電機原理及拖動（第4版）課件：直流電機原理

《電機原理及拖動》

第4版2024/12/272第一節(jié)

直流電機的結(jié)構(gòu)、用途、基本工作原理直流電機原理第二節(jié)

直流電機的空載磁場第三節(jié)

直流電機的電樞繞組第四節(jié)

直流電機的電樞反應(yīng)第五節(jié)

直流電機電樞電勢與電磁力矩第六節(jié)

直流發(fā)電機第七節(jié)

直流電動機第八節(jié)

直流電機換向2024/12/27直流電機原理

直流電機是指能輸出直流電流的發(fā)電機，或通入直流電流而產(chǎn)生機械運動的電動機。一臺直流電機即可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用。本章主要研究換向器式直流電機。首先介紹其基本原理和基本結(jié)構(gòu)，分析其磁路系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，然后重點研究不同運行狀態(tài)時的電磁過程及工作特性。主要學(xué)習(xí)8個方面內(nèi)容：直流電機結(jié)構(gòu)、用途、基本工作原理、空載磁場、電樞繞組、電樞反應(yīng)、電樞電勢、電磁力矩、直流發(fā)電機、直流電動機、直流電機換向。32024/12/274第一節(jié)直流電機的結(jié)構(gòu)、用途、基本工作原理一、用途勵磁機電源測速伺服

二、直流電機的結(jié)構(gòu)（P14圖1-4）2024/12/275主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機的結(jié)構(gòu)2024/12/276直流電機的結(jié)構(gòu)（P14圖1-5）直流電機的截面圖2024/12/277主磁極的作用是建立主磁場。它由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。

機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結(jié)構(gòu)框架。機座的主體是極間磁通路徑的一部分，稱為磁軛。定子-主磁極和機座2024/12/278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的換向情況，使電機運行時不產(chǎn)生有害的火花。定子-換向極2024/12/279電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置。電刷由四部分構(gòu)成：1.連線2.刷桿3.電刷4.刷握定子-電刷裝置（P15圖1-6）2024/12/2710截面轉(zhuǎn)子-電樞鐵芯2024/12/2711

電樞繞組是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。槽楔線圈絕緣槽底絕緣導(dǎo)體槽絕緣層間絕緣轉(zhuǎn)子-電樞繞組2024/12/2712在直流發(fā)電機中，換向器起整流作用，在直流電動機中，換向器起逆變作用轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)向器（P15圖1-7）2024/12/2713直流電機的結(jié)構(gòu)(視頻）2024/12/2714二極簡化模型三、

直流電機基本工作原理2024/12/2715原理視頻原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體ab在N極下感應(yīng)電勢e的方向由b指向a；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180后，導(dǎo)體ab在S極下感應(yīng)電勢e的方向由a指向b。電刷A的極性始終為正，電刷B的極性始終為負(fù)，因此在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。直流發(fā)電機原理2024/12/2716直流發(fā)電機原理（視頻）2024/12/2717發(fā)電機電勢波形2024/12/2718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，如圖。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，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。原理視頻直流電動機原理2024/12/2719直流電動機的工作原理（視頻）2024/12/2720

四、直流電機的銘牌數(shù)據(jù)2024/12/2721額定條件下電機所能提供的輸出功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機電動機發(fā)電機直流電機的銘牌數(shù)據(jù)額定功率PN2024/12/2722在額定工況下，電機出線端的平均電壓是指輸出額定電壓發(fā)電機是指輸入額定電壓電動機直流電機的銘牌數(shù)據(jù)額定電壓UN在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流額定電流IN2024/12/2723

此外，電機銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。直流電機的銘牌數(shù)據(jù)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額定勵磁電流IfN指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式2024/12/27241.為什么直流電機能發(fā)出直流電？如果沒有換向器，直流電機能不能發(fā)出直流電流？2.試判斷下列情況下，電刷兩端電壓性質(zhì)：磁極固定，電刷與電樞同時旋轉(zhuǎn)：電樞固定，電刷與磁極同時旋轉(zhuǎn)。3.已知某直流電動機銘牌數(shù)據(jù)如下，額定功率750kW，額定電壓220V，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，額定效率88.5％，試求該電機的額定電流。

