第1章直流電機

1、 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)1電機是利用電磁作用原理進行能量轉(zhuǎn)換的機械裝置。直流電機電機是利用電磁作用原理進行能量轉(zhuǎn)換的機械裝置。直流電機能將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能，或?qū)C械能換轉(zhuǎn)為直流電能。將直流電能將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能，或?qū)C械能換轉(zhuǎn)為直流電能。將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的叫做直流電動機，將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能的叫做能轉(zhuǎn)換為機械能的叫做直流電動機，將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能的叫做直流發(fā)電機。直流發(fā)電機。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)2 直流電動機的主要優(yōu)點直流電動機的主要優(yōu)點是啟動和調(diào)速性能好，過是啟動和調(diào)速性能好，過載能力大，因此應(yīng)用于對啟動和調(diào)速性能要求較載能力大，因此應(yīng)用于對啟動和調(diào)速

2、性能要求較高的生產(chǎn)機械，例如電力機車，造紙機和紡織機高的生產(chǎn)機械，例如電力機車，造紙機和紡織機械等械等 直流發(fā)電機主要用作直流發(fā)電機主要用作直流電源，供給直流電動機，直流電源，供給直流電動機，電解，電鍍等所需的直流電能。電解，電鍍等所需的直流電能。 直流電機的主要缺點直流電機的主要缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用有色金屬是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用有色金屬多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴，運行可靠性差多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴，運行可靠性差 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)3 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)41.1 直流電機的工作原理直流電機的工作原理 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)5 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)6（二）

3、直流發(fā)電機的工作原理（二）直流發(fā)電機的工作原理1.1 直流電機的工作原理直流電機的工作原理 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)7圖1.1 直流電動機的工作原理圖 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)8圖1.2 直流發(fā)電機的工作原理圖 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)91.2 1.2 直流電機的結(jié)構(gòu)、額定值和主要系列直流電機的結(jié)構(gòu)、額定值和主要系列1.2.1 1.2.1 直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)(1)(1)定子：產(chǎn)生磁場并作為機械支撐定子：產(chǎn)生磁場并作為機械支撐1)1)主磁極主磁極：建立主磁場：建立主磁場2)2)換向極換向極: :改善換向，減小產(chǎn)生火花改善換向，減小產(chǎn)生火花3)3)機座機座：電機的結(jié)構(gòu)構(gòu)

4、架：電機的結(jié)構(gòu)構(gòu)架4)4)電刷裝置電刷裝置：用以引出或引入直流電壓或電流：用以引出或引入直流電壓或電流 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)10 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)11 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)122)2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (電樞電樞) )部分部分1)1)電樞鐵芯電樞鐵芯：主磁路的一部分，電樞繞組的支撐部件主磁路的一部分，電樞繞組的支撐部件2)2)電樞繞組電樞繞組：直流電機的電路部分，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和：直流電機的電路部分，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和 感應(yīng)感應(yīng)電動勢。3)3)換向器換向器：在直流電動機中，使得流入磁極下的電流方向保：在直流電動機中，使得流入磁極下的電流方向保持不變，從而電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定

5、不變；在直流發(fā)電機中，能將持不變，從而電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，能將電樞線圈中產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為直流電動勢。電樞線圈中產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為直流電動勢。4)4)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸：轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，具有一定的強度和剛：轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，具有一定的強度和剛度。度。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)13 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)14 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)151.2.2 1.2.2 直流電機的額定值直流電機的額定值為了保證電機安全而有效地運行，電機制造廠都對它所生為了保證電機安全而有效地運行，電機制造廠都對它所生產(chǎn)的電機工作條件加以規(guī)定。電機按制造工廠所規(guī)定的條

6、件工產(chǎn)的電機工作條件加以規(guī)定。電機按制造工廠所規(guī)定的條件工作的情況，叫額定工作情況。表征電機額定工作情況的各種數(shù)作的情況，叫額定工作情況。表征電機額定工作情況的各種數(shù)據(jù)叫做額定值。據(jù)叫做額定值。直流電動機型號Z3-95產(chǎn)品編號7009結(jié)構(gòu)類型勵磁方式他勵功率30kW勵磁電壓220V電壓220V工作方式連續(xù)電流160.5A絕緣等級定子B轉(zhuǎn)子B轉(zhuǎn)速750r/min重量685kg標(biāo)準(zhǔn)編號JB1104-68出廠日期年 月 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)16額定條件下電機額定條件下電機所能的供給功率所能的供給功率NP額額定定功功率率指電刷間輸出的指電刷間輸出的額定額定電功率電功率發(fā)電機發(fā)電機指軸上輸出指

