第4章 直流電機1(原理)

Page1第4章直流電機Page2本章教學基本要求1.了解直流電機主要結構，注意換向器和電刷的作用；2.熟悉直流發(fā)電機和直流電動機基本工作原理，理解感應電動勢和電磁轉矩這兩個機電能量轉換要素的物理意義，掌握求解它們的計算方法；3.掌握直流電機的運行原理，電動勢、轉矩平衡方程式以及不同勵磁方式的直流電機的工作特性；4.了解直流電機的換向。Page3重點

直流電機的基本平衡方程式和工作特性。Page4直流電機（dcmachines）

是將機械能轉換為直流電能或將直流電能轉換為機械能的一種裝置。把機械能轉換為電能的直流電機稱為直流發(fā)電機(dcgenerators)，把電能轉換為機械能的直流電機稱為直流電動機(dcmotor)。Page5直流發(fā)電機的基本工作原理Page6直流發(fā)電機的基本工作原理

電樞逆時針旋轉時，導體切割磁力線，根據(jù)電磁感應定律導體內產生感應電動勢，大小為e=Bxlv。感應電動勢方向由右手定則判定，伸開右手使大拇指與四指呈90°，當磁力線指向手心，大拇指指向導體運動方向，則四指的指向為導體中感應電動勢方向。Page7直流發(fā)電機的基本工作原理在圖(a)中ωt=0°時，A端為☉，與之相接觸的電刷B1為“+”，X端為⊕，與之相接觸的電刷B2為“-”

當電樞旋轉了180°后，在圖(b)中ωt=180°時，X端旋轉到N極下，X端為☉，A端旋轉到S極下，A端為⊕其波形如圖1-3所示。Page8氣隙磁蜜分布波形Page9線圈AX的感應電勢波形Page10刷間電動勢波形Page11分析N極下導體電動勢指向紙外，電刷B1總為“+”；S極下導體電動勢指向紙內，電刷B2總為“-”，不難看出，線圈中的電動勢是交流電動勢，而通過換向器的作用，使電刷間的電動勢為直流電動勢。

Page12換向器和電刷的共同作用在直流發(fā)電機中，換向器和電刷的共同作用：①將線圈中的交流電動勢整流成刷間的直流電動勢；②把轉動的電路與外面不轉的電路聯(lián)接。Page13說明從刷間電動勢波形看，電動勢脈動很大，為了減小電動勢的脈動程度，實際電機采用很多元件組成電樞線圈，均勻分布在電樞表面，并按一定規(guī)律聯(lián)接，刷間串聯(lián)元件數(shù)增多，脈動減小，就得到所需的直流電。Page14直流電動機的基本工作原理Page15直流電動機的基本工作原理

將直流電加到電刷上（B1為+、B2為-），線圈AX上就有電流通過（A端為⊕、X端為☉），根據(jù)電磁力定律，載流導體在磁場中要受力，大小為：f=Bxli（N），方向由左手定則確定。Page16直流電動機的基本工作原理載流導體受力方向的確定：伸開左手使大拇指與四指呈90°，當磁力線指向手心四指的指向為導體中電流方向，則大拇指指向導體受力方向在圖1-5中A受向左的切向力，X受向右的切向力，這一對力形成了力矩T(稱電磁轉矩)，使電樞按逆時針方向旋轉。Page17換向器和電刷的共同作用在直流電動機中，換向器和電刷的共同作用：①將刷間的直流電逆變成線圈中的交流電；②把外面不轉的電路與轉動的電路聯(lián)接。Page18直流電機的主要結構直流電機由兩大部分組成：定子（靜止部分）和轉子（轉動部分或稱電樞）

Page19直流電機的主要結構1）定子定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機座等組成。Page20直流電機的主要結構主磁極由主極鐵心和勵磁繞組組成，鐵心用1~1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對出現(xiàn)，N、S極交替排列。

