第一章直流電動(dòng)機(jī)

學(xué)習(xí)目標(biāo):第一章直流電機(jī)掌握直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)。能分析直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的變化與各參數(shù)的關(guān)系。能分析電機(jī)的換向及改善換向方法。會(huì)利用直流電動(dòng)機(jī)的工作特性和機(jī)械特性分析實(shí)際問題。熟悉直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)方法。案例：國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車上常采用直流電機(jī)作為牽引電機(jī)和輔助壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)機(jī)車在牽引狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過輪對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)機(jī)車在電氣制動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生電制動(dòng)力，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。第一章直流電機(jī)第一節(jié)：直流電機(jī)的工作原理一、直流電機(jī)的基本工作原理直流電機(jī)分類:直流電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)（一）直流發(fā)電機(jī)的工作原理n右手定則判斷方向一、直流電機(jī)的基本工作原理（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理通過換向器和電刷將交流變?yōu)橹绷麟娨鲋霖?fù)載建立磁場(chǎng)導(dǎo)體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的感應(yīng)電勢(shì)繞組中的電動(dòng)勢(shì)交變.電刷兩端獲得直流電動(dòng)勢(shì)結(jié)論：

e=BXlv

（二）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理外部提供用左手定則判斷受力方向及形成的轉(zhuǎn)矩方向：f=BXli

通過電刷和換向器將直流變?yōu)樵慕涣麟娨氘a(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)建立磁場(chǎng)交流→直流過程？（二）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理二、電機(jī)的可逆原理任何一臺(tái)電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這一性質(zhì)稱為電機(jī)的可逆原理。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械能，而電樞繞組輸出電能，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能，則電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式由外施條件決定：第二節(jié)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部分:靜止部分:定子轉(zhuǎn)子中間有氣隙第二節(jié)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)小型直流電動(dòng)機(jī)的剖面結(jié)構(gòu)一、定子部分電磁方面：產(chǎn)生磁場(chǎng)和構(gòu)成磁路。機(jī)械方面：整個(gè)電機(jī)的支撐。作用:構(gòu)成:磁極機(jī)座換向極電刷裝置端蓋和軸承（一）主磁極產(chǎn)生恒定、有一定的空間分布形狀的氣隙磁通密度

勵(lì)磁繞組鐵心作用：（二）機(jī)座整體機(jī)座:起導(dǎo)磁和機(jī)械支撐作用疊片機(jī)座:只起機(jī)械支撐作用（三）換向極安裝在相鄰的兩主磁極之間，用螺釘固定在機(jī)座上，用來改善直流電機(jī)的換向，一般電機(jī)容量超過1kW時(shí)均應(yīng)安裝換向極。用整塊鋼制成，也可用厚1~1.5mm厚鋼板或硅鋼片疊成（四）電刷用石墨制成的導(dǎo)電塊（五）端蓋主要起支撐作用。端蓋固定在機(jī)座上，其上放置軸承支撐直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使直流電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)。二、轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其作用是感應(yīng)電勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換作用:構(gòu)成:電樞鐵心換向器電機(jī)轉(zhuǎn)軸電樞繞組軸承和風(fēng)扇（一）電樞鐵心作用：通過磁通和嵌放電樞繞組。材料：為減小當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐵心中的磁通方向發(fā)生變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片疊成，表面有絕緣層。

（二）換向器作用：實(shí)現(xiàn)電刷內(nèi)外交直流的轉(zhuǎn)換。材料：采用導(dǎo)電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成（三）轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。（四）電樞繞組用于產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和通過電流，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。線圈元件邊在槽內(nèi)的放置情況1．基本知識(shí)作用元件元件的首末端實(shí)槽和虛槽設(shè)電樞槽內(nèi)每層有μ個(gè)線圈單元邊，則把每一個(gè)實(shí)際的槽看作包含μ個(gè)虛槽。實(shí)槽與虛槽（四）電樞繞組Zμ=μ*Z

（四）電樞繞組元件數(shù)S和換向片數(shù)K：極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離稱為極距，用τ表示S=K=Zμ=μZ

