電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課件：直流電機(jī)原理

2025/6/261直流電機(jī)原理★5.1直流電機(jī)工作原理★5.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值★5.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩★5.4直流電動(dòng)機(jī)的基本平衡方程式★5.5直流電機(jī)的電樞反應(yīng)和換向★5.6直流電動(dòng)機(jī)的工作特性★5.7直流發(fā)電機(jī)★5.8應(yīng)用實(shí)例5.1直流電機(jī)工作原理2025/6/263直流電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比，具有較好的啟動(dòng)性能、在較寬的范圍內(nèi)達(dá)到平滑無(wú)級(jí)地調(diào)速，同時(shí)又比較經(jīng)濟(jì)；所以廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、電力機(jī)車、大型機(jī)床拖動(dòng)系統(tǒng)以及玩具行業(yè)中?？刂菩阅軆?yōu)良。2025/6/2645.1直流電動(dòng)機(jī)工作原理

圖5.1是一臺(tái)直流電機(jī)的最簡(jiǎn)單模型。N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個(gè)半圓銅片上又分別放置一個(gè)固定不動(dòng)而與之滑動(dòng)接觸的電刷A和B，線圈abcd通過(guò)換向器和電刷接通外電路。圖5-1直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖2025/6/265

如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動(dòng)勢(shì)，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同一臺(tái)電機(jī)，既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。圖5-2直流發(fā)電機(jī)工作原理圖5.1.2直流發(fā)電機(jī)基本工作原理5.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值2025/6/2675.2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2025/6/2681.定子部分：直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。1）主磁極

又稱主極。在一般大中型直流電機(jī)中，主磁極是一種電磁鐵。2）換向極

容量在1kw以上的直流電機(jī)，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極。換向極又稱附加極或間極，其作用為了改善直流電機(jī)的換向。3）機(jī)座

一般直流電機(jī)都用整體機(jī)座。所謂整體機(jī)座，就是一個(gè)機(jī)座同時(shí)起兩方面的作用：一方面起導(dǎo)磁的作用，一方面起機(jī)械支撐的作用。4）電刷裝置

電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。5.2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2025/6/2692.轉(zhuǎn)子部分：直流電機(jī)轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。1）電樞鐵心

電樞鐵心作用有二，一個(gè)是作為主磁路的主要部分；另一個(gè)是嵌放電樞繞組。2）電樞繞組

它是直流電機(jī)的主要電路部分，是通過(guò)電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。3）換向器

在直流發(fā)電機(jī)中，它的作用是將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動(dòng)勢(shì)；在直流電動(dòng)機(jī)中，它將電刷上所通過(guò)的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。5.2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2025/6/2610

按照連接規(guī)律的不同，電樞繞組主要分為單疊繞組(見(jiàn)圖5-4)、單波繞組(見(jiàn)圖5-5)5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組圖5-4單疊繞組

圖5-5單波繞組1-首端2-末端3-元件邊4-端接部分5-換向片2025/6/26111.電樞繞組元件電樞繞組元件由絕緣漆包銅線繞制而成，每個(gè)元件有兩個(gè)嵌放在電樞槽內(nèi)、能與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或電動(dòng)勢(shì)的有效邊，稱為元件邊。元件的槽外部分亦即元件邊以外的部分稱為端接部分。為便于嵌線，每個(gè)元件的一個(gè)元件邊嵌放在某一槽的上層，稱為上層邊，畫(huà)圖時(shí)以實(shí)線表示；另一個(gè)元件邊則嵌放在另一槽的下層，稱為下層邊，畫(huà)圖時(shí)以虛線表示。每一個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，每片換向片又總是接一個(gè)元件的上層邊和另一個(gè)元件的下層邊，所以元件數(shù)S總等于換向片數(shù)K，即S=K；而每個(gè)電樞槽分上下兩層嵌放兩個(gè)元件邊，所以元件數(shù)S又等于槽數(shù)Z，即S=K=Z。

