第三章直流電機(jī)

第三章直流電機(jī)直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與直流電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。直流發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，直流電動(dòng)機(jī)把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和起動(dòng)性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、軋鋼機(jī)、無軌電車等對調(diào)速性能要求高的場合。直流發(fā)電機(jī)主要用作直流電源，供電質(zhì)量好，一般用于電鍍、電解及交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)等。

3.1直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)和額定值一、直流電機(jī)的工作原理1、直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖3.1是直流發(fā)電機(jī)的原理模型圖3.1直流發(fā)電機(jī)原理模型

1-磁極2-電樞3-換向器4-電刷在圖3.1所示瞬間，感應(yīng)電動(dòng)勢方向如圖所示，這時(shí)電刷A呈正極性，電刷B呈負(fù)極性。當(dāng)線圈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，導(dǎo)體cd位于N極下，導(dǎo)體ab位于S極下，兩導(dǎo)體中的電動(dòng)勢都改變了方向。但由于換向片隨著線圈一同旋轉(zhuǎn)，本來與電刷B相接觸的換向片，現(xiàn)在與電刷A接觸；原來與電刷A相接觸的換向片與電刷B接觸，電刷A仍呈正極性，電刷B仍呈負(fù)極性。可以看出，與電刷A接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于S極下。因此，電刷A始終為正極性，電刷B始終為負(fù)極性，電刷兩端能引出方向不變的電壓。線圈abcd切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由右圖可以看出：換向器使線圈內(nèi)的交變感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)變?yōu)殡娝啥说闹绷麟妷?，該直流電壓有較大的脈動(dòng)。在實(shí)際電機(jī)中，電樞上線圈數(shù)很多，并按照一定的規(guī)律連接起來，可使電壓脈動(dòng)較小以獲得波形較好的直流電壓。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。圖3.2氣隙磁密、線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢和電刷之間的電壓2、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖3.3所示為直流電動(dòng)機(jī)的原理模型。與圖3.1不同的是：線圈沒有原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電刷A、B接至直流電源，線圈abcd中有電流流過，電流的方向如圖3.3所示。載流導(dǎo)體受到的電磁力為：

圖3.3直流電動(dòng)機(jī)原理模型

1-磁極2-電樞3-換向器4-電刷導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。在圖3.3所示瞬間，導(dǎo)體ab的受力方向是從右向左，導(dǎo)體cd的受力方向是從左向右，都產(chǎn)生逆時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩，使電樞沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180o后，導(dǎo)體cd在N極下，導(dǎo)體ab在S極下，直流電源供給的電流方向不變，但線圈內(nèi)電流方向發(fā)生了變化，導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢?dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向，使線圈繼續(xù)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。因此，由于換向器的作用，直流電流交替地由導(dǎo)體ab和cd流入，使處于N極下的線圈邊中電流的方向總是由電刷A流入，而處于S極下的線圈邊中電流的方向總是從電刷B流出，從而產(chǎn)生方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。3、直流電機(jī)的可逆運(yùn)行從上述電磁現(xiàn)象可以看出，直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，電刷端輸出直流電壓，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；反之，如在電刷端加直流電壓，將電能輸入電機(jī)，從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載工作，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。同一臺電機(jī)既能作發(fā)電機(jī)又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，稱為電機(jī)的可逆運(yùn)行。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，圖3.4是一臺小型直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3.4直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖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—電樞鐵心直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由靜止的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定、轉(zhuǎn)子之間有一間隙，稱為氣隙。

直流電機(jī)的定子，主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等組成。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)主磁極在直流電機(jī)中，主磁極由磁極鐵心和勵(lì)磁繞組組成，其作用是在氣隙內(nèi)產(chǎn)生氣隙磁場。圖3.5是主磁極的裝配圖。各主磁極上勵(lì)磁繞組的連接必須使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁極呈N、S極交替排列。

圖3.5直流電機(jī)的主磁極1—主極鐵心2—?jiǎng)?lì)磁繞組直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

換向極功率在1kW以上的直流電機(jī)，通常要在相鄰兩主磁極之間裝設(shè)換向極，又稱附加極或間極，其作用是改善換向。換向極也由鐵心和繞組構(gòu)成，如圖3.6所示。鐵心一般用整塊鋼或薄鋼板加工而成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。圖3.6直流電機(jī)的換向極直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)座機(jī)座有兩方面的作用：一是導(dǎo)磁，二是作機(jī)械支撐。

電刷裝置電刷裝置是將直流電流引入或引出的裝置，如圖3.7所示。電刷組的數(shù)目可以用電刷桿數(shù)表示，電刷桿數(shù)與電機(jī)的主磁極數(shù)相等。圖3.7電刷裝置直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)電樞鐵心電樞鐵心有兩方面作用：一是作為主磁路的一部分，二是用于嵌放電樞繞組。電樞繞組

電樞繞組由許多線圈按一定規(guī)律排列和連接而成，是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用絕緣圓形線或扁銅線繞制而成，也稱為元件。電樞線圈嵌放在電樞鐵心的槽中，每個(gè)元件有兩個(gè)出線端。所有元件按一定規(guī)律連接，就構(gòu)成電樞繞組。圖3.8

直流電機(jī)的電樞

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)換向器

換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為電刷兩端的直流電動(dòng)勢；在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。換向器安裝在轉(zhuǎn)軸上，如圖3.9所示，由許多換向片組成，換向片之間用云母進(jìn)行絕緣，換向片數(shù)與元件數(shù)相等。圖3.9換向器直流電機(jī)的額定值直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若各物理量都與額定值相同，稱為額定運(yùn)行狀態(tài)或額定工況。額定功率（W或kW）指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的輸出功率。對于電動(dòng)機(jī)，是指軸上輸出的機(jī)械功率；對于發(fā)電機(jī)，是指線端輸出的電功率額定電壓（V）指額定狀態(tài)下電樞兩端的電壓額定電流（A）指電機(jī)在額定電壓下輸出額定功率時(shí)的電流額定轉(zhuǎn)速（r/min）指電機(jī)在額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速額定勵(lì)磁電壓（V）(僅對他勵(lì)電機(jī))指額定狀態(tài)下的勵(lì)磁電壓

直流電機(jī)的額定值有些物理量雖然不標(biāo)在銘牌上，但它們也是額定數(shù)據(jù)，如額定轉(zhuǎn)矩、額定效率等。直流發(fā)電機(jī)的額定功率為直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為

式中，為直流電動(dòng)機(jī)的額定效率電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩用表示，為

上面三式中，的單位都是W，的單位為r/min，的單位為。此式不僅適用于直流電動(dòng)機(jī)，也適用于交流電動(dòng)機(jī)。3.2直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組的基本概念電樞繞組的節(jié)距單疊繞組

單波繞組

電樞繞組的基本概念電樞繞組由許多形狀完全相同的元件（也稱為線圈）按一定規(guī)律排列和連接而成。每個(gè)元件有兩個(gè)出線端，一個(gè)稱為首端，另一個(gè)稱為末端。同一個(gè)元件的首端和末端分別接到兩個(gè)不同的換向片上。同一個(gè)換向片上，連有一個(gè)元件的首端和另一個(gè)元件的末端。因此，電樞繞組的元件數(shù)等于換向片數(shù)，即，其中

為換向片數(shù)，為元件數(shù)。每個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，一個(gè)元件邊放在某一個(gè)槽的上層，稱為上層邊，另一個(gè)元件邊放在另一個(gè)槽的下層，稱為下層邊，所以直流電機(jī)的繞組一般都是雙層繞組。電樞繞組的基本概念在直流電機(jī)中，常在每個(gè)槽的上、下層各放置若干個(gè)元件邊。為了確切地說明每個(gè)元件邊所處的具體位置，引入了“虛槽”的概念。設(shè)槽內(nèi)每層有個(gè)元件邊，則每個(gè)實(shí)際槽包含個(gè)“虛槽”，每個(gè)虛槽的上、下層各有一個(gè)元件邊。若用代表槽數(shù)，代表虛槽數(shù)，則直流電機(jī)的電樞繞組有疊繞組、波繞組和混合繞組三種。疊繞組又分為單疊繞組和復(fù)疊繞組，波繞組也有單波繞組和復(fù)波繞組之分，其中單疊繞組和單波繞組是電樞繞組的基本形式。電樞繞組的節(jié)距第一節(jié)距一個(gè)元件的兩個(gè)元件邊在電樞表面所跨的距離（即跨距）稱為第一節(jié)距，如圖3.10所示。用所跨虛槽數(shù)表示。選擇時(shí)盡量讓元件中感應(yīng)電動(dòng)勢最大，即