疊繞組：串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件端接部分緊貼在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式進(jìn)行。（四）電樞繞組波繞組：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，像波浪似的前進(jìn)。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元件邊數(shù)稱為第一節(jié)距，第一節(jié)距用表示。（四）電樞繞組第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中的第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。第二節(jié)距用表示。合成節(jié)距：連至同一換向片上兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離，即第一個(gè)元件的上層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離或第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的下層邊間的距離。合成節(jié)距用y表示。（四）電樞繞組合成節(jié)距與第一節(jié)距、第二節(jié)距的關(guān)系為：?jiǎn)委B繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首、末端連接的換向片之間的距離。換向節(jié)距用表示（四）電樞繞組2．單疊繞組（四）電樞繞組（1）單疊繞組的節(jié)距計(jì)算?。悍Q為右行繞組，元件的連接順序?yàn)閺淖笙蛴疫M(jìn)行2．單疊繞組（四）電樞繞組（2）單疊繞組的展開圖元件外，展開圖中還包括主磁極、換向片及電刷以表示元件間、電刷與主磁極間的相對(duì)位置關(guān)系。在畫展開圖前應(yīng)根據(jù)所給定的電機(jī)極對(duì)數(shù)p、槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片K，算出各節(jié)距值，然后根據(jù)計(jì)算值畫出單疊繞組的展開圖。[例1]

已知一臺(tái)直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)p=2，Z=S=K=16,試畫出其右行單疊繞組展開圖[解]第一步：計(jì)算繞組的各節(jié)距第二步：畫元件，用實(shí)線代表上層元件，虛線代表下層元件，虛線靠近實(shí)線，實(shí)線根數(shù)等于元件數(shù)S，從左向右為實(shí)線編號(hào)，分別為1至16。第三步：放置主磁極。第四步：放置換向片。第五步：根據(jù)計(jì)算所的各節(jié)距值連接繞組第六步：放置電刷。單疊繞組元件連接順序（3）單疊繞組的元件連接順序及并聯(lián)支路圖單疊繞組的特點(diǎn)：①同一磁極下的元件串聯(lián)在一起組成一個(gè)支路，這樣有幾個(gè)主磁極就有幾條支路。②電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使支路感應(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電樞電流等于各并聯(lián)支路電流之和。單疊繞組并聯(lián)支路圖3．單波繞組（1）單波繞組的節(jié)距計(jì)算①第一節(jié)距計(jì)算單波繞組的第一節(jié)距的計(jì)算方法與單疊繞組的計(jì)算相同。②合成節(jié)距y和換向器節(jié)距計(jì)算選擇時(shí)，應(yīng)使串聯(lián)的元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同方向。③第二節(jié)距計(jì)算（2）單波繞組的展開圖[例2]已知主磁極極對(duì)數(shù)p=2，Z=S=K=15，繪制單波左行繞組展開圖。[解]首先計(jì)算各節(jié)距單波繞組的展開圖（3）單波繞組的連接次序及并聯(lián)支路圖單波繞組的連接次序表單波繞組的并聯(lián)支路①同極性下的各元件串聯(lián)起來組成一個(gè)支路，支路對(duì)數(shù)a=1，與磁極對(duì)數(shù)p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（即正、負(fù)電刷間電動(dòng)勢(shì)最大）。③電刷桿數(shù)也應(yīng)等于極數(shù)（采用全額電刷）。④電刷電動(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電流之和。單波繞組的特點(diǎn)：主極極靴和電樞間的間隙稱為空氣隙。三、空氣隙氣隙既保證了電機(jī)的安全運(yùn)行，又是磁路的重要組成部分。由于空氣磁阻遠(yuǎn)大于鐵磁物質(zhì)的磁阻，而電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換是依靠氣隙磁通為媒介進(jìn)行的，所以氣隙的大小和形狀對(duì)電機(jī)的性能有很大影響。直流電機(jī)的氣隙是不均勻的。極靴中部氣隙較小，兩側(cè)氣隙逐漸擴(kuò)大，極尖處氣隙最大。小型電機(jī)氣隙約為1~3mm；大型電機(jī)氣隙可達(dá)10~12mm

