電機學-直流電機

第三章直流電機重點內容：（1）直流電機的工作原理（2）電樞感應電勢和電磁轉矩（3）基本方程（4）直流機的運行特性以及調速、制動難點：（1）電樞繞組及電路圖（2）電樞反應第三章直流電機3.1直流電機的工作原理和基本結構3.2直流電樞繞組3.3直流電機的磁場3.4電樞的感應電動勢和電磁轉矩3.5直流電機的基本方程3.6直流發(fā)電機的運行特性3.7直流電動機的運行特性3.8直流電動機的起動、調速和制動3.1直流電機的工作原理和基本結構直流電機是根據電磁感應定律和電磁力定律實現機械能與直流電能轉換的機器分類：直流電機直流發(fā)電機：直流電動機：機械能電能電能機械能用途：直流發(fā)電機：電源勵磁機

信號傳遞測速發(fā)電機

用途：直流電動機：動力用-直流電動機信號傳遞直流伺服電動機

優(yōu)點：直流發(fā)電機：波形平滑性好，電磁干擾小直流電動機：①調速范圍寬，平滑性好；②起動、過載、制動轉矩大；③易于控制，可靠性高；④調速時能量損耗小，經濟，系統成本低。缺點：應用實例：直流發(fā)電機：直流電動機的電源、同步機的勵磁、電鍍、電解、電冶煉等的直流電源直流電動機：給粉系統、卷揚機、大型機床、電力機車、電車、電氣機車牽引、造紙、紡織拖動、吊車、挖掘機械、軋鋼機、船舶推進等成本高、結構和工藝復雜、維修困難、安全可靠性差。

發(fā)展趨勢：直流發(fā)電機逐步被電力電子整流電源所取代；直流電動機逐步被交流電動機所取代；3.1.1直流電機的基本工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理通過換向片，電刷A總與位于N極下的導體相連，極性為正。電刷B總與位于S極下的導體相連，極性為負一、直流發(fā)電機的工作原理線圈中的電動勢和電流均為交流通過換向片，電刷固定接于某一磁極下的導體換向器將電樞繞組中的交流電轉化為電刷兩端的直流電一、直流發(fā)電機的工作原理增加導體可減小感應電動勢的脈動。當有足夠多的線圈和換向片時，可獲得穩(wěn)定直流電勢。當每極下導體數大于8時，脈動可小于1%。一、直流發(fā)電機的工作原理結論：1）電樞繞組內電勢、電流為交流電；2）電刷間為直流電勢。繞組中感應電勢與電流方向一致；3）電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；4）產生的電磁轉矩與轉子轉向相反，為制動性質；5）原動機克服電磁制動轉矩作功，將機械能轉換為電能。二、直流電動機的工作原理在直流電動機中，雖然外加電源為直流，但通過換向器的作用，導體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉矩的方向始終保持不變。即線圈中的電流是交變的，但產生的電磁轉矩方向是恒定的。二、直流電動機的工作原理結論：1）外施電壓、電流是直流，電樞繞組內電流是交流；2）電樞繞組中感應電勢與電流方向相反；3）線圈是旋轉的，電樞電流是交變的。電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的；4）產生的電磁轉矩與轉子轉向相同，為驅動性質；5）電磁轉矩克服負載轉矩作功，將電能轉換為機械能。二、直流電動機的工作原理三、直流電機的可逆原理同一臺直流電機，通過改變外界條件，既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行。在電機理論中稱為可逆原理。如果用原動機拖動電樞旋轉，可以從電刷端引出直流電動勢而作為直流電源對負載供電，此為發(fā)電機運行。如果在電刷端外加直流電壓，則可以帶動軸上的機械負載旋轉，從而把電能轉變成機械能，此為電動機運行。直流電機的基本結構主要由定子、轉子兩部分組成直流電機定子轉子電樞鐵心軸承換向器風扇轉軸電樞繞組機座換向極主磁極電刷裝置端蓋主極鐵心勵磁繞組刷桿電刷刷握刷桿座(產生勵磁磁場)(產生電動勢，流過電流，產生電磁轉矩)風扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋直流電機的基本結構直流電機的基本結構直流電機的基本結構NSNS直流電機的基本結構N極和S極成對出現且沿圓周均勻交替分布；極對數：N極或S極的個數，通常用p表示；極數：主磁極的個數，等于2p。p=2即4極電機直流電機的基本結構一、主磁極作用：產生主磁場構成：⑴主極鐵心：1~1.5mm厚的鋼板⑵勵磁繞組：用絕緣銅線構成主磁極鋼板沖片（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直流電機的基本結構一、主磁極直流電機的基本結構二、換向極（附加極）作用：改善換向構成：鐵心：整塊鋼或鋼板繞組：和電樞繞組串聯位置：兩個主磁極的中心線上→幾何中心線個數：一般和主極個數一樣。也有是主極個數的一半。直流電機的基本結構三、機座作用：①固定主磁極、換向極和端蓋等②主磁路的一部分（磁軛）構成：鑄鋼或厚鋼板焊接四、電樞鐵心作用：①主磁路②安放電樞繞組構成：硅鋼片迭成

