直流電機(jī)課件

1、3.3 3.3 直流電機(jī)電樞繞組直流電機(jī)電樞繞組3.4 3.4 直流電機(jī)的磁場(chǎng)直流電機(jī)的磁場(chǎng) 本章主要討論直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，討論直流電機(jī)的磁場(chǎng)分布、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電樞反應(yīng)及影響、換向及改善換向方法。3.5 3.5 直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩3.7 3.7 直流電機(jī)的運(yùn)行特性直流電機(jī)的運(yùn)行特性 3.8 3.8 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng) 3.9 3.9 直流電機(jī)的換向直流電機(jī)的換向3.2 3.2 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與基本工作原理直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與基本工作原理第三章第三章 直流電機(jī)直流電機(jī)3.6 3.6 直流電機(jī)

2、的直流電機(jī)的基本平衡關(guān)系基本平衡關(guān)系 3.1 3.1 直流電機(jī)概述直流電機(jī)概述直流電機(jī)是一種轉(zhuǎn)換與直流電能有關(guān)的機(jī)器。3.1 3.1 直流電機(jī)概述直流電機(jī)概述直流電能 機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）一一. .直流電機(jī)直流電機(jī) 機(jī)械能 直流電能（直流發(fā)電機(jī)）二二. . 直流電機(jī)的可逆性直流電機(jī)的可逆性 同一臺(tái)直流電機(jī)，既可以作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又可以作為直流發(fā)電機(jī)。三三. . 直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)1. 1. 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好，主要表現(xiàn)在調(diào)速范圍廣、調(diào)速方便、調(diào)速平滑。（2）起動(dòng)性能好，主要表現(xiàn)在起動(dòng)力矩大。 作為直流電動(dòng)機(jī)，主要用于廣泛調(diào)速的地方，比如電力機(jī)車、城市地鐵、城市電車等

3、。也可以用于快速可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)，比如卷?yè)P(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)等。作為直流發(fā)電機(jī)，既可以作為獨(dú)立的直流電源，也可以作為發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。2. 2. 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生環(huán)火。四四. . 直流電機(jī)的用途直流電機(jī)的用途一、一、 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)3.2 3.2 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與基本工作原理直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與基本工作原理2. 2. 轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子部分電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋 1. 1. 定子部分定子部分（1）主磁極 作用：建立主磁場(chǎng)。 構(gòu)成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組。（2）機(jī)座 作用：主磁路的一部分； 電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架，

4、主要起支撐和防護(hù)作用。 構(gòu)成：用厚鋼板彎成筒形焊成或鑄鋼件制成。（3）換向極 作用：改善換向。 構(gòu)成：由鐵心和繞組組成。（4）電刷裝置 作用：電樞電路的引出（或引入）裝置。 構(gòu)成：電刷、刷盒、刷桿和連線等。（5）端蓋 作用：起支撐、保護(hù)作用。（6）電樞鐵心 作用：主磁路的一部分； 電樞繞組的支撐部件。 構(gòu)成：一般用厚0.5且沖有齒、槽的DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。（8）換向器 作用：整流（發(fā)電機(jī)）或逆變（電動(dòng)機(jī)）。 構(gòu)成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個(gè)圓筒片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個(gè)形環(huán)夾緊而構(gòu)成。（7）電樞繞組 作用：直流電機(jī)的電路部分。 構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)

5、線繞成，上下層以及線圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。 上圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。二二. . 直流電機(jī)的工作原理直流電機(jī)的工作原理 1. 1. 直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)工作原理 當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 后，如下圖。180 導(dǎo)體ab在S極下，a點(diǎn)低電位，b點(diǎn)高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點(diǎn)低電位，d點(diǎn)高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。 可見

6、，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負(fù)的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。 在磁場(chǎng)作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S 極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過。如圖（a）。 實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際需要有多個(gè)線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對(duì)。 2. 2. 直流電動(dòng)機(jī)

7、工作原理直流電動(dòng)機(jī)工作原理直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。 （a） （b） 當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到圖（b）所示位置時(shí)，原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S 極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 同直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對(duì)。三三. . 直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù) 額定值是制造廠對(duì)各種電氣設(shè)備（本章指直流電機(jī)）在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以保證各電氣設(shè)備長(zhǎng)期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和