應(yīng)等于或接近于一個(gè)極距。極距定義為

由于不一定能被極數(shù)整除，而又必須為整數(shù)，可使

式中為小于1的分?jǐn)?shù)。稱為整距繞組，稱為長距繞組,稱為短距繞組。因短距繞組有利于換向，對于疊繞組還可節(jié)約端部用銅，故常被采用。

電樞繞組的節(jié)距第二節(jié)距

第二節(jié)距是連至同一個(gè)換向片的兩個(gè)元件邊之間的距離，如圖3.10所示。用所跨虛槽數(shù)表示。合成節(jié)距

緊接著串聯(lián)的兩個(gè)元件的對應(yīng)邊之間在電樞表面所跨的距離，稱為合成節(jié)距，用虛槽數(shù)表示。不同類型繞組的差別主要表現(xiàn)在合成節(jié)距上。由圖3.10知：

對于疊繞組，有

對于波繞組，有

電樞繞組的節(jié)距換向器節(jié)距

同一元件首、末端所連兩個(gè)換向片之間所跨的距離稱為換向器節(jié)距，用換向片數(shù)表示。換向器節(jié)距等于合成節(jié)距。

圖3.10

繞組的節(jié)距

單疊繞組單疊繞組的連接規(guī)律是：所有相鄰元件依次串聯(lián)，后一個(gè)元件的首端與前一個(gè)元件的末端連在一起并接到同一個(gè)換向片上，最后一個(gè)元件的末端與第一個(gè)元件的首端連在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。單疊繞組的合成節(jié)距等于一個(gè)虛槽，換向器節(jié)距等于一個(gè)換向片，即

式中，“+1”或“-1”表示每串聯(lián)一個(gè)元件就“向右”或“向左”移動(dòng)一個(gè)虛槽或一個(gè)換向片，分別稱為右行繞組和左行繞組。左行繞組中，元件接到換向片的連接線互相交錯(cuò)，用銅較多，故很少采用。通常采用右行繞組。

單疊繞組下面以，，為例，說明單疊繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。繞組展開圖

繞組元件連接順序圖繞組電路圖

單疊繞組的特點(diǎn)

繞組展開圖

計(jì)算各節(jié)距

第一節(jié)距為

合成節(jié)距和換向器節(jié)距為

第二節(jié)距為繪制繞組展開圖

所謂繞組展開圖就是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開，并展開成平面的連接圖。作圖步驟如下：繞組展開圖第一步，先畫16根等長等距的實(shí)線，代表各槽上層元件邊；再畫16根等長等距的虛線，代表各槽下層元件邊，虛線與實(shí)線靠近。畫16個(gè)小方塊代表換向片，并編號。為了繪圖方便，使換向片寬度等于槽與槽之間的距離。為了便于連接，將元件、槽和換向片按順序編號，編號時(shí)令元件號、元件上層邊所在槽的編號以及元件上層邊相連接的換向片號相同，即1號元件的上層邊放在1號槽內(nèi)并與1號換向片相連接。第二步，放置主磁極。讓每個(gè)磁極的寬度大約等于，4個(gè)磁極均勻放置在電樞槽之上，并標(biāo)上N、S極性。假定N極的磁力線進(jìn)入紙面，S極的磁力線從紙面穿出。繞組展開圖第三步，將1號元件的上層邊放在1號槽（實(shí)線）并與1號換向片相聯(lián)，其下層邊放在第5號槽（

）的下層（虛線）；因，所以1號元件的末端應(yīng)連接在2號換向片上（

）。然后將2號元件的上層邊放入2號槽的上層（

），下層邊放在6號槽的下層（

），2號元件的上層邊連在2號換向片上，下層邊連在3號換向片上。按此規(guī)律連接，一直把16個(gè)元件都連起來為止，并構(gòu)成一條閉合回路。繞組展開圖第四步，放置電刷。假設(shè)電刷的寬度等于換向片的寬度，將四組電刷、、、均勻地布置在換向器表面。放置電刷的原則是，要求正、負(fù)電刷之間得到最大的感應(yīng)電動(dòng)勢，同時(shí)被電刷所短路的元件中感應(yīng)電動(dòng)勢最小，這兩個(gè)要求實(shí)際上是一致的。由于每個(gè)元件的幾何形狀對稱，如果把電刷的中心線對準(zhǔn)主極的中心線，就能滿足上述要求。圖3.11中，被電刷所短路的元件正好是1、5、9、13，這幾個(gè)元件中的電動(dòng)勢恰為零。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷靜止不動(dòng)、電樞旋轉(zhuǎn)，但被電刷所短路的元件總是處于兩個(gè)主磁極之間的地方，其感應(yīng)電動(dòng)勢為零。繞組展開圖圖3.11

單疊繞組展開圖

繞組元件連接順序圖繞組元件連接順序圖用來表示電樞上所有元件邊的串聯(lián)次序。根據(jù)圖3.11可以畫出繞組元件連接順序圖，如圖3.12所示。每根實(shí)線所連接的兩個(gè)元件邊構(gòu)成一個(gè)元件，兩元件之間的虛線則表示通過換向片把兩元件串聯(lián)起來?？梢钥闯觯瑥牡?元件出發(fā)，連接完16個(gè)元件后又回到第1元件，整個(gè)繞組是閉合的。

圖3.12

單疊繞組元件連接順序圖繞組電路圖在圖3.11所示的瞬間，根據(jù)電刷之間元件連接順序，可以得到如圖3.13所示的電樞繞組電路圖?？梢钥闯觯姌欣@組由4條并聯(lián)支路組成。上層邊處在同一極下的元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同，串聯(lián)起來通過電刷構(gòu)成一條支路；被電刷短路的元件中電動(dòng)勢等于零，此時(shí)這些元件不參加組成支路。單疊繞組的并聯(lián)支路對數(shù)等于電機(jī)的極對數(shù)，即繞組電路圖由于組成各支路的元件在電樞上處于對稱位置，各支路電動(dòng)勢大小相等，故從閉合電路內(nèi)部來看，各支路電動(dòng)勢恰巧互相抵消，不會產(chǎn)生環(huán)流。此外，單疊繞組的支路電動(dòng)勢由電刷引出，所以電刷組數(shù)必須等于支路數(shù)，也就是等于磁極數(shù)。

圖3.13單疊繞組電路圖

單疊繞組的特點(diǎn)位于同一個(gè)極下的各元件串聯(lián)起來組成了一條支路，即并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)當(dāng)元件幾何形狀對稱時(shí)，電刷應(yīng)放在主極中心線上，此時(shí)正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢最大，被電刷所短路的元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢為零電刷組數(shù)等于磁極數(shù)單波繞組單波繞組的連接規(guī)律是:從某一換向片出發(fā)，把相隔約為一對極距的同極性磁極下對應(yīng)位置的所有元件串聯(lián)起來，沿電樞和換向器繞一周之后，恰好回到出發(fā)換向片的相鄰一片上，然后從該換向片出發(fā)，繼續(xù)繞連，直到全部元件串聯(lián)完，最后回到開始的換向片，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。連線特點(diǎn)是元件兩出線端所連換向片相隔較遠(yuǎn)，相串聯(lián)的兩元件也相隔較遠(yuǎn)，形狀如波浪一樣向前延伸，所以稱為波繞組。

單波繞組選擇時(shí)，應(yīng)使相串聯(lián)的元件感應(yīng)電動(dòng)勢同方向。為此，須把兩個(gè)相串聯(lián)的元件放在同極性磁極的下面，空間位置上相距約兩個(gè)極距。其次，如果有對極，當(dāng)沿圓周方向繞過一周，就有個(gè)元件串聯(lián)起來。從換向器上看，每連一個(gè)元件前進(jìn)片，連接個(gè)元件后所跨的總換向片數(shù)為。單波繞組在換向器上繞一周后，回到出發(fā)換向片的相鄰一片上，總共跨過，即

