第1章 直流電機(徐)

第二篇動力電機第一節(jié)直流電機的基本功能與用途第二節(jié)直流電機的基本作用原理第三節(jié)直流電機的基本結(jié)構(gòu)第四節(jié)直流電機的基本分析方法第五節(jié)直流電機的基本特性第二篇動力電機第一節(jié)直流電機的基本功能與用途第二節(jié)直流電機的基本作用原理第三節(jié)直流電機的基本結(jié)構(gòu)第四節(jié)直流電機的基本分析方法第五節(jié)直流電機的基本特性第一章直流電機第一章

直流電機2023/2/11山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.了解直流電機的主要結(jié)構(gòu)，尤其注意換向器和電刷的作用，電樞繞組排列的規(guī)律以及它們在實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換中的功用。本章基本要求2.熟練掌握感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個機電能量變換要素的物理意義和計算公式。3.掌握直流電機的運行原理，會通過基本方程式來綜合分析電機內(nèi)部的電磁過程，并能運用這些基本方程式去分析各種勵磁方式的直流發(fā)電機和電動機。4.掌握直流電動機起動和調(diào)速的方法。5.了解直流電機的電樞反應(yīng)、換向過程、產(chǎn)生火花的電磁原因、改善直流電機換向的方法。2023/2/12山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作第一節(jié)直流電機的基本功能與用途直流電機是指能發(fā)出直流電流的發(fā)電機或通入直流電流而轉(zhuǎn)動的電動機。

直流電機是人糞最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機。與交流電機相比，直流電機因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、價格較貴等缺點制約了它的發(fā)展．應(yīng)用不如交流電機廣泛。但由于直流電動機具有優(yōu)良的起動、調(diào)速和制動性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有一席之地。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流發(fā)電機雖有被可控整流電源取代的趨勢，但從供電的質(zhì)量和可靠性來看，直流發(fā)電機仍有一定的優(yōu)勢。2023/2/13山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作因此在某些場合，例如化學(xué)工業(yè)中的電鍍、電解等設(shè)備，某些大型同步電機的勵磁電源仍然使用直流發(fā)電機作為供電電源。本章首先討論直流電機的工作原理、基本結(jié)構(gòu)等共性問題．然后再分別介紹直流電動機和直流發(fā)電機的運行分析、功率和轉(zhuǎn)矩等問題，最后介紹直流電機的換向。2023/2/14山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS一、直流電機的工作原理NS－E＋－E＋第二節(jié)直流電機的基本作用原理電刷換向片外接負(fù)載，導(dǎo)條中有電流時會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？（一）直流發(fā)電機的工作原理2023/2/15山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作輸出直流電換向原動機感應(yīng)電動勢、電流Φ電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功1.電磁關(guān)系2.直流發(fā)電機的特點：電刷間的電勢與導(dǎo)體電勢的性質(zhì)不同；電樞電勢與電流同方向；電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機的轉(zhuǎn)向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。電刷間電勢為直流電勢，導(dǎo)體電勢為交變電勢；2023/2/16山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為ei=Bxlv

