第01章-直流電機

第一章直流電機本章主要研究換向器式直流電機，分析它們的工作原理、結構、電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)、運行時的電磁過程及工作特性，并對無換向器式直流電機作簡單介紹。

1.1直流電機的工作原理與結構

1.2直流電機的銘牌數據及主要系列

1.3直流電機的電樞繞組

1.4直流電機的磁場

1.5直流電機的電磁轉矩和電樞電動勢的計算

1.6直流電機的換向

1.7直流發(fā)電機

1.8

直流電動機換向磁極電刷裝置機座端蓋電樞鐵心電樞繞組換向器轉軸風扇主磁極轉子定子1-換向器2-電刷裝置3-機座4-主磁極5-換向極6-端蓋7-風扇8-電樞繞組9-電樞鐵心1.1直流電機的工作原理與結構直流電機剖面圖1.1.2直流電機的工作原理一直流發(fā)電機的工作原理右圖表示一臺最簡單的兩極直流電機的模型。N、S為定子磁極，由A和x兩根導體連成的一個電樞線圈是放置在可旋轉導磁圓柱體上（稱為電樞鐵心），線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首端和末端分別連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片1和2上。電樞線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷B1和B2進行的。圖1-1根據電磁感應定律，導體的感應電動勢為e=BxLV。則整個線圈從x→A的感應電動勢eXA=2BxLV。由于轉速n是恒定的，故V為一定值；對于已制成的電機，L也是一定的，所以電動勢eXA與磁通密度BX成正比，這說明線圈電動勢的變化規(guī)律與氣隙磁場沿圓周的分布規(guī)律相同。

當原動機驅動電機轉子以恒定的轉速n逆時針方向轉動，設在圖1-1所示瞬間，如右圖。根據右手定則，可以判定導體A的電動勢方向為穿出紙面，用⊙表示；導體x的電動勢方向為進入紙面，用表示。圖1-1由圖可見，此時電刷B1與導體A所連的換向片1相接觸；而電刷B2則與導體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，因為eXA∝BX，所以只要改變坐標刻度，曲線也可以表示為線圈電動勢隨時間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，線圈電動勢是交變的。當電樞轉過180°后，導體x到了原來導體A的位置，導體A則到了原來導體x的位置。根據右手定則，此時導體x的電動勢方向為⊙,導體A的電動勢方向為圖1-1圖1-2

知道了BX的分布曲線，也就可以知道線圈電動勢的變化規(guī)律。為此可以假想把電樞從外圓上某點切開，把圓周拉成一直線作為橫坐標，并以磁通密度BX為縱坐標，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之間接上一個負載，負載上就會流過一個方向不變的電流，這就是直流發(fā)動機的工作原理。顯然在一個線圈的情況下，電刷B1與B2之間的電動勢的方向雖然不變，但在數值上卻是變化的，因此在實際電機中，電樞繞組是由許多線圈按照一定規(guī)律連接起來而構成的，這就使電刷間電動勢的脈動程度大大降低，實用時可以認為產生的是一個恒定直流。

由于電刷在空間是固定不動的，這時電刷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之間得到一個方向不變電動勢。二.直流電動機的工作原理如果不用原動機去帶動電樞旋轉，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，從負電刷B2流出，則此時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，它們產生的轉矩的方向也就不變。這個轉矩使電樞始終沿一個方向旋轉，就把電能變換成機械能，使之成為一臺直流電動機而帶動生產機械工作。圖1-1三.直流電機的可逆性1.2直流電機的銘牌數據及主要系列1）額定容量（額定功率）PN

指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以“W”為量綱單位。1.2.1直流電機的銘牌數據電機制造廠按照國家標準，根據電機的設計和試驗數據，規(guī)定了電機的正常運行狀態(tài)和條件，通常稱之為額定運行情況。凡表征電機額定運行情況的各種數據，稱為額定值。額定值一般都標注在電機的銘牌上，所以也稱為銘牌數據，它是正確合理使用電機的依據。直流電機的額定值主要有下列四項：對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，PN＝UNINηN

對于直流發(fā)電機，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直流電機系列所謂系列電機就是在應用范圍、結構形式、性能水平和生產工藝等方面有共同性，功率按一定比例遞增，并成批生產的一系列電機，我國目前生產的直流電機的主要系列有：Z3系列:為一般用途的小型直流電機系列，是一種基本系列。“Z”表示直流，“3”表示第三次改型設計。ZF和ZD系列:為一般用途的中型直流電機系列?！癋”表示發(fā)電機，“D”表示電動機。

