直流電機精品

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第2章直流電機§2-1直流電機的工作原理、結構及銘牌數據§2-2直流電機的繞組§2-3直流電機的勵磁方式及磁場§2-4直流電機的基本方程§2-5直流電機的運行原理§2-6

直流電機的換向直流電機問題引入克服阻力旋轉對外輸出機械能磁極建立磁場外加直流電壓在線圈中產生電流載流導體在磁場中產生電磁力(1)狀態(tài)一直流電源供電電流方向不變旋轉180電角度后電磁力方向反向平均電磁轉矩為0若要維持電磁力方向不變，必須:改變磁極極性改變電流方向二者改變且僅改變一個(2)狀態(tài)二：轉子旋轉180電角度(3)兩種位置電磁力對比幾何中性線磁極的幾何分界線電刷和換向器配合電流換向＝電流逆變導體運動經過磁極的幾何中性線期間交換線圈電源極性交換線圈電流方向電磁力方向維持不變(4)直流電動機原理－換向6直流電機（1）說明規(guī)定N極下的導體（元件邊）稱為N導體，S極下的導體稱為S導體電勢或電流方向進入紙面用表示，流出紙面用表示（2）工作原理? 直流發(fā)電機的物理模型-外力帶動線圈轉動7直流電機模型91、直流電機的模型直流電機ABab10直流電機由主磁極產生磁場在一對電刷中通入直流電直流電通過換向器送到電樞繞組中繞組導體獲得交變電流，但N極和S極下導體電流方向不變載流導體在磁場中受到電磁力的作用，產生電磁轉矩電磁轉矩帶動電樞旋轉總結11注意幾點：》 線圈電流是交流，隨著所處磁極極性的改變而改變的；》 電磁轉矩的方向一直保持不變，電機連續(xù)旋轉；》 外加電壓、電流是直流，電樞線圈內電流是交流；》 產生的電磁轉矩是驅動性質的。主磁極建立磁場外加機械轉矩線圈在磁場中旋轉運動導體在磁場中產生感應電勢帶電負載對外輸出電能直流發(fā)電機的工作原理(1)狀態(tài)一(2)兩種位置電動勢對比線圈旋轉方向不變導體感應電勢在不同極性磁極下感應電勢方向不同導體感應電勢交變感應電勢換向＝整流

經過磁極的幾何中性線交換線圈輸出極性輸出直流否則，輸出交流(3)直流發(fā)電機原理－換向線圈旋轉，轉過一對磁極的感應電勢波形(4)線圈感應電勢波形單線圈換向后的感應電勢波形18直流電機總結：由主磁極產生磁場電樞由原動機拖動電樞繞組的導體切割磁場產生交變感應電動勢交變感應電動勢由換向器的整流從電刷間輸出直流電源19? 注意幾點：》 線圈內電勢、電流是交流電；》 電刷間為直流電勢；》 電流方向與電勢相同；》 從空間看，電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的；直流電機的可逆原理：-同一臺直流電機，通過改變外界條件，可當發(fā)電機運行，也可當電動機運行-用外力讓轉子轉動，就是發(fā)電機-通進直流電，就是電動機20直流電動機建立磁場

→產生電磁力的條件載流導體

→產生電磁力線圈運動

→對外輸出機械功換向器和電刷

→換向逆變換流，產生持續(xù)電磁力直流發(fā)電機建立磁場

→產生感應電勢的條件導體運動

→產生感應電勢外加負載

→對外輸出電能換向器和電刷

→換向整流，產生直流電動勢小結：直流電機原理要求結構組成22二、直流電機的結構1、結構示意圖直流電機外部結構靜止部分（定子）主磁極、勵磁繞組、電刷、軸承、磁軛和電刷裝置等旋轉部分（轉子、電樞）電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等直流電機的基本結構具體構成直流電機內部結構直流電機內部結構281—風扇2—機座3—電樞4—主磁極5—刷架6—換向器7—接線板8—出線盒9—換向極10—端蓋292、定子（主磁極、換向極、端蓋、機座、電刷等）（1）主磁極作用：產生主磁場結構：由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵磁繞組）構成，如圖。主磁極鐵心一般由1.0mm～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，包括極身和極靴兩部分。極身上面套有勵磁繞組，繞組中通入直流電流。整個磁極用螺釘固定在機座上。1—固定主磁極的螺釘；