式中，Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度；l為導(dǎo)體有效長度(即電樞鐵心的長度)；v為導(dǎo)體切割磁場的線速度(即電樞圓周速度)。3.直流電勢的波形前面的討論，只是得出了電刷電勢極性不變的結(jié)論，但其大小和波形是否隨時間變化，還需進一步分析。2023/2/17山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作對已制成的電機，l為定值，若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以ei∝Bx。磁場分布在整個磁極下，氣隙磁通密度沿電樞圓周不是均勻分布，而是按圖所示規(guī)律分布的。導(dǎo)體處于不同位置，產(chǎn)生的電勢大小不同，其隨時間變化的規(guī)律與Bx相同。2023/2/18山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作為減小電勢的脈動程度，實際電機中不是只有一個線圈(元件)，而是由很多元件組成電樞繞組。這些元件均勻分布在電樞表面，并按一定的規(guī)律連接。經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢雖然方向不變，但卻有很大的脈動，如圖所示。這樣的電勢不是直流電勢，稱其為脈動電勢。電刷電勢2023/2/19山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作若有兩個元件，有四個元件邊，元件邊空間位置夾角90°，則元件電勢時間相位差90°。四個元件邊時電刷輸出電勢的波形比較可見，此時輸出電勢平均值變大，脈沖相對來說變小。電刷電勢是支路中兩個元件電勢曲線之合成，即曲線3。2023/2/110山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作如果電樞表面槽數(shù)增多，元件數(shù)增多，則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多，輸出電勢的平均值將更大，脈動更小，就得到大小和方向都不變的直流電勢。若電機每極下的導(dǎo)體數(shù)大于8，電勢脈動幅度已小于1%，可以認(rèn)為是恒定直流分量。直流發(fā)電機工作原理表明，直流電機電樞繞組所感應(yīng)的電勢為交變電勢；由換向器配合電刷的作用把交流電勢“換向”成為直流電勢；上述這種電機稱為換向器式直流電機。2023/2/111山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS－U＋（二）直流電動機的工作原理NS＋U－2023/2/112山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS直流電動機的工作原理NS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁感線會產(chǎn)生什么？換向片2023/2/113山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)換向機械負(fù)載Φ旋轉(zhuǎn)克服反電動勢做功電磁關(guān)系2023/2/114山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作作為發(fā)動機運行：用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。直流電動機的特點：通過電刷間的電流與導(dǎo)體電流的性質(zhì)不同；電樞電勢與電流反方向，稱為反電勢。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機的轉(zhuǎn)向相同，為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。通過電刷電流為直流電流，導(dǎo)體電流為交變電流；直流電機的可逆性原理：作為電動機運行：在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)，輸出機械能；2023/2/115山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作第三節(jié)直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等組成。一般小型電機的軸是通過軸承支撐在端蓋上的。定子由主磁極、換向極、機殼、端蓋和電刷裝置等組成。靜止部分(稱為定子)和旋轉(zhuǎn)部分(稱為轉(zhuǎn)子)。定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(稱為空氣隙)。直流電機總體結(jié)構(gòu)可以分成兩大部分：2023/2/116山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電機剖面圖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(fēng)扇8—電樞繞組9—電樞鐵心2023/2/117山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2023/2/118山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電機裝配圖2023/2/119山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電機模型2023/2/120山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作一、直流電機的定子部分2023/2/121山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.主磁極2.換向極(1)主磁極鐵心(2)勵磁繞組(3)機座(1)換向極鐵心(2)換向極繞組3.機座：用來固定主磁極、換向極和端蓋；又作為磁路的一部分。2023/2/122山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作二、直流電機的轉(zhuǎn)子部分4.電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮1.電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心電刷放在電刷座中，用彈簧將它壓在換向器上，使之和換向器有良好的滑動接觸。2023/2/123山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電機的轉(zhuǎn)子2023/2/124山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.電樞繞組—由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導(dǎo)體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣3.換向器—由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片2023/2/125山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作在直流發(fā)電機中，電刷和換向器的作用是將電樞繞組中的交變電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。在直流電動機中，電刷和換向器的作用是將直流電流變成電樞繞組中的交變電流。三、直流電機的銘牌數(shù)據(jù)5.額定勵磁電壓UfN(V)發(fā)電機：電動機：直流電機的額定值有：1.額定功率PN(W或kW)：輸出功率2.額定電壓UN(V)：電刷間電壓3.額定電流IN(A)：流過電刷的電流4.額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：電機軸的轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩：2023/2/126山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作四、直流電機的電樞繞組因此電樞繞組在能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用。（一）直流電機電樞繞組介紹電樞繞組是直流電機的核心部分；無論是發(fā)電機還是電動機它們的電樞繞組在電機的磁場中旋轉(zhuǎn)，都會感應(yīng)出電勢來；當(dāng)電樞繞組有電流時，就會產(chǎn)生電樞磁勢，它與氣隙磁勢相互作用，又產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩；電勢和電流的乘積就是電磁功率，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞旋轉(zhuǎn)機械角速度的乘積就是機械功率；在直流電機里，可以吸收或發(fā)出電功率或機械功率，這要根據(jù)電機的工作狀態(tài)來確定。2023/2/127山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作元件與換向片的連接和節(jié)距（a）單疊繞組（b）單波繞組1.繞組的組成電樞繞組是由結(jié)構(gòu)形狀相同的元件構(gòu)成。2.元件及元件邊所謂元件是指兩端分別與兩個換向片連接的單匝或多匝線圈，如圖所示，元件的個數(shù)用S表示。2023/2/128山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電機的電樞繞組所以整個繞組的元件數(shù)S應(yīng)等于換向片數(shù)K即S=K。兩匝元件3.單匝與多匝元件單匝元件：每個元件的元件邊是只有一個導(dǎo)體；多匝元件：一個元件邊就有多個導(dǎo)體，用nC表元件匝數(shù)。不管一個元件有多少匝，引出線只有兩根，而每一換向片連接一個元件的始端和另一元件的末端。2023/2/129山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）繞組節(jié)距p—極對數(shù)，Da—電樞外徑。若極距用槽數(shù)表示，則2.第一節(jié)距y1

若用Z代表電樞繞組的全部導(dǎo)體數(shù)則有1.極距τ

沿電樞表面相鄰兩磁極間的距離每一元件的兩元件邊在電樞表面所跨的距離，用所跨的槽數(shù)來表示。2023/2/130山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作為了使感應(yīng)電勢最大，y1所跨的距離應(yīng)接近于一個極距τ，每極距內(nèi)的槽數(shù)為ε－小于1的正分?jǐn)?shù)。，稱為長距繞組；短距繞組端部引線較短，故用的較廣。，稱為短距繞組；若y1等于極距，且為整數(shù)時，稱為整距元件。有時一個極距內(nèi)的槽數(shù)并不一定為整數(shù)，而y1必須為整數(shù)，否則無法嵌線。因此2023/2/131山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作對于單迭繞組取“-”號，單波繞組取“+”號。3.第二節(jié)距y2

利用同一換向片串聯(lián)起來的兩個元件中，第一元件的下元件邊與第二元件的上元件邊之間在電樞表面上的距離稱為第二節(jié)距，用槽數(shù)表示。合成節(jié)距與第一、第二節(jié)距之間的關(guān)系是：4.合成節(jié)距y相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊在電樞表面上的距離稱為合成節(jié)距y，用槽數(shù)來表示。2023/2/132山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作5.換向器節(jié)距yk

每一元件的兩端所接的兩片換向片之間在換向器表面上所跨的距離稱為換向器節(jié)距yk，用換向片數(shù)表示。由于元件數(shù)等于換向片數(shù)，當(dāng)元件邊在電樞表面前進（或后退）多少個槽，其出線端在換向器上也必然前進（或后退）多少個換向片，所以換向器節(jié)距必然等于合成節(jié)距即