4.已知某直流發(fā)電機的額定功率240kW，額定電壓460V，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，試求該電機的額定電流。

5.一臺直流發(fā)電機額定容量180kw，額定電壓230伏，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，額定效率89.5%,求額定輸入功率和額定電流。答答答答答作業(yè)：1-1~1-42024/12/27251.答：由于換向器的作用，電刷短接的元件始終連接相同磁極，感應(yīng)電勢在電刷兩端不變，故直流機能發(fā)出直流電。如果沒有換向器，直流機不能發(fā)出直流電，只能發(fā)出交流電。答案2024/12/27262.答：（1）電刷兩端的是交流電壓：（2）電刷兩端的是直流電壓。

答案2024/12/27273.解：對于直流電動機，

故該電機的額定電流答案2024/12/2728解：故該電機的額定電流討論：此處為什么沒有？答案2024/12/27295.解：電機的額定輸入功率

額定電流直流電機的銘牌數(shù)據(jù)2024/12/2730《電機原理及拖動》

第4版空載：

直流電機的空載磁場是由流過勵磁繞組的電流If產(chǎn)生的，它是直流電機中的主要磁場。第二節(jié)直流電機的空載磁場2024/12/2732

極軸線：磁極平分線幾何中性線：相臨兩磁極極軸線的平分線。物理中性線：氣隙磁密由正到負(fù)過零的分界線。注意：幾何中線與物理中線不一定重合！主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：走漏磁路的磁通一、電機磁路中的磁通分布（2極）2024/12/2733NSSN幾何中性線極軸線極距主磁通漏磁通電機磁路中的磁通分布（4極）2024/12/2734N極鐵芯－氣隙－電樞齒－電樞軛－相鄰S極電樞齒－氣隙－S極鐵芯－定子軛－回到N極.構(gòu)成閉合路徑二、直流電機磁路2024/12/2735主磁路的分段：全電流定律簡化：（1-1）（1-2）主磁路分析2024/12/2736氣隙電樞齒電樞軛主磁極定子軛封閉回路中包含Nf匝線圈的2倍（1-3）前面圖中封閉回路總磁勢各段磁壓降為：即主磁路分析2024/12/2737這個關(guān)系即直流電機的磁化曲線121.11~1.35飽和系數(shù)：

：氣隙磁勢：總磁勢：鐵心飽和引起磁勢增加主磁路分析2024/12/2738當(dāng)勵磁電流不變時：平均磁通密度：極距：鐵心長度每極磁通與平均磁密的關(guān)系：氣隙磁通密度分布波形2024/12/2739e，Bπ2πωtαeπ2πωt氣隙磁密與線圈電勢刷間電勢空載時的氣隙磁通密度為一平頂波2024/12/27401.何謂飽和現(xiàn)象？電機的磁路為什么會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象?飽和對電機運行性能有何影響？2.磁路如圖所示，由兩段鐵心加兩段氣隙構(gòu)成，氣隙長度δ=1mm。鐵心材料為硅鋼片,氣隙磁場強度Hδ＝9.6×104A/m。線圈匝數(shù)N=1000，通入的電流I=0.2A。試求磁路中鐵芯磁勢。答答三、習(xí)題2024/12/27411.答：磁導(dǎo)率隨著H增大而減小，即磁阻增大的現(xiàn)象叫做飽和現(xiàn)象。電機磁路中由于有非線性鐵磁材料，所以會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于飽和現(xiàn)象的存在，使電機設(shè)計時對H和B的值不能取得過高，材料利用率受到限制，勵磁電流需要增大。答案2024/12/27422.解：總磁勢＝NI＝1000×0.2＝200A氣隙磁勢＝2Hδlδ＝2×9.6×104×0.001

