第三章直流電機(jī)

第三章直流電機(jī)直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與直流電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。直流發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，直流電動(dòng)機(jī)把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和起動(dòng)性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)、軋鋼機(jī)、無(wú)軌電車(chē)等對(duì)調(diào)速性能要求高的場(chǎng)合。直流發(fā)電機(jī)主要用作直流電源，供電質(zhì)量好，一般用于電鍍、電解及交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)等。

3.1直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)和額定值一、直流電機(jī)的工作原理1、直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖3.1是直流發(fā)電機(jī)的原理模型圖3.1直流發(fā)電機(jī)原理模型

1-磁極2-電樞3-換向器4-電刷在圖3.1所示瞬間，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向如圖所示，這時(shí)電刷A呈正極性，電刷B呈負(fù)極性。當(dāng)線(xiàn)圈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)180°時(shí)，導(dǎo)體cd位于N極下，導(dǎo)體ab位于S極下，兩導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)都改變了方向。但由于換向片隨著線(xiàn)圈一同旋轉(zhuǎn)，本來(lái)與電刷B相接觸的換向片，現(xiàn)在與電刷A接觸；原來(lái)與電刷A相接觸的換向片與電刷B接觸，電刷A仍呈正極性，電刷B仍呈負(fù)極性?？梢钥闯?，與電刷A接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于S極下。因此，電刷A始終為正極性，電刷B始終為負(fù)極性，電刷兩端能引出方向不變的電壓。線(xiàn)圈abcd切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由右圖可以看出：換向器使線(xiàn)圈內(nèi)的交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娝啥说闹绷麟妷?，該直流電壓有較大的脈動(dòng)。在實(shí)際電機(jī)中，電樞上線(xiàn)圈數(shù)很多，并按照一定的規(guī)律連接起來(lái)，可使電壓脈動(dòng)較小以獲得波形較好的直流電壓。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。圖3.2氣隙磁密、線(xiàn)圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電刷之間的電壓2、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖3.3所示為直流電動(dòng)機(jī)的原理模型。與圖3.1不同的是：線(xiàn)圈沒(méi)有原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電刷A、B接至直流電源，線(xiàn)圈abcd中有電流流過(guò)，電流的方向如圖3.3所示。載流導(dǎo)體受到的電磁力為：

圖3.3直流電動(dòng)機(jī)原理模型

1-磁極2-電樞3-換向器4-電刷導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。在圖3.3所示瞬間，導(dǎo)體ab的受力方向是從右向左，導(dǎo)體cd的受力方向是從左向右，都產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，使電樞沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)180o后，導(dǎo)體cd在N極下，導(dǎo)體ab在S極下，直流電源供給的電流方向不變，但線(xiàn)圈內(nèi)電流方向發(fā)生了變化，導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较?，使線(xiàn)圈繼續(xù)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。因此，由于換向器的作用，直流電流交替地由導(dǎo)體ab和cd流入，使處于N極下的線(xiàn)圈邊中電流的方向總是由電刷A流入，而處于S極下的線(xiàn)圈邊中電流的方向總是從電刷B流出，從而產(chǎn)生方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。3、直流電機(jī)的可逆運(yùn)行從上述電磁現(xiàn)象可以看出，直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，電刷端輸出直流電壓，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；反之，如在電刷端加直流電壓，將電能輸入電機(jī)，從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載工作，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。同一臺(tái)電機(jī)既能作發(fā)電機(jī)又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，稱(chēng)為電機(jī)的可逆運(yùn)行。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，圖3.4是一臺(tái)小型直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3.4直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖1—換向器2—電刷裝置3—機(jī)座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風(fēng)扇8—電樞繞組9—電樞鐵心直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由靜止的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定、轉(zhuǎn)子之間有一間隙，稱(chēng)為氣隙。

直流電機(jī)的定子，主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等組成。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)主磁極在直流電機(jī)中，主磁極由磁極鐵心和勵(lì)磁繞組組成，其作用是在氣隙內(nèi)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。圖3.5是主磁極的裝配圖。各主磁極上勵(lì)磁繞組的連接必須使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁極呈N、S極交替排列。

圖3.5直流電機(jī)的主磁極1—主極鐵心2—?jiǎng)?lì)磁繞組直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

換向極功率在1kW以上的直流電機(jī)，通常要在相鄰兩主磁極之間裝設(shè)換向極，又稱(chēng)附加極或間極，其作用是改善換向。換向極也由鐵心和繞組構(gòu)成，如圖3.6所示。鐵心一般用整塊鋼或薄鋼板加工而成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。圖3.6直流電機(jī)的換向極直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)座機(jī)座有兩方面的作用：一是導(dǎo)磁，二是作機(jī)械支撐。

電刷裝置電刷裝置是將直流電流引入或引出的裝置，如圖3.7所示。電刷組的數(shù)目可以用電刷桿數(shù)表示，電刷桿數(shù)與電機(jī)的主磁極數(shù)相等。圖3.7電刷裝置直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)電樞鐵心電樞鐵心有兩方面作用：一是作為主磁路的一部分，二是用于嵌放電樞繞組。電樞繞組

電樞繞組由許多線(xiàn)圈按一定規(guī)律排列和連接而成，是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線(xiàn)圈用絕緣圓形線(xiàn)或扁銅線(xiàn)繞制而成，也稱(chēng)為元件。電樞線(xiàn)圈嵌放在電樞鐵心的槽中，每個(gè)元件有兩個(gè)出線(xiàn)端。所有元件按一定規(guī)律連接，就構(gòu)成電樞繞組。圖3.8

直流電機(jī)的電樞

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)換向器

換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為電刷兩端的直流電動(dòng)勢(shì)；在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器將電刷上所通過(guò)的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。換向器安裝在轉(zhuǎn)軸上，如圖3.9所示，由許多換向片組成，換向片之間用云母進(jìn)行絕緣，換向片數(shù)與元件數(shù)相等。圖3.9換向器直流電機(jī)的額定值直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若各物理量都與額定值相同，稱(chēng)為額定運(yùn)行狀態(tài)或額定工況。額定功率（W或kW）指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的輸出功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，是指軸上輸出的機(jī)械功率；對(duì)于發(fā)電機(jī)，是指線(xiàn)端輸出的電功率額定電壓（V）指額定狀態(tài)下電樞兩端的電壓額定電流（A）指電機(jī)在額定電壓下輸出額定功率時(shí)的電流額定轉(zhuǎn)速（r/min）指電機(jī)在額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速額定勵(lì)磁電壓（V）(僅對(duì)他勵(lì)電機(jī))指額定狀態(tài)下的勵(lì)磁電壓

直流電機(jī)的額定值有些物理量雖然不標(biāo)在銘牌上，但它們也是額定數(shù)據(jù)，如額定轉(zhuǎn)矩、額定效率等。直流發(fā)電機(jī)的額定功率為直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為

式中，為直流電動(dòng)機(jī)的額定效率電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩用表示，為

上面三式中，的單位都是W，的單位為r/min，的單位為。此式不僅適用于直流電動(dòng)機(jī)，也適用于交流電動(dòng)機(jī)。3.2直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組的基本概念電樞繞組的節(jié)距單疊繞組

單波繞組

電樞繞組的基本概念電樞繞組由許多形狀完全相同的元件（也稱(chēng)為線(xiàn)圈）按一定規(guī)律排列和連接而成。每個(gè)元件有兩個(gè)出線(xiàn)端，一個(gè)稱(chēng)為首端，另一個(gè)稱(chēng)為末端。同一個(gè)元件的首端和末端分別接到兩個(gè)不同的換向片上。同一個(gè)換向片上，連有一個(gè)元件的首端和另一個(gè)元件的末端。因此，電樞繞組的元件數(shù)等于換向片數(shù)，即，其中