。作用:第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌電機(jī)型號(hào)銘牌數(shù)據(jù)主要包括：電機(jī)額定功率電機(jī)額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速額定勵(lì)磁電流勵(lì)磁方式出廠數(shù)據(jù)如出廠編號(hào)、出廠日期等Z2—92一般用途直流電機(jī)設(shè)計(jì)序號(hào),第二次改型設(shè)計(jì)機(jī)座序號(hào)電樞鐵心長(zhǎng)度序號(hào)第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌Z系列：一般用途直流電動(dòng)機(jī)（如Z2，Z3，Z4等系列）；ZJ系列：精密機(jī)床用直流電動(dòng)機(jī)；ZT系列：廣調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)；ZQ系列：直流牽引電動(dòng)機(jī)；ZH系列：船用直流電動(dòng)機(jī)；ZA系列：防爆安全型直流電動(dòng)機(jī)；ZKJ系列：挖掘機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)；ZZJ系列：冶金起重機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)；第一部分字符的含義如下：第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌1．額定功率PN

2．額定電壓UN和接法額定條件下電機(jī)所能供給的功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)額定功率是指電動(dòng)機(jī)軸上輸出的最大機(jī)械功率；對(duì)于發(fā)電機(jī)是指電刷間輸出的最大電功率。額定功率的單位為kW額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，定子繞組應(yīng)加的線電壓，單位為V第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌3.額定電流IN指電機(jī)在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值。額定電流的單位為A額定功率、額定電壓和額定電流的關(guān)系為：發(fā)電機(jī)PN=UNIN

×10?3kW

電動(dòng)機(jī)PN=UNIN

N×10?3

kW第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌4.額定轉(zhuǎn)速nN：對(duì)應(yīng)于額定電流，額定電壓，電機(jī)運(yùn)行于額定功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。額定功率的單位為r/min。5.額定勵(lì)磁電流IfN

：對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流。額定勵(lì)磁電流的單位為A6.勵(lì)磁方式

：直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與其電樞線圈的連接方式。根據(jù)電樞線圈與勵(lì)磁線圈的連接方式不同，直流電機(jī)勵(lì)磁有并勵(lì)、串勵(lì)、他勵(lì)、復(fù)勵(lì)等方式第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌電機(jī)的電流正好等于額定值。長(zhǎng)期過載運(yùn)行將使電機(jī)過熱，降低電機(jī)壽命甚至損壞

電機(jī)的電流超過額定值電機(jī)的電流比額定值小得多。長(zhǎng)期輕載運(yùn)行使電機(jī)的容量不能充分利用在選擇電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡可能使電機(jī)運(yùn)行在額定值附近滿載運(yùn)行:過載運(yùn)行:輕載運(yùn)行:第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌第四節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩和功率一、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式和磁場(chǎng)（一）勵(lì)磁方式1．他勵(lì)電機(jī)分別由兩個(gè)不同的電源供電。電壓可以相同，也可以不同2．并勵(lì)電機(jī)由同一電源供電。勵(lì)磁電流一般為額定電流的5%3．串勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁電流與電樞電流相同，數(shù)值較大，因此，串勵(lì)繞組匝數(shù)很少，導(dǎo)線較粗。串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)具有很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但其機(jī)械特性很軟，且空載時(shí)有極高的轉(zhuǎn)速，串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)不準(zhǔn)空載或輕載運(yùn)行。串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)常用于要求很大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩且轉(zhuǎn)速允許有較大變化的負(fù)載等4．復(fù)勵(lì)電機(jī)串勵(lì)繞組和他勵(lì)（或并勵(lì)）繞組的磁勢(shì)方向相同。積復(fù)勵(lì)：串勵(lì)繞組和他勵(lì)（或并勵(lì)）繞組的磁勢(shì)方向相反。差復(fù)勵(lì)：繞組名稱電樞繞組換向極繞組補(bǔ)償繞組串勵(lì)繞組并勵(lì)繞組他勵(lì)繞組線端名稱A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2直流電機(jī)各繞組線端的符號(hào)（二）空載時(shí)直流電機(jī)中的磁場(chǎng)直流電機(jī)空載時(shí)，電樞電流為零，只有勵(lì)磁繞組中存在電流。因此，空載時(shí)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)完全由勵(lì)磁繞組的電流所產(chǎn)生。（三）電樞磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)：電樞繞組通過電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)沿電樞表面的分布情況，與電樞電流的分布情況有關(guān)。在直流電機(jī)中，電樞電流的分界線是電刷，在電刷軸線兩側(cè)對(duì)稱分布，所以電樞磁場(chǎng)的分布情況與電刷的位置有關(guān)（四）電樞反應(yīng)直流電機(jī)帶上負(fù)載運(yùn)行后，電樞里有電流流過，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)，電樞磁場(chǎng)的出現(xiàn)有可能對(duì)主極磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，這種影響稱為電樞反應(yīng)