7、軸上輸出的額定的額定機械機械功率功率電動機電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓；發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機在額定工況下，電機出線端的出線端的平均電壓平均電壓NU額定電壓額定電壓在額定電壓下，運行于在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流額定功率時對應(yīng)的電流NI額額定定電電流流在額定電壓、額定電流下，運在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速.Nn額額定定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速fNI額額定定勵勵磁磁電電流流對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額對應(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定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁

8、電流電機銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)電機銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。期、出廠編號等。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)17 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。期、出廠編號等。 電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運欠載運行；運行電流大于額定電流行電流大于額定電流過載運行。長期欠載運行將造成電過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會

9、縮短電機的使用壽命。電機最好機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。作性能等比較好。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)18 例例1-1 一臺直流發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)如下：一臺直流發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)如下：PN200kW，UN230V，nN1450r /min，N90，求該發(fā)電機，求該發(fā)電機的額定電流和輸入功率各為多少的額定電流和輸入功率各為多少? 解：解：NNNIUPAAUPINNN6.869230102003kWkWPPNN2.2229.02001NNNIUPAAUPIN

10、NN6.869230102003kWkWPPNN2.2229.02001上一頁下一頁返回 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)19 例例1-2 一臺直流電動機額定數(shù)據(jù)如下：一臺直流電動機額定數(shù)據(jù)如下：PN160kW，UN=220V，nN1500r/min，N90，求額定電流和，求額定電流和輸入功率各為多少輸入功率各為多少? 解：解： NNNNIUPAAUPINNNN8082209.0101603kWkWPPNN8.1779.01601上一頁下一頁返回 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)201 結(jié)構(gòu)相同，用途相似，容量遞增的一系列電機構(gòu)成一個系列。我國目前生結(jié)構(gòu)相同，用途相似，容量遞增的一系列電機構(gòu)成一個

11、系列。我國目前生產(chǎn)的主要有以下系列型號：產(chǎn)的主要有以下系列型號： Z2-9 2Z2-9 2 鐵心長度代號鐵心長度代號 機座號機座號 第二次改型設(shè)計第二次改型設(shè)計 直流直流 Z2Z2系列功率范圍為系列功率范圍為0.4-200KW,0.4-200KW,轉(zhuǎn)速范圍為轉(zhuǎn)速范圍為600-3000600-3000 Z3 Z3，Z4Z4系列是一般用途中小型直流電機的新產(chǎn)品。與系列是一般用途中小型直流電機的新產(chǎn)品。與Z2Z2相比，體積小，重相比，體積小，重量輕，慣量小，調(diào)速范圍大，還適用于靜止的整流電源供電。量輕，慣量小，調(diào)速范圍大，還適用于靜止的整流電源供電。 ZD2ZD2，ZF2ZF2系列是一般用途的中型直

12、流電機，系列是一般用途的中型直流電機，ZD2ZD2是中型直流電動機，是中型直流電動機，ZF2ZF2是是中型直流發(fā)電機，功率范圍為中型直流發(fā)電機，功率范圍為55-1000KW,55-1000KW,轉(zhuǎn)速范圍為轉(zhuǎn)速范圍為900-155900-155 ZZF ZZF系列是起重冶金用直流電動機，功率范圍為系列是起重冶金用直流電動機，功率范圍為3-30KW,3-30KW,轉(zhuǎn)速范圍為轉(zhuǎn)速范圍為900-900-155015501.2.3 1.2.3 直流電機的主要系列直流電機的主要系列 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)211.3 1.3 直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電