電樞鐵心沖片(0.35-0.5mm厚)（硅鋼片）涂絕緣漆沖片疊壓而成均勻開槽直流電機的基本結構五、電樞繞組六、換向器作用：將線圈里的交流電勢變?yōu)殡娝⒍说闹绷麟妱荨；虬淹饧拥闹绷麟娏髯優(yōu)榫€圈中的交流電流。構成：銅片組成，用云母絕緣作用：感應電動勢和通過電流，實現能量轉換構成：按一定規(guī)律連接的絕緣銅線構成直流電機的基本結構換向器直流電機的基本結構七、電刷裝置作用：保持和換向器的滑動接觸，與換向器配合，將線圈中的交流電勢變?yōu)殡娝⑸系闹绷麟妱輼嫵桑弘娝?、刷握、刷桿、刷桿座個數：與磁極個數相同。

我們知道直流電機的磁場，既可以由永久磁場產生，也可以由勵磁繞組通入直流電流產生,現在絕大多數直流電機的磁場都是由勵磁繞組通以直流勵磁電流產生的。我們稱這種磁場為直流電機的主磁場,有時也稱為勵磁磁場.

勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。直流電機的運行性能因勵磁方式的不同而不同。按照勵磁方式的不同，直流電機分他勵和自勵兩大類.四、勵磁方式他勵：勵磁繞組中電流與電樞繞組中的電流沒有任何聯系自勵：勵磁繞組中電流與電樞繞組中的電流有聯系，勵磁繞組與電樞繞組或串聯或并聯，或既有串聯又有并聯

1、他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯接關系，而由其他直流電源供電的直流電機電樞電流等于負載電流

Ia=I

2、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯后加同一電壓.

對發(fā)電機:Ia=I+If

對電動機:I=Ia+If圖示為直流發(fā)電機3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯

I=Ia=If4、復勵直流電機串勵繞組與并勵繞組產生的磁勢方向相反為差復勵.具有兩個勵磁繞組,一個與電樞并聯.一個與電樞繞組串聯.若串勵繞組與并勵繞組產生的磁勢方向相同為積復勵1、額定功率PN

（千瓦kW）2、額定電壓UN

（伏V）：額定狀態(tài)下電樞出線端電壓3、額定電流IN

（安A）：額定電壓下，輸出額定功率，電機線電壓4、額定轉速nN(轉/分r/min)5、額定勵磁電壓UfN

（伏V）6、額定勵磁電流IfN

（安A）注、對發(fā)電機額定功率為PN=UN

IN

對電動機額定功率為PN=UN

INηN

P1=UN

IN五、直流電機的額定值每臺直流電機繞組的機座都有一個銘牌,上面標注一些額定數據,若電機運行時,各數據符合額定值,這樣的運行情況稱為額定工況,在額定下運行,可保證電機可靠的運行,并具有優(yōu)良的性能.根據國標，直流電機的額定數據有：

電樞繞組是直流電機的電路部分，也是直流電機的核心部分，是實現機電能量轉換的樞紐，無論是電動機還是發(fā)電機，它們的電樞繞組在磁場中旋轉，都會感應出電勢，當電樞中有電流時，又產生電磁轉矩，從而實現了機電能量的轉換。電樞繞組的構成應能產生足夠的感應電勢，并允許通過一定的電樞電流，此外還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結構簡單，運行可靠。本節(jié)主要介紹單疊和單波繞組的組成及連接規(guī)律。

3-2直流電樞繞組一、

直流電機電樞繞組的一般知識分類特點：閉合繞組(1)疊繞組：單疊和復疊繞組。(2)波繞組：單波和復波繞組。(3)蛙繞組：疊繞和波繞混合的繞組。電樞繞組的演變環(huán)形電樞繞組鼓形電樞繞組eeeeeeeeeeeeee一、

直流電機電樞繞組的一般知識電樞繞組的演變環(huán)形電樞繞組只有一半的導體產生感應電動勢，導體利用率低。環(huán)形繞組2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e一、

直流電機電樞繞組的一般知識電樞繞組的演變鼓形電樞繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中,兩邊都能切割磁場而產生感應電勢。鼓形繞組一、直流電機電樞繞組的一般知識NS電樞繞組展開圖AB+_一、

直流電機電樞繞組的一般知識1、疊繞組和波繞組元件：構成繞組的線圈。電樞繞組的基本單元，單匝和多匝一、

直流電機電樞繞組的一般知識1、疊繞組和波繞組雙層繞組1）每個元件的兩端點分別連接在兩換向片上，每個換向片連接兩個元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。2）一個元件邊放在槽的上層，另一邊放在另一槽的下層，一個槽里總有上下層線圈邊。3）線圈的兩個元件邊處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個極距，兩個電勢相加。一、