二、直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)電樞電動(dòng)勢(shì)是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是每個(gè)支路里的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，電機(jī)做好后僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)：N為電樞導(dǎo)體總數(shù)三、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流和氣隙磁通成正比四、直流電機(jī)的功率（一）電機(jī)的損耗1．銅耗PCu是電樞繞組、勵(lì)磁繞組、換向極繞組、補(bǔ)償繞組的銅耗和電刷與換向器接觸電阻產(chǎn)生的損耗。銅耗的大小與電流、繞組電阻及電刷的接觸電阻有關(guān).銅耗將引起繞組及換向器發(fā)熱.隨著電機(jī)的負(fù)載變化，稱為可變損耗2．機(jī)械損耗Pmec電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分以及周圍空氣摩擦所引起的損耗，主要有軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗和電樞與周圍空氣的摩擦損耗等，其大小和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。機(jī)械損耗將引起軸承和換向器發(fā)熱。

3．鐵耗PFe

交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗（一）電機(jī)的損耗空載損耗P0

：（一）電機(jī)的損耗P0=PFe+Pad空載損耗P0與電機(jī)的負(fù)載無關(guān)，也稱不變損耗4．附加損耗Pad附加損耗很難精確計(jì)算，一般估計(jì)為電機(jī)輸出功率的（0.5~1）%，即Pad=（0.5~1）%P2

電機(jī)的總損耗P：P=PCu+PFe+Pad+Ps=PCu+P0

（二）電磁功率電磁功率Pem

：通過電磁作用傳遞的功率發(fā)電機(jī)：Pem=P1?P0

P2=Pem?Pcu=UI

電動(dòng)機(jī)：Pem=P1?PCu

P2=Pem?P0=T2

（三）功率平衡方程式五、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程電動(dòng)機(jī)參考方向慣例E=CeΦnU=Ea+RaIa

T=CTΦIa

T=T2+T0

=P2+ΣP六、直流電機(jī)的換向直流電機(jī)電樞繞組中一個(gè)元件經(jīng)過電刷從一個(gè)支路轉(zhuǎn)換到另一個(gè)支路時(shí)，電流方向改變的過程為換向。當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，元件中的電流經(jīng)過電刷時(shí)，電流方向會(huì)發(fā)生變化。換向不良會(huì)產(chǎn)生電火花或環(huán)火，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電刷，導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行，甚至引起事故。（一）換向概述一個(gè)元件從一個(gè)支路換到另一個(gè)支路時(shí)要經(jīng)過電刷。元件里的電流必然改變方向（二）換向的電磁理論是換向元件的合成電動(dòng)勢(shì)根據(jù)合成電動(dòng)勢(shì)的取值情況，換向可分為直線換向、延遲換向或超越換向1．直線換向忽略元件電阻R和元件與換向片或超越換向片間的連線電阻，則回路方程可簡(jiǎn)化為：

