直流電機原理與技術(shù)

1、第第2章章 直流電機直流電機DC Machines結(jié)構(gòu)基本原理電磁關(guān)系一、一、 直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)風扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋1.1 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 （固定部分）（固定部分） （轉(zhuǎn)動部分）（轉(zhuǎn)動部分）l主磁極l換向極l機座l端蓋l軸承l(wèi)電刷裝置產(chǎn)生磁場、電機的機械支撐產(chǎn)生磁場、電機的機械支撐 電樞鐵心 電樞繞組 換向器 軸 風扇感應(yīng)電勢，而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)感應(yīng)電勢，而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分換的部分 1.2 直流電機的磁路直流電機的磁路電樞鐵心 由05mm厚的硅鋼片疊裝而成，用作磁路及嵌放電樞繞組。鐵芯外緣均勻沖有槽和齒。電樞繞組元件嵌入槽中，用槽楔

2、固定 。1.2 直流電機的磁路直流電機的磁路電樞鐵心由05mm厚的硅鋼片疊裝而成，用作磁路及嵌放電樞繞組。鐵芯外緣均勻沖有槽和齒。電樞繞組元件嵌入槽中，用槽楔固定 。1.2 直流電機的磁路直流電機的磁路磁極鐵心由l-1.5mm厚的鋼片疊成，與勵磁線圈一起固定在磁軛上 極靴表面沿圓周的長度稱為極弧，二個相鄰磁極上沿空氣隙圓周表面的距離稱為極距，極弧與極距比為極弧系數(shù)，約0.60.7 極靴靴極靴較磁極極芯向外引伸，使空氣隙中的磁通密度沿圓周變化時較為緩漸而均勻，有利于固定勵磁線圈 由于齒槽效應(yīng)，表面磁通變化引起渦流損耗，極靴由疊片制成 磁軛在磁極外圍將磁路閉合的部分，磁軛和底座相連 其中磁通不變（

3、當直流勵磁電流不變時），由鑄剛構(gòu)成換向極磁路換向極，是位于兩個主磁極之間的小磁極，用于改善換向。換向極常用整塊鋼或厚鋼板制成 換向極的數(shù)目一般與主磁極相等。在小功率直流電機中，換向極數(shù)量通常只有主磁極的一半，或不設(shè)置換向極 1.3 直流電機的電路直流電機的電路l勵磁繞組勵磁繞組 套在磁極鐵芯上。并勵繞組和電樞繞組并聯(lián)，匝數(shù)較多、截面積較小串勵繞組和電樞繞組串聯(lián)，匝數(shù)較少，截面積較大從電阻和能量消耗的角度考慮l電樞繞組電樞繞組 嵌在電樞鐵芯槽中疊繞組和波繞組l換向極繞組換向極繞組 與電樞繞組串聯(lián)，激勵換向極磁通。 l 換向器換向器將將電樞繞組內(nèi)部的交流電勢用機械換接的方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電勢。

4、1.4 電刷裝置電刷裝置l電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（固定在定子上）接通外電路1.將轉(zhuǎn)動的電樞與外電路相連2.與換向器配合作用而獲得直 流電壓 電刷組數(shù)一般等于電機極對數(shù) 1.5 直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式l直流電機勵磁方式，即勵磁繞組與電樞繞組的連接方式，對電機的運行特性有大的影響l他勵勵磁由另外獨立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接l自勵勵磁繞組與電樞繞組相連接，勵磁電流由發(fā)電機本身供給 自勵的形式勵磁回路的功率占總功率的1-5%。二、二、 直流電機電樞繞組直流電機電樞繞組二、直流電機電樞繞組二、直流電機電樞繞組l作用：電樞繞組功率繞組功率繞組。當電樞繞組在

5、磁場中旋轉(zhuǎn)時將感應(yīng)電勢，當電樞繞組中流通電流時，電流和氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組通過電樞繞組直流電機進行電功率和機械功率的轉(zhuǎn)換直流電機進行電功率和機械功率的轉(zhuǎn)換。 l特點：直流繞組是閉合繞組直流繞組是閉合繞組。每個元件的兩端點分別連接在兩換向片上，每個換向片連接兩個元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。用環(huán)型繞組說明直流繞組的閉合情況用環(huán)型繞組說明直流繞組的閉合情況電樞旋轉(zhuǎn)時，各線圈依次通過電刷作為引出端各線圈依次通過電刷作為引出端 2.1 雙層繞組雙層繞組l線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。l兩邊電勢相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的