5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/26122.節(jié)距

節(jié)距是用來(lái)表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)。直流電機(jī)電樞繞組的節(jié)距有第一節(jié)距y1、第二節(jié)距y2、合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk4種，如圖5-6所示。(a)單疊繞組(b)單波繞組圖5-6節(jié)距示意圖5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/26131)第一節(jié)距。同一元件的兩個(gè)元件邊在電樞圓周上所跨的距離，用槽數(shù)來(lái)表示，稱為第一節(jié)距y1。一個(gè)磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距τ，當(dāng)用槽數(shù)表示時(shí)，節(jié)距的表達(dá)式為

式中--磁極對(duì)數(shù)。為使每個(gè)元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，第一節(jié)距y1應(yīng)盡量等于一個(gè)極距τ，但τ不一定是整數(shù)，而y1必須是整數(shù)，為此，一般取第一節(jié)距5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2614整數(shù)式中，ε為小于1的分?jǐn)?shù)。

的元件為整距元件，繞組稱為整距繞組；

的元件稱為短距元件，繞組稱為短距繞組。2)第二節(jié)距。第一個(gè)元件的下層邊與直接相連的第二個(gè)元件的上層邊之間在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為第二節(jié)距y2，如圖5-6所示。

5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/26153)合成節(jié)距。直接相連的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為合成節(jié)距y，如圖5-6所示。

4)換向器節(jié)距。每個(gè)元件的首、末兩端所連接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換向片數(shù)表示，稱為換向器節(jié)距yk。由圖5-6可見(jiàn)，換向器節(jié)距yk與合成節(jié)距y總是相等的，即yk=y。單疊繞組的聯(lián)接方法和特點(diǎn)。下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2616[例題5-1]設(shè)一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)2=4，Z=S=K=16，聯(lián)接成單疊右行繞組。計(jì)算各節(jié)距,第一節(jié)距

合成節(jié)距

和換向器節(jié)距

5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2617第二節(jié)距繪制繞組展開(kāi)圖

如下圖5-7所示。所謂繞組展開(kāi)圖是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開(kāi)，并展開(kāi)成平面的聯(lián)接圖5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2618圖5-7繞組展開(kāi)圖5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2619繞組元件聯(lián)接順序圖圖5-8繞組元件順序聯(lián)接圖5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2620繞組電路圖圖5-9繞組電路圖5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2621總結(jié)：對(duì)電樞繞組中的單疊繞組，有以下特點(diǎn)：（1）位于同一個(gè)磁極下的各元件串聯(lián)起來(lái)組成了一條支路，即支路對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)，

。（2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱，電刷放在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大，被電刷所短路的元件里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小。（3）電刷數(shù)等于極數(shù)。5.2.2直流電機(jī)的電樞繞組2025/6/2622勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。按勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為以下4類。1．他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒(méi)有電的聯(lián)系。2．并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。5.2.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式2025/6/26233.串勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)4．復(fù)勵(lì)直流電機(jī)每個(gè)主磁極上套有兩套勵(lì)磁磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵(lì)繞組。一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵(lì)繞組。5.2.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式2025/6/2624圖5-10直流電機(jī)分類5.2.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式2025/6/2625

直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)：

1)額定功率PN額定功率是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指電樞輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。2)額定電壓UN額定電壓是電機(jī)電樞繞組按照規(guī)定的工作方式外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。5.2.4直流電機(jī)的額定值2025/6/26263)額定電流IN額定電流是電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組允許流過(guò)的最大電流，單位為A(安培)。

4)額定轉(zhuǎn)速nN額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為rpm。

額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，又稱為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩TN、額定效率

等，不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品況明書(shū)或由銘牌上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。5.2.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式2025/6/2627額定功率與額定電壓和額定電流之間有如下關(guān)系：直流電動(dòng)機(jī)

直流發(fā)電機(jī)