＝192A鐵芯磁勢＝200－192＝8A結(jié)論：氣隙磁勢>>鐵芯磁勢答案2024/12/27432024/12/2744第三節(jié)

直流電機的電樞繞組電樞繞組:直流電機的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一,是直流電機的電路部分，亦是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。因為重要，故稱為電樞繞組。電樞繞組的構(gòu)成要求：1.能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動勢，并允許通過一定量的電樞電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率；2.還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。2024/12/2745電機繞組分類與電樞繞組形式直流電機繞組電樞繞組2024/12/27461.有關(guān)技術(shù)術(shù)語及繞組元件1）極軸線2）幾何中線3）極距：相鄰極軸線沿電樞表面的圓弧距離，通常用槽數(shù)表示，如：

2024/12/27474）元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，兩端分別與兩個換向片連接的線圈，分單匝和多匝兩種。單匝多匝有效邊1.有關(guān)技術(shù)術(shù)語及繞組元件2024/12/2748元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。首端末端1.有關(guān)技術(shù)術(shù)語及繞組元件2024/12/2749y1必須是整數(shù)1.有關(guān)技術(shù)術(shù)語及繞組元件第一節(jié)距y15）繞組節(jié)距2024/12/27505）繞組節(jié)距y=y1-y2＝1第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距ykyk＝y(tǒng)＝11.有關(guān)技術(shù)術(shù)語及繞組元件2024/12/27512.單疊繞組連接原則：單疊繞組的后一個元件緊接著前一個元件嵌放，接完一個元件移過一個槽（也移過一個換向片），后一個元件的首端與前一元件的末端連接在同一個換向片上，最后一個元件的末端與第一個元件的首端連在一起，構(gòu)成閉合繞組。特點：槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1:

y=yk=12024/12/27522.1單疊繞組連接順序圖例:一臺電機P＝2，Z＝S＝K＝16合成節(jié)距＝換向節(jié)距y＝y(tǒng)k＝1第一元件末端與第二元件的首端連接第一節(jié)距：2024/12/27532.2單疊繞組展開圖1123456789101112131416152345678910111213141615+－++－－運動方向NSNSττττ1,5,9.13在幾何中線上同一磁極元件串聯(lián)2024/12/27542.3繞組的并聯(lián)支路電路圖a＝p＝b單疊繞組輸出電勢：一條支路電勢輸出電流：2a條支路電流和2024/12/2755繞組小結(jié)直流電機的電樞繞組為閉合回路。其中：電勢為零；環(huán)流為零。并聯(lián)支路成對出現(xiàn)。并聯(lián)支路對數(shù)=極對數(shù)，即：a＝p。電樞電勢（即刷間電勢）=支路電勢。電樞電流=各支路電流之和。即：電刷成對出現(xiàn)(單疊繞組中，刷對數(shù)=極對數(shù))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2024/12/2756作業(yè)1-8.1-9一臺四極單迭繞組的直流電機。如果取出相鄰的兩組電刷，只用剩下的兩外兩組電刷是否可以？對電機性能有何影響？端電壓有何變化？此時發(fā)電機能供給多大的負(fù)載（用額定功率的百分?jǐn)?shù)表示）；如果有一元件斷線，電刷間的電壓有何變化？電流有何變化？若只用相對的兩組電刷是否能夠運行？若有一極失去勵磁，將會產(chǎn)生什么后果？答答答答2024/12/27571.取出相鄰的兩組電刷2024/12/2758(2)如果有一元件斷線2024/12/2759（3）只用相對兩組電刷不能運行

若只用相對兩組電刷不能運行，因為此時，感應(yīng)電勢與感應(yīng)電勢相抵消，端電壓為零不能發(fā)電。2024/12/2760（4）若有一極失去勵磁

假定一極失去勵磁，在電機的各個磁極中磁通不相等，故在每極下的感應(yīng)電勢也不等，這樣單迭繞組中并聯(lián)的每條支路產(chǎn)生的感應(yīng)電勢不等，因此形成環(huán)流。由于電機繞組電阻很小，環(huán)流將很大使電機過熱。第四節(jié)

