第03章 直流電機

1、課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第三章第三章 直流電機直流電機 本章概述本章概述o實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為電機電機。應(yīng)用旋。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)的方式進行能量轉(zhuǎn)換的電機叫轉(zhuǎn)的方式進行能量轉(zhuǎn)換的電機叫旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)電機，把機械能，把機械能轉(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)電機稱作轉(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)電機稱作發(fā)電機發(fā)電機，根據(jù)電磁原理把，根據(jù)電磁原理把電能轉(zhuǎn)換為機械能的旋轉(zhuǎn)電機稱為電能轉(zhuǎn)換為機械能的旋轉(zhuǎn)電機稱為電動機電動機。o船用電機在船舶的整個電器設(shè)備中占有很大的比例。船用電機在船舶的整個電器設(shè)備中占有很大的比例。一般

2、幾千噸位以上的船舶，電機的總數(shù)量可超過百臺一般幾千噸位以上的船舶，電機的總數(shù)量可超過百臺以上，若為電力推動船舶，電機數(shù)量更多。根據(jù)電流以上，若為電力推動船舶，電機數(shù)量更多。根據(jù)電流種類電機分種類電機分交流電機交流電機和和直流電機直流電機。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5課 件課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室o直流電機是實現(xiàn)機械能和直流電能相互轉(zhuǎn)換的一種旋轉(zhuǎn)直流電機是實現(xiàn)機械能和直流電能相互轉(zhuǎn)換的一種旋轉(zhuǎn)電器裝置。電器裝置。直流電機是可逆的直流電機是可逆的。一臺直流電機既可作為。一臺直流電機既可作為發(fā)電機使用，也可以作為電

3、動機使用。在作為電動機使發(fā)電機使用，也可以作為電動機使用。在作為電動機使用時，它將電能轉(zhuǎn)換為機械能，并且具有良好調(diào)速性能，用時，它將電能轉(zhuǎn)換為機械能，并且具有良好調(diào)速性能，調(diào)速設(shè)備簡單，有較大的起動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，調(diào)速設(shè)備簡單，有較大的起動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，在現(xiàn)代船舶上有時被用在要求起動轉(zhuǎn)矩大調(diào)速性能好和在現(xiàn)代船舶上有時被用在要求起動轉(zhuǎn)矩大調(diào)速性能好和有較大的過載能力的起貨機或電動舵機的電力拖動上。有較大的過載能力的起貨機或電動舵機的電力拖動上。在作為發(fā)電機使用時，它把機械能轉(zhuǎn)換為電能。在作為發(fā)電機使用時，它把機械能轉(zhuǎn)換為電能。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船

4、舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室o直流發(fā)電機早期作為主電源在船舶上普遍應(yīng)用，與交流直流發(fā)電機早期作為主電源在船舶上普遍應(yīng)用，與交流發(fā)電機比較，存在的主要缺點是：電壓不能變換以及結(jié)發(fā)電機比較，存在的主要缺點是：電壓不能變換以及結(jié)構(gòu)復雜，造價高和維護工作量大等。現(xiàn)在大多數(shù)船舶采構(gòu)復雜，造價高和維護工作量大等?，F(xiàn)在大多數(shù)船舶采用交流發(fā)電機替代直流發(fā)電機，但有些船舶仍用直流發(fā)用交流發(fā)電機替代直流發(fā)電機，但有些船舶仍用直流發(fā)電機作為變流機組向直流電力拖動系統(tǒng)提供直流電能。電機作為變流機組向直流電力拖動系統(tǒng)提供直流電能。有些船舶主機軸帶發(fā)電機也是直流發(fā)電機，如有些船舶主機軸帶發(fā)電機也是直流發(fā)

5、電機，如遠洋捕撈遠洋捕撈船的拖網(wǎng)機船的拖網(wǎng)機。所以直流電機仍然是船舶電氣設(shè)備的主要。所以直流電機仍然是船舶電氣設(shè)備的主要類型之一。類型之一。o本章主要介紹，直流電機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、勵磁本章主要介紹，直流電機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、勵磁方式和直流發(fā)電機、直流電動機的基本運行特性等。方式和直流發(fā)電機、直流電動機的基本運行特性等。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第三章第三章 直流電機直流電機本章主要講解內(nèi)容本章主要講解內(nèi)容 第一節(jié)第一節(jié) 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu) 第二節(jié)第二節(jié) 電樞繞組的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)

