第03章-直流電機原理

1、-1-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理電機與拖動基礎(chǔ)（第電機與拖動基礎(chǔ)（第2版）版） 第一節(jié)第一節(jié) 直流電機的基本原理和結(jié)構(gòu)直流電機的基本原理和結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 直流電機的電樞繞組和磁場直流電機的電樞繞組和磁場第三節(jié)第三節(jié) 電樞繞組感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩第四節(jié)第四節(jié) 直流電機的基本方程和工作特性直流電機的基本方程和工作特性-2-引引 言言 直流電機是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)直流電能和機直流電機是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)直流電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機稱為直流電動機，反之則稱為直流發(fā)電機。直的電

2、機稱為直流電動機，反之則稱為直流發(fā)電機。直流電動機具有調(diào)速范圍廣且平滑，起、流電動機具有調(diào)速范圍廣且平滑，起、 制動轉(zhuǎn)矩大，制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，易于控制的優(yōu)點，常用于對調(diào)速要求較過載能力強，易于控制的優(yōu)點，常用于對調(diào)速要求較高的場合。本章主要介紹直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作高的場合。本章主要介紹直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、電樞繞組的基本結(jié)構(gòu)和磁場，以及直流電動機原理、電樞繞組的基本結(jié)構(gòu)和磁場，以及直流電動機的基本方程和工作特性。的基本方程和工作特性。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 -3-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 第一節(jié)第一節(jié) 直流電機的基本原理和結(jié)構(gòu)直流電機的基本原理

3、和結(jié)構(gòu) 一、直流電機的基本原理一、直流電機的基本原理 根據(jù)第一章的原型電機模型，可以畫出兩極直流電機的簡化根據(jù)第一章的原型電機模型，可以畫出兩極直流電機的簡化模型，如圖模型，如圖3-1所示。所示。 -4- 1. 直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理 勵磁線圈通入直流電流，產(chǎn)生直軸（勵磁線圈通入直流電流，產(chǎn)生直軸（d軸）方向的主極磁通軸）方向的主極磁通 ，稱為主磁場。交軸（稱為主磁場。交軸（q軸）方向上的一對電刷將電樞線圈分為上下軸）方向上的一對電刷將電樞線圈分為上下兩部分，電樞線圈按照一定的聯(lián)接方式組成電樞繞組。當(dāng)直流電兩部分，電樞線圈按照一定的聯(lián)接方式組成電樞繞組。當(dāng)直流電源通過電刷向電

4、樞繞組供電時，電樞表面的左半部分導(dǎo)體（即源通過電刷向電樞繞組供電時，電樞表面的左半部分導(dǎo)體（即N極下）可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時極下）可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時針方法的力矩作用；電樞表面的右半部分導(dǎo)體（即針方法的力矩作用；電樞表面的右半部分導(dǎo)體（即S極下）也流極下）也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時針方法過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時針方法的力矩作用。這樣，整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn)，輸入的力矩作用。這樣，整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn)，輸入的 直 流 電 能 就 轉(zhuǎn) 換 成 轉(zhuǎn) 子 軸 上 輸 出

5、 的 機 械 能 。的 直 流 電 能 就 轉(zhuǎn) 換 成 轉(zhuǎn) 子 軸 上 輸 出 的 機 械 能 。第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-5-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 2. 直流發(fā)電機的工作原理直流發(fā)電機的工作原理 根據(jù)電機的可逆原理，在圖根據(jù)電機的可逆原理，在圖3-1所示的直流電機模型中，勵磁所示的直流電機模型中，勵磁線圈仍通入直流電流，產(chǎn)生主極磁通線圈仍通入直流電流，產(chǎn)生主極磁通 。 電樞上不外加直流電電樞上不外加直流電壓，而用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)，壓，而用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)， 使電樞線圈切割磁力線而產(chǎn)使電樞線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢的方向由右手定則確定。生

6、感應(yīng)電動勢，電動勢的方向由右手定則確定。 由于電樞連續(xù)的由于電樞連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，電樞繞組的每個線圈邊交替地切割旋轉(zhuǎn)，電樞繞組的每個線圈邊交替地切割N極和極和S極下的磁力線，極下的磁力線，產(chǎn)生交變得感應(yīng)電動勢。產(chǎn)生交變得感應(yīng)電動勢。 再通過換向器的作用，使得在上下兩個再通過換向器的作用，使得在上下兩個電刷端輸出的電動勢為為一個方向相同的脈動電動勢，電刷端輸出的電動勢為為一個方向相同的脈動電動勢， 比如，比如， 從從電刷電刷A總是輸出切割總是輸出切割N極磁力線的線圈邊所產(chǎn)生的正向電動勢，從極磁力線的線圈邊所產(chǎn)生的正向電動勢，從電刷電刷B總是輸出切割總是輸出切割S極磁力線的線圈邊所產(chǎn)生的負(fù)向電動勢，極磁