為換向片數(shù)，為元件數(shù)。每個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，一個(gè)元件邊放在某一個(gè)槽的上層，稱(chēng)為上層邊，另一個(gè)元件邊放在另一個(gè)槽的下層，稱(chēng)為下層邊，所以直流電機(jī)的繞組一般都是雙層繞組。電樞繞組的基本概念在直流電機(jī)中，常在每個(gè)槽的上、下層各放置若干個(gè)元件邊。為了確切地說(shuō)明每個(gè)元件邊所處的具體位置，引入了“虛槽”的概念。設(shè)槽內(nèi)每層有個(gè)元件邊，則每個(gè)實(shí)際槽包含個(gè)“虛槽”，每個(gè)虛槽的上、下層各有一個(gè)元件邊。若用代表槽數(shù)，代表虛槽數(shù)，則直流電機(jī)的電樞繞組有疊繞組、波繞組和混合繞組三種。疊繞組又分為單疊繞組和復(fù)疊繞組，波繞組也有單波繞組和復(fù)波繞組之分，其中單疊繞組和單波繞組是電樞繞組的基本形式。電樞繞組的節(jié)距第一節(jié)距一個(gè)元件的兩個(gè)元件邊在電樞表面所跨的距離（即跨距）稱(chēng)為第一節(jié)距，如圖3.10所示。用所跨虛槽數(shù)表示。選擇時(shí)盡量讓元件中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，即

應(yīng)等于或接近于一個(gè)極距。極距定義為

由于不一定能被極數(shù)整除，而又必須為整數(shù)，可使

式中為小于1的分?jǐn)?shù)。稱(chēng)為整距繞組，稱(chēng)為長(zhǎng)距繞組,稱(chēng)為短距繞組。因短距繞組有利于換向，對(duì)于疊繞組還可節(jié)約端部用銅，故常被采用。

電樞繞組的節(jié)距第二節(jié)距

第二節(jié)距是連至同一個(gè)換向片的兩個(gè)元件邊之間的距離，如圖3.10所示。用所跨虛槽數(shù)表示。合成節(jié)距

緊接著串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊之間在電樞表面所跨的距離，稱(chēng)為合成節(jié)距，用虛槽數(shù)表示。不同類(lèi)型繞組的差別主要表現(xiàn)在合成節(jié)距上。由圖3.10知：

對(duì)于疊繞組，有

對(duì)于波繞組，有

電樞繞組的節(jié)距換向器節(jié)距

同一元件首、末端所連兩個(gè)換向片之間所跨的距離稱(chēng)為換向器節(jié)距，用換向片數(shù)表示。換向器節(jié)距等于合成節(jié)距。

圖3.10

繞組的節(jié)距

單疊繞組單疊繞組的連接規(guī)律是：所有相鄰元件依次串聯(lián)，后一個(gè)元件的首端與前一個(gè)元件的末端連在一起并接到同一個(gè)換向片上，最后一個(gè)元件的末端與第一個(gè)元件的首端連在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。單疊繞組的合成節(jié)距等于一個(gè)虛槽，換向器節(jié)距等于一個(gè)換向片，即

式中，“+1”或“-1”表示每串聯(lián)一個(gè)元件就“向右”或“向左”移動(dòng)一個(gè)虛槽或一個(gè)換向片，分別稱(chēng)為右行繞組和左行繞組。左行繞組中，元件接到換向片的連接線(xiàn)互相交錯(cuò)，用銅較多，故很少采用。通常采用右行繞組。

單疊繞組下面以，，為例，說(shuō)明單疊繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。繞組展開(kāi)圖

繞組元件連接順序圖繞組電路圖

單疊繞組的特點(diǎn)

繞組展開(kāi)圖

計(jì)算各節(jié)距

第一節(jié)距為

合成節(jié)距和換向器節(jié)距為

第二節(jié)距為繪制繞組展開(kāi)圖

所謂繞組展開(kāi)圖就是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開(kāi)，并展開(kāi)成平面的連接圖。作圖步驟如下：繞組展開(kāi)圖第一步，先畫(huà)16根等長(zhǎng)等距的實(shí)線(xiàn)，代表各槽上層元件邊；再畫(huà)16根等長(zhǎng)等距的虛線(xiàn)，代表各槽下層元件邊，虛線(xiàn)與實(shí)線(xiàn)靠近。畫(huà)16個(gè)小方塊代表?yè)Q向片，并編號(hào)。為了繪圖方便，使換向片寬度等于槽與槽之間的距離。為了便于連接，將元件、槽和換向片按順序編號(hào)，編號(hào)時(shí)令元件號(hào)、元件上層邊所在槽的編號(hào)以及元件上層邊相連接的換向片號(hào)相同，即1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽內(nèi)并與1號(hào)換向片相連接。第二步，放置主磁極。讓每個(gè)磁極的寬度大約等于，4個(gè)磁極均勻放置在電樞槽之上，并標(biāo)上N、S極性。假定N極的磁力線(xiàn)進(jìn)入紙面，S極的磁力線(xiàn)從紙面穿出。繞組展開(kāi)圖第三步，將1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽（實(shí)線(xiàn)）并與1號(hào)換向片相聯(lián)，其下層邊放在第5號(hào)槽（

）的下層（虛線(xiàn)）；因，所以1號(hào)元件的末端應(yīng)連接在2號(hào)換向片上（

）。然后將2號(hào)元件的上層邊放入2號(hào)槽的上層（

），下層邊放在6號(hào)槽的下層（

），2號(hào)元件的上層邊連在2號(hào)換向片上，下層邊連在3號(hào)換向片上。按此規(guī)律連接，一直把16個(gè)元件都連起來(lái)為止，并構(gòu)成一條閉合回路。繞組展開(kāi)圖第四步，放置電刷。假設(shè)電刷的寬度等于換向片的寬度，將四組電刷、、、均勻地布置在換向器表面。放置電刷的原則是，要求正、負(fù)電刷之間得到最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)被電刷所短路的元件中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，這兩個(gè)要求實(shí)際上是一致的。由于每個(gè)元件的幾何形狀對(duì)稱(chēng)，如果把電刷的中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)主極的中心線(xiàn)，就能滿(mǎn)足上述要求。圖3.11中，被電刷所短路的元件正好是1、5、9、13，這幾個(gè)元件中的電動(dòng)勢(shì)恰為零。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷靜止不動(dòng)、電樞旋轉(zhuǎn)，但被電刷所短路的元件總是處于兩個(gè)主磁極之間的地方，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。繞組展開(kāi)圖圖3.11

單疊繞組展開(kāi)圖

繞組元件連接順序圖繞組元件連接順序圖用來(lái)表示電樞上所有元件邊的串聯(lián)次序。根據(jù)圖3.11可以畫(huà)出繞組元件連接順序圖，如圖3.12所示。每根實(shí)線(xiàn)所連接的兩個(gè)元件邊構(gòu)成一個(gè)元件，兩元件之間的虛線(xiàn)則表示通過(guò)換向片把兩元件串聯(lián)起來(lái)。可以看出，從第1元件出發(fā)，連接完16個(gè)元件后又回到第1元件，整個(gè)繞組是閉合的。

圖3.12

單疊繞組元件連接順序圖繞組電路圖在圖3.11所示的瞬間，根據(jù)電刷之間元件連接順序，可以得到如圖3.13所示的電樞繞組電路圖?？梢钥闯?，電樞繞組由4條并聯(lián)支路組成。上層邊處在同一極下的元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，串聯(lián)起來(lái)通過(guò)電刷構(gòu)成一條支路；被電刷短路的元件中電動(dòng)勢(shì)等于零，此時(shí)這些元件不參加組成支路。單疊繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于電機(jī)的極對(duì)數(shù)，即繞組電路圖由于組成各支路的元件在電樞上處于對(duì)稱(chēng)位置，各支路電動(dòng)勢(shì)大小相等，故從閉合電路內(nèi)部來(lái)看，各支路電動(dòng)勢(shì)恰巧互相抵消，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。此外，單疊繞組的支路電動(dòng)勢(shì)由電刷引出，所以電刷組數(shù)必須等于支路數(shù)，也就是等于磁極數(shù)。

圖3.13單疊繞組電路圖

單疊繞組的特點(diǎn)位于同一個(gè)極下的各元件串聯(lián)起來(lái)組成了一條支路，即并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)當(dāng)元件幾何形狀對(duì)稱(chēng)時(shí)，電刷應(yīng)放在主極中心線(xiàn)上，此時(shí)正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，被電刷所短路的元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零電刷組數(shù)等于磁極數(shù)單波繞組單波繞組的連接規(guī)律是:從某一換向片出發(fā)，把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁極下對(duì)應(yīng)位置的所有元件串聯(lián)起來(lái)，沿電樞和換向器繞一周之后，恰好回到出發(fā)換向片的相鄰一片上，然后從該換向片出發(fā)，繼續(xù)繞連，直到全部元件串聯(lián)完，最后回到開(kāi)始的換向片，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。連線(xiàn)特點(diǎn)是元件兩出線(xiàn)端所連換向片相隔較遠(yuǎn)，相串聯(lián)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。

