第三章：直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析

1、第三章直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析 主要內(nèi)容：研究直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，對(duì)直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、電路、磁路及運(yùn)行原理和換向問(wèn)題加以分析，并對(duì)直流電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)進(jìn)行了分析。3-1直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)電機(jī)是由兩大部分組成1、靜止部分定子2、 旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子一、直流電機(jī)的靜止部分（定子）1、主磁極主磁通的作用是建立主磁場(chǎng)。主磁極由主極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組組成它的，鐵心是由11.5mm厚的鋼板沖片疊壓緊固而成。極靴的作用是使主磁通在過(guò)氣隙時(shí)分布的更合理并且固定勵(lì)磁繞組。2、 機(jī)座其作用一是作為磁路的一部分，二是固定主極，換向極和端蓋。通常是用鑄鋼或厚鋼板焊成，機(jī)座中有磁通通過(guò)的部分稱(chēng)為磁

2、軛。3、換向極換向極裝在兩極之間。其作用是用來(lái)改善換向，也是由鐵心和繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。4、電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引入（或引出）裝置，通過(guò)它可以把電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的電流引出到靜止的電路里，它與換向器配合才能使電機(jī)獲得直流電機(jī)的效果。二、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分1、電樞鐵心電樞鐵心即是主磁路的組成部分,又是電樞部分繞組的支撐部件.為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗,鐵心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅鋼片疊壓而成.2、 電樞繞組.電樞繞組疊放在電樞鐵心的槽內(nèi),是由按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成.它是直流電機(jī)的電路部分.上、下層之間及線圈與鐵心之間都要有絕緣,槽口處用槽楔壓緊.3、

3、換向器換向器也是直流電機(jī)的重要部件，在發(fā)電機(jī)中可將電樞繞組中交變的電流轉(zhuǎn)換成電刷上的直流，起整流作用，而在直流電動(dòng)機(jī)中將電刷上的直流變?yōu)殡姌欣@組內(nèi)的交流，即起逆變作用。換向器由許多換向片組成，片間用云母絕緣，電樞繞組的每個(gè)線圈的兩端分別接到兩個(gè)換向片上.三、電流電機(jī)的工作原理1、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 我們首先分析一個(gè)簡(jiǎn)單的物理模型，圖中N.S是一對(duì)磁鐵,它可以是永久磁鐵,也可以為電磁鐵，所謂電磁鐵就是在磁極鐵心上繞上勵(lì)磁線圈且通入直流，便產(chǎn)生固定的極性。兩極間裝一轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈，當(dāng)線圈abcd中通入直流電流，此時(shí)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)受到力的作用，根據(jù)電磁力定律，力的大小為f=bli 方向由左手定則判斷在

4、力的作用下使線圈按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)180度后,所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距變成順時(shí)針?lè)较蛄?，所以這種物理模型不能作連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn).要使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)距.關(guān)鍵在于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)保持每極下導(dǎo)體中甸柳的方向不變，即流過(guò)線圈中的電流方向及時(shí)的加以變換，即進(jìn)行所謂”換向”，為此必須增加換向器裝置.換向器由互相絕緣的換向片構(gòu)成,裝在軸上與電樞一同旋轉(zhuǎn),換向器又與兩個(gè)固定不動(dòng)的電刷B1、B2 相接觸，這樣當(dāng)直流電壓加于電刷時(shí)，換向器的作用使外電路的直流電流改為線圈內(nèi)的交變電流，這種換向作用稱(chēng)為逆變，以保證每極下導(dǎo)體中所流過(guò)的電流方向不變,從而使電機(jī)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。2、 直流發(fā)電機(jī)

5、的工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電勢(shì)靠換向器的作用，從電刷端引出時(shí)為直流電勢(shì)的原理，如上圖所示模型中,電刷上不加直流電壓，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),根據(jù)電磁感應(yīng)定律導(dǎo)體ab和cd分別切割不同極下的磁力線而感應(yīng)電勢(shì)e=BLV 方向由右手定則判定整個(gè)線圈的電勢(shì). Ead=2BLV當(dāng)電樞逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)180度時(shí),線圈邊中和整個(gè)線圈電勢(shì)反向,隨著電樞的旋轉(zhuǎn)線圈中感應(yīng)出交變電勢(shì)，而在電刷兩端的電勢(shì)卻為直流電勢(shì)。由于換向器的作用,電刷B1通過(guò)換向片所引出的電勢(shì)始終是切割N極磁力線的線圈中的電勢(shì)，因此B1始終是正極性，同理B2始終是負(fù)極性.所以電刷端引出方向不變,但大小變換的脈振

6、電勢(shì),這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理.3、 直流電機(jī)運(yùn)行的可逆性從以上對(duì)直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的分析可看出一臺(tái)直流電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,只是外界條件不同而已.一個(gè)是輸入機(jī)械能,一個(gè)是輸入電能,這種既能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理,在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理.4、 脈動(dòng)的減小為了減小電樞感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電磁轉(zhuǎn)距的脈動(dòng),實(shí)際的電樞繞組由許多線圈串聯(lián)而成.脈動(dòng)可減小下圖為3個(gè)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)之和.可見(jiàn)其脈動(dòng)程度較1個(gè)線圈大大減小,電磁轉(zhuǎn)距的情況與電勢(shì)類(lèi)似,實(shí)際的一臺(tái)直流電機(jī),每極下線圈很多,則作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行可獲得直流電勢(shì). 四、勵(lì)磁方式我們知道直流電機(jī)的磁場(chǎng),可以由永久磁場(chǎng)產(chǎn)生

7、.也可以由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生.前者為永久磁場(chǎng)后者為電磁場(chǎng),一般來(lái)講永久磁鐵的磁場(chǎng)較弱,所以現(xiàn)在絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁場(chǎng)都是由勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生的.我們稱(chēng)這種磁場(chǎng)為直流電機(jī)的主磁場(chǎng),有時(shí)也稱(chēng)為勵(lì)磁磁場(chǎng).勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式.直流電機(jī)的運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式的不同而不同,按照勵(lì)磁方式的不同,直流電機(jī)分他勵(lì)和自勵(lì)兩大類(lèi).1、 他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源供電的直流電機(jī)電樞電流等于負(fù)載電流Ia=I2、 并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)后加同一電壓.對(duì)發(fā)電機(jī):Ia=I+If 對(duì)于電動(dòng)機(jī):I=Ia+If3、串聯(lián)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)I=Ia=If4、復(fù)勵(lì)直