直流電機的電樞反應(yīng)直流電機負(fù)載后，電樞繞組有電流通過，該電流建立的磁場簡稱電樞磁場，電樞磁場對主磁場的影響就稱為電樞反應(yīng)。電樞磁場的出現(xiàn)，使主磁極氣隙磁場發(fā)生畸變，即電樞反應(yīng)。各支路電流都是通過電刷引入或引出，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。電樞磁動勢與電樞磁場

右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。假設(shè)勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。電樞NS分界線磁勢為零交軸磁動勢在空間分布引入電樞線負(fù)荷的概念：導(dǎo)體總數(shù)N；導(dǎo)體電流ia；電樞直徑為D，則線負(fù)荷在原點O左右x處取磁力線閉合回路，應(yīng)用全電流定律有整個回路的磁壓降近似為兩個氣隙上磁勢：電樞磁動勢為零電樞磁動勢、磁通密度空間分布電樞展開直流電機負(fù)載時的磁場主極磁場電樞磁場合成磁場1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，得到的負(fù)載電機磁場分布情況如圖。合成磁通密度分布曲線主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線不飽和兩條曲線逐點疊加后得到負(fù)載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線物理中性線偏離幾何中性線飽和時磁阻不為常數(shù)不能簡單疊加這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢

如圖(a)(b)所示。2.當(dāng)電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。交軸磁勢和直軸磁勢分析直流電動機電刷移位NN逆向移刷順向移刷電刷偏移對主磁場的作用電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸去磁、直軸助磁電動機交軸去磁、直軸助磁交軸和直軸去磁以直流電機為例思考電樞反應(yīng)什么時候只有交軸電樞反應(yīng)？什么時候既有交軸又有直軸電樞反應(yīng)？什么情況下直軸電樞反應(yīng)是去（助）磁的？(課堂練習(xí))四極直流電機123456789101112131415161718幾何中線圖示時刻1、10號的上層邊；6、15號的下層邊處在幾何中線上。2024/12/2775第五節(jié)電樞電勢與電磁轉(zhuǎn)矩

電樞電勢：電樞旋轉(zhuǎn)時,主磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢簡稱為電樞電動勢。其值為直流電機正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢，即每個支路里的感應(yīng)電勢。

計算：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感應(yīng)電勢，乘上一個支路里總的導(dǎo)體數(shù)。2024/12/27761.5.1

電樞電勢一根導(dǎo)體在一個極距范圍內(nèi)平均感應(yīng)電勢：Bav：平均磁密；l：導(dǎo)體長度；v：電樞旋轉(zhuǎn)線速度n：電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)：每極磁通2024/12/27771.5.1

電樞電勢)(電動勢常數(shù)為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中每條支路導(dǎo)體數(shù)（每極下導(dǎo)體數(shù)），總導(dǎo)體數(shù)N常數(shù)2024/12/27781.5.1

電樞電勢性質(zhì):

發(fā)電機——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機——反電勢(與電樞電流反方向).（1-18）NN電勢方向2024/12/27791.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(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)矩一根導(dǎo)體的所受平均電磁力：作用在電樞上的總電磁力（N/S極下導(dǎo)體受力方向一致）：2024/12/2780大小:為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)其中1.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩（1-20）2024/12/2781電勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT取決于電機結(jié)構(gòu)，其關(guān)系為：電磁轉(zhuǎn)矩性質(zhì):發(fā)電機——制動(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動機——驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同)。（1-21）1.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩2024/12/27821.5.3

電磁功率

直流電機中機械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為機械能的那部分功率，是由于電和磁的相互作用產(chǎn)生的。2024/12/27831.5.3

電磁功率直流發(fā)電機：原動機克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動作用所做的機械功率等于通過電磁感應(yīng)作用在電樞回路所得到的電功率。直流電動機：從電源吸收的電功率，通過電磁感應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成軸上的機械功率；