7、力線的線圈邊所產(chǎn)生的負(fù)向電動勢， 這這樣，電刷樣，電刷A始終為正極性，而電刷始終為正極性，而電刷B始終為負(fù)極性。因此，雖然線始終為負(fù)極性。因此，雖然線圈切割不同極性磁極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是交變的，圈切割不同極性磁極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是交變的， 但通過換向但通過換向器的作用，在電刷兩端卻輸出直流電壓。器的作用，在電刷兩端卻輸出直流電壓。-6- 二、直流電機的二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 直流電動機和直直流電動機和直流發(fā)電機在主要結(jié)構(gòu)流發(fā)電機在主要結(jié)構(gòu)上基本相同，常用的上基本相同，常用的中小型直流電動機結(jié)中小型直流電動機結(jié)構(gòu)如圖構(gòu)如圖3-2所示。直流所示。直流電動機主要由定子、電動機主要由定子、

8、轉(zhuǎn)子，電刷裝置、端轉(zhuǎn)子，電刷裝置、端蓋、軸承、通風(fēng)冷卻蓋、軸承、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等部件組成。系統(tǒng)等部件組成。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-7- 1. 定子定子 定子由機座、主磁極、換向極、電刷裝置等組成，其剖面定子由機座、主磁極、換向極、電刷裝置等組成，其剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示。它的主要作用是產(chǎn)生主磁場和作電機所示。它的主要作用是產(chǎn)生主磁場和作電機的機械支架。的機械支架。第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-8- 2. 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成，如圖和風(fēng)扇等組成，如圖

9、3-4所示。它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩或感應(yīng)所示。它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩或感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。電動勢，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-9-第二節(jié)第二節(jié) 直流電機的電樞繞組和磁場直流電機的電樞繞組和磁場 一、直流電機的電樞繞組一、直流電機的電樞繞組* 直流電機的電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)直流電機的電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能轉(zhuǎn)換的核心部件。在實際的直流電機中，為增加電機的機電能轉(zhuǎn)換的核心部件。在實際的直流電機中，為增加電機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩其電樞表面均勻分布的槽內(nèi)嵌放了許多感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩其電樞表面均勻分布的槽內(nèi)嵌放了

10、許多線圈，線圈， 這些線圈按一定規(guī)律與換向器聯(lián)接起來，這些線圈按一定規(guī)律與換向器聯(lián)接起來， 組成電樞繞組成電樞繞組。組。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-10-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 電樞繞組每個元件的匝數(shù)可以是單匝，也可以是多匝，如圖電樞繞組每個元件的匝數(shù)可以是單匝，也可以是多匝，如圖3-5所示。元件依次嵌放在電樞槽內(nèi)，一條元件邊放在槽的上層，所示。元件依次嵌放在電樞槽內(nèi)，一條元件邊放在槽的上層，另一條邊放在另一槽的下層，構(gòu)成雙層繞組，如圖另一條邊放在另一槽的下層，構(gòu)成雙層繞組，如圖3-6所示。所示。 -11-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 按照元件首尾端與換

11、向片聯(lián)接規(guī)律的不同，電樞繞組可分為按照元件首尾端與換向片聯(lián)接規(guī)律的不同，電樞繞組可分為疊繞組疊繞組和和波繞組波繞組，疊繞組又有，疊繞組又有單疊單疊和和復(fù)疊復(fù)疊之分，波繞組也有之分，波繞組也有單波單波和和復(fù)波復(fù)波之分。之分。單疊繞組是直流電機電樞繞組的基本形式單疊繞組是直流電機電樞繞組的基本形式。 -12- 二、直流電機的磁場二、直流電機的磁場 1. 空載磁場空載磁場 直流電機空載是指電樞繞組電流為零或很小，電機幾乎無功直流電機空載是指電樞繞組電流為零或很小，電機幾乎無功率輸出?？蛰d磁場是由勵磁繞組的勵磁磁動勢單獨建立的磁場。率輸出。空載磁場是由勵磁繞組的勵磁磁動勢單獨建立的磁場。第三章第三章

12、直流電機原理直流電機原理-13- 主磁通主磁通 0 的大小決定于勵磁磁動勢的大小決定于勵磁磁動勢Ff 、磁路各段幾何尺寸和、磁路各段幾何尺寸和選用的材料性質(zhì)。在磁路尺寸和材料已定的情況下，選用的材料性質(zhì)。在磁路尺寸和材料已定的情況下， 0 與與Ff 滿足滿足圖圖3-9所示的所示的 0 = f（Ff ）關(guān)系曲線。若勵磁繞組匝數(shù)一定，磁動）關(guān)系曲線。若勵磁繞組匝數(shù)一定，磁動勢勢Ff 便與勵磁電流便與勵磁電流If 成正比，使成正比，使 0 = f（Ff ）= f（If ），稱為磁），稱為磁化曲線?；€。第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 磁化曲線表明，電機中磁磁化曲線表明，電機中磁通增大時，磁