8、流電機(jī) 具有兩個(gè)勵(lì)磁繞組,一個(gè)與電樞并聯(lián).一個(gè)與電樞繞組串聯(lián).電樞與并聯(lián)繞組并聯(lián)后再與串勵(lì)磁繞組串聯(lián)稱(chēng)短復(fù)勵(lì).電樞與串聯(lián)繞組串聯(lián)后再與并勵(lì)磁繞組并聯(lián)稱(chēng)長(zhǎng)復(fù)勵(lì).若串勵(lì)繞組與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)方向相同為積復(fù)勵(lì),相反為差復(fù)勵(lì).五、直流電機(jī)的額定值每臺(tái)直流電機(jī)繞組的機(jī)座都有一個(gè)銘牌,上面標(biāo)注一些額定數(shù)據(jù),若電機(jī)運(yùn)行時(shí),各數(shù)據(jù)符合額定值,這樣的運(yùn)行情況稱(chēng)為額定工況,在額定下運(yùn)行,可保證電機(jī)可靠的運(yùn)行,并具有優(yōu)良的性能.根據(jù)國(guó)標(biāo)，直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有：1、額定功率 PN （千瓦KW）2、額定電壓 UN （伏V）3、額定電流 IN （安A）4、額定轉(zhuǎn)速 nN (轉(zhuǎn)/分 r/min)5、額定勵(lì)磁電壓 UFn

9、（伏V）6、額定勵(lì)磁電流 IfN （安A）注、對(duì)發(fā)電機(jī)額定功率為 PN= UN IN 對(duì)電動(dòng)機(jī)額定功率為 PN= UN IN N P1= UN IN3-2直流電機(jī)的電樞繞組 電樞繞組是直流電機(jī)的電路部分,也是直流電機(jī)的核心部分,是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐,無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī),它們的電樞繞組在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn),都會(huì)感應(yīng)出電勢(shì)，當(dāng)電樞中有電流時(shí)，又產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。電樞繞組的構(gòu)成應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電勢(shì)，并允許通過(guò)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(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。本節(jié)主要介紹單疊和單波繞組的組成及連接規(guī)律。一. 直流電樞繞組的構(gòu)成電樞繞組分 1.疊繞組2.波繞組3

10、.混和繞組組成繞組的基本單元稱(chēng)為元件.元件有單匝,也有多匝,一個(gè)元件由兩條導(dǎo)體邊和端接線組成。元件邊置于槽內(nèi)稱(chēng)為有效邊,端接線置于鐵心外,不切割磁場(chǎng)，僅起連接線作用一條有效邊放在上層，另一條有效邊放在下層構(gòu)成雙層繞組，元件首尾按一定規(guī)律接到不同的換向器片上，最后使整個(gè)繞組通過(guò)換向片連接城一個(gè)閉合回路。若電樞每槽上、下層只有一個(gè)元件邊，則整個(gè)繞組元件數(shù)s應(yīng)等于槽數(shù)QS=Q在大型電機(jī)中每槽上、下層包含U個(gè)元件，此時(shí)S=UQ U為槽內(nèi)一層嵌放的元件邊數(shù).通常把一個(gè)上層邊和一個(gè)下層邊在槽內(nèi)所占的空間作為一個(gè)虛槽Qu 則:Qu=S=UQ由于一個(gè)換向片與不同元件的兩個(gè)出線端相連接,所以換向片數(shù)K=S則K=

11、S=Qu二、 直流電樞繞組的節(jié)距電樞繞組的連接規(guī)律是通過(guò)繞組的節(jié)距來(lái)表征的,下面分別敘述各個(gè)節(jié)距的定義和計(jì)算方法.1. 第一節(jié)距y1一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離稱(chēng)為第一節(jié)距用y1表示:為使y1湊成整數(shù)的一個(gè)小數(shù)或整數(shù).每一極距內(nèi)的虛槽數(shù)為:極距也可用電樞表面圓弧長(zhǎng)度表示即 常采用短距繞組,可節(jié)省端用銅,有利于換向.2、第二節(jié)距y2相串連的兩個(gè)元件中,第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離,稱(chēng)為第二節(jié)距。用y2表示,也用虛槽數(shù)計(jì)算.3、合成節(jié)距y相串連的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊在電樞表面所跨的距離。不同類(lèi)型繞組的差別,主要表現(xiàn)的合成節(jié)距上。 所謂疊繞組指各極下元件依次連

12、接，后一個(gè)元件總是疊在前一個(gè)元件上，波繞組指把相隔約為一對(duì)極下的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串連起來(lái),像波浪一樣向前延伸。疊繞組 波繞組 4、換向器節(jié)距yc一個(gè)元件的兩個(gè)出線端所連接的兩個(gè)換向片之間所跨的距離,其大小用換向片數(shù)計(jì)算.三、單疊繞組 單疊繞組的連接規(guī)律是，所有的相鄰元件依次串連，連接方法是后一個(gè)元件的首端與前一個(gè)元件尾端聯(lián)在一起并接到一個(gè)換向片上，最后一個(gè)元件的尾與第一個(gè)元件的首端連在一起.構(gòu)成一個(gè)閉合回路。+1為右行，-1為左行，因左行元件接到換向片的連接線需交叉用銅較多，很少采用。例：2P=4 S=K=Qu=16 u=1繪制單疊繞組展開(kāi)圖 由已確定的各節(jié)距，可繪出繞組展開(kāi)圖按照繞組展