Page21直流電機的主要結構換向極由鐵心和繞組組成，鐵心一般是由整塊鋼組成換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機的換向。Page22直流電機的主要結構電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是聯(lián)接轉動和靜止之間的電路。機座作用是固定主磁極等部件，同時也是磁路的一部分。

Page23直流電機的主要結構Page24直流電機的主要結構2）轉子（電樞）轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸等組成。Page25直流電機的主要結構電樞鐵心一般用0.5mm涂過絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時它又是電機主磁路的一部分。Page26直流電機的主要結構電樞繞組由絕緣導線繞制成的線圈（又稱繞組元件）按一定規(guī)律聯(lián)接組成，每個元件兩個有效邊分別嵌放在電樞鐵心表面的槽內，元件的兩個出線端分別與兩個換向片相連。電樞繞組的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，是實現(xiàn)機電能量轉換的樞紐。Page27直流電機的主要結構換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或將刷間的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。Page28直流電樞繞組

直流電機電樞繞組的基本形式是單疊和單波。Page29直流電樞繞組匝數(shù)為1的是單匝元件，匝數(shù)大于1的是多匝元件。由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個(設為u個)元件邊，將一個上層邊和一個下層邊在槽內所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數(shù)S等于實槽數(shù)Q；若每槽的上、下層各有u個元件邊時，則有：S=uQ=Qu，Qu為虛槽數(shù)。Page30直流電樞繞組極距在直流電機中，把相鄰兩個主磁極軸線之間的距離稱作極距，記作t，一般用槽數(shù)表示，即有：式中p為主磁極的極對數(shù)。

Page31直流電樞繞組Page32直流電樞繞組直流電機中，各元件在電樞表面的幾何關系一般用元件的節(jié)距表示。Page33直流電樞繞組（1）第一節(jié)距y1指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。其表達式為：式中ε為把y1湊整的小于1的分數(shù)。當ε=0，y1=t稱為整距元件；當ε>0稱為長距元件；當ε<0稱為短距元件，實際電機中采用短距元件，可節(jié)省銅。

Page34直流電樞繞組（2）第二節(jié)距y2指兩個相串聯(lián)的元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊所跨的距離，用槽數(shù)表示。Page35直流電樞繞組（3）合成節(jié)距y指直接串聯(lián)的兩個元件的對應邊所跨的距離。（4）換相器節(jié)距yk指同一元件的兩個出線端所接的兩換相片之間所跨的距離，用換相片數(shù)表示。Page36直流電樞繞組單疊繞組單疊繞組是以相鄰元件依次串聯(lián)的聯(lián)接規(guī)律連成的，每個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩個換相片上，最后形成一閉合回路。Page37直流電樞繞組舉例以總元件數(shù)為6的電機為例，說明單疊繞組的聯(lián)接。設S（元件數(shù)）=K（換相片數(shù)）=Q（槽數(shù)）=6，u=1，2p=2，則合成節(jié)距y=1，極距τ，第一節(jié)距y1，換相器節(jié)距yk=1（右行繞組），第二節(jié)距y2=y1-y=3-1=2，上述數(shù)據(jù)所表示的實際電機繞組安放如圖1-13。Page38舉例Page39舉例Page40單疊繞組特點單疊繞組具有以下特點：①支路對數(shù)a等于極對數(shù)p，同時還等于電刷對數(shù)b，即a=p=b；②電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2aia。Page41單波繞組單波繞組是將同一極性下的所有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個串聯(lián)聯(lián)接元件形式似波浪向前延伸。Page42單波繞組特點特點：①支路對數(shù)a等于1，與極對數(shù)p無關，即a=1；②電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；③為了減小電刷的電流密度，實際電刷對數(shù)b等于極對數(shù)p。Page43電機模型展開圖雖然能反應電樞繞組聯(lián)接規(guī)律，也能說明電機內部電磁關系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機內部電磁關系時，采用電機模型。Page44電機模型