單波繞組選擇時(shí)，應(yīng)使相串聯(lián)的元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同方向。為此，須把兩個(gè)相串聯(lián)的元件放在同極性磁極的下面，空間位置上相距約兩個(gè)極距。其次，如果有對(duì)極，當(dāng)沿圓周方向繞過(guò)一周，就有個(gè)元件串聯(lián)起來(lái)。從換向器上看，每連一個(gè)元件前進(jìn)片，連接個(gè)元件后所跨的總換向片數(shù)為。單波繞組在換向器上繞一周后，回到出發(fā)換向片的相鄰一片上，總共跨過(guò)，即

或式中“－1”表示繞連完一周后后退一片，稱(chēng)為左行繞組；“＋1”表示繞連完一周后前進(jìn)一片，稱(chēng)為右行繞組。右行繞組因端部交叉，較少采用。單波繞組以，，直流電機(jī)的繞組為例，說(shuō)明單波繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。計(jì)算繞組各節(jié)距得：采用與單疊繞組相同的步驟，畫(huà)出繞組展開(kāi)圖和元件連接順序圖，分別如圖3.14和3.15所示。與圖3.14所示瞬間各元件連接情況對(duì)應(yīng)的繞組電路圖如圖3.16所示。單波繞組圖3.14單波繞組展開(kāi)圖

圖3.15

單波繞組元件連接順序圖

單波繞組圖3.16單波繞組電路圖

由圖可得出單波繞組具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

同極性下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，并聯(lián)支路對(duì)數(shù)，與極對(duì)數(shù)無(wú)關(guān)當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱(chēng)時(shí)，電刷放在主極中心線(xiàn)上，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大電刷組數(shù)也應(yīng)等于極數(shù)3.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)

直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)直流電機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組的供電方式。他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)連接關(guān)系，由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電。其接線(xiàn)如圖3.17(a)所示。并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，接線(xiàn)如圖3.17(b)所示。串勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流就是電樞電流，接線(xiàn)如圖3.17(c)所示。復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，接線(xiàn)如圖3.17(d)所示。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相同，稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)方向相反，則稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)。

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)。勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)的特性也不同。

圖3.17

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)空載磁場(chǎng)的分布

直流電機(jī)的空載是指電樞電流等于零或者很小，可以不計(jì)其影響的一種運(yùn)行狀態(tài)。直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)可以認(rèn)為就是主磁場(chǎng)，即由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)（稱(chēng)為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)）單獨(dú)建立的磁場(chǎng)。圖3.18是一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)分布示意圖（一對(duì)極）。圖中，同時(shí)交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組的磁通，稱(chēng)為主磁通，用表示。此外還有一小部分磁通不進(jìn)入電樞而直接經(jīng)過(guò)相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合磁路，僅與勵(lì)磁繞組交鏈，稱(chēng)為漏磁通，用表示。直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)由于主磁通經(jīng)過(guò)的磁路中氣隙較小、磁導(dǎo)較大，漏磁通經(jīng)過(guò)的磁路中氣隙較大、磁導(dǎo)較小，而作用在這兩條磁路的磁動(dòng)勢(shì)是相同的，所以漏磁通比主磁通小得多。圖3.18

直流電機(jī)空載磁場(chǎng)分布

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)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(xiàn)處磁密為零。不考慮齒槽影響時(shí)，直流電機(jī)一個(gè)極下的空載磁密分布如圖3.19所示。圖3.19

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)當(dāng)直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電樞繞組中有電流通過(guò)，該電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，稱(chēng)之為電樞磁場(chǎng)。它與主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。圖3.20(a)表示由電樞電流單獨(dú)產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)。圖中沒(méi)有考慮齒槽影響，認(rèn)為轉(zhuǎn)子光滑，元件均勻分布在電樞表面，電刷位于相鄰兩極之間的中心線(xiàn)，即幾何中性線(xiàn)上。根據(jù)電樞電流方向和右手螺旋定則，可判斷電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)與幾何中性線(xiàn)重合，并與主磁極軸線(xiàn)正交，稱(chēng)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。與主極軸線(xiàn)正交的軸線(xiàn)稱(chēng)為交軸。直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)圖3.20直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)

直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)線(xiàn)負(fù)荷是指電樞表面單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用表示。設(shè)為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，為導(dǎo)體內(nèi)的電流，

為電樞直徑，則線(xiàn)負(fù)荷為將電樞外表面從幾何中性線(xiàn)處展開(kāi)，如圖3.20(b)所示，并設(shè)主磁極軸線(xiàn)與電樞表面的交點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn)，該點(diǎn)的電樞磁動(dòng)勢(shì)為零，在離原點(diǎn)

處作一矩形閉合回路，根據(jù)安培環(huán)路定律，當(dāng)不考慮鐵心內(nèi)的磁壓降時(shí)，每個(gè)氣隙上的磁壓降為直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)可以看出，與成正比，電樞磁動(dòng)勢(shì)沿電樞表面的分布為三角波。根據(jù)

可推出氣隙磁密為

在磁極下，氣隙均勻，則；在磁極之間處，氣隙很大，很小。電樞磁密沿電樞表面分布為馬鞍形，如圖3.20(b)所示。直流電機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)電樞反應(yīng)的存在對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生以下影響：使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變對(duì)發(fā)電機(jī)而言，前極尖磁場(chǎng)被削弱，后極尖磁場(chǎng)被加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，前極尖磁場(chǎng)被加強(qiáng)，后極尖磁場(chǎng)被削弱。使物理中性線(xiàn)發(fā)生偏移通常把通過(guò)電樞表面磁密等于零處稱(chēng)為物理中性線(xiàn)。直流電機(jī)空載時(shí)，幾何中性線(xiàn)與物理中性線(xiàn)重合；負(fù)載時(shí)物理中性線(xiàn)與幾何中性線(xiàn)不再重合。對(duì)發(fā)電機(jī)，物理中性線(xiàn)順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移過(guò)角；對(duì)電動(dòng)機(jī)，物理中性線(xiàn)逆旋轉(zhuǎn)方向移過(guò)角。直流電機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)當(dāng)磁路飽和時(shí)有去磁作用不計(jì)磁飽和時(shí)，交軸電樞磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)的去磁作用和增磁作用恰好相等；考慮磁飽和時(shí)，增磁邊將使該部分鐵心的飽和程度提高、磁阻增大，從而使實(shí)際的氣隙磁磁比不計(jì)飽和時(shí)略低，如圖3.20(b)中虛線(xiàn)所示；去磁邊的實(shí)際氣隙磁密則與不計(jì)飽和時(shí)基本一致；因此負(fù)載時(shí)每極下的磁通量將比空載時(shí)少。換言之，飽和時(shí)交軸電樞反應(yīng)具有一定的去磁作用。

電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)當(dāng)電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)，除存在交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)外，還有直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。以電動(dòng)機(jī)為例，電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向偏離角，如圖3.21所示，產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)為?？梢哉J(rèn)為電樞磁動(dòng)勢(shì)由兩部分組成：一部分由角度范圍內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生，另一部分由角度范圍外的導(dǎo)體產(chǎn)生。角度范圍外的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，其最大值為角度范圍內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，其最大值為

電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)與主磁極軸線(xiàn)重合，但方向相反，使主磁通削弱，故有去磁作用；同理，當(dāng)電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向偏離角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)有助磁作用。發(fā)電機(jī)的情況與電動(dòng)機(jī)恰好相反。圖3.21電刷偏離幾何中線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)3.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，電樞導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。本節(jié)將討論直流電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式。為便于分析，作以下假設(shè)：(1)電樞表面光滑無(wú)槽(2)電樞繞組的元件在電樞表面均勻連續(xù)分布(3)線(xiàn)圈為整距(4)電刷位于幾何中性線(xiàn)上直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)圖3.22為一個(gè)極距內(nèi)氣隙磁密沿電樞表面的分布曲線(xiàn)。當(dāng)一根長(zhǎng)度為的導(dǎo)體以線(xiàn)速度垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