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果各個(gè)物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱為滿載運(yùn)行。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電樞電流小于額定電流，稱為欠載運(yùn)行(輕載)；電機(jī)的電樞電流大于額定電流，稱為過(guò)載運(yùn)行。欠載運(yùn)行，電機(jī)利用不充分，效率低；過(guò)載運(yùn)行，易引起電機(jī)過(guò)熱損壞。5.2.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式5.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩2025/6/2629

由直流電機(jī)基本工作原理可知，直流電機(jī)無(wú)論作發(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

直流電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁磁勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的氣隙磁密分布為一平頂波，負(fù)載時(shí)，電樞繞組流過(guò)電樞電流Ia，產(chǎn)生電樞磁勢(shì)Fa，與勵(lì)磁磁勢(shì)Ff共同建立負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁密，必然會(huì)使原來(lái)的氣隙磁密的分布發(fā)生變化。通常把電樞磁勢(shì)對(duì)氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。

5.3.1直流電機(jī)的磁場(chǎng)2025/6/2630電刷放在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)的影響為：(1)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。半個(gè)極下磁場(chǎng)削弱，半個(gè)極下磁場(chǎng)加強(qiáng)。對(duì)發(fā)電機(jī)，是前極端(電樞進(jìn)入端)的磁場(chǎng)削弱，后極端(電樞離開(kāi)端)的磁場(chǎng)加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)，則與此相反。氣隙磁場(chǎng)的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對(duì)發(fā)電機(jī)，是順旋轉(zhuǎn)方向偏離；對(duì)電動(dòng)機(jī)，是逆旋轉(zhuǎn)方向偏離。(2)磁路飽和時(shí)，有去磁作用。因?yàn)榇怕凤柡蜁r(shí)，半個(gè)極下增加的磁通小于另半個(gè)極下減少的磁通，使每個(gè)極下總的磁通有所減小。5.3.1直流電機(jī)的磁場(chǎng)2025/6/2631

電樞繞組的感應(yīng)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)，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢(shì)。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割電動(dòng)勢(shì)，由于氣隙合成磁密在一個(gè)極下的分布不均勻，所以導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是變化的。為分析推導(dǎo)方便起見(jiàn)，可把磁密看成是均勻分布的，取每個(gè)極下氣隙磁密的平均值

，從而可得一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的平均值eav，其表達(dá)式為

5.3.2電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2025/6/2632式中--一個(gè)極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；--電樞導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(槽內(nèi)部分)；

--電樞表面的線速度。由于5.3.2電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2025/6/2633所以，一根導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N，則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為

，因而電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)5.3.2電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2025/6/2634式中，--對(duì)已經(jīng)制造好的電機(jī)，是一個(gè)常數(shù)，故稱為直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

每極磁通

的單位用Wb(韋伯)，轉(zhuǎn)速單位用r/m時(shí)，電動(dòng)勢(shì)Ea的單位為V。上式表明：對(duì)已制成的電機(jī)，電樞電動(dòng)勢(shì)Ea與每極磁通

和轉(zhuǎn)速n成正比。5.3.2電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2025/6/2635

電樞繞組中流過(guò)電樞電流Ia時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過(guò)支路電流ia，成為載流導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。電磁力

的方向按左手定則確定，一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為

如果仍把氣隙合成磁場(chǎng)看成是均勻分布的，氣隙磁密用平均值Bav表示，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為

5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2636一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為式中D--電樞外徑。

不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向也不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向部是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值Tav乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N，即5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2637式中--對(duì)已制成的電機(jī)是一個(gè)常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

磁通的單位用Wb，電流的單位用A時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T的單位為N·m(牛·米)。上式表明：對(duì)已制成的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通

和電樞電流Ia成正比。

5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2638電樞電動(dòng)勢(shì)

電磁轉(zhuǎn)矩

是直流電機(jī)兩個(gè)重要的公式。對(duì)于同一臺(tái)直流電機(jī)，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT之間具有確定的關(guān)系：5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2639[例題5-2]:一并勵(lì)電動(dòng)機(jī)額定電壓UN=220V，額定電流IN=40A，額定勵(lì)磁電流IFN=1.2A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/m，電樞電阻Ra=0.5Ω，略去電樞反應(yīng)的去磁作用。額定轉(zhuǎn)速時(shí)空載特性如表格5-1：求：在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電阻不變，電源端電壓為180V時(shí)1）輸入總電流2）電機(jī)轉(zhuǎn)速和理想空載轉(zhuǎn)速。5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2640解：根據(jù)E0=CenN