6、矩電樞繞組的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩 第三節(jié)第三節(jié) 直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性 第四節(jié)第四節(jié) 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性 第五節(jié)第五節(jié) 無刷直流電動機無刷直流電動機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第一節(jié)第一節(jié) 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu) 直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)下面通過觀看一段視頻下面通過觀看一段視頻（第第03章章 直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)）來學來學習電機的結(jié)構(gòu)習電機的結(jié)構(gòu)課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室

7、基本構(gòu)造：基本構(gòu)造： 定、轉(zhuǎn)子定、轉(zhuǎn)子 。電刷、換向器作用：電刷、換向器作用： 起機械整起機械整流器作用流器作用 。后續(xù)基本原理中進一步。后續(xù)基本原理中進一步介紹（元件交流，電刷兩端直流）。介紹（元件交流，電刷兩端直流）。注意：注意：各部件的作用各部件的作用。定子：主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷定子：主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室轉(zhuǎn)子：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風扇轉(zhuǎn)子：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風扇課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪

8、機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室直流電機工作原理直流電機工作原理下面觀看視頻（下面觀看視頻（第第03章章 直流電動機工作原理直流電動機工作原理）課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室直流電機工作原理直流電機工作原理下面觀看視頻（下面觀看視頻（第第03章章 直流發(fā)電機工作原理直流發(fā)電機工作原理）課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室在發(fā)電機在發(fā)電機線圈內(nèi)部線圈內(nèi)部是一個方向不斷改變的是一個方向不斷改變的交變電動勢交變電動勢，而，而電刷電刷之間之間的電動勢則是的電動勢則是方向

9、不變的直流方向不變的直流。注意：在發(fā)電機注意：在發(fā)電機中，換向器起到中，換向器起到整流的作用。整流的作用。(a) (a) 導體導體abab處于處于N N極下極下 (b) (b) 導體導體abab處于處于S S極極下下圖圖 3-1 3-1 直流發(fā)電機的原理圖直流發(fā)電機的原理圖課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室(a)導體ab處于N極下 (b)導體ab處于S極下圖圖3-6 3-6 直流電動機原理圖直流電動機原理圖那么，在電動機那么，在電動機中呢？中呢？課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學

10、院船舶電氣設(shè)備教研室圖圖3-2 3-2 電刷間的電勢電刷間的電勢eOt只有一個線圈只有一個線圈的直流發(fā)電機，電刷間的直流發(fā)電機，電刷間所得的電勢是脈動的，如圖所得的電勢是脈動的，如圖3-2所示所示 圖圖 3-3 3-3 直流電機繞組示意圖直流電機繞組示意圖圖圖3-3是由是由12個線圈組成的電樞繞個線圈組成的電樞繞組示意圖。組示意圖。電刷將電刷將 12 個線圈對稱地分成兩條并個線圈對稱地分成兩條并聯(lián)的支路。聯(lián)的支路。 課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室電刷的位置正確與否電刷的位置正確與否, 將影響到正負電刷間的電動勢將影響到正負

11、電刷間的電動勢E, 從而影響從而影響到到發(fā)電機的電壓發(fā)電機的電壓和和電動機的轉(zhuǎn)速電動機的轉(zhuǎn)速; 同時電刷的位置也影響到電刷同時電刷的位置也影響到電刷下的下的火花火花。確定電刷正確位置的原則是確定電刷正確位置的原則是: 使正負電刷間能獲得最大電動勢。使正負電刷間能獲得最大電動勢。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室圖圖3-5 3-5 電刷偏離幾何中性線示意圖電刷偏離幾何中性線示意圖SN如果電刷位置移動，如果電刷位置移動，偏離偏離幾何中性幾何中性線，如圖線，如圖3-5所示。所示。由于電刷之間各支路中由于電刷之間各支路中并非所有并非所

12、有的的線圈都處于同一磁極下，所以同一線圈都處于同一磁極下，所以同一支路的支路的電勢方向不再相同電勢方向不再相同，電勢相，電勢相互抵消，使總電勢減?。换サ窒?，使總電勢減小；同時被同時被電刷短路電刷短路的線圈也不處在幾的線圈也不處在幾何中性面上，線圈中有電動勢，因何中性面上，線圈中有電動勢，因而有通過電刷的短路環(huán)流，當線圈而有通過電刷的短路環(huán)流，當線圈脫離電刷短路時將產(chǎn)生脫離電刷短路時將產(chǎn)生斷路火花斷路火花。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室為了保證電刷的正確位置，通常在刷架與端蓋或刷架與定子為了保證電刷的正確位置，通常在刷架與端