8、用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)或試驗(yàn)的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。 額定功率額定功率 PN 指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以 “W” 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時(shí),則用 kW 或 MW 表示。 對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PNUNIN 對(duì)于直流電機(jī)，PN是指輸出的機(jī)械功率，所以公式中還應(yīng)有效率N存在。PNUNINN 額定勵(lì)磁電流額定勵(lì)磁電流 If 指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。 額定電壓額定電壓 UN 指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。 額定電流額定電流 IN 指電機(jī)在額定電壓、額定功率

9、時(shí)的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 nN 指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。6. 6. 額定溫升額定溫升 指電機(jī)允許高出環(huán)境溫度的最高允許值，它表示了電機(jī)允許發(fā)熱的限度。 三、直流電機(jī)的主要系列三、直流電機(jī)的主要系列1 1、Z2Z2系列系列2 2、Z Z和和ZFZF系列系列3 3、ZTZT系列系列4 4、ZZJZZJ系列系列5 5、ZQZQ系列系列6 6、Z-HZ-H系列系列7 7、ZAZA系列系列8 8、ZUZU系列系列9 9、ZWZW系列系列1010、ZLJZLJ系列系列 疊繞組：指串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，

10、整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。 波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進(jìn)。3.3 3.3 直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的電樞繞組 對(duì)電樞繞組的基本要求對(duì)電樞繞組的基本要求1. 1. 產(chǎn)生盡可能大的電動(dòng)勢(shì)，并有良好的波形。產(chǎn)生盡可能大的電動(dòng)勢(shì)，并有良好的波形。2. 2. 能通過足夠大的電流，以產(chǎn)生并承受所需要的電磁力和電能通過足夠大的電流，以產(chǎn)生并承受所需要的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。磁轉(zhuǎn)矩。3. 3. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接可靠。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接可靠。4. 4. 便于維修和檢修。便于維修和檢修。5. 5. 對(duì)直流電機(jī)，應(yīng)保證換向良好。對(duì)直流電機(jī)，應(yīng)保證換向良好。二二. . 電樞繞組的分

11、類電樞繞組的分類1. 1. 疊繞組，又分為單疊和復(fù)疊繞組。疊繞組，又分為單疊和復(fù)疊繞組。2. 2. 波繞組，又分為單波和復(fù)波繞組。波繞組，又分為單波和復(fù)波繞組。3. 3. 蛙繞組，即疊繞和波繞混合的繞組。蛙繞組，即疊繞和波繞混合的繞組。合成節(jié)距 ：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離。y第一節(jié)距 ：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離。1y第二節(jié)距 ：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。2ypD22. 2. 極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。表示。單疊繞組單波繞組21yyy2

12、1yyy三三. . 元件、極距與節(jié)距元件、極距與節(jié)距1. 1. 元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個(gè)元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。 單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構(gòu)成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對(duì)位置關(guān)系。 單疊繞組的特點(diǎn)是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即： 。1kyy四四. . 單疊繞組單疊繞組單疊繞組的的特點(diǎn)： 1. 同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。 2. 電

13、刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電刷間電動(dòng)勢(shì)等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢(shì)。 3. 電樞電流等于各支路電流之和。單疊繞組的展開圖單疊繞組的并聯(lián)支路圖 兩個(gè)串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個(gè)極距；沿圓周向一個(gè)方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。五五. . 單波繞組單波繞組單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。單波繞組的特點(diǎn)：1. 同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1，與磁極對(duì)數(shù)無關(guān)；2. 當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢(shì)最大；3. 電刷數(shù)等于磁極數(shù)；4. 電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；5. 電樞電流等于兩條支路

14、電流之和。單波繞組的并聯(lián)支路圖單波繞組的展開圖3.4 3.4 直流電機(jī)的磁場(chǎng)直流電機(jī)的磁場(chǎng) 直流電機(jī)工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動(dòng)勢(shì)，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁動(dòng)勢(shì)的影響稱為電樞反應(yīng)。 下圖為一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)示意圖。當(dāng)勵(lì)磁繞組的串聯(lián)匝為 ，流過電流為 ，每極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為：fNfIfffNIF 一一. . 直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀 空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。如下圖 (a) 所示，磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極

15、尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。 直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個(gè)作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。 空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b) 所示。 空載時(shí)主磁極磁通的分布情況，如下圖(c) 所示。xB（b）氣隙磁密分布 為了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一定量的每極磁通 ，空載時(shí)，氣隙磁通 與空載磁動(dòng)勢(shì) 或空載勵(lì)磁電流 的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。如右圖所示。000