6、極面下，線圈的跨距線圈的跨距約約等于一個極距等于一個極距。l線圈對稱排列：當一線圈的一個邊在某槽中占有上層位置時，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。 虛槽概念虛槽概念l在大型電機中、每層可能有每層可能有N個并列圈邊個并列圈邊為了改善電機的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。每層有3個圈邊實槽虛槽CZZeZeKS每一元件有兩個圈邊，每一換向片上接有兩個圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個圈邊，元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，也等于虛槽數(shù) 每線圈有Nc匝，則總導(dǎo)體數(shù)NNcZeCNcZN22ZeKS2.2 直流繞組的節(jié)距直流繞組的節(jié)距l(xiāng)第一節(jié)距y1元件的寬度

7、，虛槽數(shù)，兩個圈邊之間的距離l第二節(jié)距y2聯(lián)至同一換向片的兩個圈邊之間的距離 l合成節(jié)距y緊相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)圈邊在電樞表面的跨距 l換向器節(jié)距yk每一線圈兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示pZye21保證繞組能循序串聯(lián)021yyyyyk2.3 單疊繞組單疊繞組l每個元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個繞組元件相對前一個繞組元件僅移過一個槽。右行左行1kyy1kyy例：繞組例：繞組20虛槽，四極，雙層虛槽，四極，雙層為獲得對稱的繞組，每元件連接的兩換向片的分界線與元件軸線重合為獲得對稱的繞組，每元件連接的兩換向片的分界線與元件軸線重合415542021121yyy

8、pZeyyyk第二節(jié)距第一節(jié)距單疊右行由右手定則判電流方向在電樞幾何中心線上的元件邊感應(yīng)電勢為0例：繞組例：繞組20虛槽，四極，雙層虛槽，四極，雙層電刷被電刷短路，處于換向狀態(tài)并聯(lián)支路數(shù)2a=2p N極 S極 S極 N極直流繞組是閉合繞組每一極面下的元件串聯(lián)成一支路每支路中一個元件被電刷短路，處于換向狀態(tài)中在整個閉合回路中，感應(yīng)電勢總和為0，繞組內(nèi)部無環(huán)流電刷數(shù)等于極數(shù)。同極性的電刷連接形成一個“極”電刷之間的引出電勢為每一支路個元件的電勢和電刷放置法電刷放置法l使電刷間導(dǎo)出的電勢有最大值l使與電勢為零的元件所連接的換向片相連接當導(dǎo)體轉(zhuǎn)至交軸時，感應(yīng)電勢為零，電刷應(yīng)與處于交軸位置的導(dǎo)體相連如導(dǎo)

9、體對稱，則磁極的幾何中心線處為電刷位置換向繞組的繞組軸線、磁極軸線和電刷位置在同一位置上。 N2.4 單波繞組單波繞組l每一繞組元件的出發(fā)點和終端不在相鄰的兩換向片上，而相隔近似為一個極距l(xiāng)相鄰兩元件相隔近似一對極距l(xiāng)連接p個元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個槽pky1例：電樞繞組例：電樞繞組19槽，四極槽，四極454192921191221yyypZypkye第二節(jié)距第一節(jié)距單波左行例：電樞繞組例：電樞繞組19槽，四極槽，四極只有兩條并聯(lián)支路：所有N極下的導(dǎo)體并聯(lián)為一支路，所有S極下的并聯(lián)為另一支路。2a=2電刷數(shù)原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷電刷位置：應(yīng)與電勢為零的元件所

10、連接的換向片相連2.5 單疊繞組和單波繞組的差別單疊繞組和單波繞組的差別l單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構(gòu)成一支路，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)電樞間電勢較下，電樞電流較大，稱并聯(lián)繞組l單波繞組：N極下上層的繞組元件串聯(lián)為一支路，S極下的串聯(lián)為另一支路，并連支路數(shù)恒等于2電刷間電勢較大，電樞電流較下，稱串聯(lián)繞組。NNSS疊繞波繞三、三、 直流電機的簡單工作原理直流電機的簡單工作原理三、直流電機的簡單工作原理三、直流電機的簡單工作原理l旋轉(zhuǎn)電樞式的直流電機電樞旋轉(zhuǎn)、磁極固定，帶有換向器磁極定子電樞線圈轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)換向片靜止電刷通過換向片，電刷1總與位于N極下的導(dǎo)體相連，極性為正電刷2與位于S極下的導(dǎo)體相連

11、，極性為負3.1 單線圈導(dǎo)體的感應(yīng)電勢單線圈導(dǎo)體的感應(yīng)電勢l電刷l、2間的電勢e12為一含有很大脈動分量的直流電勢，如單相全波整流一樣。電勢和電流脈動的很大電勢和電流脈動的很大 3.2 兩線圈串聯(lián)后的合成電勢兩線圈串聯(lián)后的合成電勢l與原有線圈相距90電角度再設(shè)置一個線圈，其兩端各接有換向片，并與原有換向片A、B相距90電角度，換向器包含4片換向片，相鄰換向片間各相距90電角度。l當電樞旋轉(zhuǎn)時，兩個線圈的感應(yīng)電勢在時間相位上相距90電角度 當有足夠多的線圈和換向片時，可獲得穩(wěn)定直流電勢。若電機每極下的導(dǎo)體數(shù)大于8，電勢脈動幅度可小于1% 直流發(fā)電機實質(zhì)是帶換向器的交流發(fā)電機電樞繞組的感應(yīng)電動勢電