無論電機有多少對磁極都只用N、S一對磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中性線處，并與位于幾何中性線處的元件接觸，一個圓圈代表一個元件。

Page45銘牌數(shù)據(jù)

Page46電機主要的額定值1）額定功率PN指電機按規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率（kW），對發(fā)電機是指出線端輸出的電功率它等于額定電壓和額定電流的乘積，即PN=UNIN；對電動機是指軸上輸出的機械功率，它等于額定電壓、額定電流及額定效率的乘積，即PN=UNINhN。Page47電機主要的額定值2）額定電壓UN指電機長期安全運行時所能承受的電壓（V）。3）額定電流IN指電機按規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許通過的電流（A）。Page48電機主要的額定值4）額定轉速nN指電機在額定電壓、額定電流和額定功率情況下運行的電機轉速（r/min）。額定值是選擇電機的依據(jù)，應根據(jù)實際使用情況，合理選擇電機容量，使電機工作在額定運行狀態(tài)。Page49國產電機主要系列

國產直流電機的系列產品代號采用大寫漢語拼音字母表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動機、第二次改進設計型，“7”表示機座號，7后面的2表示長鐵心（2號表示長鐵心，1號表示短鐵心）。Page50國產電機主要系列（1）Z2系列是普通中小型直流電機。（2）ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。其他系列的直流電機型號、技術數(shù)據(jù)可從產品目錄或相關的手冊中查到。Page51【例1-1】

某直流電動機額定數(shù)據(jù)為：PN=100kW，額定電壓UN=220V，額定轉速nN=1500r/min，額定效率hN=90%，求該電動機的額定電流和輸入功率。Page52【例1-1】解：（1）額定電流電動機的額定電流為

（2）輸入功率電動機的輸入功率為Page53直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式。除永磁式微直流電機外，直流電機的磁場都是通過勵磁繞組通入電流激勵而建立的。按勵磁方式不同可分為四種：他勵、并勵、串勵和復勵。

Page54直流電機的勵磁方式

Page55直流電機的勵磁方式Page56直流電機空載時的磁場直流電機空載是指電機對外無功率輸出、不帶負載空轉的一種狀態(tài)。直流電機空載時，勵磁繞組內有勵磁電流，電動機電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機電樞電流為零，這時電機的磁場由勵磁電流單獨建立。Page57直流電機空載時的磁場Page58主磁通絕大部分磁通經主磁極、氣隙、電樞鐵心及定子磁軛閉合，這部分磁通同時鏈繞勵磁繞組和電樞繞組，稱主磁通，記作：F0，主磁通參與機電能量轉換，能產生感應電動勢和電磁轉矩，是工作磁通。主磁通通過的磁路稱主磁路，主磁路中氣隙較小，故磁阻較小。Page59漏磁通有一小部分磁通不穿過電樞，僅與勵磁繞組自身鏈繞，稱漏磁通，記作：Fs，漏磁通不穿過電樞表面，不參加機電能量轉換，不是工作磁通。漏磁通通過的磁路稱漏磁路，漏磁路中空氣隙較大，磁阻大。

漏磁通比主磁通小得多，約占主磁通的20%左右。

Page60空載時氣隙磁密分布Page61電機的磁化曲線指電機主磁通F0與勵磁磁動勢Ff的關系曲線，即有F0=?（Ff）。當勵磁繞組的匝數(shù)Nf一定時，改變勵磁電流If就可改變磁動勢，磁化曲線也可用F0=?（If）表示。電機的磁化曲線可通過試驗或電機磁路計算得到。Page62電機的磁化曲線Page63直流電機負載時的磁場直流電機負載運行時，電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁動勢由勵磁電流If產生的勵磁磁動勢Ff和電樞電流Ia產生的電樞磁動勢Fa共同建立。Page64直流電機負載時的磁場Page65線負荷

