《電機與拖動學習指導與實驗教程》教學課件-02直流電機

第2章直流電機

直流電機是將直流電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電機。分為直流電動機和直流發(fā)電機。第2章直流電機直流電動機把電能轉(zhuǎn)化為機械能；直流發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)化為電能。直流電機的特點：直流發(fā)電機的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小。直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動機過載能力較強，啟動和制動轉(zhuǎn)矩較大。調(diào)速時的能量損耗較小。易于控制，可靠性高。換向困難，使直流電機容量受到限制。第2章直流電機

直流電機使用場合：

直流電動機具有過載能力強、起動和調(diào)速性能好、易于控制等優(yōu)點，因此被廣泛地應用在對起動性能及調(diào)速性能要求高的場合，如電力機車、重型機械及軋鋼機等動力裝置中。

直流發(fā)電機主要做直流電源用。第2章直流電機電源勵磁機測速伺服直流電機的使用場合：（1）直流電動機的工作原理2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)說明直流電動機的工作原理的模型。NSNS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁感線會產(chǎn)生什么？換向片（1）直流電動機的工作原理2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)

工作原理：電刷外部的是直流電，通過電刷和換向片的作用使元件中的電流成交變的，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向是恒定的，也可以說直流電動機實質(zhì)上是帶有換向器裝置的交流電動機。（1）直流電動機的工作原理2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)機械負載克服反電動勢做功換向Φ旋轉(zhuǎn)（1）直流電動機的工作原理直流電動機運行時的幾點結(jié)論外施電壓、電流是直流，電樞線圈內(nèi)電流是交流；線圈中感應電勢與電流方向相反；線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的。電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的；產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動性質(zhì)；2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)電樞換向器NS電樞繞組與換向片焊接電樞繞組電動機工作原理（2）直流發(fā)電機的工作原理說明直流發(fā)電機的工作原理的模型NSNS－E＋－E＋2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)（2）直流發(fā)電機的工作原理

工作原理：元件中的電動勢及電流的方向是交變的，只是經(jīng)過電刷和換向片的整流作用，才使外電路得到方向不變的直流電。直流發(fā)電機實質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機。2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)a）元件電動勢

b）電刷電動勢

2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)（2）直流發(fā)電機的工作原理（2）直流發(fā)電機的工作原理輸出直流電原動機感應電動勢、電流電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功Φ換向

電磁關(guān)系直流發(fā)電機運行時的幾點結(jié)論:（2）直流發(fā)電機的工作原理電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電；電刷間為直流電勢。線圈中感應電勢與電流方向一致；從空間看，電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是制動性質(zhì)。（3）電機的可逆原理指同一臺電機能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。2.1直流電機的基本工作原理和基本結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)普通直流電機由定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有一定大小的間隙（稱氣隙）。2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)1）定子部分包括主磁極、換向極、機座和電刷裝置等。

（1）主磁極主磁極包括主磁極鐵心和套在鐵心上的勵磁繞組兩部分。主磁極鐵心用1～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。1）定子部分（2）換向極:又稱附加極或間極，其作用是用以改善換向。換向極裝在相鄰兩主極之間，它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。換向極的鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，由于需要通過較大電流而用截面大、匝數(shù)少的矩形截面導線繞制。1）定子部分（3）機座機座有兩個作用：一是作為電機磁路系統(tǒng)中的一部分，這部分稱磁軛；二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機械支承的作用。要求機座有好的導磁性能及足夠的機械強度與剛度。機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。1）定子部分（4）電刷裝置電刷裝置由電刷、刷握、壓緊彈簧和銅絲辮組成。2）轉(zhuǎn)子部分直流電機的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等。2）轉(zhuǎn)子部分（1）電樞鐵心電樞鐵心也有兩個用處，一個是電機主磁路的一部分；另一個是用來嵌放電樞繞組。

為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。2）轉(zhuǎn)子部分（2）電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的元件組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應電動勢，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵性部件。詳細分析見2.3節(jié)。2）轉(zhuǎn)子部分（3）換向器換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。常見的換向器型式的換向片下部為燕尾形。2.2直流電機的銘牌與勵磁方式2.2.1直流電機的銘牌電機廠家根據(jù)國家標準及電機的設(shè)計數(shù)據(jù)，對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值稱為電機的額定值。若電機運行時，各數(shù)據(jù)符合額定值，這樣的運行情況稱為額定工況。直流電機的額定值：（1）額定功率PN（kW）：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率。