13、蓋或刷架與定子之間設(shè)置了正確裝配的之間設(shè)置了正確裝配的“標記標記”。在運行管理中應(yīng)經(jīng)常注意。在運行管理中應(yīng)經(jīng)常注意檢查，若發(fā)現(xiàn)刷架松動或移位，應(yīng)按檢查，若發(fā)現(xiàn)刷架松動或移位，應(yīng)按“標記標記”加以校正和固加以校正和固定。定。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室四、直流電機的額定值四、直流電機的額定值1.1.額定容量（額定容量（KWKW）: :是指額定狀態(tài)下是指額定狀態(tài)下, , 發(fā)電機輸出的電功發(fā)電機輸出的電功率率P PN N=U=UN NI IN N, , 或電動機軸上輸出的機械功率或電動機軸上輸出的機械功率P PN N=U=UN

14、 NI IN N N N; ;2.2.額定電流額定電流（A A） ：發(fā)電機輸出的或電動機輸入的額定電流發(fā)電機輸出的或電動機輸入的額定電流I IN N; ;3.3.額定電壓額定電壓（V V） ：端電壓端電壓U UN N; ; 4.4.額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n nN N ：額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速; ;此外此外, , 還有絕緣等級和溫升、工作制和使用條件等還有絕緣等級和溫升、工作制和使用條件等 。5.5. 額定勵磁電壓額定勵磁電壓U UFNFN(V);(V);6.6. 額定工作方式額定工作方式課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第

15、二節(jié)第二節(jié) 電樞繞組的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩 一、電樞繞組的感應(yīng)電勢一、電樞繞組的感應(yīng)電勢 以發(fā)電機為例以發(fā)電機為例 推導思路：推導思路：一根導體感應(yīng)電動勢：一根導體感應(yīng)電動勢：經(jīng)過整理計算，其感應(yīng)電勢的計算公式可以表示為經(jīng)過整理計算，其感應(yīng)電勢的計算公式可以表示為 ： 課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室二、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩二、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩 以電動機為例以電動機為例 推導思路：推導思路：一根導體

16、受力：一根導體受力：經(jīng)過整理計算，其電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式可以表示為經(jīng)過整理計算，其電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式可以表示為 ： 課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室三、直流電機的電磁功率三、直流電機的電磁功率 電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率稱為電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率稱為電磁功率Pm，是電樞電流與電樞電動，是電樞電流與電樞電動勢的乘積，是電樞繞組因切割主磁通而產(chǎn)生的電功率。勢的乘積，是電樞繞組因切割主磁通而產(chǎn)生的電功率。maaPEImPTmTaaaPTCIE I 課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船

17、舶電氣設(shè)備教研室直流電機的損耗直流電機的損耗有以下幾種：有以下幾種：機械損耗機械損耗P PM M、鐵芯損耗、鐵芯損耗P PFeFe、勵磁回路功率、勵磁回路功率P Pf f（即勵磁回（即勵磁回路銅耗路銅耗I If f2 2R Rf f）和電樞繞組的銅損耗）和電樞繞組的銅損耗P PCuCu和附加損耗和附加損耗( (雜散損雜散損耗耗)P)P等等. .在能量轉(zhuǎn)換的過程中必然有損耗。在能量轉(zhuǎn)換的過程中必然有損耗。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室M并勵并勵UIf對于電動機對于電動機faIIIfaUIUIUI即輸入電功率即輸入電功率P1等

18、于勵磁回路損耗等于勵磁回路損耗Pf和電樞回路的輸和電樞回路的輸入功率入功率在電樞回路在電樞回路aaaUEI RIIa2aaaaaUIE IIR即輸入至電樞回路的功率除小部分化作銅損即輸入至電樞回路的功率除小部分化作銅損Pcu，大部分為電磁功率大部分為電磁功率Pm，電磁功率就是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C，電磁功率就是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率的功率。械功率的功率。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室由電磁功率轉(zhuǎn)變而來的機械功率尚不能全部被利用，還需克服由電磁功率轉(zhuǎn)變而來的機械功率尚不能全部被利用，還需克服機械損耗機械損耗PM、鐵芯損耗、鐵芯損耗PFe、附加損耗