直流電機電樞繞組的一般知識1、疊繞組和波繞組疊繞組：一個元件的兩出線端接在兩相鄰換向片上（單疊繞組），或相隔數片的換向片上（復疊繞組）。折疊式前進波繞組疊繞組波繞組：一個元件的兩出線接在相隔約兩個極距的換向片上，繞它一周后回到與起始片相鄰的換向片上（單波繞組），或相隔數片的換向片上（復波繞組）。波浪式前進23.1直流電機電樞繞組的一般知識二、實槽和虛槽為改善電機的性能，希望用更多的元件組成電樞繞組。由于工藝等原因，電樞鐵心不能開太多的槽，故在每槽的上下層各放置若干元件邊。若每一實槽中一層并排放置u排元件邊，則一個實槽可以看成u個“虛槽”，每一個虛槽的上、下層各有一個元件邊。實槽與虛槽

u=3一、

直流電機電樞繞組的一般知識2、實槽和虛槽每一元件有兩個邊；每一換向片上接兩個邊；每一虛槽內放置有兩個邊；元件數S等于換向片數K，等于虛槽數每線圈有Nc匝，則總導體數為N

一、

直流電機電樞繞組的一般知識3、節(jié)距第一節(jié)距y1：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。極距：在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。整數為湊整分數整距繞組短距繞組長距繞組短距繞組端部接線短、省銅，且利于換向，故常用第一節(jié)距y1換向器節(jié)距yk：每元件的兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數表示。yK

＝y一、直流電機電樞繞組的一般知識3、節(jié)距第二節(jié)距y2：連至同一換向片上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間的距離。合成節(jié)距y第二節(jié)距y2換向器節(jié)距yk合成節(jié)距y：連接同一換向片的兩個元件的對應邊在電樞表面的跨距。y＝y1＋y2二、

單疊繞組元件依次相連，元件的出線端接到相鄰的換向片上，第一個元件的下層邊（虛線）連接著第二個元件的上層邊，它放在第一元件上層邊相鄰的第二個槽內。相鄰元件(線圈)相互疊壓,后一元件的端部緊疊在前一元件的端部（疊）；首末端相聯的兩換向片相隔一個換向片的寬度，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1（單），即yK

＝y＝1槽數Q、元件數S和換向片數K三者相同二、

單疊繞組單疊繞組元件

右行

左行

單疊左行繞組和單疊右行繞組二、

單疊繞組舉例：2p＝4，

u=1，Q＝Q

u＝S＝K＝16，單疊右行整距繞組一、節(jié)距計算y＝yk＝＋1節(jié)距計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極展開圖展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關系二、單疊繞組1單疊繞組展開圖1.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττA+B–++－－二、

單疊繞組單疊繞組展開圖二、

單疊繞組二、

單疊繞組極軸線：磁極的中心線磁極的放置：磁極寬度約為,均勻分布，N、S極交替排列幾何中性線：相鄰兩個主磁極之間的中心線電刷的放置原則空載時，正、負電刷間的電動勢最大；被電刷短路的元件的感應電動勢最小或等于零。換向器的幾何中性線：線圈軸線與主磁極軸線重合時，該線圈所接兩換向片的分界線電刷的位置：換向器的幾何中性線，簡稱幾何中性線二、

單疊繞組同一極下導體電流方向相同（同一槽中上下層邊不屬于同一線圈，但電流的方向一致）；N、S極下導體電流方向相反。直流電機示意圖二、

單疊繞組電路圖二、

單疊繞組

單疊繞組的特點（1）元件的兩個出線端連接于相鄰的兩個換向片上；（2）同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極數與支路數相同。2a=2p（3）整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，繞組內部無“環(huán)流”；（4）每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷數等于主磁極數；（5）電刷位置應使感應電動勢最大，正負電刷之間引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓；Ea=ea（6）由正負電刷引出的電樞電流為各支路電流之和，即Ia=2aia（式中ia為每一條支路的電流，即繞組元件中流過的電流）。三、

單波繞組首末端所連的兩換向片相隔很遠，兩個元件串聯后形似波浪。兩個串聯元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。合成節(jié)距與換向節(jié)距相等yK

＝y整數三、

單波繞組單波左行繞組和單波右行繞組單波繞組元件

右行

三、單波繞組舉例：2p＝4，

u=1，Q＝Q

u＝S＝K＝15，左行短距單波繞組一、節(jié)距計算節(jié)距計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極三、

單波繞組元件、換向片的放置：1＃元件上層邊1＃槽，下層邊4＃槽;首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對稱，首末端所連的兩換向片之間的中心線與1＃元件的軸線重合。1＃元件上層邊所連的換向片定為1＃。依次聯接。磁極放置：

N、S極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：放在與主磁極軸線重合的換向片上。即幾何中心線上。三、單波繞組單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷三、

單波繞組單波繞組展開圖三、

單波繞組單波繞組元件連接順序圖從繞組展開圖可以看出，全部15個元件串聯而構成一個閉合回路的順序是：1815714613512411310291用聯接順序圖表示為：1815714613512411310291411310291815714613512上層邊下層邊三、