12、樞繞組的感應(yīng)電動勢l電樞繞組的感應(yīng)電勢電樞繞組的感應(yīng)電勢電機正、負電刷之間的電勢，即每一并聯(lián)支路的電勢。位于電刷之間固定位置的各個導(dǎo)體的感應(yīng)電勢之和 假設(shè)電樞導(dǎo)體是連續(xù)均勻分布的，則電勢為恒定的直流電勢 1 電樞繞組的感應(yīng)電勢電樞繞組的感應(yīng)電勢l設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為W，有2a條并聯(lián)支路，則每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體為W2al電刷間的感應(yīng)電勢為每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢之和 avaWjjaeaWeE221nCnWapEanpnplBlvBenpnDvvlBeavavavaav6060260260260則，運動線速度為導(dǎo)體有效長度為，假設(shè)平均磁密為直流電機的感應(yīng)電勢與每極磁通量及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如將每極磁通量

13、保持不變，直流電機的感應(yīng)電勢將和轉(zhuǎn)速成正比。如將轉(zhuǎn)速保持不變，直流電機的感應(yīng)電勢將和每極磁通量成正比。電刷間的感應(yīng)電勢僅和極面下的總磁通量有關(guān)，而和極面下磁通密度的分布情況無關(guān) n 電刷在交軸，如果移動電刷位置，則支路中一部分導(dǎo)體的感應(yīng)電勢將因方向相反而互相抵消，導(dǎo)致電刷間電勢Ea的減小。n使用負載時的每極磁通，得負載時電刷感應(yīng)電勢Ea。n當負載時，由于電樞回路的電阻電壓降，直流發(fā)電機電刷間的端電壓U比負載時的電刷電勢Ea小 磁通導(dǎo)體間包括的每極有效為相鄰兩電刷所連接的nCEea解釋電刷位置偏移對電勢的影響解釋電刷位置偏移對電勢的影響電刷偏移后，極面下電刷間包含的磁通量減小2 直流發(fā)電機的平衡

14、方程式直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機IaILfLaIIIUrIUEaaa2U每一電刷的接觸電壓降電刷接觸電阻隨電流的增大而減小，通常假定為常數(shù)，當用石墨電刷或碳石墨電刷時，取為1V 電壓平衡式2 直流發(fā)電機的平衡方程式直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機IaIL功率平衡式功率平衡式bafaaafLaaMpppPUIrIUIUIIEP222電磁功率輸入功率pppPPFemecM1空載損耗空載損耗負載損耗負載損耗ra:串接在電樞回路中各種繞組的總電阻，如電樞繞組、串勵繞組和換向極繞組等。附加損耗產(chǎn)生P的原因電樞存在齒槽，使氣隙磁通發(fā)生脈動，在電樞鐵心、主極鐵心和極靴表面中產(chǎn)生脈動損耗電樞反應(yīng)使磁場畸

15、變產(chǎn)生的額外電樞損耗電樞拉緊螺栓在磁場中旋轉(zhuǎn)引起的鐵耗由換向電流產(chǎn)生的損耗3 直流電動機的平衡方程式直流電動機的平衡方程式 IaIIa電壓平衡式UIIUEaaa2電流平衡式（并勵時）faIII3 直流電動機的平衡方程式直流電動機的平衡方程式 IaIIa功率平衡式（并勵時）)()2(221pppPPppUIUIrIUIIEPpUIUIUIUIPFemecMbaaaaaaaaMfafa輸出機械功率電磁功率輸入電功率并勵回路損耗電樞回路銅損電刷接觸電損耗機械損耗鐵損耗雜散損耗電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)流過電刷的電流為Ia電樞導(dǎo)體中的電流是Ia2a設(shè)電樞

16、直徑為Da，電樞導(dǎo)體的有效長度為l電樞總的電磁轉(zhuǎn)矩 aaavaaavavaajajjajjIappaIlBDaIlBTDaIlBDFTaIlBF2222222222aTavWjjICwTTT11 直流發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩平衡直流發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩平衡并勵發(fā)電機IaIL轉(zhuǎn)矩平衡式輸入機械轉(zhuǎn)矩11PT電磁轉(zhuǎn)矩aTaaaMICInnWapIEPT6026001TTT2 直流電動機的轉(zhuǎn)矩平衡直流電動機的轉(zhuǎn)矩平衡 IaIIa轉(zhuǎn)矩平衡式02TTTaaaMIapNIEPT222PTpppTFemec0思考題思考題l電刷之間的感應(yīng)電勢與某一導(dǎo)體的感應(yīng)電勢有什么不同 l各種數(shù)量之間的相互關(guān)系：導(dǎo)體總數(shù)、換向片數(shù)、元件數(shù)、圈邊

