《電機(jī)應(yīng)用與檢修》課件-第1章 直流電機(jī)

電機(jī)應(yīng)用與檢修今日主題Topic1——課程基本情況Topic2——1.1直流電機(jī)基本原理與結(jié)構(gòu)課程性質(zhì)學(xué)習(xí)內(nèi)容及考核形式幾點(diǎn)注意事項(xiàng)123Topic1——課程基本情況：公共基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)課學(xué)習(xí)內(nèi)容1—5章為主考試形式考試課。平時成績40%，期末測試60%。第1章直流電機(jī)1.2電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動勢1.3直流電機(jī)運(yùn)行原理1.4直流電機(jī)的換向1.1直流電機(jī)基本工作原理與結(jié)構(gòu)1.1直流電機(jī)基本原理與結(jié)構(gòu)直流電機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)電器，完成直流電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)直流電動機(jī)：將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。直流發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能。具有調(diào)速性能好，過載倍數(shù)大，控制性能好的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護(hù)困難。1.1.2基本結(jié)構(gòu)1.1.3額定值和主要系列1.1.1直流電機(jī)基本工作原理1.1直流電機(jī)基本原理與結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)模型一、直流電動機(jī)的基本工作原理（通電導(dǎo)線在磁場中受到力的作用）固定磁極線圈電刷換向器1.1.1直流電機(jī)基本工作原理分析：無換向器時的工作狀態(tài)圖一（1）受力分析：由左手定則得：線圈ab受力向上，cd受力向下，這兩個力不是平衡力。（2）運(yùn)動分析：在這對力作用下，線圈做順時針運(yùn)動。（1）受力分析：由左手定則得：線圈ab受力向上，cd受力向下，這兩個力是平衡力。（2）運(yùn)動分析：由于慣性，線圈再順時針轉(zhuǎn)過一點(diǎn)。圖二（1）受力分析：由左手定則得：線圈ab受力向上，cd受力向下，這兩個力不是平衡力。（2）運(yùn)動分析：這對力阻礙線圈順時針轉(zhuǎn)動，甚至使線圈反轉(zhuǎn)。線圈最終停在平衡位置。圖三（3）結(jié)論：無換向器，線圈不能在磁場中持續(xù)轉(zhuǎn)動。分析：有換向器時的工作狀態(tài)（1）受力分析：由左手定則得：線圈ab受力向上，cd受力向下，這兩個力不是平衡力。（2）運(yùn)動分析：在這對力作用下，線圈做順時針運(yùn)動。圖一（1）受力分析：線圈轉(zhuǎn)過90度時，換向器與電刷沒接觸，線圈不受力。（2）運(yùn)動分析：由于慣性，線圈將繼續(xù)轉(zhuǎn)動。圖二（3）換向器：線圈轉(zhuǎn)過90度后，換向器換向，線圈上電流發(fā)生變化。（1）受力分析：線圈轉(zhuǎn)過90度后ab受力向下，cd受力向上。（2）運(yùn)動分析：線圈將繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。（3）結(jié)論：換向器能自動改變線圈中的電流方向，從而使線圈能不停地轉(zhuǎn)動下去。圖三圖一電流方向分析：線圈ab中的電流由b->a，cd中的電流d->c。負(fù)載中的電流方向由上到下。二、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理（通電導(dǎo)線切割磁力線運(yùn)動產(chǎn)生電流）通過機(jī)械能帶動線圈在磁場中轉(zhuǎn)動切割磁力線來產(chǎn)生電動勢圖二電流方向分析：線圈轉(zhuǎn)過180

°后，

ab中的電流由a->b，cd中的電流c->d。負(fù)載中的電流方向由上到下。結(jié)論：1）電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電，線圈中感應(yīng)電勢與電流方向一致。2）電刷間為直流電。三、直流電機(jī)的可逆性從上述基本電磁情況來看，一臺直流電機(jī)原則上既可作為電動機(jī)運(yùn)行，也可作為發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)行，只是約束的條件不同而已。在直流電機(jī)的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入電樞，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸出，拖動生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動機(jī)。如用原動機(jī)拖動直流電機(jī)的電樞，而電刷上不加直流電壓，則電刷端可以引出直流電動勢作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)。同一臺電機(jī)既能作電動機(jī)又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的這種原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。1.1.2直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)可以分為靜止和轉(zhuǎn)動兩大部分。靜止部分稱為定子，轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子，這兩部分之間稱為氣隙。直流電機(jī)定子轉(zhuǎn)子主磁極（勵磁繞組、主極鐵心）換向極（繞組、鐵心）機(jī)座端蓋電刷裝置電樞繞組電樞鐵心換向器轉(zhuǎn)軸風(fēng)扇1.1.2基本結(jié)構(gòu)軸1.1.2基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖1—軸承；2—軸；3—電樞繞組；4—換抽極繞組；5—電樞鐵心；6—后端蓋；7—刷桿座；8—換向器；9—電刷；10—主磁極；11—機(jī)座；12—勵磁繞組；13—風(fēng)扇；14—前端蓋一.定子部分1、主磁極

