第一直流電機

第一直流電機第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第一章直流電機直流電機是電能和機械能相互轉換的旋轉電機之一。直流發(fā)電機：機械能——直流電能直流電動機：直流電能——機械能直流電動機具有良好的調速性能、較大的起動轉矩和過載能力等很多優(yōu)點，但結構復雜，成本高，運行維護較困難。主要應用于起動和調速要求較高的生產機械中，如金屬切削機床，軋鋼機、電力機車、起重機、造紙及紡織行業(yè)等機械中。本章主要分析直流電機的基本工作原理、結構和運行特性（以直流電動機為重點）。第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)直流電機的基本工作原理與結構一、直流電機的基本工作原理1、直流發(fā)電機的基本工作原理基于電磁感應原理：右手定則產生磁場：（N、S極）運動導線ab、cd切割磁場線圈感應電動勢——交變換向整流——電刷間輸出直流電動勢直流發(fā)電機的工作原理模型第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-1如果前圖中的直流發(fā)電機順時針旋轉，電刷兩端的電動勢極性有何變化？還有什么因素會引起同樣的變化？解：直流發(fā)電機順時針旋轉時，由右手定則，圖示線圈中感應電動勢方向為a-b-c-d,通過換向片與電刷的滑動接觸，則電刷B極性為正，電刷A極性為負。所以改變電樞轉向，可改變電刷間輸出電動勢極性。由右手定則可知：決定感應電動勢極性的因素有兩個，一是改變電樞轉向，二是磁場極性，因此改變磁場的極性也可使直流發(fā)電機的輸出電動勢極性改變。+-NS注意：電樞轉向和磁場極性只能改變其一。第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、直流電動機的基本工作原理基于電磁力定律：左手定則載流導體ab、cd在磁場中產生電磁力f形成電磁轉矩帶動轉子旋轉換向器作用：在發(fā)電機中起整流作用，使線圈中的交變電動勢——電刷間的直流電協(xié)勢。在電動機中起逆變作用，使電刷間的直流電——線圈內的交變電，保證電動機的轉向恒定。直流電動機工作原理模型第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-2電動機拖動的生產設備常需要作正轉或反轉運動，如電力機車的前行和倒退，就要求牽引電動機能正、反轉。分析前圖中的直流電動機如何能反轉(順時針旋轉)?解：圖中的電動機模型要順時針旋轉需獲得一個順時針方向的電磁轉矩，由左手定則可知：電磁力的方向取決于磁場極性或導體中電流的方向，所以直流電動機獲得反轉的方法有兩個：一是改變磁場極性，二是改變電源電壓極性使流過導體的電流方向改變。注意：兩者只能改變其一，否則，直流電動機的轉向不變。-+ffn改變電源極性（導體電流方向）而反轉示意圖第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日3、電機的可逆原理任何一臺電機既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，這一性質稱為電機的可逆原理。如果電機轉子輸入機械能，而電樞繞組輸出電能，電機作為發(fā)電機運行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉子輸出機械能，則電機作為電動機運行。電機的實際運行方式由外施條件決定：第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電機的基本結構1-電樞鐵心2-主磁極3-勵磁繞組4-電樞齒5-換向極繞組6-換向極鐵心7-電樞槽8-底座9-電樞繞組10-極掌(極靴）11-磁軛（機座）直流電機的結構圖直流電機的徑向剖面示意圖第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電機的基本結構靜止部分:定子旋轉部分:轉子中間有氣隙電磁方面：產生磁場和構成磁路。機械方面：整個電機的支撐。作用主要部件：磁極、機座、換向極、電刷、軸承、端蓋等作用感應電動勢和產生電磁轉矩，從而實現(xiàn)能量的轉換主要部件：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸承和風扇等第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日主磁極1、定子部分產生磁場，N、S相隔，用p表示極對數導磁和機械支撐機座由磁極鐵心和勵磁繞組構成,磁極鐵心由極身和極靴組成.第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日作用:改善直流電機的換向，一般電機容量超過1kW時均應安裝換向極。安裝在相鄰兩主磁極之間，用螺釘固定在機座上。用整塊鋼制成，也可用厚1~1.5mm厚鋼板或硅鋼片疊成1-刷握2-銅絲辮3-壓緊彈簧4-電刷塊（石墨材料）換向極電刷作用：將旋轉的電樞與固定不動的外電路相連，把直流電壓和直流電流引入或引出第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、轉子部分材料：為減小磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片疊成，表面有絕緣層。