其中，為導(dǎo)體所在位置的氣隙磁密。

圖3.22氣隙磁密和導(dǎo)體的分布

直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)為，組成條并聯(lián)支路，則每支路的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為。電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，組成一條支路的導(dǎo)體處于變化中，但每條支路內(nèi)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)保持不變。一條支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就是電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)式中，是支路中第根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在計(jì)算支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，可以認(rèn)為這根導(dǎo)體等效于在一個(gè)磁極下均勻連續(xù)分布。只要求出一根導(dǎo)體在一個(gè)極下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值，乘以根導(dǎo)體數(shù)，即得繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此上式可以寫(xiě)成直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為

式中，是每極下的平均氣隙磁密。

導(dǎo)體的線(xiàn)速度為，其中是轉(zhuǎn)速，單位是r/min。每極總磁通量為代入上式得每根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為式中，是電樞每轉(zhuǎn)一周導(dǎo)體切割的總磁通量。從上式可知，導(dǎo)體平均電動(dòng)勢(shì)與氣隙磁密分布的形狀無(wú)關(guān)。

直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將導(dǎo)體平均電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式代入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中可得

式中，的單位是韋伯(Wb)；是常數(shù)，稱(chēng)為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。負(fù)載大小會(huì)影響每極磁通量，進(jìn)而影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。計(jì)算負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，為負(fù)載時(shí)的每極氣隙磁通。計(jì)算空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，為空載時(shí)的每極氣隙磁通。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)電樞繞組中有電流流過(guò)時(shí)，每一導(dǎo)體中流過(guò)的電流為。這些載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，并在電樞上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，用表示。一個(gè)極距內(nèi)電樞表面的磁密分布曲線(xiàn)如圖3.23所示。當(dāng)一根長(zhǎng)為的導(dǎo)體中流過(guò)電流時(shí)，所受的電磁力為

力的方向由左手定則決定。

圖3.23理想化電樞的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩導(dǎo)體距電樞軸心的徑向距離為，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為全部根受力導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩總和就是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩式中，是第根導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。每一條支路中的根導(dǎo)體可以認(rèn)為均勻連續(xù)分布在一個(gè)極距內(nèi)。因此，可以用一根導(dǎo)體所產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)表示，即直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩全部根導(dǎo)體受力所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的總和就是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，為將及代入上式可得

式中是一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。比較電動(dòng)勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的表達(dá)式，可以看出3.5直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程

直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性：

直流發(fā)電機(jī)的空載特性他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性(外特性、調(diào)節(jié)特性、效率特性)并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程以并勵(lì)發(fā)電機(jī)為例建立直流發(fā)電機(jī)的基本方程。并勵(lì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路如圖3.24所示。其中電樞繞組電動(dòng)勢(shì)為，電樞繞組電阻為，勵(lì)磁繞組電阻為，勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻為，發(fā)電機(jī)端電壓為，輸出電流為，電樞電流為，勵(lì)磁電流為。圖3.24并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)等效電路直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程根據(jù)圖3.24，電樞回路的電壓平衡方程式為

式中，為正、負(fù)一對(duì)電刷上的接觸電壓降，其大小與電刷型號(hào)有關(guān)，一般=0.5~2V。為電樞回路的總電阻，包括電樞繞組的電阻

和電刷接觸電阻。勵(lì)磁回路的電壓方程為

式中，為勵(lì)磁回路總電阻。電流方程為

直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程定義直流電機(jī)的電磁功率為電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的乘積，即

式中，為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。在電壓平衡方程式兩邊同乘以，考慮到，有

即

式中，為發(fā)電機(jī)輸出的電功率，為勵(lì)磁銅耗，為電樞回路的總銅耗。直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程機(jī)械功率的一部分被用于平衡轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換所必然產(chǎn)生的損耗，這些損耗有：（1）機(jī)械損耗，包括軸承、電刷摩擦損耗，空氣摩擦損耗以及通風(fēng)損耗等。（2）鐵耗，電樞鐵心中磁場(chǎng)交變產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。（3）雜散損耗，又稱(chēng)附加損耗，包括主磁場(chǎng)脈動(dòng)和畸變引起的鐵耗、漏磁場(chǎng)在金屬緊固件中產(chǎn)生的鐵耗和換向元件內(nèi)的附加損耗等。

因此有直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程發(fā)電機(jī)的功率平衡方程為

式中：

——為空載損耗

——為并勵(lì)發(fā)電機(jī)的總損耗

根據(jù)功率平衡方程，可畫(huà)出直流發(fā)電機(jī)的功率圖，如圖3.25所示。圖3.25直流發(fā)電機(jī)的功率圖

直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式兩邊同除以角速度得

即這就是直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程。式中，是輸入轉(zhuǎn)矩，為拖動(dòng)性質(zhì)；是電磁轉(zhuǎn)矩，為制動(dòng)性質(zhì)；為空載轉(zhuǎn)矩，也是制動(dòng)性質(zhì)。

直流發(fā)電機(jī)的空載特性直流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括：表征輸出電壓質(zhì)量的外特性、勵(lì)磁調(diào)節(jié)用的調(diào)整特性和表征力能指標(biāo)的效率特性?？蛰d特性是指轉(zhuǎn)速常值，輸出電流時(shí)，電樞的空載端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。電機(jī)空載時(shí)，電樞電流為零或很小，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)的空載端電壓就是空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此正比于主磁通，所以空載特性與磁化曲線(xiàn)的縱坐標(biāo)之間僅相差一個(gè)比例常數(shù)，空載特性實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)的磁化曲線(xiàn)?？蛰d特性常用來(lái)確定磁路的飽和程度。直流發(fā)電機(jī)的空載特性空載特性可以用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)求取，圖3.26為空載實(shí)驗(yàn)的接線(xiàn)圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)空載，保持轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使空載電壓，然后將逐步減小到零，再將反向，并逐步增加，直到反向時(shí)的與正向時(shí)的相等為止，記錄每次的和相應(yīng)的值。由于鐵心有磁滯現(xiàn)象，所得到的相當(dāng)于整個(gè)磁滯回線(xiàn)的左半邊。根據(jù)對(duì)稱(chēng)關(guān)系，可畫(huà)出磁滯回線(xiàn)的另外半邊，然后找出整個(gè)磁滯回線(xiàn)的平均曲線(xiàn)，如圖3.27中虛線(xiàn)所示，此虛線(xiàn)即為電機(jī)的空載曲線(xiàn)。

直流發(fā)電機(jī)的空載特性直流電機(jī)勵(lì)磁后，再將勵(lì)磁切斷，磁路中就會(huì)有剩磁，此后即使，電樞仍會(huì)出現(xiàn)由剩磁所感應(yīng)的剩磁電壓，通常。圖3.26空載實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖圖3.27空載特性

他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性外特性是當(dāng)常值、勵(lì)磁電流常值時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與輸出電流之間的關(guān)系，如圖3.28所示。外特性是一條隨負(fù)載電流增大而下降的曲線(xiàn)。發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載電流變化而變化的程度可用額定電壓調(diào)整率來(lái)衡量，定義為：當(dāng)、時(shí)，發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載過(guò)渡到空載時(shí)的電壓變化率，即圖3.28他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性

他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指常值時(shí)，隨著負(fù)載電流的變化，保持常值時(shí)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)節(jié)特性表征負(fù)載變化時(shí)如何調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流才能維持發(fā)電機(jī)端電壓不變。如圖3.29所示，調(diào)節(jié)特性隨負(fù)載電流增大而上翹。

圖3.29他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性

他勵(lì)發(fā)電機(jī)的效率特性效率特性是指在常值，常值時(shí)，效率與輸出功率之間的關(guān)系，如圖3.30所示。損耗分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是隨負(fù)載變化很小的損耗，包括機(jī)械損耗、鐵耗，稱(chēng)為不變損耗；另一類(lèi)是隨負(fù)載變化較大的損耗，包括電樞回路損耗、電刷接觸損耗、勵(lì)磁繞組銅耗（負(fù)載變化時(shí)勵(lì)磁電流也要調(diào)整）和雜散損耗，稱(chēng)為可變損耗。