其作用是產(chǎn)生恒定的主磁場，絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。鐵心的上部叫極身。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極的個數(shù)一定是偶數(shù)，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按N、S極交替出現(xiàn)。主磁極1－主極鐵心2－勵磁繞組3－機(jī)座2、機(jī)座

機(jī)座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。機(jī)座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機(jī)座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機(jī)座用鑄鐵件）制成。機(jī)座的兩端裝有端蓋。機(jī)座3、換向極換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機(jī)座上。換向極的個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導(dǎo)線有較大的截面。4、端蓋端蓋裝在機(jī)座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時端蓋對電機(jī)內(nèi)部還起防護(hù)作用。5、電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，如圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調(diào)整電刷的位置。1刷握；2銅絲辮；3壓緊彈簧；4電刷二、轉(zhuǎn)子部分1、電樞鐵心電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風(fēng)，沖片可沿軸向分成幾段，以構(gòu)成徑向通風(fēng)道。2、電樞繞組電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電機(jī)的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機(jī)電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。線圈在槽內(nèi)安放示意圖1、2—上層有效邊；3—下層有效邊；4—線圈尾端；5—端接部分；6—線圈首端3、換向器換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖所示。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。小型電機(jī)常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。云母環(huán)V型套筒換向片連接片1－換向片；2－墊圈；3－絕緣層；4－套筒；5－螺帽12345換向片換向器切面圖三、直流電機(jī)的氣隙在靜止的主磁極與電樞之間，有一空氣間隙，由于空氣的磁阻較大，因而它在電機(jī)的磁路中有重要的影響。小型電機(jī)的氣隙約為1~3mm，大型電機(jī)的約為10~12mm。1.1.3額定值和主要系列1.直流電機(jī)的額定值額定值：是制造廠對各種電氣設(shè)備（本章指直流電機(jī)）在指定工作條件下運(yùn)行時所規(guī)定的一些量值。該條件下可保證設(shè)備安全、高效、長期地使用。應(yīng)盡量使電機(jī)工作于額定狀態(tài)。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)在各設(shè)備的銘牌上，故又叫銘牌值。1.額定功率PN

額定功率是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時所能提供的輸出功率。對電動機(jī)來說，額定功率是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；對發(fā)電機(jī)來說，額定功率是指電樞輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。2.額定電壓UN額定電壓是電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。3.額定電流IN額定電流是電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A(安培)。4.額定轉(zhuǎn)速nN額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min(轉(zhuǎn)/分)。注意:對于直流發(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

對于直流電動機(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＝UNINηN，ηN

是直流電機(jī)的額定效率。欠載運(yùn)行額定運(yùn)行狀態(tài)過載運(yùn)行運(yùn)行效率低，浪費(fèi)過熱損壞機(jī)器電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠1.3.1直流電機(jī)的勵磁方式1.勵磁方式定義直流電機(jī)勵磁繞組的供電方式（接線方式）稱為勵磁方式。實(shí)質(zhì)上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接。除了永磁直流電機(jī)外，直流電機(jī)的勵磁方式有他勵和自勵（串勵、并勵和復(fù)勵）。他勵——勵磁電流由其他直流電機(jī)單獨(dú)供給的稱為他勵。自勵——電機(jī)的勵磁電流由電機(jī)自身供給的稱為自勵。不同勵磁方式的直流電機(jī)有不同的特性。2.直流電機(jī)分類按照勵磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為4類：（1）他勵直流電機(jī)（2）并勵直流電機(jī)勵磁繞組采用單獨(dú)的直流電源供電。勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。－－電樞電流－－額定電流（回路電流）－－勵磁電流注：（3）串勵直流電機(jī)（4）復(fù)勵直流電機(jī)勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)勵磁繞組分兩部分，一部分與電樞繞組并聯(lián)，一部分與電樞繞組串聯(lián)。兩部分產(chǎn)生的磁場方向相同稱為積復(fù)勵，方向相反稱為差復(fù)勵。短分接法長分接法二、直流電機(jī)的主要系列