19、、附加損耗(雜散損耗雜散損耗)P，才是，才是電動機軸上的輸出功率電動機軸上的輸出功率P2.m2MFe=+PPPPP即課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室當直流發(fā)電機帶負載時，原動機在轉(zhuǎn)軸上輸入的機械功率當直流發(fā)電機帶負載時，原動機在轉(zhuǎn)軸上輸入的機械功率P1應(yīng)與輸出的電功率應(yīng)與輸出的電功率P2和電機內(nèi)部各種損和電機內(nèi)部各種損 相平衡相平衡.即：即：PPPP21對于發(fā)電機對于發(fā)電機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室M并勵并勵UIfIIaafIIIafUIUIUI即電

20、樞回路輸出電功率等于勵磁回路損耗即電樞回路輸出電功率等于勵磁回路損耗Pf和輸出功率和輸出功率P2。來分析電路來分析電路在電樞回路在電樞回路aaaEUI R2aaaaaE IUIIR2mff2c u+=+aaPU IU IIRPPP課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第三節(jié)第三節(jié) 直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性 一、直流發(fā)電機的勵磁方式一、直流發(fā)電機的勵磁方式 直流發(fā)電機的勵磁方式分直流發(fā)電機的勵磁方式分他勵他勵和和自勵自勵，自勵包括自勵包括并勵、串勵和復勵并勵、串勵和復勵。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機

21、工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，直流電機可細分為：根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，直流電機可細分為：他勵電動機：他勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵電動機：并勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵電動機：串勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復勵電動機：復勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在 同一電源上。同一電源上。M他勵他勵UfIfIaUM并勵并勵

22、UIfM串勵串勵UM(短短) 復勵復勵U課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室因為因為E=Cen, 而而與與If之間為磁化曲線關(guān)系之間為磁化曲線關(guān)系, 所以空載特性所以空載特性曲線與磁化曲線相似。曲線與磁化曲線相似。（1） 剩磁電壓剩磁電壓Eor：勵磁電流等于零時：勵磁電流等于零時的開路電壓的開路電壓, 約為約為額定電壓的額定電壓的25。當發(fā)電機空載當發(fā)電機空載(I=0)及保持額定轉(zhuǎn)速不變時及保持額定轉(zhuǎn)速不變時, 電樞電動勢電樞電動勢(或空或空載電壓載電壓U0)與勵磁電流與勵磁電流If之間的關(guān)系之間的關(guān)系E=f(If)。EEor0

23、If（2） 正常工作在正常工作在彎曲彎曲 段段（3）調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)If 可以調(diào)節(jié)發(fā)電機可以調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓電壓二、直流發(fā)電機的空載特性二、直流發(fā)電機的空載特性課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室三、自勵發(fā)電機建壓條件三、自勵發(fā)電機建壓條件（1）發(fā)電機必須有）發(fā)電機必須有剩磁剩磁。若剩磁消失可用外電源充磁。若剩磁消失可用外電源充磁。 （2）勵磁電流產(chǎn)生的磁場要與剩磁）勵磁電流產(chǎn)生的磁場要與剩磁磁場方向相同磁場方向相同。這與。這與 并勵繞組和電樞電路的連接極性及電樞的轉(zhuǎn)動方向并勵繞組和電樞電路的連接極性及電樞的轉(zhuǎn)動方向 有關(guān)。在固定轉(zhuǎn)動方向

24、下，主要決定于兩并聯(lián)電路有關(guān)。在固定轉(zhuǎn)動方向下，主要決定于兩并聯(lián)電路 的連接極性。的連接極性。（3）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。勵磁電阻過。勵磁電阻過 大或發(fā)生斷路時，不能自勵建立正常電壓。大或發(fā)生斷路時，不能自勵建立正常電壓。當然轉(zhuǎn)當然轉(zhuǎn) 速過低速過低，空載特性曲線變低也使兩曲線的交點變，空載特性曲線變低也使兩曲線的交點變 低，而無法建立起正常的電壓。低，而無法建立起正常的電壓。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室分析起壓過程：分析起壓過程：剩磁通剩磁通剩磁電動勢剩磁電動勢勵磁電流勵磁電流