13、動勢，實現(xiàn)機電電樞繞組是直流電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，電樞繞組的名稱由此而來，并為此把直流電機的能量轉(zhuǎn)換的樞紐，電樞繞組的名稱由此而來，并為此把直流電機的轉(zhuǎn)子稱為電樞轉(zhuǎn)子稱為電樞電樞繞組由許多線圈（元件）按一定規(guī)律鏈接而成。按鏈接電樞繞組由許多線圈（元件）按一定規(guī)律鏈接而成。按鏈接規(guī)律不同可以分為單疊繞組和單波繞組等多種形式。規(guī)律不同可以分為單疊繞組和單波繞組等多種形式。(1)電樞繞組元件電樞繞組元件(2)節(jié)距：表征電樞繞組本身和元件之間鏈接規(guī)律的數(shù)據(jù)為節(jié)節(jié)距：表征電樞繞組本身和元件之間鏈接規(guī)律的數(shù)據(jù)為節(jié)據(jù)。據(jù)。1.3.1 1.3.1 元件與節(jié)距元件與節(jié)距 出版社

14、理工分社電機及拖動基礎(chǔ)22圖圖1.121.12 電樞繞組元件電樞繞組元件1 1 端接部分端接部分 2 2 有效邊有效邊 3 3 末端末端 4 4 換向片換向片 5 5首端首端 元件一般放在電樞槽中，線圈嵌入槽內(nèi)的部分稱為有效元件一般放在電樞槽中，線圈嵌入槽內(nèi)的部分稱為有效邊，伸出槽外的部分稱作端接部分。每個元件由兩個出線邊，伸出槽外的部分稱作端接部分。每個元件由兩個出線端。，均與端。，均與4 4相連相連 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)23 （1 1）第一節(jié)距）第一節(jié)距 y1y1：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。 （2 2）第二節(jié)距）第二節(jié)距

15、 y2y2：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊：連至同一換向片上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間的距離。與第二個元件的上層邊間的距離。 （3 3）合成節(jié)距）合成節(jié)距 y y：連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。：連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。（4 4）換向節(jié)距）換向節(jié)距yk yk ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)24元件數(shù)等于換向片數(shù)等于槽數(shù)元件數(shù)等于換向片數(shù)等于槽數(shù)虛槽數(shù)與實槽數(shù)之間的關(guān)系虛槽數(shù)與實槽數(shù)之間的關(guān)系極距：一個磁極在電樞圓周上所跨的距離極距：一個磁

16、極在電樞圓周上所跨的距離 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)25 后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分之上，稱為疊繞組之上，稱為疊繞組 首末端之間的距離接近兩個極距，兩個元件串聯(lián)首末端之間的距離接近兩個極距，兩個元件串聯(lián)起來稱波浪形，稱為波繞組起來稱波浪形，稱為波繞組 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)261.4 1.4 直流電機的磁場直流電機的磁場直流電機無論是作發(fā)電機運行還是作電動機運行，都直流電機無論是作發(fā)電機運行還是作電動機運行，都必須具有一定強度的磁場，所以磁場是直流電機進行能量必須具有一定強度的磁場，所以磁場是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的媒介。轉(zhuǎn)換

17、的媒介。 直流電機產(chǎn)生磁場的勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式直流電機產(chǎn)生磁場的勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質(zhì)上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接，就決定了它是什。實質(zhì)上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接，就決定了它是什么樣的勵磁方式。如圖所示，以直流電動機為例有四種勵磁方么樣的勵磁方式。如圖所示，以直流電動機為例有四種勵磁方式式。1.4 .1 直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)27（一）他勵直流電機一）他勵直流電機 這種電機的勵磁電流是由另外的直流電源供給，如圖（這種電機的勵磁電流是由另外的直流電源供給，如圖（a a），其），其特點是勵磁電流特點是勵磁電流IfIf

18、與電樞電壓與電樞電壓U U及負載電流及負載電流I I無關(guān)。無關(guān)。（二）并勵直流電機（二）并勵直流電機 這種電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖（這種電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖（b b），其特點是勵），其特點是勵磁電流磁電流IfIf不僅與勵磁回路電阻有關(guān)，還受電樞端電壓不僅與勵磁回路電阻有關(guān)，還受電樞端電壓U U的影響。的影響。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)28 ( (三）串勵直流電機三）串勵直流電機 這種電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖（這種電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖（c c），其特），其特點是勵磁電流點是勵磁電流IfIf電樞電流電樞電流I I相等，電樞電流變化勵磁電流就變相