對電動機：額定功率是指輸出的機械功率；

對發(fā)電機：額定功率是指輸出的電功率。2.2.1直流電機的銘牌直流電機的額定值：（2）額定電壓UN（V）：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓。（3）額定電流IN（A）：指電機運行在U=UN、P=PN電機的電流。（4）額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）：指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。（5）額定勵磁電壓UfN（V）（僅對他勵電機）。（6）額定勵磁電流IfN（A）。2.2直流電機的銘牌與勵磁方式2.2.1直流電機的銘牌對發(fā)電機額定功率為：

對發(fā)電機額定功率為：

2.2直流電機的銘牌與勵磁方式例2-1：已知某直流電動機銘牌數(shù)據(jù)如下：PN

=75kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=88.5%，試求：該電機的輸入功率及額定電流各是多少？

解：對于直流電動機：

故額定運行時輸入的電功率：

故該電機的額定電流:

2.2.2直流電機勵磁方式勵磁方式：指給直流電機勵磁繞組的供電方式。分為他勵和自勵式兩大類。自勵式又分為并勵、串勵、復勵三種電機。圖中：I為電源電流，If為勵磁電流，Ia為電樞電流。

（a）他勵

（b）并勵（c）串勵

（d）復勵2.2.2直流電機勵磁方式1）他勵式

他勵式是指勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。永磁直流電機也屬于他勵直流電機，因勵磁磁場與電樞電流無關(guān)。2.2.2直流電機勵磁方式2）自勵式

（1）并勵式：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵磁電壓等于電樞繞組端電壓。

對于直流電動機：

對于直流發(fā)電機：

（此時I稱為負載電流）

2.2.2直流電機勵磁方式2）自勵式

（2）串勵式：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；勵磁電流等于電樞電流，所以勵磁繞組的導線粗而匝數(shù)較少。

2.2.2直流電機勵磁方式2）自勵式（3）復勵式：每個主磁極上套兩個勵磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同稱為積復勵，兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相反稱為差復勵。通常采用積復勵方式。

2.3直流電機電樞繞組2.3直流電機電樞繞組

電樞繞組就是直流電機轉(zhuǎn)子繞組，是直流電機的電路部分，也是直流電機的核心部分，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。

電樞繞組的構(gòu)成應能產(chǎn)生足夠的感應電勢，并允許通過一定的電樞電流，此外還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。

電樞繞組組成原則:2.3.1電樞繞組的基本概念

按其繞組元件和換向器的聯(lián)接方式不同，可以分為疊繞組（單疊和復疊）、波繞組（單波和復波）和混合繞組。

元件:

首尾兩端分別與兩個換向片相連接的線圈，稱為元件，是組成繞組的基本單元。直流電機電樞繞組的型式：

元件可為單匝，也可為多匝，一個元件由兩條導體邊和端接線組成，元件的兩個出線端分別接到兩片換向片上，并與其它元件相連。單疊繞組元件：單匝元件兩匝元件元件相連2.3.1電樞繞組的基本概念電樞繞組與換向片1）單疊繞組通過換向片，6個元件依次串連構(gòu)成一個閉合回路。結(jié)論：單疊繞組的聯(lián)結(jié)示意圖：位于對稱位置的電刷將閉合的6個線圈分成兩條并聯(lián)支路。兩個電刷位于換向器內(nèi)圓對稱位置(實際放置在外圓上)。1）單疊繞組