25、fIE勵磁磁場勵磁磁場剩磁磁場剩磁磁場磁場方向一致磁場方向一致穩(wěn)定在穩(wěn)定在A點點EE = f（If）Eor0IfE = IfRffIA3.勵磁電路的電阻要適當。勵磁電路的電阻要適當。自勵發(fā)電機的自勵起壓條件自勵發(fā)電機的自勵起壓條件:1.發(fā)電機要有剩磁；發(fā)電機要有剩磁；2.勵磁電流磁場與剩磁場方向相同；勵磁電流磁場與剩磁場方向相同；4.轉(zhuǎn)速要適當。轉(zhuǎn)速要適當。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室 如果一臺并勵發(fā)電機有剩磁但不能自勵，可以用下列如果一臺并勵發(fā)電機有剩磁但不能自勵，可以用下列兩種方法改正：兩種方法改正： （1）改變電樞

26、繞組與勵磁繞組的相對聯(lián)接；）改變電樞繞組與勵磁繞組的相對聯(lián)接； （2）改變電樞的旋轉(zhuǎn)方向。）改變電樞的旋轉(zhuǎn)方向。注意注意課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室在保持并勵總電阻和額定轉(zhuǎn)速不變的條件下在保持并勵總電阻和額定轉(zhuǎn)速不變的條件下, 發(fā)電機的有載端電壓與負載電流之間的關(guān)系發(fā)電機的有載端電壓與負載電流之間的關(guān)系U=f(I)。直流發(fā)電機電樞電路的電壓平衡方程為直流發(fā)電機電樞電路的電壓平衡方程為UEI Raa四、直流發(fā)電機的外特性四、直流發(fā)電機的外特性電壓變化率計算公式電壓變化率計算公式 課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪

27、機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室1、他勵發(fā)電機、他勵發(fā)電機電樞電流電樞電流Ia等于負等于負載電流載電流I只有電樞電阻引起端電壓的微小變化只有電樞電阻引起端電壓的微小變化課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室2、并勵發(fā)電機、并勵發(fā)電機IIIaf電樞電流電樞電流電樞電阻引起端電壓的下降將進一步電樞電阻引起端電壓的下降將進一步引起并勵電流及感應(yīng)電動勢的減小引起并勵電流及感應(yīng)電動勢的減小, 電電動勢的減小動勢的減小, 又使電壓進一步下降又使電壓進一步下降課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電

28、氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室3、復勵發(fā)電機、復勵發(fā)電機IIIaf電樞電流電樞電流復勵發(fā)電機主磁極上的串勵繞組的勵復勵發(fā)電機主磁極上的串勵繞組的勵磁電流可以是負載電流磁電流可以是負載電流(短復勵短復勵)或電或電樞電流樞電流(長復勵長復勵), 復勵發(fā)電機又分為復勵發(fā)電機又分為積積復勵發(fā)電機復勵發(fā)電機和和差復勵發(fā)電機差復勵發(fā)電機。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室串勵與并勵磁場串勵與并勵磁場方向一致方向一致的的復勵發(fā)電機稱為復勵發(fā)電機稱為積復勵積復勵發(fā)電發(fā)電機機 串勵與并勵磁場串勵與并勵磁場方向方向相反相反的復勵發(fā)電機

29、稱為的復勵發(fā)電機稱為差復勵差復勵發(fā)電機。發(fā)電機。根據(jù)串勵繞組對端電壓的補根據(jù)串勵繞組對端電壓的補償程度又分為償程度又分為平復勵、欠復平復勵、欠復勵和過復勵發(fā)電機。勵和過復勵發(fā)電機。當供電線路較長時，一般采用過復勵。當供電線路較長時，一般采用過復勵。船上采用平復勵船上采用平復勵。差復勵發(fā)電機一般是作為特殊用途的專用電源，例如直流電焊差復勵發(fā)電機一般是作為特殊用途的專用電源，例如直流電焊發(fā)電機、船舶電動舵機、某些起貨機的專用電源發(fā)電機等。發(fā)電機、船舶電動舵機、某些起貨機的專用電源發(fā)電機等。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第四節(jié)第

30、四節(jié) 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性按按勵磁繞組勵磁繞組和和電樞繞組電樞繞組連接方連接方式的不同，直流電動機和直流式的不同，直流電動機和直流發(fā)電機一樣，也可分為四種：發(fā)電機一樣，也可分為四種：他勵電動機、并勵電動機、串他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機。勵電動機和復勵電動機。他勵電動機他勵電動機并勵電動機并勵電動機串勵電動機串勵電動機復勵電動機復勵電動機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室一、直流電動機的基本方程一、直流電動機的基本方程電系統(tǒng)的電勢平衡方程電系統(tǒng)的電勢平衡方程能量轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程能量