17、數(shù)、槽數(shù)、每元件匝數(shù)、每一槽中并列圈邊數(shù) 思考題思考題l一臺六極電機原為單波繞組，加改繞成單疊繞組，并保持元件數(shù)、導(dǎo)體數(shù)、每元件匝數(shù)、每槽并列圈邊數(shù)不變，問該電機的額定容量要不要改變不要改變?其它額定量要不要改變要改變 答：單波時，并聯(lián)支路數(shù)恒為2，設(shè)導(dǎo)體額定電流為I，則電刷的電流為2I；電刷間感應(yīng)電勢為Ea=E2。 單疊時，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，2a=2p=6，則電刷的電流為6I；電刷間電勢為Ea=E6=E2/3。nCnWapEea60思考題思考題l有一四極直流電機，電樞為單疊繞組，如發(fā)生以下故障：（1）有一主磁極失磁；（2）有一對相鄰電刷跌落試分析電機會發(fā)生什么現(xiàn)象？直流發(fā)電機的運行特性直流

18、發(fā)電機的運行特性1 直流發(fā)電機的平衡方程式直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機IaILfLaIIIUrIUEaaa2U每一電刷的接觸電壓降電刷接觸電阻隨電流的增大而減小，通常假定為常數(shù)，當用石墨電刷或碳石墨電刷時，取為1V 電壓平衡式1 直流發(fā)電機的平衡方程式直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機IaIL功率平衡式功率平衡式bafaaafLaaMpppPUIrIUIUIIEP222電磁功率輸入功率pppPPFemecM1空載損耗空載損耗負載損耗負載損耗ra:串接在電樞回路中各種繞組的總電阻，如電樞繞組、串勵繞組和換向極繞組等。附加損耗產(chǎn)生P的原因電樞存在齒槽，使氣隙磁通發(fā)生脈動，在電樞鐵心、主極鐵心和極

19、靴表面中產(chǎn)生脈動損耗電樞反應(yīng)使磁場畸變產(chǎn)生的額外電樞損耗電樞拉緊螺栓在磁場中旋轉(zhuǎn)引起的鐵耗由換向電流產(chǎn)生的損耗1 直流發(fā)電機的平衡方程式直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機IaIL轉(zhuǎn)矩平衡式輸入機械轉(zhuǎn)矩11PT電磁轉(zhuǎn)矩aTaaaMICInnWapIEPT6026001TTT2 他勵發(fā)電機的特性他勵發(fā)電機的特性l勵磁電流不隨負載電流變化勵磁電流不隨負載電流變化l勵磁可調(diào)勵磁可調(diào)，電壓調(diào)節(jié)范圍大，適用于要求電壓廣泛可調(diào)的應(yīng)用場合。工業(yè)上低壓（4-24V）及高壓（600V）以上均為他勵。如何改變電機端電壓極性？如何改變電機端電壓極性？取決于電樞電勢的方向，改變轉(zhuǎn)向，而磁通方向不變1.改變磁通方向，而轉(zhuǎn)向

20、不變nCEea他勵時的空載特性他勵時的空載特性0)(0LfIIfU，空載特性空載特性通過磁路計算，或空載實驗得到。即電機的磁化曲線負載特性負載特性假設(shè)電樞反應(yīng)的去磁作用與負載電流成線性正比。如電樞反應(yīng)起助磁作用，則特性三角形應(yīng)翻轉(zhuǎn)，負載曲線比空載曲線高IfU0 U=E-IraEIf1 If1Ira他勵時的外特性他勵時的外特性端電壓下降的因素端電壓下降的因素：電樞回路中引起的電壓降電樞反應(yīng)的去磁作用通常約為005010 constIIfUfL，)(NNUUU 0電壓變化率他勵時的調(diào)節(jié)特性他勵時的調(diào)節(jié)特性l當有負載電流時，為要維持端電壓不變，隨著負載電流的增大，勵磁電流相應(yīng)增大 UINconstU

21、IfILf),(并勵發(fā)電機的特性并勵發(fā)電機的特性l勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)、勵磁電流由發(fā)電機電樞繞組自己供給，隨電樞電壓變化l作為短線路的電源，如同步電機的勵磁機、蓄電磁的充電電源等。如何改變電機端電壓極性？如何改變電機端電壓極性？取決于電樞電勢的方向改變電刷間極性時應(yīng)注意電壓建立的問題。即改變原動機轉(zhuǎn)向時必須改變繞組的相對連接。使感應(yīng)電勢與剩磁方向使感應(yīng)電勢與剩磁方向一致一致2.3.1 并勵時的空載特性并勵時的空載特性l并勵發(fā)電機在空載時，電樞電流等于勵磁電流。由于勵磁電流很小，它流過電樞繞組所產(chǎn)生的電阻壓降和電樞反應(yīng)很小，故空載時的感應(yīng)電勢即可認為是與空載端電壓相等。所以，并勵發(fā)電機的空載特