從發(fā)電機的角度看：電磁功率是轉(zhuǎn)換成電功率的那部分輸入機械功率

從電動機的角度看：電磁功率是轉(zhuǎn)換成機械功率的那部分輸入電功率。2024/12/2784習(xí)題一臺四極直流發(fā)電機，元件數(shù)S=120，每元件電阻為0.2Ω，當(dāng)空載轉(zhuǎn)速為1000r/min時，此時每個元件的平均電動勢為10V。電樞繞組為單疊繞組，求當(dāng)電機空載時正負(fù)電刷間的電壓U和電樞繞組電阻Ra各為多少？2024/12/2785計算過程解：電樞繞組為單疊繞組時，2a=4，每支路串聯(lián)的元件數(shù)為120/4=30。因此端電壓U和電樞繞組電阻分別Ra為：2024/12/2786習(xí)題一臺二極、82kw、230V、970r/min（固定不變）的直流發(fā)電機的電樞上共有123個元件，每元件為1匝，如果額定運行時的磁通比空載電壓為額定電壓時的磁通多5％，試求電機的額定電磁轉(zhuǎn)矩。2024/12/2787

解：此發(fā)電機的總導(dǎo)體數(shù)N＝123*2*1＝246根電勢常數(shù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)空載電壓為額定電壓時所以則額定負(fù)載時的額定磁通韋電機額定負(fù)載電流A故電機額定電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）2024/12/2788解法二2024/12/2789N支路導(dǎo)體數(shù)＝每極下導(dǎo)體數(shù)《電機原理及拖動》

第4版2024/12/2791第六節(jié)直流發(fā)電機供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復(fù)勵三種方式。直流發(fā)電機的勵磁方式按照勵磁方式直流發(fā)電機的分類（1）他勵發(fā)電機：勵磁電源由其他獨立直流電源提供（2）自勵發(fā)電機：用發(fā)電機本身發(fā)出的電給勵磁繞組供電（3）自勵發(fā)電機又可以分為：并勵發(fā)電機、串勵發(fā)電機、復(fù)勵發(fā)電機2024/12/2792他勵發(fā)電機：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：一、直流發(fā)電機的分類2024/12/2793并勵發(fā)電機：發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖所示并勵直流發(fā)電機的電樞電流等于負(fù)載電流與勵磁電流之和，即：一、直流發(fā)電機的分類2024/12/2794串勵發(fā)電機：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。如圖所示串勵直流發(fā)電機的電樞電流、負(fù)載電流、勵磁電流三者相等，即：一、直流發(fā)電機的分類2024/12/2795復(fù)勵發(fā)電機：并勵和串勵兩種勵磁方式的結(jié)合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。如圖所示一、直流發(fā)電機的分類長分接法短分接法2024/12/2796二、直流發(fā)電機的基本方程式（一）電壓平衡方程式規(guī)定各物理量的參考方向如圖－＋電樞電動勢：為電樞回路總電阻，為正負(fù)電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動勢平衡方程為：從方程式可見直流發(fā)電機2024/12/2797二、直流發(fā)電機的基本方程式（二）電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程直流發(fā)電機軸上有三個轉(zhuǎn)矩：原動機輸入的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩：機械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩為

轉(zhuǎn)矩平衡方程為：2024/12/2798二、直流發(fā)電機的基本方程式（三）功率平衡方程式將（1-23）式兩邊同乘旋轉(zhuǎn)角速度：原動機輸入給發(fā)電機的機械功率為輸入直流發(fā)電機后扣除空載損耗，為電磁功率空載損耗包括：機械摩擦損耗鐵損耗附加損耗2024/12/2799二、直流發(fā)電機的基本方程式（三）功率平衡方程式將（1-22）式兩邊同乘電樞電流：電磁功率是轉(zhuǎn)換出的總功率，他與輸出功率之間還差電樞回路的電阻銅損耗2024/12/27100二、直流發(fā)電機的基本方程式他勵直流發(fā)電機功率流程圖如果是自勵發(fā)電機，還應(yīng)考慮勵磁功率2024/12/27101三、直流發(fā)電機運行特性（一）空載特性定義：當(dāng)n=C1I=0U=f(If)時，空載時，U=Ea。由于因此空載特性實質(zhì)上就是。由于正比于，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。直流發(fā)電機的空載特性是非線性的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。2024/12/27102三、直流發(fā)電機運行特性（一）空載特性Uo＝f(If)