2—主磁極鐵心；3—勵磁繞組①主磁極②勵磁繞組直流電機的定子主磁極鋼板沖片（1-1.5mm厚）主磁極由鋼板沖片疊壓而成勵磁繞組套在主磁極極身上主磁極單片主磁極鐵芯圖主磁極鐵芯疊加圖主磁極鐵芯圖主勵磁繞組圖38（2）換向極（附加極或間極）1—換向極鐵心；2—換向極繞組

作用：改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產生有害的火花。結構：和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座上。如圖。換向極鐵心一般用整塊鋼制成，如換向要求較高，則用1.0mm～1.5mm厚的鋼板疊壓而成。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)。換向極圖-140（3）機座作用：固定主磁極、換向極和端蓋

作為電機磁路的一部分，稱為磁軛。結構：一般用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，呈圓筒形，具有良好的導磁性能和機械強度。（4）端蓋作用：將定子（機座）、轉子（轉軸）連在一起，并對電機內部起防護作用。結構：由鑄鋼或厚鋼板組成。41（5）電刷裝置作用：將外加的直流電壓或電流引入或引出電機轉子繞組。結構：由電刷，刷握，刷桿、銅絲辮和連線等部分組成，如圖。電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調整電刷的位置。電刷示意圖電刷結構圖直流電機的定子內部結構直流電機的定子內部結構直流電機的定子內部結構48（1）電樞鐵心作用：作為電機主磁路的一部分

嵌放電樞繞組結構：電樞鐵心一般用0.5mm厚、兩邊涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成，如圖。電樞鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心較長時，為加強冷卻，可把電樞鐵心沿軸向分成數段，段與段之間留有通風孔。3、轉子（電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風扇等）49單片電樞鐵芯圖電樞鐵芯示意圖52（2）電樞繞組作用：是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的主要部分。結構：由一定數目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（如圖），并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。電樞繞組圖電樞繞組裝配圖-1電樞繞組裝配圖-2電樞繞組放置原理圖-1電樞繞組放置原理圖-2電樞繞組放置原理圖-3電樞繞組放置原理圖-4電樞繞組放置原理圖-5電樞繞組放置原理圖-6電樞繞組展開原理圖-1電樞繞組展開原理圖-2電樞繞組展開原理圖-3電樞繞組展開原理圖-466（3）換向器作用：將電刷上的直流電與電樞繞組中的交流電進行轉換。結構：由多個緊壓在一起的楔形銅片（換向片）構成的一個圓筒，片與片之間用一層薄云母絕緣，電樞繞組各元件的始端和末端與換向片按一定規(guī)律連接，如圖所示。換向器與轉軸固定在一起。換向器示意圖換向器原理圖換向器70為了使電機能夠運轉，定子和轉子之間要留有一定大小的間隙，此間隙稱為氣隙，它是主磁路的一部分。小容量電機的氣隙約為1mm~3mm，大容量電機的氣隙可達10mm~12mm。氣隙的長度對電機運行性能影響很大。4、氣隙轉子結構圖-1轉子結構圖-2直流電機的轉子75三、直流電機的銘牌數據1、額定數據（1）額定功率PN：是指電機的輸出功率，對發(fā)電機系指出線端輸出的電功率，。對電動機系指轉軸上輸出的機械功率，。單位為W或kW。（2）額定電壓UN：是指在額定工作條件下，電機出線端的平均電壓。對于電動機是指輸入額定電壓，對于發(fā)電機是指輸出額定電壓。單位為V。（3）額定電流IN：是指電機在額定電壓下，運行于額定功率時的電流值。單位為A。（4）額定轉速nN：是指對應于額定電壓、額定電流、電機運行于額定功率時所對應的轉速。單位為r／min。此外，還有額定效率、額定溫升、額定轉矩等。Z2-72”表示直流電動機、第二次改進設計型，“7”表示機座號，7后面的2表示長鐵芯（2號表示長鐵芯，1號表示短鐵芯）。772、電機型號以Z打頭，后跟數字或字母。數字和字母的含義可參考相關手冊。

