第01章-直流電機(jī)

第一章直流電機(jī)本章主要研究換向器式直流電機(jī)，分析它們的工作原理、結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)的電磁過(guò)程及工作特性，并對(duì)無(wú)換向器式直流電機(jī)作簡(jiǎn)單介紹。

1.1直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.2直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列

1.3直流電機(jī)的電樞繞組

1.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)

1.5直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算

1.6直流電機(jī)的換向

1.7直流發(fā)電機(jī)

1.8

直流電動(dòng)機(jī)換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸風(fēng)扇主磁極轉(zhuǎn)子定子1-換向器2-電刷裝置3-機(jī)座4-主磁極5-換向極6-端蓋7-風(fēng)扇8-電樞繞組9-電樞鐵心1.1直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機(jī)剖面圖1.1.2直流電機(jī)的工作原理一直流發(fā)電機(jī)的工作原理右圖表示一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)的模型。N、S為定子磁極，由A和x兩根導(dǎo)體連成的一個(gè)電樞線圈是放置在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上（稱為電樞鐵心），線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首端和末端分別連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片1和2上。電樞線圈與外電路的連接是通過(guò)放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷B1和B2進(jìn)行的。圖1-1根據(jù)電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e=BxLV。則整個(gè)線圈從x→A的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eXA=2BxLV。由于轉(zhuǎn)速n是恒定的，故V為一定值；對(duì)于已制成的電機(jī)，L也是一定的，所以電動(dòng)勢(shì)eXA與磁通密度BX成正比，這說(shuō)明線圈電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律與氣隙磁場(chǎng)沿圓周的分布規(guī)律相同。

當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子以恒定的轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)在圖1-1所示瞬間，如右圖。根據(jù)右手定則，可以判定導(dǎo)體A的電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)榇┏黾埫?，用⊙表示；?dǎo)體x的電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)檫M(jìn)入紙面，用表示。圖1-1由圖可見(jiàn)，此時(shí)電刷B1與導(dǎo)體A所連的換向片1相接觸；而電刷B2則與導(dǎo)體x所連的換向片2相接觸，因此電刷B1的極性為“＋”，電刷B2的極性為“－”。有了BX的分布曲線以后，因?yàn)閑XA∝BX，所以只要改變坐標(biāo)刻度，曲線也可以表示為線圈電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，線圈電動(dòng)勢(shì)是交變的。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)180°后，導(dǎo)體x到了原來(lái)導(dǎo)體A的位置，導(dǎo)體A則到了原來(lái)導(dǎo)體x的位置。根據(jù)右手定則，此時(shí)導(dǎo)體x的電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)椤?導(dǎo)體A的電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)閳D1-1圖1-2

知道了BX的分布曲線，也就可以知道線圈電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律。為此可以假想把電樞從外圓上某點(diǎn)切開(kāi)，把圓周拉成一直線作為橫坐標(biāo)，并以磁通密度BX為縱坐標(biāo)，而繪出BX的分布曲線，如圖1-2所示。一般假定以N極下的磁通密度為負(fù)值，S極下的磁通密度為正值。圖1-1圖1-2若在B1、B2之間接上一個(gè)負(fù)載，負(fù)載上就會(huì)流過(guò)一個(gè)方向不變的電流，這就是直流發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。顯然在一個(gè)線圈的情況下，電刷B1與B2之間的電動(dòng)勢(shì)的方向雖然不變，但在數(shù)值上卻是變化的，因此在實(shí)際電機(jī)中，電樞繞組是由許多線圈按照一定規(guī)律連接起來(lái)而構(gòu)成的，這就使電刷間電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)程度大大降低，實(shí)用時(shí)可以認(rèn)為產(chǎn)生的是一個(gè)恒定直流。

由于電刷在空間是固定不動(dòng)的，這時(shí)電刷B1與換向片2相接觸，電刷B2與換向片1相接觸。，所以電刷B1的極性仍為“＋”，電刷B2的極性仍為“－”，這樣就在電刷B1與B2之間得到一個(gè)方向不變電動(dòng)勢(shì)。二.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如果不用原動(dòng)機(jī)去帶動(dòng)電樞旋轉(zhuǎn)，而是由外電源從電刷B1、B2輸入直流電流，使電流從正電刷B1流入，從負(fù)電刷B2流出，則此時(shí)N極下的線圈電流總是由首端流向末端。S極下的線圈電流總是由末端流向首端，所以N極下和S極下的線圈受到的電磁力的方向是始終不變的，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向也就不變。這個(gè)轉(zhuǎn)矩使電樞始終沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，就把電能變換成機(jī)械能，使之成為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)而帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作。圖1-1三.直流電機(jī)的可逆性1.2直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列1）額定容量（額定功率）PN

指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以“W”為量綱單位。1.2.1直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)制造廠按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)定了電機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件，通常稱之為額定運(yùn)行情況。凡表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)，稱為額定值。額定值一般都標(biāo)注在電機(jī)的銘牌上，所以也稱為銘牌數(shù)據(jù)，它是正確合理使用電機(jī)的依據(jù)。直流電機(jī)的額定值主要有下列四項(xiàng)：對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，PN是指輸出的機(jī)械功率，PN＝UNINηN

對(duì)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

1.2.2直流電機(jī)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(guó)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。“Z”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(dòng)機(jī)。

ZZJ系列:為起重、冶金用直流電動(dòng)機(jī)系列。此時(shí)還有ZQ直流牽引電動(dòng)機(jī)系列及Z-H和ZF-H船用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)系列等。1.3直流電機(jī)的電樞繞組組成電樞繞組的基本單元稱為“元件”，一個(gè)元件由兩條元件邊和端接線組成。

繞組元件可以是一匝或多匝，匝數(shù)的多少也就等于每一元件邊所包含的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。1.3.1直流電機(jī)電樞繞組的一般介紹一、元件繞組元件在槽中的位置1-上元件邊2-后端接線3-下元件邊4-前端接線二、虛槽因?yàn)槊恳粋€(gè)元件有兩個(gè)元件邊，而每一換向片連接一個(gè)元件的始端和另一個(gè)元件的末端；又因?yàn)槊恳粋€(gè)虛槽包含著兩個(gè)元件邊，所以繞組的元件數(shù)S、換向片數(shù)K和虛槽數(shù)Zi三者應(yīng)相等，即S=K=Zi=uZ為了確切地說(shuō)明每個(gè)元件邊所處的具體位置，引入“虛槽”的概念。設(shè)槽內(nèi)每層有u個(gè)元件邊，則把每個(gè)實(shí)際槽看作包含有u個(gè)“虛槽”，每個(gè)虛槽的上、下層各有一個(gè)元件邊，如圖表示u=3時(shí)，元件邊的布置情況。若實(shí)槽數(shù)為Z，虛槽數(shù)為Zi，則Zi=uZ