13、開(kāi)圖，可畫(huà)出該瞬間的電樞電路圖由繞組電路圖可清楚地看出，從電刷外面看繞組時(shí)是由四條支路并聯(lián)組成。1，5，9，13號(hào)元件被電刷短路，同極下元件電流方向一致。綜上所述，單疊繞組有以下特點(diǎn)：1） 單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)2a=應(yīng)等于電機(jī)的極數(shù)； 2） 當(dāng)元件幾何形狀對(duì)稱(chēng)時(shí)，電刷應(yīng)放在主機(jī)中心線上，此時(shí)正、負(fù)電刷間感應(yīng)電勢(shì)最大，被電刷所短路元件感應(yīng)電勢(shì)為零；3） 電刷數(shù)等于極數(shù)；4） 電刷間引出的電勢(shì)為每一支路電勢(shì)，正、負(fù)電刷間引出的電流為各支路電流之和。四、 單波繞組 單波繞組的連接規(guī)律是:從某一換向片出發(fā)把相隔約為兩個(gè)極距的同極性磁場(chǎng)中對(duì)應(yīng)位置的所有元件串連起來(lái)。這種繞組連接的特點(diǎn)是元件兩出線端所連換

14、向片相隔較遠(yuǎn),相串連的兩元件也相隔較遠(yuǎn).形狀如波浪一樣向前延伸,所以稱(chēng)為波繞組.“-”表示左行，“+”表示右行。上式的含義是，繞組繞電樞一周后，經(jīng)過(guò)P對(duì)極，就由P個(gè)元件串聯(lián)起來(lái)，每個(gè)元件在換向器上跨過(guò)yc換向片，繞一周后需接到起始換向片的左邊（k-1），或右邊（k+1）一個(gè)換向片上。例：2P=4 S=K=Qu=15 u=1繪制單疊繞組展開(kāi)圖 由已確定的各節(jié)距，可繪出繞組展開(kāi)圖按照繞組展開(kāi)圖，可畫(huà)出該瞬間的電樞電路圖單波繞組有以下特點(diǎn)1. 同極性下各元件串連起來(lái)組成一條之路. 2. 幾何形狀對(duì)稱(chēng)時(shí)電刷應(yīng)放在主磁極中心線上3. 電刷數(shù)也應(yīng)等于極數(shù).可減小每組電刷上的電流.改善換向五、 各種繞組的應(yīng)

15、用范圍除單疊和單波外.還有復(fù)疊.復(fù)波和混和繞組.各種繞組的差別主要在于它們的并聯(lián)支路數(shù)上，支路數(shù)越多，相應(yīng)的每條支路所串聯(lián)的元件數(shù)越少，原則上電流大、電壓低的直流電機(jī)采用疊繞組。若電流小，電壓高采用波繞組。3-3空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)為了弄清穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程，必須了解空載和負(fù)載時(shí)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)，本節(jié)介紹直流電機(jī)的磁場(chǎng)。一、 空載時(shí)直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)空載磁場(chǎng)是在無(wú)載情況下（即電樞電流為零），勵(lì)磁繞組中通入電流后由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立的磁場(chǎng)?？蛰d時(shí)主磁場(chǎng)分布情況及計(jì)算方法已在1-3節(jié)中介紹。空載時(shí)主磁場(chǎng)的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。由于磁極極靴寬度總是小于極距，在極靴

16、下氣隙較小，所以極靴下沿電樞表面主磁場(chǎng)較強(qiáng)，極靴以外，氣隙加大，主磁場(chǎng)明顯削弱，在兩極間的幾何中性線處磁密為零。氣隙磁場(chǎng)磁密分布波形為一禮帽形，如下圖：二、 負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)空載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)僅由主磁極上的勵(lì)磁磁勢(shì)所建立。當(dāng)電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中流過(guò)電流，從而產(chǎn)生了電樞磁動(dòng)勢(shì)。因此負(fù)載是電機(jī)中的氣隙磁場(chǎng)是由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同建立。電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)是氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。下面對(duì)電樞磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行研究：首先看一下電樞磁場(chǎng)的分布情況，為簡(jiǎn)單計(jì)，繞組為整距，電刷放在幾何中性線上。在一極下元件中電樞電流的方向相同，根據(jù)右手螺旋法則確定了電樞磁場(chǎng)磁力線的方向如左圖

17、所示1、交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)電刷放在幾何中性線上時(shí)，點(diǎn)數(shù)磁動(dòng)勢(shì)的軸線與主極軸線正交，固稱(chēng)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。與主極軸線正交的軸稱(chēng)為交軸，重合的軸稱(chēng)為直軸。下面分析電樞磁勢(shì)波形，首先從一個(gè)元件入手，將右圖從幾何中性線處切開(kāi)拉直一個(gè)元件時(shí)，磁勢(shì)波形為一個(gè)矩形波，三個(gè)元件時(shí)其磁勢(shì)波形為三個(gè)矩形波的疊加成為一個(gè)三個(gè)階梯的階梯波，若元件再增多，則其波形為多個(gè)階梯組成的階梯波，其波形近似為一三角波，如上圖fa(x)所示。設(shè)主極中心取為原點(diǎn)O，取一經(jīng)過(guò)距原點(diǎn)+x及-x的閉合回路，設(shè)Za為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，D為電樞直徑，根據(jù)安培環(huán)路定律，此回路所含的安培導(dǎo)體數(shù)為： 在X處氣隙的磁勢(shì)為 電樞表面單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)

18、稱(chēng)為電負(fù)荷。在幾何中性線處，即處，交軸電樞磁勢(shì)達(dá)到最大值 2、直軸電樞磁勢(shì)若電刷從幾何中性線移過(guò)角（相應(yīng)的電樞表面弧長(zhǎng)b）將電樞磁動(dòng)勢(shì)分為兩部分，即交軸分量和直軸分量 為交軸分量的最大值 為直軸分量的最大值當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，組成各支路的元件在變化，由于換向器的作用，每極下元件中電流方向不變，所以電樞磁勢(shì)在空間固定不動(dòng)，即它與主磁場(chǎng)的分布波形是相對(duì)靜止的。三、 電樞反應(yīng)負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。如果電樞磁動(dòng)勢(shì)有交軸和直軸分量，則電樞反應(yīng)就相應(yīng)的稱(chēng)為交軸電樞反應(yīng)或直軸電樞反應(yīng)。1、 交軸電樞反應(yīng)當(dāng)電刷放在幾何中性線上時(shí)，由電樞磁勢(shì)波（三角波）可的電樞磁密的分布波形 為氣隙長(zhǎng)度， 為