2023/2/133山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（三）電樞繞組的基本形式直流電機的電樞繞組是均采用雙層繞組，即線圈的兩邊處于不同極性下面，線圈的跨距約為一個極距，線圈電勢為兩元件邊電勢之和。1.單迭繞組單迭繞組的聯(lián)接特點元件兩出線端聯(lián)接于相鄰的兩個換向片上，在繞制這種繞組時，任何兩個串聯(lián)元件都是后一個緊迭在前面一個的上面，故稱為迭繞組。2023/2/134山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作對于單迭繞組，表示每聯(lián)接一個元件，在電樞表面就要移過一個槽，表示向右移過一個槽；稱為右行繞組；，則繞組左行。左行繞組每一元件接到換向片的兩根端線互相交叉，用銅較多，很少采用，故迭繞組常采用右行繞組。單迭繞組每繞一個元件便在電樞表面移過一個槽。2023/2/135山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.單波繞組單波繞組示意圖（a）左行繞組（b）右行繞組在每個元件兩邊所接的兩個換向片相隔較遠(yuǎn)，兩元件串后形成波浪形，故稱為波繞組。單波繞組的特點2023/2/136山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作在單波繞組中y=yk仍成立。否則當(dāng)繞完一周后，就會回到出發(fā)點而閉合，以致繞組無法繞下去；根據(jù)換向器節(jié)距的定義，元件將會跨過pyk個換向片，但不能回到起始的換向片上；若電機有p極，則連接了p個元件就沿電樞前進了一周；單波繞組每串聯(lián)一個元件相當(dāng)于前進了約一對極距的距離。但與迭繞組連接方式不同，計算公式也不同。2023/2/137山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作或若繞組從某一換向片出發(fā)，沿電樞圓周和換向器繞一周后，恰好回到原來出發(fā)的那個相鄰的一片上，則可再繞第二、三周…,最后把全部元件串聯(lián)完畢并與最初的出發(fā)點相接而形成一閉合繞組。右行繞組的端接線交叉，且比左行繞組的端線略長，故波繞組常用左行繞組。要求yk滿足以下關(guān)系式中如取“-”號，繞一周后，比出發(fā)時的換向片后退一個槽，稱為左行繞組。如取“+”號，則前進一片，稱為右行繞組。2023/2/138山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作單迭繞組的連接（設(shè)共有8個元件，兩組電刷）AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。AB12345678（四）直流電樞繞組展開圖的畫法2023/2/139山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.單迭繞組展開圖的畫法下面通過一個實例說明單迭繞組的連接方式和特點。例：已知電機極數(shù)2p=4，槽數(shù)和換向片均為12，繞制一個單迭右行繞組。（1）節(jié)距計算2023/2/140山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NSNS123456789101112123456789101112A1B1A2B2（2）單疊繞組的展開圖A1A2B1B236'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12※并聯(lián)支路對數(shù)：a=2。n2023/2/141山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作單疊繞組的展開圖※習(xí)慣稱“電刷放在幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線※

電刷的中心線對著磁極的中心線：①電刷之間的電動勢最大。②被電刷短接的元件電動勢為零。A1B1A2B2NSNS12345678910111212356891112n電刷應(yīng)放在軸線與主極軸線重合的元件所接的換向片的分界線上。2023/2/142山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.單波繞組展開圖的畫法例：已知電機極數(shù)2p=4，槽數(shù)和換向片均為15，繞制一個單波左行繞組。（1）節(jié)距計算單波繞組：不是把元件依串聯(lián)，而是把相隔大約兩個極距，即在磁場中的位置差不多相對應(yīng)的元件連接起來。下面通過一個實例說明單波繞組的連接及特點。2023/2/143山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（2）連接表2023/2/144山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2023/2/145山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電機的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等?！娝⒌闹行木€對著磁極的中心線?！⒙?lián)支路對數(shù)：a=1。理論上只需放置兩組電刷即可。2023/2/146山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作3.單迭與單波繞組的特點若增加電機的極對數(shù)，不改變每極導(dǎo)體數(shù)和磁場：單波繞組是把同一種極性下（N、S極）的元件都串聯(lián)起來，各形成一條支路，再由這兩部分串聯(lián)成為閉合回路，因此整個繞組只有一對支路。對單波繞組可使電刷間電勢增加，提高電樞電壓。對單迭繞組可增加支路數(shù)，從而可使電樞通過較大的電流。單迭繞組是將處在同一主極底下的元件串聯(lián)起來就形成一條支路，因此，一個主極對應(yīng)著一條支路;單迭繞組的并聯(lián)支路數(shù)恒等于電機的主極數(shù)。2023/2/147山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作第四節(jié)直流電機的分析方法分析直流電機主要從以下幾個方面入手：先分析電機中的磁場；推導(dǎo)出感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式；寫出直流電機的基本方程式。一、直流電機的磁場磁場是電機中感應(yīng)電勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換不可缺少的基本因素之一；2023/2/148山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電機中的磁場是怎樣產(chǎn)生的呢？其大小和分布情況又是如何？這些問題是學(xué)習(xí)電機運行原理所必備的基礎(chǔ)知識。（一）直流電機的空載磁場電機空載時氣隙磁場是由主極繞組通一直流勵磁電流建立的。當(dāng)勵磁繞組通一勵磁電流，各主極的極性交替分布N、S、N、S，電機磁場的分布是對稱的，如下圖所示。2023/2/149山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2023/2/150山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流電機中，主磁通是主要的，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(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，經(jīng)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(jīng)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(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路2023/2/151山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作靠近極尖處，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?？蛰d時勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。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大小和形狀。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);空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖所示。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的每極磁通;2023/2/152山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關(guān)系，稱為直流電機的空載磁化特性。如圖所示。2023/2/153山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）直流電機負(fù)載時的磁場（c）是主磁場和電樞磁場的合成磁場。（b）是電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場；（a）是定子勵磁電流產(chǎn)生的主磁場，即空載磁場；負(fù)載運行時，電機中的磁場是主磁場和電樞磁場的合成，如下圖。電機負(fù)載時，電樞繞組中流過電流也要產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。電機空載時，只有勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場。2023/2/154山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS幾何中心線