ZZJ系列:為起重、冶金用直流電動機系列。此時還有ZQ直流牽引電動機系列及Z-H和ZF-H船用電動機和發(fā)電機系列等。1.3直流電機的電樞繞組組成電樞繞組的基本單元稱為“元件”，一個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，匝數的多少也就等于每一元件邊所包含的串聯(lián)導體數。1.3.1直流電機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、虛槽因為每一個元件有兩個元件邊，而每一換向片連接一個元件的始端和另一個元件的末端；又因為每一個虛槽包含著兩個元件邊，所以繞組的元件數S、換向片數K和虛槽數Zi三者應相等，即S=K=Zi=uZ為了確切地說明每個元件邊所處的具體位置，引入“虛槽”的概念。設槽內每層有u個元件邊，則把每個實際槽看作包含有u個“虛槽”，每個虛槽的上、下層各有一個元件邊，如圖表示u=3時，元件邊的布置情況。若實槽數為Z，虛槽數為Zi，則Zi=uZ

三、第一節(jié)距y1一個元件的兩個有效邊之間的距離稱為第一節(jié)距或后節(jié)距，用虛槽數表示。在電機中，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勢，第一節(jié)距y1應等于或接近于一個極距，極距按下式計算：式中Da——電樞外徑；P——磁極對數。若極距用虛槽數表示，則由于Zi不一定能被極數2P整除，而y1又必須為整數，所以應使若ε=0，則y1=

，稱為整距繞組；若ε≠0，則y1﹥時，稱為長距繞組，y1﹤

時，稱為短距繞組。四、第二節(jié)距y2

相串聯(lián)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之間的距離稱為第二節(jié)距或前節(jié)距，用虛槽數表示。五、合成節(jié)距y相串聯(lián)的兩個元件的對應邊之間的距離稱為合成節(jié)距，用虛槽數表示。合成節(jié)距表示每串聯(lián)一個元件后，繞組在電樞表面前進或后退了多少個虛槽，它是反映不同形式繞組的一個重要標志。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、單疊繞組下面通過例子說明單疊繞組的聯(lián)接方法和特點。（2）畫出展開圖如下圖所示。作圖步驟如下：設2P=4，S=K=Zi=16，單疊右行繞組。（1）計算節(jié)距，采用整矩繞組，因為單疊右行，故y=yk=1，所以y2=y1-y=4-1=3。先畫16個槽和16個換向片，并將元件、槽和換向片按順序編號。編號時把元件號碼、元件上層邊所在槽的號碼以及與元件上層邊相聯(lián)接的換向片號碼編得一致，即1號元件的上層邊放在1號槽內并與1號換向片相連接。因為y1=4,則1號元件的下層邊應放在第5號槽（1+y1=5）的下層，下層邊用虛線表示，編號為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號元件的末端應聯(lián)接在2號換向片上（1+yk=2）一般應使元件左右對稱，這樣1號換向片與2號換向片的分界線正好與元件的中心線相重合。

綜上所述：要使電刷間的電動勢為最大，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：為了引出最大電動勢，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，因為這時A、B電刷之間所包含的元件，其電動勢的方向都是相同的單疊繞組的的特點：同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數與支路數相同。若以a表示支路對數，P表示極對數則2a=2p電刷數等于主磁極數，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。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是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。所謂單波繞組就是指當聯(lián)接了p個元件后，第p個元件的末端應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。下面通過例子說明單波繞組的聯(lián)接方法和特點。繞組展開圖設2p=4，Zi=S=K=15，單波左行繞組。計算繞組節(jié)距（為一短距繞組）作圖的過程與單疊繞組的相仿，畫出15個槽和換向片，并進行編號。將1號元件的上層邊放在1號槽內（實線）并與1號換向片相聯(lián)，1號元件的下層邊放在第4（1+y1=4）號槽內（虛線）并與第8號（1+yk=8）換向片相連，作圖時同樣應使元件左右對稱。與1號元件相聯(lián)的元件的上層邊應在第8號（1+y=8）槽內，與8號換向片相連，下層邊在第11號（8+y1=11）槽內，并與第15號（8+y=15）換向片相連，因為p=2，所以繞了兩個元件后就沿電樞前進了約一周，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單波繞組的特點同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數為1即a=1,與磁極對數P無關；當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；電刷數等于磁極數（采用全額電刷）；電樞電動勢等于支路感應電動勢；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。每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。迭繞組并聯(lián)的支路數多，每條支路中串聯(lián)元件數少，適應于較大電流、較低電壓的電機。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。整個繞組只有一對支路，極數的增減與支路數無關。2a＝2。波繞組并聯(lián)的支路數少，每條支路中串聯(lián)元件數多，適用于較高電壓、較小電流的電機。三、復疊、復波繞組簡介復疊繞組圖1-22構成兩個“單疊繞組”，然后通過電刷把它們并聯(lián)起來。顯然雙疊繞組的支路數是單疊繞組的兩倍，一般來說，復疊繞組的支路數為：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，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)接示意圖見圖1-22。雙疊繞組實際上可以看成是由單號元件和雙號元件分別復波繞組復波繞組與單波繞組的區(qū)別在于P個元件串聯(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，……。復波繞組也可看成是由m個“單波繞組”組成，并通過電刷所所有支路并聯(lián)起來，顯然復波繞組的支路數等于單波繞組支路數的m倍，即2a=2m