22、性和它的磁化曲線相同 0)(0LafIIIfU，2.3.2 并勵時的外特性并勵時的外特性端電壓下降的因素端電壓下降的因素電樞回路的電壓降；電樞反應(yīng)的去磁作用；端電壓下降引起的勵磁電流減小。 constIIfUfL，)(電壓變化率約為20%當負載電阻不斷減小時，負載電流IL增加。但當降至某一臨界數(shù)值Icr以后，若負載電阻繼續(xù)減小，則負載電流IL反將逐漸減小。當電樞兩端直接短路，負載電流將降為微小的短路電流Ik。拐拐點點拐點產(chǎn)生的原因拐點產(chǎn)生的原因：負載電阻減小后，一方面使負載電流使負載電流增加增加，端電壓下降；另一方面，端電壓下降后，使勵磁電流減小，電勢下降，使負載電流下降使負載電流下降。當電壓

23、較高時，磁路飽和，勵磁電流對電勢影響不大；（負載電流隨電阻下降而增大）當電流達到臨界值時，磁路退出飽和，勵磁電流的微小變化引起感應(yīng)電勢的較大變化（負載電流下降）短路電流的解釋短路電流的解釋：直接短路時，端電壓U=0，勵磁繞組電壓等于0。勵磁電流為零，感應(yīng)電勢僅為剩磁電勢，并引起短路電流。短路的影響主要在于突然短路的瞬間：由于勵磁繞組有很大的電阻，磁通不能立即變?yōu)榱?，imax可達8-12IN。2.4 串勵發(fā)電機特性串勵發(fā)電機特性空載特性（另外勵磁）外特性場阻線（包括外電阻）串勵發(fā)電機的端電壓當負載變化時很大。3電壓建立過程電壓建立過程端電壓與負載電阻有關(guān)，若負載電阻減小，則端電壓升高；若負載電阻

24、大于一臨界電阻，則電勢不能建立。2.5 復(fù)勵發(fā)電機的特性復(fù)勵發(fā)電機的特性復(fù)勵發(fā)電機的外特性界于并勵發(fā)電機與串勵發(fā)電機外特性之間。復(fù)勵的程度決定于串聯(lián)勵磁與并聯(lián)勵磁的相對強度，并聯(lián)勵磁通常要比串聯(lián)勵磁強的多。 有平復(fù)勵（恰好補償）、超復(fù)勵（過補償）、欠復(fù)勵之分。直流電動機直流電動機 三、三、 直流電動機的作用原理直流電動機的作用原理l電樞繞組和勵磁繞組分別施加直流電源。氣隙中主磁通與電樞電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁力矩為原動力矩，在電磁力矩的作用下，驅(qū)動軸上的機械負載旋轉(zhuǎn)。l電樞繞組感應(yīng)電勢為aTaICIapWT2nCnWapEea603.1 直流電動機的平衡方程式直流電動機的平衡方程式 Ia

25、IIa電壓平衡式UIIUEaaa2電流平衡式（并勵時）faIII3.1 直流電動機的平衡方程式直流電動機的平衡方程式 IaIIa功率平衡式（并勵時）)()2(221pppPPppUIUIrIUIIEPpUIUIUIUIPFemecMbaaaaaaaaMfafa輸出機械功率電磁功率輸入電功率并勵回路損耗電樞回路銅損電刷接觸電損耗機械損耗鐵損耗雜散損耗并勵電動機3.1 直流電動機的平衡方程式直流電動機的平衡方程式 IaIIa轉(zhuǎn)矩平衡式02TTTaaaMIapNIEPT222PTpppTFemec0直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性和工作特性和工作特性4.1 直流電動機的機械特性直流電動機的機

26、械特性l轉(zhuǎn)矩特性l轉(zhuǎn)速特性l轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性（機械特性，T-n曲線）aTaICIapWT2eaaCUrIUn2TCCrCUUnTeae2在不同的勵磁方式下，主磁通隨負載電流的變化不同，導(dǎo)致電機特性的差異。4.2 電動機穩(wěn)定運行電動機穩(wěn)定運行dndTdndTdndTdndT在恒負載轉(zhuǎn)矩條件下，下降的機械特性電動機能穩(wěn)定運行下降的機械特性電動機能穩(wěn)定運行，上升的機械特性電動機不能穩(wěn)定運行。在交點處，轉(zhuǎn)速之上則在交點處，轉(zhuǎn)速之上則TTz4.3 并勵電動機的特性并勵電動機的特性如何改變并勵電動機的旋轉(zhuǎn)方向如何改變并勵電動機的旋轉(zhuǎn)方向：R：分別調(diào)換勵磁繞組或電樞繞組接頭。不能簡單地改變電源極性，因而電磁轉(zhuǎn)