N

S勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負(fù)載時的磁場）物理中性線電樞反應(yīng)：電樞磁通勢對氣隙磁場的影響。2023/2/155山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作明確：①電樞導(dǎo)體的電流方向總是以電刷為其分界線，即電刷兩側(cè)導(dǎo)體中的電流大小相等，方向相反。②不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪個位置，電樞導(dǎo)體電流在線圈中的分布情況始終不變。③電樞電流所產(chǎn)生的磁場在空間的分布情況也不變，即電樞磁場在空間是固定不動的恒定磁場。④磁力線的分布可由右手螺旋定則作出，上圖(b)。⑤電樞磁場和電樞反應(yīng)取決于電刷的位置，電刷軸線就是電樞磁場的軸線。2023/2/156山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.電刷位于幾何中性線上時的電樞反應(yīng)電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中Fax

所示。（1）磁密的波形設(shè)直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，根據(jù)全電流定律交軸電樞磁勢：電樞磁場的軸線位于交軸上，稱為交軸電樞磁勢。2023/2/157山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作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(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中Bax所示。氣隙總磁密的波形如下：2023/2/158山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作兩條曲線逐點疊加后得到負(fù)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氣隙總磁密的波形交軸電樞反應(yīng)：由交軸電樞磁勢對氣隙磁場的影響。2023/2/159山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（2）交軸電樞反應(yīng)的特點

(c)對主磁場起去磁作用(a)使氣隙磁場發(fā)生畸變負(fù)載后由于電樞反應(yīng)，使磁密的波形發(fā)生了畸變，一半被增強，一半被削弱，磁通密度的曲線與空載時不同。發(fā)電機前極尖被削弱，后極尖被加強；電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此每極下的磁通量與空載時相同。磁路飽和時，主極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，使增加的磁通少些，即負(fù)載時每極磁通略為減少。(b)物理中性線偏離幾何中性線一個角度，對發(fā)電機順轉(zhuǎn)向偏離α角，電動機逆轉(zhuǎn)向偏離α角；2023/2/160山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.電刷不在幾何中性線上時的電樞反應(yīng)電刷從幾何中性線偏移b角，電樞磁動勢軸線也隨之移動b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Faq和直軸電樞磁動勢Fad。如圖（a）（b）所示。2023/2/161山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電刷不在幾何中性線時的電樞反應(yīng)可用下列表格說明電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁2023/2/162山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電刷A、B間的電動勢，應(yīng)該等于正、負(fù)電刷所連接的導(dǎo)體的電勢之和，即一條支路的電勢：直流電機無論作電動機運行，還是發(fā)電機運行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，所以這兩個物理量在電機中是非常重要的。二、電樞電勢的計算2023/2/163山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作對于已制成的電機，l為常數(shù)，當(dāng)速度v一定時，導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ex便正比于該導(dǎo)體所在處的磁通密度Bx，即ex∝Bx。電樞表面不同位置上的導(dǎo)體瞬時感應(yīng)電勢ex不同，取一個磁極下氣隙磁通密度的平均值為Bav，求出一個導(dǎo)體在一個磁極下的平均電勢為eav：eav=Bavlv電刷間的電勢Ea便等于一個磁極下導(dǎo)體的平均電勢乘上一條支路所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)Z',即Ea=Z'eav=Z'Bavlv2023/2/164山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作D為電樞直徑，單位為(m)；n為電樞轉(zhuǎn)速，單位為(r/min)。電樞表面圓周速度Φ為每極總磁通，單位(Wb)；τ為極距，極距=電樞圓周長/極數(shù)，單位為(m)；l為電樞鐵心長度，單位為(m)。在電機中，通常用轉(zhuǎn)速n和每極總磁通Φ表示電樞表面圓周速度v和平均磁通密度Bav2023/2/165山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作所以而πD/τ=2p(p為電機的極對數(shù))，所以上式變成電刷間的總電勢Z'=Z/(2a)一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)Z'應(yīng)等于電刷間每條并聯(lián)支路中的導(dǎo)體數(shù)，所以Z'值等于電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)Z除以電刷間的并聯(lián)支路數(shù)2a2023/2/166山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作所以電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩是直流電機中非常重要的關(guān)系式，希望同學(xué)們牢記，并能熟練應(yīng)用。或?qū)懗蒃a=CeΦn單位：Φ的單位為Wb;n的單位為r/min，則Ea的單位為V

；Ce=pZ/(60a)，稱為電勢常數(shù)，由電機本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。當(dāng)每極磁通Φ一定時，Ea=Ken2023/2/167山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生F→T2.電磁轉(zhuǎn)矩的定義Bl極距電樞電流i

磁場Φ三、電磁轉(zhuǎn)矩的計算載流導(dǎo)體在磁場中將受到力的作用；此力作用在電樞外圓的切線方向，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；2023/2/168山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作一根導(dǎo)體的電磁力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為設(shè)空氣隙中平均磁通密度為Bav，電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為Za，若電刷位于幾何中性線上，各導(dǎo)體電流產(chǎn)生的沿切線方向的電磁力方向相同，則電機轉(zhuǎn)子所受到的總轉(zhuǎn)矩為式中，ia為導(dǎo)體的電流；D為電樞直徑。2023/2/169山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作將Bav用每極總磁通Φ表示，Bav=Φ/(τl)，導(dǎo)體電流ia用電樞總電流Ia表示，ia=Ia/(2a)，a為并聯(lián)支路對數(shù)。則或者寫成其中稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，由電機本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。2023/2/170山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作若每極磁通Φ的單位為Wb，電樞電流Ia的單位為A時，則電磁轉(zhuǎn)矩T的單位為N·m。對發(fā)電機：T與n方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。對電動機：T與n方向相同，為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)Φ不變時，電磁轉(zhuǎn)矩可寫成Te=KTIaKT=CTΦ,稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。感應(yīng)電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)Ce與CT有如下關(guān)系：2023/2/171山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作G一、直流發(fā)電機的勵磁方式自勵GIa+Ua－他勵串勵復(fù)勵并勵I(lǐng)a+U－IfIGGIfIa+U－I+U－IfIIaIf+Uf－第五節(jié)直流發(fā)電機的基本方程式與運行特性2023/2/172山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作二、直流發(fā)電機的基本方程式（一）電勢平衡方程式發(fā)電機空載時，電樞電流Ia很小（對他勵發(fā)電機Ia