如Z4-12：Z-直流電機4-第四次改型1-1號座機2-長鐵心國產直流電機主要系列產品Z2系列一般用途中小型Z和ZF系列一般用途大中型電動、發(fā)電ZT系列恒功調速范圍廣拖動ZZJ系列冶金起重ZQ系列直流牽引ZH系列船用ZA系列防爆安全ZU系列龍門刨床ZKJ系列冶金、礦山挖掘機用79直流電機§2-2直流電機的電樞繞組一、直流電機電樞繞組類型1、單疊繞組2、單波繞組3、復疊繞組：二個以上單疊繞組并列構成4、復波繞組：二個以上單波繞組并列構成5、混合繞組80一、電樞繞組的基本知識? 電樞繞組— 電磁感應的關鍵部件之一-直流電機的電路部分繞組實物圖? 對電樞繞組的要求?通過規(guī)定的電流?產生足夠的電勢和電磁轉矩?消耗的有效材料最省?強度高（機械、電、氣、熱）?運轉可靠?結構簡單§2 直流電機的電樞繞組一、有關技術名詞極軸線它是將主磁極平分左右兩部分的直線。極軸線幾何中線n—n它是在相鄰兩極軸線之間，并且與這兩極軸線等距離的直線。τnn.82元件邊（元件有效邊）：元件的放在電樞鐵心槽內的邊，如a1b1（第一元件邊）

，a2b2（第二元件邊）

。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用τ表示。一個磁極在圓周所占距離，槽數直流電機NSa1b1a2b2c1d1c2d2mnτ元件首端，元件末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，如c1d1

，另一根稱為末端，如c2d2

。每個主磁極在電樞表面占據的距離或相鄰兩主極間的距離，用所跨弧長或該弧長所對應的槽數來表示)。設電機的極對數為p,電樞外徑為Da，則

τ=πDa/2p

(弧長)

或

τ=Z/2p

(槽數)端接部分：連接元件二個有效邊的導線，a1ma2

，b1nb2

。繞組元件繞組元件簡稱元件，又稱為線圈。它有兩個平行邊為有效邊，是放在電樞槽中，切割磁通用。繞組元件可以是單匝，也可以是多匝。單匝多匝繞組所有線圈（元件）按一定規(guī)律連接起來就構成繞組。雙層繞組一個電樞槽分為上下兩層。將一個線圈的兩個邊分別放在電樞槽的上層和下層而形成的繞組稱為雙層繞組。9.第一節(jié)距y1它是同一元件的第一元件邊(上層邊)和第二元件邊(下層邊)在電樞表面所跨的距離。單位：槽數。y1選取的原則為：應使元件產生最大電動勢。故y1=τ。槽總數.y1第二節(jié)距y2它是第一元件的第二元件邊（下層邊）與緊相串聯(lián)的第二元件的第一元件邊（上層邊）在電樞表面所跨的距離。單位：槽數。y2合成節(jié)距y相串聯(lián)的兩個元件的對應邊在電樞表面所跨的距離，稱為合成節(jié)距。合成節(jié)距用y表示，也用槽數計算。波繞和疊繞、單繞組和復繞組之間的差別，主要表現在合成節(jié)距上。所謂疊繞組是指：各磁極下的元件依次相連，后一個元件總是“疊”在前一個元件上。波繞組是指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，像波浪一樣向前延伸。疊撓和波繞這兩種聯(lián)法，都能保證相串聯(lián)的元件其電動勢方向相同而不互相抵消。對疊繞組y=y1-y2對波繞組y=y1+y2y換向器節(jié)距yk或yc在換向器表面上，同一個元件的兩個出線端所接的兩個換向片之間所跨的距離，稱為換向器節(jié)距。換向器節(jié)距用yk表示，其大小用換向片數計算．或由于元件數等于換向片數，每連接一個元件時，元件邊在電樞表面前進的距離，應當等于其出線端在換向器表面所前進的距離，所以換向器節(jié)距應當等于合成節(jié)距，即yk=yyk88繞組示意圖波繞組示意圖疊繞組示意圖直流電機元件邊在槽內的放置情況一個電樞槽內放二個元件邊一個電樞槽內放多個元件邊89