波繞組元件：單匝元件兩匝元件思考:疊繞組元件和波繞組元件的特點？2.3.1電樞繞組的基本概念2.3.1電樞繞組的基本概念

元件嵌入槽內(nèi)的規(guī)律：

置于槽內(nèi)稱為有效邊，端接線置于鐵心外，不切割磁場，僅起連接線作用。

一個槽里總有上下層兩個線圈邊，稱為雙層繞組。2.3.1電樞繞組的基本概念

虛槽：大型電機為了避免開過多槽，往往電樞每槽上、下層有多個元件邊，

說明元件的空間安排時，就一律以虛槽來編號，用虛槽數(shù)為計算單位，u=2即表明一個實槽Q包含2個虛槽Qu，則：

由于一個換向片與不同元件的兩個出線端相連接，換向片數(shù)K。則有：

假如電機中每槽上、下層分別包含u個元件，u為槽內(nèi)一層嵌放的元件邊數(shù)，圖u=2。2.3.1電樞繞組的基本概念

4極（）直流電機結(jié)構(gòu)示意圖：

幾何中性線：磁極之間的平分線

極距

：在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。用虛槽數(shù)表示為：

主極軸線：磁極的中心線2.3.2直流電樞繞組的節(jié)距

電樞繞組的連接規(guī)律是通過繞組的節(jié)距來表征。

一個元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離稱為第一節(jié)距。如以虛槽數(shù)計，總是整數(shù)。即：

整距繞組；短距繞組；長距繞組。

（1）第一節(jié)距y12.3.2直流電樞繞組的節(jié)距

（2）第二節(jié)距y2

相串連的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離，稱為第二節(jié)距。也用虛槽數(shù)計算。

（3）合成節(jié)距y

相串連（相鄰）的兩個元件對應邊在電樞合成節(jié)距y。對于疊繞組：對于波繞組：2.3.2直流電樞繞組的節(jié)距

（4）換向器節(jié)距yk

一個元件的兩個出線端所連接的兩個換向片之間所跨的距離，稱換向器節(jié)距yk。

其大小用換向片數(shù)計算，則有yk=y。2.3.3單疊繞組和單波繞組

疊繞組：

疊繞組是指各極下元件依次連接，后一個元件總是疊在前一個元件上

單疊元件在電樞上的聯(lián)接

取正號則繞行換向片一周后，比出發(fā)時的換向片前進一片，稱為右行繞組；取負號則后退一片，稱為左行繞組。一般采用右行繞組。2.3.3單疊繞組和單波繞組

波繞組：

波繞組是指把相隔約為一對極下的同極性磁場下的相應元件串連起來，像波浪一樣向前延伸。主要內(nèi)容：（用實例說明）繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距；繞組展開圖；元件聯(lián)結(jié)圖；并聯(lián)支路圖。1）單疊繞組單疊繞組分析實例解：節(jié)距計算：y＝y(tǒng)k＝1計算節(jié)距y、y1和y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極例2-3：

2p＝4，Qu＝S＝K＝16，試繪制單疊右行繞組展開圖。1）單疊繞組1單疊繞組展開圖1.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－1）單疊繞組繞組放置元件1：上元件邊在1槽上層，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。元件2：上元件邊在2槽上層，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推放置其他元件。

虛槽中的上層元件邊用實線表示，下層元件邊用虛線表示，元件邊上下的斜線表示端接。1）單疊繞組某一瞬間磁極、電刷放置磁極：磁極寬度約0.7τ，均勻分布，N、S極交替安排。電刷：為了在正負電刷間獲得最大直流電勢以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢為零的位置。在磁極的幾何中性線上的元件電勢為零，在同一極性主極下的元件邊電勢具有相同的方向。電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主極軸線對準的換向片上。

1）單疊繞組單疊繞組元件聯(lián)結(jié)圖

繞電樞一周，所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。

5′6′7′8′9′10′11′

12′13′14′15′16′1′2′3′4′123456789101112

131415161

y2yy1

兩元件之間的虛線，表示通過換向器上的同一片換向片把兩元件串聯(lián)起來。

元件、上元件邊及其所在的虛槽，與其聯(lián)結(jié)的換向片都具有相同的號碼，下元件邊用它所在的虛槽的號碼上標加一撇表示。1）單疊繞組單疊繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖每個極下的元件組成一條支路，即單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機的極數(shù)。