=0），電樞電動勢Ea等于端電壓U。負(fù)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為電樞繞組的電阻；2△Ub為一對電刷的接觸壓降。2023/2/173山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作

Ea=U+IaRa對直流發(fā)電機來說，Ea＞U。（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式機械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩T0。在一般分析討論中，也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Ra為電樞回路的總電阻，包括電刷接觸電阻。直流發(fā)電機軸上有三個轉(zhuǎn)矩：原動機輸入給發(fā)電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T電磁轉(zhuǎn)矩Te2023/2/174山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作發(fā)電機空載時，為了使發(fā)電機能維持恒速運轉(zhuǎn)，則原動機的輸出機械轉(zhuǎn)矩T（即驅(qū)動轉(zhuǎn)矩）必須克服由于機械摩擦等引起的制動轉(zhuǎn)矩T0，T0也稱為空載轉(zhuǎn)矩。在發(fā)電機中，電磁轉(zhuǎn)矩Tem是制動轉(zhuǎn)矩，所以為了使電機恒速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動的機械轉(zhuǎn)矩T除了克服空載轉(zhuǎn)矩T0外，還必須克服電磁轉(zhuǎn)矩Te的制動作用。

T=Tem+T0

轉(zhuǎn)矩平衡方程式:發(fā)電機中T＞Tem當(dāng)發(fā)電機有負(fù)載時，電樞電流Ia與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tem。2023/2/175山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作三、功率平衡方程式

P1=Pe+p0

下對電磁功率Pem和空載功率p0作進一步分析。1.電磁功率Pem負(fù)載時電樞有電動勢Ea，在Ea作用下產(chǎn)生電流Ia，顯然發(fā)電機中的電磁功率Pem=EaIa

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p0，其余部分便轉(zhuǎn)化為電功率Pem；Pem稱為電磁功率，功率平衡方程式:2023/2/176山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電磁功率就是機械功率轉(zhuǎn)換為電功率的部分，它是從機械量計算電磁量的一個橋梁。式中Ω—電樞旋轉(zhuǎn)的機械角速度電磁功率Pem除去電樞回路電阻上的損耗pcua和電刷接觸損耗pcub外，其余的便是對負(fù)載輸出的功率P2和勵磁回路的損耗pcuf（他勵，pcuf

不包括在電磁功率中）。電磁功率的物理意義:TemΩ是原動機為克服電磁轉(zhuǎn)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；2023/2/177山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作EaIa=UIa+I2aRa+2△UbIa=U（I+If）+Ia2Ra+2Ia△Ub

2.空載功率p0

p0主要包括機械損耗功率pmec、鐵耗功率pFe和附加損耗pad

，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(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)動時，主磁通在電樞鐵心內(nèi)交變而引起的。將電勢方程式兩邊乘以電樞電流Ia，得Pem=P2+pcuf+pcua+pcub2023/2/178山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作綜合上述分析，可寫出功率平衡方程式，即P1=Pe+p0=P2+pcua+pcub+pcuf+pmec+pFe+pad

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。并勵直流發(fā)電機的功率圖如下圖所示?？蛰d功率也可表示p0=T0Ω，T0為空載轉(zhuǎn)矩。機械損耗和鐵耗與負(fù)載大小無關(guān)，電機空載時即存在，而且在運行過程中數(shù)值幾乎不變，所以空載損耗也稱作不變損耗。2023/2/179山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并勵直流發(fā)電機的功率圖2023/2/180山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作三、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(fù)載電流I、勵磁電流If和轉(zhuǎn)速n。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。一般發(fā)電機都應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速nN下運行，則其它三個物理量之間的關(guān)系就用來表征發(fā)電機的特性。負(fù)載特性：I為常數(shù)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(shù)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(dāng)U=UN時，I=IN。2023/2/181山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作下面對他勵發(fā)電機的各種特性進行分析。

