電機(jī)學(xué)6直流電動機(jī)

第16章直流電機(jī)直流電機(jī)用途和基本工作原理和結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的額定值§16—1直流電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)基本工作原理直流電機(jī)的用途：視頻固定部分有磁鐵，這里稱作主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。左圖表示一臺最簡單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。直流發(fā)電機(jī)（1）線圈中的電動勢和電流都是交流電，通過換向片及電刷作用產(chǎn)生的直流電動勢及直流電流。（2）感應(yīng)電動勢和電流的方向始終一致。（3）電磁電流產(chǎn)生的磁場在空間上是一個恒定不變的磁場。（4）電磁力制動性質(zhì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，原動機(jī)必須輸入機(jī)械功率克服電磁力矩制動作用使轉(zhuǎn)子恒速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。直流電動機(jī)（1）將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流（交流）流過。換向片和電刷起逆變作用。（2）從空間上看，電樞電流產(chǎn)生的磁場是一個恒定磁場。（3）電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞導(dǎo)體切割磁力線也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢與電樞電流方向相反。（4）直流電動機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致，是驅(qū)動性質(zhì)。歸納：（1）所有的直流電機(jī)的電樞繞組總是自成閉路。（2）電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠(yuǎn)是成對出現(xiàn)，這是由于磁極數(shù)(2p)是一個偶數(shù).注：a－支路對數(shù)

；p－極對數(shù)（3）為了得到最大的直流電勢，電刷總是與位于幾何中線上的導(dǎo)體相接觸。（4）每根電樞導(dǎo)體的電勢性質(zhì)是交流電，而經(jīng)電刷引出的電勢為直流電勢。16-2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)二、直流電動機(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。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

在磁場作用下，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。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的組成

鐵心

主磁極：建立主磁場機(jī)座：構(gòu)成磁路、支撐勵磁繞組定子電刷：整流和逆變的作用鐵心換向極：改善直流電機(jī)的換向

端蓋：構(gòu)成磁路、防護(hù)換向極繞組

電樞鐵心：主磁路的組成部分又是電樞繞組支撐部分

轉(zhuǎn)子電樞繞組：產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換換向器：整流（發(fā)電機(jī)）、逆變（電動機(jī)）每部分都由電磁和機(jī)械部分組成，以滿足電磁作用的條件。16-3直流電機(jī)的額定值

在額定狀態(tài)下運(yùn)行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作額定功率PN：指電機(jī)在規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時電機(jī)的功率。直流發(fā)電機(jī)：PN是指從發(fā)電機(jī)引出端輸出的電功率PN＝UNIN

；直流電動機(jī)：PN是指從它的轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率PN＝UNINηN額定電壓UN：指額定狀態(tài)下電機(jī)出線端的電壓。額定電流IN：指額定狀態(tài)下電機(jī)出線端的電流。額定轉(zhuǎn)速nN：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位r/min。額定勵磁電流If：指電機(jī)在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。當(dāng)實(shí)際電流大于額定電流時，稱為過載或超載，長期會影響壽命（過熱）；當(dāng)實(shí)際電流小于額定電流時，稱為欠載或輕載，容量不能充分利用，會降低效率；當(dāng)實(shí)際電流等于額定電流時，稱為滿載運(yùn)行。又叫額定負(fù)載狀態(tài)長期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長期過載運(yùn)行會縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。額定條件下電機(jī)所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機(jī)指軸上輸出的機(jī)械功率電動機(jī)發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時對應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速.對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。第17章直流電機(jī)的運(yùn)行原理17.1直流電機(jī)的電樞繞組17.2直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)17.3直流電機(jī)的換向17.4電樞繞組的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩17.5直流電機(jī)的基本方程式§17—1直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)的電路部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞鈕。直流電機(jī)的電樞繞組分為五種形式單疊繞組、復(fù)疊繞組、單波繞組、復(fù)波繞組、蛙形繞組?；拘g(shù)語：繞組元件：指兩端分別與兩片換向片接觸的單匝或多匝線圈。電樞繞組：由許多結(jié)構(gòu)相同的繞組元件構(gòu)成的。元件邊：在電樞槽中，能與磁場作用產(chǎn)生電動勢或轉(zhuǎn)矩的有效邊是指線圈的直線部分。端部（端接）：端部是指線圈非接觸電樞鐵心的那個部分。上、下層邊：從工藝上考慮，一個線圈在嵌線時必須使一個有效邊在下層邊，另一個有效邊必須在上層邊。槽數(shù)Z=元件數(shù)S=換向片數(shù)K極距：相鄰兩個主磁極軸線之間的距離。用槽數(shù)表示p為主磁極極對數(shù)