圖3.30他勵(lì)發(fā)電機(jī)的效率特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線(xiàn)圖如圖3.31所示。由于磁極鐵心中存在剩磁，電樞在剩磁磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生剩磁電動(dòng)勢(shì)。剩磁電動(dòng)勢(shì)由電樞端點(diǎn)輸出，加到勵(lì)磁繞組上，產(chǎn)生一個(gè)較小的勵(lì)磁電流，其磁動(dòng)勢(shì)方向既可能與剩磁方向相同而形成正反饋?zhàn)饔?，也可能與剩磁方向相反而形成負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｘ?fù)反饋時(shí)，剩磁磁場(chǎng)被抑制，電壓建立不起來(lái)；正反饋時(shí)，氣隙磁場(chǎng)加強(qiáng)，使電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)升高，從而使勵(lì)磁電流和氣隙磁場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，如此往復(fù)，發(fā)電機(jī)的端電壓將逐步建立起來(lái)。要實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的正反饋，勵(lì)磁繞組端點(diǎn)與電樞繞組端點(diǎn)的連接要正確。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性

圖3.31并勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線(xiàn)圖圖3.32并勵(lì)發(fā)電機(jī)自勵(lì)時(shí)的穩(wěn)態(tài)空載電壓

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性從空載時(shí)勵(lì)磁回路的電壓方程和圖3.32可知，自勵(lì)時(shí)發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)由空載特性和勵(lì)磁回路的伏安特性（勵(lì)磁電阻線(xiàn)）的交點(diǎn)A來(lái)確定。與空載特性相切的電阻線(xiàn)，稱(chēng)為臨界電阻線(xiàn)，對(duì)應(yīng)的電阻稱(chēng)為臨界電阻。綜上所述，并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件是：1）氣隙中必須有剩磁；2）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與剩磁磁場(chǎng)的方向必須相同；3）勵(lì)磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（調(diào)整特性和效率特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相似）并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性是指，常值時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與負(fù)載電流間的關(guān)系。由于并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵(lì)磁電流與負(fù)載電流互相影響，導(dǎo)致其外特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)有明顯的差別，如圖3.33所示。圖3.33并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性有以下三個(gè)特點(diǎn)：負(fù)載增大時(shí)，端電壓下降較快在同一負(fù)載下，并勵(lì)發(fā)電機(jī)的端電壓要比他勵(lì)時(shí)下降得多。

外特性有拐彎現(xiàn)象當(dāng)負(fù)載電阻減小，負(fù)載電流增大，端電壓下降到一定值時(shí)，磁路將處于不飽和狀態(tài)，此時(shí)若進(jìn)一步減小，端電壓的下降使勵(lì)磁電流下降，而勵(lì)磁電流的下降將導(dǎo)致氣隙磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大幅度的下降，結(jié)果使端電壓的下降比負(fù)載電阻減小得更快，于是外特性就出現(xiàn)“拐彎”現(xiàn)象，即端電壓下降，負(fù)載電流亦下降。穩(wěn)態(tài)短路（端電壓等于零）時(shí)，電流較小

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組包括并勵(lì)和串勵(lì)兩部分，其接線(xiàn)圖如圖3.34所示。

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)中，若串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)與并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)方向相同，稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)；若串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)與并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)方向相反，稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)。常用的復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)都是積復(fù)勵(lì)。圖3.34復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線(xiàn)圖

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性可出現(xiàn)三種情況，如圖3.35所示。若電機(jī)額定負(fù)載時(shí)串勵(lì)繞組恰好能補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用以及電樞回路的壓降，則額定電壓等于空載端電壓，這種情況稱(chēng)為平復(fù)勵(lì)。若串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)的作用較強(qiáng)，補(bǔ)償作用有余，外特性就會(huì)上翹，這種情況稱(chēng)為過(guò)復(fù)勵(lì)。若補(bǔ)償作用不足，外特性仍下降，稱(chēng)為欠復(fù)勵(lì)。圖3.35積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性調(diào)節(jié)特性

積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性與串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)的大小有關(guān)，如圖3.36所示。

圖3.36積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性3.6直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

按勵(lì)磁方式分，直流電動(dòng)機(jī)可以分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)（包括永磁電動(dòng)機(jī)）、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。勵(lì)磁方式不同，運(yùn)行特性也不同。直流電動(dòng)機(jī)的基本方程直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件直流電動(dòng)機(jī)的基本方程電壓平衡方程以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路如圖3.37所示。在直流電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電樞電流方向相反，因此也稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)。圖3.37并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路直流電動(dòng)機(jī)的基本方程電樞回路的電壓方程為勵(lì)磁回路的電壓方程為電流方程為直流電動(dòng)機(jī)的基本方程功率平衡方程把電樞回路的電壓方程兩邊都乘以，得考慮到有即式中，是從電源輸入的電功率，其它符號(hào)的含義與直流發(fā)電機(jī)相同。從上式可以看出，從電源吸收的功率，除了一小部分轉(zhuǎn)換為電損耗外，大部分為電磁功率。電磁功率扣除鐵心損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗，剩下的才是電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率，即綜合以上兩式，得到直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式圖3.38直流電動(dòng)機(jī)的功率圖

直流電動(dòng)機(jī)的基本方程轉(zhuǎn)矩平衡方程方程兩邊同除以機(jī)械角速度，得

即其中：為電磁轉(zhuǎn)矩，為輸出轉(zhuǎn)矩，為由機(jī)械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。直流電動(dòng)機(jī)的基本方程直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩特性（即機(jī)械特性）、效率特性，它們與勵(lì)磁方式直接相關(guān)。由于直流電動(dòng)機(jī)的效率特性與直流發(fā)電機(jī)類(lèi)似，此處不再論述。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)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

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性是指外加電壓和勵(lì)磁電流為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關(guān)系。由和可得：當(dāng)電樞電流增加時(shí)，若氣隙磁通不變，則轉(zhuǎn)速將隨的增加而線(xiàn)性下降。由于電樞繞組電阻壓降很小，因此轉(zhuǎn)速下降不多。如果考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，隨電樞電流的增大而略有減小，轉(zhuǎn)速下降會(huì)更小些，甚至?xí)仙?。他?lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性為保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，通常將電機(jī)設(shè)計(jì)為圖3.39所示的稍微下降的轉(zhuǎn)速特性圖3.39他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性需要指出的是，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁回路絕對(duì)不能斷開(kāi)。當(dāng)勵(lì)磁回路斷開(kāi)時(shí)，氣隙磁通驟然下降到剩磁磁通，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，由于機(jī)械慣性的作用，轉(zhuǎn)速不能突然改變，電樞電流急劇增大，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1）若電動(dòng)機(jī)重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降，電動(dòng)機(jī)減速直至停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)時(shí)，電樞電流為起動(dòng)電流，引起繞組過(guò)熱將電機(jī)燒毀；2）電機(jī)輕載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速加速，造成“飛車(chē)”。這兩種情況都是非常危險(xiǎn)的。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指外加電壓和勵(lì)磁電流為額定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，磁路不飽和時(shí)，氣隙磁通不變，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩特性為一條直線(xiàn)；當(dāng)磁路飽和時(shí)，氣隙磁通隨電樞電流的增加而略有減小，轉(zhuǎn)矩特性略微向下彎曲，如圖3.39中的虛線(xiàn)所示。圖3.39他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上一定的電壓和一定的勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即，是電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特性。由和

可得：式中，是理想空載轉(zhuǎn)速，是機(jī)械特性的斜率。如圖3.40所示，機(jī)械特性是一條略向下傾斜的直線(xiàn)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性若直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化不大，我們稱(chēng)其機(jī)械特性為硬特性，反之稱(chēng)為軟特性。轉(zhuǎn)速的變化可用轉(zhuǎn)速調(diào)整率表征，定義為式中，為額定轉(zhuǎn)速；為額定勵(lì)磁電流時(shí)的空載轉(zhuǎn)速。圖3.40他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)屬于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特例，即在連接方法上使勵(lì)磁繞組與電樞回路并聯(lián)，由同一電源供電，因此其工作特性和機(jī)械特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的相同，這里不再贅述。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞回路串聯(lián)，如圖3.41所示，電樞電流等于勵(lì)磁電流，因而氣隙磁通隨電樞電流的變化很大，是其主要特點(diǎn)。圖3.41串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)圖