13、通與磁動勢成線通增大時，磁通與磁動勢成線性正比，但當(dāng)磁通達到一定數(shù)性正比，但當(dāng)磁通達到一定數(shù)值時，磁通增長緩慢，呈飽和值時，磁通增長緩慢，呈飽和趨勢，隨著磁動勢繼續(xù)增加，趨勢，隨著磁動勢繼續(xù)增加，磁通趨于平直。一般電機空載磁通趨于平直。一般電機空載時，電機的磁場處于磁化曲線時，電機的磁場處于磁化曲線淺飽和區(qū)的淺飽和區(qū)的a點。點。-14- 2. 電樞反應(yīng)電樞反應(yīng) 直流電機在主極建立了主磁場，當(dāng)電樞繞組中通過電流時，直流電機在主極建立了主磁場，當(dāng)電樞繞組中通過電流時，產(chǎn)生電樞磁動勢，也在氣隙中建立起電樞磁場。這時電機的氣隙產(chǎn)生電樞磁動勢，也在氣隙中建立起電樞磁場。這時電機的氣隙中形成由主極磁場和電

14、樞磁場共同作用的合成磁場。這種中形成由主極磁場和電樞磁場共同作用的合成磁場。這種由電樞由電樞磁場引起主磁場畸變的現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)磁場引起主磁場畸變的現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。 首先分析電樞磁場的單獨分布。首先分析電樞磁場的單獨分布。 由于電樞繞組中各支路電流由于電樞繞組中各支路電流是經(jīng)電刷與外電路連接的，是經(jīng)電刷與外電路連接的， 電樞表面的磁場分布與電刷分布有電樞表面的磁場分布與電刷分布有關(guān)。電刷是電樞表面電流分布的分界線，如圖關(guān)。電刷是電樞表面電流分布的分界線，如圖3-10a所示，根據(jù)右所示，根據(jù)右手螺旋定則，其磁通分布和磁密分布曲線展開如圖手螺旋定則，其磁通分布和磁密分布曲線展開如圖3-10b所示

15、。如所示。如電樞元件在電樞表面的分布是均勻的，電樞元件在電樞表面的分布是均勻的， 則電樞磁動勢在主磁極中則電樞磁動勢在主磁極中央為零，在兩磁極的中間為最大。央為零，在兩磁極的中間為最大。 兩磁極中間的氣隙磁阻大，使兩磁極中間的氣隙磁阻大，使磁通最大點出現(xiàn)在主磁極兩端，而在極間處磁通減少磁通最大點出現(xiàn)在主磁極兩端，而在極間處磁通減少呈馬鞍形呈馬鞍形。第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-15-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-16- 直流電機負(fù)載運行時主磁極的一端磁通增加，另一端磁通減直流電機負(fù)載運行時主磁極的一端磁通增加，另一端磁通減少，使氣隙磁場的分布發(fā)生扭斜，氣隙磁密過零的地方偏離

16、了幾少，使氣隙磁場的分布發(fā)生扭斜，氣隙磁密過零的地方偏離了幾何中心線，呈現(xiàn)不均勻分布，出現(xiàn)了何中心線，呈現(xiàn)不均勻分布，出現(xiàn)了電樞反應(yīng)（總的每極磁通量電樞反應(yīng)（總的每極磁通量減?。p?。?。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-17- 三、直流電機的勵磁方式三、直流電機的勵磁方式 在直流電機中，由定子勵磁線圈通電所產(chǎn)生的主磁場稱為勵在直流電機中，由定子勵磁線圈通電所產(chǎn)生的主磁場稱為勵磁磁場。不同的勵磁方式，直流電機的運行特性有很大差異。按磁磁場。不同的勵磁方式，直流電機的運行特性有很大差異。按勵磁繞組的供電方式不同，可把直流電機分成下列四種：勵磁繞組的供電方式不同，可把直流電機分成下列四種：第

17、三章第三章 直流電機原理直流電機原理-18-第三節(jié)第三節(jié) 電樞繞組感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 在直流電機運行時，電樞繞組在磁場中切割磁力線，產(chǎn)生感在直流電機運行時，電樞繞組在磁場中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同時電樞繞組中有電流便會受電磁力的作用。下面討應(yīng)電動勢，同時電樞繞組中有電流便會受電磁力的作用。下面討論感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式。論感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式。 一、電樞繞組感應(yīng)電動勢一、電樞繞組感應(yīng)電動勢 電樞繞組感應(yīng)電動勢是指直流電機電樞上正、負(fù)電刷間產(chǎn)生電樞繞組感應(yīng)電動勢是指直流電機電樞上正、負(fù)電刷間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，如圖的感應(yīng)電動勢，如圖3-13所示

18、，電刷間感應(yīng)電動勢波形如同一個所示，電刷間感應(yīng)電動勢波形如同一個交流正弦電壓經(jīng)過整流以后的波形，這說明直流電機電樞上產(chǎn)生交流正弦電壓經(jīng)過整流以后的波形，這說明直流電機電樞上產(chǎn)生的是交流電，經(jīng)過電刷換向后才輸出直流電。的是交流電，經(jīng)過電刷換向后才輸出直流電。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-19-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理這里，直流電機運轉(zhuǎn)時在電刷間產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動勢為這里，直流電機運轉(zhuǎn)時在電刷間產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動勢為 由式（由式（1-35）電機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為）電機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為tNeeesinNttNEeeee0a2dsin1（3-1）由電樞轉(zhuǎn)動的機械角速度由電樞