作用：通過磁通和嵌放電樞繞組。電樞鐵心鐵心沖片第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日上層有效邊端接部分端接部分下層有效邊線圈首端線圈尾端作用：用于產生感應電動勢和通過電流，實現(xiàn)機電能量的轉換。電樞線圈電樞繞組：電樞線圈按一定規(guī)律連接形成。其并聯(lián)支路對數用a表示。單疊繞組：a=p單波繞組：a=1單波、單疊繞組聯(lián)接示意圖第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日換向器材料：采用導電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成。作用：實現(xiàn)電刷內外交直流的轉換。由許多燕尾狀的銅片間隔絕緣云母片而成第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日主極極靴和電樞間的間隙。不均勻。3、氣隙作用：保證了電機的轉子的正常旋轉，又是磁路的重要組成部分。小型電機氣隙約為0.7～5mm；大型電機氣隙可達5～10mm。第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、直流電機的銘牌數據電機型號銘牌數據主要有：額定功率額定電壓額定電流額定轉速額定勵磁電流勵磁方式出廠數據如出廠編號、出廠日期等第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日Z2—72

一般用途直流電機

第二次改型設計

機座號

電樞鐵心長度1、電機型號1號為短鐵心，2號為長鐵心1號最小，12號最大型號表明電機所屬的系列及主要特性。知道了型號，可從相關手冊中查出電機的許多技術數據。第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、額定值(1)額定功率PN

PN(kw)是指在規(guī)定的工作條件下，長期運行允許輸出的功率。對于發(fā)電機來說，是指正負電刷之間輸出的電功率；對于電動機，則是指軸上輸出的機械功率。(2)額定電壓ＵN

UN(V)對發(fā)電機來說，是指在額定電流下輸出額定功率時的端電壓；對電動機來說，是指所規(guī)定的正常工作時，加在電動機兩端的直流電源電壓。(3)額定電流IN

IN(A)是直流電機正常工作時輸出或輸入的最大電流值。對于發(fā)電機，三個額定值之間的關系為PN=UNIN

對于電動機，三個額定值之間的關系為PN=UN·IN·N

(4)額定轉速nNnN(r/min)是指電機額定運行時的轉速。額定效率；

N=（PN/P1）*%第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-3一臺直流發(fā)電機，

PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其額定電流和額定負載時的輸入功率。。解

第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-4一臺直流電動機，PN=17KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=83%。求其額定電流和額定負載時的輸入功率。解

第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日3、勵磁方式直流電機運行性能與勵磁方式密切相關，因此直流電機的分類以勵磁方式分類電樞繞組與勵磁繞組并聯(lián)電樞繞組與勵磁繞組串聯(lián)勵磁繞組單獨供電有并勵又有串勵繞組第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

4.直流電機出線端子的標志

繞組名稱

出線端標志繞組名稱出線端標志

電樞繞組

A1

A2串勵繞組D1

D2換向極繞組

B1

B2并勵繞組E1

E2

補償繞組

C1

C2他勵繞組F1

F2注：下標“1”是首端，為正極；下標“2”是末端，為負極第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-5在下圖中畫出并勵直流電動機的實際接線圖解：換向級繞組應與電樞繞組串聯(lián)，勵磁繞組再與它們并聯(lián)。第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日Z系列：一般用途直流電動機

（如Z2，Z3，Z4等系列）；ZF系列：一般用途直流發(fā)電機ZT系列：廣調速直流電動機；ZZJ系列：冶金起重機用直流電動機；ZQ系列：直流牽引電動機；ZH系列：船用直流電動機；ZA系列：防爆安全型直流電動機；ZKJ系列：挖掘機用直流電動機；ZJ系列：精密機床用直流電動機；四、直流電機的主要系列簡介第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)直流電機的磁場一、直流電機的空載磁場直流電機空載時（發(fā)電機與外電路斷開；電動機軸上不帶機械負載），電樞電流為零或近似為零。因而空載磁場可以認為僅僅是勵磁電流通過勵磁繞組產生的勵磁磁通勢Ff所建立的。