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)速特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性是指外加額定電壓、串勵(lì)繞組電阻為常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電樞電流之間的關(guān)系。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為式中?？梢?jiàn)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性為雙曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)速與電樞電流成反比。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電樞電流和勵(lì)磁電流都增大，導(dǎo)致電阻壓降增大、氣隙磁通增大，轉(zhuǎn)速迅速下降。如圖3.42所示。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行，所以轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為式中:為1/4額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。圖3.42串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)矩特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指外加額定電壓、串勵(lì)繞組的電阻為常數(shù)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流之間的關(guān)系。當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)，勵(lì)磁電流很小，電機(jī)的磁路不飽和，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為隨著負(fù)載的增加，勵(lì)磁電流逐漸增大，磁路飽和，磁通不再與勵(lì)磁電流成正比。當(dāng)磁路非常飽和時(shí)，磁通可認(rèn)為是常值，電磁轉(zhuǎn)矩為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性如圖3.42所示。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性機(jī)械特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指外加額定電壓、串勵(lì)繞組電阻為常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。整理轉(zhuǎn)速公式得：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性圖3.43畫(huà)出了串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線(xiàn)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是軟特性。隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速下降很快。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，由于氣隙磁通的減小，轉(zhuǎn)速迅速增大。電磁轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速為無(wú)窮大。因此，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行，也不能帶很輕的負(fù)載運(yùn)行。安全起見(jiàn)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不能用皮帶傳動(dòng)方式帶負(fù)載，因?yàn)槿绻Р簧髅撀?，可能?dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高。因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和所驅(qū)動(dòng)的機(jī)械負(fù)載必須直接耦合。圖3.43串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很硬，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性很軟且不能空載運(yùn)行。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)則可折中兩者的特性，其接線(xiàn)圖如圖3.44所示。如果串勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢(shì)與并勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢(shì)方向相同，稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；方向相反時(shí)，稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。后者使用時(shí)，容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常不用。圖3.45中，曲線(xiàn)1是電樞反應(yīng)較強(qiáng)的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。為了得到下降的機(jī)械特性，加上一個(gè)串勵(lì)繞組（穩(wěn)定繞組），以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用，其機(jī)械特性如圖中曲線(xiàn)2所示。曲線(xiàn)3是以串勵(lì)為主、并勵(lì)為輔時(shí)的機(jī)械特性，曲線(xiàn)4是純串勵(lì)時(shí)的機(jī)械特性。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性圖3.44復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)圖3.45不同復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中能否穩(wěn)定運(yùn)行與其機(jī)械特性和負(fù)載特性密切相關(guān)。電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性用曲線(xiàn)表示，負(fù)載的機(jī)械特性用曲線(xiàn)表示，二者的交點(diǎn)就是運(yùn)行工作點(diǎn)，如圖3.46所示。圖3.46(a)、(b)畫(huà)出了直流電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行的兩種情況。

(a)不穩(wěn)定運(yùn)行(b)穩(wěn)定運(yùn)行圖3.46電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的條件直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件對(duì)于圖3.46(a)所示的情況，設(shè)初始工作點(diǎn)為，由于某種擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一增量，轉(zhuǎn)速由變化到，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩，即使擾動(dòng)消失，電機(jī)也將繼續(xù)加速，不能恢復(fù)到初始工作點(diǎn)；反之，由于某種原因，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速由變化到，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)繼續(xù)減速，也不能恢復(fù)到初始工作點(diǎn)。因此圖3.46(a)所示為不穩(wěn)定運(yùn)行的情況。不穩(wěn)定運(yùn)行的條件是直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件對(duì)于圖3.46(b)所示的情況，設(shè)初始工作點(diǎn)為，由于某種擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一增量，轉(zhuǎn)速由變化到，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，擾動(dòng)消失后，電機(jī)將減速，恢復(fù)到初始工作點(diǎn)；反之，由于某種原因，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速由變化到，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速，也能恢復(fù)到穩(wěn)定工作點(diǎn)。因此圖3.46(b)所示為穩(wěn)定運(yùn)行的情況。穩(wěn)定運(yùn)行的條件是若負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化，上式變?yōu)榧措妱?dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是其機(jī)械特性必須是下降的。3.7直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速一、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)由靜止的狀態(tài)，接通電源，加速至穩(wěn)定的工作轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為起動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)要求：（1）有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；（2）應(yīng)把起動(dòng)電流限定在安全范圍內(nèi)。常用的起動(dòng)方法有三種：直接起動(dòng)、電樞串電阻起動(dòng)和降壓起動(dòng)，下面分別進(jìn)行介紹。

1直接起動(dòng)所謂直接起動(dòng)，就是直接在電動(dòng)機(jī)上施加額定電壓進(jìn)行起動(dòng)。這種方法無(wú)限流措施，起動(dòng)電流很大，可達(dá)額定電流的幾十倍，對(duì)電機(jī)的換向、溫升以及機(jī)械可靠性都很不利，所以只有容量很小的直流電動(dòng)機(jī)才可以直接起動(dòng)。如果是并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由于勵(lì)磁回路電感較大，在直接起動(dòng)時(shí)，必須先把勵(lì)磁繞組接入電源，然后再給電樞回路通電。2電樞回路串電阻起動(dòng)如圖3.47所示，在他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞回路里串入起動(dòng)電阻，可以限制起動(dòng)電流的大小。一般直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流限制在2~2.5倍額定電流范圍內(nèi)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流減小，轉(zhuǎn)子加速趨緩，勢(shì)必延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間。如果要求起動(dòng)過(guò)程短，可將所串聯(lián)的起動(dòng)電阻分為幾級(jí)，起動(dòng)中逐級(jí)切除。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，將圖3.47中的觸頭C1閉合，切除電阻,于是電樞電流又增大，起動(dòng)加速。之后，先后閉合C2、C3觸頭，最后將電阻全部切除。圖3.47直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻起動(dòng)3降壓起動(dòng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大而又起動(dòng)比較頻繁時(shí)，電樞回路串電阻起動(dòng)就很不經(jīng)濟(jì)。這時(shí)可以采用降低電源電壓的辦法起動(dòng)。用專(zhuān)用發(fā)電機(jī)或可控整流器控制電機(jī)的端電壓，開(kāi)始時(shí)端電壓很低，隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸增大電樞端電壓，使電樞電流控制在一定范圍內(nèi)。

對(duì)于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，如采用降壓起動(dòng)，勵(lì)磁繞組的電壓不能降低，否則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，對(duì)起動(dòng)不利。

降壓起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：起動(dòng)電流小，起動(dòng)過(guò)程平滑，能量消耗少。缺點(diǎn)是調(diào)壓設(shè)備投資大。二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，能夠很好地滿(mǎn)足調(diào)速范圍寬廣、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)、經(jīng)濟(jì)性好等要求。由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式(3-18)可以看出，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)每極磁通；（2）調(diào)節(jié)電樞端電壓；（2）電樞回路串電阻。圖3.48中，曲線(xiàn)1是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。在此基礎(chǔ)上，分別改變上式中的電樞回路電阻、氣隙磁通以及端電壓的大小，觀(guān)察電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如何

變化。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，忽略了電樞反應(yīng)的影響。1電樞回路串電阻調(diào)速在外加電壓和每極磁通不變的條件下，在電樞回路中串入電阻，理想空載轉(zhuǎn)速不受影響，仍為，而機(jī)械特性的斜率增大。而當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性曲線(xiàn)分別如圖3.48中的曲線(xiàn)4、3、2、1所示。如果電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其機(jī)械特性如圖3.48中的AB線(xiàn)所示。如果希望工作轉(zhuǎn)速由高速的a點(diǎn)變?yōu)榈退俚腷點(diǎn)，只要在電樞回路里串入電阻即可。這種調(diào)速方法只能使轉(zhuǎn)速往下調(diào)。如果所串電阻能夠連續(xù)變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能平滑調(diào)節(jié)。至于調(diào)速范圍，從圖3.48可以看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較

