nèi)的導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁動勢，該磁動勢的軸線與主極軸線重合，如左圖所示。稱為直軸電樞磁動勢，其最大值為：

第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場下圖為電刷偏離幾何中性線時的電樞磁動勢分布曲線。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場

的波形保持不變，但位置從幾何中性線向右平移了

的距離。其交軸分量和直軸分量的分布曲線分別如下圖所示。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場三．電樞反應(yīng) 電機(jī)的負(fù)載磁場是由勵磁磁場（空載磁場）和電樞磁場共同建立的。電樞磁場對勵磁磁場的作用稱為電樞反應(yīng)。 電樞磁場的交軸分量與直軸分量對勵磁磁場的作用與影響分別稱為交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)。

第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場1.

交軸電樞反應(yīng) 電刷在幾何中性線上時，電樞磁場只有交軸分量，如下圖所示。

第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 下圖中為空載氣隙磁密。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場為電刷在幾何中性線上時電樞磁場產(chǎn)生的氣隙磁密。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場為合成氣隙磁密波形。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 從下圖可知，合成后的氣隙磁場波形發(fā)生了畸變，電樞的幾何中性線過零點(diǎn)也偏移了一個角度。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響總結(jié)如下：電樞表面磁通密度過零點(diǎn)，即物理中性線偏離幾何中性線一個角。對電動機(jī)，偏移方向是逆著電樞轉(zhuǎn)向，對發(fā)電機(jī)，則是順著電樞轉(zhuǎn)向； 若不考慮飽和影響，合成磁場在每個主極下的磁場， 一半被削弱，一半被加強(qiáng)，總磁通不變，既不去磁，也不 增磁。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場

考慮飽和影響，合成磁場

為左圖中的紅線所示。被削弱的一半，磁密波形與不考慮飽和時相同；但對于被加強(qiáng)的一半，由于飽和影響，磁密曲線會下降，每極磁通量也會減少，呈現(xiàn)出去磁作用。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 以電動機(jī)為例，當(dāng)電刷逆電樞轉(zhuǎn)向從幾何中性線偏移角度時，直軸電樞磁場與勵磁磁場方向相反，起去磁作用。2.

直軸電樞反應(yīng) 由于直軸電樞磁場軸線與主極軸線重合，其作用只是影響每極磁通的大小。第四節(jié)直流電機(jī)的電樞磁場 反之，順電樞轉(zhuǎn)向偏移，直軸電樞磁場將起助磁作用。第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩一．電樞電動勢

電樞電動勢是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是電樞繞組每個支路里的感應(yīng)電動勢。求解時可以先求出一根導(dǎo)體切割氣隙磁場產(chǎn)生的平均電動勢，再乘上支路總導(dǎo)體數(shù)，即為電樞電動勢。

第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 設(shè)在每個磁極極距范圍內(nèi)，氣隙平均磁密為，極距為，電樞的軸向有效長度為，每極磁通為，則一根導(dǎo)體的平均電動勢為氣隙平均磁密導(dǎo)體的線速度第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 將以上兩式代入，可得 電樞電動勢為式中為常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)。電樞電動勢與每極磁通量和轉(zhuǎn)速成正比第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 將以上兩式代入，可得 電樞電動勢為式中為常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)。電樞電動勢的方向由電機(jī)的轉(zhuǎn)向和主磁場方向決定第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩例3.5

一臺4極直流發(fā)電機(jī)，電樞繞組是單波繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)為360。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2850r/min時，發(fā)出的電動勢=240V，求氣隙每極磁通量。第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 解： 電動勢常數(shù) 由公式，氣隙每極磁通為第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩二．電磁轉(zhuǎn)矩 根據(jù)電磁力定律，一根導(dǎo)體所受的平均電磁力為

式中

為導(dǎo)體里流過的電流；

是電樞總電流第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩二．電磁轉(zhuǎn)矩 根據(jù)電磁力定律，一根導(dǎo)體所受的平均電磁力為

式中

為導(dǎo)體里流過的電流；

是支路對數(shù)第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩二．電磁轉(zhuǎn)矩 根據(jù)電磁力定律，一根導(dǎo)體所受的平均電磁力為