27、矩方向與主磁通和電樞電流方向的有關(guān)。1.轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性勵磁電流勵磁電流 不變。不變。當負載電流很小時，電樞反應(yīng)的去磁作用很小，近似認為主磁通不變，則與電樞電流成線性關(guān)系。當負載電流較大時，電樞反應(yīng)去磁作用使主磁通有所減小，曲線向下彎曲。constrUIffaaTIICT2.轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性負載電流增加，電樞電阻壓降增大，如不計電樞反應(yīng)的去磁作用即主磁通不變，Ea減小一些，Ea=CeIa，則n隨Ea的下降而有所減小，形成向下的機械特性。如考慮電樞反應(yīng)的去磁作用將使每極磁通減少，并勵電動機的轉(zhuǎn)速變化很小。電阻電壓降的影響影響較大，轉(zhuǎn)速特性是略為下傾的。硬特性硬特性eaaCUrIUn2TTCCRn

28、Te2轉(zhuǎn)速降020TCCRnTe實際空載轉(zhuǎn)速4.3并勵電動機的特性3. 機械特性機械特性主磁通由于負載電流去磁作用的影響隨電流增加而略有減小。TCCrCUUnTeae2Ra=0時，稱為自然機械特性硬特性。增加電樞回路串聯(lián)電阻，則機械特性變軟。如改變勵磁電流，則如改變勵磁電流，則If越小時，越小時，空載轉(zhuǎn)速越高，電機特性越軟?？蛰d轉(zhuǎn)速越高，電機特性越軟。如改變電樞電流（但保持勵磁如改變電樞電流（但保持勵磁不變）則機械特性為平行的直不變）則機械特性為平行的直線，線，n0不同，硬度不變。不同，硬度不變。并勵電動機勵磁失磁的分析If=0當勵磁回路斷路時，氣隙中的磁通將驟然降至微小的剩磁，電樞回路中的感

29、應(yīng)電勢也將隨著減小。由于慣性，電機速度不能突變，電樞電流將急劇增加，使電動機嚴重過載。電磁轉(zhuǎn)矩的變化（1）當電樞電流的增加程度不足以補償每極磁通的減小程度時，電磁轉(zhuǎn)矩減小，因而使電動機減速；（2）當電樞電流的增加程度超過每極磁通的減小程度時，電磁轉(zhuǎn)矩將增大，使電動機加速，直至轉(zhuǎn)速上升到危險的高值（達到電壓平衡）。nCnWapEea60aTaICIapWT2UIIUEaaa24.4 串勵電動機的特性串勵電動機的特性afIII轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性一般情況下：轉(zhuǎn)矩按大于電流一次方的比例增加，對起動和過載能力有意義。當負載電流（即勵磁電流）很小時，鐵心處于不飽和狀態(tài)，主磁通隨勵磁成正比增加，即當負載電流較

30、大時，鐵心飽和，主磁通隨勵磁變化較?。ń撇蛔儯?1aITakI22kCkICICTTaTaTaaTIICT4.4 串勵電動機的特性轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性負載較小時，勵磁小，磁路不飽和，主磁通與電流成正比負載較大，在磁路飽和后，主磁通近似不變，隨電流增加轉(zhuǎn)速略有下降akIkCrkICUUneaae2eaaCUrIUn2“飛速”的解釋在滿載或較重負載時，電樞電流較大，If=Ia較大，氣隙磁通較大，電機只需不太高的轉(zhuǎn)速便能產(chǎn)生較高的反電勢與電網(wǎng)電壓平衡。在空載或很輕負載時，If=Ia很小，使主磁通很小，電機必須以很高的轉(zhuǎn)速才能產(chǎn)生反電勢保持電壓平衡。4.4 串勵電動機的特性T3. 機械特性機械特性鐵心飽

31、和后bTaUUkCrTCkCUUneaTe22TCCrCUUnTeae2在工作范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速隨負載電流急劇變化軟特性軟特性。 NNnnn41轉(zhuǎn)速變化率不能在極輕載下運行不能在極輕載下運行適當?shù)剡x擇并勵磁勢和串勵磁勢的相對強弱，可使復(fù)勵電動機具有負載所需要的特性 。以并勵為主的積復(fù)勵以并勵為主的積復(fù)勵：當負載轉(zhuǎn)矩突然增加時，電樞電流增大（電樞反應(yīng)去磁作用增強），串勵磁勢增加，使主磁通增大。使電磁轉(zhuǎn)矩很快的增大以克服突然增大的負載轉(zhuǎn)矩；使反電勢很快的增大以減小電樞電流的沖擊值。 當電樞反應(yīng)去磁作用很強時，仍能使電機有下降的機械特性，保持其穩(wěn)定運行。4.5復(fù)勵電動機的特性復(fù)勵電動機的特性直流電動機的起