基本術(shù)語：第一節(jié)矩y1:元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離稱為第一節(jié)矩。用槽數(shù)來表示。所以y1是一個整數(shù)。當(dāng)y1=τ，為整矩繞組，當(dāng)y1<τ為短矩繞組。因?yàn)槎叹乩@組有利于換向，尚能節(jié)省部分端部用銅，故常被采用。ε為小于1的分?jǐn)?shù)。第二節(jié)矩y2:在相串連的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離，稱為第二節(jié)矩y2，用槽數(shù)表示。合成節(jié)矩y：相串連的兩個元件的對應(yīng)邊在電樞表面所跨的距離，稱為合成節(jié)矩y。用槽數(shù)表示。換向器節(jié)矩yk:每個元件的首末兩端所連接的兩片換向片在換向器表面上的距離，用換向片數(shù)表示。注：換向器的節(jié)距總是等于合成節(jié)矩。y=yk

單波繞組單疊繞組單疊繞組單疊繞組：相鄰聯(lián)接的兩個元件互相交錯地重疊。多個相鄰元件依次串聯(lián)，同時每個元件的引線端依次焊接到相鄰的換向片上最后形成閉合回路。整個繞組成折疊式前進(jìn)y=yk=1時繞組向右移動；y=yk=-1時繞組向左移動；（用銅量較多，很少采用）換向片數(shù)=元件數(shù)=單迭繞組的槽數(shù)電樞繞組的特點(diǎn)第一節(jié)距全部元件通過換向器連接成一個閉合回路，由于沿回路中各元件的電動勢之和為零，所以不會產(chǎn)生環(huán)流電樞繞組為雙層繞組，S=K=Z直流電機(jī)的電刷數(shù)目等于主磁極數(shù)2P。安放電刷的原則：幾何中性線上單疊繞組：y=yk=1,且并聯(lián)支路數(shù)a=P單波繞組：y=yk=（k-1）/p為整數(shù),a=1

一臺4極16槽直流電機(jī)，換向片數(shù)K=16；元件數(shù)S=16；試畫出整距右行單疊繞組展開圖。畫出均勻分布的平行豎線代表電機(jī)各槽，槽數(shù)等于平行線數(shù)，每個槽有一條實(shí)線和一條虛線，分別表示上層邊和下層邊。標(biāo)出元件：畫出第一個元件，跨從1~5。展開圖中可以把一個元件畫成一匝。第一個元件的引出線端畫出換向器的兩根橫平行線，并標(biāo)換向片號；換向片編號與上層邊槽號及元件號相同。依次串聯(lián)16個元件。再畫出各磁極N、S、N、S。單疊繞組的展開圖畫電刷，電刷組數(shù)=主磁極數(shù),繞組的電刷中心線在每個磁極的中心線上?！技幢ＷC電刷必須與位于幾何中線處的導(dǎo)體相接觸。畫出電樞轉(zhuǎn)向和電刷連線此時的等效電路圖，一條主磁極對應(yīng)一條支路，單疊繞組的支路數(shù)等于極數(shù)，這里為4極，即有4個支路a=p；電樞繞組的總電流Ia=2a*ia(ia為各支路的電流即元件電流或元件中每匝導(dǎo)體電流)單波繞組單波繞組：相鄰聯(lián)接的兩個元件呈波浪形單波繞組的連接規(guī)律是從某一換向片開始，把相隔約為一對極距的同極性磁極下對應(yīng)位置的所有元件串聯(lián)起來，直到沿電樞和換向器繞過一周后，恰好回到開始換向片的相鄰換向片上。然后，從該換向片開始，繼續(xù)繞連，一直把全部元件聯(lián)完，最后又回到開始出發(fā)的那個換向片，構(gòu)成一個閉合回路。右行繞組端接交叉，且比左行繞組端接線略長，故波繞組常用左行繞組。對應(yīng)元件邊處于同極性主的磁極下，所以其合成節(jié)距應(yīng)接近或等于一對極的距離，但不能正好等于二倍極距。（如果相等的話無法繞下去）畫出4極15槽單波左行繞組展開圖分析：合成節(jié)距y＝（k－1）/P＝（15－1）/2＝7（槽）（左行）