16、fF0fIfNI0fF0fIINfIA0N0N 為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材料，一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，額定磁通 設(shè)定在圖中A點(diǎn)，即在磁化特性曲線開始進(jìn)入飽和區(qū)的位置。 右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布情況。二二. . 直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng) 直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場(chǎng)發(fā)生變化。 假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間的分布情況，電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸磁動(dòng)勢(shì)。 如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 所

17、示。axF 由于主磁極下氣隙長(zhǎng)度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長(zhǎng)度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖中 所示。axBaxBaxF 當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場(chǎng)是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用的結(jié)果。電樞磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。 1. 1. 當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)三三. . 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞反應(yīng) 將主磁場(chǎng)分布和電樞磁場(chǎng)分布疊加，可得到負(fù)載后電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況，如圖（a）所示。xB0 xBaxB 為兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線xB為主磁場(chǎng)的磁通

18、密度分布曲線xB0為電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線axB由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：（1）使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線角，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。（2）對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。 電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動(dòng)勢(shì)軸

19、線也隨之移動(dòng) 角，如圖（a）、（b）所示。2. 2. 當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí)當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí) 這時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動(dòng)勢(shì) 和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì) 。如圖（a）、（b）所示。adFaqF電刷不在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)可用下列表格說明電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機(jī)交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動(dòng)機(jī)交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁3.5 3.5 直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩一一. . 直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)電樞電勢(shì)Ea 每一支路串聯(lián)導(dǎo)體電勢(shì)之和。lvBaNeaNavav22式中，N 電樞導(dǎo)體總數(shù) 2a 并聯(lián)支路數(shù)aN2

20、一個(gè)支路內(nèi)串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)ave（一個(gè)導(dǎo)體內(nèi)平均電勢(shì)）lvBavavB 氣隙平均磁密l 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度 v（圓周線速度）60260npnDa 電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)簡(jiǎn)稱為電樞電動(dòng)勢(shì)。nCnapNnplBaNEeava606022式中，為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)（電動(dòng)勢(shì)常數(shù)）apNCe60lBav為每極磁通量說明：(1) Ea 公式是電刷處于幾何中心線時(shí)推導(dǎo)出來的，故Ea 是 最大值。 (2)電樞電動(dòng)勢(shì)在電動(dòng)機(jī)中屬于反電勢(shì)。(3)若要改變Ea的方向，只需改變n和的方向即可。二二. . 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電樞繞組中有電流流過時(shí),在磁場(chǎng)內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑

21、之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。結(jié)論結(jié)論: :直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與每極的磁通量和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。Ia 為電樞電流 結(jié)論：結(jié)論：電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流和每極磁通量的乘積成正比。該電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)而言是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)發(fā)電機(jī)而言是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。式中，aPNCM2為結(jié)構(gòu)常數(shù)（電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)）eMCC55. 9aMaaaaMICIaPNnInaPNnIEPM2260)60(6023.6 3.6 直流電機(jī)的基本平衡關(guān)系直流電機(jī)的基本平衡關(guān)系 一一. .直流發(fā)電機(jī)的基本平衡關(guān)系直流發(fā)電機(jī)的基本平衡關(guān)系1.1.電路平衡（以并勵(lì)發(fā)電機(jī)為例）電路平衡（以并勵(lì)發(fā)電機(jī)為例）Ea If IIaUfaIIIUrIUEaaa2ffrIU式中，a

22、r為電樞回路總電阻fr為勵(lì)磁回路總電阻U為一個(gè)電刷的接觸電壓降，一般為1V2.2.功率平衡功率平衡電磁功率bsfaaafaaaaaaaaaMpppPUIrIUIUIUIrIUIIUrIUIEP22222)2( M 為電磁轉(zhuǎn)矩，它的方向由左手定則決定，在發(fā)電機(jī)時(shí)正好與 反向。1M二二. .直流電動(dòng)機(jī)的基本平衡關(guān)系直流電動(dòng)機(jī)的基本平衡關(guān)系1.1.電路平衡（以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例）電路平衡（以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例）faIIIUrIEUaaa2ffrIU式中，ar為電樞回路總電阻fr為勵(lì)磁回路總電阻U為一個(gè)電刷的接觸電壓降，一般為1V2.2.功率平衡功率平衡If IaUIEa )(12fjbCufCuaFejMP