S1\S2是電刷與換向片1、2的接觸面積，Rb是換向片與電刷完全接觸時(shí)的接觸電阻Lb是電刷軸向長(zhǎng)度，vk為換向器線速度，

TK是換向周期根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律:1．直線換向換向電流變化曲線2．延遲換向由于換向元件為線圈，且換向過程中線圈中的電流是變化的，因此線圈中存在自感電動(dòng)勢(shì)；為了保證換向可靠，實(shí)際的電刷的寬度比換向片的寬度要大得多，在換向過程中有多個(gè)元件同時(shí)換向，因此線圈中存在互感電動(dòng)勢(shì)。通常將自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)合起來，稱為電抗電動(dòng)勢(shì)，用er表示L為換向元件的自感系數(shù)；M為換向元件的互感系數(shù)在換向元件中還有切割電動(dòng)勢(shì)ea切割電動(dòng)勢(shì)存在同樣使換向電流變化延緩。因此線圈中合成電動(dòng)勢(shì)（電抗電動(dòng)勢(shì)和切割電動(dòng)勢(shì)之和）的存在使換向電流變化不再是線性的，出現(xiàn)了電流延遲現(xiàn)象的換向稱為延遲換向.2．延遲換向er+ea在換向元件中產(chǎn)生的電流稱為附加換向電流

3．超越換向換向極的磁場(chǎng)較強(qiáng)，ek抵消er后有剩余，剩余電勢(shì)產(chǎn)生的ik改變了方向（ik<0）。當(dāng)i=0時(shí)，t

TK/2，電流改變方向的時(shí)刻比直線換向時(shí)提前，故稱為超越換向，又叫過補(bǔ)償換向。此時(shí)前刷邊電流密度增大，后刷邊電流密度減小，這種情況同樣對(duì)換向是不利的（三）改善換向的方法目的:

消除或削弱電刷下的火花1．選用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻2．裝設(shè)換向極裝設(shè)在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上1.在換向元件處產(chǎn)生一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)，把電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)抵消掉，使得切割電動(dòng)勢(shì)ea=0；2.產(chǎn)生一個(gè)氣隙磁通密度，換向元件切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)去抵消電抗電動(dòng)勢(shì)（三）改善換向的方法環(huán)火現(xiàn)象即正負(fù)電刷間出現(xiàn)電弧,可以很短的時(shí)間內(nèi)損壞電機(jī)防止環(huán)火出現(xiàn)的辦法在主磁極上安裝補(bǔ)償繞組，從而抵消電樞反應(yīng)的影響。補(bǔ)償繞組裝在主磁極極靴里。補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，它產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)恰恰能抵消電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)（三）改善換向的方法第五節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性與機(jī)械特性一、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性額定電壓UN，額定勵(lì)磁電流UfN時(shí)：（一）他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1．轉(zhuǎn)速特性忽略電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)2．轉(zhuǎn)矩特性考慮電樞反應(yīng)使主磁通略有下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流的上升的速度要慢一些，曲線的斜率略有下降3．效率特性存在最大點(diǎn)（二）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1.負(fù)載電流較小時(shí)、電機(jī)的磁路沒有飽和，每極氣隙磁通與勵(lì)磁電流呈線性變化關(guān)系串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性可寫為n與Ia成反比，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不可以空載或在輕載下啟動(dòng)、運(yùn)行.轉(zhuǎn)矩特性2.負(fù)載電流較大時(shí)，磁路已經(jīng)飽和，磁通基本不隨負(fù)載電流變化，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流的平方成正比二、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1．機(jī)械特性的表達(dá)式機(jī)械特性：U=UN、If＝IfN、電樞回路電阻為恒值的條件下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n=f(Tem)（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1．機(jī)械特性的表達(dá)式理想空載轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的斜率轉(zhuǎn)速降理想空載轉(zhuǎn)速實(shí)際空載轉(zhuǎn)速斜率β越小，特性越平，稱為硬特性。反之稱為軟特性（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1．機(jī)械特性的表達(dá)式（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2．固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性固有（自然）機(jī)械特性：電樞電壓、勵(lì)磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時(shí)的機(jī)械特性。因?yàn)殡姌须娮鑂a很小，特性斜率很小，通常額定轉(zhuǎn)速降nN只有額定轉(zhuǎn)速的百分之幾到百分之十幾，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是硬特性.（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2．固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性：①電樞串電阻時(shí)的人為特性斜率增加（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2．固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性：②降低電樞電壓時(shí)的人為特性改變電壓時(shí)，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化特點(diǎn)：人為特性的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電壓的降低而正比減?。ㄒ唬┧麆?lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2．固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性：③減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性只能在額定值以下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)際運(yùn)行條件下，電機(jī)工作在磁通越小，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越高的區(qū)域。3．機(jī)械特性的求取通常根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)：PN、UN、IN、nN計(jì)算或通過實(shí)驗(yàn)來求取機(jī)械特性。（1）固有機(jī)械特性的求取:他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性為一條直線，所以只要求出直線上任意兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可以畫出這條直線。一般計(jì)算理想空載點(diǎn)（Tem=0，n=n0）和額定運(yùn)行點(diǎn)（Tem=TN，n=nN）數(shù)據(jù)。①估算Ra:電樞電阻R可用實(shí)測(cè)方法求得，也可用下式進(jìn)行估算②計(jì)算CeφN、CTφN③計(jì)算理想空載點(diǎn)數(shù)據(jù)④計(jì)算額定工作點(diǎn)數(shù)據(jù)（2）人為機(jī)械特性的求取:在固有特性方程式n=n0－βTem（n0、β為已知）基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性對(duì)應(yīng)的參數(shù)（U、Ra或φ）變化，重新計(jì)算n和β值后，便可求得人為特性方程式。若要畫出人為特性，還需算出某一負(fù)載點(diǎn)數(shù)據(jù)，如點(diǎn)（TN,n），然后連接（0，n0）和（TN,n）兩點(diǎn)，便得到人為特性曲線。[例1-3]