單波繞組三、

單波繞組電路圖三、

單波繞組單波繞組的特點1）同極下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數為1，即a＝1，與磁極對數無關；2）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；3）電刷數原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷，即電刷數等于磁極數（采用全額電刷）；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。即Ia=2ia4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；因只有兩條支路，元件一定時，可得到較高的電壓；單疊繞組和單波繞組的主要區(qū)別單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構成一支路，并聯支路數等于極數，每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。相同元件數時，疊繞組并聯的支路數多，每條支路中串聯元件數少，稱并聯繞組，適應于較大電流、較低電壓的電機。單波繞組：全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路，即N極下上層的繞組元件串聯為一支路，S極下的串聯為另一支路，并連支路數恒等于2，整個繞組只有一對支路，極數的增減與支路數無關。2a＝2。相同元件數時，波繞組并聯的支路數少，每條支路中串聯元件數多，稱串聯繞組，適用于較高電壓、較小電流的電機。大容量的電機，可以采用混合繞組。NNSS疊繞組波繞組單疊繞組和單波繞組的主要區(qū)別直流電機繞組歸納直流電機的電樞繞組總是自成閉路;電樞繞組的支路數（2a）永遠是成對出現，因為磁極數(2p)是一個偶數；且至少有2條并聯支路；

單疊繞組：a=p

即并聯支路對數恒等于電機極對數單波繞組：a=1 即并聯支路對數恒等于1電刷放置的一般原則是空載時通過正、負電刷間的電動勢最大，或者說，被電刷短路的元件中的電動勢為零。對于端接對稱的元件，電刷也就放置在主極軸線下的換向片上，電刷總是與位于幾何中線上的導體相接觸。3.3空載和負載時直流電機的磁動勢和磁場為了弄清穩(wěn)態(tài)運行時直流電機內部的電磁過程，必須了解空載和負載時電機內部的磁場，本節(jié)介紹直流電機的磁場。一、空載時直流電機的氣隙磁場空載磁場是在無載情況下（即電樞電流為零），勵磁繞組中通入電流后由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。1、主磁通和漏磁通磁場是電機實現機電能量轉換的媒介。主極磁場由永久磁鐵或勵磁繞組通入直流電流產生?？蛰d時電機中的磁場分布是對稱的。主磁通，經氣隙進入電樞主極漏磁通(15-25%)φ0,不進入電樞，只增加磁極的飽和程度主磁通磁路：氣隙1－電樞齒－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1－氣隙12、氣隙主極磁場的分布在一個磁極的范圍內，勵磁磁勢大小相同，主磁極下氣隙磁通密度的分布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??；極尖以外，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時的氣隙磁通密度為平頂波，二、負載時的電樞磁動勢負載時電機中的氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立，電樞磁動勢的出現使氣隙磁場發(fā)生畸變，并產生電磁轉矩，實現了機電能量的轉換。電刷是電樞表面電流方向的分界線1、交軸電樞磁動勢

當電刷位于幾何中性線時，電樞磁動勢的軸線與主極軸線正交，此時的磁動勢稱為交軸電樞磁動勢。

以下分析交軸磁動勢的大小和分布作用在x點處每個氣隙磁勢為:電負荷：電樞表面單位長度上的安培導體數電樞直徑為D，導體中的電流為ia

在幾何中性線處，即,交軸電樞磁勢達到最大值2、直軸電樞磁動勢若電刷從幾何中性線移過β角，將電樞磁勢分為兩部分交軸電樞磁動勢的最大值為：直軸電樞磁動勢的最大值為：當電樞旋轉時，組成各支路的元件在變化，由于換向器的作用每極下元件中電流方向不變，所以電樞磁勢在空間固定不動，即它與主磁場是相對靜止的。三、