23、PPPPPPPPP電磁功率jFeMppPPPP2023.3.轉(zhuǎn)矩平衡轉(zhuǎn)矩平衡02MMMMPM式中，M 為電磁轉(zhuǎn)矩，2M為軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，22PM0M為空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，fjFejpppPM003.7 3.7 直流電機(jī)的運(yùn)行特性直流電機(jī)的運(yùn)行特性 1.1.直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式一一. .直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)（1）他勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由其它直流電源單獨(dú)供給。如圖所示。aII 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：aIIGUfIFfU（2）并勵(lì)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足 afII I fIFIGUaI（3）串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足IIIfaGIaIfI

24、FU（4）復(fù)勵(lì)：并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合。電機(jī)有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF2.2.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓建立過程并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓建立過程 并勵(lì)的勵(lì)磁是由發(fā)電機(jī)本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵(lì)磁電流作用下建立的，這一點(diǎn)與他勵(lì)發(fā)電機(jī)不同。并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過程稱為自勵(lì)過程，滿足建壓的條件稱為自勵(lì)條件。 原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在電動(dòng)勢(shì)作用下勵(lì)磁回路產(chǎn)生 。如果勵(lì)磁繞組和電樞繞組連接正確， 產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動(dòng)勢(shì)增大， 增加。如此不斷增

25、長(zhǎng)，直到勵(lì)磁繞組兩端電壓與 相等時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的平衡工作點(diǎn)A。電壓建立過程如右圖所示。 fIfIfIffRIfI0U0fIA0U剩aE 圖中OA為場(chǎng)阻線，它的斜率為 ，由此可見，場(chǎng)阻線的斜率與勵(lì)磁回路電阻 成正比。ffffRIRItgfR（1）自勵(lì)條件 主磁極要有磁。 初始勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須加強(qiáng)剩磁磁通。 必須與場(chǎng)阻線有交點(diǎn) 。)(faIfE （2）不能自勵(lì)的原因及解決辦法 。直流電機(jī)多年不用，無剩磁，可加直流重新充磁。0剩aE 加強(qiáng)勵(lì)磁后， 反而下降，原因是連接錯(cuò)誤，出現(xiàn)剎磁。解決辦法是：改變電樞與勵(lì)磁繞組的相對(duì)連接；改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。注意上述兩種方法不能同時(shí)使用。剩aE 加強(qiáng)勵(lì)磁后， 無

26、變化，原因是勵(lì)磁回路斷線。解決辦法是重新檢查后讓勵(lì)磁回路接通。剩aE 加強(qiáng)勵(lì)磁后，發(fā)電機(jī)的端電壓有所升高，但穩(wěn)定點(diǎn)電壓較低，原因是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速太低或勵(lì)磁回路電阻太大。解決辦法是調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或減小勵(lì)磁回路電阻。3.3.空載特性空載特性 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性與一般電機(jī)的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵(lì)磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。4.4.外特性外特性5.5.調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 引起并勵(lì)發(fā)電機(jī)端電壓下降較多的原因： 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相似，也是一條下降曲線。I0UeIeU0U他勵(lì)并勵(lì)（1）電樞回路電阻壓降（2）電樞反應(yīng)的去磁作用 （3）端電壓下降將造成勵(lì)磁電流 的下降

27、，所以 進(jìn)一步降低，造成端電壓下降比他勵(lì)發(fā)電機(jī)更多，如上圖所示。fIaE 調(diào)節(jié)特性是指當(dāng) 時(shí)，欲保持端電壓U = 常數(shù)， 常數(shù)Nnn)(LfIfI時(shí)的特性曲線。以上分析可知，負(fù)載負(fù)載電流變化大時(shí)LI0NIfNIfI端電壓降有所下降，為要保持端電壓不變，負(fù)載電流增大時(shí)，勵(lì)磁電流應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的增加，以抵消電樞反應(yīng)的取磁作用和電樞回路的電壓降。所以調(diào)節(jié)特性是一條略有上翹的曲線,如右圖所示。圖 中 指電壓和負(fù)載電流為額定值時(shí)的勵(lì)磁電流。fNI1.1.直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)速特性（1）他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性由方程式可得aeaeNICRCUn二二. . 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) 忽略