三、第一節(jié)距y1一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊之間的距離稱為第一節(jié)距或后節(jié)距，用虛槽數(shù)表示。在電機(jī)中，若沿電樞圓周表面相鄰兩磁極的距離稱為極距,則為了獲得較大的線圈電動(dòng)勢(shì)，第一節(jié)距y1應(yīng)等于或接近于一個(gè)極距，極距按下式計(jì)算：式中Da——電樞外徑；P——磁極對(duì)數(shù)。若極距用虛槽數(shù)表示，則由于Zi不一定能被極數(shù)2P整除，而y1又必須為整數(shù)，所以應(yīng)使若ε=0，則y1=

，稱為整距繞組；若ε≠0，則y1﹥時(shí)，稱為長(zhǎng)距繞組，y1﹤

時(shí)，稱為短距繞組。四、第二節(jié)距y2

相串聯(lián)的兩個(gè)元件中，第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊之間的距離稱為第二節(jié)距或前節(jié)距，用虛槽數(shù)表示。五、合成節(jié)距y相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊之間的距離稱為合成節(jié)距，用虛槽數(shù)表示。合成節(jié)距表示每串聯(lián)一個(gè)元件后，繞組在電樞表面前進(jìn)或后退了多少個(gè)虛槽，它是反映不同形式繞組的一個(gè)重要標(biāo)志。單疊繞組y=y1-y2

單波繞組y=y1+y2

六、換向器節(jié)距yk

1.3.2直流電樞繞組的基本形式一、單疊繞組下面通過(guò)例子說(shuō)明單疊繞組的聯(lián)接方法和特點(diǎn)。（2）畫出展開(kāi)圖如下圖所示。作圖步驟如下：設(shè)2P=4，S=K=Zi=16，單疊右行繞組。（1）計(jì)算節(jié)距，采用整矩繞組，因?yàn)閱委B右行，故y=yk=1，所以y2=y1-y=4-1=3。先畫16個(gè)槽和16個(gè)換向片，并將元件、槽和換向片按順序編號(hào)。編號(hào)時(shí)把元件號(hào)碼、元件上層邊所在槽的號(hào)碼以及與元件上層邊相聯(lián)接的換向片號(hào)碼編得一致，即1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽內(nèi)并與1號(hào)換向片相連接。因?yàn)閥1=4,則1號(hào)元件的下層邊應(yīng)放在第5號(hào)槽（1+y1=5）的下層，下層邊用虛線表示，編號(hào)為51234567891011121314151615′6′7′8′9′10′11′12′13′14′15′16′1′2′3′4′上層下層

因y=yk=1，故1號(hào)元件的末端應(yīng)聯(lián)接在2號(hào)換向片上（1+yk=2）一般應(yīng)使元件左右對(duì)稱，這樣1號(hào)換向片與2號(hào)換向片的分界線正好與元件的中心線相重合。

綜上所述：要使電刷間的電動(dòng)勢(shì)為最大，電刷必須和位于幾何中性線（磁極之間的平分線）的元件相連接，在電機(jī)中把這種情況稱為“電刷在幾何中性線”。

放置電刷：為了引出最大電動(dòng)勢(shì)，必須在換向片1和2、5和6、9和10、13和14之間，也就是在磁極軸線位置，放置4組電刷A1、B1、A2、B2，因?yàn)檫@時(shí)A、B電刷之間所包含的元件，其電動(dòng)勢(shì)的方向都是相同的單疊繞組的的特點(diǎn)：同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。若以a表示支路對(duì)數(shù)，P表示極對(duì)數(shù)則2a=2p電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電刷間電動(dòng)勢(shì)等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢(shì)。電樞電流等于各支路電流之和。二、單波繞組單波繞組的特點(diǎn)是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。所謂單波繞組就是指當(dāng)聯(lián)接了p個(gè)元件后，第p個(gè)元件的末端應(yīng)落在與起始換向片相鄰的換向片上，即：yk=k±1/p

若取pyk=K+1，表示繞完一周后，落在起始換向片右邊的換向片上，稱為單波右行，這時(shí)端接部分交叉，一般不采用。反之，若取pyk=K-1，表示繞完一周后，落在超始換向片左邊的換向片上，稱為單波左行。下面通過(guò)例子說(shuō)明單波繞組的聯(lián)接方法和特點(diǎn)。繞組展開(kāi)圖設(shè)2p=4，Zi=S=K=15，單波左行繞組。計(jì)算繞組節(jié)距（為一短距繞組）作圖的過(guò)程與單疊繞組的相仿，畫出15個(gè)槽和換向片，并進(jìn)行編號(hào)。將1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽內(nèi)（實(shí)線）并與1號(hào)換向片相聯(lián)，1號(hào)元件的下層邊放在第4（1+y1=4）號(hào)槽內(nèi)（虛線）并與第8號(hào)（1+yk=8）換向片相連，作圖時(shí)同樣應(yīng)使元件左右對(duì)稱。與1號(hào)元件相聯(lián)的元件的上層邊應(yīng)在第8號(hào)（1+y=8）槽內(nèi)，與8號(hào)換向片相連，下層邊在第11號(hào)（8+y1=11）槽內(nèi)，并與第15號(hào)（8+y=15）換向片相連，因?yàn)閜=2，所以繞了兩個(gè)元件后就沿電樞前進(jìn)了約一周，回到起始換向片左邊的換向片上，依次類推，最后聯(lián)接成一閉路，如圖右圖所示。繞組元件的聯(lián)接順序見(jiàn)表18157146135124113102914′11′3′10′2′9′1′8′15′7′14′6′13′5′12′上層下層圖1-20圖1-21單波繞組的特點(diǎn)同極下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1即a=1,與磁極對(duì)數(shù)P無(wú)關(guān)；當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢(shì)最大；電刷數(shù)等于磁極數(shù)（采用全額電刷）；電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；電樞電流等于兩條支路電流之和。單迭繞組和單波繞組的區(qū)別單迭繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件，形成一條支路。每增加一對(duì)主極就增加一對(duì)支路。2a＝2p。迭繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適應(yīng)于較大電流、較低電壓的電機(jī)。單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。整個(gè)繞組只有一對(duì)支路，極數(shù)的增減與支路數(shù)無(wú)關(guān)。2a＝2。波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，適用于較高電壓、較小電流的電機(jī)。三、復(fù)疊、復(fù)波繞組簡(jiǎn)介復(fù)疊繞組圖1-22構(gòu)成兩個(gè)“單疊繞組”，然后通過(guò)電刷把它們并聯(lián)起來(lái)。顯然雙疊繞組的支路數(shù)是單疊繞組的兩倍，一般來(lái)說(shuō)，復(fù)疊繞組的支路數(shù)為：2a=2mp