直流電機的電樞反應負載時的氣隙磁場負載時氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同決定負載時的氣隙磁場主極磁場電樞磁場氣隙磁場電樞反應：負載時電樞磁動勢對主磁場的影響。電樞磁動勢由電刷的位置決定，故電樞反應決定于電刷的位置交軸電樞反應：交軸電樞磁動勢對主磁場的影響直軸電樞反應：直軸電樞磁動勢對主磁場的影響1、電刷位于何中性線上時的電樞反應電樞磁動勢全部為交軸電樞磁動勢，故為交軸電樞反應物理中心線：電樞表面氣隙磁密為零的直線1、電刷位于幾何中性線上時的電樞反應交（橫）軸電樞反應的表現：（1）扭斜氣隙磁場，使氣隙磁場發(fā)生畸變。發(fā)電機：前極端去磁后極端加磁；電動機：前加后去（2）物理中性線偏離幾何中性線α角（空載時，兩者重合）。發(fā)電機：順轉向偏離α角；電動機：逆轉向偏離α角。（3）磁路不飽和時：增加的磁通量等于減少的磁通量，每極的磁通量不變。負載時電動勢=空載時電動勢。磁路飽和時：負載時的每極磁通量小于空載磁通量（附加去磁作用），負載時的電動勢小于空載時的電動勢。（4）Faq與Ff相對靜止，且在空間相差90o電角度，它們相互作用，產生平均電磁轉矩。1、電刷位于幾何中性線上時的電樞反應2、電刷不在幾何中性線上時的電樞反應既有交（橫）軸電樞反應Faq又有直軸電樞反應Fad2、電刷不在幾何中性線上時的電樞反應電樞反應的表現：（1）Faq起扭斜氣隙磁場的作用，使氣隙磁場畸變，物理中性線偏離，附加去磁作用。（2）Fad對主磁場起去磁或加磁作用發(fā)電機：順轉向移刷－去磁；逆轉向移刷－加磁電動機：順轉向移刷－加磁；逆轉向移刷－去磁（3）Fad與Ff同軸線，不能產生平均電磁轉矩。3.4直流電機的感應電動勢和電磁轉距本節(jié)推導電樞的感應電動勢和電磁轉矩的計算公式一、電樞繞組的感應電動勢感應電動勢指一條支路的電勢（也就是電刷間的電勢）稱電樞電勢。每根導體的電勢為：為導體所在處氣隙磁密電樞導體的有效長度導體切割氣隙磁場的速度設電樞總導體數為Za，支路數為2a，則每條支路串聯導體數則支路電勢為：導體的平均磁密：不計飽和時，當磁路飽和時，Ea與磁通和轉速成正比當磁路不飽和時，Ea與勵磁電流和轉速成正比空載和負載時電動勢的變化：1、只有交軸電樞反應時1）不計飽和時，電動勢不變2）計飽和時，電動勢變小2、只有直軸電樞反應時1）若為發(fā)電機，電刷順電樞旋轉方向移動β角，則直軸電樞反應是去磁的，因此負載電勢比空載電勢變?。?/p>

電刷逆電樞旋轉方向移動β角，則直軸電樞反應是增磁的，因此負載電勢比空載電勢變大；2）若為發(fā)電機，電刷順電樞旋轉方向移動β角，則直軸電樞反應是增磁的，因此負載電勢比空載電勢變大；

電刷逆電樞旋轉方向移動β角，則直軸電樞反應是去磁的，因此負載電勢比空載電勢變??；直軸電樞反應的性質與電機的轉動方向有關，因此負載電勢的變化與電機轉動方向有關二、直流電機的電磁轉矩當電樞內有電流時，載流導體與氣隙磁場相作用產生電磁轉矩首先計算一個導體的電磁轉矩，再計算一個極下所有導體產生的電磁轉距，最后乘2P即得整個電樞產生的電磁轉矩導體的電磁轉矩為：一極下導體數為Za/2P一極下導體產生的電磁轉距為：作用于整個電樞上的轉距為：不計飽和時，當磁路飽和時，Te與磁通和電樞電流成正比當磁路不飽和時，Te與勵磁電流和電樞電流成正比電磁功率3.5直流電機的基本方程式

直流電機是一種雙邊勵磁的三端口機電系統，定子邊為勵磁繞組激勵的勵磁端口。轉子邊為電樞繞組激勵的電樞端口，另外還有輸出（或輸入）轉矩和轉速的機械端口。直流電機的運行情況可由基本方程式進行研究。基本方程式：1、電端口的電壓平衡方程式

2、機械端口的轉矩平衡方程式一、電壓方程

他勵直流電機對電樞回路：發(fā)電機

電動機

2、并勵磁直流電機對發(fā)電機

對電動機電動機：

發(fā)電機：對電樞回路：對勵磁回路：勵磁回路和電樞回路的電壓方程仍與他勵磁相同3、串勵直流電機

IS：串勵繞組中勵磁電流

二、轉距方程1、直流發(fā)電機原動機以T1

的轉矩拖動轉子沿逆時針方向旋轉，則Ea、Ia

、Te的方向如圖所示，Te的方向與T1相反，為制動性質的轉距，T1為拖動轉距。則：2、直流電動機

電動機中電樞電流與運動電勢方向相反。Te為驅動轉矩，所以：軸上輸出轉矩拖動性質的轉矩Te與制動性質的負載轉矩及電機本身的機械阻力轉距相平衡。三、電磁功率及功率方程1、電磁功率采用電動機慣例勵磁繞組輸入的功率為：這部分功率全部變?yōu)閯畲爬@組內的電阻損耗。

電樞繞組輸入的功率為：由兩部分組成：1）電樞回路銅損耗

2）電磁功率對于電動機，為電樞繞組中運動電勢所吸收的電功率，為電磁轉矩對機械負載所作的機械功率，由于能量守恒，兩者相等。所以無論是電動機還是發(fā)電機，是能量轉換過程中的轉換功率，能量轉換發(fā)生在電樞電路和機械系統之間，的大小與的大小（即耦合磁場的強弱）有關。Te與n同向，與T2、To反向T1與n同向，與Te、To反向2、功率方程以并勵磁直流電機為例研究功率方程并勵電動機：

式中：：輸入功率

：電樞回路總銅耗

：勵磁回路銅耗：為電動機輸出的機械功率式中：由上式可直觀的畫出功率流程圖：雜散損耗，由于電樞有齒槽的存在產生的損耗，難于精確計算，國標規(guī)定有補償繞組的0.5%無補償繞組的1%估算并勵發(fā)電機為發(fā)電機輸出的電功率3.6直流發(fā)電機的運行特性