32、動、調(diào)速和制動直流電動機的起動、調(diào)速和制動5.1 直流電動機的起動直流電動機的起動起動要求起動要求：足夠的起動轉(zhuǎn)矩一定范圍的起動電流1.起動時間符合生產(chǎn)要求、起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟、可靠。tIa nnIaIst直接起動t=0時，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：損壞電樞繞組、導(dǎo)致?lián)Q向器環(huán)火。隨著速度增加，反電勢增加，電樞電流反而下降。5.2 限制起動電流的起動方法限制起動電流的起動方法變阻器起動起動時，在電樞回路中串入變阻器 ，當轉(zhuǎn)速逐漸上升時，可把起動電阻逐級切除。直流并勵電動機起動時，勵磁回路中串聯(lián)的電阻取較小的值：起動中要求較大的轉(zhuǎn)矩，勵磁回路電阻小，勵磁電流

33、大，勵磁回路電阻小，勵磁電流大， 較大，有利較大，有利起動起動。電機起動后，感應(yīng)電勢建立，使起動電流很快減小。5.3 降壓起動方法降壓起動方法l一般只適用于大容量頻繁起動的直流電動機，須用專門的調(diào)壓電源。l優(yōu)點：起動電流小，起動消耗能量少，升速比較平穩(wěn)。 l在起動過程中，可逐步提升電源電壓，使按需要的加速度上升。在實用中，發(fā)電機-電動機組即采用降壓起動法，其中，發(fā)電機及電動機均采用他勵，以保證起動時有足夠的勵磁電流?！罢髌?電動機”組也采用此方法。6.1 直流電動機的調(diào)速直流電動機的調(diào)速l基本要求：調(diào)速幅度寬廣、調(diào)速連續(xù)平滑、損耗小、經(jīng)濟指標高等。eaaaCURrIUn2電樞回路中的串聯(lián)電阻

34、電樞回路中的串聯(lián)電阻 調(diào)節(jié)勵磁電流以改變每極磁通； 調(diào)節(jié)外施電源電壓U； 電樞回路中引入可調(diào)電阻量Ra。 調(diào)速性能調(diào)速性能：速比：最高與最低速度之比；平滑性或跳級調(diào)速；經(jīng)濟性：損耗、效率調(diào)速設(shè)備簡單、可靠、操作方便等。6.2 并勵電動機的弱磁調(diào)速并勵電動機的弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)勵磁電流以改變主磁通調(diào)節(jié)勵磁電流以改變主磁通 轉(zhuǎn)矩平衡直至在新的轉(zhuǎn)速下達到減小減小，增加，反電勢增加，電機升速增大減小不能突變，則減小勵磁電流減小，主磁通阻增加勵磁回路中串聯(lián)電TIEICTrUEUInCEnraaTaaef2211212EEnn當磁路不飽和，且忽略電樞反應(yīng)的影響和Iara后，212112ffIInn(1)最高轉(zhuǎn)速

35、受機械強度及換向的限制；最高轉(zhuǎn)速受機械強度及換向的限制； (2)最低轉(zhuǎn)速受勵磁繞組本身固有電阻及磁路飽和的限制。最低轉(zhuǎn)速受勵磁繞組本身固有電阻及磁路飽和的限制。 6.3 調(diào)節(jié)電源電壓調(diào)速調(diào)節(jié)電源電壓調(diào)速l在很廣的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且電動機的機械特性硬度保持不變。kUCUCURrIUneeaaa2勵磁恒定時，如他勵勵磁恒定時，如他勵可用于串勵電動機調(diào)速。在電力牽引機車中，常把兩臺串勵電動機從并聯(lián)運行改為串聯(lián)運行，使每臺電動機的端電壓從全壓降為半壓。6.4 調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)速調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)速l效率低l負載轉(zhuǎn)矩較小時，電樞電流小，調(diào)節(jié)作用不大l電動機機械特性變軟，使轉(zhuǎn)速變化率增大eaaaCURrIUn2

36、改變電阻Ra，即相當于改變了電動機的電樞繞組兩端電壓。一般從調(diào)速范圍、連續(xù)平滑性、調(diào)速中電能消耗、設(shè)備投資經(jīng)濟性等方面比較各種調(diào)速的優(yōu)缺點。適用范圍主要指適用于恒轉(zhuǎn)矩或恒功率、有級或無級調(diào)速、適用與大中型或小型電機等。7 直流電動機的制動直流電動機的制動即在轉(zhuǎn)動方向產(chǎn)生阻力矩能耗制動能耗制動nTMABCGH)(MTfn RTfnM串電阻)()(MTfn 制動時，制動轉(zhuǎn)矩由B點開始沿直線BC下降至零制動過程中，電樞電流為電磁轉(zhuǎn)矩 為制動性質(zhì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性為RRnCRREIaeaanRRCCICTaTeaTM22MTeaTCCRRn結(jié)論：制動時，機械特性為過原點的直線制動過程：開始時，由穩(wěn)定運行的工