得下列Ce=f(IF0)表格電樞額定電流1）當(dāng)電源電壓由220V降低至180V，勵(lì)磁電阻不變，并勵(lì)繞組的勵(lì)磁電流5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2641對(duì)照上述表格：當(dāng)IFN=1.2（A）時(shí)，CeφN=0.1986當(dāng)IF=0.982（A），采用插入法求Ceφ5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩2025/6/2642降壓后電機(jī)負(fù)載不變，得：輸入電流I=IF+Ia=42.6+0.982=43.582(A)2）降壓后電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)速電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速

n0=1000r/m(?)

5.3.3直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩5.4直流電動(dòng)機(jī)的基本方程2025/6/2644電樞回路的電勢(shì)平衡方程式為5.4.1電壓平衡方程Ud=Ea+IaRa+2Δus

式中Ia--電樞電流；

Ra--電樞回路的電阻；

2Δus--正負(fù)電刷的接觸電壓降落。在額定負(fù)載時(shí)，一般情況下取2Δus=2V。2025/6/2645如果端電壓Ud大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea，即Ud>Ea

，電流從電網(wǎng)流入電樞繞組，成為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；反之，如果Ud<Ea，則電樞繞組向外輸送電流，成為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同樣，在這兩種運(yùn)行狀態(tài)下，電樞均產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向同方向，成為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而在發(fā)電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，使之成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。5.4.1電壓平衡方程2025/6/2646

以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例來(lái)進(jìn)一步論述電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的功率平衡關(guān)系。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流I為電樞電流Ia與勵(lì)磁電流If之和，I=Ia+If由電網(wǎng)輸入的電功率為P1=UdI=UdIa+UdIf=UdIa+pf

UdIa=EaIa+Ia2Ra+2ΔusIa=Pem+pa+pb

5.4.2功率平衡方程式2025/6/2647式中稱為電磁功率，是電樞電流與電樞電動(dòng)勢(shì)的乘積，是電樞繞組因切割主磁通而產(chǎn)生的電功率。輸入至電樞回路中的功率除了一小部分化作電樞回路的銅損（或）和電刷接觸損耗外，大部分為電磁功率。在直流電動(dòng)機(jī)情況下，電磁功率就是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率的功率。這一轉(zhuǎn)變而來(lái)的機(jī)械功率尚不能全部被利用，還需克服鐵心損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗后，才是電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率，即有5.4.2功率平衡方程式2025/6/2648電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式為畫(huà)出直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率流程如圖5-11所示。圖5-11直流電機(jī)功率流程圖5.4.2功率平衡方程式2025/6/2649直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式是：電磁轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩5.4.3轉(zhuǎn)矩平衡方程式2025/6/2650損耗引起空載轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)軸的電磁轉(zhuǎn)矩一部分與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，另一部分是空載損耗。5.4.3轉(zhuǎn)矩平衡方程式2025/6/2651

