第四章 直流電機

船舶電機與電氣控制系統(tǒng)機電系電氣教研室第4章直流電機

(DCelectricitymachine)4.1直流電機的構(gòu)造4.2

直流電機的基本工作原理4.4

直流電動機4.3

直流發(fā)電機思考題第4章直流電機(dcmachine)本章要求：(demand)1.掌握直流電機的結(jié)構(gòu)。2.會分析直流發(fā)電機和電動機的工作原理。3.掌握直流電機的勵磁方式。4.掌握直流發(fā)電機的起壓條件。5.掌握直流電動機的機械特性。

主要內(nèi)容：(content)

直流電機的結(jié)構(gòu) 主要掌握：定子機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

直流電機的銘牌數(shù)據(jù)

主要掌握：電壓、電流、容量等參數(shù)

直流電機的勵磁方式

主要掌握：串勵、并勵、復勵4.1直流電機的構(gòu)造及勵磁方式

structureandexcitetypeNS············NS直流電機的構(gòu)造structure極掌極心勵磁繞組機座轉(zhuǎn)子直流電動機的磁極和磁路Magneticpoleandmagneticcircuit直流電機由定子(磁極,機座、電刷),轉(zhuǎn)子(電樞、換向器)構(gòu)成。2.轉(zhuǎn)子(電樞)rotor由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極magneticpole永磁式:

由永久磁鐵做成。勵磁式:

磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁:

磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：由結(jié)構(gòu)、形狀相同的線圈組成用來在電機中產(chǎn)生磁場magneticfield直流電機的構(gòu)造一、定子主要部件1．主磁極：主極鐵心由薄鋼板沖片疊成，其上套有勵磁繞組，通入直流勵磁電流產(chǎn)生主磁場。2．換向極：鐵心由整塊鋼制成，尺寸比主極??；與主磁極相間分布。換向極用于改善換向，以減少因電磁原因而引起的電刷下的火花。換向極繞組與電樞電路串聯(lián)，換向極磁場與交軸電樞反應磁場方向相反。它不僅用來抵消電樞反應磁場，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的感應電動勢，達到減少換向火花的目的。圖4-2-1直流電機解體圖

3．機座：是直流電機的固定支撐和防護的部件，又是磁路的一部分。有磁通經(jīng)過的部分稱為磁軛。機座通常是由鑄鋼制成或由鋼板卷焊而成。4．電刷裝置：主要有刷架、刷桿、刷握、炭刷及壓緊彈簧等組成。為減少由機械原因而引起的電火花，炭刷插在刷握中應既能上下自由移動又不晃動，

而且隨著炭刷的磨短應及時調(diào)整壓緊彈簧，以保持與換向器適當?shù)慕佑|壓力。2．電樞繞組：各繞組線圈的兩個出線端按一定的規(guī)律焊接到換向器片上，形成一閉合回路。1．電樞鐵心：由硅鋼片疊成，固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。鐵心圓周上均勻分布的槽內(nèi)嵌放電樞繞組。電樞鐵心是磁路的一部分，二、轉(zhuǎn)子主要部件3．換向器：換向器的作用是將電樞線圈中的交流變?yōu)橹绷骰蛳喾础Ｓ稍S多楔形銅片（換向片）疊成圓筒形，片間用云母絕緣。換向器片放置在套筒上；用壓圈固定，壓圈本身又用螺帽固緊。換向器裝在軸上。電樞線圈的出線端就焊接在換向器片端部的升高片的小槽中。一、構(gòu)造(structure)基本構(gòu)造：定、轉(zhuǎn)子statorandrotor電刷、換向器作用：——起機械整流器作用。后續(xù)基本原理中進一步介紹（元件交流，電刷兩端直流）。注意：各部件的作用。風葉磁極電刷電樞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸換向器換向片壓緊環(huán)電樞繞組繞組端部結(jié)構(gòu)細說換向器二、主要銘牌數(shù)據(jù)(mainnameplatedata)1.額定容量capability（KW）:是指額定狀態(tài)下,發(fā)電機輸出的電功率Pn=UnIn,或電動機軸上輸出的機械功率Pn=UnInn;2.額定電壓（Vvoltage）：端電壓Un;

3.額定電流（Aampere）

：發(fā)電機輸出的或電動機輸入的額定電流In;

4.額定轉(zhuǎn)速nN(rotatespeed)：額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速;他勵電動機separatelyexcited