它的聯(lián)接方式與單疊繞組相似，只是y=yk=±m(xù)，其中m為大于1的整數(shù)，m=2稱為雙疊繞組，m=3稱為三疊繞組，……。采用最多的是雙疊繞組，它的聯(lián)接示意圖見(jiàn)圖1-22。雙疊繞組實(shí)際上可以看成是由單號(hào)元件和雙號(hào)元件分別復(fù)波繞組復(fù)波繞組與單波繞組的區(qū)別在于P個(gè)元件串聯(lián)后，不是回到與起始換向片相鄰的換向片上，而是回到與起始換向片距離m片的換向片上。即：

m=2稱為雙波，m=3稱為三波，……。復(fù)波繞組也可看成是由m個(gè)“單波繞組”組成，并通過(guò)電刷所所有支路并聯(lián)起來(lái)，顯然復(fù)波繞組的支路數(shù)等于單波繞組支路數(shù)的m倍，即2a=2m

蛙式繞組

除了上述的復(fù)疊、復(fù)波繞組外，在大型直流電機(jī)中還采用疊、波繞組共同組成的混合繞組，也稱為“蛙式繞組”。1.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)1.4.1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)當(dāng)勵(lì)磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為，流過(guò)電流為，每極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為：下圖為一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)示意圖。

直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒(méi)有這個(gè)作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。磁力線由N極出來(lái)，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進(jìn)入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進(jìn)入電樞鐵心，直接經(jīng)過(guò)氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減?。粯O尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。

空載時(shí)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時(shí)，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。氣隙形狀幾何中性線極靴極身圖1-24圖1-25為了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時(shí)，氣隙磁通與空載磁動(dòng)勢(shì)或空載勵(lì)磁電流的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。如右圖1-25所示。為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材料，一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，額定磁通設(shè)定在圖中a點(diǎn)，即在磁化特性曲線開(kāi)始進(jìn)入飽和區(qū)的位置?？蛰d時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如圖1-24所示。1.4.2直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)一.直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的負(fù)載磁場(chǎng)二.電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無(wú)窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中所示。由于主磁極下氣隙長(zhǎng)度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長(zhǎng)度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖中所示。當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場(chǎng)是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用的結(jié)果。電樞磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。

兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：(1)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)?？蛰d時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線角，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。二.電刷不在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線也隨之移動(dòng)角，如圖(a)(b)所示。這時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。如圖(a)(b)所示。電刷不在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)可用下列表格說(shuō)明1.5直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算1.5.1電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過(guò)時(shí),在磁場(chǎng)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。大小:性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)——驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)?？梢?jiàn)，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中1.5.2電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)簡(jiǎn)稱為電樞電動(dòng)勢(shì)。大小:性質(zhì):發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)(與電樞電流同方向);

電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)(與電樞電流反方向).()電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中可見(jiàn)，直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過(guò)電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。1.6直流電機(jī)的換向1.6.1換向概述電樞移到電刷與換向片2接觸時(shí)，元件1的被短路，電流被分流。如b圖所示。電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1中的電流方向如a圖所示，大小為。電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1中的電流方向如c圖所示，大小為。1.6.2換向的電磁理論一、換向元件中的電動(dòng)勢(shì)：自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)：換向元件（線圈）在換向過(guò)程中電流改變而產(chǎn)生。式中Lr——換向元件的等效合成漏電感。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)楞次定律，電抗電動(dòng)勢(shì)的作用是阻止電流變化的，因此的方向是與換向前的電流方向相同。

電抗電動(dòng)勢(shì)由于換向元件切割換向區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。換向區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)可能由下列三種磁動(dòng)勢(shì)的作用而建立，即主極磁動(dòng)勢(shì)、電樞交軸磁動(dòng)勢(shì)和換向極磁動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電刷放在幾何中性線上時(shí)，該處的主磁場(chǎng)為零，換向區(qū)域的磁場(chǎng)僅由電樞交軸磁動(dòng)勢(shì)和換向極磁動(dòng)勢(shì)所建立，下面對(duì)這兩種磁動(dòng)勢(shì)的作用分別進(jìn)行考慮。根據(jù)楞次定律，換向元件切割電樞交軸磁場(chǎng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向總是與元件換向前的電流方向相同，即與同方向。而換向元件切割換向極磁場(chǎng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向取決于換向極磁場(chǎng)的極性，為了改善換向，換向極磁動(dòng)勢(shì)總是與極下電樞電動(dòng)勢(shì)的方向相反．而換向元件中的總電勢(shì)為Σe=

，假定Σe的方向與元件換向前的電流同向時(shí)為正，反向時(shí)為負(fù)，則在換向元件中可能出現(xiàn)三種情況，Σe=0、Σe＜0、Σe＞0，下面將分別進(jìn)行討論。二、換向元件的電流變化規(guī)律圖1-31圖1-32三、換向元件中的電流變化規(guī)律接觸電阻Rs1和Rs2許多因素有關(guān)，其變化規(guī)律不能用一簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式表示。其次，電抗電動(dòng)勢(shì)ex與電流的變化規(guī)律有關(guān)，而使Σe的值隨時(shí)間的變化而變化。為了便于分析，假定：