蛙式繞組

除了上述的復疊、復波繞組外，在大型直流電機中還采用疊、波繞組共同組成的混合繞組，也稱為“蛙式繞組”。1.4直流電機的磁場1.4.1直流電機的空載磁場當勵磁繞組的串聯(lián)匝數為，流過電流為，每極的勵磁磁動勢為：下圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。

直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，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，經氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經過氣隙、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，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。

空載時勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當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為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖1-25所示。為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通設定在圖中a點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置?？蛰d時的氣隙磁通密度為一平頂波，如圖1-24所示。1.4.2直流電機負載時的磁場及電樞反應一.直流電機負載時的負載磁場二.電刷在幾何中性線上時的電樞反應如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢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度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中所示。當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。

兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的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由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：(1)使氣隙磁場發(fā)生畸變磁路不飽和時，主磁場被削弱的數量等于加強的數量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運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，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質。空載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角，磁通密度的曲線與空載時不同。二.電刷不在幾何中性線上時的電樞反應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。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。電刷不在幾何中性線時的電樞反應可用下列表格說明1.5直流電機的電磁轉矩和電樞電動勢的計算1.5.1電磁轉矩的計算產生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。大小:性質:

發(fā)電機——制動(與轉速方向相反)；電動機——驅動(與轉速方向相同)?？梢?，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉矩常數，有其中1.5.2電樞感應電動勢的計算產生:電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。大小:性質: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).()電動勢常數為電機的結構常數其中可見，直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關。直流電機的某一個元件經過電刷，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。1.6直流電機的換向1.6.1換向概述電樞移到電刷與換向片2接觸時，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，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，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、換向元件中的電動勢：自感電動勢和互感電動勢：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產生。式中Lr——換向元件的等效合成漏電感。旋轉電動勢根據楞次定律，電抗電動勢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。

電抗電動勢由于換向元件切割換向區(qū)域內的磁場而感應的電動勢。換向區(qū)域內的磁場可能由下列三種磁動勢的作用而建立，即主極磁動勢、電樞交軸磁動勢和換向極磁動勢。當電刷放在幾何中性線上時，該處的主磁場為零，換向區(qū)域的磁場僅由電樞交軸磁動勢和換向極磁動勢所建立，下面對這兩種磁動勢的作用分別進行考慮。根據楞次定律，換向元件切割電樞交軸磁場而產生的感應電動勢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而產生的電動勢方向取決于換向極磁場的極性，為了改善換向，換向極磁動勢總是與極下電樞電動勢的方向相反．而換向元件中的總電勢為Σe=

，假定Σe的方向與元件換向前的電流同向時為正，反向時為負，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，其變化規(guī)律不能用一簡單的數學公式表示。其次，電抗電動勢ex與電流的變化規(guī)律有關，而使Σe的值隨時間的變化而變化。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，即接觸電阻與接觸面積成反比。

3）換向元件中的合成電動勢Σe在換向過程中保持不變，即取Σe的平均值。令S、Rs為換向片與電刷完全接觸時的接觸面積和接觸電阻，以換向開始時的瞬間作為時間的起點，t=0；S1、S2分別表示時間為t時，換向片1和2與電刷的接觸面積，RS1和RS2表示相應的接觸電阻，則式中，稱為換向電流；稱為附加電流。直線換向直線換向時，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，電動勢方程為i1Rs1+i2Rs2=0，從數值來看說明: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，當換向結束時S1為零，i1也為零，電刷下不會產生火花，所以直線換向是一種最理想的換向情況。當時換向元件電流隨時間線性變化。即延遲換向超越換向當時換向元件電流隨時間不再是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。時換向元件電流隨時間不再是線性變化，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，并且當電刷離開換向片1的瞬間，因i1=ik≠0，在后刷邊產生火花，這將對換向產生不良影響。電刷前刷邊的電流密度大于后刷邊的電流密度，當發(fā)生過份的超越換向時，前刷邊因發(fā)熱過甚，也會發(fā)生火花。通常希望電機在換向時能略微超越。1.6.3改善換向的方法除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，換向元件中產生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電刷下產生火花。還有機械和化學方面的因素也能引起換向不良產生火花。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)，在換向元件處產生換向磁動勢抵消電樞反應磁動勢大型直流電機在主磁極極靴內安裝補償繞組補償繞組與電樞繞組串聯(lián)，產生的磁動勢抵消電樞反應磁動勢1)、裝置換向極對發(fā)電機，順電樞轉向，換向極極性應與下一個主極極性相同，其排列順序為N、SK、S、NK（NK、SK為換向極極性）。對電動機，順電樞轉向，換向極極性應與下一個主極極性相反，其排列順序為N、NK、S、SK。為了使負載變化時，換向極磁動勢也能作相應變動，使在任何負載時換向元件中的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，就要求換向極磁場的極性與元件換向前所處的主極磁場的極性相反。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重要的問題。根據長期運行經驗，負載均勻，電壓在80-120V的中小型電機通常采用石墨電刷；一般正常使用的中小型電機和電壓在220V以上或換向較困難的電機采用電化石墨電刷；而對于低壓大電流的電機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看似乎應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，對換向也不利。強調:在更換電機的電刷時，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)火與補償繞組

