脈流牽引電動(dòng)機(jī)的換向及脈流牽引電動(dòng)機(jī)的出廠試驗(yàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)1

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書課題名稱：脈流牽引電動(dòng)機(jī)的換向及脈流牽 引電動(dòng)機(jī)的出廠試驗(yàn)專 業(yè) 系 鐵道牽引與動(dòng)力學(xué)院班 級(jí) 神華鐵路訂單班 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱脈流牽引電動(dòng)機(jī)的換向及脈流牽引電動(dòng)機(jī)的出廠試驗(yàn)（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(jì)內(nèi)容與要求1課題概述牽引電動(dòng)機(jī)被稱為電力機(jī)車的心臓，牽引電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能及運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整臺(tái)機(jī)車的運(yùn)行性能。由于牽引電動(dòng)機(jī)工作的特殊性（如因安放在機(jī)車車體下部兩個(gè)機(jī)車動(dòng)輪之間，因而使毎臺(tái)牽引電動(dòng)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(tái)牽引電動(dòng)機(jī)共同運(yùn)行時(shí)，各臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)負(fù)荷分配的不均勻，機(jī)車運(yùn)行時(shí)負(fù)載

2、變化大等諸多因素），使?fàn)恳妱?dòng)機(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(dòng)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(dòng)機(jī)的檢修是一項(xiàng)十分重要的項(xiàng)目。本課題重點(diǎn)研究脈流牽引電動(dòng)機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、脈流牽引電動(dòng)機(jī)的換向理論及改善換向的措施。同時(shí)學(xué)習(xí)與研究脈流牽引電動(dòng)機(jī)檢修后的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容、試驗(yàn)設(shè)備、線路、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果的分析判斷。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文部分（1）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的工作條件（2）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的基本工作原理（3）ss4型機(jī)車用zd105型脈流牽引電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（4）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的換向特點(diǎn)及改善換向的措施（5）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)與檢修2）畢

3、業(yè)設(shè)計(jì)部分（1）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目（2）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)內(nèi)容（3）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)線路及試驗(yàn)方法（4）脈流牽引電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果分析與判斷四、設(shè)計(jì)參考書1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(jiān)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6韶山8型電力機(jī)車 趙叔東主編 中國鐵道出版社7實(shí)用電工手冊 趙承荻 李乃夫主編 高等教育出版社8電工實(shí)用手冊 劉光源主編 中國電力出版社9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)

4、計(jì)說明書要求 1封面 2目錄 3內(nèi)容摘要（200400字左右，中英文） 4引言5正文（設(shè)計(jì)方案比較與選擇、設(shè)計(jì)方案原理、計(jì)算、分析、論證，設(shè)計(jì)結(jié)果的說明及特點(diǎn)）6結(jié)束語7附錄（參考文獻(xiàn)、圖紙、材料清單等）六、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程安排第1周（本階段末）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、脈流牽引電動(dòng)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(jì)論文工作。第911周（下階段46教學(xué)周）： 老師講解輔導(dǎo)，學(xué)生在老師講解輔導(dǎo)

5、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(dòng)機(jī)檢修后的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容、試驗(yàn)設(shè)備、線路、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果的分析判斷等內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)答辯與論文要求1畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯要求答辯前三天，每個(gè)學(xué)生應(yīng)按時(shí)將畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書或畢業(yè)論文、專題報(bào)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(jì)的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價(jià)。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(shí)、設(shè)計(jì)與計(jì)算方法、實(shí)

6、驗(yàn)方法、測試方法、鑒別學(xué)生獨(dú)立工作能力、創(chuàng)新能力。2畢業(yè)設(shè)計(jì)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(cuò)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。 摘 要 abstract 目錄 引言 第一章 直流電動(dòng)機(jī)的基本知識(shí)1.1 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 直流電動(dòng)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(dòng)（

7、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(gè)互相絕緣的半圓形銅環(huán)相連，而電刷和用彈簧壓在銅環(huán)上。電刷、固定不動(dòng)，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（）接觸，而導(dǎo)體ab則通過銅環(huán)與電刷（）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(gè)線圈abcd繞軸以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖4-1（b）位置時(shí)，電刷與兩個(gè)換向片之間的絕緣墊