式中

為導(dǎo)體里流過的電流；

一根導(dǎo)體受平均電磁力的作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：

是電樞的直徑第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 總電磁轉(zhuǎn)矩為： 將代入上式得： 式中，是一個常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和電樞電流成正比第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 總電磁轉(zhuǎn)矩為： 將代入上式得： 式中，是一個常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩的方向由磁場方向和電流方向決定第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩三.電動勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系 比較電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有

即：第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速

n和角速度

Ω之間存在下述關(guān)系 則可得電機(jī)常數(shù)

第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩例3.6 一臺四極直流電動機(jī)，額定功率為150kW

，額定電壓為440V，額定轉(zhuǎn)速為850r/min，額定效率為92.0%，單波繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)為200

，額定每極磁通為8.8，求額定電磁轉(zhuǎn)矩是多少？第五節(jié)電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 解： 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 額定電流 額定電磁轉(zhuǎn)矩第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理一．基本方程電機(jī)的基本方程包括電動勢平衡方程、轉(zhuǎn)矩平衡方程等。在列寫基本方程式之前，首先要規(guī)定好各物理量的正方向。左圖給出了直流發(fā)電機(jī)各量的正方向。發(fā)電機(jī)慣例第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理一．基本方程 根據(jù)基爾霍夫第二定律，可得到電動勢平衡方程：

電樞電動勢

發(fā)電機(jī)慣例第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 作用在直流發(fā)電機(jī)電樞上的轉(zhuǎn)矩共有三個：原動機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的機(jī)械摩擦以及鐵損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩，用表示?？蛰d轉(zhuǎn)矩是一個制動性的轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速方向相反。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩平衡方程為： 電磁轉(zhuǎn)矩：

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理

發(fā)電機(jī)的勵磁電流

是勵磁繞組的端電壓，

是勵磁回路總電阻。 氣隙每極磁通由空載磁化特性和電樞反應(yīng)而定。以上六個方程就是直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本方程式。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理二．功率關(guān)系 把電動勢平衡方程乘以電樞電流得式中，是直流發(fā)電機(jī)輸出的電功率；是電樞回路總電阻損耗，也稱為銅損。式中為發(fā)電機(jī)從原動機(jī)輸入的機(jī)械功率；為電磁功率；是發(fā)電機(jī)空載損耗功率，其中是發(fā)電機(jī)機(jī)械摩擦損耗，是鐵損耗。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 把轉(zhuǎn)矩平衡方程乘以電樞機(jī)械角速度，得 即

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 從上式中看出，具有機(jī)械功率性質(zhì)的電磁功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β市再|(zhì)的電磁功率后輸出給負(fù)載。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 綜合以上功率關(guān)系，可得

總損耗為：勵磁損耗雜散損耗第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 綜合以上功率關(guān)系，可得

總損耗為：發(fā)電機(jī)的效率為第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理例3.7

一臺四極并勵直流發(fā)電機(jī)，額定數(shù)據(jù)為：=6kW，230V，=1450r/min，電樞回路電阻=0.92Ω，并勵回路電阻=177Ω，電刷壓降2V，空載損耗。試求額定負(fù)載下的電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩及效率。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 解: 額定電流

勵磁電流

電樞電流 電樞電動勢第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理

電磁功率

電磁轉(zhuǎn)矩

輸入功率

效率

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理三．他勵直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 直流發(fā)電機(jī)的主要的物理量有：電樞端電壓、勵磁電流、負(fù)載電流、轉(zhuǎn)速。一般情況下，轉(zhuǎn)速是恒定的，為額定值。另外三個物理量只要保持一個不變，就可以得出另外兩個物理量之間的關(guān)系曲線，稱之為特性曲線。特性曲線有如下四種：第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理1.空載特性 指的是在轉(zhuǎn)速不變的條件下，空載時電樞電動勢與勵磁電流的關(guān)系，空載特性即為：電樞電動勢，因此。與的關(guān)系為空載磁化曲線。顯然空載特性與電機(jī)的空載磁化曲線一致。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理2.