效率特性，即η=f(P2)定義：當(dāng)n=nN、I=0時，U=f(If)的關(guān)系曲線特性曲線可用試驗方法求得（一）空載特性試驗方法及接線圖如下發(fā)電機由原動機拖動，保持轉(zhuǎn)速n=nN，開關(guān)S1打開，勵磁回路外加電壓Uf，合上開關(guān)S2并調(diào)節(jié)勵磁回路中的磁場調(diào)節(jié)電阻Rpf；2023/2/182山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作逐步減小If，則U0也隨之減小，當(dāng)If=0時，U0不等于零，稱為剩磁電壓，其值約為UN的（2-5）%；再將If減小到零。這樣就可以測得一系列If值和對應(yīng)的U0值，繪出U0=f(If)的曲線。曲線成一磁滯回線。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(fù)的U0為額定電壓的（1.1-1.3）倍為止。勵磁電流If從零開始逐漸增大，直到U0=（1.1-1.3）UN為止；2023/2/183山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作平均空載特性曲線直流發(fā)電機的空載特性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?？蛰d特性曲線的形狀與電機的磁化曲線形狀相似。根據(jù)電動勢公式，對于已制成的電機，CE為一常數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)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(biāo)，就可以得到空載特性。2023/2/184山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電機的磁化曲線是表示電機磁路的一條特性曲線，每一臺電機只有一條磁化曲線;（二）外特性1.定義：當(dāng)n=nN、If=IfN時U=f(I)的關(guān)系曲線。特性曲線可用試驗方法求得試驗方法及接線圖如圖所示。而空載特性曲線是對應(yīng)于某一轉(zhuǎn)速的升降而成正比的上升或下移。2023/2/185山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作按右圖接線，并將開關(guān)S1合上，保持n=nN，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R和磁場調(diào)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。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，測得一系列I和對應(yīng)的U值，即得到發(fā)電機的外特性曲線。在實驗過程中，保持If=IfN值不變；2023/2/186山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.外特性曲線他勵發(fā)電機的外特性是條略微下垂的曲線，即隨著負(fù)載的增加，電機的端電壓將有所下降。1）電樞回路的電阻壓降IaRa；OIUn=nNIf

=IfNINUNU0外特性3.電壓下降的因素這兩個因素都隨負(fù)載的增加而增大，由電勢方程U=Ea-IaRa可知，端電壓隨負(fù)載的增大而減小。2）電機有負(fù)載后，電樞反應(yīng)的去磁作用，使電樞電動勢Ea比空載時小。2023/2/187山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作當(dāng)負(fù)載電阻R=0，即發(fā)電機短路時，短路電流Ik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損壞。短路電流Ik他勵發(fā)電機的額定電壓變化率是指在n=nN，If=IfN時發(fā)電機從額定負(fù)載過渡到空載時，端電壓升高的數(shù)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）%，變化較小?！鱑

=U0－UNUN×100%4.電壓變化率△U2023/2/188山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（三）調(diào)節(jié)特性定義：調(diào)節(jié)特性是在n=nN、U=UN時If=f(I)的關(guān)系曲線。從外特性可知，當(dāng)負(fù)載增大時，端電壓下降，若要維持U=UN不變，則隨著負(fù)載的增大，必須增大勵磁電流，所以他勵發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性是一條上升的曲線。OI

If

IfNIN調(diào)整特性（四）效率特性定義：在n=nN、U=UN時發(fā)電機的效率與負(fù)載的關(guān)系曲線（實際上電壓U將隨負(fù)載變化而變化，因變化不大，可近似認(rèn)為U=UN）。2023/2/189山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作式中∑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、pmec；效率是指輸出功率與輸入功率之比:根據(jù)他勵發(fā)電機的功率關(guān)系，可得pad中有一部分是不變損耗；一部分是可變損耗。有一部分是隨負(fù)載變化而變化的，稱為可變損耗，如pcua、pcub，一般與負(fù)載電流的二次方成正比；2023/2/190山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作要求最大效率，只需將功率表達(dá)式對I求導(dǎo)，即可在設(shè)計電機時，需要將各種損耗作適當(dāng)?shù)姆峙?，使最大效率出現(xiàn)在(0.75-1)PN范圍內(nèi)，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(jīng)濟。效率曲線如圖所示?？汕蟪霎?dāng)不變損耗等于可變損耗時，效率達(dá)到最大值。2023/2/191山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作四、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(chǎn)生勵磁電流If，電樞兩端必須要有電壓；E＋Ua－GIfIaI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”。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，那么電壓如何建立？2023/2/192山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作設(shè)發(fā)電機已由原動機拖動至額定轉(zhuǎn)速，由于電機磁路中有一定的剩磁，在發(fā)電機的電刷間將會有一個不大的剩磁電壓。（一）自勵過程在這一較高電壓的作用下，勵磁電流又進一步升高，如此反復(fù)作用，發(fā)電機的端電壓便“自勵”起來。若勵磁磁動勢產(chǎn)生的磁場與剩磁同方向，使電機內(nèi)的磁場得到加強，從而使電機的端電壓升高。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(chǎn)生一個勵磁磁動勢。2023/2/193山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并勵發(fā)電機的勵磁電流以If很小，僅為額定電流IN的(1-5)%，因此發(fā)電機空載時的電壓U0可近似看作等于Ea，所以空載特性與他勵發(fā)電機的相同。式中Rf—勵磁回路總電阻發(fā)電機的電壓能否穩(wěn)定在某一數(shù)值，可通過空載特性和磁場電阻線作進一步的分析。當(dāng)Rf一定時，If與U0成線性關(guān)系，該直線的斜率為Rf，故稱為磁場電阻線，簡稱場阻線。從勵磁回路來看，If與U0的關(guān)系又必須滿足歐姆定律，即2023/2/194山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作從物理過程來看，在自勵過程中勵磁電流是變化的，這時勵磁回路的電勢方程式：式中Lf為勵磁繞組的電感?？梢?，If與U0的關(guān)系既要滿足空載特性，又要滿足場阻線，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(yīng)的電壓即是空載時建立的穩(wěn)定電壓。OIfEErAIfrIf1If2If建立電壓的過程1.自勵過程2023/2/195山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流發(fā)電機如果逐步增大電阻Rf（即增大磁場調(diào)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，空載電壓減小。綜上所述：并勵發(fā)電機的空載穩(wěn)定電壓U0的大小決定于空載特性與場阻線的交點。OIfEErRf

=RkRf

＜RkRf＞Rk調(diào)節(jié)勵磁回路中的電阻，也就是改變場阻線的斜率，即可調(diào)節(jié)空載電壓的穩(wěn)定點。當(dāng)場阻線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，這時對應(yīng)的勵磁回路的總電阻Rk稱為臨界電阻。Rf