23478610111214161551391A1A2B1B2121095613141）單疊繞組單疊繞組的特點元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p；整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，繞組內(nèi)部無環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù);正負電刷引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓;由正負電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即1）單疊繞組思考題？答：取掉B1，A2，四條支路變?yōu)閮蓷l。1、直流電機電樞繞組取掉相鄰一個或兩個電刷，直流電機會怎樣運行？2、取掉相對（B1，B2）電刷會怎樣？答：整個回路被A1和A2短接，電機不能工作。3、電樞繞組閉合回路是否有環(huán)流？答：各支路電勢數(shù)值相等，電樞繞組回路總電勢為零。不出現(xiàn)環(huán)流。1）單疊繞組思考題？答：主極數(shù)越多，電樞電流越大，故選用8磁極。4、大電流直流電機，選用2磁極還是8磁極？

為了增大電樞電流Ia，應增加并聯(lián)支路數(shù)，即增加主極數(shù)。但主極數(shù)受電機結(jié)構(gòu)的限制，不能任意增加?？梢圆捎脧童B繞組，使支路數(shù)成倍增加。1）單疊繞組主要內(nèi)容：繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距繞組展開圖元件聯(lián)結(jié)圖并聯(lián)支路圖2）單波繞組

yk

N

Sy1y2對照單疊繞組y=y1+y2≈2τyk=

y

把相隔約一對極距的同極性的元件串聯(lián)。

N

S

N

S11515yk左行繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距2）單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距首末端所接的兩換向片相隔很遠，兩個元件緊相串聯(lián)后形似波浪。為了使緊相串聯(lián)的元件所產(chǎn)生的電勢同向相加，這兩個元件邊應處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距

。2）單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距沿電樞鐵心一周后，必須回到原來起始換向片相鄰的一換向片上，這樣繞組才能繼續(xù)往下繞。

因此，換向片節(jié)距yk應滿足，即：

。

yk為一整數(shù)，取正號時，繞組聯(lián)結(jié)成右行繞組，取負號時，可得左行繞組。一般取負號，這時端接稍短。2）單波繞組單波繞組分析實例例2-4：2p＝4，Qu=S＝K＝15，試繞左行單波繞組。節(jié)距計算:計算節(jié)距y、y1和y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極2）單波繞組元件、磁極、電刷放置原則元件、換向片的放置：

1號元件上層邊放1號槽，下層邊放4號槽；首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對稱，首末端所連的兩換向片之間的中心線與1號元件的軸線重合。1號元件上層邊所連的換向片定為1號，依此依次聯(lián)接。

磁極放置：

N、S極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：放在與主極軸線對準的換向片上。

2）單波繞組單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷2）單波繞組單波繞組元件聯(lián)結(jié)圖

從繞組展開圖可以看出，全部15個元件串聯(lián)而構(gòu)成一個閉合回路的順序是：1815714613512411310291聯(lián)結(jié)圖如下：

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18157146135124113

10291y2yy12）單波繞組單波繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對數(shù)a與極對數(shù)多少無關(guān)，永遠為1，即a＝1。

234761011121415A1A2B1B21158954139128152）單波繞組單波繞組的特點

同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)a＝1，與磁極對數(shù)p無關(guān)。當元件的幾何尺寸對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大。

電刷組數(shù)應等于極數(shù)；電樞電流Ia＝2ia

。2）單波繞組思考題？答：不能，這樣會使電刷下的平均電流密度增大，容易損壞電刷。1、既然一對正、負電刷可構(gòu)成一對支路，單波繞組是否只需要一對正、負電刷？答：3個。2、單波繞組p=3，則一周有幾個繞組串聯(lián)？2）單波繞組單疊繞組和單波繞組的區(qū)別單疊繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件，形成一條支路。每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。疊繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適用于較大電流、較低電壓的電機。

單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。整個繞組只有一對支路，極數(shù)的增減與支路數(shù)無關(guān)。2a＝2。波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，適用于較高電壓、較小電流的電機。直流電機繞組的歸納所有的直流電機的電樞繞組總是自成閉路。電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠是成對出現(xiàn)，這是由于磁極數(shù)(2p)是一個偶數(shù)。