19、等，電樞電流變化勵磁電流就變化，串勵電機極少采用?；?，串勵電機極少采用。（四）復(fù)勵直流電機（四）復(fù)勵直流電機 這種電機的勵磁繞組即有并聯(lián)線圈，又有串聯(lián)線圈，串勵這種電機的勵磁繞組即有并聯(lián)線圈，又有串聯(lián)線圈，串勵繞組和并勵繞組共同接在主極上，并勵匝數(shù)較多，串勵匝數(shù)繞組和并勵繞組共同接在主極上，并勵匝數(shù)較多，串勵匝數(shù)較少，如圖（較少，如圖（d d）。所以具有串勵和并勵電機的特點。若串、）。所以具有串勵和并勵電機的特點。若串、并勵磁勢方向相同為積復(fù)勵（常用），若串、并勵磁勢方向并勵磁勢方向相同為積復(fù)勵（常用），若串、并勵磁勢方向相反為差復(fù)勵相反為差復(fù)勵 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)29直流電機的空

20、載是指電樞電流等于零或者直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小，可以不計其影響的一種運行狀態(tài)。很小，可以不計其影響的一種運行狀態(tài)。直流電機空載時的氣隙磁場可以認為就是直流電機空載時的氣隙磁場可以認為就是主磁場，即由勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢（稱主磁場，即由勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢（稱為勵磁磁動勢）單獨建立的磁場。為勵磁磁動勢）單獨建立的磁場。圖圖3.183.18是一臺四極直流電機空載時的磁場是一臺四極直流電機空載時的磁場分布示意圖（一對極）。圖中，同時交鏈分布示意圖（一對極）。圖中，同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組的磁通，稱為主磁通，勵磁繞組和電樞繞組的磁通，稱為主磁通，用用 表示。此外還有一小部分磁通不表

21、示。此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子進入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合磁路，僅與勵磁繞組交鏈，磁軛形成閉合磁路，僅與勵磁繞組交鏈，稱為漏磁通，用稱為漏磁通，用 表示。表示。01.4 .2 直流電機的空載磁場直流電機的空載磁場00（1 1）主磁通和漏磁通）主磁通和漏磁通 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)30 直流電機中，直流電機中，主磁通主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢或產(chǎn)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，而生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，

22、度。在數(shù)量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得多，大約是主磁通的小得多，大約是主磁通的20%20%。磁力線由磁力線由N N極出來，經(jīng)氣隙、極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入電樞齒部、氣隙進入S S極，再極，再經(jīng)定子鐵軛回到經(jīng)定子鐵軛回到N N極極主磁通主磁通主磁路主磁路磁力線不進入電樞鐵心，磁力線不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)31 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。

23、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。大小和形狀。幾何中性線幾何中性線極靴極靴極身極身（a）氣隙形狀氣隙形狀 磁極中心及附近的氣磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減?。粯O尖以外，通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。密度為零。（2 2）空載磁場氣隙磁密分布曲線）

24、空載磁場氣隙磁密分布曲線 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)32 空載時的空載時的氣隙磁通密度為氣隙磁通密度為一平頂波，一平頂波，如下圖如下圖(b) (b) 所示。所示。 空載時主磁極磁通的分空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖布情況，如右圖(c) (c) 所示。所示。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)33 為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機氣隙中需要有一定量矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通的每極磁通 ，空載時，氣隙磁，空載時，氣隙磁通通 與空載磁動勢與空載磁動勢 或空載勵磁或空載勵磁電流電流 的關(guān)系，稱為直流電機的空的關(guān)系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示

25、。載磁化特性。如右圖所示。000fF0fI 為了經(jīng)濟、合理地利用材料，為了經(jīng)濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁一般直流電機額定運行時，額定磁通通 設(shè)定在圖中設(shè)定在圖中 A A點點，即在磁化特，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。NfNI0fF0fIINfIA0N0（3 3）直流電機的空載磁化曲線）直流電機的空載磁化曲線 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)34 當(dāng)直流電機帶負載時，電樞繞組中有電流通過，該電流也當(dāng)直流電機帶負載時，電樞繞組中有電流通過，該電流也會產(chǎn)生磁場，稱之為電樞磁場。它與主磁場相互作用，產(chǎn)會產(chǎn)生磁場，稱之為電樞磁場。它與主磁場相互作用