1）每一換向片與電刷接觸表面上的電流分布是均勻的。

2）電刷與換向片每單位面積上的接觸電阻為一常數(shù)，即接觸電阻與接觸面積成反比。

3）換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)Σe在換向過(guò)程中保持不變，即取Σe的平均值。令S、Rs為換向片與電刷完全接觸時(shí)的接觸面積和接觸電阻，以換向開(kāi)始時(shí)的瞬間作為時(shí)間的起點(diǎn)，t=0；S1、S2分別表示時(shí)間為t時(shí)，換向片1和2與電刷的接觸面積，RS1和RS2表示相應(yīng)的接觸電阻，則式中，稱為換向電流；稱為附加電流。直線換向直線換向時(shí)，換向電流的變化規(guī)律僅由換向片的和電刷間的接觸電阻的變化所決定，故也稱為電阻換向。Σe=0，電動(dòng)勢(shì)方程為i1Rs1+i2Rs2=0，從數(shù)值來(lái)看說(shuō)明:電刷與換向片1接觸部分的電流密度始終等于電刷與換向片2接觸部分的電流密度，當(dāng)換向結(jié)束時(shí)S1為零，i1也為零，電刷下不會(huì)產(chǎn)生火花，所以直線換向是一種最理想的換向情況。當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間線性變化。即延遲換向超越換向當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間不再是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。時(shí)換向元件電流隨時(shí)間不再是線性變化，出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象。ik不為零，而且ik為正,由于ik的存在，使電刷滑出換向片的一邊（后刷邊）的電流密度大于電刷進(jìn)入換向片的一邊（前刷邊）的電流密度，它使后刷邊的發(fā)熱加劇，并且當(dāng)電刷離開(kāi)換向片1的瞬間，因i1=ik≠0，在后刷邊產(chǎn)生火花，這將對(duì)換向產(chǎn)生不良影響。電刷前刷邊的電流密度大于后刷邊的電流密度，當(dāng)發(fā)生過(guò)份的超越換向時(shí)，前刷邊因發(fā)熱過(guò)甚，也會(huì)發(fā)生火花。通常希望電機(jī)在換向時(shí)能略微超越。1.6.3改善換向的方法除了直線換向外，延遲和超越換向時(shí)的合成電動(dòng)勢(shì)不為零，換向元件中產(chǎn)生附加換向電流，附加換向電流足夠大時(shí)會(huì)在電刷下產(chǎn)生火花。還有機(jī)械和化學(xué)方面的因素也能引起換向不良產(chǎn)生火花。改善換向一般采用以下方法：選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻裝設(shè)換向磁極位于幾何中性線處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，在換向元件處產(chǎn)生換向磁動(dòng)勢(shì)抵消電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)大型直流電機(jī)在主磁極極靴內(nèi)安裝補(bǔ)償繞組補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)抵消電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)1)、裝置換向極對(duì)發(fā)電機(jī)，順電樞轉(zhuǎn)向，換向極極性應(yīng)與下一個(gè)主極極性相同，其排列順序?yàn)镹、SK、S、NK（NK、SK為換向極極性）。對(duì)電動(dòng)機(jī)，順電樞轉(zhuǎn)向，換向極極性應(yīng)與下一個(gè)主極極性相反，其排列順序?yàn)镹、NK、S、SK。為了使負(fù)載變化時(shí)，換向極磁動(dòng)勢(shì)也能作相應(yīng)變動(dòng)，使在任何負(fù)載時(shí)換向元件中的Σe始終為零，就要求換向極繞組必須和電樞串聯(lián)，并保證換向極磁路不飽和。欲使Σe=0，就要求換向極磁場(chǎng)的極性與元件換向前所處的主極磁場(chǎng)的極性相反。換向極的極性布置和換向極繞組的聯(lián)接示意圖2)、正確使用電刷合理選用電刷是一個(gè)重要的問(wèn)題。根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，負(fù)載均勻，電壓在80-120V的中小型電機(jī)通常采用石墨電刷；一般正常使用的中小型電機(jī)和電壓在220V以上或換向較困難的電機(jī)采用電化石墨電刷；而對(duì)于低壓大電流的電機(jī)則采用金屬石墨電刷。增加電刷接觸電阻可以減少附加電流ik。電刷的接觸電阻主要與電刷材料有關(guān)目前常用的電刷有石墨電刷、電化石墨電刷和金屬石墨電刷等。石墨電刷的接觸電阻較大，金屬石墨電刷的接觸電阻最小。從改善換向的角度來(lái)看似乎應(yīng)該采用接觸電阻大的電刷，但接觸電阻大，則接觸壓降也增大，使能量損耗和換向器發(fā)熱加劇，對(duì)換向也不利。強(qiáng)調(diào):在更換電機(jī)的電刷時(shí)，必須選用同一牌或特性盡量接近的電刷，以免造成換向不良。1.6.4防止環(huán)火與補(bǔ)償繞組

環(huán)火:因某些換向片的片間電壓過(guò)高而發(fā)生所謂電位差火花。差火花連成一片，在換向器上形成一條長(zhǎng)電弧，將正、負(fù)電刷連通這種現(xiàn)象稱為“環(huán)火”以單疊繞組為例說(shuō)明電位差火花的形成環(huán)火不僅會(huì)燒壞電刷和換向器，而且將使電樞繞組受到嚴(yán)重?fù)p害。任意相鄰兩換向片間的電壓Ukx等于聯(lián)接到該兩換向片的元件內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在一定的電樞轉(zhuǎn)速下，Ukx與元件邊所處位置的BδX成正比?？蛰d時(shí)由于氣隙磁場(chǎng)分布較均勻，片間電壓的分布較均勻環(huán)火圖片間電壓空載時(shí)片間電壓分布曲線負(fù)載時(shí)，由于交軸電樞反應(yīng)，使氣隙碰場(chǎng)發(fā)生畸變，從而使片間分布不均勻而出現(xiàn)一個(gè)最大值Ukmax，見(jiàn)右圖。當(dāng)Ukmax超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)使換向片間的空氣隙游離擊穿，產(chǎn)生火花，這就稱為電位差火花。結(jié)論:要消除環(huán)火，就必須消除電位差火花，也就是要消除交軸電樞反應(yīng)的影響，為此可采用裝置補(bǔ)償繞組的辦法。電機(jī)負(fù)載時(shí)沿?fù)Q向器上的片間電壓分布曲線補(bǔ)償繞組嵌放在主極極靴上專門沖出的槽內(nèi)，如圖所示。補(bǔ)償繞組應(yīng)與電樞串聯(lián)，并使補(bǔ)償繞組磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)相反，這就保證在任何負(fù)載下，電樞磁動(dòng)勢(shì)都能被抵消，從而減少了因電樞反應(yīng)而引起的氣隙磁場(chǎng)的畸變，也就減少了產(chǎn)生電位差火花和環(huán)火的可能性。裝置補(bǔ)償繞組使電機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成本增加，因此只在負(fù)載變動(dòng)大的大、中型電機(jī)中采用。環(huán)火的發(fā)生除了上述的電氣原因外，因換向器外圓不圓，表面不干凈也可能形成環(huán)火，因此加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的維護(hù)工作，對(duì)防止環(huán)火的發(fā)生有著重要作用。補(bǔ)償繞組1.7直流發(fā)電機(jī)1.7.1直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式是指電機(jī)勵(lì)磁電流的供給方式，分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。他勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁電流由另外的電源供給。勵(lì)磁電路與電樞無(wú)電的聯(lián)系。自勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁電流由發(fā)電機(jī)本身供給。自勵(lì)電動(dòng)按勵(lì)磁繞組與電樞的聯(lián)接方式不同，又可分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)實(shí)線接法稱為短復(fù)勵(lì)虛線接法稱為長(zhǎng)復(fù)勵(lì)