：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵電動機shunt-woundmotor

：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵電動機serieswoundmotor

：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compound-woundmotor

：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。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復勵U三、直流電機的勵磁方式ExcitationMode

主要內(nèi)容：content

直流發(fā)電機及電動機的工作原理 主要掌握：區(qū)分電動機與發(fā)電機原理

直流電機電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩

主要掌握：區(qū)分發(fā)電機與電動機的轉(zhuǎn)矩與電動勢

直流電機的電刷位置 主要掌握：電刷在那個位置產(chǎn)生的火花最小4.2直流電機的基本工作原理

operationalprinciple

一、工作原理（workprinciple）直流電源Electricsource電刷brush換向器commutator線圈windinga.電動機motor電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩.在旋轉(zhuǎn)的過程中,電樞線圈也切割磁場而產(chǎn)生電動勢,該電動勢的方向總是與電流方向相反,故稱為反電動勢.b.發(fā)電機generators電樞繞組在原動機的拖動下逆時針方向旋轉(zhuǎn)

發(fā)電機的電動勢(electromotiveforce)為電源電動勢。電樞中有電流以后,電流與磁場相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。方向與轉(zhuǎn)動方向相反,故稱反轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩countertorque

）。在線圈內(nèi)部是一個方向不斷改變的交變電動勢，而電刷之間的電動勢則是方向不變的直流。在線圈內(nèi)部(inside)是一個方向不斷改變的交變電動勢，而電刷之間的電動勢則是方向不變的直流。電樞通入電流后，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機在磁場中轉(zhuǎn)動起來。通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，又會在線圈中產(chǎn)生感應電動勢（用E表示）。二、恒定(invariablenes)的電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩FFU+–NS電刷換向片IIEEKE:與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)稱為電勢常數(shù)KT:與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù),稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)Torqueconstant位置不正確，產(chǎn)生增磁性電樞反應電刷在“幾何中心線”上三、電刷的正確位置rightposition電刷的位置正確與否,將影響到正負電刷間的電動勢E,從而影響到發(fā)電機的電壓和電動機的轉(zhuǎn)速;同時電刷的位置也影響到電刷下的火花。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。位置不正確，產(chǎn)生去磁性電樞反應

主要內(nèi)容：content

直流發(fā)電機的空載特性 主要掌握：區(qū)分電動機與發(fā)電機原理

自勵直流發(fā)電機的起壓

主要掌握：起壓條件

直流發(fā)電機的外特性及電壓變化律 主要掌握：電壓與電流的關系4.3直流發(fā)電機

DCgenerator因為E=KeΦn,而Φ與If之間為磁化曲線關系,所以空載特性曲線與磁化曲線相似。一.空載特性noloadcharacteristics（1）剩磁(remanence)電壓Er：勵磁電流等于零時的開路電壓,約為額定電壓的2~5％。當發(fā)電機空載(I=0)及保持額定轉(zhuǎn)速不變時,電樞電動勢(或空載電壓U0)與勵磁電流If之間的關系E=f(If)。EEr0If（2）正常工作在彎曲(blend)段（3）調(diào)節(jié)If可以調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓二.自勵發(fā)電機的起壓(voltagebuild-up)自勵發(fā)電機的自勵(self-excitation)起壓過程(靠剩磁建立電壓)EE=f（If）Er0IfE=IfRfα以并勵為例：非線性的空載特性曲線(E=f(If))與線性的場阻線(Rf=E/If)的交點即為自勵的穩(wěn)定電壓(stablevoltage)。EE=f（If）Er0IfE=IfRfα分析起壓過程(process)：剩磁通剩磁電動勢勵磁電流勵磁磁場剩磁磁場磁場方向一致…穩(wěn)定在A點A3.勵磁電路的電阻要適當。自勵發(fā)電機的自勵起壓條件(voltagebuildupcondition):1.發(fā)電機要有剩磁；2.勵磁電流磁場與剩磁場方向相同；4.轉(zhuǎn)速要適當。三.外特性externalcharacteristic

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系U=f(I)。直流發(fā)電機電樞(armature)電路的電壓平衡方程(equation)為a.他勵發(fā)電機(separatelyexcitedgenerator)

電樞電流Ia等于負載電流Ib.并勵發(fā)電機(shuntwoundgenerator

)電樞電流只有電樞電阻引起端電壓的微小變化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電動勢的減小,電動勢的減小,又使電壓進一步下降3.復勵發(fā)電機compoundgenerator