第一節(jié)距y＝Z/(2P)+ε=15/4-3/4=31（槽）采用短距繞組(y1<τ)

第二節(jié)距y2＝y(tǒng)－y1＝4（槽）；小結(jié)：常用直流電機(jī)繞組型式的支路數(shù)2a。單疊繞組：2a=2p；單波繞組：2a=2；雙疊繞組：2a=4p；雙波繞組：2a

單波繞組的并聯(lián)支路圖: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，支路對數(shù)為1，與磁極對數(shù)無關(guān)；2）當(dāng)元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；4）電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢；5）電樞電流等于兩條支路電流之和?！?7—2直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)直流電機(jī)的勵磁方式直流電機(jī)的空載時的磁場直流電機(jī)的負(fù)載時磁場直流電機(jī)的勵磁方式他勵式：線端電流等于電樞電流，勵磁電流獨(dú)立值小。并勵式：線端電流等于電樞電流加上勵磁電流。串勵式：線端電流等于電樞電流等于勵磁電流。復(fù)勵式：每個主磁極上套有兩個勵磁繞組，分為長復(fù)勵和短復(fù)勵。先并后串（并聯(lián)繞組先與電樞繞組并聯(lián)然后在與串聯(lián)繞組串聯(lián)）為短復(fù)勵；先串在并是長復(fù)勵。如果Fs（串）和Ff（并）方向一致，稱為積復(fù)勵；如果兩者方向相反稱為差復(fù)勵。

直流電機(jī)工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動勢，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應(yīng)。

右圖為一臺四極直流電機(jī)空載時的磁場示意圖。當(dāng)勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為，流過電流，每極的勵磁磁動勢為：

直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個作用，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%。磁力線由N極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進(jìn)入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進(jìn)入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路

空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時，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。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

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)空載時的磁場

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。

為了感應(yīng)電動勢或產(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，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。如右圖所示。

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，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。直流電機(jī)負(fù)載時的磁場直流電機(jī)接上負(fù)載時，氣隙磁場由主磁極的勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立。規(guī)定：磁力線由電樞出來進(jìn)入定子繞組磁極時為正，當(dāng)磁力線從定子磁極出來而進(jìn)入電樞時為負(fù)。磁通密度在極下若氣隙均勻，則Bax正比于x；而在極間，氣隙大，所以Bax很小，所以Bax為馬鞍形磁密波。最后迭加得負(fù)載時氣隙磁密波形。直流電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時，電樞電流所生的磁動勢對氣隙中主磁場產(chǎn)生影響，稱為電樞反應(yīng)。氣隙磁場發(fā)生畸變.在直流電機(jī)中，不論電樞繞組是哪種型式，各支路電流都是通過電刷引入獲引出，因此電刷是電樞表面上電流分布的分界線。電樞磁勢的軸線總是與電刷軸線相重合。直流電機(jī)電樞反應(yīng)特點(diǎn)使氣隙磁場發(fā)生畸變，電動機(jī)前極尖磁場被加強(qiáng)后極尖磁場減弱，發(fā)電機(jī)剛相反使物理中性線（氣隙中各點(diǎn)磁密為零的連線）偏移。電動機(jī)逆向?qū)Υ磐ǖ挠绊?。電刷在幾何中性線上時，磁路不飽和時與空載時一樣，磁路飽和時有電樞反應(yīng)有去磁作用。交軸和直軸電樞反應(yīng)當(dāng)電刷不在幾何中線時，設(shè)移過一個小角度β，除了交軸電樞磁動勢外，還會產(chǎn)生直軸電樞磁動勢。電樞磁勢分解成兩個分量Faq和Fad；即Fa＝Fad＋Fad交軸電樞反應(yīng)：使主磁場的波形畸變。直流發(fā)電機(jī)，前極端（去磁），后極端（增磁）；。直流電動機(jī)，前極端（增磁），后極端（去磁）。直軸電樞反應(yīng)：電刷偏移方向直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)順轉(zhuǎn)向偏去磁增磁逆轉(zhuǎn)向偏增磁去磁1換向概述§

17—3直流電機(jī)的換向

為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。

直流電機(jī)的某一個元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向。

電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。

電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。

電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為元件112

換向問題很復(fù)雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。

產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機(jī)械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。