19、轉(zhuǎn)動的機械角速度 與感應(yīng)電動勢角頻率與感應(yīng)電動勢角頻率 e 的關(guān)系的關(guān)系 pen（3-2）n602（3-3）-20- 式（式（3-1）表示的直流電機感應(yīng)電動勢可寫成）表示的直流電機感應(yīng)電動勢可寫成 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理由于電樞繞組的匝數(shù)由于電樞繞組的匝數(shù)N與電樞總有效邊數(shù)與電樞總有效邊數(shù)Z以及支路對數(shù)以及支路對數(shù)a的關(guān)系的關(guān)系為為 N = Z/4a， （3-4）6042ppanNnNnEnaZnnaZnE606044ppa令令 為為電動勢常數(shù)電動勢常數(shù)，那么就得到直流電機的電樞電動勢，那么就得到直流電機的電樞電動勢計算公式計算公式aZnC60peaeEvneBlC（3-5）-

20、21-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 二、電磁轉(zhuǎn)矩二、電磁轉(zhuǎn)矩 這里利用第一章推導(dǎo)的一般電機電磁轉(zhuǎn)矩方程式（這里利用第一章推導(dǎo)的一般電機電磁轉(zhuǎn)矩方程式（1-44）來）來計算直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩。從直流電機的基本結(jié)構(gòu)可以看出，計算直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩。從直流電機的基本結(jié)構(gòu)可以看出，它是一種定子繞組為凸極的電機，現(xiàn)假定其滿足以下條件：它是一種定子繞組為凸極的電機，現(xiàn)假定其滿足以下條件： 1）可以忽略各種飽和與非線性；）可以忽略各種飽和與非線性； 2）電刷的位置在幾何中心線上，即）電刷的位置在幾何中心線上，即 r = 90 ，并忽略電刷，并忽略電刷寬度；寬度； 3）忽略磁動勢的空間諧波；）忽略磁

21、動勢的空間諧波； 4）電樞繞組均勻分布，節(jié)距相等，可忽略槽寬；）電樞繞組均勻分布，節(jié)距相等，可忽略槽寬； 如圖如圖3-1所示的直流電機，在定子繞組中通以直流勵磁電流所示的直流電機，在定子繞組中通以直流勵磁電流If ，產(chǎn)生恒定的磁通，產(chǎn)生恒定的磁通 ，這時，這時 sr = ，由電樞繞組產(chǎn)生的每極磁，由電樞繞組產(chǎn)生的每極磁動勢動勢Fa 波形如圖波形如圖3-14所示，其幅值為所示，其幅值為 -22-對電樞磁動勢對電樞磁動勢Fa 進行傅里葉變換，其正弦基波分量的幅值進行傅里葉變換，其正弦基波分量的幅值Fa1為為第三章第三章 直流電機原理直流電機原理appaa82ianZnNIFrp2ap21a88Fa

22、nZIIanZFa-23-將上述各變量的關(guān)系代入式（將上述各變量的關(guān)系代入式（1-44），得），得第三章第三章 直流電機原理直流電機原理令令 為為轉(zhuǎn)矩常數(shù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，則可得直流電機電磁轉(zhuǎn)矩計算公式，則可得直流電機電磁轉(zhuǎn)矩計算公式app2a2por2pe2290sin2IaZnanZInFnTaZnC2pTeTaFTC IBIl（3-6） 另外，根據(jù)比另外，根據(jù)比-薩電磁力定律，計算直流電機電樞繞組元件邊薩電磁力定律，計算直流電機電樞繞組元件邊在磁場中的受力，也可推導(dǎo)出與式（在磁場中的受力，也可推導(dǎo)出與式（3-6）同樣的電磁轉(zhuǎn)矩方程，）同樣的電磁轉(zhuǎn)矩方程，這方面的內(nèi)容可參閱教材有關(guān)的內(nèi)容。這方面的

23、內(nèi)容可參閱教材有關(guān)的內(nèi)容。 -24-第四節(jié)第四節(jié) 直流電機的基本方程和工作特性直流電機的基本方程和工作特性 直流電機的運行情況可以用基本方程來研究。直流電機可直流電機的運行情況可以用基本方程來研究。直流電機可為發(fā)電機運行和電動機運行。當(dāng)直流電機由外動力拖動，在電為發(fā)電機運行和電動機運行。當(dāng)直流電機由外動力拖動，在電樞轉(zhuǎn)軸上輸入機械能，電樞感應(yīng)出電動勢，并經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換輸出樞轉(zhuǎn)軸上輸入機械能，電樞感應(yīng)出電動勢，并經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換輸出直流電能向負(fù)載供電，感應(yīng)電動勢大于電樞端電壓，電機作發(fā)直流電能向負(fù)載供電，感應(yīng)電動勢大于電樞端電壓，電機作發(fā)電機運行。當(dāng)直流電機電樞輸入直流電源電壓，此電壓經(jīng)電刷電機運行。當(dāng)直