4)復(fù)勵(lì):發(fā)電機(jī)既有并勵(lì)繞組，它們套在同一主極鐵心上。串勵(lì)繞組磁動(dòng)勢(shì)可以與并勵(lì)繞組磁動(dòng)勢(shì)方向相同（稱為積復(fù)勵(lì)），也可以相反（稱為差復(fù)勵(lì)）。并勵(lì)繞組與電樞并聯(lián)，流過(guò)的電流小，故并勵(lì)繞組匝數(shù)多、導(dǎo)線細(xì)；串勵(lì)繞組與電樞串聯(lián)，流過(guò)的電流大，故串勵(lì)繞組匝數(shù)少、導(dǎo)線粗。1)他勵(lì)：他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同3)串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足。2)并勵(lì)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。滿足。通常If

僅為電視額定電流IN的1%-5%。不同的勵(lì)磁方式，將使電機(jī)的運(yùn)行性能發(fā)生很大的差異1.7.2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(dòng)勢(shì)平衡方程式、功率平衡方程式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式。一、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式發(fā)電機(jī)空載時(shí)，電樞電流Ia很?。▽?duì)他勵(lì)發(fā)電機(jī)Ia=0），電樞電動(dòng)勢(shì)Ea等于端電壓U。負(fù)載時(shí)，在Ea作用下，電樞有電流Ia流過(guò)，若以Ea、U、Ia的實(shí)際方向?yàn)檎较?，則電動(dòng)勢(shì)平衡方程式:

Ea=U+IaRa+2△Ub式中Ra為電樞的總電阻，包括電樞繞阻本身的電阻和串勵(lì)繞組、換向極繞組和補(bǔ)償繞組的電阻。2△Ub為一對(duì)電刷的接觸壓降，不同牌號(hào)的電刷其值也不同，一般為0.6-1.2V。在一般定性的分析討論中，也可把電刷接觸壓降歸并到電樞回路的壓降中去，電動(dòng)勢(shì)平衡方程式可寫成Ea=U+IaRa

此時(shí)Ra中應(yīng)包括電刷接觸電阻。對(duì)直流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，Ea＞U。二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式發(fā)電機(jī)空載時(shí)，為了使發(fā)電機(jī)能維持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，則原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T（即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩）必須克服由于機(jī)械摩擦等引起的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T0，T0也稱為空載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)，電樞電流Ia與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tem。在發(fā)電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩Tem是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以為了使電機(jī)恒速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T除了克服空載轉(zhuǎn)矩T0外，還必須克服電磁轉(zhuǎn)矩Tem

的制動(dòng)作用

T=Tem+TO

轉(zhuǎn)矩平衡方程式:發(fā)電機(jī)中T＞Tem直流發(fā)電機(jī)軸上有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T

、電磁轉(zhuǎn)矩Tem

和機(jī)械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩T0

。三、功率平衡方程式

發(fā)電機(jī)工作時(shí)，原動(dòng)機(jī)向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率P1。P1中因機(jī)械摩擦等消耗的一部分稱為空載功率Po，其余部分便轉(zhuǎn)化為電功率Pem，Pem也稱為電磁功率，功率平衡方程式:p1=pem+po

以下對(duì)電磁功率pem和空載功率po作進(jìn)一步分析。1)電磁功率pem負(fù)載時(shí)電樞有電動(dòng)勢(shì)Ea，在Ea作用下產(chǎn)生電流Ia，顯然發(fā)電機(jī)中的電磁功率pem=EaIa

式中ω——電樞旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度物理意義：是原動(dòng)機(jī)為克服電磁轉(zhuǎn)矩所需輸入的機(jī)械功率，EaIa則為電樞發(fā)出的電磁功率，兩者相等，所以電磁功率就是機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率的部分，它是從機(jī)械量計(jì)算電磁量的一個(gè)橋梁

電磁功率pem除去電樞回路電阻上的損耗pcua=I2aRa和電刷接觸損耗pcua=2△UbIa外，其余的便是對(duì)負(fù)載輸出的功率p2和勵(lì)磁回路的損耗pcuf（對(duì)他勵(lì)機(jī)，pcuf不包括在電磁功率中）。EaIa=UIa+UIf+I2aRa+2Ia△Ub=U（Ia+If）+I2aRa+2Ia△Ub

2)空載功率Po

Po主要包括機(jī)械損耗功率PΩ和鐵耗功率PFe，空載功率也稱作空載損耗。機(jī)械損耗包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗、定子與轉(zhuǎn)子和空氣的摩擦損耗（也稱為通風(fēng)損耗）等部分。鐵耗PFe是由于電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主磁通在電樞鐵心內(nèi)交變而引起的機(jī)械損耗和鐵耗與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，電機(jī)空載時(shí)即存在，而且在運(yùn)行過(guò)程中數(shù)值幾乎不變，所以空載損耗也稱作不變損耗?？蛰d功率也可表示Po=Toω,To為空載轉(zhuǎn)矩3)附加損耗Ps

附加損耗又稱做雜散損耗包括：結(jié)構(gòu)部件在磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗；因電樞齒槽影響，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙磁通發(fā)生脈動(dòng)而在主極鐵心中和電樞鐵心中產(chǎn)生的脈動(dòng)損耗;因電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)畸變而在電樞鐵心中產(chǎn)生的損耗；由于電流分布不均勻而增加的電刷接觸損耗；換向電流所產(chǎn)生的損耗。產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，也很難精確計(jì)算，通常采用估算的辦法確定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直流電機(jī)的附加損耗為額定功率的0.5%-1%。綜合上述分析，可寫出功率平衡方程式，即p1=pem+po=（P2+pcua+pcub+pcuf）+（pΩ+pFe）+ps