外特性

保持勵磁電流為額定值，改變其負(fù)載的大小，端電壓U隨負(fù)載電流變化的曲線即為外特性，如右圖中曲線所示。

從曲線可以看出，電流增大，端電壓下降。

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 由空載到額定負(fù)載，電壓下降的程度用電壓變化率來表示，即% 式中，是空載時的端電壓，一般他勵直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率約為5%~10%。3.調(diào)節(jié)特性 當(dāng)負(fù)載電流變化時，保持他勵直流發(fā)電機(jī)的端電壓不變，需要調(diào)節(jié)勵磁電流：負(fù)載電流增大時，勵磁電流也增大，調(diào)節(jié)特性如右圖所示。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理4.效率特性

負(fù)載運(yùn)行時，電樞繞組的銅損耗與正比，稱為可變損耗； 鐵心損耗和機(jī)械損耗與負(fù)載大小無關(guān)，稱為不變損耗。若繼續(xù)增加負(fù)載，可變損耗隨著的增大而急劇增加，成為總損耗的主要部分，效率便反而隨著輸出增大而降低。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理隨著負(fù)載增加，增大，效率增高。當(dāng)可變損耗與不變損耗相等時，可達(dá)最高效率。負(fù)載很小，很小時，以不變損耗為主，但因輸出功率小，效率低。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 下圖所示為他勵直流發(fā)電機(jī)的效率特性。通常將最高效率點(diǎn)設(shè)計在額定點(diǎn)附近。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理四．并勵直流發(fā)電機(jī) 右圖所示為并勵直流發(fā)電機(jī)的接線圖。并勵發(fā) 電機(jī)存在著在內(nèi)部自己建 立電壓的過程，稱為自勵。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理1.

并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵條件 下圖中曲線1是電機(jī)的空載特性曲線，即，曲線2是勵磁回路的伏安特性曲線，即關(guān)系。

發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時，主磁極的剩磁會在電樞繞組產(chǎn)生電動勢，并在勵磁回路產(chǎn)生勵磁電流。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理

如果勵磁回路極性正確，在磁路里產(chǎn)生的磁通與剩磁方向相同，使主磁路里的磁通增加，于是電樞電動勢增大為，電樞端的剩磁電壓又增大，產(chǎn)生更大的勵磁電流。

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理該過程不斷增長，直到穩(wěn)定的工作點(diǎn)A。此時，勵磁電流與端電壓相對應(yīng)。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 曲線

2的斜率為

式中是勵磁繞組的電阻；是勵磁回路外串的電阻。

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理

當(dāng)增大時，角會增大。從下圖看出，當(dāng)大于時，發(fā)電機(jī)也不能自勵。

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理

對應(yīng)的勵磁回路的總電阻稱為臨界電阻，用表示，即

第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理 綜上所述，并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵條件為：電機(jī)的主磁路有剩磁；勵磁繞組極性正確；勵磁回路的電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理2.

外特性曲線 下圖中的曲線2是并勵直流發(fā)電機(jī)的外特性曲線。并勵時的電壓變化率要大得多。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理2.

外特性曲線并勵發(fā)電機(jī)外特性還有一個特點(diǎn)就是負(fù)載電流有“拐彎”現(xiàn)象。第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)工作原理2.

外特性曲線第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理一．電機(jī)的可逆原理

一臺電機(jī)在某一種條件下作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，而在另外一種條件下又可以作為電動機(jī)運(yùn)行，并且這兩種運(yùn)行狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換，稱為電機(jī)的可逆原理。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 一臺他勵直流發(fā)電機(jī)向直流電網(wǎng)供電，發(fā)電機(jī)中各物理量的正方向?yàn)橛覉D所示。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 發(fā)電機(jī)把從原動機(jī)輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸送 給電網(wǎng)。電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系為:第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 如果保持發(fā)電機(jī)勵磁電流不變，撤去原動機(jī)，則，。在撤去的瞬間，因發(fā)電機(jī)有機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，作用在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上僅剩下兩個制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩和，電機(jī)的轉(zhuǎn)速開始下降。 當(dāng)轉(zhuǎn)速降到某一轉(zhuǎn)速時，感應(yīng)電勢恰好與端電壓平衡，即，此時，電樞電流，發(fā)電機(jī)輸出的電功率。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 當(dāng)直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到以下，，電樞電流就變?yōu)樨?fù)值，電機(jī)從電網(wǎng)輸入電流，電機(jī)由原來向電網(wǎng)發(fā)出電功率變?yōu)閺碾娋W(wǎng)吸收電功率，即。電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，與轉(zhuǎn)速同方向，成為拖動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)進(jìn)入電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)了。