19、空氣導(dǎo)磁系數(shù)=4×10-7有上確定波形為馬鞍形（如上圖中ba(x)所示）下面以直流發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行具體分析，將主極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)和稱(chēng)，便可看出電樞反應(yīng)的作用。得出兩點(diǎn)結(jié)論：1）氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變2）去磁作用2、直軸電樞反應(yīng)若電刷不在幾何中性線上，除交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)外，還有直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，若為發(fā)電機(jī)電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向移角，直軸電樞反應(yīng)是去磁的；若發(fā)電機(jī)電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移角，直軸電樞反應(yīng)是增磁的。電動(dòng)機(jī)情況與發(fā)電機(jī)正好相反。3-4直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩本節(jié)將推導(dǎo)電樞的感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式。一、 電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)無(wú)論作為發(fā)電機(jī)還是作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電樞繞組中都感應(yīng)電

20、動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)指一條支路的電勢(shì)（即電刷間的電勢(shì)），簡(jiǎn)稱(chēng)電樞電勢(shì)。計(jì)算方法是首先推出每根導(dǎo)體的電勢(shì)，則一條支路中各串聯(lián)導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和即為電樞電勢(shì)。右圖為氣隙磁密分布與元件中電勢(shì)方向設(shè)電樞導(dǎo)體有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，導(dǎo)體切割氣隙磁場(chǎng)的速度為V，則每根導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)為：為導(dǎo)體所在處的氣隙磁密，設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為Za，支路數(shù)為2a,則每條支路串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為則支路電勢(shì)為： 各導(dǎo)體所處位置的互不相同。為簡(jiǎn)單計(jì)引入氣隙平均磁密Bav，它等于電樞表面各點(diǎn)氣隙磁密的平均值（一極下各導(dǎo)體磁密之和，再除導(dǎo)體數(shù)得平均磁密）將上式帶入Ea整理得又不計(jì)飽和時(shí)，與勵(lì)磁電流If成正比，即當(dāng)磁路飽和時(shí)，Ea與、n成正比；當(dāng)磁路不飽和

21、時(shí)，Ea與If、n成正比二、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電樞內(nèi)同有電流時(shí)，載流導(dǎo)體與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法為：首先算出一個(gè)導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算一個(gè)極下所有導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩，最后乘以2P就得到整個(gè)電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。設(shè)電樞表面任一點(diǎn)的氣隙磁密為bx,該處導(dǎo)體中流過(guò)的電流為ia有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電樞直徑為D，則作用與該處載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)矩為：由于一極下導(dǎo)體數(shù)為，則作用于一極下導(dǎo)體的轉(zhuǎn)矩為：作用于整個(gè)電樞上的轉(zhuǎn)矩為：因?yàn)?轉(zhuǎn)矩常數(shù)如Ia單位為安（A）， 單位為韋（Wb），則Te為牛米（Nm）不計(jì)飽和時(shí)，與勵(lì)磁電流If成正比，即當(dāng)磁路飽和時(shí)，Te與、Ia成正比；當(dāng)磁路不飽和時(shí)，Te與

22、If、Ia成正比將Ea兩端同乘Ia得： 電磁功率 上式表明無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中電功率變?yōu)闄C(jī)械功率或機(jī)械功率變?yōu)殡姽β实倪@部分功率為或，由于能量不滅，所以?xún)烧呤窍嗟鹊摹?-5直流電機(jī)的基本方程式直流電機(jī)是一種雙邊勵(lì)磁的三端口機(jī)電系統(tǒng)，定子邊為勵(lì)磁繞組激勵(lì)的勵(lì)磁端口。轉(zhuǎn)子邊為電樞繞組激勵(lì)的電樞端口，另外還有輸出（或輸入）轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的機(jī)械端口。直流電機(jī)的運(yùn)行情況可由基本方程式進(jìn)行研究?；痉匠淌剑?、電端口的電壓平衡方程式 2、機(jī)械端口的轉(zhuǎn)距平衡方程式一、電壓方程1、 他勵(lì)磁電機(jī) 對(duì)勵(lì)磁回路： 對(duì)電樞回路： 發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī) 式中 ra：電樞繞組電阻， ：正、負(fù)一對(duì)電刷上的接觸電壓

23、降， Ra：電樞回路總電阻，包括電樞繞組電阻和電刷接觸電阻， Rf：勵(lì)磁繞組電阻。注：發(fā)電機(jī) 且輸出電流作為電樞電流的正方向電動(dòng)機(jī) 且輸入電流作為電樞電流的正方向2、 并勵(lì)磁直流電機(jī) 對(duì)發(fā)電機(jī) 對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路和電樞回路的電壓方程仍與他勵(lì)磁相同3、 串勵(lì)直流電機(jī) IS：串勵(lì)繞組中勵(lì)磁電流二、轉(zhuǎn)距方程1、直流發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)以T1的轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則Ea、Ia 、Te的方向如圖所示，Te的方向與T1相反，為制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，Te為拖動(dòng)轉(zhuǎn)距。則：其物理意義為：當(dāng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)距T1與發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的制動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)矩Te和電機(jī)本身的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩T0相平衡。2、直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)中電樞

24、電流與運(yùn)動(dòng)電勢(shì)方向相反。Te為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以 ：軸上輸出轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩Te與制動(dòng)性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及電機(jī)本身的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)距相平衡。三、電磁功率及功率方程1、電磁功率采用電動(dòng)機(jī)慣例勵(lì)磁繞組輸入的功率為：這部分功率全部邊為勵(lì)磁繞組內(nèi)的電阻損耗。電樞繞組輸入的功率為：由兩部分組成：1） 電樞回路銅損耗 2）電磁功率前已證明：對(duì)于電動(dòng)機(jī)，為電樞繞組中運(yùn)動(dòng)電勢(shì)所吸收的電功率，為電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)械負(fù)載所作的機(jī)械功率，由于能量守恒，兩者相等。是機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率。所以無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，是能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的轉(zhuǎn)換功率，能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在電樞電路和機(jī)械系統(tǒng)之間，而的大小與的大?。瘩詈洗艌?chǎng)的強(qiáng)弱）有關(guān)。P80圖3-