37、作點A，突然跳到B；此后，制動轉(zhuǎn)矩將隨電機轉(zhuǎn)速的下降而沿BC下降，直至零，轉(zhuǎn)速為零。特點：制動轉(zhuǎn)矩在低速時變化很小，可加上機械制動閘，加快停轉(zhuǎn)。7 直流電動機的制動直流電動機的制動即在轉(zhuǎn)動方向產(chǎn)生阻力矩能耗制動能耗制動nTMABCGH)(MTfn RTfnM串電阻)()(MTfn 制動時，制動轉(zhuǎn)矩由B點開始沿直線BC下降至零制動過程中，電樞電流為電磁轉(zhuǎn)矩 為制動性質(zhì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性為RRnCRREIaeaanRRCCICTaTeaTM22MTeaTCCRRn結(jié)論：制動時，機械特性為過原點的直線制動過程：開始時，由穩(wěn)定運行的工作點A，突然跳到B；此后，制動轉(zhuǎn)矩將隨電機轉(zhuǎn)速的下降而沿BC下降，直至零，

38、轉(zhuǎn)速為零。特點：制動轉(zhuǎn)矩在低速時變化很小，可加上機械制動閘，加快停轉(zhuǎn)。制動電阻RZ俞小，機械特性愈平，制動愈快；如帶位能負載，當電機停止后，將在反方帶位能負載，當電機停止后，將在反方向加速向加速（第四象限，n0）7直流電動機的制動即在轉(zhuǎn)動方向產(chǎn)生阻力矩回饋制動回饋制動當電動機的轉(zhuǎn)速高于某一數(shù)值時，電動機的反電勢E大于電機電源電壓，即 E U，電樞電流將反向，電機進入發(fā)電機的運行狀態(tài)而起制動作用，可限制轉(zhuǎn)速的持續(xù)上升。適用于由串勵電動機 驅(qū)動的升速場合，如電車下坡。為保證勵磁，需將串勵繞組改為他勵，且施加一定的勵磁電壓。此時，機械特性是原特性在第二象限的延伸。7 直流電動機的制動勵磁回路不變，電

39、樞回路反接反接制動反接制動當轉(zhuǎn)速為零時，制動轉(zhuǎn)矩不為零，應(yīng)及時將電源切除，否則將反轉(zhuǎn)。2MTeaaeeaaaeTCCrRCUCRrIUCEn制動機械特性制動機械特性直流電機的換向直流電機的換向 8.1 換向的過程換向的過程 用機械方法強制改變電路連接，使繞組元件在極短時間內(nèi)從條支路移入另一條支路，從而使該繞組元件中的電流從一數(shù)值變換至另一數(shù)值。 對于直流電機而言，換向前的電流和換向后的電流大小相等、方向相反電流方向倒轉(zhuǎn)。 圖b：元件元件1被短路，稱被短路，稱換向元件，元件換向元件，元件1、換向片換向片1、電刷、電刷、換向片換向片2構(gòu)成換向構(gòu)成換向回路，其中電流稱回路，其中電流稱換向電流。換向電

40、流。換向過程的影響：在電刷與換向片間產(chǎn)生火花。有電磁、機械、電化學(xué)、電熱等方面的現(xiàn)象。8.2 換向電路分析換向電路分析1閉合回路存在有多種感應(yīng)電勢； 2回路中換向片和電刷的接觸電阻性質(zhì)較為復(fù)雜。 電抗電勢當換向元件中有電流 I 流過時，會產(chǎn)生交鏈該元件的漏磁通，電流i變化時，漏磁通將隨之變化，在該元件電路中，產(chǎn)生一感應(yīng)電勢電抗電勢er電抗電勢er方向傾向于維持原來的電流不變，即傾向于阻止換向電流i的變化電抗電勢總是阻礙換向的電抗電勢總是阻礙換向的。 由換向元件產(chǎn)生的通過氣隙的磁通，已和非換向元件產(chǎn)生的主磁通一起考慮在電樞反應(yīng)磁通中。電抗電勢只考慮換向電流的漏磁通。自感電勢互感電勢（有多個元件同時換向時）總電抗電勢為換向元件的等效比漏磁導(dǎo) dtdiLessdtdiMemdtdiLdtdiMLeeersmsrAvlNEacr2線速度線速度 電樞線負荷電樞線負荷2. 速度電勢在換向周期內(nèi)，換向元件的