元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機(jī)在運(yùn)行中，電樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程。2換向的電磁理論換向元件中的電動勢：自感電動勢

和互感電動勢：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的。切割電動勢：在幾何中性線處，由于電樞反應(yīng)在存在，電樞反應(yīng)磁密不為零，在換向元件中感應(yīng)切割電動勢。換向元件中的合成電動勢為：

根據(jù)楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總是阻礙換向的。換向電動勢：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應(yīng)的電動勢。換向電動勢是幫助換向的。一、直線換向當(dāng)時換向元件電流隨時間線性變化。當(dāng)時換向元件電流隨時間不是線性變化，出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象。二、延遲換向當(dāng)時換向元件電流隨時間再是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。三、超越換向直線換向延遲換向超越換向3

改善換向的方法

除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，換向元件中產(chǎn)生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電刷下產(chǎn)生火花。還有機(jī)械和化學(xué)方面的因素也能引起換向不良產(chǎn)生火花。

改善換向一般采用以下方法：選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻裝設(shè)換向磁極位于幾何中性線處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，在換向元件處產(chǎn)生換向磁動勢抵消電樞反應(yīng)磁動勢大型直流電機(jī)在主磁極極靴內(nèi)安裝補(bǔ)償繞組補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁動勢抵消電樞反應(yīng)磁動勢小結(jié)1換向過程直線換向時，直流電機(jī)不會產(chǎn)生火花。如果換向元件中電動勢為零，則在被電刷短路的閉合回路中不會有環(huán)流。2換向元件中的感應(yīng)電動勢電抗電動勢er；旋轉(zhuǎn)電動勢ea3電刷下產(chǎn)生火花的電磁原因在上面兩種合成電動勢的作用下，在換向元件經(jīng)電刷短路而成的閉合回路中產(chǎn)生環(huán)流。然后能量以火花的形式放出。4火花的危害火花會損壞電刷和換向器表面；同時又干擾附近的電子儀器和設(shè)備。改善換向的方法改善換向、減少火花就要使合成電勢為零，方法就是裝換向極。換向極的作用：在換向元件處建立一個磁動勢。其一部分用來抵消電樞反應(yīng)磁動勢，其余部分用來建立磁場BK，換向元件切割BK產(chǎn)生ek，其方向與er相反，使換向元件的合成電動勢為零。成為直線換向消除火花。對換向極的要求：（1）換向極應(yīng)裝在幾何中性線處（2）換向極的極性應(yīng)使所生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電樞反應(yīng)的磁動勢的方向相反（3）換向極繞組必須與電樞繞組相串聯(lián)，而且換向磁路為不飽和。環(huán)火及其防止

1．環(huán)火的概念電位差火花：當(dāng)換向片間電壓超過一定數(shù)值時，換向片間便會產(chǎn)生火花。稱為~。電磁性火花：電樞電流急劇加大時使換向嚴(yán)重延遲而引起電刷下較強(qiáng)的火花，稱為~。環(huán)火：兩種火花共同作用下使電刷間形成跨越正負(fù)電刷間的電弧，使整個換向器被一圈火環(huán)所包圍即環(huán)火。

2．防止環(huán)火的有效方法裝置補(bǔ)償繞組。裝在主極的極靴里且與電樞繞組串聯(lián)。產(chǎn)生與電樞磁動勢相反的磁動勢。作用：使氣隙磁場不在畸變，防止電位差火花；又對換向有利，避免環(huán)火。§17—4電樞繞組的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組是整距，電刷在幾何中性線上

1.直流電機(jī)的電樞電動勢電動勢常數(shù)

2.直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩常數(shù)

直流電機(jī)的電磁功率在電磁感應(yīng)作用下機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功率稱為電磁功率。

§17—5直流電機(jī)的基本方程式1.直流電動機(jī)的基本方程式（并勵電動機(jī)）

Ea和Ia方向相反，為反動勢。T的正方向和n轉(zhuǎn)向相同，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。制動轉(zhuǎn)短和空載轉(zhuǎn)矩均與n轉(zhuǎn)向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。電動勢平衡方程式：轉(zhuǎn)矩平衡方程式：直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)時T=T2+T0=TZ