為了分析電樞磁動勢沿電樞表面分布情況，現(xiàn)引入電樞線負荷的概念，線負荷是指在電樞表面單位長度上的安培導體數(shù)，用A表示。設N為電樞繞組總導體數(shù)，ia為導體電流，Da為電樞直徑，則根據(jù)線負荷定義有：Page66負載時氣隙磁蜜波形Page67直流電機的電樞反應當電機帶負載后，電樞繞組流過電流，出現(xiàn)電樞磁動勢。電樞磁動勢對主磁極產生的磁場有影響，故對電機的運行性能也會產生一定的影響。把電樞磁動勢對勵磁磁動勢產生的影響稱為電樞反應(thearmaturereaction)。Page68電刷正常時的電樞反應當電刷位于幾何中性線時，電樞反應表現(xiàn)：使氣隙磁場發(fā)生畸變并使物理中性線偏移,當磁路飽和時有祛磁作用。Page69電刷偏離幾何中性線時Page70電刷偏離幾何中性線時交軸電樞磁動勢Faq對主磁場的影響與上面分析的電刷位于幾何中性線的電樞反應情況一樣，而直軸電樞磁動勢Fad與主磁極軸線重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，當電刷順電動機旋轉方向偏離b角時，產生的直軸電樞磁動勢Fad有助磁作用。Page71感應電動勢感應電動勢是指從一對正負電刷之間引出的電動勢，也稱為電樞電動勢，記作Ea。Page72感應電動勢

如果設N為電樞繞組的總導體數(shù)，a為并聯(lián)支路對數(shù)，Bav為一個磁極內的平均磁密，l為導體的有效長度，v為導體切割磁場的速度，則電樞電動勢為即有式中稱為電動勢常數(shù)，它是與電機結構有關的參數(shù)。Page73分析①Ea∝Fn，改變F或n的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當磁通F單位為Wb，轉速n單位為r/min，則電樞電動勢Ea單位為V；②Ea方向取決于F和n的方向，改變F的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。Page74電磁轉矩電磁轉矩是指電樞上所有載流導體在磁場中受力所形成的轉矩的總和。Page75電磁轉矩設D為電樞直徑，N為電樞總導體數(shù)，fav每根導體平均所受的力，則電磁轉矩為即有式中稱為轉矩常數(shù)，它與電機結構有關的參數(shù)。Page76分析①T∝FIa，改變F或Ia的大小，可使T大小發(fā)生變化，當磁通F單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉矩T單位為N·m；②T方向取決于F和Ia的方向，改變F的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。Page77兩常數(shù)間的關系電勢常數(shù)與轉矩常數(shù)之間的關系式:所以有

CT=9.55Ce

Page78【例1-2】已知某四極他勵直流電動機的額定功率PN=100kW，額定電壓UN=330V，額定轉速nN=730r/min，額定效率hN=91.5%額定運行時每極氣隙磁通FN=6.98×10-2Wb，電機電樞繞組采用單波繞組，電樞總導體數(shù)N=186。求額定感應電動勢和額定電磁轉矩。Page79【例1-2】解：（1）計算額定感應電動勢極對數(shù)為p=2，支路對數(shù)a=1

電動勢常數(shù)為感應電動勢為

（2）計算額定電磁轉矩電樞電流為電磁轉矩為

Page80直流發(fā)電機直流發(fā)電機是將原動機輸入的機械能轉變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O備，即：機械能→直流電能。Page81直流發(fā)電機慣例Page82電壓方程電樞回路方程為Ea=U+Ia·Ra式中Ra為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內阻。Page83勵磁回路方程勵磁回路方程為Uf=If·Rf式中Rf為勵磁回路總電阻，它包括勵磁回路外串電阻和勵磁繞組內阻。Page84轉矩方程當發(fā)電機處于恒定轉速運行時，轉矩平衡方程式為