電樞電流armaturecurrent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(短復勵)或電樞電流(長復勵),復勵發(fā)電機又分為積復勵發(fā)電機和差復勵發(fā)電機。

積復勵cumulativecompoundexcitation

：串勵與并勵磁場方向一致的復勵發(fā)電機稱為積復勵發(fā)電機

差復勵differentialcompound

：串勵與并勵磁場方相反的復勵發(fā)電機稱為差復勵發(fā)電機。

根據(jù)串勵繞組對端電壓的補償程度又分為平復勵、欠復勵和過復勵發(fā)電機。當供電線路較長時，一般采用過復勵。船上采用平復勵。直流發(fā)電機從空載到滿載端電壓變化的程度用電壓變化率表示,即過復勵的u％<0。電壓變化率(varietyrate)他勵發(fā)電機的u％≈(5~10)％;并勵的u％≈(10~30)％;平復勵的u％=0;欠復勵的u％>0;四.轉(zhuǎn)矩和功率的平衡(balance)當發(fā)電機穩(wěn)定運行時,發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩T1=T+T0

電磁阻轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩機械功率mechanismpower

P1=Pe+P0發(fā)電機的效率(efficiency):

主要內(nèi)容：content

直流電動機的構(gòu)造 主要掌握：結(jié)構(gòu)

直流電動機的分類 主要掌握：他勵、并勵、串勵、復勵

直流電動機的工作原理 主要掌握：工作原理4.4直流電動機

DCmotor直流電動機雖然比三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)復雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械往往采用直流電動機驅(qū)動。直流電機的優(yōu)點：excellency(1)調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。(2)起動、制動轉(zhuǎn)矩大,易于快速起動、停車。(3)易于控制。應用:application軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機以及起重設備等調(diào)速范圍大的大型設備。

1.他勵電動機(separatelyexcitedmotor)勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。直流電機的分類(sort)直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機2.并勵電動機(shuntwoundmotor)

勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵IaUM+_If+_IE并勵4.復勵電動機(compoundwoundmotor)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。3.串勵電動機(serieswoundmotor)勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復勵U+_IMIa4.4.2

直流電機的基本工作原理IU–+SbNacd直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉(zhuǎn)。U–+U–+電刷brush換向片commutatorU–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。U–+EETnSbNdFFacII換向片電刷brush線圈(winding)在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。KE:

與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)n:

電動機轉(zhuǎn)速：磁通magneticflux

1.電樞感應(induction)電動勢

E=EKnU–+EETnSbNdFFacII換向片電刷由圖可知，電樞感應電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。式中：U—外加電壓

Ra

—繞組電阻2.電樞回路(armatureloop)電壓平衡式–RaIaE+–+UMKT:與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)

:線圈所處位置的磁通magneticfluxIa：電樞繞組中的電流3.電磁轉(zhuǎn)矩(magnetismtorque單位:(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為4.轉(zhuǎn)矩平衡toquebalance關系電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,它使電樞轉(zhuǎn)動。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=KT

Ia當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應負載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程T2:機械負載轉(zhuǎn)矩loadtorqueT0:空載轉(zhuǎn)矩noload

torque

例：設外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達到新的平衡點(Ia

、P入)

。T2nIa

T

E4.4.3

直流電動機的運行特性

operationcharacteristic直流電動機在正常運行時，雖然電源電壓U和勵磁電阻保持不變，但隨著勵磁方式不同，電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機械特性有很大的區(qū)別。一、并勵電動機shuntwoundmotor1.轉(zhuǎn)矩特性IaUM+_If+_IE由圖可求得由上分析(analysis)可知：當電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時,勵磁電流If和磁通不變，即=常數(shù)(constant)。則T=KT

Ia=KT

Ia

即：并勵電動機的磁通=常數(shù)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。

n0TIa2.轉(zhuǎn)速特性由以下公式(formula)求得n0TIa式中：n0求得IaUM+_If+_IE3.機械特性式中：n=f(T)

特性曲線n0nNTN并勵電動機在負載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大—硬機械特性（自然特性）。n0TnnN很小，大約為3%~8%二、串勵電動機(SeriallyExcitedMotor