小時(shí)，例如CD線(xiàn)，調(diào)速范圍很小。可見(jiàn)，在串聯(lián)同樣電阻的情況下，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小而變化。電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速方法最主要的缺點(diǎn)是調(diào)速時(shí)電機(jī)的效率低。對(duì)于AB線(xiàn)所示的負(fù)載特性，調(diào)速前后電樞電流不變，電磁轉(zhuǎn)矩不變，從電源輸入的電功率也不變。由于轉(zhuǎn)速降低，電磁功率成正比降低，因此效率降低了，能量大多消耗在所串聯(lián)的電阻上。而且，要求電阻箱能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其體積是巨大的，也不可能做到連續(xù)調(diào)節(jié)。在大容量直流電動(dòng)機(jī)中，一般不用這個(gè)方法。2減小氣隙磁通調(diào)速當(dāng)電樞端電壓和電樞回路電阻都保持不變時(shí)，改變氣隙磁通也能調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在額定勵(lì)磁電流時(shí)磁路已經(jīng)較飽和，再增大氣隙磁通就比較困難，所以通常是減小氣隙磁通。從式（3-59）可以看出，氣隙磁通減小，將導(dǎo)致理想空載轉(zhuǎn)速和機(jī)械特性斜率的增大，機(jī)械特性變軟。圖3.49給出了減小氣隙磁通時(shí)的機(jī)械特性。圖中曲線(xiàn)1是固有機(jī)械特性，曲線(xiàn)2、3、4對(duì)應(yīng)的磁通逐次減小。這種調(diào)速方法是通過(guò)在勵(lì)磁回路中串電阻實(shí)現(xiàn)的，控制功率小，設(shè)備簡(jiǎn)單，比電樞回路串電阻調(diào)速要方便得多。調(diào)速時(shí)，磁通減小，為保證轉(zhuǎn)矩恒定，增大，減小得少，輸入功率增大，但電磁功率及輸出機(jī)械功率因轉(zhuǎn)速增高也增大了，所以效率并不降低，這是它的優(yōu)點(diǎn)。受換向及機(jī)械強(qiáng)度的限制，調(diào)速比不能太大，約為1：2。3改變電樞端電壓調(diào)速當(dāng)勵(lì)磁電流和電樞回路總電阻都保持不變、僅改變電樞端電壓時(shí)，機(jī)械特性曲線(xiàn)是一組與固有機(jī)械特性平行的直線(xiàn)，如圖3.50所示。

圖3.50他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞端電壓調(diào)速改變電樞端電壓調(diào)速時(shí)，輸入功率為與電壓成正比。電磁功率與轉(zhuǎn)速成正比，而電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差不多等于端電壓，并且正比于，所以調(diào)速時(shí)效率基本不變。目前改變電樞端電壓的方法主要有兩種：一種是可控整流器供電，一種是直流斬波器供電。圖3.51(a)為采用可控整流器調(diào)壓的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。如果要求電動(dòng)機(jī)能正反轉(zhuǎn)，可采用如圖3.51(b)所示的反并聯(lián)整流電路。圖3.52(a)為采用直流斬波器調(diào)壓調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它利用電力半導(dǎo)體元件的開(kāi)關(guān)作用控制電動(dòng)機(jī)兩端的通電時(shí)間，從而控制電動(dòng)機(jī)的輸入電壓。圖3.52(b)表示電動(dòng)機(jī)端電壓隨時(shí)間的變化情況，端電壓的平均

可表示為(3-19)

式中，是斬波器開(kāi)通時(shí)間，是斬波器的通電周期，是斬波器的占空比。圖3.51可控整流器調(diào)壓調(diào)速圖3.52直流斬波器降壓調(diào)速3.8直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進(jìn)入另一條支路，元件內(nèi)電流的方向發(fā)生了改變，元件電流改變方向的過(guò)程，稱(chēng)為換向。換向前后的電流大小相等、方向相反。在直流電機(jī)中，任何瞬間都有元件在換向。換向是直流電機(jī)的共同問(wèn)題，也是制約直流電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的最主要問(wèn)題。直流電機(jī)換向不好，將在電刷和換向器之間引起火花，火花超過(guò)一定程度，將燒壞電刷和換向器?；鸹▏?yán)重時(shí)，還可能與電位差火花匯合在一起，形成環(huán)火，燒毀電機(jī)。此外，火花還會(huì)產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電干擾。換向過(guò)程非常復(fù)雜，涉及到機(jī)械、電磁和電化學(xué)等多方面的因素，目前對(duì)換向的理論分析，都是建立在一定簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上的，尚不能完全解決實(shí)際問(wèn)題。下面僅介紹影響換向的電磁因素和改善換向的方法。一、換向過(guò)程圖3.53表示一單疊繞組元件的換向過(guò)程。假設(shè)換向元件編號(hào)為1，電刷寬度b等于換向片寬度，片間絕緣厚度忽略不計(jì)，電樞繞組以線(xiàn)速度向左移動(dòng)。圖(a)中，元件1屬于電刷右邊的支路，其中的電流為，電刷僅與換向片1接觸；運(yùn)動(dòng)到圖(b)所示位置時(shí)，電刷同時(shí)與換向片1和2接觸，元件1被短路，其中的電流發(fā)生變化，從開(kāi)始衰減，直至電刷與換向片2完全接觸；在圖(c)所示位置，元件1已屬于電刷左邊的支路，流過(guò)的電流是,所以從圖(a)到圖(c)，元件1經(jīng)歷了換向過(guò)程，稱(chēng)為換向元件。元件1、換向片1、換向片2、電刷所構(gòu)成的回路，稱(chēng)為換向回路。換向回路內(nèi)的電流，也就是換向元件內(nèi)的電流稱(chēng)為換向電流。換向過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為換向周期，用表示。換向周期很短，一般約幾個(gè)毫秒。圖3.53單疊繞組元件中電流的換向過(guò)程（a）換向開(kāi)始；（b）正在換向；（c）換向結(jié)束

圖3.54所示為理想換向過(guò)程中換向元件中電流隨時(shí)間變化的波形，其中Tc是元件從一種極性電刷轉(zhuǎn)到另一種極性電刷下所經(jīng)歷的時(shí)間，一般為幾十毫秒。這里認(rèn)為換向電流線(xiàn)性變化，是理想的換向過(guò)程。在實(shí)際換向過(guò)程中，換向回路中存在多種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)換向電流產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致實(shí)際換向過(guò)程與理想換向過(guò)程差別很大。圖3.54理想換向過(guò)程中換向元件中的電流二、換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在換向過(guò)程中，換向元件內(nèi)將產(chǎn)生兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，下面分別討論。1電抗電動(dòng)勢(shì)換向元件本身有自感，還有與其它元件之間的互感。換向電流的變化將在換向元件內(nèi)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)，二者的合成電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為電抗電動(dòng)勢(shì)。由于所有元件（包括換向元件在內(nèi)）所產(chǎn)生的合成氣隙磁通為交軸電樞反應(yīng)磁通，不在換向元件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故電抗電動(dòng)勢(shì)僅由換向元件的漏磁通所感應(yīng)產(chǎn)生；在換向周期內(nèi)，電抗電動(dòng)勢(shì)的平均值為。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電抗電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的變化，由于換向元件內(nèi)電流

不斷減小，故的方向與換向前的電流方向相同。2旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)理想情況下，換向元件的兩個(gè)邊位于幾何中性線(xiàn)位置上。由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的影響，幾何中性線(xiàn)位置的氣隙磁密不為零，換向元件切割磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)或運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的方向總與換向前的電流方向一致。即與

的方向相同。

在大多數(shù)直流電機(jī)中，為改善換向，在幾何中性線(xiàn)位置安裝換向極，換向極產(chǎn)生的磁場(chǎng)比電樞反應(yīng)磁場(chǎng)略強(qiáng)而方向相反，此時(shí)幾何中性線(xiàn)位置的磁場(chǎng)方向與無(wú)換向極時(shí)的方向相反，因而和的方向相反。換向元件中

總的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電抗電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即

(3-20)

為理想情況。通常情況下。若較大，將導(dǎo)致?lián)Q向不良，在電刷下產(chǎn)生火花。三、換向元件中電流的變化規(guī)律

直線(xiàn)換向當(dāng)換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)時(shí)，換向元件中的電流變化規(guī)律大體為一直線(xiàn)，這種換向稱(chēng)為直線(xiàn)換向，如圖3.55(a)所示。直線(xiàn)換向的特點(diǎn)是，電刷接觸面上的電流密度分布均勻、