直流發(fā)電機(jī)的功率圖若是他勵(lì)電機(jī)，則勵(lì)磁回路功率由外電源供給，而不包括在輸入的機(jī)械功率之中。1.7.3他勵(lì)發(fā)電機(jī)的特性直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以測(cè)得的物理量有發(fā)電機(jī)的端電壓U、負(fù)載電流I、勵(lì)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(gè)物理量之間的關(guān)系就用來(lái)表征發(fā)電機(jī)的特性?？蛰d特性I為常數(shù)的條件下，U=f（If）。其中I=0時(shí)稱為空載特性，這一條很重要的特性。外特性If為常數(shù)的條件下，U=f（I）。一般只討論If=IfN時(shí)的一條特性曲線，此時(shí)當(dāng)U=UN時(shí)，I=IN調(diào)節(jié)特性U為常數(shù)的條件下，If=f（I）。一般只討論U=UN的一條特性曲線。效率特性，即η=f（P2）下面對(duì)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的各種特性進(jìn)行分析。定義：當(dāng)n=nN、I=0時(shí)，U=f（If）的關(guān)系曲線特性曲線可用試驗(yàn)方法求得試驗(yàn)方法及接線圖如下一、空載特性發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，保持轉(zhuǎn)速n=nN，開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)，勵(lì)磁回路外加電壓Uf，合上開(kāi)關(guān)S2并調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路中的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)電阻Rpf，使勵(lì)磁電流If從零開(kāi)始逐漸增大，直到U0=（1.1-1.3）UN為止；再逐步減小If，則UO也隨之減小，當(dāng)If=0時(shí)，UO并不等于零，此電壓稱為剩磁電壓，其值約為UN的（2-5）%；然后改變勵(lì)磁電流的方向，并逐漸增大，則空載電壓由剩磁電壓減小到零后，又逐漸升高，但極性其反，直到負(fù)的U0為額定電壓的（1.1-1.3）倍為止。接著又把If減小到零。這樣就可以測(cè)得一系列If值和對(duì)應(yīng)的U0值，繪出U0=f(If)的曲線。曲線成一磁滯回線空載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直流發(fā)電機(jī)的空載特性是非線性的，上升與下降的過(guò)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。

空載特性曲線的形狀與電機(jī)的磁化曲線形狀相似，根據(jù)電動(dòng)勢(shì)公式，對(duì)于已制成的電機(jī)，Ce為一常數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，Ea∝φ。而勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff∝If，所以改變磁化曲線的坐標(biāo)，就可以得到空載特性。要點(diǎn):電機(jī)的磁化曲線是表示電機(jī)磁路情況的一條特性曲線，每一臺(tái)電機(jī)只有一條磁化曲線，而空載特性曲線是對(duì)應(yīng)于某一轉(zhuǎn)速的升降而成正比的上升或下移二、外特性定義：當(dāng)n=nN、If=IfN時(shí)U=f（I）的關(guān)系曲線特性曲線可用試驗(yàn)方法求得試驗(yàn)方法及接線圖如下按右圖接線，并將開(kāi)關(guān)S1合上，保持n=nN，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R和磁場(chǎng)調(diào)節(jié)電阻Rpf,使U=UN時(shí)I=IN，此時(shí)的勵(lì)磁電流即為額定勵(lì)磁電流IfN。在試驗(yàn)過(guò)程中，保持If=IfN值不變，此后逐步增大負(fù)載電阻R，負(fù)載電流I就逐步減小，電樞電壓則逐步增加，直到I=0，測(cè)得一系列I和對(duì)應(yīng)的U值，即得到發(fā)電機(jī)的外特性曲線外特性曲線如圖:他勵(lì)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(gè)：

1）電機(jī)有負(fù)載后，電樞反應(yīng)的去磁作用，使電樞電動(dòng)勢(shì)Ea比空載時(shí)小。

2）電區(qū)回路的壓降IaRa。這兩個(gè)因素都隨負(fù)載的增加而增大，由電動(dòng)勢(shì)方程U=Ea-IaRa可知，端電壓就隨負(fù)載的增大而減小。當(dāng)負(fù)載電阻R=0，即發(fā)電機(jī)短路時(shí)，短路電流很大，其值可達(dá)額定電流的數(shù)十倍，這樣大的電流將使電機(jī)損壞。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:他勵(lì)發(fā)電機(jī)的額定電壓調(diào)整率是指在n=nN，If=IfN時(shí)發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載過(guò)渡到空載時(shí)，端電壓升高的數(shù)值與額定電壓的百分比。即一般他勵(lì)發(fā)電機(jī)的△U約為（5-10）%，可認(rèn)為它是一個(gè)恒壓電源。三、調(diào)節(jié)特性定義：調(diào)節(jié)特性是在n=nN、U=UN時(shí)If=f（I）的關(guān)系曲線。從外特性可知，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，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(lì)磁電流，所以他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性是一條上升的曲線調(diào)節(jié)特性曲線四、效率特性定義：在n=nN、U=UN時(shí)發(fā)電機(jī)的效率與負(fù)載的關(guān)系曲線（實(shí)際上電壓U將隨負(fù)載變化而變化，因變化不大，可近似認(rèn)為U=UN）式中∑p為全部損耗，其中有一部分是不隨負(fù)載變化的，稱為不變損耗，如PFe、PΩ、Ps中也有一部分是不變損耗；有一部分是隨負(fù)載變化而變化的，稱為可變損耗，如Pcua、Pcub和一部分附加損耗，一般與負(fù)載電流的二次方成正比。效率是指輸出功率與輸入功率之比:根據(jù)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系，可得將式對(duì)I求導(dǎo)而得效率特性關(guān)系式:當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)，P2=0，所以η=0。