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，試分別求取下列機(jī)械特性方程式并繪制其特性曲線:（1）固有機(jī)械特性；（2）電樞串入電阻Rs=0.7Ω時(shí)的人為特性；（3）電源電壓降至110V時(shí)的人為特性；（4）磁通減弱至?xí)r的人為特性；（5）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)以n=1000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，試問有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數(shù)。[解]（1）固有機(jī)械特性固有特性為:理想空載點(diǎn)數(shù)據(jù)為額定工作點(diǎn)數(shù)據(jù)為連接這兩點(diǎn)，得出固有特性曲線：（2）電樞回路串入Rs=0.7Ω電阻時(shí)不變，β增大為人為特性為時(shí)，有（3）電源電壓降為110V時(shí)，β=1.04不變，n0變?yōu)?人為特性為：n=827?1.04Tem當(dāng)Tem=TN時(shí)，有n=（2481?2.33*147.3)r/min=2138r/min(5)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定值，轉(zhuǎn)速下降至n=1000r/min時(shí)，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電樞串入RS時(shí)，β變化。將n=1000r/min、TN=147.3N.m代入機(jī)械特性：1000=1654?β///147.3得:β///=4.44應(yīng)串入的電阻值為RS=9.55（）2β///?Ra=(9.550.1332*4.44?0.175)=0.575]當(dāng)電源電壓下降時(shí)，由下式解得電壓應(yīng)降至U=153.4V（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1．固有特性當(dāng)Ia較小，磁路未飽和時(shí)，Φ與Ia成正比即：Φ=kIa

電磁轉(zhuǎn)矩Tem與Ia的平方成正比，即：Tem=CTΦIa=CTkI2a直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式為：當(dāng)磁路不飽和時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與成反比，其機(jī)械特性為非線性軟特性。從上式可得：U=UN，RS=0時(shí)得固有特性磁路不飽和時(shí)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：R=Ra+Rf+Rs為電樞回路總電阻，Rs為電樞回路串聯(lián)電阻特點(diǎn)：（1）它是一條非線性的軟特性，負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落很大。（2）空載時(shí)，Tem=0，Ia=0，Φ=0，n0→∞，即理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大。但實(shí)際上，即使Ia=0，由于存在剩磁通Φ0，故空載轉(zhuǎn)速n0為一有限值，但其值很高，一般可達(dá)（5~6）nN，稱為“飛車”現(xiàn)象，因此，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載或輕載起動(dòng)或運(yùn)行。（3）由于Tem∝Ia2，起動(dòng)和過載時(shí)Ia均較大，故串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。2．人為特性電樞串電阻、改變電源電壓和改變磁通時(shí)的機(jī)械特性曲線。（1）電樞串電阻時(shí)的人為特性串入電阻后，轉(zhuǎn)速降增大，人為特性位于固有特性的下方，且特性變得更軟。（2）降低電源電壓時(shí)的人為特性降低電源電壓時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速降低，其人為特性向下平移。（3）改變磁通時(shí)的人為特性方法：在勵(lì)磁繞組上并聯(lián)一個(gè)分流電阻RP

