華理電機(jī)第4章

本章主要討論直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、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、直流電機(jī)的機(jī)械特性、起動(dòng)、調(diào)速等方法。直流電機(jī)分為兩種：

直流電動(dòng)機(jī)（直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）直流發(fā)電機(jī)（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）最早的電源：電池，提供直流電能

第四章直流電機(jī)直流電機(jī)的缺點(diǎn)：換向困難；容量受限；換向器造價(jià)高；壽命短。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1、調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)；2、過(guò)載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)并可經(jīng)受頻繁的沖擊負(fù)載；3、易于控制，可靠性高；4、調(diào)速時(shí)的能量損失小。4.3直流電機(jī)的分類和主要系列4.1直流電機(jī)的工作原理4.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)4.1.1直流發(fā)電機(jī)工作原理4.1.2直流電動(dòng)機(jī)工作原理4.1.3

直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩4.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)4.4直流電動(dòng)機(jī)4.4.1直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性4.4.2直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)4.4.3直流電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系4.4.4直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)

4.5并勵(lì)發(fā)電機(jī)4.6.1并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)4.6.2并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性4.1.1直流發(fā)電機(jī)工作原理

右圖為直流發(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(guò)放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。4.1直流電機(jī)的工作原理F運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流用右手定則；通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力用左手定則。

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，如右圖。

可見，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)。

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)。F

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(lái)，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。4.1.2直流電動(dòng)機(jī)工作原理

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(guò)。如右圖。

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。

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?lè)较虻碾姶呸D(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?lè)较蛐D(zhuǎn)。

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?lè)较虻碾姶呸D(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?lè)较蛐D(zhuǎn)。

當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時(shí)

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)。一直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)4.1.3

直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生: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)。大小:性質(zhì):發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)(與電樞電流同方向);

電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)(與電樞電流反方向).)(電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中可見，直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。二直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過(guò)時(shí),在磁場(chǎng)內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:性質(zhì):發(fā)電機(jī)——制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)——驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)。可見，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中4.1.4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。

⒈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。

⒉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。

⒊額定電流IN：指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電源輸入電流值，以“A”為量綱單位。

⒋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。

⒌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。

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。PN＝UNIN

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，PN是指輸出的機(jī)械功率，所以公式中還應(yīng)有效率ηN存在。PN＝UNINηN4.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承主磁極電刷裝置機(jī)座端蓋換向極鐵心電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承端蓋磁軛勵(lì)磁繞組主磁極換向極繞組風(fēng)扇機(jī)座（磁軛）主磁極鐵心勵(lì)磁繞組極尖極弧換向極鐵心換向極繞組電樞鐵心轉(zhuǎn)軸電樞繞組氣隙極身極靴一直流電機(jī)的分類4.3

直流電機(jī)的分類和主要系列

（1）按工作性能：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)（2）按主磁極構(gòu)成材料不同：

永磁直流電機(jī)，永磁磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)電磁式直流電機(jī)，鐵芯和繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)。（3）電磁式直流電機(jī)一般按勵(lì)磁方式分類：它勵(lì)自勵(lì)：并勵(lì)，串勵(lì)，復(fù)勵(lì)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。二直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱為勵(lì)磁方式。分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類，自勵(lì)方式又分并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種方式。Ea2、并勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且兩者共用一端電壓。3、串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足EaEa4、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)。aIRfRfRf4.4直流電動(dòng)機(jī)4.4.1直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性定義：當(dāng)端電壓一定，主磁通不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即。Ea一、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性曲線特點(diǎn)：（1）該曲線在電源電壓、磁通為額定值，且電樞回路不串電阻時(shí)得到固有機(jī)械特性。（2）M=0時(shí)，n=n0為理想空載轉(zhuǎn)速。（3）M=MN時(shí)，n=nN為額定轉(zhuǎn)速。（4）從空載到額定負(fù)載轉(zhuǎn)速下降僅為額定轉(zhuǎn)速的5%~10%，表明機(jī)械特性較硬。例、一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定電壓UN=220v，電樞電流IaN=75A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.26歐姆，勵(lì)磁回路總電阻Rf=91歐姆，鐵損耗PFe=600w，機(jī)械損耗Pm=198w，求：