注：a－支路對數(shù)

p－極對數(shù)為了得到最大的直流電勢，電刷總是與位于幾何中性線上的導體相接觸。2.4直流電機的磁場2.4直流電機的磁場直流電機負載運行時的磁場由勵磁電流和電樞電流共同建立。直流電機空載運時磁場由勵磁電流產(chǎn)生。直流電機電樞磁場由電樞電流建立。為了弄清穩(wěn)態(tài)運行時直流電機內(nèi)部的電磁過程，必須先分別了解空載和電樞單獨產(chǎn)生的磁場，再分析負載時電機內(nèi)部的磁場。2.4.1直流電機的空載磁場電機中磁場的分布是對稱的，由勵磁磁動勢所建立的主極磁通分兩部分：主磁通Φ0和漏磁通Φ。對比：主磁通Φ0和漏磁通Φs主磁通Φ0和漏磁通Φs由同一磁動勢建立；Φ0所走的路徑氣隙小，磁阻小；Φs所走的路徑氣隙大，磁阻大。2.4.1直流電機的空載磁場思考：請說明主磁通Φ0和漏磁通Φs所走的路徑、大小、作用的不同之處。（1）磁通(磁路)與磁動勢主磁路從氣隙1出發(fā)經(jīng)－電樞齒－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1，最后又回到氣隙1。2.4.1直流電機的空載磁場

整個閉合磁路分為5段：兩個氣隙、兩個電樞齒、一段電樞軛、兩個主極鐵心和一個定子軛。（1）磁通(磁路)與磁動勢主磁通、主磁路：由N極出發(fā)，經(jīng)氣隙進入電樞齒部，經(jīng)電樞鐵心的磁軛到另外的電樞齒，通過氣隙進入S極，再經(jīng)定子軛回到原來N極。主磁通交鏈勵磁繞組和電樞繞組，在電樞繞組中感應電勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。漏磁通、漏磁路：不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過周邊空氣及相鄰的磁極或定子軛自身閉合。影響飽和程度2.4.1直流電機的空載磁場（2）氣隙磁密分布Bδ

τ

bdd'atN在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于0。主磁場磁密的分布2.4.1直流電機的空載磁場2.4.2直流電機的電樞磁動勢和磁場

（電刷在幾何中性線上）

當電機帶上負載后，電樞繞組中流過電流Ia，電樞電流Ia也產(chǎn)生磁動勢，叫電樞磁動勢。

電樞磁動勢對氣隙磁通的大小和分布、電機的運行性能、換向的好壞都有影響。（1）電樞磁動勢的性質(zhì)電樞磁動勢的空間分布只決定于電樞繞組中電流的分布，以電刷為界的電樞表面電流在空間上是不變的，因此其產(chǎn)生的磁場和磁動勢的分布也是固定不變的。電樞磁場分布當電刷放在幾何中性線上時，電樞磁場的軸線與電刷軸線重合，即與磁極軸線（d軸）正交，固稱為交軸電樞磁動勢。與主極軸線重合的軸稱為直軸（d軸），與主極軸線正交的軸稱為交軸（q軸）。（1）電樞磁動勢的性質(zhì)2.4.2直流電機的電樞磁動勢和磁場

（電刷在幾何中性線上）

（2）電樞磁動勢波形

一個元件時，磁勢波形為一個矩形波，若元件再增多，當電樞繞組有許多整距元件均勻分布于電樞表面時，則其波形為多個階梯組成的階梯波，其波形近似為一三角波，如圖：

（2）電樞磁動勢波形

由電樞磁動勢波形可知，磁極中心線下的氣隙處電樞磁動勢為零，在幾何中性線處達到最大值。

（3）電樞磁密波形電樞磁場產(chǎn)生的磁通密度沿著氣隙的分布為：可知，Bax與氣隙成反比。在磁極極靴下，氣隙較小且變化不大，所以氣隙磁密Bax與Fax成正比。而在兩磁極間的幾何中性線附近，氣隙較大，超過Fax增加的程度，使Bax反而減小，所以電樞磁場磁密分布波形為馬鞍形。

（3）電樞磁密波形極靴下：氣隙均勻，

′為常值，Bax隨Fax變化線性變化。極間范圍內(nèi)：氣隙增大，Bax削弱，呈下凹形。2.4.3電樞反應（合成氣隙磁場）直流電機電樞繞組中有負載電流時，它所產(chǎn)生的磁動勢對勵磁繞組磁場的影響，稱為電樞反應。電樞反應對氣隙磁通的大小和分布、電機的運行性能、換向的好壞都有影響。當電刷放在幾何中性線上時，電樞磁動勢是交軸的，也稱為交軸電樞反應。