28、電樞反應(yīng)的去磁作用， 是一條略有下降的直線。如右圖所示。)(aIfn aI0)(aIfn2M0MMMn 定義：當(dāng) ， 時(shí)，電樞電流 與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系曲線，即 。NUU fNfII)(aIfn aI 從上圖中可以看出，并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載電流變化不大，故稱為硬特性。其缺點(diǎn)是不能過載。轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 ,當(dāng) = N 時(shí)，MIa 。 aMICM 考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢，當(dāng)Ia較大時(shí)，M 稍有降低，如上圖所示。 注意：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路不能斷開。如果斷開， =剩 ，由于剩很小，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)，其轉(zhuǎn)速將急劇上升，出現(xiàn)“飛速”現(xiàn)象。當(dāng)電動(dòng)機(jī)重載時(shí)，將停轉(zhuǎn)。兩種情況將

29、給電動(dòng)機(jī)帶來很大危害。 定義：當(dāng) ， 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩M與電樞電流 之間的關(guān)系曲線，即 。NUU fNfII)(aIfM aI效率特性 定義：當(dāng) ， 時(shí)，效率與電樞電流 之間的關(guān)系曲線，即 。NUU fNfII)(aIfaI由方程式可得aNaaIUIrPPPPn20111 空載損耗為不變損耗，不隨負(fù)載電流變化，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時(shí)銅損快速增大此時(shí)效率又變小。如右圖所示。aI0機(jī)械特性 定義：當(dāng) ， 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩M與電樞電流 之間的關(guān)系曲線，即 。NUU fNfII)(aIf

30、M aI可得 由 可得： ，并將其入 ，aMICMMaCMIEaaCrIUnEaMCrCMUn 當(dāng) 時(shí)， ，NNUU,2NMEaNENCCrMCUn 由此可見，隨著電磁轉(zhuǎn)矩M的增大，轉(zhuǎn)速n是一條略有下降的直線，如右圖所示。Mn00nNnNMNn（2）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)速特性 定義：當(dāng) 時(shí)，電樞電流 與轉(zhuǎn)速n 之間的關(guān)系曲線，即 。NUU )(aIfn aIIf IaUIEa cfrafIII根據(jù)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電路特點(diǎn)，得)(cfaaarrIEU由電壓平衡方程可得：EacfaENCIrrCUn)(當(dāng)磁路不飽和時(shí)， ，所以aKIKCrrKICUKICIrrKICUnEcfaaENaEacfa

31、aEN)( 從上式可以看出，當(dāng)磁路不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速特性為雙曲線關(guān)系；當(dāng)磁路飽和時(shí)，基本不變，所以轉(zhuǎn)速特性為一條略有下降的直線。EacfaENCIrrCUn)( 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率%100410NNnnnnaI0nMn M41aNI410n410n為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)輕載（ ）時(shí)的轉(zhuǎn)速。aNaII41 注意：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不能空載運(yùn)行，否則要發(fā)生“飛速”事故；在調(diào)速過程中，串勵(lì)繞組不能過多的旁路，因?yàn)?被削弱過多，轉(zhuǎn)速將超過額定轉(zhuǎn)速比較多。轉(zhuǎn)矩特性 定義：當(dāng) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩M與電樞電流 之間的關(guān)系曲線，即 。NUU )(aIfM aI 根據(jù) ，式中 ，由此可分兩種情況討論：當(dāng)磁路不飽和時(shí)， 所以 ，由此

32、可見，轉(zhuǎn)矩特性為拋物線；當(dāng)磁路飽和時(shí)，基本不變轉(zhuǎn)矩特性為一上升的直線。 aMICM)()(afIfIfaKI2aMKICM aMICM機(jī)械特性 定義：當(dāng) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n 之間的關(guān)系曲線，即 。NUU )(Mfn 當(dāng)磁路不飽和時(shí)， ， ，所以aKI2aMKICM KCMIMa將 代入轉(zhuǎn)速公式，可得aIbMaUKCrrMKCKCUKCrrKICUnNEcfaMENEcfaaEN式中， ，KCKCaMEKCrrbEcfa 由此可見，當(dāng)磁路不飽和時(shí)， 為一雙曲線；當(dāng)磁路飽和時(shí)，基本不變， ，所以 ，并代入轉(zhuǎn)速公式，可得：)(Mfn aMaMICICMMaCMI2)()(EMcfaENEacfa

33、ENCCrrMCUCIrrCUn 由此可見， 為一下降的直線。如右圖所示。)(Mfn 0)(Mfn nM恒功率特性 將轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性結(jié)合起來，可以發(fā)現(xiàn)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在輕載和重載時(shí)其輸出功率基本不變，即具有恒功率特性，如右下圖所示。0MaInnM輕載輕載重載重載 從圖中可以看出：輕載時(shí)轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小；重載時(shí)轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩大。電磁功率Mn 輕載時(shí)的Mn近似等于重載時(shí)的Mn ，即具有恒功率特性。3.8 3.8 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng) 一一. .直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 起動(dòng)時(shí)n = 0，所以 ,起動(dòng)時(shí)的電流，一般 ，起動(dòng)電流過大會(huì)造成電機(jī)損壞，沖擊電源，影