（1）電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩M2

（2）電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的效率。Ea例：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)UN=220V，PN=10KW，nN=1000r/min，

ηN=0.8，Ra=0.3歐姆，Rf=150歐姆。

求：(1)If,Ia,IN;

(2)Ea,MN;

(3)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降為額定轉(zhuǎn)矩的一半時(shí)的轉(zhuǎn)

速。

二、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性Ea上述方程反映了如圖所示的機(jī)械特性：（1）當(dāng)M開始增大時(shí)，n下降快速；當(dāng)M大于MN時(shí)，n下降緩慢，機(jī)械特性較軟。（2）當(dāng)M=0時(shí)，n為無(wú)窮大即理想空載轉(zhuǎn)速，所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載或輕載運(yùn)行。（3）適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的場(chǎng)合。三、幾種不同勵(lì)磁方式的機(jī)械特性它勵(lì)、并勵(lì)機(jī)械特性較硬，兩者較相似，適用于轉(zhuǎn)速變化較小的場(chǎng)合。串勵(lì)機(jī)械特性較軟，且不能空載運(yùn)行，適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的場(chǎng)合。復(fù)勵(lì)介于兩者中間，具有并勵(lì)和串勵(lì)的一些優(yōu)點(diǎn)。串勵(lì)復(fù)勵(lì)并勵(lì)它勵(lì)

所以

（1）電樞回路串電阻RΩ

（2）改變勵(lì)磁磁通

（3）改變電源電壓U4.4.2直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)

根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)速時(shí)必須的，直流電動(dòng)機(jī)比交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好。1．對(duì)調(diào)速性能的要求：

（1）調(diào)速范圍大，調(diào)速比

（2）調(diào)速平滑性

（3）經(jīng)濟(jì)性好

（4）方法簡(jiǎn)便可靠

2．調(diào)速方法因?yàn)?、改變Ra調(diào)速（以并勵(lì)為例）原機(jī)械特性:EaRTnMMNn0RT1RTRT2n1n2nnMMNn0RT1RTRT2n1n2n特點(diǎn)：1）在nN以下調(diào)速，n0不變（接入RT對(duì)n0沒(méi)有影響）2）機(jī)械特性較軟，穩(wěn)定性下降3）當(dāng)RT均勻變化時(shí)可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速4）方法簡(jiǎn)單，能耗大，經(jīng)濟(jì)性差5）在調(diào)速范圍不大、穩(wěn)定性要求不高的范圍使用。2、改變勵(lì)磁磁通調(diào)速（弱磁升速）以并勵(lì)為例EaRr1）通過(guò)串入電阻Rr改變If，進(jìn)而改變磁通。2）由于電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁電流時(shí)磁路接近飽

和，再增加磁通有困難，所以一般減小磁

通來(lái)調(diào)速，即弱磁升速通過(guò)勵(lì)磁繞組串入

電阻實(shí)現(xiàn)。3）理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比。磁通減小，n0上升。nMMNn0Φ減小1）調(diào)速只能在大于額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)

節(jié)。2）斜率變大，機(jī)械特性上移，但硬度

變化不大，因此穩(wěn)定性比較高。3）調(diào)速受換向器機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)熱等限