式中，T1為原動機的拖動轉矩；T為發(fā)電機中產生的電磁轉矩，其性質為制動轉矩；T0為空載轉矩，它由電機的機械摩擦和鐵損引起的轉矩。發(fā)電機的轉向由原動機決定，T1>T，故電磁轉矩為制動轉矩，是阻礙原動機的阻力矩。Page85功率平衡關系從原動機輸入的機械功率為P1=Pem+p0

式中，P1為輸入的機械功率；Pem為電磁功率；p0為空載損耗。Page86功率平衡關系

空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即有p0=pFe+pm+pad

其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計算。靠經驗估算約為額定功率PＮ的0.5%～1%。Page87功率平衡關系電磁功率為

從中可見電磁功率可表示為Pem=TΩ

上式說明電磁功率具有機械功率性質。電磁功率又可表示為Pem=EaIa

此表達式說明電磁功率又具有電功率性質，所以電磁功率是機電能量轉換的橋梁。

Page88功率平衡關系發(fā)電機輸出的電功率為

P2=Pem-pCua式中pCua為電樞回路銅耗；P2為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為

P2=UIaPage89功率平衡關系Page90效率他勵直流發(fā)電機的總損耗為Σp=pFe+pm+pad+pCua即有Σp=p0+pCua效率為即有Page91運行特性

發(fā)電機的運行特性是指發(fā)電機運行時，端電壓U、負載電流I、勵磁電流If這三個基本物理量之間的函數(shù)關系。一般保持其中一個物理量不變，討論剩余兩個量之間的關系，這種函數(shù)關系就是運行特性。Page92運行特性1．空載特性

空載特性是指原動機的轉速n=nN，輸出端開路，負載電流I=0時，電樞端電壓與勵磁電流之間的關系，即：U0=E0=?（If）。Page93運行特性2．外特性外特性是指原動機的轉速n=nN，勵磁電流If=IfN時，電樞端電壓與負載電流之間的關系，即：U=?（I），是一條略微下斜的曲線。Page94運行特性從空載到負載電壓下降的原因是：①負載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；②電樞電流增大，使電樞反應的祛磁作用增強，端電壓進一步下降。Page95電壓變化率

發(fā)電機的端電壓隨負載的變化程度可用電壓變化率（或稱電壓調整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機從額定負載（U=UN，I=IN）過渡到空載（U=U0I=0）時，電壓升高數(shù)值與額定電壓的百分比，即：

通常他勵直流發(fā)電機的電壓變化率ΔU%約為（5~10）%。Page96并勵直流發(fā)電機1．自勵過程當發(fā)電機以額定轉速nN運轉時，在有剩磁條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中產生感應電動勢Er（約為2~5%UN），從而在電樞兩端建立剩磁電壓Ur，Ur作用下，產生不大的勵磁電流If，此勵磁電流通過勵磁繞組會產生磁場，磁場的方向若與剩磁方向一致，則主磁通得以加強，使電樞端電壓進一步提高，端電壓的升高，又使勵磁電流增大，主磁通更加強，如此反復，最終使電樞端電壓建立。Page97并勵直流發(fā)電機Page98并勵直流發(fā)電機自勵條件①電機必須有剩磁，否則應利用其它直流電源對其充磁；②勵磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵磁電流產生的磁通方向與剩磁方向一致，否則應改變并勵繞組極性；③勵磁回路總電阻應小于該轉速下的臨界電阻。Page99并勵直流發(fā)電機2．外特性并勵直流發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，當發(fā)電機端電壓下降，勵磁電流減少，使磁通變弱，則電樞電動勢降低，從而使端電壓進一步下降它的外特性要比他勵直流發(fā)電機下垂。它的電壓變化率ΔU%約為（20~30）%。Page100【例1-3】一臺并勵直流發(fā)電機數(shù)據(jù)為PN=82kW，UN=230VnN=970r/min，電樞繞組總電阻Ra=0.0259Ω，并勵繞組內阻rf=22.8Ω，額定負載時，并勵回路串入的調節(jié)電阻RfΩ=3.5Ω，一對電刷壓降2ΔU=2V，pFe+pm=2.5kW，附加損耗pad=0.005PN，試求額定負載時，發(fā)電機的輸入功率、電磁功率、電磁轉矩和效率。Page101【例1-3】解：（1）求電磁功率勵磁電流為