或式中“－1”表示繞連完一周后后退一片，稱為左行繞組；“＋1”表示繞連完一周后前進(jìn)一片，稱為右行繞組。右行繞組因端部交叉，較少采用。單波繞組以，，直流電機(jī)的繞組為例，說明單波繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。計(jì)算繞組各節(jié)距得：采用與單疊繞組相同的步驟，畫出繞組展開圖和元件連接順序圖，分別如圖3.14和3.15所示。與圖3.14所示瞬間各元件連接情況對應(yīng)的繞組電路圖如圖3.16所示。單波繞組圖3.14單波繞組展開圖

圖3.15

單波繞組元件連接順序圖

單波繞組圖3.16單波繞組電路圖

由圖可得出單波繞組具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)，與極對數(shù)無關(guān)當(dāng)元件的幾何形狀對稱時(shí)，電刷放在主極中心線上，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢最大電刷組數(shù)也應(yīng)等于極數(shù)3.3直流電機(jī)的磁場直流電機(jī)的空載磁場

直流電機(jī)的電樞磁場直流電機(jī)的負(fù)載磁場電刷偏離幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)

直流電機(jī)的空載磁場勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組的供電方式。他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，由其他直流電源對勵(lì)磁繞組供電。其接線如圖3.17(a)所示。并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，接線如圖3.17(b)所示。串勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流就是電樞電流，接線如圖3.17(c)所示。復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，接線如圖3.17(d)所示。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向相同，稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁動(dòng)勢方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。

直流電機(jī)的空載磁場直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)。勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)的特性也不同。

圖3.17

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)的空載磁場空載磁場的分布

直流電機(jī)的空載是指電樞電流等于零或者很小，可以不計(jì)其影響的一種運(yùn)行狀態(tài)。直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場可以認(rèn)為就是主磁場，即由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢（稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢）單獨(dú)建立的磁場。圖3.18是一臺四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場分布示意圖（一對極）。圖中，同時(shí)交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組的磁通，稱為主磁通，用表示。此外還有一小部分磁通不進(jìn)入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合磁路，僅與勵(lì)磁繞組交鏈，稱為漏磁通，用表示。直流電機(jī)的空載磁場由于主磁通經(jīng)過的磁路中氣隙較小、磁導(dǎo)較大，漏磁通經(jīng)過的磁路中氣隙較大、磁導(dǎo)較小，而作用在這兩條磁路的磁動(dòng)勢是相同的，所以漏磁通比主磁通小得多。圖3.18

直流電機(jī)空載磁場分布

直流電機(jī)的空載磁場在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點(diǎn)磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。不考慮齒槽影響時(shí)，直流電機(jī)一個(gè)極下的空載磁密分布如圖3.19所示。圖3.19

直流電機(jī)的空載磁場分布直流電機(jī)的電樞磁場當(dāng)直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電樞繞組中有電流通過，該電流也會產(chǎn)生磁場，稱之為電樞磁場。它與主磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。圖3.20(a)表示由電樞電流單獨(dú)產(chǎn)生的電樞磁場。圖中沒有考慮齒槽影響，認(rèn)為轉(zhuǎn)子光滑，元件均勻分布在電樞表面，電刷位于相鄰兩極之間的中心線，即幾何中性線上。根據(jù)電樞電流方向和右手螺旋定則，可判斷電樞磁動(dòng)勢的軸線與幾何中性線重合，并與主磁極軸線正交，稱為交軸電樞磁動(dòng)勢。與主極軸線正交的軸線稱為交軸。直流電機(jī)的電樞磁場圖3.20直流電機(jī)的氣隙磁場

直流電機(jī)的電樞磁場線負(fù)荷是指電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用表示。設(shè)為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，為導(dǎo)體內(nèi)的電流，

為電樞直徑，則線負(fù)荷為將電樞外表面從幾何中性線處展開，如圖3.20(b)所示，并設(shè)主磁極軸線與電樞表面的交點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn)，該點(diǎn)的電樞磁動(dòng)勢為零，在離原點(diǎn)

處作一矩形閉合回路，根據(jù)安培環(huán)路定律，當(dāng)不考慮鐵心內(nèi)的磁壓降時(shí)，每個(gè)氣隙上的磁壓降為直流電機(jī)的電樞磁場可以看出，與成正比，電樞磁動(dòng)勢沿電樞表面的分布為三角波。根據(jù)

可推出氣隙磁密為

在磁極下，氣隙均勻，則；在磁極之間處，氣隙很大，很小。電樞磁密沿電樞表面分布為馬鞍形，如圖3.20(b)所示。直流電機(jī)的負(fù)載磁場電樞反應(yīng)的存在對氣隙磁場產(chǎn)生以下影響：使氣隙磁場發(fā)生畸變對發(fā)電機(jī)而言，前極尖磁場被削弱，后極尖磁場被加強(qiáng)；對電動(dòng)機(jī)而言，前極尖磁場被加強(qiáng)，后極尖磁場被削弱。使物理中性線發(fā)生偏移通常把通過電樞表面磁密等于零處稱為物理中性線。直流電機(jī)空載時(shí)，幾何中性線與物理中性線重合；負(fù)載時(shí)物理中性線與幾何中性線不再重合。對發(fā)電機(jī)，物理中性線順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移過角；對電動(dòng)機(jī)，物理中性線逆旋轉(zhuǎn)方向移過角。直流電機(jī)的負(fù)載磁場當(dāng)磁路飽和時(shí)有去磁作用不計(jì)磁飽和時(shí)，交軸電樞磁場對主極磁場的去磁作用和增磁作用恰好相等；考慮磁飽和時(shí)，增磁邊將使該部分鐵心的飽和程度提高、磁阻增大，從而使實(shí)際的氣隙磁磁比不計(jì)飽和時(shí)略低，如圖3.20(b)中虛線所示；去磁邊的實(shí)際氣隙磁密則與不計(jì)飽和時(shí)基本一致；因此負(fù)載時(shí)每極下的磁通量將比空載時(shí)少。換言之，飽和時(shí)交軸電樞反應(yīng)具有一定的去磁作用。

電刷偏離幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)當(dāng)電刷偏離幾何中性線時(shí)，除存在交軸電樞磁動(dòng)勢外，還有直軸電樞磁動(dòng)勢。以電動(dòng)機(jī)為例，電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向偏離角，如圖3.21所示，產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢為?？梢哉J(rèn)為電樞磁動(dòng)勢由兩部分組成：一部分由角度范圍內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生，另一部分由角度范圍外的導(dǎo)體產(chǎn)生。角度范圍外的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢為交軸電樞磁動(dòng)勢，其最大值為角度范圍內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢，其最大值為

電刷偏離幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)直軸電樞磁動(dòng)勢的軸線與主磁極軸線重合，但方向相反，使主磁通削弱，故有去磁作用；同理，當(dāng)電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向偏離角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁動(dòng)勢有助磁作用。發(fā)電機(jī)的情況與電動(dòng)機(jī)恰好相反。圖3.21電刷偏離幾何中線時(shí)的電樞反應(yīng)3.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，電樞導(dǎo)體相對于磁場運(yùn)動(dòng)，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢；載流導(dǎo)體在磁場中受力，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。本節(jié)將討論直流電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式。為便于分析，作以下假設(shè)：(1)電樞表面光滑無槽(2)電樞繞組的元件在電樞表面均勻連續(xù)分布(3)線圈為整距(4)電刷位于幾何中性線上直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢圖3.22為一個(gè)極距內(nèi)氣隙磁密沿電樞表面的分布曲線。當(dāng)一根長度為的導(dǎo)體以線速度垂直于磁場方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢為