穩(wěn)定運(yùn)行時電樞電流為，理想空載時TZ=0，即Ia=0；

功率平衡方程式輸入的電功率為：電磁功率PM為：

電機(jī)的空載損耗：第18章直流電機(jī)的運(yùn)行特性18-1直流電動機(jī)的運(yùn)行特性18-2直流電動機(jī)的調(diào)速18-3直流電動機(jī)的制動二、直流電動機(jī)的工作特性指U=UN=常數(shù)，電樞回路中不串入外加電阻時，勵磁電流保持不變的條件下，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率等與輸出功率之間的關(guān)系曲線，也可用電樞電流表示。并勵電動機(jī)的工作特性（他勵）1。轉(zhuǎn)速特性：

U=UN，RΩ=0，If=IfN設(shè)磁通不變n曲線如圖，若考慮磁通減少時，則轉(zhuǎn)速有可能上升。2。轉(zhuǎn)矩特性U=UN，RΩ=0，If=IfNT=CMΦia

如果考慮去磁時，曲線下折。3。效率特性U=UN，RΩ=0，If=IfN

其中是不變損耗，而電樞回路的銅耗即可變損耗PCua=Ia2Ra；求最大效率時，對效率公式求導(dǎo)可得出當(dāng)時電機(jī)具有最大效率。注：電機(jī)通常被制成電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)時效率最高。他勵電動機(jī)額定運(yùn)行時總損耗

則估算電路總電阻的公式如下：串勵電動機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性U=UN，RΩ=0，If=Ia特點(diǎn)（1）負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)速下降很快。當(dāng)負(fù)載增加時，功率P2增加，UN是常數(shù)，Ia增大使磁通增大，同時IaR也增大，結(jié)果使轉(zhuǎn)速減少。（2）負(fù)載很輕或空載時，轉(zhuǎn)速n非常大，產(chǎn)生飛車現(xiàn)象。空載或輕載時Ia很小或趨于零，磁通也很少，因些要足夠的反電勢來維持與UN相平衡，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速高，導(dǎo)致飛車現(xiàn)象，會損壞電機(jī)。規(guī)定：（1）串勵電動機(jī)不允許在小于15—20%額定負(fù)載的輕載情況下運(yùn)行，也不充許空載。（2）不易采用皮帶等易滑落和斷裂的傳動機(jī)構(gòu)，而采用齒輪或直軸連動器來拖動。

當(dāng)負(fù)載電流較小時，電機(jī)磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關(guān)系。即：轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)負(fù)載電流較大時，磁路飽和，串勵電動機(jī)的工作特性與他勵電動機(jī)相同。

當(dāng)負(fù)載電流為零時，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵電動機(jī)不宜輕載或空載運(yùn)行。U=UN，RΩ=0，If=Ia時T=f(Ia)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載增加而很快上升T=CMKfIa*Ia=CM`Ia2

當(dāng)磁路不飽和時，T與Ia的平方成正比。對起動和過載很好，有較大的起動轉(zhuǎn)矩與過載能力。當(dāng)磁路飽和時，即負(fù)載大時，If=Ia,T正比于Ia為一直線，過載時轉(zhuǎn)速下降P2變化不大，輕載時轉(zhuǎn)速上升。上述特點(diǎn)決定于串勵直流電動機(jī)適用于電力機(jī)車(牽引機(jī)械和重載起動場合)等。3.效率特性(并勵電動機(jī))例某并勵直流電動機(jī)額定數(shù)據(jù)如下：PN=96KW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A,nN=500r/min.電樞回路總電阻Ra=0.078Ω,電樞反應(yīng)忽略不計(jì)。試求：（1）額定運(yùn)行時的輸出轉(zhuǎn)矩TN與電磁轉(zhuǎn)矩T。（2）理想空載轉(zhuǎn)速n0與實(shí)際空載轉(zhuǎn)速n0`。（3）于額定運(yùn)行時突然在電樞回路中串入電阻RΩ=0.122Ω,RΩ串入初瞬時的電樞電流與轉(zhuǎn)速各為多少？（4）保持額定運(yùn)行時總負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，則串入RΩ=0.122Ω,RΩ而穩(wěn)定后的電樞電流與轉(zhuǎn)速各為多少？電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式一、生產(chǎn)機(jī)械的分類單機(jī)單軸系統(tǒng)：用一臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)子軸直接拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。單機(jī)多軸系統(tǒng)：單臺電動機(jī)通過多根轉(zhuǎn)軸帶動生產(chǎn)機(jī)械。多電動機(jī)系統(tǒng)：多臺電動機(jī)帶動一個或多個工作機(jī)構(gòu)。MM