26、，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。電樞磁場對主磁場的影響稱生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。為電樞反應(yīng)。 1.4 .3 1.4 .3 直流電機的電樞反應(yīng)及負載磁場直流電機的電樞反應(yīng)及負載磁場（1 1）直流電機的電樞反應(yīng)）直流電機的電樞反應(yīng)（2 2）直流電機的電樞磁場）直流電機的電樞磁場電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)351 1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時，將、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，主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（如圖（a

27、a）所示。）所示。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)36xB0axBxB勵磁磁場勵磁磁場的磁通密的磁通密度分布曲度分布曲線線電樞磁場磁通電樞磁場磁通密度分布曲線密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線的磁通密度分布曲線物理中性線物理中性線幾何中性線幾何中性線 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)37由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點：由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點： 2)2)、對主磁場起去磁作用、對主磁場起去磁作用1)1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變、使氣隙磁場發(fā)生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于空載

28、時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削電樞反應(yīng)的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載角，磁通密度的曲線與空載時不同。時不同。 磁路飽和時，有去磁作用，使每個磁極下總的磁通有所減小磁路飽和時，有去磁作用，使每個磁極下總的磁通有所減小 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)382 2、當(dāng)電刷不在幾何中性線上時、當(dāng)電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線也隨角，電樞磁動勢軸線也隨之移動之移動 角，如圖角，如圖(a)(

29、b)(a)(b)所示。所示。adFaqF 電樞磁動勢可以分電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢軸電樞磁動勢 和直軸和直軸電樞磁動勢電樞磁動勢 。電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁電動機電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)391.4.4 1.4.4 電樞繞組的感應(yīng)電動勢電樞繞組的感應(yīng)電動勢無論是電動機還是發(fā)電機，電樞導(dǎo)體相對于磁場運動，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；無論是電動機還是發(fā)電機，電樞導(dǎo)體相對于磁場運動，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動

30、勢；載流導(dǎo)體在磁場中受力，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。載流導(dǎo)體在磁場中受力，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 一、直流電機電樞繞組的感應(yīng)電一、直流電機電樞繞組的感應(yīng)電動動勢勢 產(chǎn)生：從一對正負電刷之間引出的電勢，也稱為電樞電勢，也就是電樞繞組一產(chǎn)生：從一對正負電刷之間引出的電勢，也稱為電樞電勢，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動勢。也稱為記作條并聯(lián)支路的電動勢。也稱為記作E Ea a。 如果設(shè)如果設(shè)N N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，2 2a a為并聯(lián)支路數(shù)，為并聯(lián)支路數(shù)，B Bavav為一個磁極內(nèi)的平均磁為一個磁極內(nèi)的平均磁密，密，l l為導(dǎo)體的有效長度，為導(dǎo)體的有效長度，v v為導(dǎo)體切割磁場的速度，則電樞

31、電勢為每一條并為導(dǎo)體切割磁場的速度，則電樞電勢為每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)乘以一根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動勢聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)乘以一根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動勢： nCnapNnpllaNlvBaNEeava6060222 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)40apNCe60nCEea 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)411.4.5 1.4.5 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時電樞繞組中有電樞電流流過時, ,在磁場內(nèi)受電磁力的作用在磁場內(nèi)受電磁力的作用, ,該該 力與電樞鐵心半徑之積稱為一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩。力與電樞鐵心半徑之積稱為一根導(dǎo)體所受電磁力形成的

32、電磁轉(zhuǎn)矩。一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為 aaaavavIapNNpaIllNDliBNDfT222222乘以總的導(dǎo)體數(shù)為所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，乘以總的導(dǎo)體數(shù)為所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，D D為電樞為電樞外徑外徑 ，等于等于等于等于 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)42aTICTapNCe60apNCe255. 9260602apNapNCCeT 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)431.5 1.5 直流電動機直流電動機按勵磁方式的不同，直流電動機分他勵直流電動機、并勵直按勵磁方式的不同，直流電動機分他勵直流電動機、并勵直流電動機、串勵直流電動機和復(fù)勵直流電動機流電動機、串勵直