1）當電刷放在幾何中性線上時的交軸電樞反應。將主極禮帽形磁場B0x與電樞馬鞍形磁場Bax疊加后得到畸變的合成磁場Bδx。2.4.3電樞反應（合成氣隙磁場）1）當電刷放在幾何中性線上時的交軸電樞反應如圖可見交軸電樞反應作用如下：（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變。（2）使物理中性線位移（電機氣隙中磁場為零處稱為物理中性線）。（3）對主磁場起去磁作用（考慮飽和）。

2）當電刷不在幾何中性線上時的電樞反應若電刷從幾何中性線移過β角，則電樞磁動勢的軸線也將隨之移動β角，如圖：此時電樞磁動勢可分成兩個分量：一個分量是由τ-2β范圍內(nèi)的電樞載流導體所產(chǎn)生的的交軸電樞磁動勢Faq，如圖：

2）當電刷不在幾何中性線上時的電樞反應另一個分量是由2β范圍內(nèi)的電樞載流導體所產(chǎn)生的直軸電樞磁動勢Fad，如圖：

2）當電刷不在幾何中性線上時的電樞反應不難看出，若電機為發(fā)電機，則電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移動β角時，對主磁極而言，直軸電樞反應將是增磁的；若電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向移動β角時，對主磁極而言，直軸電樞反應將是去磁的。

思考：電動機的情況？請用圖說明。電動機的情況與發(fā)電機相反。

2）當電刷不在幾何中性線上時的電樞反應2.5直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.5.1電樞繞組的感應電動勢電樞感應電動勢是指直流電機正、負電刷之間的感應電動勢，即電樞繞組每一條支路的感應電動勢。方法：可先求出一根導體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁通密度的平均感應電動勢，再乘上一條支路中的總的導體數(shù)，就是電樞電動勢。a為并聯(lián)支路對數(shù)，繞組由2a個支路組成，每一支路串聯(lián)的導體數(shù)為。2.5.1電樞繞組的感應電動勢單根導體的電動勢：電樞總導體數(shù)為：繞組的電動勢為一條支路電動勢，故電樞繞組的感應電動勢Ea為：為簡單計引入氣隙平均磁密Bav，即各導體所處位置的磁密都為平均磁密Bav

：設(shè)v為導體切割氣隙磁場的線速度，則一根導體內(nèi)的平均感應電動勢為2.5.1電樞繞組的感應電動勢所以可得每根導體的平均感應電動勢為則每條支路中的感應電動勢為：Z為電樞導體總數(shù);Ce稱為電動勢常數(shù)2.5.1電樞繞組的感應電動勢2.5直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.5.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。方法：首先按平均磁密概念算出一個導體的平均電磁轉(zhuǎn)矩，再求整個電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。2.5.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩當電樞繞組中有電樞電流流過時，根據(jù)電磁力定律，任一導體在磁場中所受平均電磁力為:

ia為導體中流過的電流，其中Ia為電樞電流，a為并聯(lián)支路對數(shù)。若D以表示電樞外徑，則每根導體形成的平均電磁轉(zhuǎn)矩為

總的電磁轉(zhuǎn)矩為代入：可得：2.5.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩式中為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)。

對于同一臺直流電機，電動勢常數(shù)Ce

和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT

的關(guān)系為:2.5.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩上式表明無論是電動機還是發(fā)電機，在能量轉(zhuǎn)換過程中電功率變?yōu)闄C械功率或機械功率變?yōu)殡姽β实倪@部分功率為

或

，由于能量守恒，所以兩者是相等的。直流電機的電磁功率2.5直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.5直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩例2-6：一臺直流電動機，單波繞組，電樞電流為：Ia=18A，2p＝4，元件數(shù)S=15，每元件匝數(shù)NK=3，每極磁通量Φ=0.025Wb，問電機的電磁轉(zhuǎn)矩為多少？若同樣元件，繞組改為單疊繞組，極數(shù)與勵磁不變，且每條支路的電流不變，問電磁轉(zhuǎn)矩又為多少？2.5直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩解：總導體數(shù)：單波：則有：單疊：則有：因每條支路的電流不變則：可見，如果相同的元件數(shù)，如果每條支路電流相等，則單疊和單波繞組的電磁轉(zhuǎn)矩是相等的。2.6直流電機的基本方程式基本方程式分為：電動勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、功率平衡方程式。不同勵磁方式的直流電動機和直流發(fā)電機方程一并列出，便于對比記憶。2.6直流電機的基本方程式在列基本方程式之前，必須先規(guī)定好各物理量的正方向。他勵直流電機按發(fā)電機慣例規(guī)定的正方向：他勵直流電機按電動機慣例規(guī)定的正方向：1）他勵直流電機