單疊繞組的連接特點是一個元件的二個端子連接于相鄰的二個換向片上，前一元件的末端與與其相鄰的后一元件的首端連在一起，并接在同一換向片上，最后一個元件的末端與第一個元件的首端連在一起，形成一個閉合回路。這樣相鄰元件(線圈)相互疊壓，使得換向節(jié)距為1，即：。直流電機1、單疊繞組的連接特點三、單疊繞組90二、單疊繞組?單：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度?疊：兩個相鄰的元件，后一元件的端部緊疊在前一元件的端部? 特點：槽數Z、元件數S和換向片數K三者相同y=yk=191直流電機2、單疊繞組的展開圖一臺直流電動機的繞組數據為:p=2,槽數Q=16,元件數S=16，換向片數K=16；取元件跨距為4個槽,即第一節(jié)距y1=4，換向節(jié)距yc=1929394第二節(jié)直流電機的電樞繞組二、單疊繞組2、畫槽，編號，畫繞組及換向片?用y1畫出一個元件，推而廣之?繞組端部對稱?

繞組放置規(guī)則：元件1：上元件邊在1槽，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層元件2：上元件邊在2槽，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推…9596979899磁弧系數、磁短路10010110212316123456789101112131416154567891011121314161514ττττS2N1S1N2S2151、單疊繞組的展開圖12316123456789101112131416154567891011121314161514ττττ電樞轉向S2N1S1N2S215A1A2B1B2B212316123456789101112131416154567891011121314161514S2N1S1N2S215A1A2B1B2B223478610111214161551391A1A2B1B2121096513142、單疊繞組的元件聯(lián)結次序3、單疊繞組的并聯(lián)支路圖單疊繞組并聯(lián)支路對數等于電機的極對數，即：23478610111214161551391A1A2B1B212109651314下層元件邊上層元件邊1345678910111213141615678910111213141615123451閉合2上圖所示繞組左移1個槽距時電刷間線圈變化情況?？梢钥闯觯弘娝㈤g的線圈號在變化，但結構不變，即電刷間的線圈是偽靜止的.23478610111214161551391A1A2B1B21210965131434589711121315116614102A1A2B1B2231110761415第108頁確定電刷放在換向器上位置的原則是：空載時正、負電刷之間獲得最大電動勢，這時被電刷短路的元件電動勢為零。