24、流電機電樞輸入直流電源電壓，此電壓經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換流入電樞繞組，轉(zhuǎn)換流入電樞繞組， 電樞受電磁轉(zhuǎn)矩作用，電樞受電磁轉(zhuǎn)矩作用， 在轉(zhuǎn)軸輸出機械在轉(zhuǎn)軸輸出機械能，同時電樞也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但數(shù)值小于電樞電壓，則電能，同時電樞也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但數(shù)值小于電樞電壓，則電機作電動機運行。本節(jié)給出直流電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程和機作電動機運行。本節(jié)給出直流電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程和工作特性。工作特性。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-25- 一、直流電動機一、直流電動機 在列寫直流電動機的基本方程之前，先規(guī)定相關(guān)物理量的在列寫直流電動機的基本方程之前，先規(guī)定相關(guān)物理量的參考正方向，若各物理量的瞬時實際方向

25、與參考正方向一致，參考正方向，若各物理量的瞬時實際方向與參考正方向一致，其值為正，反之為負(fù)。其值為正，反之為負(fù)。 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-26- 1. 電壓方程電壓方程 (1) 他勵直流電動機他勵直流電動機 他勵式直流電動機的勵磁線圈采用單他勵式直流電動機的勵磁線圈采用單獨電源供電獨電源供電 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 直流電動機的電樞回路電源電壓直流電動機的電樞回路電源電壓Ua，電樞繞組的電阻，電樞繞組的電阻Rw ，正、負(fù)電刷的接觸電壓降為正、負(fù)電刷的接觸電壓降為2Ub ，由基爾霍夫電壓定律可列出，由基爾霍夫電壓定律可列出電樞回路方程電樞回路方程 fffRUI （

26、3-7）aawabaaa2UER IUER I （3-8）式中式中 Ra 包括電樞繞組和電刷壓降的等效電阻包括電樞繞組和電刷壓降的等效電阻 Ea 直流電機感應(yīng)電動勢直流電機感應(yīng)電動勢aeEC n（3-9）-27- (2)并勵直流電動機并勵直流電動機 如圖如圖3-12b所示，電動機采用并勵方式所示，電動機采用并勵方式時，時， 勵磁繞組與電樞回路并聯(lián)，勵磁繞組與電樞回路并聯(lián)， 共用一個電源，電樞回路的電共用一個電源，電樞回路的電壓方程與他勵時相同，并有壓方程與他勵時相同，并有 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理faUUUfaIII（3-10）（3-11） (3) 串勵直流電動機串勵直流電動機

27、如圖如圖3-12c所示，電動機采用串勵方式所示，電動機采用串勵方式時，勵磁繞組與電樞回路串聯(lián)，再與電源連接，此時時，勵磁繞組與電樞回路串聯(lián)，再與電源連接，此時（3-12）（3-13）faIIIfaUUU-28- 2. 轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 直流電動機電樞外加電壓后，工作在電動運行狀態(tài)，此時，直流電動機電樞外加電壓后，工作在電動運行狀態(tài)，此時，電樞產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩電樞產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te ，其方向如圖，其方向如圖3-16所示，為逆時針轉(zhuǎn)動，所示，為逆時針轉(zhuǎn)動，與電動機空載轉(zhuǎn)矩與電動機空載轉(zhuǎn)矩T0 和電動機的軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電動機的軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 相反。當(dāng)電機相反。當(dāng)電機穩(wěn)態(tài)運行時，應(yīng)有穩(wěn)態(tài)運行時，應(yīng)有Te與

28、與T0、TL相平衡。這樣，按圖相平衡。這樣，按圖3-15中正方向中正方向的約定，可寫出電動機的轉(zhuǎn)矩方程的約定，可寫出電動機的轉(zhuǎn)矩方程第三章第三章 直流電機原理直流電機原理0LeTTT（3-12） 3. 功率方程功率方程 勵磁回路輸入的電功率勵磁回路輸入的電功率 2fffffIRIUP（3-13）-29-電樞回路輸入的電功率電樞回路輸入的電功率第三章第三章 直流電機原理直流電機原理（3-16）式中式中 pCua = RaIa2 電樞回路的銅耗；電樞回路的銅耗； Pem =EaIa 電機的電磁功率，且有電機的電磁功率，且有（3-17）由上式可得電動機電磁轉(zhuǎn)矩的另一種計算公式由上式可得電動機電磁轉(zhuǎn)矩