33、流電動機和復(fù)勵直流電動機4類。類。1.5.1 1.5.1 直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本關(guān)系式直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本關(guān)系式如圖為并勵直流電動機。如圖為并勵直流電動機。接通電源時，勵磁繞組中流過接通電源時，勵磁繞組中流過勵磁電流勵磁電流IfIf建立主磁場，電樞建立主磁場，電樞繞組流過電樞電流繞組流過電樞電流Ia,Ia,一方面一方面形成電樞磁通勢形成電樞磁通勢Fa,Fa,另一方面使另一方面使得電樞元件導(dǎo)體流過支路電流得電樞元件導(dǎo)體流過支路電流與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T,T,電電樞朝樞朝T T的方向以轉(zhuǎn)速的方向以轉(zhuǎn)速n n旋轉(zhuǎn)，電旋轉(zhuǎn)，電樞旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生電樞樞旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生電樞電電動

34、勢動勢Ea.Ea. 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)44(1)(1)電壓平衡方程式電壓平衡方程式(2)(2)轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式有三個轉(zhuǎn)矩，一個是有三個轉(zhuǎn)矩，一個是T T，方向與，方向與n n同，拖動轉(zhuǎn)矩同，拖動轉(zhuǎn)矩；一個是空載轉(zhuǎn)矩；一個是空載轉(zhuǎn)矩To,To,，方向與，方向與n n反，制動轉(zhuǎn)矩反，制動轉(zhuǎn)矩一個是機械負載轉(zhuǎn)矩一個是機械負載轉(zhuǎn)矩T2,T2,也就是電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，制動轉(zhuǎn)矩也就是電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，制動轉(zhuǎn)矩(2)(2)功率平衡方程式功率平衡方程式 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)45（a) 并勵直流電動機功率流程圖并勵直流電動機功率流程圖（b) 他勵他勵功率流程圖功率流程圖

35、圖中圖中，PcufPcuf為勵磁繞組的銅損耗，并勵時，為勵磁繞組的銅損耗，并勵時， PcufPcuf 由輸入功率P1P1供給，他勵時，供給，他勵時， PcufPcuf由其他直流電源供給由其他直流電源供給 。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)461.5.2 1.5.2 并勵直流電動機的工作特性并勵直流電動機的工作特性并勵直流電動機的工作特性是指當(dāng)電動機的端電壓并勵直流電動機的工作特性是指當(dāng)電動機的端電壓U=UN,U=UN,勵勵磁電流磁電流If=IfN.If=IfN.電樞回路不串外加電阻時，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，效率，與電樞回路不串外加電阻時，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，效率，與電樞電流之間的關(guān)系電樞電流之間的關(guān)系（1 1）

36、轉(zhuǎn)速特性）轉(zhuǎn)速特性當(dāng)當(dāng)U=UNU=UN時，時，I=IfNI=IfN時，轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速速n n與電樞電流與電樞電流IaIa之間的關(guān)系之間的關(guān)系n=f(Ia)n=f(Ia)稱為轉(zhuǎn)速特性，將電稱為轉(zhuǎn)速特性，將電動勢公式帶入電壓平衡方程式動勢公式帶入電壓平衡方程式得到得到 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)47圖1.30 并勵電動機的工作特性可見，如果忽略電樞可見，如果忽略電樞反應(yīng)的影響，磁通保持不反應(yīng)的影響，磁通保持不變，電流增加時，電樞回變，電流增加時，電樞回路電阻一般很小，所以轉(zhuǎn)路電阻一般很小，所以轉(zhuǎn)速下降不大，如果考慮負速下降不大，如果考慮負載較大，隨著電流的增加載較大，隨著電流的增加，磁通將減小，因

37、而轉(zhuǎn)速，磁通將減小，因而轉(zhuǎn)速可能出現(xiàn)虛線所示的情況可能出現(xiàn)虛線所示的情況 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)48 （2 2）轉(zhuǎn)矩特性）轉(zhuǎn)矩特性 當(dāng)當(dāng)U=UNU=UN時，時，I=IfNI=IfN時，電磁轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩矩T T與電樞電流與電樞電流IaIa之間的關(guān)系之間的關(guān)系T=f(Ia)T=f(Ia)稱為轉(zhuǎn)矩特性。轉(zhuǎn)矩稱為轉(zhuǎn)矩特性。轉(zhuǎn)矩特性為過原點的直線特性為過原點的直線 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)491.5.1.5.3 3 串串勵直流電動機的工作特性勵直流電動機的工作特性IIIfaNUU )(aIfn)(fRRInCUaeefaCRIUnaR 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)500IIIfan則0