2.6.1電動勢平衡方程式思考：對比兩方程特點。對于發(fā)電機的電樞回路：對于電動機的電樞回路：

2.6.1電動勢平衡方程式思考：并勵方程如何？對于勵磁回路：1）他勵直流電機2）并勵直流電機

2.6.1電動勢平衡方程式思考：串勵電流關(guān)系如何？勵磁回路和電樞回路的電壓方程仍與他勵相同。但Uf=U。對于并勵發(fā)電機：對于并勵電動機：3）串勵直流電機

2.6.2

轉(zhuǎn)矩方程思考：對比上兩方程，說明各電磁轉(zhuǎn)矩的不同意義及空載轉(zhuǎn)矩含義？（1）直流發(fā)電機（2）直流電動機（1）并勵發(fā)電機功率方程

2.6.3功率方程（以并勵電機為例分析）思考：說明上式各符號含義。所以功率平衡方程為：思考：說明上式各符號含義。根據(jù)功率平衡方程：可直觀的畫出直流發(fā)電機功率流程圖：（1）并勵發(fā)電機功率方程

2.6.3功率方程（以并勵電機為例分析）思考：說明上式各符號含義并與發(fā)電機流程圖對比。同樣可得直流電動機功率平衡方程:可直觀的畫出直流電動機功率流程圖：（1）并勵發(fā)電機功率方程

2.6.3功率方程（以并勵電機為例分析）（1）空載特性n=nN，I=0，U0

=f（If）

原動機拖動發(fā)電機，觀看速度表，使n=nN；刀閘Q打開，使I=0，空載；加上勵磁電流If，并調(diào)節(jié)電阻Rj使If

在較大范圍內(nèi)變化。

調(diào)節(jié)Rj→If

→

0→U0，使U0=E0=CE

0

nN1）他勵磁發(fā)電機的運行特性測取他勵發(fā)電機空載特性曲線的試驗線路如右圖所示。2.7.1直流發(fā)電機的運行特性以轉(zhuǎn)速n為常數(shù)（n=nN），其端電壓U、負載電流I、勵磁電流If

這三個物理量之間的關(guān)系，保持其中的一個量不變，其余兩個量之間的關(guān)系就表征一種特性。（1）n＝常數(shù)，I＝常數(shù)，U＝f（If），負載特性。如果I＝0，這條特性稱為空載特性；（2）n＝常數(shù)，If＝常數(shù)，U＝f（I），外特性；（3）n＝常數(shù)，U＝常數(shù)，If＝f（I），調(diào)節(jié)特性；（4）效率特性η=f（P2）。2.7.1直流發(fā)電機的運行特性①Rj↓→If↑

→U0=1.3UN②Rj↑→If↓→U0↓→If

=0③-If↑→U0

=-1.3UN④-If↓→If=0⑤If↑→U0=1.3UN01

2345U0If1.3UN-1.3UN空載實驗步驟：（1）他勵磁發(fā)電機的空載特性可見，當If增加時，兩條曲線都是上升的，但在同一勵磁電流下兩條曲線對應的電壓不相等，負載特性的電壓較小。為什么？負載特性：是當原動機速度為常值，負載電流I為常值時，端電壓隨勵磁電流的關(guān)系曲線U=f（If）。

原因:

帶負載后，電樞反應的去磁作用而使感應電動勢下降。（2）他勵磁發(fā)電機的負載特性外特性線是指：n=nN，If=IfN，U=f（I）

Q合上，保持n=nN，調(diào)節(jié)電阻RL使得當負載電流I=IN時，端電壓U=UN，此時If=IfN。保持IfN不變，調(diào)節(jié)電阻RL使負載電流I由零變到額定值，測取外特性曲線U=f（I）。（3）他勵直流發(fā)電機外特性測取他勵發(fā)電機外特性曲線的試驗線路如右圖所示。