其中，為導(dǎo)體所在位置的氣隙磁密。

圖3.22氣隙磁密和導(dǎo)體的分布

直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)為，組成條并聯(lián)支路，則每支路的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為。電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，組成一條支路的導(dǎo)體處于變化中，但每條支路內(nèi)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)保持不變。一條支路的感應(yīng)電動(dòng)勢就是電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢式中，是支路中第根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢。在計(jì)算支路感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，可以認(rèn)為這根導(dǎo)體等效于在一個(gè)磁極下均勻連續(xù)分布。只要求出一根導(dǎo)體在一個(gè)極下感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值，乘以根導(dǎo)體數(shù)，即得繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢。因此上式可以寫成直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢而一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢為

式中，是每極下的平均氣隙磁密。

導(dǎo)體的線速度為，其中是轉(zhuǎn)速，單位是r/min。每極總磁通量為代入上式得每根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢為式中，是電樞每轉(zhuǎn)一周導(dǎo)體切割的總磁通量。從上式可知，導(dǎo)體平均電動(dòng)勢與氣隙磁密分布的形狀無關(guān)。

直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢將導(dǎo)體平均電動(dòng)勢的表達(dá)式代入感應(yīng)電動(dòng)勢中可得

式中，的單位是韋伯(Wb)；是常數(shù)，稱為電動(dòng)勢常數(shù)。負(fù)載大小會影響每極磁通量，進(jìn)而影響感應(yīng)電動(dòng)勢的大小。計(jì)算負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，為負(fù)載時(shí)的每極氣隙磁通。計(jì)算空載感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，為空載時(shí)的每極氣隙磁通。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)電樞繞組中有電流流過時(shí)，每一導(dǎo)體中流過的電流為。這些載流導(dǎo)體在磁場中受力，并在電樞上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，用表示。一個(gè)極距內(nèi)電樞表面的磁密分布曲線如圖3.23所示。當(dāng)一根長為的導(dǎo)體中流過電流時(shí)，所受的電磁力為

力的方向由左手定則決定。

圖3.23理想化電樞的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩導(dǎo)體距電樞軸心的徑向距離為，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為全部根受力導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩總和就是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩式中，是第根導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。每一條支路中的根導(dǎo)體可以認(rèn)為均勻連續(xù)分布在一個(gè)極距內(nèi)。因此，可以用一根導(dǎo)體所產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩來表示，即直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩全部根導(dǎo)體受力所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的總和就是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，為將及代入上式可得

式中是一個(gè)常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。比較電動(dòng)勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的表達(dá)式，可以看出3.5直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程

直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性：

直流發(fā)電機(jī)的空載特性他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性(外特性、調(diào)節(jié)特性、效率特性)并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程以并勵(lì)發(fā)電機(jī)為例建立直流發(fā)電機(jī)的基本方程。并勵(lì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路如圖3.24所示。其中電樞繞組電動(dòng)勢為，電樞繞組電阻為，勵(lì)磁繞組電阻為，勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻為，發(fā)電機(jī)端電壓為，輸出電流為，電樞電流為，勵(lì)磁電流為。圖3.24并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)等效電路直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程根據(jù)圖3.24，電樞回路的電壓平衡方程式為

式中，為正、負(fù)一對電刷上的接觸電壓降，其大小與電刷型號有關(guān)，一般=0.5~2V。為電樞回路的總電阻，包括電樞繞組的電阻

和電刷接觸電阻。勵(lì)磁回路的電壓方程為

式中，為勵(lì)磁回路總電阻。電流方程為

直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程定義直流電機(jī)的電磁功率為電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢與電樞電流的乘積，即

式中，為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。在電壓平衡方程式兩邊同乘以，考慮到，有

即

式中，為發(fā)電機(jī)輸出的電功率，為勵(lì)磁銅耗，為電樞回路的總銅耗。直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程機(jī)械功率的一部分被用于平衡轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換所必然產(chǎn)生的損耗，這些損耗有：（1）機(jī)械損耗，包括軸承、電刷摩擦損耗，空氣摩擦損耗以及通風(fēng)損耗等。（2）鐵耗，電樞鐵心中磁場交變產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。（3）雜散損耗，又稱附加損耗，包括主磁場脈動(dòng)和畸變引起的鐵耗、漏磁場在金屬緊固件中產(chǎn)生的鐵耗和換向元件內(nèi)的附加損耗等。

因此有直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程發(fā)電機(jī)的功率平衡方程為

式中：

——為空載損耗

——為并勵(lì)發(fā)電機(jī)的總損耗

根據(jù)功率平衡方程，可畫出直流發(fā)電機(jī)的功率圖，如圖3.25所示。圖3.25直流發(fā)電機(jī)的功率圖

直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式兩邊同除以角速度得

即這就是直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程。式中，是輸入轉(zhuǎn)矩，為拖動(dòng)性質(zhì)；是電磁轉(zhuǎn)矩，為制動(dòng)性質(zhì)；為空載轉(zhuǎn)矩，也是制動(dòng)性質(zhì)。

直流發(fā)電機(jī)的空載特性直流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括：表征輸出電壓質(zhì)量的外特性、勵(lì)磁調(diào)節(jié)用的調(diào)整特性和表征力能指標(biāo)的效率特性?？蛰d特性是指轉(zhuǎn)速常值，輸出電流時(shí)，電樞的空載端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。電機(jī)空載時(shí)，電樞電流為零或很小，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)的空載端電壓就是空載感應(yīng)電動(dòng)勢，因此正比于主磁通，所以空載特性與磁化曲線的縱坐標(biāo)之間僅相差一個(gè)比例常數(shù)，空載特性實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)的磁化曲線?？蛰d特性常用來確定磁路的飽和程度。直流發(fā)電機(jī)的空載特性空載特性可以用實(shí)驗(yàn)方法來求取，圖3.26為空載實(shí)驗(yàn)的接線圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)空載，保持轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使空載電壓，然后將逐步減小到零，再將反向，并逐步增加，直到反向時(shí)的與正向時(shí)的相等為止，記錄每次的和相應(yīng)的值。由于鐵心有磁滯現(xiàn)象，所得到的相當(dāng)于整個(gè)磁滯回線的左半邊。根據(jù)對稱關(guān)系，可畫出磁滯回線的另外半邊，然后找出整個(gè)磁滯回線的平均曲線，如圖3.27中虛線所示，此虛線即為電機(jī)的空載曲線。

直流發(fā)電機(jī)的空載特性直流電機(jī)勵(lì)磁后，再將勵(lì)磁切斷，磁路中就會有剩磁，此后即使，電樞仍會出現(xiàn)由剩磁所感應(yīng)的剩磁電壓，通常。圖3.26空載實(shí)驗(yàn)接線圖圖3.27空載特性

他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性外特性是當(dāng)常值、勵(lì)磁電流常值時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與輸出電流之間的關(guān)系，如圖3.28所示。外特性是一條隨負(fù)載電流增大而下降的曲線。發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載電流變化而變化的程度可用額定電壓調(diào)整率來衡量，定義為：當(dāng)、時(shí)，發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載過渡到空載時(shí)的電壓變化率，即圖3.28他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性

他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指常值時(shí)，隨著負(fù)載電流的變化，保持常值時(shí)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)節(jié)特性表征負(fù)載變化時(shí)如何調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流才能維持發(fā)電機(jī)端電壓不變。如圖3.29所示，調(diào)節(jié)特性隨負(fù)載電流增大而上翹。

圖3.29他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性

他勵(lì)發(fā)電機(jī)的效率特性效率特性是指在常值，常值時(shí)，效率與輸出功率之間的關(guān)系，如圖3.30所示。損耗分為兩大類，一類是隨負(fù)載變化很小的損耗，包括機(jī)械損耗、鐵耗，稱為不變損耗；另一類是隨負(fù)載變化較大的損耗，包括電樞回路損耗、電刷接觸損耗、勵(lì)磁繞組銅耗（負(fù)載變化時(shí)勵(lì)磁電流也要調(diào)整）和雜散損耗，稱為可變損耗。