8、片相接。在這個(gè)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(dòng)周期的慣性使線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，越過中性線位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖4-1（c）位置時(shí)，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（）接觸，與導(dǎo)體cd相連的銅環(huán)與電刷（）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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，故電動(dòng)機(jī)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可以歸納出直流電動(dòng)機(jī)的工作原理：直流電動(dòng)機(jī)在外加直流電源的作用下，在可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體中形

9、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(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力最大；在垂直位置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力最小。單線圈電樞在一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)矩曲線如圖4-2所示，單線圈電樞的電動(dòng)機(jī)實(shí)用價(jià)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(dòng)的，但在最大值與最小值之間的波動(dòng)已明顯削弱。直流電動(dòng)機(jī)典型的電樞結(jié)構(gòu)可參看圖4-5所示，它有許多個(gè)線圈及換向片組成。 4-1 4-2 4-3 1.1.2 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oo旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo) 體 abcd

10、將切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)勢時(shí)，即是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔茌敵?，作直流發(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(shí)，則是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能輸出，此時(shí)即作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。1.2 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖4-4分別為z2及z4系列直流電動(dòng)機(jī)外形圖，其中z4系列直流電動(dòng)機(jī)上部為給電動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻用的騎式鼓風(fēng)機(jī)。就直流電動(dòng)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

11、作用如下：1.2.1 定子電動(dòng)機(jī)中靜止不動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)座也可用無縫鋼管加工而成。2. 主磁極 其作用是產(chǎn)生主磁場。永磁電動(dòng)機(jī)的主磁極直接由不同極性的永久磁體組成。勵(lì)磁電動(dòng)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(dòng)機(jī)磁路的一部分。由于電樞在旋轉(zhuǎn)時(shí)，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

12、減小此損耗，主磁極鐵心一般用11.5mm薄鋼板沖制成型后，再用鉚釘鉚緊成一個(gè)整體，最后用螺釘固定在機(jī)座上（參看圖3-6）。（2） 主磁極繞組 用來通入直流電流，產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢。小型電動(dòng)機(jī)用絕緣銅線繞制而成；大、中型電動(dòng)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。4-53 換向極 用來產(chǎn)生換向磁場以改善直流電動(dòng)機(jī)的換向。換向是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，在換向時(shí)，將在電刷與換向器的接觸面上產(chǎn)生火花，不利于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，因此在功率稍大的直流電動(dòng)機(jī)上都裝有換向極來減小火花，改善電動(dòng)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

13、鐵外面，再用螺釘固定在極座上，換向極與主磁極一個(gè)隔一個(gè)間隔排列均布在機(jī)座內(nèi)部。4 前、后端蓋 用來安裝軸承和支承整個(gè)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)。5 電刷裝置 通過電刷與換向器表面之間的滑動(dòng)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(dòng)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。1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

14、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0.350.5mm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4-6(a)所示。4-62電樞繞組 用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和通過電流，實(shí)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(dòng)機(jī)）或矩形（用于大、中容量電動(dòng)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(gè)完整的電樞，如圖4-5所示。3換向器換向器是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)

15、變?yōu)槔@組中的交變電流以使電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)一樣，每臺(tái)直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的依據(jù)。其主要參數(shù)有： 1額定功率pn 表示電機(jī)按規(guī)定方式額定工作時(shí)所能輸出的功率。對電動(dòng)機(jī)而言是指其軸上輸出的機(jī)械功率（w或kw）。 2額定電壓un 指在正常工作時(shí)電機(jī)出線端的電壓值。對電動(dòng)機(jī)而言是指加在電動(dòng)機(jī)上的電源電壓（v）。 3額定電流in 對應(yīng)額定電壓、額定功率時(shí)的電流值。對電動(dòng)機(jī)而言是指軸上在額定負(fù)載時(shí)的輸入電流（a）

16、。 4額定轉(zhuǎn)速nn 指電壓、電流和輸出功率為額定值時(shí)的轉(zhuǎn)速（r/min）。5勵(lì)磁方式 勵(lì)磁方式是指直流電動(dòng)機(jī)主磁場產(chǎn)生的方式。直流電動(dòng)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(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。分別簡介如下：（1）永磁電動(dòng)機(jī) 開始永磁電動(dòng)機(jī)僅在功率很小的電動(dòng)機(jī)上采用，20世紀(jì)80年代起由于釹鐵硼永磁材料的發(fā)現(xiàn)，使目前永磁電動(dòng)機(jī)的功率已從毫瓦級(jí)發(fā)展到100kw以上。目前制作永磁電動(dòng)機(jī)的永磁材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體及稀土（如釹鐵硼）等三類。用永磁材料制作的直流電動(dòng)機(jī)又分有刷（有電刷）和無刷兩類。