人為特性位于固有特性的上方第六節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動(dòng)一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動(dòng)（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)起動(dòng)：電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Tst=CTφIst

如果他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定電壓下直接起動(dòng)，由于起動(dòng)瞬間n=0，Ea=0，故起動(dòng)電流為：電樞電阻Ra很小，所以，直接起動(dòng)電流將達(dá)到很大的數(shù)值，通?？蛇_(dá)到（10～20）IN

后果：引起電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)上其他用戶使電動(dòng)機(jī)的換向嚴(yán)重惡化，甚至?xí)龎碾妱?dòng)機(jī)過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會(huì)損壞電樞繞組和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)除了個(gè)別容量很小的電動(dòng)機(jī)外，一般直流電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)。（1）要有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（2）起動(dòng)電流要限制在一定的范圍內(nèi)。（3）起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單、可靠。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)的要求：限制起動(dòng)電流的方法：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：電樞回路串電阻起動(dòng)降低電樞電壓起動(dòng)起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的磁通為最大值，以使轉(zhuǎn)矩較大1．電樞回路串電阻起動(dòng)起動(dòng)前，應(yīng)使勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻Rst=0，對(duì)于普通直流電動(dòng)機(jī)，一般要求

Ist≤（1.5～2）IN

為了縮短起動(dòng)時(shí)間，保持電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的加速不變，應(yīng)將起動(dòng)電阻平滑地切除，最后使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到運(yùn)行值。采用三級(jí)電阻起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電路原理圖及其機(jī)械特性起動(dòng)點(diǎn)，Ist和Tst都為最大值轉(zhuǎn)速逐步上升串入全部電阻逐級(jí)切除電阻運(yùn)定運(yùn)行點(diǎn)2．降壓起動(dòng)當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時(shí)，可以采用降壓方法起動(dòng)。降低U起動(dòng)n↑，Ea↑Ia↓逐漸提高電源電壓，保證起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上。特點(diǎn)：需要專用電源，設(shè)備投資較大起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)過程中能量損耗小（二）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速：機(jī)械調(diào)速:電氣調(diào)速:改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比改變電動(dòng)機(jī)參數(shù),人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而使負(fù)載工作點(diǎn)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速隨之變化。由得調(diào)速方法：改變電壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻1．評(píng)價(jià)調(diào)速的指標(biāo)（1）調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下可能運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示:受電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、換向條件、電壓等級(jí)等方面的限制受到低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性的限制（2）靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性）負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對(duì)穩(wěn)定性好不同機(jī)械特性的靜差率靜差率與調(diào)速范圍兩個(gè)指標(biāo)是相互制約,電動(dòng)機(jī)的范圍D與最低轉(zhuǎn)速是的靜差率關(guān)系:最低轉(zhuǎn)速機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速降最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率（3）調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多，即調(diào)速越平滑，相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)：φ→1，則平滑性好，當(dāng)φ=1時(shí)，稱為無級(jí)調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時(shí)，級(jí)數(shù)有限，稱為有級(jí)調(diào)速。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運(yùn)行效率及維修費(fèi)用等。2．調(diào)速方法（1）電樞回路串電阻調(diào)速設(shè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載原運(yùn)行于A點(diǎn)，串電阻后對(duì)應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)為B，C點(diǎn)。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)電樞串電阻調(diào)速過程缺點(diǎn)：（1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差。（2）低速是特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性差。（3）輕載時(shí)調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍一般為D≤2。（4）如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，則調(diào)速后輸出功率（P2∝TLn）隨轉(zhuǎn)速的下降而減小，此時(shí)效率較低。而且轉(zhuǎn)速越低，所串電阻越大，損耗越大，效率越低，所以這種調(diào)速方法是不太經(jīng)濟(jì)的。電樞串電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；（2）降低電源電壓調(diào)速電壓越低，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速也越低電壓從UN下降至U1再降至U2,轉(zhuǎn)速?gòu)膎N降至n1再降至n2。降壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：（1）電源電壓能夠平衡調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；（2）調(diào)速前后機(jī)械特性的斜率不變，硬度較高，負(fù)載變化時(shí)，速度穩(wěn)定性好；（3）無論輕載還是重載，調(diào)速范圍相同，一般可達(dá)D=2.5～12；（4）電能損耗較小。降壓調(diào)速的直流電源：G—M系統(tǒng)示意圖