34、響其他的用戶。為此，對(duì)起動(dòng)提出兩種要求： 0nCEEaNstII)2010(aNstrUI1.1.起動(dòng)電流起動(dòng)電流 盡量?。ㄐ∮谠试S值）盡量?。ㄐ∮谠试S值）stI2.2.起動(dòng)力矩起動(dòng)力矩 足夠大（可在額定磁場(chǎng)下起動(dòng)）足夠大（可在額定磁場(chǎng)下起動(dòng)）stM 為了減小起動(dòng)電流，可采用如下起動(dòng)方法： （1）直接起動(dòng)）直接起動(dòng)直接將電樞投入直接將電樞投入 起動(dòng)起動(dòng) 此法只有在電源容量足夠大時(shí)才能采用。NU（2）電樞回路串變阻器起動(dòng)）電樞回路串變阻器起動(dòng)起動(dòng)時(shí)在電樞回路串入起動(dòng)起動(dòng)時(shí)在電樞回路串入起動(dòng)電阻電阻 此法可用圖解法和解析法求出各級(jí)起動(dòng)電阻 。stRstR（3）降壓起動(dòng)）降壓起動(dòng)起動(dòng)時(shí)降低電樞繞組電

35、壓，即起動(dòng)時(shí)降低電樞繞組電壓，即NUU 此法可用專用可調(diào)電壓電源或者變阻起動(dòng)。二二. .直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2.2.調(diào)速方法調(diào)速方法 根據(jù)轉(zhuǎn)速公式 可得調(diào)速方法有三種：EataENCIrrCUn)( 1 1對(duì)調(diào)速性能的要求：對(duì)調(diào)速性能的要求： （1） 調(diào)速范圍大調(diào)速范圍大 （2） 調(diào)速平滑調(diào)速平滑 （3） 經(jīng)濟(jì)性好經(jīng)濟(jì)性好 （4） 方法簡(jiǎn)便可靠方法簡(jiǎn)便可靠（1）電樞回路串電阻調(diào)速）電樞回路串電阻調(diào)速 電樞回路串電阻調(diào)速的規(guī)律是：所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，但技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能較差，屬于有級(jí)調(diào)速。 （3）弱磁調(diào)速）弱磁調(diào)速 這種方法是減小磁通，使轉(zhuǎn)速升高。其基

36、本規(guī)律是 ,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，平滑性較好，設(shè)備容量小，消耗功率小。1221nn三三. .直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 制動(dòng)分為機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩種。我們研究的是電氣制動(dòng)。 電氣制動(dòng)又可以分為制動(dòng)過程和制動(dòng)運(yùn)行。其共同點(diǎn)是使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n的方向相反。 （2）降壓調(diào)速）降壓調(diào)速 這種方法可分為大功率系統(tǒng)和小功率系統(tǒng)兩種調(diào)速系統(tǒng)。其基本規(guī)律是：電壓與轉(zhuǎn)速成正比。其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，調(diào)速范圍大，經(jīng)濟(jì)性能好，但投資大，還可能出現(xiàn)諧波公害。 制動(dòng)方法有：制動(dòng)方法有： （1）能耗制動(dòng)）能耗制動(dòng) 它主要是靠系統(tǒng)的儲(chǔ)存的動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，從而產(chǎn)生反向電流、反向力矩來阻止電動(dòng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行。制動(dòng)電阻 可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：NNzaIURr2zR （2）反接制動(dòng)）反接制動(dòng) 反接制動(dòng)可以分為轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)和電源反接的反接制動(dòng)。它的制動(dòng)力量更強(qiáng)，其制動(dòng)電阻aNNzrIUR （3）回饋制動(dòng)）回饋制動(dòng) 回饋制動(dòng)可以分為轉(zhuǎn)向不變的回饋制動(dòng)和轉(zhuǎn)向改變的回饋制動(dòng)。它們的主要特點(diǎn)是由位能性的負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電，將電能反送給電網(wǎng)。一、換向概述一、換向概述3.9 3.9 直流電機(jī)的換向直流電機(jī)的