29、的另一種計算公式Cuaem2aaaaaaaaaaapPIRIEIIREIUPeapapapaa22606060TIaZnIaZnnIZnIEnPnPPTemememe55. 960/2（3-18）-30- 由此可見，電樞的電磁功率用于克服電樞軸上的機械負(fù)載轉(zhuǎn)由此可見，電樞的電磁功率用于克服電樞軸上的機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)矩平衡方程（矩，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)矩平衡方程（3-14）兩邊乘以轉(zhuǎn)）兩邊乘以轉(zhuǎn)速速 ，可得，可得 第三章第三章 直流電機原理直流電機原理0LeTTT0LempPP（3-19）式中式中 PL 電機的機械負(fù)載功率；電機的機械負(fù)載功率； p0 電機的空載損耗，包

30、括機械摩擦損耗電機的空載損耗，包括機械摩擦損耗pm和和 鐵心損耗鐵心損耗pFe 。 上式說明，電磁功率轉(zhuǎn)換成空載損耗和機械能輸出。他勵直上式說明，電磁功率轉(zhuǎn)換成空載損耗和機械能輸出。他勵直流電動機電動運行時的功率關(guān)系如圖流電動機電動運行時的功率關(guān)系如圖3-16所示。所示。-31-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理此時，電動機的輸入電功率此時，電動機的輸入電功率pPPppppPppPPP22addmFeCuemCuaCufaf1-32-式中，式中，P2 電動機的輸出功率，并有電動機的輸出功率，并有P2=PL；padd 電動機的附加損耗，是未被包括在銅耗、鐵耗電動機的附加損耗，是未被包括在銅耗

31、、鐵耗 和機械損耗之內(nèi)的其他損耗；和機械損耗之內(nèi)的其他損耗； p 電動機的總損耗，并有電動機的總損耗，并有第三章第三章 直流電機原理直流電機原理由此，電動機的效率為由此，電動機的效率為add02aa2ffaddmFeCuaCufppIRIRpppppp（3-20）pPpPP2121（3-21）例例3-13-1-33-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 如果忽略電樞反應(yīng)，如果忽略電樞反應(yīng)， 當(dāng)當(dāng)Ia 增加時，轉(zhuǎn)速增加時，轉(zhuǎn)速n下降，形成轉(zhuǎn)速降下降，形成轉(zhuǎn)速降 n，如圖，如圖3-17中曲線中曲線1 所示。所示。 若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，磁通若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，磁通下降可能引起轉(zhuǎn)速的上升

32、，與下降可能引起轉(zhuǎn)速的上升，與Ia 增大引起的轉(zhuǎn)速降相抵消，使電增大引起的轉(zhuǎn)速降相抵消，使電動機的轉(zhuǎn)速變化很小。實際運行中為保證電動機穩(wěn)定運行，一般動機的轉(zhuǎn)速變化很小。實際運行中為保證電動機穩(wěn)定運行，一般使電動機的轉(zhuǎn)速隨電流使電動機的轉(zhuǎn)速隨電流Ia 的增加而下降。轉(zhuǎn)速降一般為額定轉(zhuǎn)速的增加而下降。轉(zhuǎn)速降一般為額定轉(zhuǎn)速的的38%，呈基本恒速狀態(tài)呈基本恒速狀態(tài)。 4. 工作特性工作特性 (1) 轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 是指當(dāng)是指當(dāng)Ua=UN ，If =IfN 時，時，n = f（I a）的關(guān)系）的關(guān)系曲線。由感應(yīng)電動勢公式和電壓方程可得曲線。由感應(yīng)電動勢公式和電壓方程可得aaaaaaaeeeeEUI R

33、URnIC C C C （3-22）-34-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 (2) 轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性 是指當(dāng)是指當(dāng)Ua=UN ，I f=I fN時，時，Te = f（I a）的關(guān)系）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性公式曲線。由轉(zhuǎn)矩特性公式Te = CT Ia 可知，在磁通為額定值時，電可知，在磁通為額定值時，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垂，如圖電樞電流的增加而略微下垂，如圖3-17中曲線中曲線2所示。所示。 (3) 效率特性效率特性 是指是指Ua =UN ，I f =I fN 時，時， =

34、 f（I a）的關(guān)系）的關(guān)系曲線。由式（曲線。由式（3-20）可見，電動機的損耗中僅電樞回路的銅耗與）可見，電動機的損耗中僅電樞回路的銅耗與電流電流Ia成平方正比關(guān)系，其他部分與電樞電流無關(guān)。電動機的效成平方正比關(guān)系，其他部分與電樞電流無關(guān)。電動機的效率隨率隨Ia 增大而上升，當(dāng)增大而上升，當(dāng)Ia 大到一定值后，效率又逐漸下降，如圖大到一定值后，效率又逐漸下降，如圖3-17中曲線中曲線3所示。一般直流電動機的效率在所示。一般直流電動機的效率在0.750.94之間之間（與變（與變壓器情況相似）壓器情況相似）。 -35-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理-36-第三章第三章 直流電機原理直流電