額定負載電流為電樞電流為Page102【例1-3】電樞電動勢為電磁功率為（2）求輸入功率Page103【例1-3】（3）求電磁轉矩（4）求效率Page104直流電動機直流電動機是將輸入的直流電能轉變?yōu)闄C械能的電氣設備，即有：直流電能→機械能。Page105電動機慣例Page106電壓方程他勵時有：I=Ia；并勵時有：I=Ia+If。電樞回路電壓方程式為U=Ea+Ia·Ra其中反電動勢Ea=CeΦ·n，若為并勵時，還存在U=If（rf+Rfad）=If·Rf由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電動勢Ea上。Page107轉矩方程電動機空載時，軸上輸出轉矩T2=0，則有T=T0當負載轉矩為TL，軸上輸出有T2=TL，電動機勻速穩(wěn)定運行時有T=T2+T0

其中電磁轉矩為拖動性質轉矩，可用公式T=CTΦIa計算，（T2+T0）為總的阻轉矩，方向與T相反。Page108功率平衡關系他勵直流電動機輸入功率為P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra∴P1=Pem+pCua

式中電磁功率Pem的功率性質為電功率，pCua=Ia2Ra為電樞回路上的銅耗。

Page109功率平衡關系并勵直流電動機輸入功率為P1=UI=U（Ia+If）=UIa+UIf=（Ea+IaRa）Ia+UIf=EaIa+Ia2Ra+If2Rf∴P1=Pem+pCua+pCuf

式中pCuf=If2Rf為勵磁回路上的銅耗。Page110功率平衡關系在轉矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘以角速度Ω可得TΩ=T2Ω+T0Ω，則有Pem=P2+p0

也可表示為P2=Pem-p0式中電磁功率Pem的功率性質為機械功率，空載損耗為：p0=pFe+pm+padPage111功率流程圖Page112功率流程圖Page113【例1-4】已知一臺永磁直流電動機的電樞電阻Ra=1.03Ω當在50V直流電源供電下空載運行時，電機轉速為2100r/min，吸收電流是1.25A。試計算：（1）轉矩常數(shù)CT’（CT’=CTF）；（2）電動機的空載損耗p0；（3）當轉速為1700r/min以及電源電壓為48V時，電動機的輸出功率P2。Page114【例1-4】解：（1）求轉矩常數(shù)CT’感應電動勢為轉矩常數(shù)為（2）求空載損耗空載損耗為Page115【例1-4】（3）求輸出功率在轉速為1700r/min時，感應電動勢為電樞電流為電磁功率為輸出功率為Page116直流電動機的工作特性

直流電動機工作特性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件下，轉速n、轉矩T、效率h與輸出功率P2之間的關系曲線。實際運行中，電樞電流Ia是隨P2增大而增大，又便于測量，故也可把轉速n、轉矩T、效率h與電樞電流Ia之間的關系曲線稱為工作特性。Page117直流電動機的工作特性

轉速特性是指當U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，n=?(Ia)的關系。其表達式為若忽略電樞反應，電樞電阻又較小，轉速特性是一條略微向下傾斜的直線（實線所示）；考慮電樞反應的祛磁作用如虛線所示。Page118直流電動機的工作特性

轉矩特性是指當U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，T=?(Ia)的關系。根據(jù)轉矩公式T=CTΦIa，忽略電樞反應，轉矩特性是一條過原點的直線（實線所示）?？紤]電樞反應的祛磁作用，轉矩特性如圖1-36虛線所示。Page119直流電動機的工作特性效率特性是指當U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，h=?(Ia)的關系。根據(jù)效率的定義可得