空載特性可以通過實驗的手段得到。電位計接法平均空載特性曲線2024/12/27103三、直流發(fā)電機運行特性（二）外特性定義：當(dāng)n=nNIf=IfN

U=f(I)時，負(fù)載電流增大時，端電壓有所下降。外特性曲線2024/12/27104三、直流發(fā)電機運行特性（二）外特性根據(jù)以下公式可知，發(fā)電機端電壓下降有兩個原因：一、在勵磁電流一定情況下，負(fù)載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；

二、原因是電樞回路上的電阻壓降隨負(fù)載電流增大而增加，使端電壓下降。對于并勵電機：端電壓下降使If下降，去磁作用更明顯，端電壓下降更多。2024/12/27105三、直流發(fā)電機運行特性（三）電壓調(diào)整率從空載到負(fù)載，電壓下降的程度由電壓變化率來表示。U0是空載時的端電壓，一般他勵直流發(fā)電機的電壓變化率約為5％--10%2024/12/27106三、直流發(fā)電機運行特性（二）外特性定義：當(dāng)n=C1

U=C2

If=f(I)時，特性曲線如圖所示轉(zhuǎn)速一定，負(fù)載電流變化時，為維持他勵直流發(fā)電機的端電壓不變，需要調(diào)節(jié)勵磁電流。負(fù)載電流增大，勵磁電流也增大。2024/12/27107四、并勵直流發(fā)電機（一）自勵條件

原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生If

。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確，If產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大，If增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與If

Rf相等時，達(dá)到穩(wěn)定的平衡工作點A。2024/12/27108四、并勵直流發(fā)電機自勵過程

曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻特性曲線也稱場阻線。它的斜率就是在建立正常電壓過程中勵磁電流在上升：增大Rf

，場阻線變?yōu)榍€4時，Rf稱為臨界電阻，與空載特性直線部分重合電機沒有穩(wěn)定運行點。2024/12/27109四、并勵直流發(fā)電機自勵過程

若再增加勵磁回路電阻，場阻線變?yōu)榍€3時，它可以在很低的穩(wěn)定點上運行（見書上B點），不能建立正常輸出電壓，發(fā)電機將不能自勵。2024/12/27110并勵直流發(fā)電機自勵的特征發(fā)電機自勵時的穩(wěn)定點為勵磁回路場阻線與空載特性的交點。電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，空載特性曲線改變，穩(wěn)定工作點也改變。不同的轉(zhuǎn)速，具有不同的臨界電阻四、并勵直流發(fā)電機2024/12/27111并勵直流發(fā)電機自勵條件（1）電機的主磁路有剩磁，可通過“充磁”獲得（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確，使勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向與剩磁方向一致（3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻四、并勵直流發(fā)電機2024/12/27112并勵直流發(fā)電機的空載特性并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。但是由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。四、并勵直流發(fā)電機2024/12/27113并勵直流發(fā)電機外特性并勵發(fā)電機的外特性U=f(I)與他勵相比，下降更快。因為除了有他勵電機的兩個下降因素外，還因為電壓下降會導(dǎo)致勵磁電流的降低，在電壓下降較大時勵磁電流明顯減小磁路退出飽和，外特性出現(xiàn)“拐彎”（見書圖中1-27）所以并勵電機外特性有以下特點：(1)負(fù)載增大時，端電壓下降較快；(2)外特性有拐彎現(xiàn)象;四、并勵直流發(fā)電機2024/12/27114并勵直流發(fā)電機外特性當(dāng)負(fù)載電阻減到一定程度，由于勵磁電流下降導(dǎo)致電壓降低，負(fù)載電流會隨著負(fù)載電阻的減小而減小，當(dāng)負(fù)載電阻為零時電壓為零，只有剩磁電壓產(chǎn)生的短路電流。四、并勵直流發(fā)電機2024/12/27115直流發(fā)電機的小結(jié)（1）三個平衡式，以及E>U的發(fā)電狀態(tài)判據(jù)；（2）發(fā)電機的勵磁方式；（3）不同勵磁方式對工作特性的影響。五、直流發(fā)電機的小結(jié)《電機原理及拖動》