＜RkRf>Rk時，交點電壓接近剩磁電壓，無法建立電壓。2023/2/196山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并勵發(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。2.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(chǎn)生的磁場與剩磁同方向。若在某一轉(zhuǎn)向下，勵磁繞組與電樞的聯(lián)接能使電機自勵，則改變轉(zhuǎn)向后，電機便不能自勵。所謂勵磁繞組與電樞的連接正確是對某一旋轉(zhuǎn)方向而言的。發(fā)電機應(yīng)按制造廠規(guī)定的旋轉(zhuǎn)方向運行。因為發(fā)電機的轉(zhuǎn)向改變后，剩磁電壓的方向也隨之改變，由此產(chǎn)生的勵磁電流對剩磁起去磁作用。2023/2/197山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作3）勵磁回路的總電阻要小于某一轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。由于對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速，電機的空載特性位置也不同，因此對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速便有不同的臨界電阻。（二）并勵發(fā)電機的外特性并勵發(fā)電機的空載特性和調(diào)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(shù)（注意：不是If=常數(shù)）時，U=f（I）的關(guān)系曲線。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(zhuǎn)速時也許就不能自勵。一般發(fā)電機應(yīng)保持在額定轉(zhuǎn)速nN下運行。為什么？2023/2/198山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作外特性也可以通過實驗求出:調(diào)節(jié)勵磁電流和負(fù)載電流，使電機達(dá)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。U0他勵并勵保持RfN不變，求取不同負(fù)載時的端電壓，就可得到圖中曲線所示的外特性曲線，圖中還表示了接成他勵時的外特性。比較兩條曲線，可以看出并勵發(fā)電機的外特性有以下特點：先將電機拖到額定轉(zhuǎn)速n=nN，使電機自勵建立電壓；OIU2023/2/199山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1）并勵發(fā)電機的電壓調(diào)整率較他勵時大。2）外特性有拐彎現(xiàn)象。是由發(fā)電機的自勵和磁路飽和現(xiàn)象引起的。可說明如下：根據(jù)電路定律，若忽略If時并勵發(fā)電機的電壓調(diào)整率一般在20%左右。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。因為他勵發(fā)電機的勵磁電流If=IfN=常數(shù)，它不受端電壓變化的影響；2023/2/1100山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作OI

UU0他勵并勵I(lǐng)NUNRL

（瞬間Ea不變）→

I(Ia)→U

低飽和磁路RL

→U→IfIf

下降較多時→Φ→E

較大→U的下降比RL的減少得更快I=U/RLRL

→U→I→RL=0，U=0，If

=0→

Φ=Φr，

E=Er

，→

Ik

較小。If

剛下降時磁路飽和，Φ

較慢→E

較小→

I

。2023/2/1101山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并勵發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流雖然不大，若發(fā)生突然短路，短路電流的最大值仍可達(dá)到額定電流的8-12倍，還是有損壞電機的危險。強調(diào)當(dāng)負(fù)載電阻短路時（R=0），電樞端電壓U=0，勵磁電流If為零。這時電樞繞組中的電流由剩磁電勢所產(chǎn)生。由于剩磁電動勢不大，所以穩(wěn)態(tài)短路電流也不大。3）穩(wěn)態(tài)短路電流小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。為什么？2023/2/1102山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作例一他勵直流發(fā)電機，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ保持不變，求1000r/min時的電樞電勢

和900r/min時的滿載電壓U

。

9001000E'

=E

EaN=Ua＋RaIaN=(230＋0.4×43.5)V=247V10×103230=A=43.5APNUaIaN=9001000=×247V=222VU=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V解：額定電樞電流在Φ保持不變時，E∝n2023/2/1103山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作例

一并勵直流發(fā)電機，輸出電壓U

=230V，輸出電流I

=100A，Ra=0.2Ω，Rf=115Ω，n

=1500r/min，T0=17.32N·m。求發(fā)電機的輸出功率P2

、電磁功率Pe、輸入功率P1

和效率。

230115=A=2AURfIf=解：P2=UI=230×100W=23000WIa

=I＋If=(100＋2)A=102ApCu=RaIa2

＋RfIf2=(0.2×1022＋115×22)W=2540.8W2023/2/1104山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作p0

=T0n260=

×17.32×1500W260P1=Pe＋p0

=(25540.8＋2719.24)W=28260W

=×100%P2P1=

×100%=81.39%2300028260Pem

=P2＋PCu=25540.8W=2719.24W2023/2/1105山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作M一、直流電動機的勵磁方式If+Ua－Ia+Uf－他勵并勵串勵復(fù)勵M+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I第六節(jié)直流電動機的基本方程與運行特性2023/2/1106山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作二、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(shè)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+Iara+2△Ub=Ea+IaRa

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：在電動機中U>Ea。2023/2/1107山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式當(dāng)電動機以恒定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩Te與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載轉(zhuǎn)矩T0相平衡，即

Tem=TL+T0可見，電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩T2只是電磁轉(zhuǎn)矩的一部分，它與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，即：

T2=Tem-T0=TL

電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，因為電機轉(zhuǎn)子和被它拖動的生產(chǎn)機械都具有轉(zhuǎn)動慣量，就會產(chǎn)生一個慣性轉(zhuǎn)矩Tj。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是個驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。2023/2/1108山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作根據(jù)力學(xué)知識，在一個機械系統(tǒng)中，任何瞬間都必須保持轉(zhuǎn)矩平衡，于是電動機的轉(zhuǎn)矩方程式：在電力拖動中稱運動方程式。在電動機中，電磁轉(zhuǎn)矩>機械轉(zhuǎn)矩。（三）功率平衡方程式直流電動機工作時，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pcub及勵磁回路銅耗pcuf，其余部分便是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率的電磁功率Pem；從機械的觀點：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Tem。2023/2/1109山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作從電的觀點來看，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=Tem=EaIa