25、30位直流電機(jī)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換表象圖2、功率方程以并勵(lì)磁直流電機(jī)為例研究功率方程并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：式中：輸入功率 ：電樞回路總銅耗 ：勵(lì)磁回路銅耗式中：為電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率由上式可直觀的畫(huà)出功率流程圖：雜散損耗，由于電樞有齒槽的存在產(chǎn)生的損耗，難于精確計(jì)算，國(guó)標(biāo)規(guī)定由補(bǔ)償繞組的按1%，無(wú)補(bǔ)償繞組的0.5%估算并勵(lì)發(fā)電機(jī)式中：為發(fā)電機(jī)輸出的電功率3-6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征直流發(fā)電機(jī)在拖動(dòng)系統(tǒng)中大都作為電源使用，目前直流發(fā)電機(jī)有被大功率可控硅整流電源取代的趨勢(shì)，但有些系統(tǒng)中還要使用。發(fā)電機(jī)的特征一般指發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，端電壓u、負(fù)載電流I、勵(lì)磁電流If這三個(gè)物理量之間的關(guān)系，保持其中的一個(gè)量不變，其余兩個(gè)量就構(gòu)

26、成一種特性。因此有（1）空載特性 （2）外特性（3）調(diào)整特性 （4）效率特性 有的特性與勵(lì)磁方式有關(guān)，下面按他勵(lì)、并勵(lì)、復(fù)勵(lì)三種不同勵(lì)磁方式分別進(jìn)行研究。一、 他勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1、 空載特性用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)取空載特性時(shí)，接線如下圖 發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，且保持 ，調(diào)節(jié) ，使發(fā)電機(jī)空載端電壓，然后使逐漸降至零，測(cè)取和即得。再將反向，測(cè)取反方向空載特性，因存在磁滯現(xiàn)象，所以正、反空載特性是整個(gè)磁滯回線的一半，根據(jù)對(duì)稱(chēng)關(guān)系可畫(huà)出另一半，取整個(gè)回線的平均線，虛線所示為空載特性曲線。實(shí)際上，空載特性曲線與磁化曲線相同。 而均為常數(shù)，將改一下尺標(biāo)，即為。說(shuō)明：經(jīng)勵(lì)磁后，再將勵(lì)磁切斷時(shí)，磁路中會(huì)留有剩磁，即

27、使，電樞仍會(huì)出現(xiàn)由剩磁磁通所感應(yīng)的剩磁電壓， 2、外特性用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)取外特性時(shí)，發(fā)電機(jī)電樞加入負(fù)載電阻RL，當(dāng)時(shí)，調(diào)RL 和使，然后保持不變，變 RL 使I逐漸減小測(cè)取U，I，即得由電壓方程可知U下降的原因?yàn)?）去磁作用 2）發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載而變化的程度用電壓調(diào)整律來(lái)衡量，發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載過(guò)渡到空載時(shí)，端電壓變化的數(shù)值與額定電壓的比值，稱(chēng)為額定電壓調(diào)整率。他勵(lì)發(fā)電機(jī)的大約在510%這一范圍內(nèi)。隨負(fù)載變化基本上可看成是一個(gè)恒壓的直流電源。他勵(lì)發(fā)電機(jī)在額定勵(lì)磁下短路時(shí)，短路電流，由于很小，所以很大，可達(dá)（2030）IN ，故不允許在額定勵(lì)磁下短路。3、調(diào)節(jié)特性曲線是一條上升的曲線。由外特性可知，

28、當(dāng)附載電流I增加時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓下降。如需維持U為常值，I增加時(shí)，要相應(yīng)的增加以補(bǔ)償去磁的電樞反應(yīng)和電樞回路電阻壓降，通過(guò)調(diào)節(jié)特性實(shí)驗(yàn)可求出空載時(shí)和額定負(fù)載時(shí)所需的勵(lì)磁電流和。當(dāng)（時(shí)所需的勵(lì)磁電流即為）4、效率特性：總損耗式中：為電樞繞組銅損耗； ：一對(duì)電刷的接觸電壓降，對(duì)石墨 對(duì)金屬石墨將以上損耗分別分為兩大類(lèi)1、不變損耗，不隨P2的變化而變化2、可變損耗，隨P2變化而變化，因負(fù)載變化時(shí)要作相應(yīng)調(diào)整以保證U=UN ，所以也屬可變損耗，效率曲線如左圖所示，可見(jiàn)發(fā)電機(jī)在某負(fù)載時(shí)效率最大。令 解出最大效率，即當(dāng)不變損耗=可變損耗時(shí)發(fā)生最大效率一般在3/4PN左右發(fā)生最大效率小型直流發(fā)電機(jī)中大型直流

29、發(fā)電機(jī)二、并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)和運(yùn)行特性1、并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)并勵(lì)和復(fù)勵(lì)都是一種自勵(lì)發(fā)電機(jī)，即不需要外部電源供給勵(lì)磁電流，這種自勵(lì)發(fā)電機(jī)首先是在空載時(shí)建立電壓即所謂“自勵(lì)”，然后再加負(fù)載，下面以并勵(lì)為例研究其自勵(lì)過(guò)程。（1）自勵(lì)過(guò)程勵(lì)磁繞組是并聯(lián)在電樞繞組兩端，勵(lì)磁電流是由發(fā)電機(jī)本身提供。發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)之額定轉(zhuǎn)速，由于發(fā)電機(jī)磁路里總有一定的剩磁，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)電樞端點(diǎn)將有一個(gè)不大的剩磁電壓E0r，E0r同時(shí)加在勵(lì)磁繞組兩端，便有一個(gè)不大的勵(lì)磁電流通過(guò)，從而產(chǎn)生一個(gè)不大的勵(lì)磁磁場(chǎng)。如勵(lì)磁繞組接法適當(dāng)，可使勵(lì)磁磁場(chǎng)的方向與電機(jī)剩磁方向相同，從而使電機(jī)的磁通和由它產(chǎn)生的端電壓增加。在此大一點(diǎn)的電