電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式描述了系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)取決于作用在原動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動方程式

根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉(zhuǎn)矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動方程的實(shí)用形式：系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的三種狀態(tài)1)當(dāng)或時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當(dāng)或時,系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3)當(dāng)或時,系統(tǒng)處于減速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動態(tài)。常把

或稱為動負(fù)載轉(zhuǎn)矩,把稱為靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩.生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定不變，與負(fù)載轉(zhuǎn)速無關(guān)。1反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向總是與運(yùn)動方向相反，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)是反抗運(yùn)動的制動性轉(zhuǎn)矩。如機(jī)床刀架的平移運(yùn)動、軋鋼機(jī)、地鐵列車等磨擦類型的負(fù)載。2位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向固定不變，并與轉(zhuǎn)速的方向無關(guān)。如電梯、起重機(jī)、提升機(jī)等。二、恒功率負(fù)載特性特點(diǎn)：負(fù)載功率保持不變，所以有即轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。這類負(fù)載如機(jī)床的切削加工，粗加工時切削量大，用低轉(zhuǎn)速；精加工時切削量小，用高轉(zhuǎn)速，在整個過程中功率不變。三、通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性特點(diǎn)：此類負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即如通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等。TLn四、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件1．電力拖動系統(tǒng)的平衡狀態(tài)當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩n=f(TZ)和與機(jī)械特性n=f(T)相交。即T=TZ時，dn/dt=0,轉(zhuǎn)速不變（靜止或勻速），Ia=T/CMΦ維持不變，此時為拖動系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。2．電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)：原系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，由于某種原因，偏離了平衡狀態(tài)，但能夠在新的條件下自動達(dá)到新的平衡或者外界擾動消失后，能夠恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，稱為系統(tǒng)穩(wěn)定平衡狀態(tài)，否則不穩(wěn)定。電壓突然變化時，轉(zhuǎn)速不變，然后用T和TZ的大小來判定轉(zhuǎn)速的升高和降低。來判斷是否能回到原來的平衡狀態(tài)。(1)必要條件:電動機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性必須有交點(diǎn),即存在(2)充分條件:在交點(diǎn)處,滿足:。或者說,在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以上存在,在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以下存在3．電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件分析：設(shè)原來穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)，受擾動作用離開原來的平衡點(diǎn)

nBC=nA+△n；T=TA+△T,TZ=TZA+△TZ,(TA+△T)(TZA+△TZ)=(GD2/375)d(nA+△n)/dt(dT/dn-dTZ/dn)△n=(GD2/375)d(△n)/dt解這個微分方程，兩邊取積分，當(dāng)t=0△n=△nCe，此時△n=△nCee(dT/dn-dTZ/dn)375t/GD2

dT/dn<dTZ/dn時，△n小于趨近于零，系統(tǒng)穩(wěn)定。

dT/dn>dTZ/dn時，△n增大，系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：電機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載特性必須有交點(diǎn)，且在交點(diǎn)處滿足判斷方法：1、根據(jù)定義，增加轉(zhuǎn)速來進(jìn)行判斷2根據(jù)穩(wěn)定的充要條件當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，§18—2他勵直流電動機(jī)的起動

一、他勵直流電動機(jī)的起動定義：電動機(jī)接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速從零上升到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。這里分析穩(wěn)態(tài)起動即n=0，Ea=0之瞬間，起動電流將很大。起動問題是評價(jià)電動機(jī)性能的重要方面之一。這是一個動態(tài)過程。這里只介紹穩(wěn)態(tài)情況，即在電動機(jī)接入電源瞬間，轉(zhuǎn)子待轉(zhuǎn)而未轉(zhuǎn)動這一瞬間的狀態(tài)。系統(tǒng)要求起動電流要小，起動轉(zhuǎn)矩要大的原因是要保證電源供電質(zhì)量和起動時間要短。直流電動機(jī)起動的原則（1）起動電流要小，使。同時要求滿磁起動If=IfN。（2）起動轉(zhuǎn)矩要大，使。（3）起動設(shè)備簡單可靠經(jīng)濟(jì)。

電動機(jī)的起動是指電動機(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。起動瞬間，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流分別為