17、永磁電動(dòng)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(dòng)機(jī)；其他方面的應(yīng)用如汽車用永磁電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)自行車用永磁電動(dòng)機(jī)、直流變頻空調(diào)用永磁電動(dòng)機(jī)等。 （2）他勵(lì)電動(dòng)機(jī) 它的特點(diǎn)是勵(lì)磁繞組（主磁極繞組）由單獨(dú)的直流電源供電，如圖4-7(a)。 （3）并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，因此加在這兩個(gè)繞組上的電壓相等，而流過電樞繞組的電流a和流過勵(lì)磁繞組的電流f則不同，總電流=a+f，如圖4-7（b）所示。 （4）串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，因此流過兩個(gè)繞組

18、中的電流相等，如圖4-7（c）。（5）復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)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(lì)電動(dòng)機(jī)的兩組勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通方向一致時(shí)，則稱為積復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，若產(chǎn)生的磁通方向相反時(shí)，則稱為差復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。關(guān)于絕緣等級(jí)、定額的含義可參看三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌中的說明。 4-71.3 直流電機(jī)的電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)矩和功率1.3.1直流電機(jī)的電動(dòng)勢 直流電機(jī)電樞在旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞上的每個(gè)繞組元件都要切割主磁場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。 通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得電樞回路的感應(yīng)電動(dòng)勢為 (4-1)式中， ce為直流電機(jī)電動(dòng)勢常數(shù)，對于已制成的電機(jī)有確定值； 為氣隙中每極磁通（wb）； 為極距；n

19、 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(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢向外電路供電，此時(shí)電流方向與感應(yīng)電動(dòng)勢方向一致。其電壓平衡方程為 (4-2)式中， ea 為 發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢（v）；u 為 發(fā)電機(jī)端電壓（v）；ia 為 電樞電流（a）；ra 為 電樞繞組電阻（）。直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(hào)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，導(dǎo)體ab、cd又切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，方向（用右手定則）如圖4-8小圓圈外的符號(hào)所示?？梢姼袘?yīng)電動(dòng)勢的方向與外加電源電壓（電流）的方向正好相反

20、，因此稱為反電動(dòng)勢，起到與外加電源電壓平衡的作用。由圖4-7（b）所示并勵(lì)（或他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)的電路圖可得 （4-3）式中， u 為電樞電動(dòng)勢（v）；ea為電樞電動(dòng)勢（v）；ra 為電樞繞組電阻（）；ia為電樞支路電流（a）。1.3.2 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(dòng)機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下工作時(shí)，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。 （4-4）式中 ，為每極磁通（wb）；ia為電樞總電流（a）；ct為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；t為電磁轉(zhuǎn)矩（nm）。對電動(dòng)機(jī)來說電磁轉(zhuǎn)矩是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是由電源供給電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)換而來的，用來拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。對發(fā)電機(jī)來講

21、電磁轉(zhuǎn)矩則為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，原動(dòng)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體ab及cd切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流（在小圓圈中用及表示電流方向），同時(shí)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(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)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。4-8 4-91.3.2直流電動(dòng)機(jī)的功率對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，將式（4-3）兩邊各乘ia，并移項(xiàng)可得： 即 (4

22、-5) 式中, p1為電動(dòng)機(jī)輸入電功率；p為電動(dòng)機(jī)的電磁功率；pcu為電動(dòng)機(jī)的銅損耗。對并勵(lì)或串勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，銅損耗除電樞繞組電阻ra上的損耗外，還應(yīng)包括電流在勵(lì)磁繞組電阻上產(chǎn)生的損耗。 電磁功率在轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率p2的過程中，有一小部分消耗于克服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗和鐵損耗（總稱空載損耗），用p0表示。則則 p1p2p0pcup2p （4-6）式中 ，p2為電動(dòng)機(jī)輸出功率；p為電動(dòng)機(jī)功率損耗。 直流電動(dòng)機(jī)效率為 （4-7）1.4 直流電動(dòng)機(jī)的工作特性 直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)兩端的電壓不變時(shí)，電樞電流與轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。而轉(zhuǎn)矩特