109110把在磁場中位置差不多的對應元件串聯(lián)起來,這兩個元件相距大約2，連接成整體后有如波浪形，故稱波繞組。如圖。單波繞組繞電樞一周后，經過p對磁極，就有p個元件串聯(lián)起來，每個元件在換向器上跨過yc個換向片，總的所跨換向片數為pyc個。直流電機1、單波繞組的連接特點四、單波繞組1111121131141151161314151234567891011131212345678910111213151414NSNSττττ+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414NSNSττττ+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414NττττSNS+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414ττττSNSN+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414ττττSNSN+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414ττττSNNS+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414ττττSNSN+_++_A2A1B1B21314151234567891011131212345678910111213151414ττττSNSN+_++_A2A1B1B2電樞轉向2、單波繞組的元件聯(lián)結次序3、單波繞組的并聯(lián)支路圖單波疊繞組并聯(lián)支路對數與電機極對數無關，下層元件邊上層元件邊12345689101112135678910111213141512341閉合15714234761011121415B1A1A2895413912815B2115127128129130直流電機§2-3直流電機的勵磁方式及磁場一、直流電機的勵磁方式主磁場：在直流電機中，由磁極的勵磁磁動勢單獨建立的磁場是電機的主磁場，有時也稱為勵磁磁場。勵磁方式：直流電機勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接。131直流電機1、他勵直流電機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電，勵磁電壓Uf與電樞電壓Ua彼此無關。? 他勵式- 勵磁繞組由其他電源供電勵磁繞組與電樞繞組不相連- 缺點：要兩個電源132直流電機2、并勵直流電機勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由同一電源供電，勵磁電壓Uf等于電樞電壓Ua，如圖所示。并勵電動機的運行性能與他勵電動機相似。? 并勵式- 由同一電源供電- 勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)- 最常用的133直流電機3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后再接于直流電源，此時的電樞電流就是勵磁電流，即Ia=If。? 串勵式- 由同一電源供電- 勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)134直流電機4、復勵直流電機電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。并勵繞組與電樞繞組并聯(lián)后再與串勵繞組串聯(lián)，然后接于電源上。根據兩個勵磁繞組所產生的磁動勢的關系，又可分為積復勵和差復勵：當串勵繞組和并勵繞組所產生的磁動勢方向一致時，二個磁動勢互相疊加，稱為積復勵；反之，叫做差復勵。? 復勵式- 由同一電源供電- 裝有兩個勵磁繞組與電樞繞組有串聯(lián)有并聯(lián)135直流電機空載情況下，氣隙磁場只由主磁極的勵磁電流If所建立，也就是說直流電機空載磁場是指勵磁磁勢單獨建立的磁場，所以又稱勵磁磁場。即空載時的氣隙磁場=勵磁磁場=空載磁場直流電機二、直流電機的空載磁場1、空載發(fā)電機出線端沒有電流輸出，電動機軸上不帶機械負載，即電樞電流等于或接近零的狀態(tài)。2、空載磁場136直流電機主磁通：經過主磁極、氣隙、電樞鐵心及機座構成磁回路。它同時與勵磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應電動勢和產生電磁轉矩，稱為主磁通。漏磁通：僅交鏈勵磁繞組本身，不進入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應電動勢及產生電磁轉矩，稱為漏磁通。

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%。?

主磁通通過氣隙- 交連定轉子- 在電樞繞組中感應電動勢- 或產生電磁轉矩?

漏磁通不通過氣隙- 只交連定轉子單方- 浪費磁勢- 大約是主磁通的20%137直流電機直流電機的空載磁場特點1—極靴；2—極身；3—定子磁軛；4—勵磁線圈；5—氣隙；6—電樞齒；7—電樞磁軛138氣隙磁密分布：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。

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。

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波直流電機氣隙磁密波形?

空載時，磁動勢主要消耗在氣隙上? 忽略鐵心磁阻時，氣隙磁密的分布就取決于氣隙的大小和形狀?

平頂波139

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。如右圖所示。所以電機磁化曲線的形狀必然和所采用的鐵磁材料的B-H曲線相似。直流電機電機磁化曲線：? 為了合理地利用材料，一般額定運行點設定在拐點（圖中A點）》 空載特性? 空載氣隙磁通與空載勵磁電流的關系-磁化曲線140三、直流電機的負載磁場

直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現使電機的磁場發(fā)生變化。

1、電樞磁動勢直流電機2、電機的氣隙磁場負載時電機中的氣隙磁場由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。141電機帶上負載后，電樞磁動勢的作用會使電機的氣隙磁場與空載是相比，分布情況和大小都發(fā)生變化，影響電機的運行性能。電樞磁動勢對勵磁磁動勢所產生的氣隙磁場的影響稱為電樞反應。

3、電樞反應直流電機4、電樞磁場（1）電刷在幾何中線上時的電樞磁場142直軸：與主極軸線重合的軸交軸：與主極軸線正交的軸143直流電機（2）一個元件產生的電樞磁動勢144直流電機（3）均勻分布在電樞鐵心表面的元件產生的電樞磁動勢以一個磁極下有三個元件邊為例145直流電機（4）電樞磁動勢和磁密的計算設N為電樞繞組的總導線數；S為元件數；τ為極距；p為極對數，Da電樞直徑，則階梯級數為則階梯波或三角波形的幅值為：式中N=2SNy；2pτ=πDa146磁密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。直流電機147直流電機5、合成氣隙磁場（a）主極磁場（b）電樞磁場（c）合成磁場SN148負載后電機的磁場主磁場分布+電樞磁場分布149電樞磁場磁通密度分布曲線主磁場的磁通密度分布曲線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直流電機1501)、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α角，磁通密度的曲線與空載時不同。