直流電機的磁場，是直流電機產生電動勢和電磁轉矩必不可少的因素，而且直流電機的運行特性，在很大程度上也取決于磁場特性第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日

由勵磁磁通勢Ff所建立的空載磁場分為兩類磁通：主磁通0、漏磁通。一般0》主磁通0對應的主磁路其組成分為氣隙、電樞齒、電樞磁軛、主磁極、定子磁軛五部分，或簡化為主磁路由氣隙和鐵磁材料兩大部分組成。

由于空氣的磁導率遠比鐵磁材料的磁導率小，磁路的勵磁磁通勢Ff幾乎都消耗在氣隙部分，而對應產生的磁場常稱為空載氣隙磁場。直流電機空載磁場分布1-極靴2-磁身3-定子磁軛4-勵磁線圈5-氣隙6-電樞齒7-電樞磁軛第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電機的負載磁場和電樞反應直流電機負載運行時，電樞繞組中便有電流通過，產生電樞磁通勢。該磁通勢所建立的磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主極磁場一起，在氣隙內建立一個負載（合成）磁場。由于負載后電樞磁場的出現(xiàn)，對主極磁場的分布有明顯的影響。這種電樞磁場對主極磁場（空載磁場）的影響稱為電樞反應。第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日直流電動機合成磁場形成：主極磁場+電樞磁場電樞反應性質：1）使磁力線扭斜，主極磁場發(fā)生畸變，物理中性線偏移；2)使每極合成磁通比空載時每極主磁通0略小，稱去磁作用。電動機拖動的機械負載越大，電樞反應的影響就越大，但正是電樞磁通勢與主極磁場相互作用而產生電磁轉矩，從而實現(xiàn)機電能轉換。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)電磁轉矩和電樞電動勢

一、電磁轉矩T

在直流電機中,電磁轉矩T是由電樞電流與磁場相互作用而產生的電磁力所形成的。經推導電磁轉矩可用下式來表示：

T＝CTIa

式中ＣT——轉矩常數；ＣT=Np/(2a)取決于電機的結構，即在制成的電機中，p、N（電樞繞組總導體數）、

a均為定值；——每極下的合成磁通(Wb)；

當Ia為(A)時,電磁轉矩單位為N.m。

可見對已制成的電機,電磁轉矩T正比于氣隙每極磁通及電樞電流Ia。第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)電磁轉矩和電樞電動勢二、電樞電動勢Ea

在直流電機中,感應電動勢是由于電樞繞組和磁場之間的相對運動,即導線切割磁力線而產生的。根據電磁感應定律可推得：

Ea＝Cen式中Ce——電動勢常數，Ce

＝Np/(60a)。取決于電機的結構

當每極磁通、轉速n的單位分別是Wb、r/min時,電樞電動勢的單位為V。

可見：對已制成的電機,Ea正比于每極磁通和轉速n；另：轉矩常數CT與電勢常數Ce之間有固定的比值關系：

CT／Ce＝(N·p/2a)/(N·p/60a)=9.55第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-6一臺直流發(fā)電機，2p=4，電樞繞組為單疊繞組，電樞總導體數N=216，額定轉速nN=1469r/min，每極磁通Φ=2.2×10-2Wb，求：

1）此發(fā)電機電樞繞組的感應電動勢。2）此發(fā)電機若作為電動機使用，當電樞電流為800A時，能產生多大電磁轉矩？解先求出電動勢常數第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日Pem=EaIa=(pN/60a)nIa=(pN/2a)Ia(2n/60)=T第三節(jié)電磁轉矩和電樞電動勢三、電磁功率Pem

對電動機而言電動勢Ea是反電動勢，電源電壓U必須大于電動勢Ea把電流Ia灌入。從上式的推導過程可見，電動勢Ea與電樞電流Ia的乘積是電功率屬性的電磁功率Pem，經過電磁作用轉換為等量的機械功率屬性的電磁功率Pem，所以Pem是機電能量轉換的橋梁。橋梁電功率屬性機械功率屬性Pem第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)直流電動機的運行原理一、直流電動機的基本方程式他勵直流電動機的結構示意圖及電路圖電動機慣例：Ea與Ia反向,T與n同方向TL與n反方向電動機穩(wěn)定運行時的基本方程式：電動勢平衡方程式、轉矩平衡方程式、功率平衡方程式第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、直流電動機的基本方程式1、電動勢平衡方程式根據電路的基爾霍夫定律可以寫出電樞回路的電動勢平衡方程式：