23、性則是指當(dāng)加在直流電動(dòng)機(jī)兩端電壓不變時(shí)，電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，輸出的是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式不同時(shí)，主磁通隨負(fù)載電流ia的變化而變動(dòng)的情況不同，導(dǎo)致不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)特性有很大差別，下面分別加以討論。1.4.1并勵(lì)電動(dòng)機(jī)（他勵(lì)電動(dòng)機(jī)）工作特性1 轉(zhuǎn)矩特性tf（ia）當(dāng)電源電壓u不變，勵(lì)磁電流if也不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩t與電樞電流ia之間的相互關(guān)系即為轉(zhuǎn)矩特性。由公式tcmia可知，由于磁通基本不變，因此t與ia近似為正比關(guān)系，如圖4-10曲線tf（ia）所示。 2 轉(zhuǎn)速

24、特性nf（ia）當(dāng)電源電壓u不變，勵(lì)磁電流if也不變時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電樞電流ia之間的相互關(guān)系即為轉(zhuǎn)速特性。由式（4-1）及（4-3）可得 （4-8）由于電樞繞組電阻ra一般很小，因此壓降raia很小，即并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電流的增加稍有下降，如圖4-10曲線nf（ia）所示。這種特性稱硬特性。 3 機(jī)械特性nf（t）直流電動(dòng)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(lì)電動(dòng)機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)矩t正比于ia，故只要將圖4-10中nf（ia）曲線的橫坐標(biāo)由ia改為t，該曲線即代表機(jī)械特性曲線nf（t）。4-10 4-111.4.2 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性1 轉(zhuǎn)矩特性tf（ia）當(dāng)

25、電源電壓u不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩t與電樞電流ia之間的關(guān)系即為轉(zhuǎn)距特性。當(dāng)電樞電流ia比較小時(shí)，磁通正比于電樞電流ia，故有 （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(dòng)機(jī)磁路飽和時(shí)，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tf（ia）所示。 2 轉(zhuǎn)速特性nf（ia）當(dāng)電源電壓u不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流ia之間的關(guān)系即為轉(zhuǎn)速特性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)，則對應(yīng)的電樞電流ia比較小，也比較小，由公式（4-8）可見，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流ia成反比，曲線為雙曲線。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，空載電流ia很小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將相當(dāng)高，可能造成機(jī)損事故，因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行

26、。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí)，即ia較大時(shí)，由于磁路飽和，基本不變，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性就與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相似，即略向下傾斜，如圖4-11曲線nf（ia）所示。該曲線的特征是從空載到滿載，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化很大，這種特性稱為軟特性。3 機(jī)械特性nf（t） 電動(dòng)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(lì)電動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)電樞電流ia很小時(shí)，也很小，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩t也很小，而對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n由式（4-8）可知應(yīng)為很大。當(dāng)電樞電流ia較大時(shí)，也較大，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩t也較大，而轉(zhuǎn)速n則小，由數(shù)學(xué)分析及實(shí)踐運(yùn)行證明，其形狀也相似于雙曲線，因此，如同并勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣，將圖4-11中的轉(zhuǎn)速特性曲線nf（ia）的橫坐標(biāo)由ia改為t，就可以代

27、表機(jī)械特性nf（t）。1.5 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動(dòng)1.5.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 直流電動(dòng)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(dòng)過程，直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求是應(yīng)有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以縮短起動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)率，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流又不能過大。 1 全壓起動(dòng)全壓起動(dòng)又稱直接起動(dòng)，即直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，給電動(dòng)機(jī)加額定電壓u直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，如圖4-12所示，起動(dòng)時(shí)先合上開關(guān)s1，建立主磁場，同時(shí)在電樞繞組上加額定電壓，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。在起動(dòng)開始瞬間，雖然給電動(dòng)機(jī)加上電源電壓u，但由于轉(zhuǎn)子的慣性，一開始轉(zhuǎn)速n0，故反電動(dòng)勢eacen