電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。

當(dāng)電樞繞組中沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，由磁極所形成的磁場(chǎng)稱為主磁場(chǎng)，近似按正弦規(guī)律分布。當(dāng)電樞繞組中有電流通過(guò)時(shí)，繞組本身產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，稱為電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的作用將使主磁場(chǎng)發(fā)生畸變,產(chǎn)生電樞反應(yīng);5.5直流電機(jī)的電樞反應(yīng)和換向2025/6/26521．主極磁場(chǎng)主極磁場(chǎng)有勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流產(chǎn)生（1）幾何中性線nn。（2）物理中性線mm。在電樞電流為零的情況下，主極磁場(chǎng)的nn和mm是重合的。2．電樞磁場(chǎng)當(dāng)電機(jī)在負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中有負(fù)載電流流過(guò)，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為電樞磁場(chǎng)。5.5.1直流電機(jī)的磁場(chǎng)2025/6/2653圖5-12直流電機(jī)磁場(chǎng)分布直流發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)分布直流發(fā)電機(jī)電樞磁場(chǎng)分布直流發(fā)電機(jī)合成磁場(chǎng)分布5.5.1直流電機(jī)的磁場(chǎng)2025/6/26541．交軸電樞反應(yīng)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響。在這里，我們?yōu)榱朔治鰡?wèn)題的簡(jiǎn)單，假定(1)磁場(chǎng)是不飽和的，(2)發(fā)電機(jī)電樞轉(zhuǎn)向是逆時(shí)針，電動(dòng)機(jī)為順時(shí)針?？芍狝:交軸電樞磁場(chǎng)在半個(gè)極內(nèi)對(duì)主極磁場(chǎng)起去磁作用，在另半個(gè)極內(nèi)則起增磁作用，引起氣隙磁場(chǎng)畸變，使電樞表面磁通密度等于零的位置偏移幾何中性線，新的等于零的位置我們稱之為物理中性線。B:不計(jì)飽和，交軸電樞反應(yīng)即無(wú)增磁，亦無(wú)去磁作用?？紤]飽和時(shí)，起到去磁作用。5.5.2電樞反應(yīng)2025/6/26552.直軸電樞反映當(dāng)電刷不在幾何中性線上，出現(xiàn)了直軸電樞反應(yīng)。A:若為發(fā)電機(jī)，電刷順著旋轉(zhuǎn)的方向移動(dòng)一個(gè)夾角，對(duì)主極磁場(chǎng)而言，直軸起去磁反應(yīng);若電刷逆著旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)一個(gè)夾角，則直軸電樞反應(yīng)將是增磁的。5.5.2電樞反應(yīng)2025/6/2656

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組的元件從一條支路經(jīng)過(guò)電刷短路后進(jìn)入另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過(guò)程稱為換向過(guò)程，簡(jiǎn)稱換向。產(chǎn)生換向火花的原因有多種，最主要的是電磁原因。還有機(jī)械方面和化學(xué)方面的原因。1.機(jī)械原因產(chǎn)生換向火花的機(jī)械原因有很多，主要是換向器偏心、換向片間云母絕緣凸出、轉(zhuǎn)子平衡不良、電刷在刷握中松動(dòng)、電刷壓力過(guò)大或過(guò)小、電刷與換向器的接觸面研磨得不好因而接觸不良等等。為使電機(jī)能正常工作，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查、維護(hù)和保養(yǎng)。5.5.3直流電機(jī)的換向2025/6/26572.化學(xué)原因電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于空氣中氧氣、水蒸氣以及電流通過(guò)時(shí)熱和電化學(xué)的綜合作用，在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較高的電阻值，能有效地限制換向元件中的附加換向電流

，有利于換向。同時(shí)薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤(rùn)滑作用，使電刷與換向器之間保持良好而穩(wěn)定的接觸。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電刷的摩擦作用，氧化亞銅薄膜經(jīng)常遭到破壞。但是在正常使用環(huán)境中，新的氧化亞銅薄膜又能不斷形成，對(duì)換向不會(huì)有影響。如果周圍環(huán)境氧氣稀薄、空氣干燥或者電刷壓力過(guò)大時(shí)，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周圍環(huán)境中存在化學(xué)腐蝕性氣體能破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。5.5.3直流電機(jī)的換向2025/6/26583.改善換向的方法 改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，其中最主要的是電磁原因。消除或削弱電磁原因引起的電磁性火花的方法有：1）選擇合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻。2）裝設(shè)換向極。3）裝補(bǔ)償繞組。5.5.3直流電機(jī)的換向5.6直流電動(dòng)機(jī)的工作特性2025/6/2660直流電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和性能可用下列幾個(gè)特性來(lái)表示：1.轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)時(shí)，5.6直流電動(dòng)機(jī)的工作特性Ua=UN，IF=IFNn=f（Ia）的關(guān)系曲線。由電動(dòng)勢(shì)公式和電壓方程得轉(zhuǎn)速特性公式2025/6/2661