第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理二．他勵直流電動機(jī)的基本方程

為了方便，當(dāng)直流電動機(jī)運(yùn)行時，對各物理量的正方向要重新規(guī)定，他勵直流電動機(jī)各物理量采用電動機(jī)慣例時的正方向如左圖所示。電動機(jī)慣例第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理在該正方向下，如果乘積為正，表明向電機(jī)輸入電功 率；和都為正，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性轉(zhuǎn)矩；輸出轉(zhuǎn)矩也為正，電機(jī)軸上帶的是制動性的阻轉(zhuǎn)矩。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，他勵直流電動機(jī)的基本方程式為：電動勢平衡方程：

第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理轉(zhuǎn)矩平衡方程：以上六個方程就是他勵直流電動機(jī)的基本方程。各物理量都取決于負(fù)載，負(fù)載發(fā)生變化，各物理量也隨之改變。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理三．直流電動機(jī)的功率平衡關(guān)系

把電動勢平衡方程兩邊都乘以，得到： 即式中為電動機(jī)從電源輸入的電功率；為電磁功率，指電功率向機(jī)械功率轉(zhuǎn)換；為電樞回路總的銅損耗。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 把轉(zhuǎn)矩平衡方程兩邊都乘以機(jī)械角速度，得 即

式中為電磁功率；為電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；為空載損耗，包括機(jī)械摩擦損耗和鐵損耗 。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 他勵直流電動機(jī)的總損耗 若是并勵直流電動機(jī)，還應(yīng)包括勵磁損耗。 電動機(jī)的效率 式中，是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理例3.8 一臺他勵直流電動機(jī)，四極，單波繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=400，電樞回路總電阻。電源電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，氣隙每極磁通，此時電機(jī)的鐵損耗，機(jī)械摩擦損耗，忽略附加損耗。計算： (l)感應(yīng)電動勢； (2)電磁轉(zhuǎn)矩； (3)輸入功率 (4)效率。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 解（1）電樞電勢 （2）電樞電流電磁轉(zhuǎn)矩第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理（3）輸入功率（4）輸出功率 總損耗 效率第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理四．直流電動機(jī)的工作特性1.

轉(zhuǎn)速特性當(dāng)，時，的關(guān)系就稱為轉(zhuǎn)速特性。由電動勢平衡方程式，可得

第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理 轉(zhuǎn)速特性是一條向下傾斜的直線，如下圖所示。通常，較小，特性的斜率不大。

1.

轉(zhuǎn)速特性2.

轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)，時，的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)矩特性。電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理3.

效率特性當(dāng)，時，的關(guān)系叫效率特性。的曲線如左圖所示。

第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理3.

效率特性第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理負(fù)載電流從零開始增大時，效率逐漸增大；當(dāng)增大到一定程度后，效率又逐漸減小。3.

效率特性第七節(jié)直流電動機(jī)工作原理通常，電機(jī)在額定功率附近效率最大，此時電機(jī)的可變損耗與不變損耗基本相等。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性一．機(jī)械特性的表達(dá)式 直流電動機(jī)的機(jī)械特性是指電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即。不失一般性，在電樞回路中串入電阻。 把式和分別代入電動勢平衡方程中，得第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性式中稱為電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；稱為機(jī)械特性的斜率。上式為他勵和并勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性二．固有機(jī)械特性 電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時的機(jī)械特性，稱為固有機(jī)械特性。