2)、對主磁場起去磁作用

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。直流電機6、合成氣隙磁場的特點151直流電機§2-4直流電機的基本方程一、感應電動勢設嵌在電樞槽內導體的有效長度為l，切割磁通的相對速度為ν，用Bx表示任一導體所在處的磁通密度，則該導體的感應電動勢為：設電樞繞組總導體數為N，并聯(lián)支路數為2a（波繞組a=1），則電樞正負電刷引出的電動勢為：152

B(x)11N 2aBav

Bav

lBavNL平均磁通密度τ153直流電機以單疊繞組為例，一條支路串聯(lián)了一個極下的所有導體，設導體沿電樞表面在極下連續(xù)分布，如圖。則為Bx包圍的面積之和，也就是一個極下的磁密之和。設平均磁密所以有：154直流電機為電動勢常數

其中：

D n 2p6060n155直流電機若不計飽和影響，磁通與勵磁電流If的關系可表示為：Kf—比例常數。感應電動勢的計算公式為：式中：156? 電機的電勢系數只與電機本身的參數有關? a為并聯(lián)支路對數，對于單疊繞組：a=p;對于單波繞組：a=1? 注意轉速的單位：r/min公式說明：E

pNn

Cn60aa e157直流電機的感應電動勢》 直流電機電動勢的性質：? 直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關? 發(fā)電機——是電源電勢（與電樞電流同方向）? 電動機——是反電勢（與電樞電流反方向）158直流電機二、電磁轉矩設嵌在電樞槽內導體的有效長度為l，Bx表示任一導體所在處的磁通密度，ia為導體中流過的電流，則該導體所受的電磁力為：設電樞繞組總導體數為N，一個極面下的導體數為N/(2p)，并聯(lián)支路數為2a（波繞組a=1），電樞總電流為Ia，有：則一個極面下所有導體所受的電磁力為：159直流電機為轉矩常數電樞共2p個磁極，故電樞上總的電磁力為：設D為電樞直徑，且有則電磁轉矩為：160直流電機若不計飽和影響，電磁轉矩的表達式為：161直流電機的電動勢和電磁轉矩公式的關系1、Ce和CT的關系Ea

Cen什么關系？？？Tem

CTIa- n:r/min- Ω：rad/s–國際單位- 關系：Ω

n2

2

n60 60162Tem

CTIa2

aa 直流電機的電動勢和電磁轉矩公式的關系1、Ce和CT的關系E

pN Ω

CTΩ》 結論：Ce和CT是一回事，單位不同而已163Tem

CTIa

kIa直流電機的電動勢和電磁轉矩公式的關系2、進一步說明了直流電機的可逆運行原理Ea

CTΩ

kΩ》 說明：電機做好以后，如果磁場一定，出力的能力就一定了Ω→ EaIa→ Tem164直流電機的電動勢和電磁轉矩公式的關系3、說明了能量轉換的本質》 公式說明：只要有轉速，就有電勢只要有電流，就有轉矩》 結論：（1）不管是發(fā)電機還是電動機，電勢和轉矩是同時存在的（2）說明了能量的轉換關系：Pem

TΩEaIa

kΩIa165直流電機三、電磁功率從電磁角度看，電動機（或發(fā)電機）通過電磁感應作用，從電源吸?。òl(fā)出）電磁功率EaIa；從機械角度看，在電動機中，TemΩ為電動機的電磁轉矩，為機械負載所作的機械功率，而在發(fā)電機中TemΩ為原動機克服制動電磁轉矩所需電機的機械功率；無論電動機還是發(fā)電機，電功率轉換為機械功率或機械功率轉換為電功率的這部分功率為EaIa或TemΩ