環(huán)火:因某些換向片的片間電壓過高而發(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電弧，將正、負電刷連通這種現(xiàn)象稱為“環(huán)火”以單疊繞組為例說明電位差火花的形成環(huán)火不僅會燒壞電刷和換向器，而且將使電樞繞組受到嚴重損害。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的感應電動勢，在一定的電樞轉速下，Ukx與元件邊所處位置的BδX成正比?？蛰d時由于氣隙磁場分布較均勻，片間電壓的分布較均勻環(huán)火圖片間電壓空載時片間電壓分布曲線負載時，由于交軸電樞反應，使氣隙碰場發(fā)生畸變，從而使片間分布不均勻而出現(xiàn)一個最大值Ukmax，見右圖。當Ukmax超過一定限度時，就會使換向片間的空氣隙游離擊穿，產生火花，這就稱為電位差火花。結論: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的影響，為此可采用裝置補償繞組的辦法。電機負載時沿換向器上的片間電壓分布曲線補償繞組嵌放在主極極靴上專門沖出的槽內，如圖所示。補償繞組應與電樞串聯(lián)，并使補償繞組磁動勢與電樞磁動勢相反，這就保證在任何負載下，電樞磁動勢都能被抵消，從而減少了因電樞反應而引起的氣隙磁場的畸變，也就減少了產生電位差火花和環(huán)火的可能性。裝置補償繞組使電機結構變得復雜，成本增加，因此只在負載變動大的大、中型電機中采用。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，因此加強對電機的維護工作，對防止環(huán)火的發(fā)生有著重要作用。補償繞組1.7直流發(fā)電機1.7.1直流發(fā)電機的勵磁方式直流發(fā)電機的勵磁方式是指電機勵磁電流的供給方式，分為他勵和自勵兩大類。他勵——勵磁電流由另外的電源供給。勵磁電路與電樞無電的聯(lián)系。自勵——勵磁電流由發(fā)電機本身供給。自勵電動按勵磁繞組與電樞的聯(lián)接方式不同，又可分為并勵、串勵和復勵三種他勵并勵串勵復勵實線接法稱為短復勵虛線接法稱為長復勵

4)復勵:發(fā)電機既有并勵繞組，它們套在同一主極鐵心上。串勵繞組磁動勢可以與并勵繞組磁動勢方向相同（稱為積復勵），也可以相反（稱為差復勵）。并勵繞組與電樞并聯(lián)，流過的電流小，故并勵繞組匝數多、導線細；串勵繞組與電樞串聯(lián)，流過的電流大，故串勵繞組匝數少、導線粗。1)他勵：他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同3)串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足。2)并勵：發(fā)電機的勵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%。不同的勵磁方式，將使電機的運行性能發(fā)生很大的差異1.7.2直流發(fā)電機的基本方程式直流發(fā)電機的基本方程式包括電動勢平衡方程式、功率平衡方程式和轉矩平衡方程式。一、電動勢平衡方程式發(fā)電機空載時，電樞電流Ia很?。▽λ麆畎l(fā)電機Ia=0），電樞電動勢Ea等于端電壓U。負載時，在Ea作用下，電樞有電流Ia流過，若以Ea、U、Ia的實際方向為正方向，則電動勢平衡方程式:

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繞組、換向極繞組和補償繞組的電阻。2△Ub為一對電刷的接觸壓降，不同牌號的電刷其值也不同，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，電動勢平衡方程式可寫成Ea=U+IaRa