30、壓作用下，勵(lì)磁電流又進(jìn)一步加大，最終穩(wěn)定在空載特性和勵(lì)磁電阻線的交點(diǎn)A，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓即為空載穩(wěn)定電壓。若調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路電阻，可調(diào)節(jié)空載電壓穩(wěn)定點(diǎn)。加大，則勵(lì)磁電阻線斜率加大，交點(diǎn)A向原定移動(dòng)。端點(diǎn)電壓降低，當(dāng)勵(lì)磁電阻線與空載特性相切時(shí)，沒(méi)有固定交點(diǎn)，空載電壓不穩(wěn)定，當(dāng)勵(lì)磁電阻線的斜率大于空載特性斜率，交點(diǎn)為剩磁電壓，則發(fā)電機(jī)不能自勵(lì)。（2）自勵(lì)條件從上述發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程可以看出，要使發(fā)電機(jī)能夠自勵(lì)，必須滿足三個(gè)條件：1）電機(jī)必須有剩磁。如電機(jī)失磁，可用其他直流電源激勵(lì)一次，以獲剩磁。2）勵(lì)磁繞組并到電樞繞組的極性必須正確。否則電樞電勢(shì)不但不會(huì)增大反而會(huì)下降，如有這種現(xiàn)象，可將勵(lì)磁繞組對(duì)調(diào)。3

31、）勵(lì)磁回路的電阻應(yīng)小于臨界電阻，即。否則與空載特性無(wú)交點(diǎn)，不能建立電壓2、并勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與他勵(lì)相同，也有外特性，調(diào)整特性和效率特性。調(diào)整特性和效率特性與他勵(lì)十分相近，僅說(shuō)明其外特性。外特性：與他勵(lì)外特性比較，并勵(lì)的外特性有三個(gè)特點(diǎn)：1）同一附載電流下，端電壓較低。2）外特性有“拐彎”現(xiàn)象。3）穩(wěn)定短路電流小所以并勵(lì)外特性比他勵(lì)低。電壓調(diào)整率一般在20%左右。外特性“拐彎”現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)椋?，在磁路比較飽和的區(qū)域中（右圖AP段），隨 ，由于磁路比較飽和，所以由于的減少而引起Ea 和U的減少不大。即負(fù)載電阻減小，負(fù)載電流增大，一直到外特性“拐彎”點(diǎn)，該點(diǎn)電流稱(chēng)為臨界電流約為（23）IN 。

32、若 進(jìn)一步減小，U和進(jìn)一步減小，此時(shí)磁路飽和度降低（途中A/A段）， 的稍微減小，將引起Ea的很大下降，致使端電壓U下降的幅度大于 減小的幅度。于是外特性出現(xiàn)“拐彎”現(xiàn)象，即 減小時(shí)，U減小，負(fù)載電流反而下降。當(dāng)穩(wěn)態(tài)短路時(shí)（），U=0，此時(shí)電樞繞組中的電流由剩磁電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生， ，因 不大，所以不大。三、復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)有并勵(lì)繞組和串勵(lì)繞組兩個(gè)勵(lì)磁繞組，而串勵(lì)繞組的作用是隨著負(fù)載電流的增加增磁，從而補(bǔ)償了并勵(lì)繞組的去磁作用。所以復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性較平直。 積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)應(yīng)用很廣，因可靈活的調(diào)整并勵(lì)和串勵(lì)磁場(chǎng)，從而設(shè)計(jì)出所需要的外特性。一般希望隨負(fù)載變化發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定。這一點(diǎn)只有復(fù)勵(lì)發(fā)

33、電機(jī)能達(dá)到。對(duì)串勵(lì)，因勵(lì)磁磁勢(shì)直接隨負(fù)載變化，端電壓極不穩(wěn)定，故不采用3-7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)是直流發(fā)電機(jī)的一種逆運(yùn)行狀態(tài)，將電能變?yōu)闄C(jī)械能，由于表征機(jī)械能的參數(shù)為轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速。所以直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行特性最主要的就是轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)速特性即機(jī)械特性。再是工作特性。因直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異，下面分別加以研究一、 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1、機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，歸根結(jié)底就是向負(fù)載發(fā)出一定的轉(zhuǎn)距，并使之得到一定的轉(zhuǎn)速。 Te和n是生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的兩項(xiàng)要求。在電機(jī)內(nèi)部Te和n 不是相互獨(dú)立的，它們之間存在著確定的關(guān)系，這種關(guān)系稱(chēng)為機(jī)械特性。由于如不計(jì)磁飽和效應(yīng)（忽略電樞

34、反應(yīng)影響）則 ， 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性為一稍微下降的直線機(jī)械特性具有以下特點(diǎn)：（1）稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)速（2）（3）特性為一斜率為 的向下傾斜的直線 所以為稍微下降的直線，這種特性稱(chēng)為硬特性。（4）電樞反應(yīng)的影響 如考慮磁飽和，交軸電樞反應(yīng)呈去磁作用，由公式可見(jiàn) 機(jī)械特性的下降減小，或水平，或上翹。 為避免上翹，采取一些措施，可加串勵(lì)繞組，其磁勢(shì)抵消電樞反應(yīng)的去磁作用。2、工作特性 直流電動(dòng)機(jī)的工作特性指： 因在實(shí)際運(yùn)行時(shí)電樞電流可直接測(cè)量，且電樞電流隨增加而增大，兩者增大趨勢(shì)相差不多，所以可將工作特性表示為：（1） 轉(zhuǎn)速特性如不計(jì)電樞反應(yīng)的去磁作用，則 為與 無(wú)關(guān)的常數(shù)。則所以轉(zhuǎn)速特性為一斜率為的