所謂系列電機(jī)就是在應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)形式、性能水平和生產(chǎn)工藝等方面有共同性，功率按一定比例遞增，并成批生產(chǎn)的一系列電機(jī)，我國目前生產(chǎn)的直流電機(jī)的主要系列有：Z3系列:為一般用途的小型直流電機(jī)系列，是一種基本系列?！癦”表示直流，“3”表示第三次改型設(shè)計(jì)。ZF和ZD系列:為一般用途的中型直流電機(jī)系列?！癋”表示發(fā)電機(jī)，“D”表示電動機(jī)。

ZZJ系列:為起重、冶金用直流電動機(jī)系列。此時還有ZQ直流牽引電動機(jī)系列及Z-H和ZF-H船用電動機(jī)和發(fā)電機(jī)系列等。1.2電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢一、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充：什么是力矩？作用力使物體繞轉(zhuǎn)動軸或支點(diǎn)運(yùn)動的趨向。單位：N·m（牛頓·米）1、電磁轉(zhuǎn)矩的定義電樞繞組中所有通電導(dǎo)體在磁場中受電磁力產(chǎn)生力矩的總和，代表了電動機(jī)的原始拖動力矩。物理意義：電磁力與電樞鐵心半徑之積。2、計(jì)算總的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中，為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)。Φ為每極磁通，Ia為電樞電流電磁轉(zhuǎn)矩式子表明：電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和電樞電流成正比。1.4感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩總的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中，為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)。電磁轉(zhuǎn)矩式子表明：電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和電樞電流成正比。3.電磁功率功率可以表示為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動角速度的乘積，克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機(jī)械功率稱為電磁功率。電磁功率是直流電機(jī)中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的橋梁和紐帶。1.2感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.電樞繞組的感應(yīng)電動勢電樞電動勢——直流電動機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，即電樞繞組每個支路里的感應(yīng)電動勢。相對一個元件：感應(yīng)電動勢的大小和方向都在變化（所處支路在變）。相對一個支路：所含元件數(shù)量相同，支路的電動勢相同且方向不變。算法：①求出一根導(dǎo)體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均電動勢eav；②乘上一個支路里總的導(dǎo)體數(shù)N/2a；③得電樞電動勢Ea=eav·N/2a。1.4感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.電樞繞組的感應(yīng)電動勢一個磁極極距范圍內(nèi)的平均磁密度：一根導(dǎo)體內(nèi)的平均電動勢為：注：——電樞導(dǎo)體的有效長度（槽內(nèi)部分）；

——一個磁極下氣隙磁密的平均值；

——電樞表面的線速度，單位：m/s；

——電樞轉(zhuǎn)速，單位：r/min;

——極對數(shù)。1.4感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.電樞繞組的感應(yīng)電動勢設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N（N=2SNy），則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N/2a，因此電樞繞組的感應(yīng)電動勢為：式中：，稱為直流電機(jī)的電動勢常數(shù)，取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)。上式表明：電樞電動勢與每極磁通和轉(zhuǎn)速成正比。1.4感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩在直流電機(jī)中，當(dāng)電樞繞組中有電流流過時，會與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。磁場越強(qiáng)，電流越大，電磁轉(zhuǎn)矩越大。一根導(dǎo)體所受的平均磁力：導(dǎo)體里的電流：——電樞總電流——支路對數(shù)一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，大小為：

為直流電機(jī)的電樞直徑，大小為：1.3.2直流電機(jī)的空載磁場電機(jī)運(yùn)行時磁場：勵磁繞組、電樞繞組、換向極繞組等共同產(chǎn)生?？蛰d運(yùn)行：直流電機(jī)不帶負(fù)載(即不輸出功率)空轉(zhuǎn)時的狀態(tài)?？蛰d運(yùn)行時，勵磁繞組里有勵磁電流，電動機(jī)電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機(jī)電樞電流為零，這時電機(jī)的磁場由勵磁電流單獨(dú)建立。主磁場：由勵磁繞組通以直流勵磁電流單獨(dú)產(chǎn)生，也即是空載磁場。一臺四極直流電機(jī)空載磁場的分布如下圖所示：勵磁繞組主磁通漏磁通氣隙1.3.2直流電機(jī)的空載磁場1.主磁通和漏磁通磁通選擇導(dǎo)磁回路的原則：最小磁阻最短磁路主磁通：當(dāng)勵磁繞組通以勵磁電流時，產(chǎn)生的磁通大部分由N極鐵芯氣隙電樞齒電樞鐵心的磁軛(電樞磁軛)