此時Ra中應包括電刷接觸電阻。對直流發(fā)電機來說，Ea＞U。二、轉矩平衡方程式發(fā)電機空載時，為了使發(fā)電機能維持恒速運轉，則原動機的輸出轉矩T（即驅動轉矩）必須克服由于機械摩擦等引起的制動轉矩T0，T0也稱為空載轉矩。當發(fā)電機有負載時，電樞電流Ia與氣隙磁場相互作用產生電磁轉矩Tem。在發(fā)電機中，電磁轉矩Tem是制動轉矩，所以為了使電機恒速旋轉，驅動轉矩T除了克服空載轉矩T0外，還必須克服電磁轉矩Tem

的制動作用

T=Tem+TO

轉矩平衡方程式:發(fā)電機中T＞Tem直流發(fā)電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給發(fā)電機的驅動轉矩T

、電磁轉矩Tem

和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩T0

。三、功率平衡方程式

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

以下對電磁功率pem和空載功率po作進一步分析。1)電磁功率pem負載時電樞有電動勢Ea，在Ea作用下產生電流Ia，顯然發(fā)電機中的電磁功率pem=EaIa

式中ω——電樞旋轉的機械角速度物理意義：是原動機為克服電磁轉矩所需輸入的機械功率，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械功率轉換為電功率的部分，它是從機械量計算電磁量的一個橋梁

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，其余的便是對負載輸出的功率p2和勵磁回路的損耗pcuf（對他勵機，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主要包括機械損耗功率PΩ和鐵耗功率PFe，空載功率也稱作空載損耗。機械損耗包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗、定子與轉子和空氣的摩擦損耗（也稱為通風損耗）等部分。鐵耗PFe是由于電樞轉動時，主磁通在電樞鐵心內交變而引起的機械損耗和鐵耗與負載大小無關，電機空載時即存在，而且在運行過程中數值幾乎不變，所以空載損耗也稱作不變損耗。空載功率也可表示Po=Toω,To為空載轉矩3)附加損耗Ps

附加損耗又稱做雜散損耗包括：結構部件在磁場內旋轉而產生的損耗；因電樞齒槽影響，當電樞旋轉時，氣隙磁通發(fā)生脈動而在主極鐵心中和電樞鐵心中產生的脈動損耗;因電樞反應使磁場畸變而在電樞鐵心中產生的損耗；由于電流分布不均勻而增加的電刷接觸損耗；換向電流所產生的損耗。產生的原因很復雜，也很難精確計算，通常采用估算的辦法確定。國家標準規(guī)定直流電機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)電機的功率圖若是他勵電機，則勵磁回路功率由外電源供給，而不包括在輸入的機械功率之中。1.7.3他勵發(fā)電機的特性直流發(fā)電機運行時，可以測得的物理量有發(fā)電機的端電壓U、負載電流I、勵磁電流If和轉速n。一般發(fā)電機都應在額定轉速nN下運行，則其它三個物理量之間的關系就用來表征發(fā)電機的特性?？蛰d特性I為常數的條件下，U=f（If）。其中I=0時稱為空載特性，這一條很重要的特性。外特性If為常數的條件下，U=f（I）。一般只討論If=IfN時的一條特性曲線，此時當U=UN時，I=IN調節(jié)特性U為常數的條件下，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）下面對他勵發(fā)電機的各種特性進行分析。定義：當n=nN、I=0時，U=f（If）的關系曲線特性曲線可用試驗方法求得試驗方法及接線圖如下一、空載特性發(fā)電機由原動機拖動，保持轉速n=nN，開關S1打開，勵磁回路外加電壓Uf，合上開關S2并調節(jié)勵磁回路中的磁場調節(jié)電阻Rpf，使勵磁電流If從零開始逐漸增大，直到U0=（1.1-1.3）UN為止；再逐步減小If，則UO也隨之減小，當If=0時，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。這樣就可以測得一系列If值和對應的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。

空載特性曲線的形狀與電機的磁化曲線形狀相似，根據電動勢公式，對于已制成的電機，Ce為一常數，當轉速一定時，Ea∝φ。而勵磁磁動勢Ff∝If，所以改變磁化曲線的坐標，就可以得到空載特性。要點:電機的磁化曲線是表示電機磁路情況的一條特性曲線，每一臺電機只有一條磁化曲線，而空載特性曲線是對應于某一轉速的升降而成正比的上升或下移二、外特性定義：當n=nN、If=IfN時U=f（I）的關系曲線特性曲線可用試驗方法求得試驗方法及接線圖如下按右圖接線，并將開關S1合上，保持n=nN，調節(jié)負載電阻R和磁場調節(jié)電阻Rpf,使U=UN時I=IN，此時的勵磁電流即為額定勵磁電流IfN。在試驗過程中，保持If=IfN值不變，此后逐步增大負載電阻R，負載電流I就逐步減小，電樞電壓則逐步增加，直到I=0，測得一系列I和對應的U值，即得到發(fā)電機的外特性曲線外特性曲線如圖:他勵發(fā)電機的外特性是條略微下垂的曲線，即隨著負載的增加，電機的端電壓將有所下降。引起端電壓下降的因素有兩個：