直流發(fā)電機在拖動系統中大都作為電源使用，目前直流發(fā)電機有被大功率可控硅整流電源取代的趨勢，但有些系統中還要使用。

發(fā)電機的特性一般指發(fā)電機運行時，端電壓U、負載電流I、勵磁電流If

這三個物理量之間的關系，保持其中的一個量不變，其余兩個量就構成一種特性。因此有（1）空載特性：發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性在很大程度上受到飽和影響（2）外特性：表示輸出電壓質量;

（3）調整特性：表示勵磁調節(jié)作用；（4）效率特性：力能指標（效率特性）；

發(fā)電機的運行特性與勵磁方式有關，下面按他勵、并勵、復勵三種不同勵磁方式分別進行研究一、他勵發(fā)電機的運行特性1、空載特性空載時，U0=Ea0=CeΦn∞用實驗方法測取空載特性時，接線如下圖發(fā)電機由原動機拖動，保持轉速不變

調節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機空載端電壓達到（1.1~1.3)UN

然后使勵磁電流逐漸降至零，測取U0

和If即得。與磁化曲線相同整個磁滯回線的平均曲線即虛線為電機的空載特性曲線空載特性常用來確定磁路和運行點的飽和程度（非線性程度）

直流電機勵磁后再將勵磁切斷時,磁路中就會有剩磁,即使If=0,電樞中仍會出現由剩磁磁通所感應的的剩磁電壓U0r,U0r=(2~4)%UN2、外特性由電壓方程他勵發(fā)電機，I=IaΦ

=常值n=常值電刷在幾何中性上不計飽和隨負載電流I的增加,電樞回路的電阻壓降逐漸增加,發(fā)電機的端電壓將稍微下降,外特性為比水平線略微下降的直線.由電壓方程

如計及飽和作用,隨負載電流的的增大,氣隙磁通將略有減少,使電樞電動勢Ea隨之減少,再計及電樞的電阻壓降的增加,外特性變?yōu)榍€,且下降程度略有增加.

如果考慮到電刷不在幾何中性線上,則外特性更會有不同的曲線.(1)電刷順轉動方向偏移一定角度,則直軸電樞反應是去磁的-----外特性曲線下降程度更大;(2)電刷逆轉動方向偏移一定角度,則直軸電樞反應是增磁的-----外特性曲線下降程度很小,甚至上翹;使用實驗方法測取外特性時，發(fā)電機電樞加入負載電阻RL，當時，調RL

和然后保持不變，變

RL

使I逐漸減小測取U，I，即得U下降的原因1）去磁作用

2）

發(fā)電機端電壓隨負載而變化的程度用電壓調整率來衡量.在n=nN,If=IfN時,發(fā)電機從額定負載過渡到空載時，端電壓變化的數值與額定電壓的比值，稱為額定電壓調整率。

他勵發(fā)電機的額定電壓調整率大致在5%~10%左右,即負載變化時,發(fā)電機的端電壓變化不大,所以他勵發(fā)電機基本上可以看成一個恒壓的直流電源.他勵發(fā)電機在額定勵磁下短路時，短路電流由于

很小，所以很大，可達（20~30）IN

，故不允許在額定勵磁下短路。3、調整特性曲線是一條上升的曲線。由外特性可知，當負載電流I增加時，發(fā)電機端電壓下降。如需維持U為常值，I增加時，要相應的增加以補償去磁的電樞反應和電樞回路電阻壓降，通過調節(jié)特性實驗可求出空載時和額定負載時所需的勵磁電流和

4、效率特性：總損耗

式中：為電樞繞組銅損耗；

：一對電刷的接觸電壓降

對石墨

對金屬石墨將以上損耗分別分為兩大類

1、不變損耗，不隨P2的變化而變化2、可變損耗，隨P2變化而變化

解出最大效率即當不變損耗=可變損耗時發(fā)生最大效率一般在3/4PN左右發(fā)生最大效率小型直流發(fā)電機中大型直流發(fā)電機二、并勵發(fā)電機的自勵和運行特性1、并勵發(fā)電機的自勵并勵和復勵都是一種自勵發(fā)電機，即不需要外部電源供勵磁電流，這種自勵發(fā)電機首先是在空載時建立電壓即所謂“自勵”，然后再加負載下面以并勵為例研究其自勵過程。（1）自勵過程和條件自勵過程：并勵發(fā)電機建立電壓的過程。自勵條件：滿足建壓的條件。過程分析：剩磁：勵磁磁場與剩磁方向一致。Φr

→Er→If→Φ

與Φr方向一致→Φ

↑→Ea↑→If↑→Φ↑↑

U和If同時滿足空載特性曲線U0＝f（If）和場阻線U＝RfIf

。臨界電阻：tgα＝U0/If=Rf3---空載特性曲線2---勵磁電阻線1---臨界電阻線（2）自勵條件2、并勵發(fā)電機的運行特性與他勵相同，也有外特性，調整特性和效率特性。調整特性和效率特性與他勵十分相近，僅說明其外特性。