當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，由于可變損耗小，總損耗中以不變損耗為主，此時(shí)增加負(fù)載，總損耗增加不多，輸出P2=UI則與電流成正比增加，所以效率隨負(fù)載增加而上升很快。繼續(xù)增加負(fù)載，當(dāng)可變損耗與不變損耗相等時(shí)，效率達(dá)到最大值。若再繼續(xù)增加負(fù)載，則因可變損耗在總損耗中占主要地位，且與Ia的二次方成正比，而輸出功率僅與I成正比，因此效率反而下降。通常在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，需要將各種損耗作適當(dāng)?shù)姆峙?，使最大效率出現(xiàn)在（3/4-1）PN范圍內(nèi)，這樣電機(jī)在實(shí)際使用時(shí)，能夠處在較高的效率下運(yùn)行，比較經(jīng)濟(jì)。這種要求同樣適用于其它各種類型電機(jī)（包括交流電機(jī)和變壓器）1.7.4并勵(lì)發(fā)電機(jī)并勵(lì)發(fā)電機(jī)是一種自勵(lì)電機(jī)，它的勵(lì)磁電流不需要由外電源供給，而是取自發(fā)電機(jī)本身，所以稱“自勵(lì)”。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組是與電樞并聯(lián)的，要產(chǎn)生勵(lì)磁電流If，電樞兩端必須要有電壓，而在電壓建立起來(lái)之前，If=0,沒(méi)有勵(lì)磁電流，電樞兩端又不可能建立起電壓，因此有必要在分析并勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性前，先討論一下它的電壓建立過(guò)程，也稱為“自勵(lì)過(guò)程”。一、自勵(lì)過(guò)程設(shè)發(fā)電機(jī)已由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，由于電機(jī)磁路中有一定的剩磁，在發(fā)電機(jī)的端點(diǎn)將會(huì)有一個(gè)不大的剩磁電壓。這時(shí)把并勵(lì)繞組并接到電樞上去，便有電流流過(guò)勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生一個(gè)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與剩磁同方向，使電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)得到加強(qiáng)，從而使電機(jī)的端電壓升高。在這一較高端電壓的作用下，勵(lì)磁電流又進(jìn)一步升高，如此反復(fù)作用，發(fā)電機(jī)的端電壓便“自勵(lì)”起來(lái)。由于并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流以If僅為額定電流IN的（1-5）%，因此發(fā)電機(jī)空載時(shí)的電壓UO可近似看作等于Ea，所以從電樞回路來(lái)看，If與UO的關(guān)系也可以用空載特性表示。另一方面，若從勵(lì)磁回路來(lái)看，If與UO的關(guān)系又必須滿足歐姆定律，即式中Rf——?jiǎng)?lì)磁回路總電阻從物理過(guò)程來(lái)看，在自勵(lì)過(guò)程中勵(lì)磁電流是變化的，這時(shí)勵(lì)磁回路的電動(dòng)勢(shì)方程：式中Lf——?jiǎng)?lì)磁繞組的電感。發(fā)電機(jī)的電壓能否穩(wěn)定在某一數(shù)值，需作進(jìn)一步的分析。當(dāng)Rf一定時(shí)，If與UO成線性關(guān)系，該直線的斜率為故稱直線2為磁場(chǎng)電阻線，簡(jiǎn)稱場(chǎng)阻線?？梢?jiàn)，If與UO的關(guān)系既要滿足空載特性，又要滿足場(chǎng)阻線，則最后穩(wěn)定點(diǎn)必然是場(chǎng)阻線與空載特性的交點(diǎn)A，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓即是空載時(shí)建立的穩(wěn)定電壓。1-空載特性2-場(chǎng)阻線3-臨界場(chǎng)阻線空載特性與場(chǎng)阻線之間的陰影部分表示了的值，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入空載穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，勵(lì)磁電流不再變化，dif=0,即最后的穩(wěn)定點(diǎn)必定是空載特性與場(chǎng)阻線的交點(diǎn)。的場(chǎng)阻線斜率，即可調(diào)節(jié)空載電壓的穩(wěn)定點(diǎn)。如果逐步增大電阻Rf（即增大磁場(chǎng)調(diào)節(jié)電阻Rpf），場(chǎng)阻線斜率增大，空載電壓穩(wěn)定點(diǎn)就沿空載特性向原點(diǎn)移動(dòng)，空載電壓減??；當(dāng)場(chǎng)阻線與空載特性的直線部分相切時(shí)，兩線無(wú)固定的交點(diǎn)或交點(diǎn)很低，空載電壓為不穩(wěn)定，如圖中的直線3，這時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁回路的總電阻稱為臨界電阻。綜上所述：并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載穩(wěn)定電壓UO的大小決定于空載特性與場(chǎng)阻線的交點(diǎn)。因此調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路中的電阻，也就是改變并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程可以看出，要使發(fā)電機(jī)能夠自勵(lì)，必須滿足下述三個(gè)條件，稱為自勵(lì)條件。自勵(lì)條件1）發(fā)電機(jī)的主磁極必須要有一定的剩磁。2）勵(lì)磁繞組與電樞的聯(lián)接要正確，使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與剩磁同方向。3）勵(lì)磁回路的總電阻要小于臨界電阻。電機(jī)自勵(lì)的必要條件若在某一轉(zhuǎn)向下，勵(lì)磁繞組與電樞的聯(lián)接能使電機(jī)自勵(lì)，則改變轉(zhuǎn)向后，電機(jī)便不能自勵(lì)。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向改變后，剩磁電壓的方向也隨之改變，由此產(chǎn)生的勵(lì)磁電流對(duì)剩磁起去磁作用。所以，所謂勵(lì)磁繞組與電樞的連接正確是對(duì)某一旋轉(zhuǎn)方向而言的。發(fā)電機(jī)應(yīng)按制造廠規(guī)定的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)行。由于對(duì)應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的空載特性位置也不同，因此對(duì)應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速便有不同的臨界電阻。如果保持勵(lì)磁回路的總電阻不變，發(fā)電機(jī)在高速時(shí)能自勵(lì)，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)也許就不能自勵(lì)。一般發(fā)電機(jī)應(yīng)保持在額定轉(zhuǎn)速nN下運(yùn)行。二、運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性和調(diào)節(jié)特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)無(wú)多大差別。只分析并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性。定義：在n=nN、Rf=RfN=常數(shù)（注意：不是If=常數(shù)）時(shí)，U=f（I）的關(guān)系曲線。特性曲線可用試驗(yàn)方法求得試驗(yàn)方法如下先將電機(jī)拖到額定轉(zhuǎn)速n=nN，使電機(jī)自勵(lì)建立電壓，然后調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和負(fù)載電流，使電機(jī)達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)，即U=UN、I=IN,此時(shí)勵(lì)磁回路的總電阻即為RfN。保持RfN不變，求取不同負(fù)載時(shí)的端電壓，就可得到圖中曲線1所示的外特性曲線，圖中曲線2表示接成他勵(lì)時(shí)的外特性。比較兩條曲線，可以看出并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性有兩個(gè)特點(diǎn)1）并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率較他勵(lì)時(shí)大，這時(shí)因?yàn)樗麆?lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If=IfN=常數(shù)，它不受端電壓變化的影響；而并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流卻隨電樞端電壓的降低而減小，這就使電樞電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步下降。因此并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性比他勵(lì)時(shí)要下降得快一些。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整一般在20%左右。2）穩(wěn)態(tài)短路電流小，當(dāng)負(fù)載電阻短路時(shí)（R=0），電樞端電壓U=0，勵(lì)磁電流If也為零。這時(shí)電樞繞組中的電流由剩磁電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生。由于剩磁電動(dòng)勢(shì)不大，所以穩(wěn)態(tài)短路電流也不大。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流雖然不大，若發(fā)生突然短路，則因?yàn)閯?lì)磁繞組有很大的電感，勵(lì)磁電流及其所建立的磁通不能立即消失，因此短路電流的最大值仍可達(dá)到額定電流的8-12倍，還是有損壞電機(jī)的危險(xiǎn)。強(qiáng)調(diào)1.7.5復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)分積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)兩類。在積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)中，并勵(lì)繞組起主要作用，它使發(fā)電機(jī)空載時(shí)產(chǎn)生額定電壓。串勵(lì)繞組的作用只是用來(lái)補(bǔ)償負(fù)載時(shí)電樞電阻壓降和電樞反應(yīng)的去磁作用，使電機(jī)在一定的負(fù)載范圍內(nèi)保持端電壓的恒定，這就克服了他勵(lì)和并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓隨負(fù)載增加而下降的缺點(diǎn)。復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性額定負(fù)載時(shí)的端電壓等于空載電壓，就稱為平復(fù)勵(lì)，它說(shuō)明這時(shí)串勵(lì)繞組磁動(dòng)勢(shì)恰好能補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用和電樞的電阻壓降。若補(bǔ)償有余，則額定負(fù)載時(shí)的端電壓將高于空載電壓，稱為過(guò)復(fù)勵(lì)。反之，補(bǔ)償宵足就稱為欠復(fù)勵(lì)。根據(jù)串勵(lì)繞組的補(bǔ)償程度，積復(fù)勵(lì)電機(jī)又可分為平復(fù)勵(lì)、過(guò)復(fù)勵(lì)和欠復(fù)勵(lì)三種。若發(fā)電機(jī)在1.8直流電動(dòng)機(jī)1.8.1直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流都是由外電源供給的，和直流發(fā)電機(jī)相似，勵(lì)磁方式不同也會(huì)使直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生很大差異。按照勵(lì)磁方式的不同，直流電動(dòng)機(jī)可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。一、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞繞組和勵(lì)磁繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電，電樞電壓U與勵(lì)磁電壓Uf彼此無(wú)關(guān)，如圖所示。二、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞并聯(lián)，由同一電源供電，勵(lì)磁電壓Uf等于電樞電壓U，從性能上講與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同。三、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞串聯(lián)后再接于直流電源，這時(shí)I=Ia=If。如圖所示四、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，它也分積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)兩類，因?yàn)椴顝?fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，實(shí)際上不采用。1.8.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式一、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，設(shè)電樞兩端外加電壓為U，電樞電流為Ia，電樞電動(dòng)勢(shì)為Ea，則從電動(dòng)機(jī)的工作原理可以知道，這時(shí)Ea與Ia是反向的，即Ea是個(gè)反電動(dòng)勢(shì)。U=Ea+IaR+2△Rb