外特性下降的原因？①I↑→IaRa↑②I↑→電樞反應的去磁效應使Φ↓→E↓

外特性是一條隨負載電流增大而下垂不多的曲線。曲線上的C點便是額定負載點。根據(jù)：（3）他勵直流發(fā)電機外特性測外特性目的：②外特性的軟硬通常由電壓調(diào)整率來表示，該值可通過外特性算出：式中U0是空載時的端電壓，一般他勵直流發(fā)電機的電壓變化率約為5％～10%。①可看出隨著I變化U的變化規(guī)律。下降不大的特性稱硬特性，若曲線太陡，則電機發(fā)電質(zhì)量不好。（3）他勵直流發(fā)電機外特性他勵直流發(fā)電機短路電流分析因為：Ia=(E-U)/Ra短路電流：Ik=E/Ra，電機會被燒壞。當U=0時，他勵發(fā)電機短路電流很大，是額定值的近30倍。所以發(fā)電機必須安裝過電流保護裝置，當負載電流超過允許值時，保護裝置立即快速地切斷電路，以保護電機。UI0（3）他勵直流發(fā)電機外特性（4）他勵直流發(fā)電機調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性：原動機速度n=nN=C不變，保持U=UN為常值，負載變化時勵磁電流的變化曲線If=f（I）。要保持端電壓不變，必須增加勵磁電流，以補償電樞反應的去磁作用和電樞回路總電阻壓降的增大。當RL↓→I↑，U=CEΦnN

–IaRa

，U

將減小。RL^^^^RjRfAAV則：調(diào)節(jié)Rj↓→If↑→Φ↑→U↑即RL↓→I↑→U↓，要保持U=UN為常值：其中，為不變損耗，（5）他勵直流發(fā)電機效率特性為可變損耗。

效率特性是指：當原動機速度為恒定，輸出端電壓為恒定即：n=nN=C、U=UN，效率隨著輸出功率的變化曲線：η=f（P2）。令

可得：

η與Ia之間存在二次關(guān)系，效率曲線存在一個最大值。即當發(fā)電機在某負載下不變損耗等于可變損耗時，此時效率最高。一般直流發(fā)電機設(shè)計在3/4額定負載(0.75PN

)左右效率最大。（5）他勵直流發(fā)電機效率特性（1）并勵發(fā)電機的自勵并勵發(fā)電機的特點是：不提供勵磁電源，由電樞電壓提供勵磁電源。但是產(chǎn)生電樞電動勢（U0=CeΦnN）以存在勵磁電流為前提條件。怎樣自勵？If

取決

U0=CeΦnN取決2）并勵發(fā)電機的自勵條件和運行特性開關(guān)Q斷開，原動機拖動發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速nN空載運行，此時電樞電壓沒有自勵起來。直流發(fā)電機：Ea=U+IaRa空載時：I=0，n=nN曲線1:空載特性曲線U=E0=CEΦnN曲線2:勵磁回路的電阻特性曲線：Uf=If(rf+Rj)（1）并勵發(fā)電機的自勵用曲線1和曲線2說明“自勵”。由于負載電流為零，Ia＝If，電樞端電壓U≈E0，這個電壓也是勵磁繞組兩端的電壓。空載特性曲線和勵磁回路電阻特性曲線的交點A即可近似代表此時的工作點。即電機端電壓為U0，這時勵磁電流為If0。（1）并勵發(fā)電機的自勵剩磁

r→Er

→If1

1

E1

→If2

2E2

→If3

3助磁電壓建立過程如下：即電機中剩磁產(chǎn)生電動勢Er，Er在勵磁回路產(chǎn)生勵磁電流If1。由于勵磁繞組接法正確，If1產(chǎn)生的磁動勢起增磁作用，使電樞感應電勢增至E1，E1又產(chǎn)生If2，如此不斷增長，直至A點為止。（1）并勵發(fā)電機的自勵并勵發(fā)電機自勵過程：若極性正確，則

r與

1方向相同