38、%1004/1NNnnnn4/1n41 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)51NUU )(aIfT 22aTafTaffTaTICIKCIIKCICT2aIT aIT 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)521.5.1.5.4 4 復(fù)復(fù)勵直流電動機的工作特性勵直流電動機的工作特性 復(fù)復(fù)勵直流電動機勵直流電動機其轉(zhuǎn)速特性介于并勵和串勵之間，如果是其轉(zhuǎn)速特性介于并勵和串勵之間，如果是并勵繞組磁通勢起主要作用，它的轉(zhuǎn)速特性與并勵直流電并勵繞組磁通勢起主要作用，它的轉(zhuǎn)速特性與并勵直流電動機相接近，反之和串勵接近動機相接近，反之和串勵接近 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)53圖1.34 復(fù)勵直流電動機的轉(zhuǎn)速特性 一

39、般情況下，積復(fù)勵一般情況下，積復(fù)勵轉(zhuǎn)速特性，如曲線轉(zhuǎn)速特性，如曲線2所示，既有較高的啟所示，既有較高的啟動能力和過載能力，動能力和過載能力，又可空載或輕載運行又可空載或輕載運行 1：并勵直流電動機：并勵直流電動機轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 3：串勵直流電動機：串勵直流電動機轉(zhuǎn)速特性，不允許空轉(zhuǎn)速特性，不允許空載或輕載運行載或輕載運行 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)541.6 1.6 直流發(fā)電機直流發(fā)電機根據(jù)勵磁方式的不同，直流發(fā)電機可以分為他勵直根據(jù)勵磁方式的不同，直流發(fā)電機可以分為他勵直流發(fā)電機、并勵直流發(fā)電機、串勵直流發(fā)電機和復(fù)勵直流發(fā)電機、并勵直流發(fā)電機、串勵直流發(fā)電機和復(fù)勵直流發(fā)電機。現(xiàn)在主要采

40、用他勵直流發(fā)電機，為此本節(jié)只流發(fā)電機?，F(xiàn)在主要采用他勵直流發(fā)電機，為此本節(jié)只介紹這種發(fā)電機。介紹這種發(fā)電機。如圖為一臺他勵直流發(fā)電機的如圖為一臺他勵直流發(fā)電機的示意圖，電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割示意圖，電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割主磁通，產(chǎn)生電動勢主磁通，產(chǎn)生電動勢Ea,外電路接有外電路接有負載，則產(chǎn)生電樞電流負載，則產(chǎn)生電樞電流Ia,根據(jù)基爾根據(jù)基爾霍夫定律：霍夫定律：(1)(1)電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式1.6.11.6.1 直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)55(2)(2)轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式三個轉(zhuǎn)矩：一個是原動機的拖

41、動轉(zhuǎn)矩三個轉(zhuǎn)矩：一個是原動機的拖動轉(zhuǎn)矩T1，方向與，方向與n同，為拖動轉(zhuǎn)矩同，為拖動轉(zhuǎn)矩 一個是電磁轉(zhuǎn)矩一個是電磁轉(zhuǎn)矩T，方向與，方向與n相反，為制動轉(zhuǎn)矩相反，為制動轉(zhuǎn)矩 一個是空載轉(zhuǎn)矩一個是空載轉(zhuǎn)矩T0，方向與，方向與n相反，為制動轉(zhuǎn)矩相反，為制動轉(zhuǎn)矩(3)(3)功率平衡方程式功率平衡方程式 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)56圖1.36 他勵直流發(fā)電機的功率流程圖圖中圖中，PcufPcuf為勵磁繞組的銅損耗，他勵時，為勵磁繞組的銅損耗，他勵時， PcufPcuf 由其他直他直流電源供給，不在流電源供給，不在P1P1的范圍內(nèi)的范圍內(nèi) 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)571.6.2 1.6.2 他