若忽略電樞反應(yīng)，當(dāng)Ia增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降，形成轉(zhuǎn)速降

n，如圖5-13所示。若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，磁通下降可能引起轉(zhuǎn)速的上升，與Ia增大引起的轉(zhuǎn)速降相抵消，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)際運(yùn)行中為保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，一般使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電流Ia的增加而下降。轉(zhuǎn)速降一般為額定轉(zhuǎn)速的3~8%，呈基本恒速狀態(tài)。5.6直流電動(dòng)機(jī)的工作特性圖5-13直流電動(dòng)機(jī)的工作特性2025/6/26622.轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)Ud=UN，IF=IFN時(shí)，T=f（Ia）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性公式T=CTφIa可知在磁通為額定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩隨電樞電流的增加而略微下降，如圖5-13所示。3.效率特性效率特性是指Ua=UN，IF=IFN時(shí)，

=f（Ia）的關(guān)系曲線。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的總損耗為5.6直流電動(dòng)機(jī)的工作特性2025/6/2663

電動(dòng)機(jī)的損耗中僅電樞回路的銅耗與電流Ia成平方正比關(guān)系，其他部分與電樞電流無(wú)關(guān)。電動(dòng)機(jī)的效率隨Ia增大而上升，當(dāng)Ia大到一定值后，效率又逐漸下降，如圖5-13所示。一般直流電動(dòng)機(jī)的效率在75%~94%之間。

直流電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)一定要保證勵(lì)磁回路連接可靠，絕不能斷開(kāi)。若使勵(lì)磁電流IF=0，則電機(jī)主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若電動(dòng)機(jī)負(fù)載為輕載，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，造成“飛車”；若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為重載，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將小于負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小但電樞電流將飛速增大，超過(guò)電動(dòng)機(jī)允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過(guò)熱而燒毀。因此在閉合電動(dòng)機(jī)電樞電路前應(yīng)先閉合勵(lì)磁電路，保證電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。5.6直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5.7直流發(fā)電機(jī)2025/6/26651.電動(dòng)勢(shì)平衡方程式用基爾霍夫電壓定律，可以列出電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為5.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式Ud上式表明，直流發(fā)電機(jī)的端電壓Ud等于電樞電動(dòng)勢(shì)

減去電樞回路內(nèi)部的電阻壓降

，所以電樞電動(dòng)勢(shì)

應(yīng)大于端電壓Ud。2025/6/26662.轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)：一個(gè)是原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1，方向與n相同；一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩T，方向與n相反，為制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩；還有一個(gè)由電機(jī)的機(jī)械損耗及鐵損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩T0，也是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。因此，可以寫(xiě)出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為5.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2025/6/26673.功率平衡方程式將上式乘以發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度，得可以寫(xiě)成5.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2025/6/2668式中，，為原動(dòng)機(jī)輸給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，即輸入功率；，發(fā)電機(jī)的電磁功率；，發(fā)電機(jī)的空載損耗功率。電磁功率5.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2025/6/2669和直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)的電磁功率亦是既具有機(jī)械功率的性質(zhì)，又具有電功率的性質(zhì)，所以是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的那一部分功率。直流發(fā)電機(jī)的空載損耗功率也是包括機(jī)械損耗，和鐵損耗兩部分。將電動(dòng)勢(shì)平衡方程式兩邊乘以電樞電流,有即5.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2025/6/2670式中，

Ua

，為發(fā)電機(jī)輸出的功率；

，為電樞回路銅損耗。上式可以寫(xiě)成如下形式綜合以上功率關(guān)系，可得功率平衡方程式5.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2025/6/2671一般情況下，直流發(fā)電機(jī)的總損耗直流發(fā)電機(jī)的效率5.7