S極下的電樞齒氣隙S極鐵芯機(jī)座(定子磁軛)N極鐵芯，形成閉合回路。這部分與勵磁繞組和電樞繞組都交鏈的磁通稱為主磁通，用Φ0表示。1.3.2直流電機(jī)的空載磁場1.主磁通和漏磁通主磁路：主磁通經(jīng)過的路徑。包括：主磁極、氣隙、電樞齒、電樞磁軛和定子磁軛等五部分。漏磁通：有一部分磁通不通過氣隙，直接經(jīng)過相鄰磁極或定子磁軛形成閉合回路，這部分僅與勵磁繞組交鏈的磁通稱為漏磁通，以Φσ表示。漏磁通路徑主要為空氣，磁阻很大，所以漏磁通的數(shù)量只有主磁通的20%左右。1.3.2直流電機(jī)的空載磁場2.空載磁場氣隙磁密分布曲線主磁極的勵磁磁勢主要消耗在氣隙上，而主磁極下氣隙磁密的分布又取決于氣隙δ大小的分布情況。幾何中性線極靴極身極軸線有關(guān)技術(shù)術(shù)語：極軸線:是將每個主磁極分成左右對稱兩部分的直線；

幾何中性線：相鄰兩個主磁極之間的幾何分界線，到兩個主磁極軸線的距離相等；氣隙磁通：經(jīng)過氣隙進(jìn)入電樞鐵芯的磁通。1.3.2直流電機(jī)的空載磁場2.空載磁場氣隙磁密分布曲線注：1——均勻氣隙時的氣隙磁密

2——不均勻氣隙時的氣隙磁密

氣隙磁通密度：假定：電樞表面光滑；鐵芯磁阻較小?？蛰d磁場氣隙磁密分布曲線極身極靴幾何中線幾何中線漏磁通主磁通氣隙形態(tài)氣隙磁密分布主磁通與漏磁通在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強(qiáng)，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于0。因此，空載氣隙磁通密度分布為一禮帽形的平頂波。電樞表面磁通密度與氣隙長度成反比1.3.2直流電機(jī)的空載磁場3.直流電機(jī)的空載磁化特性在直流電機(jī)中，為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，要求氣隙磁場在每個極下有一定數(shù)量的主磁通，稱為每極磁通Ф

。這就要求在設(shè)計(jì)電機(jī)時進(jìn)行磁路計(jì)算，以確定產(chǎn)生一定數(shù)量氣隙每極磁通Ф需要加多大的勵磁磁通勢，或者當(dāng)勵磁繞組匝數(shù)Ny一定時，需要加多大的勵磁電流If。我們把空載時氣隙每極磁通Ф與空載勵磁磁通勢Ff0或空載勵磁電流If0的關(guān)系，即Ф＝f(Ff

0)或Ф＝f(If0)，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。磁化曲線：表示磁通與勵磁電流的關(guān)系的曲線。1.3.2直流電機(jī)的空載磁場3.直流電機(jī)的空載磁化特性由于構(gòu)成主磁路的五部分當(dāng)中有四部分是鐵磁性材料，鐵磁材料磁化時有飽和現(xiàn)象，磁阻是非線性的，電機(jī)中的磁場一般選擇在臨近飽和狀態(tài)。因此額定磁通設(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。曲線特性：

■較小時，鐵芯磁阻較小，與呈線性關(guān)系；

■增大時，鐵芯飽和，磁阻增加，曲線出現(xiàn)飽和。磁化曲線NS電樞磁場1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)1.電樞反應(yīng)的定義直流電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行時，電樞繞組中有電流通過，將產(chǎn)生電樞磁場，從而對氣隙磁場產(chǎn)生影響。直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，電樞磁動勢對氣隙磁場的影響叫做電樞反應(yīng)。負(fù)載運(yùn)行時的磁場是由電樞磁場和主磁極磁場合成。2.直流電機(jī)的電樞磁場

當(dāng)電機(jī)在負(fù)載下運(yùn)行時，電樞繞組中有負(fù)載電流流過，電樞電流產(chǎn)生的磁場稱為電樞磁場。電樞磁場的磁力線由電樞鐵芯出發(fā)氣隙

主磁極鐵芯

氣隙電樞鐵芯形成一個閉合回路。1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)2.直流電機(jī)的電樞磁場

當(dāng)電機(jī)在負(fù)載下運(yùn)行時，電樞繞組中有負(fù)載電流流過，電樞電流產(chǎn)生的磁場稱為電樞磁場。二極直流電機(jī)的電樞磁場■以電刷為極軸線，電刷處（幾何中性線）磁動勢最強(qiáng)，主磁極軸線處電樞磁動勢為零;■電樞磁動勢軸線與主磁極軸線正交，稱為交軸電樞磁動勢。特點(diǎn)：1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)3.電樞磁場的磁通密度分布電樞展開圖