28、0，由式（3-3）可知，此時(shí)電樞電流ia為 （4-10）將此時(shí)的電流為稱起動(dòng)電流，用ist表示。由于電樞繞組的電阻ra一般很小，故起動(dòng)電流很大，中、小型直流電動(dòng)機(jī)約為額定電流的10倍左右，較大容量的電動(dòng)機(jī)甚至可高達(dá)20倍。這樣大的起動(dòng)電流將帶來以下不良影響：（1） 電動(dòng)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；（2） 產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械受到強(qiáng)烈的沖擊而損壞；（3） 使電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響供電的穩(wěn)定性。由于上述原因，除小容量的電動(dòng)機(jī)以外，一般不允許全電壓直接起動(dòng)。通常采用的起動(dòng)方法有兩種，即降低電源電壓起動(dòng)和在電樞回路中串電阻起動(dòng)。直接起動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備簡單，

29、操作方便。缺點(diǎn)是起動(dòng)電流大。 2 降低電源電壓起動(dòng)（降壓起動(dòng)） 可以采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路作為直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，為其供給較低的直流電壓，以后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，逐步增加直流電壓的數(shù)值，直到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完畢正常運(yùn)行時(shí)，加在電動(dòng)機(jī)上的電壓即是電動(dòng)機(jī)的額定電壓。用降低電源電壓的方法起動(dòng)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)時(shí)必須注意：起動(dòng)時(shí)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)上必須加額定的勵(lì)磁電壓，使磁通保持額定值，否則電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流雖然比較大，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻很小，電動(dòng)機(jī)可能無法起動(dòng)。 例4-1 有一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電樞繞組電阻ra0. 4，額定電壓u110v

30、，設(shè)磁通恒定不變，當(dāng)nnn時(shí)，ea100v，求：（1）額定電流in；（2）直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流ist；（3）要使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬時(shí)的電流i1限制在2倍額定電流之內(nèi)，求起動(dòng)時(shí)的電壓u1。解 （1） a25a （2） a275a（3） v20v3 電樞回路中串電阻起動(dòng)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)及串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的串電阻起動(dòng)電路分別如圖4-13及圖4-14所示。通?？砂窗哑饎?dòng)電流限制在（1.52.5）in的范圍內(nèi)來選擇起動(dòng)電阻的大小。在起動(dòng)過程中，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的升高，ea也隨著升高，電樞電流就相應(yīng)地減小，為了保持一定的加速轉(zhuǎn)矩，應(yīng)將起動(dòng)電阻逐漸切除。圖4-15為用于10kw以下的直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)用的起動(dòng)變阻器外形圖，起動(dòng)時(shí)

31、起動(dòng)手輪置于圖中所示的位置，開始起動(dòng)時(shí)，全部起動(dòng)電阻rst均串入電樞回路，起動(dòng)電流被限制在允許的范圍內(nèi)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，將手輪逐步向右旋轉(zhuǎn)，起動(dòng)電阻被逐漸切除（電阻值逐步減小），電動(dòng)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(shí)rst0，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完畢。電樞回路串電阻的起動(dòng)方法所需設(shè)備較簡單，但在起動(dòng)過程中起動(dòng)電阻上有能量損耗。而降低電源電壓起動(dòng)則所需設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格較貴，但在起動(dòng)過程中基本上不損耗能量。對于小功率直流電動(dòng)機(jī)一般用串電阻起動(dòng)；容量稍大但不需經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也可用串電阻起動(dòng)，而需經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，如起重、運(yùn)輸機(jī)械上的電動(dòng)機(jī)則宜用降低電源電壓的辦法起動(dòng)。4-13

32、 4-14 4-151.5.2直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是指用人為的辦法來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由公式 = 可以看出，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有以下幾種方法：（1） 改變電源電壓；（2） 減小主磁通；（3） 改變電樞回路的電壓降aia，通常在電樞回路中串入調(diào)速電阻av，則電樞回路中的電壓降為（a+av）a。 1. 改變電源電壓調(diào)速 目前廣泛采用晶閘管整流裝置作為一個(gè)輸出電壓可調(diào)的直流電源，給直流電動(dòng)機(jī)供電。對于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，可調(diào)直流電源只能加在電樞回路中，勵(lì)磁回路用另外一個(gè)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： （1） 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

33、為無級(jí)調(diào)速。 （2） 調(diào)速過程中沒有能量損耗，且調(diào)速的穩(wěn)定性較好。 （3） 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）。（4） 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(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，通稱fd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(dòng)機(jī)去拖動(dòng)直流他勵(lì)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(dòng)機(jī)。由于fd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。 2. 減小主磁通調(diào)速圖4-16當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電源