第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性 他勵和并勵直流電動機(jī)固有機(jī)械特性曲線如下圖所示：第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性 他勵和并勵直流電動機(jī)固有機(jī)械特性具有以下幾個特點(diǎn)：(1)是一條向下傾斜的直線。隨著轉(zhuǎn)矩的增加，轉(zhuǎn)速下降。(2)特性曲線與縱軸的交點(diǎn)，為理想空載轉(zhuǎn)速， 在該點(diǎn)，，，。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性(3)特性曲線與橫軸的交點(diǎn)，稱為起動轉(zhuǎn)矩。此時，起動電流為。和都比額定值大得多。(4)特性曲線斜率。當(dāng)斜率很小時，特性 較平坦，特性硬；斜率大時，特性較陡峭，特性軟。(5)當(dāng)時，，轉(zhuǎn)速降，為額定轉(zhuǎn)速降。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性例3.9 一臺他勵直流電動機(jī)，額定功率，額定電壓，額定電流，額定速，電樞回路總電阻，忽略電樞反應(yīng)的影響，求：(1)理想空載轉(zhuǎn)速；(2)固有機(jī)械特性斜率。 (1) 理想空載轉(zhuǎn)速第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性

解：

(2)由于 斜率第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性

解：第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性例3.10

他勵直流電動機(jī)額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電樞回路總電阻，忽略空載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，計算電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性 解： 理想空載轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)速降第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性 負(fù)載時轉(zhuǎn)速降 電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速 電樞電流第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性三．人為機(jī)械特性 改變他勵和并勵直流電動機(jī)的參數(shù)后得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。人為機(jī)械特性有以下三種：電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性改變電樞電壓的人為機(jī)械特性減少氣隙磁通量的人為機(jī)械特性

第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性1.

電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性

電樞加額定電壓，每極磁通為額定值，電樞回路串入電阻R后，機(jī)械特性為

第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性

電樞回路串入不同電阻值的人為機(jī)械特性如左圖所示。

電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性是一組向下傾斜的放射狀直線，均過理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)，電樞回路串入的電阻值越大，特性斜率就越大。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性 與固有機(jī)械特性相比，理想空載轉(zhuǎn)速不變，串入的電阻值越大，斜率越大，特性越陡峭。

第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性2.

改變電樞電壓的人為機(jī)械特性 保持每極磁通為額定值，電樞回路不串電阻，只改變電樞電壓時，機(jī)械特性為

第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性

理想空載轉(zhuǎn)速隨著

U不同而發(fā)生變化，并成正比關(guān)系。但其斜率不變，與固有機(jī)械特性斜率相同。

第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性 改變電壓的人為機(jī)械特性如下圖所示。

改變電壓U的人為機(jī)械特性是一組平行直線，隨著端電壓U的下降，機(jī)械特性向下平移。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性3.

減少氣隙磁通量的人為機(jī)械特性

電機(jī)磁路接近飽和，改變磁通只能是減少磁通。減小氣隙每極磁通的方法是減小勵磁電流。 僅改變每極磁通的人為機(jī)械特性表達(dá)式為 理想空載轉(zhuǎn)速；斜率。第八節(jié)直流電動機(jī)的機(jī)械特性

減少每極磁通的人為機(jī)械特性如下圖所示。

減少每極磁通的人為機(jī)械特性是一組在固有機(jī)械特性之上的既不平行又不呈放射狀的直線。每極磁通越小，機(jī)械特性的位置就越靠上。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī)一．串勵直流電動機(jī)串勵直流電機(jī)的勵磁繞組串聯(lián)在電樞回路中，其原理圖如左圖所示。勵磁電流等于電樞電流，即：第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī) 假設(shè)電機(jī)磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流成正比。

式中，是比例常數(shù)。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī) 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩： 電樞電流： 電樞電流隨電機(jī)負(fù)載而變化，所以磁通也隨著負(fù)載的變化而不同。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī) 將上式代入電機(jī)的電壓平衡方程式，可得串勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為：

如左圖中的曲線所示。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī) 從上式中可以看出，隨著電磁轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速迅速下降，機(jī)械特性呈非線性關(guān)系，且特性很軟。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī)直流電動機(jī)的機(jī)械特性1—他勵；2—復(fù)勵；3—串勵隨著電磁轉(zhuǎn)矩增大，電流也增加，電機(jī)磁路接近飽和，磁通接近常數(shù)。此時，串勵電動機(jī)的機(jī)械特性開始變硬，接近于他勵電動機(jī)的特性。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī)綜上所述，串勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性有如下特點(diǎn)：特性呈非線性，且很軟；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩時，。即理想空載轉(zhuǎn)速很大。因此串勵直流電動機(jī)不允許空載運(yùn)行。起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī)二．復(fù)勵直流電動機(jī)