－磁動勢波形

－磁通密度波形主磁極下，和基本成正比，與成反比；極靴下氣隙變化很小，在極尖處，由于氣隙增大，

反而減小，波形出現(xiàn)凹槽，呈馬鞍形。根據(jù)磁路的歐姆定律，得電樞磁場密度的表達(dá)式為：式中：為氣隙中x處的磁密；

為氣隙中x處的磁勢。1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)4.負(fù)載時的氣隙合成磁場nn′NSmm′兩極電機(jī)的主磁場（1）幾何中性線nn′（2）物理中性線mm′

在電樞電流為零的情況下，主極磁場的nn′和mm′是重合的。NS電樞磁場1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)4.負(fù)載時的氣隙合成磁場（1）直流發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)NS直流發(fā)電機(jī)電樞磁場NS直流發(fā)電機(jī)主磁場NS直流發(fā)電機(jī)合成磁場nn′m′mβ1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)4.負(fù)載時的氣隙合成磁場（2）直流電動機(jī)的電樞反應(yīng)NS直流電動機(jī)主磁場nn′NS直流電動機(jī)電樞磁場NS直流電動機(jī)合成磁場mm′β1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)4.負(fù)載時的氣隙合成磁場（3）電樞反應(yīng)的磁通密度分布曲線主磁場（空載磁場）的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線－勵磁磁場；－電樞磁場；－負(fù)載合成磁場（氣隙磁場）1.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)5.電樞反應(yīng)的影響使氣隙磁場發(fā)生畸變負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一磁極下，一半磁場被增強(qiáng)，一半被削弱，磁通密度曲線與空載時不同。對于發(fā)電機(jī)，是前極端（電樞進(jìn)入端）的磁場削弱，后極端（電樞離開端）的磁場加強(qiáng)；對于電動機(jī)，則反之。對主磁場起去磁作用不考慮磁路飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于被加強(qiáng)數(shù)量，但實(shí)際中，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵芯磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。

氣隙此磁場的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對于發(fā)電機(jī)，是順轉(zhuǎn)方向偏離；對于電動機(jī)，是逆轉(zhuǎn)方向偏離。1.5直流電動機(jī)1.直流電動機(jī)的基本方程式以他勵（并勵）直流電動機(jī)為例。接通直流電源時，勵磁繞組中流過勵磁電流If，建立主磁場，電樞繞組中流過電樞電流Ia，電樞元件導(dǎo)體中流過支路電流ia，與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tem，使電樞朝Tem的方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞導(dǎo)體又切割氣隙合成磁場，產(chǎn)生電樞電動勢Ea，在電動機(jī)中，此電動勢的方向與電樞電流Ia的方向相反，稱為反電動勢。下面分別討論當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電動機(jī)的電勢、功率與轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。1.5直流電動機(jī)1.直流電動機(jī)的基本方程式（1）電壓平衡方程式根據(jù)右圖中用電動機(jī)慣例所設(shè)各量的正方向，用基爾霍夫電壓定律，可以列出電壓平衡方程式式中：Ra為電樞回路電阻，其中包括電刷和換向器之間的接觸電阻。此式表明：直流電動機(jī)在電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的電樞電動勢Ea總小于端電壓U。1.5直流電動機(jī)1.直流電動機(jī)的基本方程式（2）轉(zhuǎn)矩平衡方程式穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，作用在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個：一個是電磁轉(zhuǎn)矩Tem，方向與轉(zhuǎn)速n相同，為拖動轉(zhuǎn)矩；一個是電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩T0，是電動機(jī)空載運(yùn)行時的阻轉(zhuǎn)矩，方向總與轉(zhuǎn)速n相反，為制動轉(zhuǎn)矩；還有一個是軸上所帶生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2，即電動機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，一般亦為制動轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系式為拖動轉(zhuǎn)矩等于總的制動轉(zhuǎn)矩，即1.5直流電動機(jī)1.直流電動機(jī)的基本方程式（3）功率平衡方程式將電壓平衡方程式式兩邊乘以電樞電流Ia，得可寫成式中：P1=UIa為電動機(jī)從電源輸入的電功率；PCua=I2aRa為電樞回路的銅損耗；Pem=EaIa為電磁功率。又由式中：Ω=2πn/60，是電動機(jī)的機(jī)械角速度，單位為rad／s。1.5直流電動機(jī)1.直流電動機(jī)的基本方程式（3）功率平衡方程式從上式中Pem=EaIa可知，電磁功率具有電功率性質(zhì)；從Pem=TemΩ可知，電磁功率又具有機(jī)械功率性質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姶殴β蕦儆陔妱訖C(jī)由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那一部分功率。將轉(zhuǎn)矩平衡方程式兩邊乘以機(jī)械角速度Ω，得可寫成1.5直流電動機(jī)1.直流電動機(jī)的基本方程式（3）功率平衡方程式式中：Pem=TemΩ為電磁功率；P2=T2Ω為軸上輸出的機(jī)械功率；P0=T0Ω為空載損耗，包括機(jī)械損耗pΩ和鐵損耗pFe，此外還有勵磁繞組的銅損耗pCuf，稱為勵磁損耗。并勵直流電動機(jī)的功率平衡方程為：其中∑p=pCua+pCuf+pFe+pΩ，為并勵直流電動機(jī)的總損耗。1.5直流電動機(jī)2.他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性并勵直流電動機(jī)的工作特性是指當(dāng)電動機(jī)的端電壓U=UN