42、勵直流發(fā)電機的運行特性他勵直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的四個基本物理量：直流發(fā)電機的四個基本物理量： U U、I I、IfIf、n n。（n n由原動機拖動，保持不變），運行特性指在由原動機拖動，保持不變），運行特性指在U U、I I、IfIf之間之間，保證其中一個量不變，另外兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系，保證其中一個量不變，另外兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系 空載特性空載特性n n常數(shù)，常數(shù)， I I常數(shù)，常數(shù)， U Uf f（IfIf）；）； 外特性外特性n n常數(shù)，常數(shù)， IfIf常數(shù)，常數(shù)，U Uf f（I I）；）； 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性n n常數(shù)，常數(shù)， U U常數(shù)，常數(shù)，IfIff f（I

43、I）。）。 (1)(1)空載特性空載特性 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)58發(fā)電機由原動機拖動，轉(zhuǎn)速發(fā)電機由原動機拖動，轉(zhuǎn)速保持恒定，閘刀保持恒定，閘刀K K斷開，斷開，（a)a)逐步調(diào)節(jié)勵磁回路的分逐步調(diào)節(jié)勵磁回路的分壓電阻壓電阻rf,rf,使得勵磁電流使得勵磁電流IfIf單方單方向由向由0 0逐步增加直到逐步增加直到UO=1.25UN.UO=1.25UN.(b)(b)單方向逐步減小單方向逐步減小If,If,直到直到If=0,If=0,測取相應(yīng)的測取相應(yīng)的UOUO和和If,If,作作出特性曲線出特性曲線 圖圖 他勵直流發(fā)電機試驗線路他勵直流發(fā)電機試驗線路 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)59他

44、勵直流發(fā)電機的空載特性他勵直流發(fā)電機的空載特性由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，所求特性的上升分支所求特性的上升分支3 3和下降分和下降分支支1 1不重合，一般取其平均值作不重合，一般取其平均值作為該電機的空載特性，如圖中曲為該電機的空載特性，如圖中曲線線2 2圖中圖中If=0If=0時，時，U0=ErU0=Er為剩磁為剩磁電壓，為額定電壓的電壓，為額定電壓的2%-4%2%-4%IfIf比較小時，鐵芯磁路不飽比較小時，鐵芯磁路不飽和，特性近似為直線和，特性近似為直線. .IfIf較大時，鐵芯隨著較大時，鐵芯隨著IfIf的增的增大而逐漸飽和，空載特性出現(xiàn)大而逐漸飽和，空載特性出現(xiàn)飽

45、和段，一般情況下，電機的額飽和段，一般情況下，電機的額定電壓處于定電壓處于A A附近附近. .這樣既能使得這樣既能使得磁通勢的較小變化不致引起端電磁通勢的較小變化不致引起端電壓的變化，同時又能通過調(diào)節(jié)壓的變化，同時又能通過調(diào)節(jié)IfIf在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)60(2)(2)外特性外特性外特性是一條稍稍向外特性是一條稍稍向下傾斜的曲線下傾斜的曲線 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)61直流電機運行時，隨著電樞的轉(zhuǎn)動，電樞繞組的元件直流電機運行時，隨著電樞的轉(zhuǎn)動，電樞繞組的元件從一條支路經(jīng)過電刷換到另一條支路，該元件中的電流就從一條支路經(jīng)過電刷換

46、到另一條支路，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向。 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)62 為了分析方便假定換向片的寬度等為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。于電刷的寬度。 電樞移到電刷與換向片電樞移到電刷與換向片2 2接觸時，元接觸時，元件件1 1的被短路，電流被分流。的被短路，電流被分流。 電刷與換向片電刷與換向片1 1接觸時，元件接觸時，元件1 1 中的中的電流方向如圖所示，大小為電流方向如圖所示，大小為 aii 電刷僅與換向片電刷僅與換向片2 2接觸時，元件接觸時，元件1 1 中中的電流方向如圖所示，大小為的電流方向

47、如圖所示，大小為aii直流電機運行時，隨著電樞的轉(zhuǎn)動，電樞繞組的元件直流電機運行時，隨著電樞的轉(zhuǎn)動，電樞繞組的元件從一條支路經(jīng)過電刷換到另一條支路，該元件中的電流就從一條支路經(jīng)過電刷換到另一條支路，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向。1.7 1.7 直流電機的換向直流電機的換向 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)63圖1.40 電樞繞組元件的換向過程 出版社 理工分社電機及拖動基礎(chǔ)64 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，火花。當(dāng)火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。使電機不能正常工作。 產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。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。