31、轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室1.電勢平衡方程電勢平衡方程 參照圖參照圖3-19，不考慮，不考慮 和和 ，根據(jù)基爾霍夫電壓定，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，并勵電動機帶負載運行時的電勢平衡方程為：律，并勵電動機帶負載運行時的電勢平衡方程為： 其中其中 ，而，而 , 由于勵磁電流由于勵磁電流 要遠遠小于負要遠遠小于負載電流載電流 ，所以并勵發(fā)電機電樞電流近似等于負載電流，所以并勵發(fā)電機電樞電流近似等于負載電流，即即 。fRRaaRIEUaaRIUEfaIIIffRU

32、I fIIIIa或或并勵電動機并勵電動機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室a2aaaRIEIUIaaRIEU2.功率平衡方程功率平衡方程其中：其中：P1P1為輸入電功率；為輸入電功率；P Pm m為電磁功率；為電磁功率；P Pcucu為電樞銅損。為電樞銅損。 P1= Pm + Pcu近似近似電磁功率電磁功率P Pm m與軸上輸出的與軸上輸出的機械功率機械功率P2P2和空載和空載損耗功率損耗功率P P0 0（機（機械損耗械損耗P PM M和鐵損和鐵損P PFeFe之和）之間關(guān)系為：之和）之間關(guān)系為： Pm= P2 + P0并勵電

33、動機并勵電動機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室02TTT3.轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程直流電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩保持相平衡直流電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩保持相平衡 6 0wk w*k w= 9 .5 5= 9 .5 5= 9 5 5 02n2nnnn6 0PPPPPPPTT（）（）1 0 0 0（）根 據(jù)， 則課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室二、直流電動機的機械特性二、直流電動機的機械特性將反電動勢將反電動勢E=Ce n代入代

34、入 的電壓的電壓方程中方程中, 并當電樞電路的外串電阻并當電樞電路的外串電阻R=0時時, 可得直流可得直流電動機的轉(zhuǎn)速特性電動機的轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)的表示式的表示式, 即即UEIRRaaaaeUI RnC并勵電動機并勵電動機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系n=f(T)曲線曲線, 稱為機械特性稱為機械特性曲線。曲線。將將Ia=T/(CT )代入上式中代入上式中, 則得自然機械特性關(guān)系式則得自然機械特性關(guān)系式, 即即02aaaeeeTUI RRUnTnkTCCC Cn0

35、： 理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速, ,即即T=0時的轉(zhuǎn)速。時的轉(zhuǎn)速。系數(shù)系數(shù)k = Ra / (CeCT 2)表明特性曲線的斜率。表明特性曲線的斜率。當電樞的外串電阻當電樞的外串電阻 R 0 時時, 斜率斜率k變大變大, 這時的機械特性稱為這時的機械特性稱為人為機械特性。人為機械特性。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室直流電動機的機械特性與勵磁方式有關(guān)：直流電動機的機械特性與勵磁方式有關(guān)： (1)并并(或他或他)勵電動機勵電動機：由于每極磁通、理想空載轉(zhuǎn)速：由于每極磁通、理想空載轉(zhuǎn)速和系數(shù)均為常數(shù)，故轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而降低，如圖和

36、系數(shù)均為常數(shù)，故轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而降低，如圖3-20所示；但由于電樞電阻很小，轉(zhuǎn)速隨負載的所示；但由于電樞電阻很小，轉(zhuǎn)速隨負載的變化不大變化不大，其轉(zhuǎn)速變化率僅為其轉(zhuǎn)速變化率僅為38，故為硬機械特性。適于要求，故為硬機械特性。適于要求恒轉(zhuǎn)速拖動恒轉(zhuǎn)速拖動的生產(chǎn)機械。的生產(chǎn)機械。圖圖3-20 3-20 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性積復勵積復勵0nnkT課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室(2)串勵電動機：由于串勵磁通隨負載的增加而增知，從而使串勵電動機：由于串勵磁通隨負載的增加而增知，從而使轉(zhuǎn)速隨負載的增加而迅速下降，