式中總損耗為

其中空載損耗p0與負載電流變化無關，稱為不變損耗電樞銅耗pCua隨負載電流平方倍變化，又稱可變損耗Page120直流電動機的工作特性

當負載電流從零逐漸增大時，效率也隨之增大，當負載電流增大到一定程度，效率達最大之后隨負載電流的繼續(xù)增大，效率反而減小，如圖1-36所示。Page121直流電動機的工作特性如果令dh/dIa=0，可得：說明不變損耗等于可變損耗時，效率最高，效率特性的這個特點，對其他電機、變壓器也適用，具有普遍意義。Page122【例1-5】有一他勵直流電動機接在額定電壓為220V的電網(wǎng)上額定運行時，電動機的額定電樞電流Ia=15A，電樞回路總電阻Ra=0.7Ω，（1）求電動機額定運行時的反電動勢；（2）若因某種原因，使電網(wǎng)電壓下降至195V，但勵磁電流和負載轉矩均未發(fā)生變化，求在達到新平衡點后電動機的反電動勢。Page123【例1-5】解：（1）額定運行時的反電動勢（2）新平衡點時的反電動勢

Page124他勵直流電動機的機械特性

（1）固有機械特性

他勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0時，n=?(T)的機械特性，其數(shù)學表達式為式中b稱為斜率，ΔnN為額定負載時的轉速降。固有機械特性曲線如圖1-37所示。Page125他勵直流電動機的機械特性

他勵直流電動機固有機械特性是一條過理想空載點（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲線。當空載轉矩為T0時，實際空載轉速為n0’。Page126他勵直流電動機的機械特性（2）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算機械特性直流電動機的固有機械特性可通過實驗測得，也可根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算求得。由于固有機械特性是一條直線，一般通過求取兩個特殊點（理想空載點和額定工作點），再將這兩點連成直線便可得到固有機械特性。Page127他勵直流電動機的機械特性①求理想空載點（n0，0）計算理想空載轉速公式為式中Page128他勵直流電動機的機械特性電樞回路電阻Ra，可實測或根據(jù)經驗公式估算。一般直流電動機額定運行時的銅損約占總損耗的一半至三分之二，則Ra的估算式為

Page129他勵直流電動機的機械特性②求額定工作點（nN，TN）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)可得額定轉速nN，而計算電磁轉矩公式為

Page130【例1-6】一臺他勵直流電動機額定數(shù)據(jù)為PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，電樞回路電阻Ra=0.044Ω，試求：1）固有機械特性方程式；2）額定負載時的電樞電動勢和額定電磁轉矩；3）額定輸出轉矩和空載轉矩；4）理想空載轉速和實際空載轉速；5）電機額定運行，分別求電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時的轉速、電壓U=50V時的轉速和磁通F=75%FN時的轉速。Page131【例1-6】解：（1）求固有機械特性方程式∵∴（2）求電樞電動勢和電磁轉矩電樞電動勢為電磁轉矩為Page132【例1-6】（3）額定輸出轉矩和空載轉矩輸出轉矩為空載轉矩為（4）求理想空載轉矩和實際空載轉矩理想空載轉速為實際空載轉速為Page133【例1-6】（5）電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時的轉速（6）電壓U=50V時的轉速