1）電機有負載后，電樞反應的去磁作用，使電樞電動勢Ea比空載時小。

2）電區(qū)回路的壓降IaRa。這兩個因素都隨負載的增加而增大，由電動勢方程U=Ea-IaRa可知，端電壓就隨負載的增大而減小。當負載電阻R=0，即發(fā)電機短路時，短路電流很大，其值可達額定電流的數十倍，這樣大的電流將使電機損壞。

國家標準規(guī)定:他勵發(fā)電機的額定電壓調整率是指在n=nN，If=IfN時發(fā)電機從額定負載過渡到空載時，端電壓升高的數值與額定電壓的百分比。即一般他勵發(fā)電機的△U約為（5-10）%，可認為它是一個恒壓電源。三、調節(jié)特性定義：調節(jié)特性是在n=nN、U=UN時If=f（I）的關系曲線。從外特性可知，當負載增大時，端電壓下降，若要維持U=UN不變，則隨著負載的增大，必須增大勵磁電流，所以他勵發(fā)電機的調節(jié)特性是一條上升的曲線調節(jié)特性曲線四、效率特性定義：在n=nN、U=UN時發(fā)電機的效率與負載的關系曲線（實際上電壓U將隨負載變化而變化，因變化不大，可近似認為U=UN）式中∑p為全部損耗，其中有一部分是不隨負載變化的，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:根據他勵發(fā)電機的功率關系，可得將式對I求導而得效率特性關系式:當發(fā)電機空載時，P2=0，所以η=0。