34、電壓不變時(shí)，如使主磁通減小，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)地升高，故通稱為削弱磁場調(diào)速。對并勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，可在勵(lì)磁回路中串聯(lián)磁場調(diào)節(jié)電阻pf，如圖4-16（a）所示；對串勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，可在勵(lì)磁回路兩端并聯(lián)磁場分路電阻pf 如圖4-16（b）所示，以減小流過勵(lì)磁回路中的電流，使降低，從而達(dá)到調(diào)速目的。這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：（1） 由于調(diào)速在勵(lì)磁回路中進(jìn)行，功率小，故能量損耗小，控制方便。（2） 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。（3） 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(dòng)變阻器用，

35、而起動(dòng)變阻器不能用于調(diào)速，因?yàn)槠饎?dòng)變阻器是按短時(shí)工作設(shè)計(jì)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：（1） 所需設(shè)備較簡單、成本較低，因此在小功率直流電動(dòng)機(jī)中用得較多。在20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(dòng)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。（2） 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級(jí)調(diào)速。特性曲線較軟，即負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大。（3） 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(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于磁場方向和電樞繞

36、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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也隨之改變。因此改變直流電動(dòng)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(lì)磁繞組與直流電源的接線對調(diào)，稱勵(lì)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(shí)改變主磁場的方向和電樞繞組中的電流方向，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變。4-171.5.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需使機(jī)械迅速停轉(zhuǎn)，有時(shí)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(dòng)機(jī)車下坡等），以免發(fā)生危險(xiǎn)，為此就需對電動(dòng)機(jī)實(shí)施制動(dòng)。所謂制動(dòng)就是加上一個(gè)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，用來使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)或限制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

37、如果制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是用機(jī)械制動(dòng)閘的摩擦轉(zhuǎn)矩來產(chǎn)生，則稱為機(jī)械制動(dòng)；如果是電動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，則稱電氣制動(dòng)。電氣制動(dòng)按其產(chǎn)生電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法不同又可分為再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)和反接制動(dòng)等幾種。 1再生制動(dòng)（又稱回饋制動(dòng)、發(fā)電制動(dòng)）所謂再生制動(dòng)是電機(jī)此時(shí)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)。 由式可看出，當(dāng)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，則電源電壓u大于反電動(dòng)勢ea，即u ea，故ia與u同方向。如電機(jī)在運(yùn)行時(shí)由于某種原因使ea 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ia方向就改變了，即ia與u方向相反，電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能，這時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩tcmia，也因ia的反向而改變方向，即與電

38、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，故起制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用。 怎樣才能使電機(jī)的反電動(dòng)勢ea大于電源電壓u呢？由式eacen可知，如果電機(jī)的磁通不變，則只要使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0即可使ea u。因此當(dāng)電傳動(dòng)機(jī)車、電車等下坡時(shí)，或起重設(shè)備下放重物時(shí)，只要當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于n0時(shí)，即作發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以限制電機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，并同時(shí)向電網(wǎng)輸送電能。對于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，由于磁通隨ia的變化而變化，不能保持不變。為此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)如要進(jìn)行再生制動(dòng)，必須先將串勵(lì)電動(dòng)機(jī)改為他勵(lì)，由專門的低壓直流電源給勵(lì)磁繞組供電，以保證磁通有一定的數(shù)值（不隨ia而變化）。 2電阻制動(dòng)（又稱能耗制動(dòng)）將電機(jī)的電樞繞組從電源上切除（磁

39、極繞組仍接在電源上），電機(jī)靠慣性將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)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(dòng)電阻）的發(fā)熱上。如圖4-18所示，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只需將開關(guān)s合向下方，此時(shí)勵(lì)磁電流仍由直流電源供電，產(chǎn)生恒定的磁通，電樞靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)切割磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢ea給制動(dòng)電阻r供電， 將電能消耗在電阻的發(fā)熱上，而電樞電流ia則與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的方向相反，故產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對電機(jī)實(shí)行制動(dòng)。電阻制動(dòng)與再生制動(dòng)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(dòng)方法在運(yùn)輸、起重設(shè)備上應(yīng)用較廣。電阻制動(dòng)的另一不足之處是不易對機(jī)械迅速制停，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越