SCR—M系統(tǒng)示意圖（3）減弱磁通調(diào)速改變磁通只能從額定值往下調(diào)，調(diào)節(jié)磁通調(diào)速即是弱磁調(diào)速。減弱磁通調(diào)速Φ2<Φ1<ΦN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)弱磁通調(diào)速過程由于在電流較小的勵(lì)磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡(jiǎn)單，而且調(diào)速平滑性好。雖然弱磁升速后電樞電流增大，電動(dòng)機(jī)的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動(dòng)機(jī)的效率基本不變，因此弱磁調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性比較好.機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟；轉(zhuǎn)速的升高受到電機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，因此升速范圍不可能很大，一般D≤2。弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：弱磁調(diào)速的缺點(diǎn)：[例1]

一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為UN=220V，IN=41.1A，nN=1500r/min，Ra=0.4Ω，保持額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，求：（1）電樞回路串入1.65Ω電阻后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；（2）電源電壓降為110V時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；（3）磁通減弱為90%ΦN時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。[解]（1）因?yàn)樨?fù)載轉(zhuǎn)矩不變，且磁通不變，所以Ia不變。（2）

與（1）相同，Ia=IN不變（3）因?yàn)樗裕ㄈ┧麆?lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方法：改變?chǔ)档姆较蚋淖僆a的方向（四）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電動(dòng)狀態(tài)：Tem與n方向相同制動(dòng)狀態(tài)：Tem與n方向相反電動(dòng)機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài)：回饋制動(dòng)制動(dòng)：能耗制動(dòng)反接制動(dòng)1．能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)與電源連接；制動(dòng)時(shí)連接電阻RB制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n方向相反制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械慣性力的拖動(dòng)而發(fā)電，將生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速為零斜率原運(yùn)行于A點(diǎn)制動(dòng)時(shí)，對(duì)于反抗性負(fù)載將經(jīng)B點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)停下來。對(duì)位能性負(fù)載將達(dá)到C點(diǎn)。減小制動(dòng)電阻，可以增大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，縮短制動(dòng)時(shí)間，提高工作效率。但制動(dòng)電阻太小，將會(huì)造成制動(dòng)電流過大，通常限制最大制動(dòng)電流不超過2～2.5倍的額定電流。制動(dòng)電阻的選?。耗芎闹苿?dòng)操作簡(jiǎn)單，但n小時(shí)，制動(dòng)弱?？稍谵D(zhuǎn)速較小時(shí)，切除一部分制動(dòng)電阻，使制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，從而加強(qiáng)制動(dòng)作用。[例2]

一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為PN=10kW，UN=220V，IN=53A,nN=1000r/min，Ra=0.3Ω，電樞電流最大允許值為2IN。（1）電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下進(jìn)行能耗制動(dòng)，求電樞回路應(yīng)串接的制動(dòng)電阻值。（2）用此電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)起重機(jī)，在能耗制動(dòng)狀態(tài)下以300r/min的轉(zhuǎn)速下放重物，電樞電流為額定值，求電樞回路應(yīng)串入多大的制動(dòng)電阻？Ea=UN?RaIN=(220?0.353)V=204.1（V）[解]（1）制動(dòng)前電樞電動(dòng)勢(shì)為應(yīng)串入的制動(dòng)電阻值為：（2）因?yàn)閯?lì)磁保持不變，則下放重物時(shí)，轉(zhuǎn)速為n=?300r/min，由能耗制動(dòng)的機(jī)械特性2．反接制動(dòng)（1）電壓反接制動(dòng)IaB產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩TemB，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動(dòng)作用。為了限制過