1）電機必須有剩磁。可通過“充磁”獲得

2）勵磁繞組的接線與電樞旋轉方向必須正確配合，使勵磁電流產生的磁場方向與剩磁方向一致

3）勵磁回路的電阻應小于與電機轉速相對應的臨界電阻。改變并勵發(fā)電機的極性，勵磁繞組連接及轉向要同時改變；若轉向不能變，改變剩磁方向，即反向充磁。若勵磁繞組本身的電阻已超過所對應的臨界電阻值，電機不可能自勵，唯一的辦法是提高電機的轉速，從而提高其臨界電阻值。外特性：與他勵外特性比較，并勵的外特性有三個特點：1）同一負載電流下，端電壓較低。2）外特性有“拐彎”現象。3）穩(wěn)定短路電流小1）去磁作用

2）所以并勵外特性比他勵低。電壓調整率一般在20%左右端電壓低外特性“拐彎”現象的出現是因為

↓Ea↓↓U↓↓端電壓U的下降比負載電阻RL下降的快,負載電阻減小后，一方面使負載電流增加，端電壓下降；另一方面，端電壓下降后，使勵磁電流減小，電勢下降，使負載電流下降。當電壓較高時，磁路飽和，勵磁電流對電勢影響不大；（負載電流隨電阻下降而增大）當電流達到臨界值時，磁路退出飽和，勵磁電流的微小變化引起感應電勢的較大變化，使端電壓下降的幅度大于負載電阻減小的幅度，（負載電流下降）當穩(wěn)態(tài)短路時（），U=0，，此時電樞繞組中的電流由剩磁電動勢產生，，因不大，所以不大。穩(wěn)定短路電流小三、復勵發(fā)電機的運行特性

復勵發(fā)電機有并勵繞組和串勵繞組兩個勵磁繞組，

串勵繞組中的勵磁電流就是負載電流,因此隨負載電流的增加,串勵繞組中的勵磁電流增加,可以有效補償并勵繞組電機的去磁作用。所以復勵發(fā)電機的外特性較平直并勵繞組的作用同前

理論上,串勵繞組產生的磁場方向可以同并勵繞組電流產生的磁場方向相反------差復勵.若串勵繞組磁動勢與并勵繞組磁動勢方向相同------積復勵積復勵發(fā)電機應用很廣，因可靈活的調整并勵和串勵磁場，從而設計出所需要的外特性。一般希望隨負載變化發(fā)電機端電壓穩(wěn)定。這一點只有復勵發(fā)電機能達到。

對串勵，因勵磁磁勢直接隨負載變化，端電壓極不穩(wěn)定，故不采用過復勵：補償有余平復勵：恰好補償欠復勵：補償不足3.7直流電動機的運行特性

直流電動機是直流發(fā)電機的一種逆運行狀態(tài)，將電能變?yōu)闄C械能，由于表征機械能的參數為轉矩和轉速。所以直流電動機穩(wěn)定運行特性最主要的就是轉矩——轉速特性即機械特性。再是工作特性。直流電動機運行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面分別加以研究一、并勵電動機的運行特性電樞回路串可調電阻Rst勵磁回路串可調電阻rf注意：直流電源與電樞回路及勵磁回路的連接直流電流直接接到電樞回路和勵磁回路中。1、機械特性轉矩——轉速特性（機械特性）如不計磁飽和效應（忽略電樞反應影響）并勵直流電動機機械特性表達式機械特性曲線是稍有下垂的直線

并勵電動機機械特性為下降程度減小，甚至可以成為水平或上翹的曲線?？紤]到飽和影響，交軸電樞反應有去磁作用Te增大時，電樞電流增大，因此交軸電樞反應的去磁作用增大，轉速趨于上升。

結論：并勵直流電動機的轉速隨著所需電磁轉矩的增加而稍有變化--------硬機械特性（硬特性）。機械特性具有以下特點：稱為理想空載轉速（1）（2）（3）特性為一斜率為的向下傾斜的直線所以為稍微下降的直線，這種特性稱為硬特性（4）電樞反應的影響

如考慮磁飽和，交軸電樞反應呈去磁作用機械特性的下降減小，或水平，或上翹為避免上翹，采取一些措施，可加串勵繞組，其磁勢抵消電樞反應的去磁作用。2、工作特性

直流電動機的工作特性指：

因在實際運行時電樞電流可直接測量，且電樞電流隨增加而增大，兩者增大趨勢相差不多，所以可將工作特性表示為：1)轉速特性如不計電樞反應的去磁作用如考慮電樞反應的去磁作用會使n趨于上升，為保證電機穩(wěn)定運行，在電機結構上采取一些措施，使并勵電動機具有略微下降的轉速特性。轉速調整率為并勵電動機負載變化時，轉速變化很小，注：并勵電動機在運行時，勵磁繞組絕對不允許斷開。所以轉速特性為一斜率為的直線。如電機所需電磁轉矩不變，則Ia迅速增大