40、慢時(shí)，則ea越小，ia也越小，使制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩）相應(yīng)減小。 3反接制動(dòng)反接制動(dòng)利用改變加在電樞繞組上的電壓方向（使ia反向）或改變勵(lì)磁電流的方向（使反向），從而使電磁轉(zhuǎn)矩t反向成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此反接制動(dòng)的原理實(shí)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(shí)，一定要在電樞回路中串接電阻以限制電樞電流ia的數(shù)值，如圖4-19所示，否則在反接的瞬間，反電動(dòng)勢ea數(shù)值未變，而外加電壓方向相反，變?yōu)榕cea同方向，故在該瞬間加在電樞繞組上的電壓接近兩倍的外加電壓，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低至接近零時(shí)就應(yīng)立即切斷電源，

41、否則電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。反接制動(dòng)一般用于要求強(qiáng)烈制動(dòng)或要求迅速反轉(zhuǎn)的場合，通常只在小功率直流電動(dòng)機(jī)上采用。 4-18 4-19 第2章 直流牽引電動(dòng)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(lì)磁繞組中存在電流。因此，空載時(shí)電機(jī)的氣隙磁場完全有勵(lì)磁繞組的電流所產(chǎn)生。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，即無功率輸出。所以直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場可以看作就是主磁場，即由勵(lì)磁磁通勢單獨(dú)建立的磁場。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 極和 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

42、一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場分布示意圖（一對極的情形）。從圖中看出，由 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 極，再經(jīng)過定子磁軛回到原來出發(fā)的 極，成為閉合回路。這部分磁通同時(shí)匝鏈著勵(lì)磁繞組和電樞繞組，電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢，或者產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，把這部分磁通稱為主磁通，用0表示。此外還有一小部分磁通不進(jìn)入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合回路，這部分磁通僅與勵(lì)磁繞組相匝鏈，稱為漏磁通，用 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

43、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(shí)的磁場分布示意圖1 極靴；2極身；3元子磁軛；4勵(lì)磁繞組；5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(gè)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小；接近極尖處的磁回路中氣隙較大。如果不計(jì)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(lì)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(shí)，直流電機(jī)空載磁場的磁密分布如圖1.17所示

44、。圖1.17 直流電機(jī)空載磁場的磁密分布在直流電機(jī)中，為了感應(yīng)電動(dòng)勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，氣隙里要有一定數(shù)量的主磁通0，也就是需要有一定的勵(lì)磁磁通勢 ，或者當(dāng)勵(lì)磁繞組匝數(shù)一定時(shí)，需要有一定的勵(lì)磁電流 。把空載時(shí)主磁通0與空載勵(lì)磁磁通勢 或空載勵(lì)磁電流 的關(guān)系，即0= 或0= ，稱為直流電機(jī)的磁化曲線，它表明了電機(jī)磁路的特性。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(shí).電樞繞組中有電流通過電樞繞組的電流也會(huì)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

45、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(shí)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(shí)，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(dòng)，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128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

46、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(shí)電樞可以看成是一個(gè)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

47、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(gè)氣晾上。因此，電樞磁勢產(chǎn)生盛場的磁通密度為_t.,.,a 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，。fo0s(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

48、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(shí)，電樞磁場有如下特點(diǎn): (1)在空間靜止不動(dòng); (2)電樞磁場軸線與主極磁場軸線垂直，為交軸電樞磁場; (3)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(shí)，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場，電棍磁場的出現(xiàn)必然會(huì)對空載時(shí)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(shí)電機(jī)中的磁場由兩種磁勢共同

49、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1-41(b)中b.表示空載時(shí)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1-41(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(shí)，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1-41(c)中實(shí)線。實(shí)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 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: (1)氣隙磁場發(fā)生畸變。每個(gè)主極下的磁

50、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。 (2)氣隙磁場琦變以后會(huì)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(gè)部位時(shí)，感應(yīng)電勢很大使所接兩個(gè)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。（3)每極磁通減少和氣隙平均磁密下降。在磁路不飽和時(shí)，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(shí)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(shí)的每極磁通t比空載時(shí)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

51、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(shí)，電樞磁勢中包含有交軸和直軸電樞磁勢兩個(gè)分量，將同時(shí)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(dòng)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(jí)人們從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，直流牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其電刷與換

52、向器之間常常伴有火花?；鸹ㄍǔ３霈F(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(huì)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。 火花等級(jí)分類火花等級(jí)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1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1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(shí)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