，稱為電磁功率。166直流電機四、直流電機的基本方程式1、電動勢平衡方程式（1）他勵直流電動機電動勢平衡方程穩(wěn)態(tài)運行時，帶時間的常量為零，上式變?yōu)椋?67直流電機（2）他勵直流發(fā)電機電動勢平衡方程穩(wěn)態(tài)運行時，上式變?yōu)椋?68直流電機2、轉矩平衡方程式（1）直流電動機轉矩平衡方程穩(wěn)態(tài)運行時：TemT0注意：電動機情況下，電磁轉矩是一個驅動轉矩！-電磁轉矩-機械負載轉矩T2-機械摩擦等引起的空載轉矩慣性轉矩169直流電機（2）直流發(fā)電機轉矩平衡方程穩(wěn)態(tài)運行時：? 注意：發(fā)電機情況下，電磁轉矩是一個制動轉矩-原動機給發(fā)電機的驅動轉矩T1-電磁轉矩- 機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩T0注意：總是與n反向的170直流電機3、功率平衡方程式（1）直流電動機功率平衡方程電磁功率并不能全部用來輸出，它的一部分是運行時的機械損耗pmec、鐵損pFe和附加損耗pΔ，剩下的部分才是軸上對外輸出的機械功率P2。直流電動機工作時，從電網吸取電功率P1=UaIa，除去消耗在電樞繞組電阻的損耗pcua=Ia2Ra

，稱為電樞銅耗；消耗在電刷與換向器接觸電阻中的電功率Pc=2ΔUcIa稱為電刷接觸損耗；兩者合稱負載損耗（可變損耗）；其余部分轉變?yōu)殡姌猩系碾姶殴β蔖em=EaIa。有：171直流電機機械損耗pmec、鐵損pFe和附加損耗pΔ為空載時的損耗，它們合起來稱為空載損耗（不變損耗），有表示p0，與空載損耗對應的轉矩為空載轉矩T0

。有：所以：所以：其中：172直流電機功率圖：173直流電機（2）直流發(fā)電機功率平衡方程直流電動機工作時，從軸上吸收機械功率P1=T1Ω，功率圖174直流電機功率平衡方程可由電動勢平衡方程和轉矩平衡方程推導出來，以電動機為例：[1]式二邊同乘Ia，[2]式二邊同乘Ω，上式變?yōu)椋杭矗弘姍C效率：175直流電動機的工作特性：是指在端電壓U=UN，電樞回路無外加電阻(R=Ra)，勵磁回路電流If=IfN時，電動機的轉速n、電磁轉矩Tem和效率隨輸出功率變化而變化的關系。直流電機§2-5直流電機的運行特性一、直流電動機運行特性在實際運行中，電樞電流Ia可直接測量，并且Ia隨P2的增大而增大，兩者增大的趨勢相差不多，故往往將工作特性表示為n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、η=f(Ia)。176直流電機1、直流電動機基本方程177直流電機2、并勵直流電動機工作特性（1）轉速特性理想空載轉速轉速特性斜率轉速特性是指在Ua=UN，勵磁電流If=IfN

，電樞回路不串電阻時，電動機的轉速與電樞電流之間的關系，n=f(Ia)。178直流電機（2）轉矩特性在Ua=UN，勵磁電流If=IfN

，電樞回路不串電阻時，電動機的電磁轉矩與電樞電流之間的關系，Tem=f(Ia)。電磁轉矩和電樞電流成正比，兩者為一條過原點的直線。在實際的情況下，電樞電流較大時，電樞反應的去磁作用使實際轉矩特性偏離直線。179直流電機（3）效率特性在Ua=UN，勵磁電流If=IfN