如負載為輕載或空載，電動機轉速迅速上升，造成“飛車”；

如負載為重栽，所產生的電磁轉矩不能克服負載轉矩，則電動機可能停轉，使電樞電流增大到起動電流，引起繞組過熱而燒壞電機；2）轉矩特性

不計飽和時成正比

計飽和時，較大時，電樞反應的去磁作用，使曲線偏離直線，如圖實線所示。3）效率特性二、串勵電動機的運行特性串勵電動機的特點是隨變1、機械特性（轉矩——轉速特性）轉速隨轉矩的增加迅速下降，這種特性稱為軟特性2、工作特性（1）轉速特性串勵的轉速特性與并勵截然不同，它隨負載增加迅速降低，隨負載減小而迅速增加，當負載很小或空載時，轉速很高，“飛車”現象串勵電動機不允許在空載或負載很小的情況下運行。轉速特性與縱軸無交點。其轉速調整率定義為：為輸出功率等于1/4PN

時的轉速。(2)轉矩特性當磁路不飽和時：當磁路飽和時：一般可看成，按大于一次方的比例增加。它對起動和過載能力有重要意義，在同樣大小的起動電流下能得到比并勵電動機更大的起動轉矩。（用于電氣牽引）（3）效率特性其效率特性與并勵電動機相似三、復勵電動機的運行特性

復勵電動機通常接成積復勵，即有并勵繞組，又有串勵繞組，故其特性介于并勵與串勵之間。若勵磁繞組以并勵為主，則其特性接近于并勵電動機但由于有串勵磁勢的存在，補償電樞反應的去磁作用，排除了并勵電動機轉速特性的上翹的可能性。由于有并勵磁勢存在，不會使純串勵電動機空載時出現的“飛車”現象。若勵磁繞組中串勵磁動勢起主要作用，則特性接近于串勵電動機復勵電動機的機械特性1：復勵（并勵為主）2：（串勵為主）3：串勵四、固有機械特性與人為機械特性1、電樞回路串電阻的人為機械特性2、改變電壓的人為機械特性nTeU1UNU2固有機械特性3、減弱磁通的人為機械特性TenΦNΦ1五、電動機組穩(wěn)定運行的條件下垂的機械特性五、電動機組穩(wěn)定運行的條件上翹的機械特性穩(wěn)定條件3.8直流電動機的起動、調速和制動本節(jié)介紹直流電動機的起動、制動和調速原理及方法。一、直流電動機的起動直流電機接到電源后，轉速從零達到穩(wěn)定轉速的過程稱為起動過程，是一動態(tài)過程，情況較為復雜，僅介紹起動要求和起動方法。直流電動機起動的基本要求是：（1）起動轉矩要大（2）起動電流要小，限制在安全范圍之內（3）起動設備簡單、經濟、可靠可突增至額定電流的十多倍，故必須加以限制

在保證產生足夠的起動轉矩下（），盡量減小起動電流，一般直流電動機瞬時過載電流不得超過（1.5~2）IN

。常用的起動方法有三種，分別介紹如下1、直接起動加全壓起動，起動電流達十倍以上額定電流，僅用于小型電機。優(yōu)點：操作簡單，不需起動設備。缺點：沖擊電流太大1、對電網電壓影響

2、對電機本身影響只適用于小型電動機起動2、電樞回路串變阻器起動為限制起動電流，在起動時將起動電阻串入電樞回路，在轉速的升速過程，逐級將起動電阻切除。

隨n的上升可逐步切除一段電阻。首先保證起動過程中的電流不能太高，同時保證起動過程中的電流也不能太低，從而保證有足夠的起動加速轉矩。起動瞬間起動電流Ist：只要Rst

選擇適當，就能將起動電流限制在允許范圍內起動過程中的起動電流Ist：

顯然，隨轉速的升高，這一起動過程中的電流將變小，因此起動轉矩變小，起動時間增長；轉速越接近額定轉速，起動電流越小，加速轉矩變的很低。切除可手動完成，也可自動完成。

優(yōu)點：起動設備簡單，操作方便。缺點：電能損耗大，設備笨重常用三點起動器接線圖3-48（見課本P124）采用分段切除電阻，可使電機在起動過程中獲較大加速，且加速均勻，緩和有害沖擊。如下圖為分二級起動的機械特性曲線。TenTNRst=0Rst1Rst2A３、降壓起動優(yōu)點：起動電流小，能量損耗小，缺點：設備投資大。采用降壓起動時，需專用直流調壓電源直流發(fā)電機作為調壓直流電源可控硅整流電源

調速是人為的改變電氣參數，從而改變機械特性（人工機械特性），使得在某一負載轉矩下得到不同的轉速。所以可有三種調速方法

二、直流電動機的調速

許多生產機械需要調節(jié)轉速，直流電動機具有在寬廣的范圍內平滑而經濟的調速性能。因此在要求調速的生產機械上目前還有一定的應用。1電樞回路串電阻調速2