圖3.30他勵(lì)發(fā)電機(jī)的效率特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線圖如圖3.31所示。由于磁極鐵心中存在剩磁，電樞在剩磁磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會產(chǎn)生剩磁電動(dòng)勢。剩磁電動(dòng)勢由電樞端點(diǎn)輸出，加到勵(lì)磁繞組上，產(chǎn)生一個(gè)較小的勵(lì)磁電流，其磁動(dòng)勢方向既可能與剩磁方向相同而形成正反饋?zhàn)饔?，也可能與剩磁方向相反而形成負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｘ?fù)反饋時(shí)，剩磁磁場被抑制，電壓建立不起來；正反饋時(shí)，氣隙磁場加強(qiáng)，使電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢升高，從而使勵(lì)磁電流和氣隙磁場進(jìn)一步加強(qiáng)，如此往復(fù)，發(fā)電機(jī)的端電壓將逐步建立起來。要實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的正反饋，勵(lì)磁繞組端點(diǎn)與電樞繞組端點(diǎn)的連接要正確。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性

圖3.31并勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線圖圖3.32并勵(lì)發(fā)電機(jī)自勵(lì)時(shí)的穩(wěn)態(tài)空載電壓

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性從空載時(shí)勵(lì)磁回路的電壓方程和圖3.32可知，自勵(lì)時(shí)發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)由空載特性和勵(lì)磁回路的伏安特性（勵(lì)磁電阻線）的交點(diǎn)A來確定。與空載特性相切的電阻線，稱為臨界電阻線，對應(yīng)的電阻稱為臨界電阻。綜上所述，并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件是：1）氣隙中必須有剩磁；2）勵(lì)磁磁動(dòng)勢與剩磁磁場的方向必須相同；3）勵(lì)磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（調(diào)整特性和效率特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相似）并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性是指，常值時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與負(fù)載電流間的關(guān)系。由于并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵(lì)磁電流與負(fù)載電流互相影響，導(dǎo)致其外特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)有明顯的差別，如圖3.33所示。圖3.33并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與運(yùn)行特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性有以下三個(gè)特點(diǎn)：負(fù)載增大時(shí)，端電壓下降較快在同一負(fù)載下，并勵(lì)發(fā)電機(jī)的端電壓要比他勵(lì)時(shí)下降得多。

外特性有拐彎現(xiàn)象當(dāng)負(fù)載電阻減小，負(fù)載電流增大，端電壓下降到一定值時(shí)，磁路將處于不飽和狀態(tài)，此時(shí)若進(jìn)一步減小，端電壓的下降使勵(lì)磁電流下降，而勵(lì)磁電流的下降將導(dǎo)致氣隙磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢較大幅度的下降，結(jié)果使端電壓的下降比負(fù)載電阻減小得更快，于是外特性就出現(xiàn)“拐彎”現(xiàn)象，即端電壓下降，負(fù)載電流亦下降。穩(wěn)態(tài)短路（端電壓等于零）時(shí)，電流較小

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組包括并勵(lì)和串勵(lì)兩部分，其接線圖如圖3.34所示。

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)中，若串勵(lì)磁動(dòng)勢與并勵(lì)磁動(dòng)勢方向相同，稱為積復(fù)勵(lì)；若串勵(lì)磁動(dòng)勢與并勵(lì)磁動(dòng)勢方向相反，稱為差復(fù)勵(lì)。常用的復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)都是積復(fù)勵(lì)。圖3.34復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線圖

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性可出現(xiàn)三種情況，如圖3.35所示。若電機(jī)額定負(fù)載時(shí)串勵(lì)繞組恰好能補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用以及電樞回路的壓降，則額定電壓等于空載端電壓，這種情況稱為平復(fù)勵(lì)。若串勵(lì)磁動(dòng)勢的作用較強(qiáng)，補(bǔ)償作用有余，外特性就會上翹，這種情況稱為過復(fù)勵(lì)。若補(bǔ)償作用不足，外特性仍下降，稱為欠復(fù)勵(lì)。圖3.35積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性

復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性調(diào)節(jié)特性

積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性與串勵(lì)磁動(dòng)勢的大小有關(guān)，如圖3.36所示。

圖3.36積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性3.6直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

按勵(lì)磁方式分，直流電動(dòng)機(jī)可以分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)（包括永磁電動(dòng)機(jī)）、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。勵(lì)磁方式不同，運(yùn)行特性也不同。直流電動(dòng)機(jī)的基本方程直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件直流電動(dòng)機(jī)的基本方程電壓平衡方程以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路如圖3.37所示。在直流電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)勢與電樞電流方向相反，因此也稱為反電動(dòng)勢。圖3.37并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路直流電動(dòng)機(jī)的基本方程電樞回路的電壓方程為勵(lì)磁回路的電壓方程為電流方程為直流電動(dòng)機(jī)的基本方程功率平衡方程把電樞回路的電壓方程兩邊都乘以，得考慮到有即式中，是從電源輸入的電功率，其它符號的含義與直流發(fā)電機(jī)相同。從上式可以看出，從電源吸收的功率，除了一小部分轉(zhuǎn)換為電損耗外，大部分為電磁功率。電磁功率扣除鐵心損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗，剩下的才是電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率，即綜合以上兩式，得到直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式圖3.38直流電動(dòng)機(jī)的功率圖

直流電動(dòng)機(jī)的基本方程轉(zhuǎn)矩平衡方程方程兩邊同除以機(jī)械角速度，得

即其中：為電磁轉(zhuǎn)矩，為輸出轉(zhuǎn)矩，為由機(jī)械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。直流電動(dòng)機(jī)的基本方程直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩特性（即機(jī)械特性）、效率特性，它們與勵(lì)磁方式直接相關(guān)。由于直流電動(dòng)機(jī)的效率特性與直流發(fā)電機(jī)類似，此處不再論述。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)速特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性是指外加電壓和勵(lì)磁電流為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關(guān)系。由和可得：當(dāng)電樞電流增加時(shí)，若氣隙磁通不變，則轉(zhuǎn)速將隨的增加而線性下降。由于電樞繞組電阻壓降很小，因此轉(zhuǎn)速下降不多。如果考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，隨電樞電流的增大而略有減小，轉(zhuǎn)速下降會更小些，甚至?xí)仙?。他?lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性為保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，通常將電機(jī)設(shè)計(jì)為圖3.39所示的稍微下降的轉(zhuǎn)速特性圖3.39他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性需要指出的是，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中勵(lì)磁回路絕對不能斷開。當(dāng)勵(lì)磁回路斷開時(shí)，氣隙磁通驟然下降到剩磁磁通，感應(yīng)電動(dòng)勢很小，由于機(jī)械慣性的作用，轉(zhuǎn)速不能突然改變，電樞電流急劇增大，會出現(xiàn)兩種情況：1）若電動(dòng)機(jī)重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降，電動(dòng)機(jī)減速直至停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)時(shí)，電樞電流為起動(dòng)電流，引起繞組過熱將電機(jī)燒毀；2）電機(jī)輕載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速加速，造成“飛車”。這兩種情況都是非常危險(xiǎn)的。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指外加電壓和勵(lì)磁電流為額定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，磁路不飽和時(shí)，氣隙磁通不變，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩特性為一條直線；當(dāng)磁路飽和時(shí)，氣隙磁通隨電樞電流的增加而略有減小，轉(zhuǎn)矩特性略微向下彎曲，如圖3.39中的虛線所示。圖3.39他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上一定的電壓和一定的勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即，是電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特性。由和

可得：式中，是理想空載轉(zhuǎn)速，是機(jī)械特性的斜率。如圖3.40所示，機(jī)械特性是一條略向下傾斜的直線。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性若直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化不大，我們稱其機(jī)械特性為硬特性，反之稱為軟特性。轉(zhuǎn)速的變化可用轉(zhuǎn)速調(diào)整率表征，定義為式中，為額定轉(zhuǎn)速；為額定勵(lì)磁電流時(shí)的空載轉(zhuǎn)速。圖3.40他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)屬于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特例，即在連接方法上使勵(lì)磁繞組與電樞回路并聯(lián)，由同一電源供電，因此其工作特性和機(jī)械特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的相同，這里不再贅述。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞回路串聯(lián)，如圖3.41所示，電樞電流等于勵(lì)磁電流，因而氣隙磁通隨電樞電流的變化很大，是其主要特點(diǎn)。圖3.41串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接線圖