35、機原理 直流電動機在使用時一定要保證勵磁回路連接可靠，絕不能直流電動機在使用時一定要保證勵磁回路連接可靠，絕不能斷開。斷開。一旦勵磁電流一旦勵磁電流 If = 0， 則電機主磁通將迅速下降至剩磁磁則電機主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若此時電動機通，若此時電動機負(fù)載較輕負(fù)載較輕，電動機的轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成，電動機的轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成“飛車飛車”；若電動機的；若電動機的負(fù)載為重載負(fù)載為重載，則電動機的電磁轉(zhuǎn)矩將小于，則電動機的電磁轉(zhuǎn)矩將小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 使電機轉(zhuǎn)速減小，但電樞電流將飛速增大，使電機轉(zhuǎn)速減小，但電樞電流將飛速增大， 超過電動超過電動機允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過

36、熱而燒毀。機允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過熱而燒毀。 因此，因此，在閉合電動機電樞電路前應(yīng)先閉合勵磁電路，保證電動機可靠運在閉合電動機電樞電路前應(yīng)先閉合勵磁電路，保證電動機可靠運行。行。 例例3-23-2* *aaaaaaaeeeeEUI RURnIC C C C eL0eTaTTTTCI-37-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 二、直流發(fā)電機二、直流發(fā)電機 直流發(fā)電機各物理量的參考正方向選定如圖直流發(fā)電機各物理量的參考正方向選定如圖3-18a所示。所示。 -38-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 1. 電壓方程電壓方程 他勵式直流發(fā)電機由外動力拖動按圖他勵式直流發(fā)電機由

37、外動力拖動按圖3-18a 所示逆時針旋轉(zhuǎn)，所示逆時針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea ，并且，并且Ea Ua，使電樞電流，使電樞電流Ia反向，此時電樞反向，此時電樞回路的電壓方程為回路的電壓方程為其中，其中， 。 他勵式直流發(fā)電機的勵磁線圈采用單獨電源供電，其回路方他勵式直流發(fā)電機的勵磁線圈采用單獨電源供電，其回路方程見式（程見式（3-7），即），即aaaaIRUE（3-23）nCEeafffRUI -39-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理faUUUfaIII（3-24）（3-25） 如果發(fā)電機采用如果發(fā)電機采用并勵方式并勵方式，勵磁繞組與電樞回路并聯(lián)，由圖，勵磁繞組與電樞回路并聯(lián)

38、，由圖3-19所示的電流方向，電樞回路的電壓方程與他勵時相同，但電所示的電流方向，電樞回路的電壓方程與他勵時相同，但電流變?yōu)槭剑髯優(yōu)槭剑?-25），即），即 -40-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 2. 轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 直流發(fā)電機的電樞在外動力轉(zhuǎn)矩直流發(fā)電機的電樞在外動力轉(zhuǎn)矩Tm的拖動下逆時針旋轉(zhuǎn)，工的拖動下逆時針旋轉(zhuǎn)，工作在發(fā)電狀態(tài)時，與反方向的空載轉(zhuǎn)矩作在發(fā)電狀態(tài)時，與反方向的空載轉(zhuǎn)矩T0 和電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩Te 平衡。這平衡。這樣，按圖樣，按圖3-18中正方向的約定，中正方向的約定， 可寫出發(fā)電機狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡方可寫出發(fā)電機狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡方程程0emTTT（3-26） 3.

39、 功率方程功率方程 對于直流發(fā)電機，輸入的機械功率為對于直流發(fā)電機，輸入的機械功率為0em0emm1)(pPTTTPP（3-27）因電磁功率因電磁功率Cua22aaaaaempPIRUIIEP（3-28）-41-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理（3-29）epppPpPPFmCua20em1 上式說明，他勵直流發(fā)電機將輸入的原動機的機械功率轉(zhuǎn)換上式說明，他勵直流發(fā)電機將輸入的原動機的機械功率轉(zhuǎn)換成電能輸出和內(nèi)部的熱能損耗。其功率關(guān)系如圖成電能輸出和內(nèi)部的熱能損耗。其功率關(guān)系如圖3-20所示，可見所示，可見機械能轉(zhuǎn)換成電能的變換過程。機械能轉(zhuǎn)換成電能的變換過程。-42-第三章第三章 直流電

40、機原理直流電機原理 由此可得，直流發(fā)電機的效率為由此可得，直流發(fā)電機的效率為（3-30）pPpPP2121式中式中 p 直流發(fā)電機的總損耗，對于他勵直流發(fā)電機直流發(fā)電機的總損耗，對于他勵直流發(fā)電機addCuaFemppppp對于并勵直流發(fā)電機，則在上式中還應(yīng)加上勵磁損耗對于并勵直流發(fā)電機，則在上式中還應(yīng)加上勵磁損耗pCuf 。（3-31）-43-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 4. 工作特性工作特性 (1) 空載特性空載特性 是指當(dāng)發(fā)電機不帶負(fù)載是指當(dāng)發(fā)電機不帶負(fù)載Ia=0，U = Ea時，時，E0 = Ea = f（If）的關(guān)系曲線。這里分兩種情況討論：）的關(guān)系曲線。這里分兩種情況討