)1.轉(zhuǎn)矩特性當Ia較小時，鐵心不飽和串勵UIa+_IfM特點：當Ia較大時，鐵心飽和與并勵類似2.轉(zhuǎn)速特性當Ia較小時，可得根據(jù)當Ia較大時，鐵心飽和與并勵類似從上式可見，當輕載時串勵電動機的轉(zhuǎn)速急劇上升，將導致電動機的損壞，所以串勵電動機不允許輕載運行，一般最低負載不小于額定負載的30%n0TIa求得3.機械特性串勵電動機在負載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化大—軟機械特性（自然特性）。適合于拖動啟動頻繁、負載變化大的負載。當負載增加時，轉(zhuǎn)速快速下降，當負載減小時，轉(zhuǎn)速快速上升，這樣不僅可以確保安全，而且可以提高生產(chǎn)效率。三、復勵電動機(compound-woundmotor

)復勵U+_IMIa他勵的工作特性介于并勵和串勵之間。如果并勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與并勵電動機工作特性接近。如果串勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與串勵電動機工作特性接近。但因為有并勵繞組磁通勢的存在，磁通不會趨近于零，所以空載或輕載時，仍能正常運行。4.4.4

并勵電動機的人為機械特性1.電樞回路串聯(lián)電阻R根據(jù)nn0T電阻增大2.降低電樞電壓Un0nT0U3.減弱磁通Tn（

減?。㏑f增加OHumanmechanicalcharacteristicoftheshuntexcitationgereators4.4.5

并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn)起動start直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴重的火花,燒壞換向器；起動時,n=01.起動問題：(1)起動電流大(2)起動轉(zhuǎn)矩大起動時，起動轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN,造成機械沖擊，使傳動機構(gòu)遭受損壞。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。StartandReverse2.起動方法(1)電樞串電阻起動法在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。nn0T電阻增大TLT2T1此啟動方法，啟動設備簡單，操作方便，但啟動能耗大。

3.注意事項(2)降壓起動法：直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：目前基本采用可控硅整流電源作為調(diào)壓電源。此啟動方法，啟動電流小，啟動平穩(wěn)，啟動能耗小。TLT2n0nT0T1(1)如果電動機是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KTIa),

電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險。

(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢

E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。

(3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。2.反轉(zhuǎn)Reverse

電磁轉(zhuǎn)矩：T=KTIa

(1)改變勵磁電流的方向。(2)改變電樞電流的方向。注意：改變轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：4.4.6

并勵(他勵)電動機的調(diào)速并勵(他勵)電動機與異步電動機相比，雖然結(jié)構(gòu)復雜，價格高，維護也不方便，但在調(diào)速性能上由其獨特的優(yōu)點。

1.調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速

2.調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達D=8~10以上3.調(diào)速靜差率小。主要優(yōu)點：由轉(zhuǎn)速公式:可見直流電機調(diào)速方法有三種。shuntwound(Separatelyexcited)generatorspeedregulation4.4.6.1弱磁調(diào)速weakenedmagnetismandadjustingspeed

保持電樞電壓U不變，減小勵磁電流If(調(diào)Rf)以減小磁通。由式TLTnO調(diào)速過程:直至T=TC達到新的平衡。Rf

EIａnIa

ET

在高于n的轉(zhuǎn)速下運行

弱磁調(diào)速時，減小，但Ia保持不變，所以轉(zhuǎn)矩隨調(diào)速的升高而下降，而允許輸出的功率恒定。所以屬于恒功率調(diào)速，且轉(zhuǎn)速n只能上調(diào)。(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受機械本身強度所限，n不能太高。(2)調(diào)速設備簡單，經(jīng)濟，電流小，便于控制。(3)機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4)對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機,其D可達３~４,一般D=2

減小調(diào)速的特點：4.4.6.2

降壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。n0"n0'電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點:(1)工作時電壓不允許超過UN

，而nU,所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性好。(4)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。(5)調(diào)速范圍較大。一般D=8~10調(diào)速過程:保持If

為額定,減小電樞電壓。

UIa

T

T

=TC穩(wěn)定n

E

Ia

T

改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。(3)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。4.4.6.3電樞回路串電阻調(diào)速nn0T

電樞回路串電阻調(diào)速時，和Ia保持不變，所以屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速而允許輸出的功率隨轉(zhuǎn)速下降。且轉(zhuǎn)速n只能下調(diào)。特點：(1)設備簡單，操作方便。(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。(4)能量損耗大，只用于小型直流機。TL(3)調(diào)速范圍較小，一般D=2~2.54.4.8串勵電動機的啟動、調(diào)速及制動啟動start

串勵電動機的啟動方法與他勵電動機一樣，采用電樞串電阻和降壓啟動。但啟動轉(zhuǎn)矩