（7）磁通F=75%FN時的轉速

Page134串勵直流電動機的機械特性

串勵直流電動機的特點是：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵磁電流If與電樞電流Ia相等，即If=Ia，氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，其接線圖如圖1-41所示。Page135串勵直流電動機的機械特性串勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓U=UN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，n=?(T)的關系曲線，其表達式為Page136串勵直流電動機的機械特性(1)當負載較小時負載較小，則T較小，這時磁路未飽和，氣隙主磁通Φ∝Ia，即Φ=k1Ia，故有式中為一常數(shù)，所以特性方程為式中C1、C2均為常數(shù)，特性方程表明：轉速n是隨著電磁轉矩T的增大而減小，是雙曲線關系。Page137串勵直流電動機的機械特性(2)當負載較大時負載較大，則T較大，這時磁路飽和，主磁通基本上為一常數(shù)，即Φ=k，特性方程為Page138串勵直流電動機的機械特性Page139分析由特性曲線可見，串勵直流電動機輕載時轉速很高，特性曲線與縱軸無交點，理想空載轉速為無窮大，故不允許空載運行，也不允許用于皮帶傳動的拖動系統(tǒng)中，因為皮帶的老化脫落，將會造成“飛車”。串勵直流電動機的特點是：電磁轉矩T與電樞電流Ia平方成正比，所以起動轉矩大，過載能力強，適合于拖動閘門、電車等負載。Page140【例1-7】某串勵直流電動機額定數(shù)據(jù)為：額定電壓UN=220V，額定電流IN=30A，額定轉速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.57Ω，在磁路不飽和的情況下，求電機運行在半載，即電樞電流Iaˊ=15A時，電動機的轉速和電磁轉矩。Page141【例1-7】解：串勵電動機的額定電樞電流為額定負載時反電動勢為

電樞電流Ia=15A時的磁通為

Page142【例1-7】此時的反電動勢為

電動機轉速為

電磁轉矩為

Page143復勵直流電動機的機械特性復勵直流電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組，當并勵與串勵繞組產生的磁動勢方向相同時，稱為積復勵；當并勵與串勵繞組產生的磁動勢方向相反時，稱為差復勵，差復勵在實際應用中很少。Page144復勵直流電動機的機械特性

積復勵在理想空載時，電樞電流為零，主磁通Φ0由并勵繞組產生，故存在理想空載轉速，為不會出現(xiàn)“飛車”危險；當負載增大時，電樞電流增大，總磁通隨之增大，使轉速比并勵下降更多，如圖所示。Page145直流電機的換向電機運行時，元件會隨電樞的運轉從一條之路經過電刷換到另一條之路，元件電流改變方向，這一過程稱為換向，換向也是直流電機特有的問題，換向的好壞，直接影響直流電機的運行性能。Page146直流電機的換向Page147直流電機的換向直線換向如果當換向元件中各種電動勢為零，被電刷短接的閉合回路就不會出現(xiàn)環(huán)流，元件中的電流大小由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定，電流隨時間均勻變化，即有：i=?(t)。把這種換向稱為直線換向，如圖1-45曲線1所示，直線換向是理想換向，電機不會出現(xiàn)火花。Page148直流電機的換向Page149直流電機的換向換向元件的感應電動勢實際電機換向時，換向元件中Σe≠0。換向元件中存在以下電動勢：（1）自感電動勢eL換向元件中電流變化時產生的自感電動勢，

Page150直流電機的換向（2）互感電動勢eM同時換向的幾個元件中相互產生的互感電動勢，。通常把自感電動勢eL與互感電動勢eM之和稱為電抗電動勢er，即：電抗電動勢總是阻礙換向元件中的電流變化的，er方向應與換向前元件的電流方向一致。Page151直流電機的換向（3）電樞反應電動勢ea換向元件處在幾何中性線上，主磁場在此區(qū)域磁通密度Φ0=0，但電樞磁密Φa≠0，在刷位正常時最大換向元件切割電樞磁場產生電樞反應電動勢ea，其方向與er相同，也是阻礙換向元件中的電流變化的。Page152直流電機的換向由于換向元件中的Σe=ea+er≠0，則在被電刷短接的閉合回路中就有環(huán)流ik產生，設閉合回路的總電阻為ΣR，環(huán)流為：

Page153直流電機的換向

環(huán)流的存在使換向元件在換向過程中電流不隨時間直線變化，電流的變化比直