，勵磁電流If=IfN，電樞不串外加電阻時，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、效率η分別與輸出功率P2之間的關(guān)系。由于電樞電流的大小與輸出功率成正比，因而為了簡化分析，工作特性中通常用Ia代替P2

。（1）轉(zhuǎn)速特性當(dāng)U=UN、I?=I?N(Φ=ΦN)時，轉(zhuǎn)速n與電樞電流Ia之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)速特性。將電動勢公式代入電壓平衡方程式，可得轉(zhuǎn)速特性公式可見，如果忽視電樞反應(yīng)的影響，保持Φ=ΦN不變，則Ia增加時，轉(zhuǎn)速n下降。但因Ra一般很小，所以轉(zhuǎn)速n下降不多，n=f（Ia）為一條稍稍向下傾斜的直線，如下圖中的曲線所示。如果考慮負(fù)載較重、Ia較大時電樞反應(yīng)去磁作用的影響，則隨著Ia的增大，Φ將減小，使轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。1.5直流電動機(jī)2.他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性并勵電動機(jī)的工作特性1.5直流電動機(jī)2.他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性（2）轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)U=UN、I?=I?N(Φ=ΦN)時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與電樞電流Ia之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)矩特性。由 可知，不考慮電樞反應(yīng)影響時，Φ=ΦN不變，Tem與Ia成正比，轉(zhuǎn)矩特性為過原點(diǎn)的直線。如桌考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，則當(dāng)Ia增大時，轉(zhuǎn)矩特性略為向下彎曲。1.5直流電動機(jī)2.他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性（3）效率特性η=f(Ia)當(dāng)U=UN、I?=I?N時，效率η與電樞電流Ia的關(guān)系稱為效率特性。他勵直流電動機(jī)效率：上式中的鐵損耗pFe是電機(jī)旋轉(zhuǎn)時電樞鐵心切割氣隙磁場而引起的渦流損耗與磁滯損耗之和，其大小決定于氣隙磁密與轉(zhuǎn)速；機(jī)械損耗pΩ包括軸承及電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗，其大小主要決定于轉(zhuǎn)速；勵磁繞組的銅損耗p

Cuf=UIf

，每極磁通不變時，If不變，pCuf

也不變。由此可看出，以上三種損耗都不隨電樞電流變化，亦即不隨負(fù)載變化的，通常將這三種損耗之和稱為不變損耗。電樞回路的銅損耗pCua

=Ia2Ra，與電樞電流的平方成正比，亦即隨負(fù)載的變化明顯變化，故稱為可變損耗。1.5直流電動機(jī)2.他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性（3）效率特性η=f(Ia)當(dāng)電樞電流Ia開始由零增大時，可變損耗增加緩慢，總損耗變化小，效率η明顯上升；忽略式中的If（因If<<Ia)時，可由dη/dIa＝0求得當(dāng)Ia增大到電動機(jī)的不變損耗等于可變損耗，即當(dāng)pCuf+pFe+pΩ=I2aRa時，電動機(jī)的效率達(dá)到最高。Ia再進(jìn)一步增大時，可變損耗在總損耗中所占的比例增大，可變損耗和總損耗都將明顯上升，使效率η反而略為下降。一般電動機(jī)在負(fù)載為額定值的75％左右時效率最高。1.5直流電動機(jī)3.串勵直流電動機(jī)的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性

因?yàn)镮a=If，當(dāng)Ia較小時，磁路沒有飽和，Φ=kfIf=kfIa，代入上式可得式中： ，為常數(shù)；kf

為磁通與勵磁電流的比例系數(shù)。1.5直流電動機(jī)3.串勵直流電動機(jī)的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性

由上式可知。電樞電流不大時，串勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性具有雙曲線性質(zhì)，轉(zhuǎn)速隨電樞電流增大而迅速降低。當(dāng)電樞電流較大時，由于磁路趨于飽和，磁通近似為常數(shù)，轉(zhuǎn)速特性與并勵時相似，為稍稍向下傾斜的直線。要注意的是當(dāng)電樞電流較小時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將升的很高，因?yàn)镮a較小時，氣隙磁通Φ