左圖是復(fù)勵直流電動機(jī)的電路圖。若其并聯(lián)的并勵繞組與串聯(lián)的串勵繞組極性相同，稱為積復(fù)勵；極性相反，稱為差復(fù)勵。第九節(jié)串勵和復(fù)勵直流電動機(jī) 積復(fù)勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性介于他勵與串勵直流電動機(jī)特性之間，具有串勵電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又避免了空載轉(zhuǎn)速很高的缺點(diǎn)。其機(jī)械特性曲線如左圖中曲線

2。直流電動機(jī)的機(jī)械特性1—他勵；2—復(fù)勵；3—串勵第十節(jié)直流電機(jī)的換向一．換向過程

當(dāng)旋轉(zhuǎn)著的電樞繞組中的某元件從一條支路進(jìn)入另一條支路時，該元件中的電流將變換方向。把元件中電流方向發(fā)生變換的過程稱為換向。電刷和換向片寬度分別為、，電刷保持靜止，換向器以線速度向左運(yùn)動。第十節(jié)直流電機(jī)的換向第十節(jié)直流電機(jī)的換向當(dāng)電刷僅與換向片

1接觸時，如左圖所示，元件

1屬于電刷右邊的支路，其中電流為，方向?yàn)橄聦舆吜飨蛏蠈舆叀５谑?jié)直流電機(jī)的換向

隨著換向器向左運(yùn)動，電刷同時與換向片1和2接觸，元件

1被電刷短路，如左圖所示，換向過程開始。第十節(jié)直流電機(jī)的換向左圖中電刷與換向片

2

完全接觸，元件

1屬于電刷左邊的支路，電流值仍為，從上層邊流向下層邊，方向相反。第十節(jié)直流電機(jī)的換向 下圖為元件1的理想換向電流曲線。換向周期。通常，的持續(xù)時間約為幾個毫秒。

換向會直接影響直流電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。換向不良會導(dǎo)致電刷與換向器間產(chǎn)生火花。當(dāng)換向火花超過一定限度時，造成電刷與換向器加劇磨損，嚴(yán)重時會損壞電刷與換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。

研究表明，換向過程不僅僅是上述電磁過程，還伴隨著復(fù)雜的化學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械等因素，且相互影響，至今尚無完整的理論分析。目前還只能用經(jīng)典換向理論進(jìn)行分析。第十節(jié)直流電機(jī)的換向第十節(jié)直流電機(jī)的換向二．經(jīng)典換向理論簡介

經(jīng)典換向理論只考慮換向的電磁過程。

1.

換向元件中的電動勢換向元件中存在著兩種不同的電動勢，下面分別進(jìn)行討論。第十節(jié)直流電機(jī)的換向（1）旋轉(zhuǎn)電動勢 設(shè)換向區(qū)域內(nèi)的磁通密度為，電樞表面線速度為，換向元件匝數(shù)為，元件邊長度為，換向元件在換向過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢

第十節(jié)直流電機(jī)的換向（2）電抗電動勢

換向元件在換向周期內(nèi)電流從變?yōu)?，將在元件中產(chǎn)生試圖阻止電流的變化的感應(yīng)電動勢，稱為電抗電動勢。 換向元件中的電抗電動勢包括自感電動勢和互感電動勢兩部分。第十節(jié)直流電機(jī)的換向 電抗電動勢的形式為等效漏電感第十節(jié)直流電機(jī)的換向 電抗電動勢的形式為 綜上可知，換向元件中總的電動勢應(yīng)為對于換向良好的電機(jī)，和大小相當(dāng)方向相反，；反之，換向不良時不為零，有可能在電刷下產(chǎn)生火花。第十節(jié)直流電機(jī)的換向2.

電動勢平衡方程及電流變化規(guī)律在左圖中，i是元件

1中的換向電流，和分別表示其引線

1和2經(jīng)換向片1和2流過電刷的電流。

第十節(jié)直流電機(jī)的換向2.

電動勢平衡方程及電流變化規(guī)律、和分別為