式中R——電樞電路總電阻，R=Ra+Rpa，包括電樞電阻Ra和與電樞串聯(lián)的附加電阻Rpa。若以U、Ea、Ia的實(shí)際方向?yàn)檎较颍瑒t可列出直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz及空載轉(zhuǎn)矩TO

相平衡，即Tem=TZ+TO可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩Td只是電磁轉(zhuǎn)矩的一部分，它與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，即：Td=Tem-TO=TZ

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子和被它拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械都具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性轉(zhuǎn)矩Tj=。根據(jù)力學(xué)知識(shí)，在一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中，任何瞬間都必須保持轉(zhuǎn)矩平衡，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式：拖動(dòng)中也稱運(yùn)動(dòng)方程式二、功率平衡方程式

直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，從電網(wǎng)吸取電功率P1，除去電樞回路的銅損耗pcua，電刷接觸損耗pcua及勵(lì)磁回路銅耗pcuf，其余部分便是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率的電磁功率Pem，所以直流電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem也就是電樞所發(fā)出的全部機(jī)械功率Temω。從電的觀點(diǎn)來(lái)看，由于電動(dòng)機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)是個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，它與Ia反向，所以EaIa表示電樞所吸收的電功率。因此和發(fā)電機(jī)一樣，電動(dòng)機(jī)的電磁功率：Pem=Temω=EaIa電磁功率并不能全部用來(lái)輸出，它必須補(bǔ)償機(jī)械損耗pΩ、鐵耗pFe和附加損耗ps，最后剩下的部分才是對(duì)外輸出的機(jī)械功率P2Pem=PΩ+PFe+Ps+P2=PO+P2

直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式：P1=Pcua+Pcub+Pcuf+Pem=Pcua+Pcub+PCuf+PΩ+PFe+Ps+P2=ΣP+P2

直流電動(dòng)機(jī)的功率圖1.8.3他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性：指在U=UN、電樞回路的附加電阻Rpa=0、勵(lì)磁電流If=IfN時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Tem和效率η三者與輸出功率P2之間的關(guān)系，即n、T、η=f（P2）。實(shí)際應(yīng)用中，由于電樞電流Ia輕易測(cè)量，且Ia隨P2的增大而增大，故也有將工作特性表示為n、T、η=f（Ia）的。試驗(yàn)方法求取工作特性曲線接線圖下如圖所示圖中Rst為起動(dòng)電阻，Rpf為磁場(chǎng)調(diào)節(jié)電阻。在U=UN時(shí)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載和勵(lì)磁電流，使輸出功率為額定功率PN，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速nN，此時(shí)的勵(lì)磁電流即為IfN。保持U=UN、If=IfN不變，改變電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，測(cè)得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ和輸出功率P2，就可畫工作特性。工作特性曲線一、轉(zhuǎn)速調(diào)整特性以Ea=Ceфn代入電動(dòng)勢(shì)平衡方程式U=Ea+IaRa，即可得到轉(zhuǎn)速公式對(duì)各種勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)都適用對(duì)于一定的電動(dòng)機(jī)，Ce為一常數(shù)，則當(dāng)U=UN時(shí)，影響轉(zhuǎn)速的因素有兩個(gè)：1）電樞回路的電阻壓降IaRa；2）磁通ф。因?yàn)镮f=IfN=常數(shù)，因此磁通僅受電樞反應(yīng)的影響。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電樞電流I