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)速特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性是指外加額定電壓、串勵(lì)繞組電阻為常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電樞電流之間的關(guān)系。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為式中?？梢?，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性為雙曲線，轉(zhuǎn)速與電樞電流成反比。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電樞電流和勵(lì)磁電流都增大，導(dǎo)致電阻壓降增大、氣隙磁通增大，轉(zhuǎn)速迅速下降。如圖3.42所示。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行，所以轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為式中:為1/4額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。圖3.42串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性曲線

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性轉(zhuǎn)矩特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指外加額定電壓、串勵(lì)繞組的電阻為常數(shù)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流之間的關(guān)系。當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)，勵(lì)磁電流很小，電機(jī)的磁路不飽和，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為隨著負(fù)載的增加，勵(lì)磁電流逐漸增大，磁路飽和，磁通不再與勵(lì)磁電流成正比。當(dāng)磁路非常飽和時(shí)，磁通可認(rèn)為是常值，電磁轉(zhuǎn)矩為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性如圖3.42所示。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性機(jī)械特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指外加額定電壓、串勵(lì)繞組電阻為常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。整理轉(zhuǎn)速公式得：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性圖3.43畫出了串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是軟特性。隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速下降很快。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，由于氣隙磁通的減小，轉(zhuǎn)速迅速增大。電磁轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大。因此，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行，也不能帶很輕的負(fù)載運(yùn)行。安全起見，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不能用皮帶傳動(dòng)方式帶負(fù)載，因?yàn)槿绻Р簧髅撀?，可能?dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高。因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和所驅(qū)動(dòng)的機(jī)械負(fù)載必須直接耦合。圖3.43串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很硬，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性很軟且不能空載運(yùn)行。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)則可折中兩者的特性，其接線圖如圖3.44所示。如果串勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢與并勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢方向相同，稱為積復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；方向相反時(shí)，稱為差復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。后者使用時(shí)，容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常不用。圖3.45中，曲線1是電樞反應(yīng)較強(qiáng)的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。為了得到下降的機(jī)械特性，加上一個(gè)串勵(lì)繞組（穩(wěn)定繞組），以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用，其機(jī)械特性如圖中曲線2所示。曲線3是以串勵(lì)為主、并勵(lì)為輔時(shí)的機(jī)械特性，曲線4是純串勵(lì)時(shí)的機(jī)械特性。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性圖3.44復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)圖3.45不同復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件電動(dòng)機(jī)工作過程中能否穩(wěn)定運(yùn)行與其機(jī)械特性和負(fù)載特性密切相關(guān)。電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性用曲線表示，負(fù)載的機(jī)械特性用曲線表示，二者的交點(diǎn)就是運(yùn)行工作點(diǎn)，如圖3.46所示。圖3.46(a)、(b)畫出了直流電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行的兩種情況。

(a)不穩(wěn)定運(yùn)行(b)穩(wěn)定運(yùn)行圖3.46電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的條件直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件對于圖3.46(a)所示的情況，設(shè)初始工作點(diǎn)為，由于某種擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一增量，轉(zhuǎn)速由變化到，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩，即使擾動(dòng)消失，電機(jī)也將繼續(xù)加速，不能恢復(fù)到初始工作點(diǎn)；反之，由于某種原因，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速由變化到，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)繼續(xù)減速，也不能恢復(fù)到初始工作點(diǎn)。因此圖3.46(a)所示為不穩(wěn)定運(yùn)行的情況。不穩(wěn)定運(yùn)行的條件是直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件對于圖3.46(b)所示的情況，設(shè)初始工作點(diǎn)為，由于某種擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一增量，轉(zhuǎn)速由變化到，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，擾動(dòng)消失后，電機(jī)將減速，恢復(fù)到初始工作點(diǎn)；反之，由于某種原因，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速由變化到，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速，也能恢復(fù)到穩(wěn)定工作點(diǎn)。因此圖3.46(b)所示為穩(wěn)定運(yùn)行的情況。穩(wěn)定運(yùn)行的條件是若負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化，上式變?yōu)榧措妱?dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是其機(jī)械特性必須是下降的。3.7直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速一、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)由靜止的狀態(tài)，接通電源，加速至穩(wěn)定的工作轉(zhuǎn)速，稱為起動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須滿足以下兩個(gè)要求：（1）有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；（2）應(yīng)把起動(dòng)電流限定在安全范圍內(nèi)。常用的起動(dòng)方法有三種：直接起動(dòng)、電樞串電阻起動(dòng)和降壓起動(dòng)，下面分別進(jìn)行介紹。

1直接起動(dòng)所謂直接起動(dòng)，就是直接在電動(dòng)機(jī)上施加額定電壓進(jìn)行起動(dòng)。這種方法無限流措施，起動(dòng)電流很大，可達(dá)額定電流的幾十倍，對電機(jī)的換向、溫升以及機(jī)械可靠性都很不利，所以只有容量很小的直流電動(dòng)機(jī)才可以直接起動(dòng)。如果是并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由于勵(lì)磁回路電感較大，在直接起動(dòng)時(shí)，必須先把勵(lì)磁繞組接入電源，然后再給電樞回路通電。2電樞回路串電阻起動(dòng)如圖3.47所示，在他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞回路里串入起動(dòng)電阻，可以限制起動(dòng)電流的大小。一般直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流限制在2~2.5倍額定電流范圍內(nèi)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流減小，轉(zhuǎn)子加速趨緩，勢必延長起動(dòng)時(shí)間。如果要求起動(dòng)過程短，可將所串聯(lián)的起動(dòng)電阻分為幾級，起動(dòng)中逐級切除。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，將圖3.47中的觸頭C1閉合，切除電阻,于是電樞電流又增大，起動(dòng)加速。之后，先后閉合C2、C3觸頭，最后將電阻全部切除。圖3.47直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻起動(dòng)3降壓起動(dòng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大而又起動(dòng)比較頻繁時(shí)，電樞回路串電阻起動(dòng)就很不經(jīng)濟(jì)。這時(shí)可以采用降低電源電壓的辦法起動(dòng)。用專用發(fā)電機(jī)或可控整流器控制電機(jī)的端電壓，開始時(shí)端電壓很低，隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸增大電樞端電壓，使電樞電流控制在一定范圍內(nèi)。

對于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，如采用降壓起動(dòng)，勵(lì)磁繞組的電壓不能降低，否則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，對起動(dòng)不利。

降壓起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：起動(dòng)電流小，起動(dòng)過程平滑，能量消耗少。缺點(diǎn)是調(diào)壓設(shè)備投資大。二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，能夠很好地滿足調(diào)速范圍寬廣、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)、經(jīng)濟(jì)性好等要求。由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式(3-18)可以看出，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)每極磁通；（2）調(diào)節(jié)電樞端電壓；（2）電樞回路串電阻。圖3.48中，曲線1是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。在此基礎(chǔ)上，分別改變上式中的電樞回路電阻、氣隙磁通以及端電壓的大小，觀察電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如何

變化。為了簡便起見，忽略了電樞反應(yīng)的影響。1電樞回路串電阻調(diào)速在外加電壓和每極磁通不變的條件下，在電樞回路中串入電阻，理想空載轉(zhuǎn)速不受影響，仍為，而機(jī)械特性的斜率增大。而當(dāng)時(shí)，對應(yīng)的機(jī)械特性曲線分別如圖3.48中的曲線4、3、2、1所示。如果電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其機(jī)械特性如圖3.48中的AB線所示。如果希望工作轉(zhuǎn)速由高速的a點(diǎn)變?yōu)榈退俚腷點(diǎn)，只要在電樞回路里串入電阻即可。這種調(diào)速方法只能使轉(zhuǎn)速往下調(diào)。如果所串電阻能夠連續(xù)變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能平滑調(diào)節(jié)。至于調(diào)速范圍，從圖3.48可以看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較