35、直線。如考慮電樞反應(yīng)的去磁作用會(huì)使n 趨于上升，為保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，在電機(jī)結(jié)構(gòu)上采取一些措施，使并勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有略微下降的轉(zhuǎn)速特性。轉(zhuǎn)速調(diào)整率為：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化很小，注：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不允許斷開(kāi)。 當(dāng) 失磁（2）轉(zhuǎn)矩特性 不計(jì)飽和時(shí) 成正比 計(jì)飽和時(shí)， 較大時(shí)，電樞反應(yīng)的去磁作用，使曲線偏離直線，如圖實(shí)線所示。（3）效率特性 和發(fā)電機(jī)效率特性相似二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是 隨變1、機(jī)械特性（轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)速特性）n反比于Te，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加迅速下降，這種特性稱(chēng)為軟特性2、工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性串勵(lì)的轉(zhuǎn)速特性與并勵(lì)截然不同，它隨負(fù)載增加迅速降低，變化很大

36、。 當(dāng)空載時(shí) ，所以，轉(zhuǎn)速達(dá)到危險(xiǎn)的高速，稱(chēng)“飛車(chē)”現(xiàn)象，因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許在空載或負(fù)載很小的情況下運(yùn)行。轉(zhuǎn)速特性與縱軸無(wú)交點(diǎn)。其轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為：為輸出功率等于1/4PN 時(shí)的轉(zhuǎn)速。(2)轉(zhuǎn)距特性當(dāng)磁路不飽和時(shí)，當(dāng)磁路飽和時(shí)，一般可看成 ，按大于一次方的比例增加。它對(duì)啟動(dòng)和過(guò)載能力有重要意義，在同樣大小的啟動(dòng)電流下能得到比并勵(lì)電動(dòng)機(jī)更大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距。（用于電氣牽引）（3）效率特性其效率特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相似三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)通常接成積復(fù)勵(lì)，即有并勵(lì)繞組，又有串勵(lì)繞組，故其特性介于并勵(lì)與串勵(lì)之間。若勵(lì)磁繞組以并勵(lì)為主，則其特性接近于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)但由于有串勵(lì)磁勢(shì)的存在，補(bǔ)償電樞反應(yīng)的

37、去磁作用，不致使轉(zhuǎn)速特性上翹。若勵(lì)磁繞組中串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)起主要作用，則特性接近于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由于有并勵(lì)磁勢(shì)存在，不會(huì)使電動(dòng)機(jī)空載時(shí)出現(xiàn)“飛車(chē)”現(xiàn)象。3-8直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng) 本節(jié)介紹直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速原理及方法。一、直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)直流電機(jī)接到電源后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程稱(chēng)為啟動(dòng)過(guò)程，是一動(dòng)態(tài)過(guò)程，情況較為復(fù)雜，僅介紹啟動(dòng)要求和啟動(dòng)方法。直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的基本要求是：（1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)距要大 （2）啟動(dòng)電流要小，限制在安全范圍之內(nèi) （3）啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠 直流電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)， ，可突增至額定電流的十多倍，故此必須加以限制，在保證產(chǎn)生足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下（），盡量減小啟動(dòng)電流，一

38、般直流電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)過(guò)載電流不得超過(guò)（1.52）IN 。常用的啟動(dòng)方法有三種，分別介紹如下1、直接啟動(dòng)加全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流達(dá)十倍以上額定電流，僅用于小型電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，不需啟動(dòng)設(shè)備。缺點(diǎn)：沖擊電流太大1、對(duì)電網(wǎng)電壓影響 2、對(duì)電機(jī)本身影響只適用于小型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)2、電樞回路串變阻器啟動(dòng)為限制啟動(dòng)電流，在啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，再逐級(jí)將啟動(dòng)電阻切除。串入變阻器時(shí)的啟動(dòng)電流為只要選擇適當(dāng)，能將啟動(dòng)電流限制在允許范圍內(nèi)，隨n的上升可切除一段電阻。采用分段切除電阻，可使電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中獲較大加速，且加速均勻，緩和有害沖擊。如下圖為分二級(jí)啟動(dòng)的機(jī)械特性曲線。由 產(chǎn)生 ，電機(jī)加速（）由

39、，加速逐漸減小。為獲較大加速，到b點(diǎn)時(shí)切除 ，特性由b到c，由c到d后再切除 ，運(yùn)行到固有特性e點(diǎn)，最終穩(wěn)定在g點(diǎn)。（）切除可手動(dòng)完成，也可自動(dòng)完成。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。缺點(diǎn)：電能損耗大，設(shè)備笨重 常用三點(diǎn)啟動(dòng)器接線圖、降壓?jiǎn)?dòng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)將低電壓，則，并使限制在一定范圍內(nèi)。采用降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，需專(zhuān)用調(diào)壓電源，直流發(fā)電機(jī)，或可控硅整流電源。用發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁達(dá)到調(diào)壓；用可控硅整流電源，用觸發(fā)號(hào)控制輸出電壓。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)電流小，能量損耗小，缺點(diǎn)：設(shè)備投資大。二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速許多生產(chǎn)機(jī)械需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，直流電動(dòng)機(jī)具有在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速的性能。因此在調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上得到廣泛應(yīng)

40、用。調(diào)速是人為的改變電氣參數(shù)，從而改變機(jī)械特性，使得在某一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速，如左圖中n1與n2，而負(fù)載變化時(shí)，在同一特性上轉(zhuǎn)速由n1至n1/（）下面討論調(diào)速原理及優(yōu)缺點(diǎn)從直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知在某一負(fù)載下（不變），其中、中均可調(diào)節(jié)，所以可有三種調(diào)速方法。、電樞串電阻調(diào)速由串阻的機(jī)械特性可知，所串電阻越大，斜率越大，轉(zhuǎn)速越低。未串阻時(shí)，工作在點(diǎn)，突串時(shí)，來(lái)不及突變，由點(diǎn)到點(diǎn)因?yàn)榇藭r(shí)，使n下降，直至點(diǎn)（），調(diào)速過(guò)程完了。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。缺點(diǎn)：屬有級(jí)調(diào)速，輕載幾乎沒(méi)有調(diào)節(jié)作用，低速時(shí)電能損耗大，接入電阻后特性變軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化大（即動(dòng)態(tài)精度差）只能下調(diào)。此種調(diào)