當負載較小時，由于可變損耗小，總損耗中以不變損耗為主，此時增加負載，總損耗增加不多，輸出P2=UI則與電流成正比增加，所以效率隨負載增加而上升很快。繼續(xù)增加負載，當可變損耗與不變損耗相等時，效率達到最大值。若再繼續(xù)增加負載，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。通常在設計電機時，需要將各種損耗作適當的分配，使最大效率出現(xiàn)在（3/4-1）PN范圍內，這樣電機在實際使用時，能夠處在較高的效率下運行，比較經濟。這種要求同樣適用于其它各種類型電機（包括交流電機和變壓器）1.7.4并勵發(fā)電機并勵發(fā)電機是一種自勵電機，它的勵磁電流不需要由外電源供給，而是取自發(fā)電機本身，所以稱“自勵”。并勵發(fā)電機的勵磁繞組是與電樞并聯(lián)的，要產生勵磁電流If，電樞兩端必須要有電壓，而在電壓建立起來之前，If=0,沒有勵磁電流，電樞兩端又不可能建立起電壓，因此有必要在分析并勵發(fā)電機的運行特性前，先討論一下它的電壓建立過程，也稱為“自勵過程”。一、自勵過程設發(fā)電機已由原動機拖動至額定轉速，由于電機磁路中有一定的剩磁，在發(fā)電機的端點將會有一個不大的剩磁電壓。這時把并勵繞組并接到電樞上去，便有電流流過勵磁繞組，產生一個勵磁磁動勢。勵磁磁動勢產生的磁場與剩磁同方向，使電機內的磁場得到加強，從而使電機的端電壓升高。在這一較高端電壓的作用下，勵磁電流又進一步升高，如此反復作用，發(fā)電機的端電壓便“自勵”起來。由于并勵發(fā)電機的勵磁電流以If僅為額定電流IN的（1-5）%，因此發(fā)電機空載時的電壓UO可近似看作等于Ea，所以從電樞回路來看，If與UO的關系也可以用空載特性表示。另一方面，若從勵磁回路來看，If與UO的關系又必須滿足歐姆定律，即式中Rf——勵磁回路總電阻從物理過程來看，在自勵過程中勵磁電流是變化的，這時勵磁回路的電動勢方程：式中Lf——勵磁繞組的電感。發(fā)電機的電壓能否穩(wěn)定在某一數值，需作進一步的分析。當Rf一定時，If與UO成線性關系，該直線的斜率為故稱直線2為磁場電阻線，簡稱場阻線?？梢?，If與UO的關系既要滿足空載特性，又要滿足場阻線，則最后穩(wěn)定點必然是場阻線與空載特性的交點A，A點所對應的電壓即是空載時建立的穩(wěn)定電壓。1-空載特性2-場阻線3-臨界場阻線空載特性與場阻線之間的陰影部分表示了的值，當電機進入空載穩(wěn)定狀態(tài)時，勵磁電流不再變化，dif=0,即最后的穩(wěn)定點必定是空載特性與場阻線的交點。的場阻線斜率，即可調節(jié)空載電壓的穩(wěn)定點。如果逐步增大電阻Rf（即增大磁場調節(jié)電阻Rpf），場阻線斜率增大，空載電壓穩(wěn)定點就沿空載特性向原點移動，空載電壓減?。划攬鲎杈€與空載特性的直線部分相切時，兩線無固定的交點或交點很低，空載電壓為不穩(wěn)定，如圖中的直線3，這時對應的勵磁回路的總電阻稱為臨界電阻。綜上所述：并勵發(fā)電機的空載穩(wěn)定電壓UO的大小決定于空載特性與場阻線的交點。因此調節(jié)勵磁回路中的電阻，也就是改變并勵發(fā)電機的自勵過程可以看出，要使發(fā)電機能夠自勵，必須滿足下述三個條件，稱為自勵條件。自勵條件1）發(fā)電機的主磁極必須要有一定的剩磁。2）勵磁繞組與電樞的聯(lián)接要正確，使勵磁電流產生的磁場與剩磁同方向。3）勵磁回路的總電阻要小于臨界電阻。電機自勵的必要條件若在某一轉向下，勵磁繞組與電樞的聯(lián)接能使電機自勵，則改變轉向后，電機便不能自勵。這是因為發(fā)電機的轉向改變后，剩磁電壓的方向也隨之改變，由此產生的勵磁電流對剩磁起去磁作用。所以，所謂勵磁繞組與電樞的連接正確是對某一旋轉方向而言的。發(fā)電機應按制造廠規(guī)定的旋轉方向運行。由于對應于不同的轉速，電機的空載特性位置也不同，因此對應于不同的轉速便有不同的臨界電阻。如果保持勵磁回路的總電阻不變，發(fā)電機在高速時能自勵，而在低轉速時也許就不能自勵。一般發(fā)電機應保持在額定轉速nN下運行。二、運行特性并勵發(fā)電機的空載特性和調節(jié)特性與他勵發(fā)電機無多大差別。只分析并勵發(fā)電機的外特性。定義：在n=nN、Rf=RfN=常數（注意：不是If=常數）時，U=f（I）的關系曲線。特性曲線可用試驗方法求得試驗方法如下先將電機拖到額定轉速n=nN，使電機自勵建立電壓，然后調節(jié)勵磁電流和負載電流，使電機達到額定運行狀態(tài)，即U=UN、I=IN,此時勵磁回路的總電阻即為RfN。保持RfN不變，求取不同負載時的端電壓，就可得到圖中曲線1所示的外特性曲線，圖中曲線2表示接成他勵時的外特性。比較兩條曲線，可以看出并勵發(fā)電機的外特性有兩個特點1）并勵發(fā)電機的電壓調整率較他勵時大，這時因為他勵發(fā)電機的勵磁電流If=IfN=常數，它不受端電壓變化的影響；而并勵發(fā)電機的勵磁電流卻隨電樞端電壓的降低而減小，這就使電樞電動勢進一步下降。因此并勵發(fā)電機的外特性比他勵時要下降得快一些。并勵發(fā)電機的電壓調整一般在20%左右。2）穩(wěn)態(tài)短路電流小，當負載電阻短路時（R=0），電樞端電壓U=0，勵磁電流If也為零。這時電樞繞組中的電流由剩磁電動勢所產生。由于剩磁電動勢不大，所以穩(wěn)態(tài)短路電流也不大。并勵發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流雖然不大，若發(fā)生突然短路，則因為勵磁繞組有很大的電感，勵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到額定電流的8-12倍，還是有損壞電機的危險。強調1.7.5復勵發(fā)電機