小時(shí)，例如CD線，調(diào)速范圍很小?？梢?，在串聯(lián)同樣電阻的情況下，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小而變化。電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速方法最主要的缺點(diǎn)是調(diào)速時(shí)電機(jī)的效率低。對于AB線所示的負(fù)載特性，調(diào)速前后電樞電流不變，電磁轉(zhuǎn)矩不變，從電源輸入的電功率也不變。由于轉(zhuǎn)速降低，電磁功率成正比降低，因此效率降低了，能量大多消耗在所串聯(lián)的電阻上。而且，要求電阻箱能長時(shí)間運(yùn)行，其體積是巨大的，也不可能做到連續(xù)調(diào)節(jié)。在大容量直流電動(dòng)機(jī)中，一般不用這個(gè)方法。2減小氣隙磁通調(diào)速當(dāng)電樞端電壓和電樞回路電阻都保持不變時(shí)，改變氣隙磁通也能調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在額定勵(lì)磁電流時(shí)磁路已經(jīng)較飽和，再增大氣隙磁通就比較困難，所以通常是減小氣隙磁通。從式（3-59）可以看出，氣隙磁通減小，將導(dǎo)致理想空載轉(zhuǎn)速和機(jī)械特性斜率的增大，機(jī)械特性變軟。圖3.49給出了減小氣隙磁通時(shí)的機(jī)械特性。圖中曲線1是固有機(jī)械特性，曲線2、3、4對應(yīng)的磁通逐次減小。這種調(diào)速方法是通過在勵(lì)磁回路中串電阻實(shí)現(xiàn)的，控制功率小，設(shè)備簡單，比電樞回路串電阻調(diào)速要方便得多。調(diào)速時(shí)，磁通減小，為保證轉(zhuǎn)矩恒定，增大，減小得少，輸入功率增大，但電磁功率及輸出機(jī)械功率因轉(zhuǎn)速增高也增大了，所以效率并不降低，這是它的優(yōu)點(diǎn)。受換向及機(jī)械強(qiáng)度的限制，調(diào)速比不能太大，約為1：2。3改變電樞端電壓調(diào)速當(dāng)勵(lì)磁電流和電樞回路總電阻都保持不變、僅改變電樞端電壓時(shí)，機(jī)械特性曲線是一組與固有機(jī)械特性平行的直線，如圖3.50所示。

圖3.50他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞端電壓調(diào)速改變電樞端電壓調(diào)速時(shí)，輸入功率為與電壓成正比。電磁功率與轉(zhuǎn)速成正比，而電樞感應(yīng)電動(dòng)勢差不多等于端電壓，并且正比于，所以調(diào)速時(shí)效率基本不變。目前改變電樞端電壓的方法主要有兩種：一種是可控整流器供電，一種是直流斬波器供電。圖3.51(a)為采用可控整流器調(diào)壓的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。如果要求電動(dòng)機(jī)能正反轉(zhuǎn)，可采用如圖3.51(b)所示的反并聯(lián)整流電路。圖3.52(a)為采用直流斬波器調(diào)壓調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它利用電力半導(dǎo)體元件的開關(guān)作用控制電動(dòng)機(jī)兩端的通電時(shí)間，從而控制電動(dòng)機(jī)的輸入電壓。圖3.52(b)表示電動(dòng)機(jī)端電壓隨時(shí)間的變化情況，端電壓的平均

可表示為(3-19)

式中，是斬波器開通時(shí)間，是斬波器的通電周期，是斬波器的占空比。圖3.51可控整流器調(diào)壓調(diào)速圖3.52直流斬波器降壓調(diào)速3.8直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進(jìn)入另一條支路，元件內(nèi)電流的方向發(fā)生了改變，元件電流改變方向的過程，稱為換向。換向前后的電流大小相等、方向相反。在直流電機(jī)中，任何瞬間都有元件在換向。換向是直流電機(jī)的共同問題，也是制約直流電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的最主要問題。直流電機(jī)換向不好，將在電刷和換向器之間引起火花，火花超過一定程度，將燒壞電刷和換向器?；鸹▏?yán)重時(shí)，還可能與電位差火花匯合在一起，形成環(huán)火，燒毀電機(jī)。此外，火花還會產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生無線電干擾。換向過程非常復(fù)雜，涉及到機(jī)械、電磁和電化學(xué)等多方面的因素，目前對換向的理論分析，都是建立在一定簡化基礎(chǔ)上的，尚不能完全解決實(shí)際問題。下面僅介紹影響換向的電磁因素和改善換向的方法。一、換向過程圖3.53表示一單疊繞組元件的換向過程。假設(shè)換向元件編號為1，電刷寬度b等于換向片寬度，片間絕緣厚度忽略不計(jì)，電樞繞組以線速度向左移動(dòng)。圖(a)中，元件1屬于電刷右邊的支路，其中的電流為，電刷僅與換向片1接觸；運(yùn)動(dòng)到圖(b)所示位置時(shí)，電刷同時(shí)與換向片1和2接觸，元件1被短路，其中的電流發(fā)生變化，從開始衰減，直至電刷與換向片2完全接觸；在圖(c)所示位置，元件1已屬于電刷左邊的支路，流過的電流是,所以從圖(a)到圖(c)，元件1經(jīng)歷了換向過程，稱為換向元件。元件1、換向片1、換向片2、電刷所構(gòu)成的回路，稱為換向回路。換向回路內(nèi)的電流，也就是換向元件內(nèi)的電流稱為換向電流。換向過程經(jīng)歷的時(shí)間稱為換向周期，用表示。換向周期很短，一般約幾個(gè)毫秒。圖3.53單疊繞組元件中電流的換向過程（a）換向開始；（b）正在換向；（c）換向結(jié)束

圖3.54所示為理想換向過程中換向元件中電流隨時(shí)間變化的波形，其中Tc是元件從一種極性電刷轉(zhuǎn)到另一種極性電刷下所經(jīng)歷的時(shí)間，一般為幾十毫秒。這里認(rèn)為換向電流線性變化，是理想的換向過程。在實(shí)際換向過程中，換向回路中存在多種感應(yīng)電動(dòng)勢，對換向電流產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致實(shí)際換向過程與理想換向過程差別很大。圖3.54理想換向過程中換向元件中的電流二、換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢在換向過程中，換向元件內(nèi)將產(chǎn)生兩種感應(yīng)電動(dòng)勢，下面分別討論。1電抗電動(dòng)勢換向元件本身有自感，還有與其它元件之間的互感。換向電流的變化將在換向元件內(nèi)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢和互感電動(dòng)勢，二者的合成電動(dòng)勢稱為電抗電動(dòng)勢。由于所有元件（包括換向元件在內(nèi)）所產(chǎn)生的合成氣隙磁通為交軸電樞反應(yīng)磁通，不在換向元件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，故電抗電動(dòng)勢僅由換向元件的漏磁通所感應(yīng)產(chǎn)生；在換向周期內(nèi)，電抗電動(dòng)勢的平均值為。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電抗電動(dòng)勢總是阻礙電流的變化，由于換向元件內(nèi)電流

不斷減小，故的方向與換向前的電流方向相同。2旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢理想情況下，換向元件的兩個(gè)邊位于幾何中性線位置上。由于電樞反應(yīng)磁場的影響，幾何中性線位置的氣隙磁密不為零，換向元件切割磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,稱為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢或運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢。無論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢的方向總與換向前的電流方向一致。即與

的方向相同。

在大多數(shù)直流電機(jī)中，為改善換向，在幾何中性線位置安裝換向極，換向極產(chǎn)生的磁場比電樞反應(yīng)磁場略強(qiáng)而方向相反，此時(shí)幾何中性線位置的磁場方向與無換向極時(shí)的方向相反，因而和的方向相反。換向元件中

總的電動(dòng)勢應(yīng)是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢和電抗電動(dòng)勢的代數(shù)和，即

(3-20)

為理想情況。通常情況下。若較大，將導(dǎo)致?lián)Q向不良，在電刷下產(chǎn)生火花。三、換向元件中電流的變化規(guī)律

直線換向當(dāng)換向元件中的合成電動(dòng)勢時(shí)，換向元件中的電流變化規(guī)律大體為一直線，這種換向稱為直線換向，如圖3.55(a)所示。直線換向的特點(diǎn)是，電刷接觸面上的電流密度分布均勻、