41、速方法一般用于調(diào)速性能要求不高的設(shè)備上，如電車(chē)，吊車(chē)，起重機(jī)等。有時(shí)為提高機(jī)械特性硬度在串的同時(shí)，在電樞兩端并一電阻。用等效電源法求等效電路等效電源電壓為電樞兩端開(kāi)路電壓 等效串聯(lián)電阻為電源短路時(shí)從電樞兩端看進(jìn)去的電阻 由等效電路得 所以特性硬度提高、調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速應(yīng)用此方法，電樞回路應(yīng)用直流電源單獨(dú)供電，勵(lì)磁繞組用另一電源他勵(lì)。目前用得最多的可調(diào)直流電源是可控硅整流裝置（SCR），對(duì)容量數(shù)千千瓦以上的采用交流電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)機(jī)組。缺點(diǎn)：調(diào)壓電源設(shè)備復(fù)雜，一般下調(diào)轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：硬度一樣，可平滑調(diào)速，且電能損耗不大。從以上兩種方法屬電樞控制。、弱磁調(diào)速改變的調(diào)速，增大可能性不大，因電機(jī)磁路設(shè)計(jì)在

42、飽和段。所以只有減弱磁通?？稍趧?lì)磁回路中串阻實(shí)現(xiàn)。 但比增加快，一般情況下設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)距不變，則又因U不變，所以 則 減少磁通可使轉(zhuǎn)速上升 基本不變?nèi)秉c(diǎn)：調(diào)速范圍小，只能上調(diào)，磁通越弱，越大，使換向變壞。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便。調(diào)速平滑，效率幾乎不變，調(diào)節(jié)電阻上功率損耗不大。注：以上適用于他勵(lì)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，也適用于復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速由串勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性式中：（）可用在電樞回路中串接電阻的方法來(lái)調(diào)速電樞回路總電阻為，越大，斜率越大，電機(jī)效率較低。（）改變用改變U調(diào)速時(shí)，效率較高。特性與固有特性平行，紅線所示（）可在勵(lì)磁繞組兩端并電阻加入后，減弱磁通，使上升，不接時(shí)，接后 曲線如右圖（）可

43、在電樞兩端并電阻并后，不并時(shí)，可下調(diào)轉(zhuǎn)速，曲線為，（）、（）均為磁場(chǎng)控制，其線路圖見(jiàn)93,3-57三、直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械工作完畢就需要停車(chē)，因此需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。最簡(jiǎn)單的停車(chē)方法是斷開(kāi)電源，靠摩擦損耗轉(zhuǎn)矩消耗掉電能，使之逐漸停下來(lái)，這叫做自由停車(chē)法。自由停車(chē)一般較慢，特別是空載自由停車(chē)，更需較長(zhǎng)的時(shí)間，如希望快速停車(chē)，可使用電磁制動(dòng)器，俗稱(chēng)“抱閘”。也可使用電氣制動(dòng)方法，分三種，能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)1、能耗制動(dòng) 停車(chē)時(shí)，不只是斷電，而且將電樞立即接到上（為限制電流過(guò)大）因?yàn)榇艌?chǎng)保持不變（書(shū)中為并勵(lì)）由于慣性，n存在且與電動(dòng)時(shí)相同，所以Ea與電動(dòng)時(shí)方向相同電流方向相反，所以T

44、e反向。由于轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)狀態(tài)相反，產(chǎn)生一制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，使其快速停車(chē)。制動(dòng)過(guò)程是電機(jī)靠慣性發(fā)電，將動(dòng)能變成電能，消耗在電樞總電阻上，因此稱(chēng)之為能耗制動(dòng)。能耗制動(dòng)操作簡(jiǎn)單，但低速時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小。2、反接法采用以上能耗制動(dòng)方法，在低速時(shí)效果差，如采用反接制動(dòng)，可得到更強(qiáng)烈的制動(dòng)效果。利用反向開(kāi)關(guān)將電樞反接，反接同時(shí)串入電阻（為限制電流過(guò)大） 為負(fù)，所以Te為負(fù)反接制動(dòng)時(shí)最大電流不得超過(guò)，則應(yīng)使 對(duì)于能耗制動(dòng) 缺點(diǎn)：能量損耗大，轉(zhuǎn)速下降到零時(shí)，必須及時(shí)斷開(kāi)電源，否則將有可能反轉(zhuǎn)。3、回饋制動(dòng)當(dāng) 為負(fù)， Te為負(fù) 例如電車(chē)下坡時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)電車(chē)在平路上行駛時(shí)，摩擦轉(zhuǎn)矩TL是制動(dòng)性質(zhì)的，系統(tǒng)運(yùn)行于a點(diǎn)。這時(shí)

45、 當(dāng)電車(chē)下坡時(shí)，TL 仍存在（暫不考慮數(shù)值變化），車(chē)重產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是幫助運(yùn)動(dòng)的，如，合成轉(zhuǎn)矩與n方向相同，因而n上升，當(dāng)，使變負(fù)， 使Ia變負(fù)，Te為負(fù)此時(shí)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出電能，回饋到電網(wǎng)，稱(chēng)為回饋制動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行在b點(diǎn)?？傊?，電氣制動(dòng)是電機(jī)本身產(chǎn)生一制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)。3-9換向當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，元件從一條支路通過(guò)電刷進(jìn)入另一條支路時(shí)，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱(chēng)為換向。換向問(wèn)題是一切帶有換向器電機(jī)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)問(wèn)題，它對(duì)電機(jī)的正常運(yùn)行有重大影響，換向不良，將在電刷下發(fā)生有害火花，當(dāng)火花超過(guò)一定程度，就會(huì)燒壞電刷和換向器，使電機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。然而換向過(guò)程十分復(fù)雜，有電磁、機(jī)械和電化學(xué)等方面因素相互交織在一起，我們僅就換向的電磁現(xiàn)象及改善換向的方法作簡(jiǎn)單介紹。一、 換向元件中的電勢(shì)設(shè)電刷寬度等于換向片寬度，電刷不動(dòng)，換向器從右向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1屬于右邊一條支路，電流為Ia ，當(dāng)電刷與1、2換向片接觸時(shí)，元件1被短路，當(dāng)電刷與換向片2接觸時(shí)，元件1進(jìn)入左邊一條支路，電流為