，電樞回路不串電阻時，電動機的效率與電樞電流之間的關系，η=f(Ia)。銅耗：電樞銅耗和電刷接觸損耗是隨電樞電流而變化的是可變損耗；鐵耗：包含磁滯損耗和渦流損耗，與轉速n和磁密以及磁通交變頻率有關，在轉速和磁密變化不大的情況下，這里可認為是不變；機械損耗：軸承及電刷的摩擦損耗，與轉速有關，當轉速變化不大時，認為不變；附加損耗：又稱雜散損耗，取電動機額定功率的1%或0.5%?！苝:180直流電機可見，效率是電樞電流的二次曲線，有一個極值，此處為極大值，即電動機在某一處負載處效率最高。得：當電動機的不變損耗等于可變損耗中的平方項時，電動機的效率最高。181直流電機3、串勵直流電動機工作特性（1）轉速特性可見，串勵電動機的轉速特性近似為一條雙曲線。具有這種特性的原因是電樞電流與勵磁電流為同一電流。182直流電機（2）轉矩特性為一條拋物線（3）效率特性與并勵機相似。注意：串勵電動機不允許在空載或負載很小的情況下運行，否則容易引起“飛車”事故。在同樣的起動電流下能得到比并勵電動機更大的起動轉矩。即起動性能好。183直流電機4、復勵直流電動機工作特性復勵電動機通常接成積復勵，它的工作特性介乎并勵與串勵電動機的特性之間。如果并勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近并勵電動機；如果串勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近串勵電動機。因為有并勵磁動勢的存在，空載時沒有飛車的危險，復勵電動機的轉速特性如圖所示。1-并勵，2-復勵，3-串勵184直流電機5、他勵直流電動機工作特性與并勵直流電動機工作特性相同。185直流電機6、例題eg1:一臺他勵直流電動機的額定數據為：PN=1325kW，UN=750v，IN=1930A，nN=200r/min，電樞繞組的電阻Ra=0.0161Ω，電刷接觸壓降2ΔUc=2v。設電動機原來在轉速200r/min和額定負載下運行，在總的制動轉矩（包括損耗轉矩）不變情況下，試求：（1）在電樞回路中突然串入電阻RΩ=0.743Ω，在串入電阻的最初瞬間和達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉速分別是多少？（2）減少電動機的勵磁電流，使磁通Φ減少10%，當達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉速各為多少？186直流電機二、直流發(fā)電機的特性1、空載特性（開路特性）（1）含義：空載特性是指發(fā)電機的轉速n=nN，輸出端開路，負載電流I=0（Ia=0）時，電樞端電壓與勵磁電流之間的關系，即：U0=?（If0）（2）測量接線圖187發(fā)電機空載特性直流電機

實驗時一定要單方向改變勵磁回路電阻測取數據，在測取的數據中應包含額定點，電壓可測取到U0=±（1.1~1.3）UN為止，線性部分測取的數據可稀疏一些，非線性部分測取的數據可密集一些，這樣得到的曲線較準確。實驗可測取上、下兩個分支曲線，一般取平均值作為空載特性曲線，如圖中虛線所示。另外，特性曲線與轉速有關，實驗時一定要保持額定轉速。188結論：空載特性曲線的形狀與電機磁化曲線相同，只不過改變一下坐標的比例即可。可見，發(fā)電機的空載特性表明的是電機的磁路特性。直流電機（3）特點分析189

直流電機2、并勵和復勵發(fā)電機空載電壓的建立并勵機要在空載時建立電壓，電機磁路中必須有一定剩磁，當發(fā)電機由原動機拖動至額定轉速時，發(fā)電機兩端將發(fā)出一個數值不大的剩磁電壓。而勵磁繞組又是接到電樞兩端的，于是在剩磁電壓的作用下，勵磁繞組將流過一個不大的電流，電樞繞組切割剩磁產生一個不大的剩磁電動勢E0r。如果勵磁繞組與電樞兩端并聯(lián)的極性正確，即勵磁繞組磁動勢的方向和電機的剩磁磁動勢的方向相同，則氣隙磁場得到加強，電樞繞組中的電動勢又因氣隙磁場加強而增加，勵磁電流也相應增加，導致磁通的進一步增加，繼而電樞端電壓又進一步加大。如此反復作用下去，發(fā)電機的端電壓便自動建立起來。這就是發(fā)電機自勵過程。（1）空載電壓建立過程190直流電機（2）空載電壓建立電路圖191直流電機（3）空載電壓建立的穩(wěn)態(tài)工作點192①電機必須有剩磁，否則應利用其它直流電源對其充磁；②勵磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵磁電流產生的磁通方向與剩磁方向一致，否則將勵磁繞組與電樞出線端的連接對調，或者將電樞反轉；③勵磁回路總電阻應小于該轉速下的臨界電阻。直流