電磁功率并不能全部用來輸出，它必須補償機械損耗pmec、鐵耗pFe和附加損耗pad，最后剩下的部分才是對外輸出的機械功率P2

Pe=P2+pmec+pFe+pad=P2+

p0直流電動機的功率平衡方程式：

P1=pcua+pcub+pcuf+Pe=pcua+pcub+pcuf+pmec+pFe+pad+P2=Σp+P2

2023/2/1110山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并勵直流電動機的功率圖如下:2023/2/1111山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作他勵直流電動機的轉(zhuǎn)向

Tem

的方向取決于Φ和Ia的方向。M+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－磁場反向電樞反向取決于電磁轉(zhuǎn)矩Tem

的方向。2023/2/1112山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作三、他勵（并勵）直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性效率特性，三者與輸出功率P2（Ia）的關(guān)系，即n、T、η=f（P2）或n、T、η=f（Ia），還包括轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。試驗方法求取運行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(diào)節(jié)電阻。在U=UN時，調(diào)節(jié)電動機的負(fù)載和勵磁電流，使輸出功率為額定功率PN，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速nN，此時的勵磁電流即為IfN。2023/2/1113山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作保持U=UN、If=IfN不變，改變電動機的負(fù)載，測得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和輸出功率P2，就可畫運行特性。（一）轉(zhuǎn)速調(diào)整特性以Ea=CeΦn代入電動勢平衡方程式U=Ea+IaRa，即可得到轉(zhuǎn)速公式2023/2/1114山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作對于一定的電動機，Ce為一常數(shù)，則當(dāng)U=UN時，影響轉(zhuǎn)速的因素有兩個：1）電樞回路的電阻壓降IaRa；因為If=IfN=常數(shù)，因此磁通僅受電樞反應(yīng)的影響。對各種勵磁方式的電動機都適用。2）磁通Φ。而電樞反應(yīng)的去磁作用卻使轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)負(fù)載增加時，電樞電流Ia增大，電樞壓降IaRa也隨之增大，使轉(zhuǎn)速下降；2023/2/1115山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作若IaRa的影響大，則轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增大而下降；因此在設(shè)計電動機時，同時考慮了上述兩個因素的影響，而使電動機具有略為下降的轉(zhuǎn)速調(diào)整特性。為了使電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，通常希望轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加而降低。若電樞反應(yīng)的去磁作用影響大，則轉(zhuǎn)速將隨負(fù)載的增大而上升。這兩個因素的相反作用，結(jié)果使電動機的轉(zhuǎn)速變化很小。2023/2/1116山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）轉(zhuǎn)矩特性輸出功率P2=TL，所以實際上，當(dāng)P2增加時轉(zhuǎn)速n有所下降，因此TL=f（P2）的關(guān)系曲線將稍向上彎曲。由此可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速不變TL=f（P2）為一通過原點的直線。注意該曲線與課本中的不同。為什么？電磁轉(zhuǎn)矩Te=TL+T0，因此只要在TL=f（P2）的曲線上加上空載轉(zhuǎn)矩T0，便可得到TL=f（P2）的關(guān)系曲線，當(dāng)P2=0時，TL=0，這時Te=T0。2023/2/1117山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（三）效率特性根據(jù)直流電動機的功率平衡方程式和流程圖，可得：效率特性的分析與發(fā)電機相同。他（并）勵直流電動機的工作特性曲線如下圖所示。2023/2/1118山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作他勵直流電動機的工作特性曲線2023/2/1119山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（四）機械特性直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：由電動機的電勢平衡方程式、電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩的公式，得機械特性的表達(dá)式：2023/2/1120山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作n'0稱為理想空載轉(zhuǎn)速。實際空載轉(zhuǎn)速n=UaCeΦ

－RCeCTΦ2Te

=n'0－α

Te=n'0－△nα=

dndTRCeCTΦ2=特性曲線的斜率轉(zhuǎn)速降△n

RCeCTΦ2=△nTeTeTNT0nnNn'0n0n0=UaCeΦ

－RCeCTΦ2T0

他勵（并勵）直流電動機的機械特性是一條略向下傾斜的直線。2023/2/1121山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作電動機從空載到滿載轉(zhuǎn)速變化的程度，用理想空載轉(zhuǎn)速n'0與額定轉(zhuǎn)速nN之差與額定轉(zhuǎn)速的百分比表示。稱為電動機的額定轉(zhuǎn)速調(diào)整率△n%。他（并）勵電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)整率很小，只有（2-8）%左右，基本上可以認(rèn)為是一種恒速電動機。若直流電動機轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化不大，即特性曲線斜率很小，稱機械特性為硬特性，反之稱為軟特性。2023/2/1122山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作四、串勵電動機的運行特性他勵或并勵電動機，若不計電樞反應(yīng)，可認(rèn)為Ф與負(fù)載無關(guān)。串勵電動機當(dāng)輸出功率P2增加時，電樞電流Ia隨之增大，電樞回路的電阻壓降也增大；（一）轉(zhuǎn)速調(diào)整特性串勵電動機的特點：串勵電動機勵磁繞組與電樞串聯(lián)，故勵磁電流If=Ia=I與負(fù)載有關(guān)；串勵電動機的氣隙磁通Ф將隨負(fù)載的變化而變化；因為Ia=If，所以氣隙磁通也必然增大。2023/2/1123山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu制作