為了限制起動電流，他勵直流電動機(jī)通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。

起動時由于轉(zhuǎn)速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達(dá)很大值。

過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電、使電動機(jī)的換向惡化；同時過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機(jī)構(gòu)。一般直流電動機(jī)不允許直接起動。二、起動方法直接起動（全壓起動）直流電動機(jī)剛起動時，n=0，E=0，電源電壓全部加在電樞電阻上，由于Ra很小，所以起動時的電樞電流（沖擊電流）很大，可達(dá)到（10~20）IN值。

1會產(chǎn)生強(qiáng)烈火花，造成換向困難；

2同時使起動轉(zhuǎn)矩太大易使設(shè)備受損；

3過大的起動電流又會引起很大的電網(wǎng)電壓波動，影響同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備。所以對一般的直流電動機(jī)不允許直接起動（小容量電機(jī)除外）降壓起動起動時降壓,使。且；隨著轉(zhuǎn)速的升高，E也變大，電樞電流開始變小，這時開始漸漸升高端電壓直到U=UN，則起動完畢，降壓起動

當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可采用降壓方法起動。

起動時，以較低的電源電壓起動電動機(jī)，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。

降壓起動需專用電源，設(shè)備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應(yīng)用。電樞回路串電阻起動（三級起動電阻）

剛起動時，全部電阻都接入U(xiǎn)=UN，合理選擇R的值一般能使起動電流等于額定電流的1.5～2倍即可，起動轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速升高。隨著轉(zhuǎn)速的升高，反向電動勢也增大，電樞電流變小，轉(zhuǎn)矩也減少，此時到b點(diǎn)切除電阻RΩ3，瞬間速度不變，跳到另一條曲線上，然后依次切除其它電阻最后升到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，起動停止。一、起動過程電樞回路串電阻起動以三級電阻起動時電動機(jī)為例二、分組起動電阻的計(jì)算

設(shè)對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點(diǎn)c點(diǎn)d點(diǎn)e點(diǎn)f點(diǎn)g點(diǎn)比較以上各式得：

在已知起動電流比β和電樞電阻前提下，經(jīng)推導(dǎo)可得各級串聯(lián)電阻為:（6）計(jì)算各級起動電阻。（1）估算或查出電樞電阻

；（2）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的最大電流；（3）選取起動級數(shù)；（4）計(jì)算起動電流比：取整數(shù)（5）計(jì)算轉(zhuǎn)矩:，校驗(yàn)：如果不滿足，應(yīng)另選或值并重新計(jì)算，直到滿足該條件為止.計(jì)算各級起動電阻的步驟：例他勵直流電動機(jī)參數(shù)如下，PN=55kW，UN=220V，IN=287A，nN=1500r/min，Ra=0.0302Ω,電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。若采用電樞回路串電阻起動，起動電流限制在1.8IN以內(nèi)，求應(yīng)串入的電阻值和起動轉(zhuǎn)矩。（0.396歐,695Nm）§18—3他勵直流電動機(jī)的制動制動：在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動機(jī)盡快停轉(zhuǎn)，或者從某高速降到某低速值運(yùn)轉(zhuǎn)（制動過程），或者限制位能性負(fù)載在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)（穩(wěn)定運(yùn)行），這就是電動機(jī)的制動問題。實(shí)現(xiàn)制動有兩種方法，機(jī)械制動和電磁制動。機(jī)械制動就是給一個人為地機(jī)械阻力；例如，自行車下坡時使用手動拉閘；或機(jī)械抱閘，其時間短，但閘皮磨損嚴(yán)重。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。電磁制動是使電機(jī)本身在制動時使電機(jī)產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，其特點(diǎn)是：制動轉(zhuǎn)矩大，操作控制方便，直流電機(jī)的電磁制動類型有能耗制動、反接制動和回饋制動。電磁制動，操作控制方便，制動轉(zhuǎn)矩大能耗制動能耗制動的原理和方法方法：保持If不變，電樞端電壓與電源開關(guān)斷開，接到制動電阻上。即Φ=ΦN

，U=0，電樞回路總電阻R=Ra+Rz。

0=E+Ia(Ra+Rz)，接電阻瞬間，轉(zhuǎn)速不變，于是得Ia=-CeΦn/(Ra+Rz)。電流變?yōu)樨?fù)，電磁轉(zhuǎn)矩也變?yōu)樨?fù)，說明電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，為制動性轉(zhuǎn)矩。實(shí)質(zhì)是把軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，全部消耗在電阻上，所以稱為能耗制動。2．機(jī)械特性