37、如圖轉(zhuǎn)速隨負載的增加而迅速下降，如圖 3-20所示。所示。該該特性曲線的特點特性曲線的特點是：空載轉(zhuǎn)速非常高，機械特性比較軟。當是：空載轉(zhuǎn)速非常高，機械特性比較軟。當負載轉(zhuǎn)矩較小時，轉(zhuǎn)速將很高，甚至會超出最高限度的數(shù)值，負載轉(zhuǎn)矩較小時，轉(zhuǎn)速將很高，甚至會超出最高限度的數(shù)值，導致電機機械結(jié)構(gòu)的損壞。所以，串勵直流電動機絕對導致電機機械結(jié)構(gòu)的損壞。所以，串勵直流電動機絕對不允許不允許空載空載起動及空載運行。它的軟特性、起動力矩比較大，適用于起動及空載運行。它的軟特性、起動力矩比較大，適用于起動困難的場合。起動困難的場合。圖圖3-20 3-20 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性積復勵積復勵2

38、aeeTRUnTCC C課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室船上起貨機多采用串勵電動機，它具有輕載船上起貨機多采用串勵電動機，它具有輕載快行，重載慢行的特點?？煨?，重載慢行的特點。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室三、直流電機的電樞反應(yīng)和直流電機的換向三、直流電機的電樞反應(yīng)和直流電機的換向1直流電機的電樞反應(yīng)直流電機的電樞反應(yīng) 當電機有負載后，便有電流流過電樞繞組，產(chǎn)生電樞當電機有負載后，便有電流流過電樞繞組，產(chǎn)生電樞磁場，此時電機的氣隙磁場由主磁場和電樞兩個磁

39、場共同磁場，此時電機的氣隙磁場由主磁場和電樞兩個磁場共同決定。決定。電樞磁場對主磁極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)電樞磁場對主磁極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。 如圖如圖3-21 （a） （b）、（）、（c）所示所示并勵電動機并勵電動機課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室 (a) (b) (c)圖圖 5-4 5-4 電刷位置與電樞反應(yīng)電刷位置與電樞反應(yīng)課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室直流電機在運行時，電樞繞組從定子主磁極的一個極面下方進直流電機在運行時，電樞繞組從定子主磁極

40、的一個極面下方進入另一個極面下方時，通過換向片與電刷連接，繞組中的電流入另一個極面下方時，通過換向片與電刷連接，繞組中的電流將改變方向，這一過程稱為將改變方向，這一過程稱為直流電機的換向直流電機的換向。2直流電機的換向直流電機的換向課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室理想的換向條件理想的換向條件是換向時繞組中的電流及電勢為零。是換向時繞組中的電流及電勢為零。而一般情況下，除了繞組本身原因換向繞組中感應(yīng)電抗電勢不為零而一般情況下，除了繞組本身原因換向繞組中感應(yīng)電抗電勢不為零外，電樞反應(yīng)引起的外，電樞反應(yīng)引起的氣隙磁通的畸變氣隙磁通

41、的畸變，也使換向繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢。，也使換向繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢。電抗電勢和電樞反應(yīng)電勢都會阻礙電樞繞組的換向性能，導致電刷電抗電勢和電樞反應(yīng)電勢都會阻礙電樞繞組的換向性能，導致電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。與換向片之間產(chǎn)生火花。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室 為了改善換向性能，通常在定子主磁極之間放置為了改善換向性能，通常在定子主磁極之間放置換向極換向極用于改善換向，用于改善換向，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，由電樞電流，由電樞電流所產(chǎn)生的換向極磁場與電樞繞組電流所產(chǎn)生的交軸電樞磁所產(chǎn)生的換向極磁場與電樞繞組

42、電流所產(chǎn)生的交軸電樞磁場方向相反。它不僅用來抵消或削弱電樞磁場，而且使處場方向相反。它不僅用來抵消或削弱電樞磁場，而且使處于換向的繞組切割換向極磁場以產(chǎn)生可抵消電流換向引起于換向的繞組切割換向極磁場以產(chǎn)生可抵消電流換向引起的感應(yīng)電動勢，達到減少換向火花的目的。的感應(yīng)電動勢，達到減少換向火花的目的。 一般在負載變化較大的中、大型電機中。在主磁極的極一般在負載變化較大的中、大型電機中。在主磁極的極面下開槽嵌放面下開槽嵌放補償繞組補償繞組也是用于改善換向的一種方法，補也是用于改善換向的一種方法，補償繞組與電樞繞組串聯(lián)，其作用原理與換向極相同。償繞組與電樞繞組串聯(lián)，其作用原理與換向極相同。 此外，此外