換向良好。延遲換向以電抗電動(dòng)勢作為正值，如果，則換向元件中的電流由直線換向電流和由合成電動(dòng)勢產(chǎn)生的附加換向電流疊加而成，如圖3.55(b)所示。的出現(xiàn)，使換向元件中的電流改變方向的時(shí)刻向后推延，因此這種換向稱為延遲換向。延遲換向結(jié)束時(shí)，被電刷短路的換向元件瞬時(shí)斷開，后刷邊容易出現(xiàn)火花，導(dǎo)致?lián)Q向不良。超越換向若換向極磁場較強(qiáng)，則換向元件中與電抗電動(dòng)勢反向的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢可能大于電抗電動(dòng)勢，此時(shí)，附加換

向電流將反向，因而換向元件中電流改變方向的時(shí)刻將比直線換向時(shí)提前，如圖3.55(c)所示，這種換向稱為超越換向，輕微的超越換向有一定好處，但過度的超越換向也是不利的。圖3.55換向元件中電流的變化四、火花等級雖然直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電刷下往往產(chǎn)生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不會危及電機(jī)的運(yùn)行?；鸹▏?yán)重時(shí)，會影響電機(jī)運(yùn)行甚至損壞電機(jī)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電刷下的火花可以分為五個(gè)等級，即1級、級、級、2級和3級。1級表示無火花。級電刷邊緣及小部分有微弱的火花點(diǎn)或者非放電性紅色小火花，換向器上沒有黑痕，電刷上沒有灼痕。級

電刷邊緣大部分或全部有輕微的火花，換向器上有黑痕，但用汽油可擦除，同時(shí)在電刷上有輕微的灼痕。2級電刷邊緣全部或大部分有強(qiáng)烈的火花，換向器上有黑痕，用汽油不能擦除，同時(shí)電刷上有灼痕。3級在電刷的整個(gè)邊緣上都有強(qiáng)烈的火花，同時(shí)有大火花飛出。換向器嚴(yán)重發(fā)黑，用汽油不能擦掉，而且電刷有燒焦和損壞。

1級、級和級火花均為持續(xù)運(yùn)行中無害的火花。在2級火花作用下，換向器表面會出現(xiàn)炭渣和黑色痕跡，如運(yùn)行時(shí)間過長，黑色痕跡也將擴(kuò)展，同時(shí)電刷和換向器的磨損也顯著增加。所以2級火花只允許在短時(shí)過載時(shí)

出現(xiàn)。3級火花是危險(xiǎn)的，僅允許在直接起動(dòng)或反轉(zhuǎn)的瞬間出現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)是不允許的。五、改善換向的方法換向不良將使電刷下出現(xiàn)火花，使換向器表面受到損傷，電刷磨損加快。改善換向的目的在于消除電刷下的火花，雖然產(chǎn)生火花的原因比較復(fù)雜，但若能設(shè)法減少或消除附加換向電流ic，就可以改善換向。下面介紹常見的改善換向方法。移動(dòng)電刷由于電樞反應(yīng)的存在，幾何中性線位置的磁密不再為零，換向元件內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢，使換向惡化。可以采用移動(dòng)電刷的方法，使幾何中性線位置的磁密為零，可以改善換向。對于直流發(fā)電機(jī)，應(yīng)順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)

電刷；對于直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷。電刷的移動(dòng)是在電機(jī)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)制成之后，電刷無法移動(dòng)。該方法缺點(diǎn)比較明顯，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電樞反應(yīng)發(fā)生變化，電刷位置不一定合適，可能使換向惡化；此外，若電機(jī)允許正反轉(zhuǎn)，則該方法也不適合。這種方法只在運(yùn)行情況固定而負(fù)載變化又不大的單向旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)中采用。安裝換向極幾乎所有的直流電機(jī)都在兩個(gè)主極之間的幾何中性線處裝有換向極，如圖3.56所示。換向極的磁動(dòng)勢除抵消電樞磁動(dòng)勢以外，還在換向區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電樞磁場相反

的換向磁場，使換向元件切割該磁場后產(chǎn)生的電動(dòng)勢與相抵消，這樣就可以消除附加換向電流，改善換向。換向極的極性可以由換向極磁場與電樞磁場相反的原則來確定。對于圖3.56所示主極極性，電機(jī)作發(fā)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞磁場的方向?yàn)樽宰笾劣?，故換向極磁場的方向?yàn)樽杂抑磷蟆Ｓ纱丝梢?，在發(fā)電機(jī)中，換向極的極性應(yīng)與順旋轉(zhuǎn)方向的下一個(gè)主極的極性相同；在電動(dòng)機(jī)中，換向極的極性與發(fā)電機(jī)相反。由于電抗電動(dòng)勢與電樞電流成正比，所以換向磁場也應(yīng)與電樞電流成正比，使切割換向磁場產(chǎn)生的電動(dòng)勢與電樞電流成正比，和在不同負(fù)載下均能抵消，所以換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。

實(shí)踐證明，只要換向極設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)無火花換向。因此，當(dāng)直流電機(jī)的容量大于1kW時(shí)，大多裝設(shè)換向極。此外，選擇牌號合適的電刷和繞組型式，也可改善換向。圖3.56裝設(shè)換向極改善換向3.9特殊直流電機(jī)一、直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械速度信號轉(zhuǎn)換為電信號的直流發(fā)電機(jī)，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛用作檢測元件或解算元件，如傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的速度檢測、模擬量的積分和微分計(jì)算等。直流測速發(fā)電機(jī)主要采用他勵(lì)和永磁兩種勵(lì)磁方式，其中永磁式直流測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)更突出，應(yīng)用更加普遍。自動(dòng)控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機(jī)的基本要求是：（1）線性度好。在工作范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速有較好的線性關(guān)系（包括正、反轉(zhuǎn)情況）；（2）靈敏度高。速度的微小變化能由輸出電壓真實(shí)地反映；紋波小。輸出電壓的波形在速度均勻變化過程中無畸變。他勵(lì)直流測速發(fā)電機(jī)的接線圖如圖3.57(a)所示。勵(lì)磁電壓恒定，負(fù)載電阻固定不變?？蛰d時(shí)（斷開），常數(shù)，電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系為（3-21）如圖3.57(b)中的實(shí)線所示。負(fù)載電阻接入后，因（3-22）則電壓－轉(zhuǎn)速關(guān)系式變?yōu)椋?-23）

不計(jì)電樞反應(yīng)和電阻的溫度效應(yīng)，電壓轉(zhuǎn)速特性仍為直線，只是斜率變小，如圖3.57(b)中的虛線所示。對于設(shè)計(jì)良好的直流測速發(fā)電機(jī)，在大范圍內(nèi)的線性電壓－轉(zhuǎn)速特性是可以實(shí)現(xiàn)的，其斜率（也稱為測速發(fā)電機(jī)的靈敏度）可以通過改變負(fù)載電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3.57直流測速發(fā)電機(jī)(a)接線示意圖（b）電壓－轉(zhuǎn)速特性二、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種將輸入電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度來執(zhí)行控制任務(wù)的直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向隨輸入信號的變化而變化，并具有一定的負(fù)載能力，在各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行元件。自動(dòng)控制系統(tǒng)對直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求是：可控性好。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完全由控制電壓的大小和極性決定，并以線性控制特性為最佳。運(yùn)行穩(wěn)定。在寬調(diào)速范圍內(nèi)具有下降的機(jī)械特性，最好為線性機(jī)械特性。伺服性好。能敏捷地跟隨控制信號的變化，起、停迅速。為滿足上述要求，直流伺服電動(dòng)機(jī)大都采用他勵(lì)或永磁勵(lì)磁方式，并在設(shè)計(jì)中力求磁路不飽和、電樞反應(yīng)影響小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率一般很小，約在幾瓦至幾百瓦之間，在運(yùn)行中采用電樞控制或磁場控制方式，下面分別介紹。電樞控制方式采用電樞控制方式時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖如圖3.58所示。勵(lì)磁繞組由恒定電壓源（=常數(shù)）供電，用以產(chǎn)生恒定磁通。電樞繞組（即控制繞組）加控制電壓。圖3.58電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)當(dāng)時(shí)，，，轉(zhuǎn)子靜止；當(dāng)時(shí)，有，，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；的極性變化，改變方向，隨之反向，電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)生變化。

直流伺服電動(dòng)