Rz=0相當(dāng)于直接起動不允許，Rz大，電流小，轉(zhuǎn)矩小，制動時間長；Rz小沖擊電流大。所以通常選取制動初瞬間沖擊電流I1=-2IN。另也可采用二級能耗制動。來加速制動過程。如果電動機(jī)拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載那么其在轉(zhuǎn)速為零時就會停車；如果是位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，n=0,T=0但負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小方向均不變，所以重物下降使電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)入四象限，當(dāng)T=Tz時系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。又稱為能耗制動運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：簡單經(jīng)濟(jì)，且在制動過程中與電源脫離。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減少而減少，因而制動時間長。反接制動電壓反接制動時接線如圖所示。一、電壓反接制動電動制動

開關(guān)S投向“電動”側(cè)時，電樞接正極電壓，電機(jī)處于電動狀態(tài)。進(jìn)行制動時，開關(guān)投向“制動”側(cè)，電樞回路串入制動電阻后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：

反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動作用——電壓反接制動。電壓反接制動時的機(jī)械特性為：曲線如圖中所示。工作點(diǎn)變化為：。制動過程中

、、均為負(fù),而、為正表明電機(jī)從電源吸收電功率表明電機(jī)從軸上吸收機(jī)械功率表明軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌谢芈冯姽β省?/p>

可見,反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成的電功率一起消耗在電樞回路電阻上。反接制動停機(jī)狀態(tài)（用于快速停機(jī)）對應(yīng)于二象限，速度不變，I1=-2IN，到n=0時T不等于0，所以停車的話要切斷電源，否則系統(tǒng)有可能反向起動反向電動狀態(tài)對應(yīng)對第三象限。反抗性負(fù)載，穩(wěn)定運(yùn)行在第三象限。如果是位能性負(fù)載，系統(tǒng)反向起動后，不斷加速，會進(jìn)入到第四象限回饋制動狀態(tài)對應(yīng)第四象限，速度大于理想空載轉(zhuǎn)速，最后達(dá)到新的平衡狀態(tài)，把位能轉(zhuǎn)換成電能返回到電源，處于再生發(fā)電狀態(tài)（高速）

二、電動勢反向的反接制動只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載電樞回路串入較大電阻后特性曲線正向電動狀態(tài)提升重物(A點(diǎn))負(fù)載作用下電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)(下放重物)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下放重物D點(diǎn)在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻,即可實(shí)現(xiàn)制動.工作點(diǎn)由A-B-C-D,CD段為制動段第二章直流電動機(jī)的電力拖動

電動勢反向反接制動時的機(jī)械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有

倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的機(jī)械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分。倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的能量關(guān)系和電壓反接制動時相同。（用于位載穩(wěn)定低速下放）適用范圍：位能負(fù)載穩(wěn)定低速下放。電樞回路中串入大電阻。此時E<0為反電勢反接制動特點(diǎn)：制動過程耗能大，不經(jīng)濟(jì)，但制動效果強(qiáng)，制動時間短；可以自動反轉(zhuǎn)。適用于經(jīng)常處于起動、制動，頻繁正反轉(zhuǎn)的磨擦類負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械如龍門吊及龍門刨床等生產(chǎn)機(jī)械

綜述反接制動的特點(diǎn)：（1）制動過程中實(shí)際轉(zhuǎn)向與其理想空載轉(zhuǎn)速方向相反（2）電機(jī)從電網(wǎng)中輸入的電功率和從軸上輸入的機(jī)械功率全部消耗在電樞回路的電阻上回饋制動

回饋制動時的機(jī)械特性方程與電動狀態(tài)時相同。

電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種條件下會出現(xiàn)情況，此時，反向，反向，由驅(qū)動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。穩(wěn)定運(yùn)行有兩種情況:當(dāng)電車下坡時，運(yùn)行轉(zhuǎn)速可能超過理想空載轉(zhuǎn)速,進(jìn)入第二象限電壓反接制動帶位能性負(fù)載進(jìn)入第四象限

發(fā)生在動態(tài)過程中的回饋制動過程有以下兩種情況:1、降壓調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動制動過程為