換向良好。延遲換向以電抗電動(dòng)勢(shì)作為正值，如果，則換向元件中的電流由直線(xiàn)換向電流和由合成電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的附加換向電流疊加而成，如圖3.55(b)所示。的出現(xiàn)，使換向元件中的電流改變方向的時(shí)刻向后推延，因此這種換向稱(chēng)為延遲換向。延遲換向結(jié)束時(shí)，被電刷短路的換向元件瞬時(shí)斷開(kāi)，后刷邊容易出現(xiàn)火花，導(dǎo)致?lián)Q向不良。超越換向若換向極磁場(chǎng)較強(qiáng)，則換向元件中與電抗電動(dòng)勢(shì)反向的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)可能大于電抗電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，附加換

向電流將反向，因而換向元件中電流改變方向的時(shí)刻將比直線(xiàn)換向時(shí)提前，如圖3.55(c)所示，這種換向稱(chēng)為超越換向，輕微的超越換向有一定好處，但過(guò)度的超越換向也是不利的。圖3.55換向元件中電流的變化四、火花等級(jí)雖然直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電刷下往往產(chǎn)生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不會(huì)危及電機(jī)的運(yùn)行?；鸹▏?yán)重時(shí)，會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行甚至損壞電機(jī)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電刷下的火花可以分為五個(gè)等級(jí)，即1級(jí)、級(jí)、級(jí)、2級(jí)和3級(jí)。1級(jí)表示無(wú)火花。級(jí)電刷邊緣及小部分有微弱的火花點(diǎn)或者非放電性紅色小火花，換向器上沒(méi)有黑痕，電刷上沒(méi)有灼痕。級(jí)

電刷邊緣大部分或全部有輕微的火花，換向器上有黑痕，但用汽油可擦除，同時(shí)在電刷上有輕微的灼痕。2級(jí)電刷邊緣全部或大部分有強(qiáng)烈的火花，換向器上有黑痕，用汽油不能擦除，同時(shí)電刷上有灼痕。3級(jí)在電刷的整個(gè)邊緣上都有強(qiáng)烈的火花，同時(shí)有大火花飛出。換向器嚴(yán)重發(fā)黑，用汽油不能擦掉，而且電刷有燒焦和損壞。

1級(jí)、級(jí)和級(jí)火花均為持續(xù)運(yùn)行中無(wú)害的火花。在2級(jí)火花作用下，換向器表面會(huì)出現(xiàn)炭渣和黑色痕跡，如運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，黑色痕跡也將擴(kuò)展，同時(shí)電刷和換向器的磨損也顯著增加。所以2級(jí)火花只允許在短時(shí)過(guò)載時(shí)

出現(xiàn)。3級(jí)火花是危險(xiǎn)的，僅允許在直接起動(dòng)或反轉(zhuǎn)的瞬間出現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)是不允許的。五、改善換向的方法換向不良將使電刷下出現(xiàn)火花，使換向器表面受到損傷，電刷磨損加快。改善換向的目的在于消除電刷下的火花，雖然產(chǎn)生火花的原因比較復(fù)雜，但若能設(shè)法減少或消除附加換向電流ic，就可以改善換向。下面介紹常見(jiàn)的改善換向方法。移動(dòng)電刷由于電樞反應(yīng)的存在，幾何中性線(xiàn)位置的磁密不再為零，換向元件內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，使換向惡化?？梢圆捎靡苿?dòng)電刷的方法，使幾何中性線(xiàn)位置的磁密為零，可以改善換向。對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，應(yīng)順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)

電刷；對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷。電刷的移動(dòng)是在電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)制成之后，電刷無(wú)法移動(dòng)。該方法缺點(diǎn)比較明顯，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電樞反應(yīng)發(fā)生變化，電刷位置不一定合適，可能使換向惡化；此外，若電機(jī)允許正反轉(zhuǎn)，則該方法也不適合。這種方法只在運(yùn)行情況固定而負(fù)載變化又不大的單向旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)中采用。安裝換向極幾乎所有的直流電機(jī)都在兩個(gè)主極之間的幾何中性線(xiàn)處裝有換向極，如圖3.56所示。換向極的磁動(dòng)勢(shì)除抵消電樞磁動(dòng)勢(shì)以外，還在換向區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電樞磁場(chǎng)相反

的換向磁場(chǎng)，使換向元件切割該磁場(chǎng)后產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與相抵消，這樣就可以消除附加換向電流，改善換向。換向極的極性可以由換向極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)相反的原則來(lái)確定。對(duì)于圖3.56所示主極極性，電機(jī)作發(fā)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞磁場(chǎng)的方向?yàn)樽宰笾劣?，故換向極磁場(chǎng)的方向?yàn)樽杂抑磷?。由此可?jiàn)，在發(fā)電機(jī)中，換向極的極性應(yīng)與順旋轉(zhuǎn)方向的下一個(gè)主極的極性相同；在電動(dòng)機(jī)中，換向極的極性與發(fā)電機(jī)相反。由于電抗電動(dòng)勢(shì)與電樞電流成正比，所以換向磁場(chǎng)也應(yīng)與電樞電流成正比，使切割換向磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電樞電流成正比，和在不同負(fù)載下均能抵消，所以換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。

實(shí)踐證明，只要換向極設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)火花換向。因此，當(dāng)直流電機(jī)的容量大于1kW時(shí)，大多裝設(shè)換向極。此外，選擇牌號(hào)合適的電刷和繞組型式，也可改善換向。圖3.56裝設(shè)換向極改善換向3.9特殊直流電機(jī)一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的直流發(fā)電機(jī)，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛用作檢測(cè)元件或解算元件，如傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的速度檢測(cè)、模擬量的積分和微分計(jì)算等。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)主要采用他勵(lì)和永磁兩種勵(lì)磁方式，其中永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)更突出，應(yīng)用更加普遍。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的基本要求是：（1）線(xiàn)性度好。在工作范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速有較好的線(xiàn)性關(guān)系（包括正、反轉(zhuǎn)情況）；（2）靈敏度高。速度的微小變化能由輸出電壓真實(shí)地反映；紋波小。輸出電壓的波形在速度均勻變化過(guò)程中無(wú)畸變。他勵(lì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的接線(xiàn)圖如圖3.57(a)所示。勵(lì)磁電壓恒定，負(fù)載電阻固定不變?？蛰d時(shí)（斷開(kāi)），常數(shù)，電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系為（3-21）如圖3.57(b)中的實(shí)線(xiàn)所示。負(fù)載電阻接入后，因（3-22）則電壓－轉(zhuǎn)速關(guān)系式變?yōu)椋?-23）

不計(jì)電樞反應(yīng)和電阻的溫度效應(yīng)，電壓轉(zhuǎn)速特性仍為直線(xiàn)，只是斜率變小，如圖3.57(b)中的虛線(xiàn)所示。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，在大范圍內(nèi)的線(xiàn)性電壓－轉(zhuǎn)速特性是可以實(shí)現(xiàn)的，其斜率（也稱(chēng)為測(cè)速發(fā)電機(jī)的靈敏度）可以通過(guò)改變負(fù)載電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3.57直流測(cè)速發(fā)電機(jī)(a)接線(xiàn)示意圖（b）電壓－轉(zhuǎn)速特性二、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種將輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度來(lái)執(zhí)行控制任務(wù)的直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向隨輸入信號(hào)的變化而變化，并具有一定的負(fù)載能力，在各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行元件。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求是：可控性好。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完全由控制電壓的大小和極性決定，并以線(xiàn)性控制特性為最佳。運(yùn)行穩(wěn)定。在寬調(diào)速范圍內(nèi)具有下降的機(jī)械特性，最好為線(xiàn)性機(jī)械特性。伺服性好。能敏捷地跟隨控制信號(hào)的變化，起、停迅速。為滿(mǎn)足上述要求，直流伺服電動(dòng)機(jī)大都采用他勵(lì)或永磁勵(lì)磁方式，并在設(shè)計(jì)中力求磁路不飽和、電樞反應(yīng)影響小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率一般很小，約在幾瓦至幾百瓦之間，在運(yùn)行中采用電樞控制或磁場(chǎng)控制方式，下面分別介紹。電樞控制方式采用電樞控制方式時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)圖如圖3.58所示。勵(lì)磁繞組由恒定電壓源（=常數(shù)）供電，用以產(chǎn)生恒定磁通。電樞繞組（即控制繞組）加控制電壓。圖3.58電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)當(dāng)時(shí)，，，轉(zhuǎn)子靜止；當(dāng)時(shí)，有，，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；的極性變化，改變方向，隨之反向，電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)生變化。

直流伺服電動(dòng)