第4版2024/12/27117第七節(jié)直流電動機直流電動機完成的是電能向機械能的轉(zhuǎn)換。與直流發(fā)電機相同，直流電動機的勵磁方式可以是他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。本節(jié)以他勵直流電動機為例，推導(dǎo)直流電動機的基本方程式。2024/12/27118一臺直流電機既可作為發(fā)電機運行，又可作為電動機運行，這就是直流電機的可逆原理。以他勵電機為例，一臺他勵直流發(fā)電機并聯(lián)于直流電網(wǎng)上運行，U保持不變，減少原動機的輸出功率，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)n下降到一定程度時，使得Ea=U，此時I=0

,發(fā)電機輸出的電功率P2=0，原動機輸入的機械功率僅僅用來補償電機的空載損耗po。一、直流電機的可逆原理2024/12/27119保持發(fā)電機的U不變，繼續(xù)降低原動機的n，將有Ea<U

,

Ia反向，這時電網(wǎng)向電機輸入電功率，電機進入電動機狀態(tài)運行。同理，上述的物理過程也可以反過來，電機從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機狀態(tài)。一、直流電機的可逆原理2024/12/27120一、直流電機的可逆原理2024/12/27121一、直流電機的可逆原理2024/12/27122按電動機慣例規(guī)定各物理量的參考方向如圖。在外加電壓作用下，電樞順電壓U的方向流過電流，電流在磁場中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體切割主磁場產(chǎn)生一個與電流方向相反的電動勢電壓平衡方程式：

（1-31）

二、直流電動機的基本方程2024/12/27123二、直流電動機的基本方程（一）電動機轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流電機通電后，電樞電流磁場中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在克服了機組摩檫阻轉(zhuǎn)矩T0

后，轉(zhuǎn)換為輸出的機械轉(zhuǎn)矩T2

拖動生產(chǎn)機械作功。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

與輸出轉(zhuǎn)矩T2相等時，電機達(dá)到穩(wěn)定平衡有：

（1-32）2024/12/27124二、直流電動機的基本方程（二）功率平衡方程式將式（1-31）兩邊同乘Ia：將式（1-32）兩邊同乘角速度：

2024/12/27125二、直流電動機的基本方程（三）他勵直流電動機功率流程圖2024/12/27126三、直流電動機的特性運行特性轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性效率特性機械特性電壓、勵磁、轉(zhuǎn)子電樞回路總電阻均為常數(shù)的情況下，電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。分為自然機械特性和人工機械特性。2024/12/27127三、直流電動機的工作特性（一）轉(zhuǎn)速特性定義：當(dāng)U=UN、I=IfN時，n=f(Ia)由電壓平衡方程式可得：忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化。如圖紅線所示。2024/12/27128三、直流電動機的工作特性（二）轉(zhuǎn)矩特性定義：當(dāng)U=UN、I=IfN時，T=f(Ia)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。2024/12/27129三、直流電動機的工作特性（三）效率特性定義：當(dāng)U=UN、I=IfN、