和電阻壓降IaR'a均很小，為使Ea=CeΦn

能與電源電壓U相平衡，轉(zhuǎn)速n

必須很高才行。理論上，Ia

接近于零時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速將趨近于無窮大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞，所以串勵直流電動機(jī)不允許在空載或輕載下運(yùn)行。1.5直流電動機(jī)3.串勵直流電動機(jī)的工作特性串勵時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式：（2）轉(zhuǎn)矩特性式中：CT′=CTkf，對已制成的電機(jī)，磁路不飽和時為常數(shù)。當(dāng)磁路不飽和時，Tem∝I2a；當(dāng)磁路飽和時，Φ為常數(shù)，Tem∝Ia，一般可看成Tem∝I2a，Tem按大于一次方的比例增加。上式表明：電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)矩特性如圖中的曲線所示。這一特性使串勵直流電動機(jī)在同樣電流限值（一般為額定電流的2倍左右）下具有比他勵直流電動機(jī)大得多的起動轉(zhuǎn)矩和較大轉(zhuǎn)矩，適用于起動能力或過載能力要求較高的場合，如拖動閘門、電力機(jī)車等負(fù)載。1.5直流電動機(jī)3.串勵直流電動機(jī)的工作特性串勵直流電動機(jī)的效率特性與并勵直流電動機(jī)相同。（3）效率特性

串勵電動機(jī)的工作特性1.6直流發(fā)電機(jī)1.直流發(fā)電機(jī)的基本方程式直流發(fā)電機(jī)的基本方程式包括電動勢平衡方程式、功率平衡方程式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式。（1）電動勢平衡方程式以他勵直流發(fā)電機(jī)為例。此式表明：直流發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的電樞電動勢Ea應(yīng)大于端電壓U。（2）轉(zhuǎn)矩平衡方程式式中：T1為原動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；T0為發(fā)電機(jī)的機(jī)械損耗及鐵損耗引起的空載損耗轉(zhuǎn)矩。1.6直流發(fā)電機(jī)1.直流發(fā)電機(jī)的基本方程式（3）功率平衡方程式將轉(zhuǎn)矩平衡方程式乘以電樞機(jī)械角速度w，得：可寫成：式中：，為原動機(jī)傳輸給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，即輸入功率；，為發(fā)電機(jī)的電磁功率；為發(fā)電機(jī)的空載損耗功率，包括機(jī)械損耗pmec和鐵損耗pFe。1.6直流發(fā)電機(jī)1.直流發(fā)電機(jī)的基本方程式（3）功率平衡方程式電磁功率Pem又由電動勢平衡方程式兩邊乘以電樞電流Ia得：即：式中：P2=UIa，為發(fā)電機(jī)輸出的功率；PCua=Ia2Ra，為電樞回路的銅損耗。功率平衡方程式為：總損耗為：效率為：1.6直流發(fā)電機(jī)2.他勵直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，可以測得的物理量有發(fā)電機(jī)的端電壓U、負(fù)載電流I（他勵時I=Ia）、勵磁電流If和轉(zhuǎn)速n。一般發(fā)電機(jī)都應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速nN下運(yùn)行，則其它三個物理量之間的關(guān)系就用來表征發(fā)電機(jī)的特性。（1）空載特性定義：當(dāng)n=nN、Ia=0時，端電壓U0與勵磁電流If之間的關(guān)系U0=f（If）稱為空載特性。直流發(fā)電機(jī)的空載特性是非線性的，上升與下降的過程是不相同的。實(shí)際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線?？蛰d特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線1.6直流發(fā)電機(jī)2.他勵直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（2）外特性定義：當(dāng)n=nN、

If=Ifn

時，端電壓U

與負(fù)載電流I

之間的關(guān)系U

=f（I）稱為外特性。他勵發(fā)電機(jī)的外特性是條略微下垂的曲線，即隨著負(fù)載的增加，電機(jī)的端電壓將有所下降。引起端電壓下降的因素有兩個：：

1）電機(jī)有負(fù)載后，電樞反應(yīng)的去磁作用，使電樞電動勢Ea比空載時小。

2）電區(qū)回路的壓降IaRa。1.6直流發(fā)電機(jī)2.他勵直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（3）調(diào)節(jié)特性定義：當(dāng)n=nN、電壓U