復勵發(fā)電機分積復勵和差復勵兩類。在積復勵發(fā)電機中，并勵繞組起主要作用，它使發(fā)電機空載時產生額定電壓。串勵繞組的作用只是用來補償負載時電樞電阻壓降和電樞反應的去磁作用，使電機在一定的負載范圍內保持端電壓的恒定，這就克服了他勵和并勵發(fā)電機的電壓隨負載增加而下降的缺點。復勵發(fā)電機的外特性額定負載時的端電壓等于空載電壓，就稱為平復勵，它說明這時串勵繞組磁動勢恰好能補償電樞反應的去磁作用和電樞的電阻壓降。若補償有余，則額定負載時的端電壓將高于空載電壓，稱為過復勵。反之，補償宵足就稱為欠復勵。根據串勵繞組的補償程度，積復勵電機又可分為平復勵、過復勵和欠復勵三種。若發(fā)電機在1.8直流電動機1.8.1直流電動機按勵磁方式分類直流電動機的勵磁電流都是由外電源供給的，和直流發(fā)電機相似，勵磁方式不同也會使直流電動機的運行性能產生很大差異。按照勵磁方式的不同，直流電動機可分為他勵、并勵、串勵、復勵電動機。一、他勵電動機電樞繞組和勵磁繞組分別由兩個獨立的直流電源供電，電樞電壓U與勵磁電壓Uf彼此無關，如圖所示。二、并勵電動機勵磁繞組和電樞并聯(lián)，由同一電源供電，勵磁電壓Uf等于電樞電壓U，從性能上講與他勵電動機相同。三、串勵電動機勵磁繞組與電樞串聯(lián)后再接于直流電源，這時I=Ia=If。如圖所示四、復勵電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，它也分積復勵和差復勵兩類，因為差復勵電動機運行時轉速不穩(wěn)定，實際上不采用。1.8.2直流電動機的基本方程式一、電動勢平衡方程式直流電動機穩(wěn)定運行時，設電樞兩端外加電壓為U，電樞電流為Ia，電樞電動勢為Ea，則從電動機的工作原理可以知道，這時Ea與Ia是反向的，即Ea是個反電動勢。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的實際方向為正方向，則可列出直流電動機的電動勢平衡方程式：二、轉矩平衡方程式電動機的電磁轉矩是個驅動轉矩。當電動機以恒定的轉速穩(wěn)定運行時，電磁轉矩Tem與負載轉矩Tz及空載轉矩TO

相平衡，即Tem=TZ+TO可見，電動機軸上的輸出轉矩Td只是電磁轉矩的一部分，它與負載轉矩相平衡，即：Td=Tem-TO=TZ

當電機轉速發(fā)生變化時，因為電機轉子和被它拖動的生產機械都具有轉動慣量，就會產生一個慣性轉矩Tj=。根據力學知識，在一個機械系統(tǒng)中，任何瞬間都必須保持轉矩平衡，于是電動機的轉矩方程式：拖動中也稱運動方程式二、功率平衡方程式

直流電動機工作時，從電網吸取電功率P1，除去電樞回路的銅損耗pcua，電刷接觸損耗pcua及勵磁回路銅耗pcuf，其余部分便是轉變?yōu)闄C械功率的電磁功率Pem，所以直流電動機的電磁功率Pem也就是電樞所發(fā)出的全部機械功率Temω。從電的觀點來看，由于電動機的電樞電動勢是個反電動勢，它與Ia反向，所以EaIa表示電樞所吸收的電功率。因此和發(fā)電機一樣，電動機的電磁功率：Pem=Temω=EaIa電磁功率并不能全部用來輸出，它必須補償機械損耗pΩ、鐵耗pFe和附加損耗ps，最后剩下的部分才是對外輸出的機械功率P2Pem=PΩ+PFe+Ps+P2=PO+P2

直流電動機的功率平衡方程式：P1=Pcua+Pcub+Pcuf+Pem=Pcua+Pcub+PCuf+PΩ+PFe+Ps+P2=ΣP+P2

直流電動機的功率圖1.8.3他勵（并勵）直流電動機的工作特性他勵（并勵）直流電動機的工作特性：指在U=UN、電樞回路的附加電阻Rpa=0、勵磁電流If=IfN時，電動機的轉速n、電磁轉矩Tem和效率η三者與輸出功率P2之間的關系，即n、T、η=f（P2）。實際應用中，由于電樞電流Ia輕易測量，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。試驗方法求取工作特性曲線接線圖下如圖所示圖中Rst為起動電阻，Rpf為磁場調節(jié)電阻。在U=UN時，調節(jié)電動機的負載和勵磁電流，使輸出功率為額定功率PN，轉速為額定轉速nN，此時的勵磁電流即為IfN。保持U=UN、If=IfN不變，改變電動機的負載，測得相應的轉速n、負載轉矩TZ和輸出功率P2，就可畫工作特性。工作特性曲線一、轉速調整特性以Ea=Ceфn代入電動勢平衡方程式U=Ea+IaRa，即可得到轉速公式對各種勵磁方式的電動機都適用對于一定的電動機，Ce為一常數，則當U=UN時，影響轉速的因素有兩個：1）電樞回路的電阻壓降IaRa；2）磁通ф。因為If=IfN=常數，因此磁通僅受電樞反應的影響。當負載增加時，電樞電流I