41、論： 1) 對于他勵直流發(fā)電機對于他勵直流發(fā)電機由感應(yīng)電動勢公式由感應(yīng)電動勢公式 ，且且n恒定不變，因此恒定不變，因此 ，由圖由圖3-9給出的給出的 0 = f（If）磁）磁化曲線可得到的化曲線可得到的Ea = f（If）的）的 關(guān)系，即他勵直流發(fā)電機的空關(guān)系，即他勵直流發(fā)電機的空載特性與其空載磁化曲線是相載特性與其空載磁化曲線是相似的。如圖似的。如圖3-21所示。所示。nCEeaE a-44-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 2) 對于并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機對于并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機，其勵磁電流要靠發(fā)電機自身，其勵磁電流要靠發(fā)電機自身提供的電壓產(chǎn)生，提供的電壓產(chǎn)生， 而發(fā)電機電壓的產(chǎn)生則需

42、要有勵磁電流才行。而發(fā)電機電壓的產(chǎn)生則需要有勵磁電流才行。由此可見，由此可見，并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機在起始階段需要有一個自我勵并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機在起始階段需要有一個自我勵磁并建立電壓的過程，這稱之為磁并建立電壓的過程，這稱之為自勵過程自勵過程。 圖圖3-22給出了并勵和給出了并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機空載電壓建立的過程：復(fù)勵直流發(fā)電機空載電壓建立的過程： 當(dāng)原動機拖動發(fā)電機以恒當(dāng)原動機拖動發(fā)電機以恒定轉(zhuǎn)速定轉(zhuǎn)速n 旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)時， 由于主磁極存在剩磁，由于主磁極存在剩磁， 電樞繞組切割剩磁磁通電樞繞組切割剩磁磁通會產(chǎn)生一個較小的感應(yīng)電動勢會產(chǎn)生一個較小的感應(yīng)電動勢Eod， 由由Eod 在勵磁回路中產(chǎn)

43、生勵磁在勵磁回路中產(chǎn)生勵磁電流電流If1 ； 如果極性正確，如果極性正確， 將在磁路中產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁將在磁路中產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感應(yīng)電動勢增大為通，使主磁路中磁通增加，使感應(yīng)電動勢增大為E1，E1又使勵磁又使勵磁電流增大為電流增大為If2 ； 如此循環(huán)，如此循環(huán)， 使得感應(yīng)電動勢和勵磁電流不斷增使得感應(yīng)電動勢和勵磁電流不斷增加，最終建立起發(fā)電機的空載電動勢。加，最終建立起發(fā)電機的空載電動勢。 例如，例如， 在圖在圖3-22中的中的A點點（E0A，IfA）穩(wěn)定工作。）穩(wěn)定工作。-45-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 必須指出，自勵發(fā)電方式能否建立空載

44、電壓是有三個條件的：必須指出，自勵發(fā)電方式能否建立空載電壓是有三個條件的：一是一是 電機必須有剩磁，如果沒有須事先進行充磁；電機必須有剩磁，如果沒有須事先進行充磁；二是二是 勵磁繞組的極性必須正確，勵磁繞組的極性必須正確，也就是勵磁繞組與電樞并聯(lián)時接也就是勵磁繞組與電樞并聯(lián)時接線要正確；線要正確；三是三是勵磁回路的電阻勵磁回路的電阻不能太大，即其伏安特性的斜率不能太大，即其伏安特性的斜率U/If 不能太陡不能太陡（如斜線（如斜線1），）， 否否則如果伏安特性的斜率太陡，與則如果伏安特性的斜率太陡，與發(fā)電機空載特性交點很低或無交發(fā)電機空載特性交點很低或無交點（見斜線點（見斜線2），）， 就無法建

45、立空就無法建立空載電壓。總之，自勵發(fā)電機的運載電壓。總之，自勵發(fā)電機的運行首先要在空載階段建立電壓，行首先要在空載階段建立電壓，然后才能帶負(fù)載運行。然后才能帶負(fù)載運行。 -46-第三章第三章 直流電機原理直流電機原理 (2) 外特性外特性 是指當(dāng)勵磁電流保持不變，改變外部負(fù)載時，其是指當(dāng)勵磁電流保持不變，改變外部負(fù)載時，其輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，即輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，即U=f（Ia）。他勵直流發(fā)電機的外）。他勵直流發(fā)電機的外特性如圖特性如圖3-23中曲線中曲線1所示，隨著電流的增大，其輸出電壓下降。所示，隨著電流的增大，其輸出電壓下降。這是因為：這是因為： 隨著發(fā)電機的負(fù)載增加，其電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)增隨著發(fā)電機的負(fù)載增加，其電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)增強，使每極磁通量減小，導(dǎo)致電樞電動勢下降。強，使每極磁通量減小，導(dǎo)致電樞電動勢下降。 電樞回路電阻電樞回路電阻上的電壓將隨著電流上升而增大，使發(fā)電機的輸出電壓下降。實上的電壓將隨著電流上升而增大，使發(fā)電機的輸出電壓下降。實際上，他勵直流發(fā)電機的負(fù)載電流從零變化到額定值時，其輸出際上，他勵直流發(fā)電機的