為常數(shù)時，勵磁電流If與負(fù)載電流I之間的關(guān)系If=f（I）稱為調(diào)節(jié)特性。從外特性可知，當(dāng)負(fù)載增大時，端電壓下降，若要維持U=UN不變，則隨著負(fù)載的增大，必須增大勵磁電流，所以他勵發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性是一條上升的曲線調(diào)節(jié)特性曲線1.7直流電機(jī)的換向1.直流電機(jī)的換向過程直流電機(jī)運(yùn)行時，電樞繞組的線圈由一條支路經(jīng)電刷短路進(jìn)入另一條支路時，該線圈中的電流方向會發(fā)生改變，這種電流方向的改變稱為換向。當(dāng)換向不良時，會在電刷下產(chǎn)生電火花，電火花超過一定的強(qiáng)度，會燒環(huán)電刷和換向器，使電動機(jī)不能運(yùn)行。下圖表示了一個單疊繞組線圈的換向過程：1.7直流電機(jī)的換向1.直流電機(jī)的換向過程圖中設(shè)電刷寬度等于一片換向片的寬度，電樞從右向左運(yùn)動。換向開始時，電刷正好與投向片1完全接觸，元件l位于電刷右邊一條支路，設(shè)電流為+ia

，方向?yàn)轫槙r針，如圖(a)所示。換向過程中，電刷同時與換向片1和2接觸，1號元件被短路；元件中電流為i

，如圖（b）所示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動到電刷與換向片2完全接觸時，1號元件從電刷右邊的支路進(jìn)入電刷左邊的支路，電流變?yōu)槟鏁r針方向，即為–ia，如圖（c）所示,至此，1號元件換向結(jié)束。處于換向過程中的元件稱為換向元件。從換向開始到換向結(jié)束所經(jīng)歷的時間稱為換向周期，用Tk表示。直流電機(jī)的換向周期Tk一般只有千分之幾秒甚至更短的時間，但換向的過程比較復(fù)雜，而且如果換向不良，會在電刷換向器之間產(chǎn)生較大的火花。微弱的火花，對直流電機(jī)的正常運(yùn)行沒有影響，如果火花超過一定限度，就會燒壞電刷和換向器，使電機(jī)不能正常工作。1.7直流電機(jī)的換向1.直流電機(jī)的換向過程圖中設(shè)電刷寬度等于一片換向片的寬度，電樞從右向左運(yùn)動。換向開始時，電刷正好與投向片1完全接觸，元件l位于電刷右邊一條支路，設(shè)電流為+ia

，方向?yàn)轫槙r針，如圖(a)所示。換向過程中，電刷同時與換向片1和2接觸，1號元件被短路；元件中電流為i

，如圖（b）所示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動到電刷與換向片2完全接觸時，1號元件從電刷右邊的支路進(jìn)入電刷左邊的支路，電流變?yōu)槟鏁r針方向，即為–ia，如圖（c）所示,至此，1號元件換向結(jié)束。處于換向過程中的元件稱為換向元件。從換向開始到換向結(jié)束所經(jīng)歷的時間稱為換向周期，用Tk表示。直流電機(jī)的換向周期Tk一般只有千分之幾秒甚至更短的時間，但換向的過程比較復(fù)雜，而且如果換向不良，會在電刷換向器之間產(chǎn)生較大的火花。微弱的火花，對直流電機(jī)的正常運(yùn)行沒有影響，如果火花超過一定限度，就會燒壞電刷和換向器，使電機(jī)不能正常工作。1.7直流電機(jī)的換向2.影響換向的電磁原因影響換向的因素是多方面的，有機(jī)械因素、化學(xué)因素，但最主要的是電磁因素。換向過程所經(jīng)過的時間極短，只有幾豪秒，如果換向過程中，換向元件中沒有附加其它的電動勢，則換向元件中的電流i均勻地從+ia變化到-ia(+ia→0→-ia)，如右圖中1所示，這種換向稱為理想換向，也稱直線換向。換向元件在換向過程中流過的變化電流稱為均衡電流。（1）直線換向換向過程中電流的變化1.7直流電機(jī)的換向2.影響換向的電磁原因直流電機(jī)在實(shí)際的換向過程中，換向元件中會產(chǎn)生電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢，阻礙換向元件中電流的變化，從而產(chǎn)生延遲換向。（2）延遲換向

1)電抗電動勢ex由于換向元件在換向過程中會發(fā)生電流的變化，由于線圈的自感和互感作用，會在換向元件中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢稱為電抗電動勢ex，電抗電動勢總是阻礙換向元件中電流的變化，也即與換向開始時換向元件中的電流方向一致。

2)電樞反應(yīng)電動勢ea直流電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時，由于電樞反應(yīng)使得兩個主磁極中間位置處的磁場不為零，而換向元件正好處于兩個主磁級的中間位置，換向元件切割磁力線從而在換向元件中產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢，這個電動勢稱為電樞反應(yīng)電動勢ea，電樞反應(yīng)電動勢的方向也與換向開始時換向