制調(diào)速范圍不大。4）可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，If較小控制方便，

能耗小。5）輸入功率增加的同時(shí)，電磁功率輸

出功率也增加因此效率并不降低。6）該方法也適合它勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)電

動(dòng)機(jī)。3、改變端電壓調(diào)速

改變端電壓調(diào)速是在保持磁通為額定值，且電樞電流不串電阻的條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)，以它勵(lì)為例。Ea專用直流電源nMMNn0nNUNU1U2減小特點(diǎn)：1）為安全運(yùn)行，一般采用降低端電壓，故轉(zhuǎn)速在低于額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2）曲線向下平移，端電壓下降，轉(zhuǎn)速下降。3）可實(shí)現(xiàn)均勻無(wú)級(jí)調(diào)速。4）調(diào)速范圍廣，機(jī)械特性硬度不變，穩(wěn)定性好。5）需用專用的調(diào)壓電源。4、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三種方法：1)電樞回路串聯(lián)電阻

2)改變U3)改變If與Ia的比值?改變?有兩種方法：a）電樞分流

b）串勵(lì)繞組分流R2K2K1R1a）電樞分流

b）串勵(lì)繞組分流K1閉合，K2打開，If>Ia,所以?>1,R1較大，R1中有功率損耗，較少采用，曲線1向曲線2變化，轉(zhuǎn)速下降。K1打開，K2閉合，If<Ia,所以?<1,R2較大，能耗損失較少，曲線1向曲線3變化，轉(zhuǎn)速增加。123nM串勵(lì)電機(jī)作牽引電機(jī)時(shí)常用的兩種調(diào)速方法作牽引時(shí)需要較大的牽引力，較低的速度（如起動(dòng)，爬坡時(shí)）方法1：串勵(lì)繞組串、并聯(lián)變速起動(dòng)時(shí)串聯(lián)，串入起動(dòng)電阻Rp，n減小，M增大。起動(dòng)后并聯(lián)，切除起動(dòng)電阻Rp，n增大，M減小。方法2：串聯(lián)繞組中間抽頭變速ABC起動(dòng)時(shí)A、B段輸入電源，Rf增加，n減小，M增大起動(dòng)后A、C端輸入電源，Rf減小，n增加，M減小4.4.3直流電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系Rf可忽略輸入功率電磁功率電樞回路總的銅損耗電磁功率輸出機(jī)械功率空載損耗鐵損機(jī)械損耗附加損耗

總損耗勵(lì)磁回路損耗銅損

4.4.4直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)

一、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

1、對(duì)起動(dòng)性能的要求：

Mst足夠大

Ist盡量?。ㄐ∮谠试S值）

2、起動(dòng)方法

直接起動(dòng)——直接將電樞投入U(xiǎn)N起動(dòng)操作簡(jiǎn)單，不需附加設(shè)備，但起動(dòng)電流大最大可達(dá)起動(dòng)電流的15~20倍，只適用于功率小于4kw，起動(dòng)電流為額定電流6~8倍的電動(dòng)機(jī)。

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)電阻Rst，能量消耗較大不適用于經(jīng)常起動(dòng)的大、中型直流電機(jī)。適用于中小型直流電機(jī)。例、已知一并勵(lì)電動(dòng)機(jī)PN=10kw，UN=220v，IN=53.8A，nN=1500r/min，Ra=0.3歐姆。Rf忽略。求①直接起動(dòng)時(shí)的電流；②若Ist<2IN電樞電路應(yīng)串多大的電阻？③在額定負(fù)載下，若在電樞中串0.7歐姆的電阻，轉(zhuǎn)速為多少？降壓起動(dòng)——起動(dòng)降低電樞繞組電壓U<UN

，能量消耗小，起動(dòng)平滑但需專用設(shè)備適用于經(jīng)常要求起動(dòng)的大、中型直流電機(jī)。4.5直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)方向由磁場(chǎng)方向和電樞電流方向決定。方法：改變勵(lì)磁繞組兩端接線——磁場(chǎng)方向改變電樞繞組兩端接線——電流方向例一臺(tái)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，UN=110V，Ra=0.1歐姆（忽略Rf）已知電動(dòng)機(jī)在某負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，電樞電流Ia=40A，n=1000r/min，現(xiàn)使負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加到4倍，問(wèn)電動(dòng)機(jī)電樞