Rc=0時，=f(Ia)由效率定義可得由于分母中的勵磁電流較電樞電流小很多可不計，附加損耗不計，則上式可寫成2024/12/27130三、直流電動機的工作特性（三）效率特性空載損耗不隨負(fù)載變化，稱為不變損耗，當(dāng)負(fù)載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時電機銅損快速增大，此時效率降低。繪出效率曲線如圖所示。2024/12/27131三、直流電動機的工作特性（三）效率特性效率最大值即不變損耗等于可變損耗時，電機效率最高。通常電機效率的最大值在75％－100％負(fù)載范圍。（可以據(jù)此估算電樞繞組電阻）估算例題1-12024/12/27132三、直流電動機的工作特性（四）直流電動機的機械特性電壓、勵磁、轉(zhuǎn)子電樞回路總電阻均為常數(shù)的情況下，電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線2024/12/27133三、直流電動機的工作特性（四）直流電動機的機械特性直流電動機的固有機械特性當(dāng)電壓為額定值、勵磁電流為額定值（不計電樞反應(yīng)）、轉(zhuǎn)子電樞回路外串電阻為零的情況下，電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線稱為直流電動機的固有機械特性曲線，也稱作自然機械特性曲線。2024/12/27134三、直流電動機的工作特性（四）直流電動機的機械特性直流電動機的自然機械特性2024/12/27135三、直流電動機的工作特性（四）直流電動機的機械特性獲得自然機械特性曲線兩個特殊點：空載點（T=0，n＝n0）額定工作點（T＝TN，n＝nN）利用額定數(shù)據(jù)UN、IN、nN、Ra其中電樞回路電阻可通過查表或估算得到計算出書中例題1-12024/12/27136四、串勵直流電動機的工作特性串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組是串聯(lián)的，因此勵磁電流隨著負(fù)載變化。這是串勵電機的主要特點。串勵電機的機械特性很軟，當(dāng)負(fù)載電流較小時，電機磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關(guān)系。即：從公式2024/12/27137四、串勵直流電動機的工作特性（一）轉(zhuǎn)速特性當(dāng)負(fù)載電流為零時，電機轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵電動機不宜輕載或空載運行。轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)負(fù)載電流較大時，磁路飽和，串勵電動機的工作特性與他勵電動機相同。2024/12/27138四、串勵直流電動機的工作特性（二）串勵直流電動機的機械特性1.當(dāng)磁路不飽和時2.當(dāng)磁路飽和時與他勵直流電動機的特性曲線基本一致。2024/12/27139五、復(fù)勵電動機的機械特性串勵的機械特性曲線特點：啟動轉(zhuǎn)矩比較大，適合負(fù)載、重載啟動；正常工作，轉(zhuǎn)速降比他勵稍大（R0=Rf+Rc）并勵的機械特性曲線特點：啟動轉(zhuǎn)矩比較小，適合空載、輕載啟動；正常工作，轉(zhuǎn)速降下降很大（3個原因）。2024/12/27140五、復(fù)勵電動機的機械特性介于并勵和串勵的機械特性曲線之間，兼有并勵和串勵電動機的優(yōu)點。2024/12/27141六、直流電動機的小結(jié)（1）三個平衡式，以及U>E的電動狀態(tài)判據(jù)；（2）不同勵磁方式對工作特性的影響（特性軟硬度不同）；（3）電動機的機械特性方程式?！峨姍C原理及拖動》

第4版2024/12/27143第八節(jié)直流電機換向直流電機電樞繞組的某一個元件經(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。元件中電流從＋ia到－ia所經(jīng)歷的時間稱為換向周期Tk。換向周期通常0.2-2ms。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程。假定換向片的寬度等于電刷的寬度換向周期Tk:2024/12/27144電刷僅與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示。電樞移到電刷與換向片1、2接觸面積相同時，元件1中沒有電流。電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如圖所示。一、換向過程2024/12/27145（一）換向元件中的電動勢：自感電動勢eL和互感電動勢eM

：換向元件在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的電抗電勢er根據(jù)楞次定律，電抗電勢的方向阻止換向電流的變化，因此er的方向必與換向前的元件電流ia

的方向一致。二、換向的電磁理論2024/12/27146切割電動勢ea：（旋轉(zhuǎn)電勢）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，