43、，正確選用不同材料的電刷以及適當調(diào)整電刷位置正確選用不同材料的電刷以及適當調(diào)整電刷位置等也可在一定程度上減小電刷下的火花。等也可在一定程度上減小電刷下的火花。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室第五節(jié)第五節(jié) 無刷直流電動機無刷直流電動機(自己看) 無刷直流電動機是隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一無刷直流電動機是隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型微特電機，它以種新型微特電機，它以電子換向裝置電子換向裝置代替了一般直流電動代替了一般直流電動機的機的機械換向裝置機械換向裝置，因此保持了有刷直流電動機的優(yōu)良控，因此保持了有刷直流電動機的

44、優(yōu)良控制特性，又克服了電刷機械摩擦引起的噪聲、火花、無線制特性，又克服了電刷機械摩擦引起的噪聲、火花、無線電干擾和壽命短的致命弱點。電干擾和壽命短的致命弱點。課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室圖圖3-22 3-22 無刷直流電動機原理框圖無刷直流電動機原理框圖一、無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)一、無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)無刷直流電動機由無刷直流電動機由電子開關(guān)電路、永磁式同步電動機電子開關(guān)電路、永磁式同步電動機以及以及位置傳感器位置傳感器三者組成三者組成課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程

45、學院船舶電氣設(shè)備教研室圖圖3-22 3-22 無刷直流電動機原理框圖無刷直流電動機原理框圖一、無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)一、無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)直流電源經(jīng)由直流電源經(jīng)由開關(guān)線路開關(guān)線路向電動機向電動機定子繞組定子繞組供電，電動機轉(zhuǎn)子位置經(jīng)由供電，電動機轉(zhuǎn)子位置經(jīng)由位置傳感器位置傳感器檢測，檢測，產(chǎn)生信號觸發(fā)開關(guān)電路中的電力電子元件使之產(chǎn)生信號觸發(fā)開關(guān)電路中的電力電子元件使之導通或截止導通或截止。電動機定子各相逐次通電。電動機定子各相逐次通電產(chǎn)生電流，并和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生電流，并和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。課 件船舶電氣設(shè)備

46、與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室圖圖3-23 3-23 無刷直流電動機的組成框圖無刷直流電動機的組成框圖圖圖3-24 3-24 無刷直流電動機基本結(jié)無刷直流電動機基本結(jié) 構(gòu)構(gòu) 1 1 電動機定子；電動機定子； 2 2 電動機轉(zhuǎn)子電動機轉(zhuǎn)子；3 3傳感器定子；傳感器定子； 4 4傳感器轉(zhuǎn)子；傳感器轉(zhuǎn)子；5 5 電子開關(guān)電路電子開關(guān)電路課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室2轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器o無刷直流電動機中的位置傳感器的作用是無刷直流電動機中的位置傳感器的作用是檢測轉(zhuǎn)子

47、磁場檢測轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組的位置相對于定子繞組的位置，并在確定的相對位置上發(fā)出信，并在確定的相對位置上發(fā)出信號控制功率放大元件，使定子繞組中的電流進行切換。號控制功率放大元件，使定子繞組中的電流進行切換。o從原理上說，與轉(zhuǎn)子安裝在同一個軸上的任何一種角位從原理上說，與轉(zhuǎn)子安裝在同一個軸上的任何一種角位移傳感器都可以作無刷電機的位置傳感器用。如移傳感器都可以作無刷電機的位置傳感器用。如光電位光電位置傳感器、電磁式位置傳感器和磁敏式傳感器置傳感器、電磁式位置傳感器和磁敏式傳感器。下面以。下面以電磁式位置傳感器為例，對其原理予以簡單的介紹電磁式位置傳感器為例，對其原理予以簡單的介紹課 件船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 2022-4-5輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室輪機工程學院船舶電氣設(shè)備教研室電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器由定子由定子1和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2兩部分組成。定子鐵心兩部分組成。定子鐵心及轉(zhuǎn)子上的扇形部分（即圖中及轉(zhuǎn)子上的扇形部分（即圖中a部分）均由部分）均由高頻導磁高頻導磁材料做材料做成。在定子鐵心上也分成與電成。在定子鐵心上也分成與電動機定子繞組相對應(yīng)的相數(shù)，動機定子繞組相對應(yīng)的相數(shù)，每相都嵌有每相都嵌有輸入線圈和輸出線輸入線圈和輸出線圈圈，并在輸入線圈中外施高頻，并在輸入線圈