U=Ea＋IaRa

式中Ra——電樞回路總電阻

Ia——他勵電動機Ia=I

；并勵電動機Ia=I-If

對于電動機：U>Ea，Ea與Ia反方向第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、直流電動機的基本方程式2、功率平衡方程式

電機在機電能量轉換中，一部分能量不能被利用，這部分能量稱為損耗。直流電機的損耗可分為：

pm：由各類摩擦引起的機械損耗

pFe：鐵心損耗(磁滯與渦流之和)pcua：電樞回路銅耗pcua=Ia2Rapf：勵磁回路銅耗pf（=UIf=RfIf2）；

ps：附加損耗空載損耗p0即不變損耗因此，功率平衡方程式，就是扣除損耗的過程。——可變損耗第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、直流電動機的基本方程式2、功率平衡方程式

P1=UI=UIa=(Ea＋IaRa)Ia=EaIa＋Ia2Ra=Pem＋pcua

上式說明：當他勵直流電動機接上電源U時,電樞繞組中流過電流Ia,電網向電動機輸入的電功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于電樞銅耗，大部份作為電磁功率轉換成了機械功率。但轉變成機械屬性的Pem還要扣除鐵耗、機械損耗、附加損耗才是輸出的機械功率P2

P2=Pem－pFe－pm－ps=Pem－p0

第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、直流電動機的基本方程式2、功率平衡方程式

注意：他勵電動機的勵磁銅耗pf由其他電源提供。而并勵電動機的pf由同一電源提供，所以并勵電動機的功率平衡方程式中還應包括勵磁銅耗pf。上述的功率平衡關系可用功率流程圖形象的表示：第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、直流電動機的基本方程式3、轉矩平衡方程式由：P2/=Pem/-p0/得：T2=T-T0或T=T2+T0T2—電動機軸上輸出的機械轉矩。它與軸上所帶的負載轉矩TL

相平衡,即T2=TL。T0—電動機空載轉矩,與轉向相反；由空載損耗產生,數值很小。

電動機穩(wěn)定運行時，拖動性質的T與制動性質的TL+

T0相平衡電動機轉矩的常用計算公式：負載轉矩：T2=P2/=P2/(2n/60)=9.55P2/n(N·m)在額定情況下,TN=9.55×PN/nN

(N·m)同理：T=9.55Pem/n(N·m)第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-7一臺他勵直流電機接在220V電網上運行，已知，，求：1）此電機是發(fā)電機運行還是電動機運行？2）電磁轉矩、輸入功率和效率各為多少？

解1）判斷一臺直流電機是何種運行狀態(tài)，可比較電樞電動勢和端電壓的大小，即因為故此電機是電動機運行狀態(tài)。

第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日2）求

根據

則

電磁轉矩輸入功率輸出功率效率第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日例1-8一臺Z2-17型直流電動機，額定數據為：空載時測得電流為10A。求：

1）空載損耗（忽略空載銅耗）。2）空載轉矩。3）額定負載下的電磁轉矩。解1）空載損耗

2）空載轉矩3）額定負載下的電磁轉矩第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性是指U=UN=常數,電樞回路不串入附加電阻,勵磁電流If=IfN時,電動機的轉速n、電磁轉矩T和效率與輸出功率P2之間的關系,即：當P2P1IIa所以，工作特性也可看成n、T、與Ia的關系。第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電動機的工作特性1、轉速特性當電機軸上的機械負載增大時,輸出的機械功率P2隨之增大,輸入功率P1和電樞電流Ia也隨之增加,電樞電阻壓降增大,使轉速n降低。但隨著電樞電流的增加,電樞反應的去磁作用使氣隙磁通減小,又使轉速n上升。一般情況,電樞電阻壓降的影響較大,所以,轉速特性是一條略微向下傾斜的曲線,

如曲線1所示。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電動機的工作特性2、轉矩特性T=T2+T0=9.55P2/n+T0如果n不變,則輸出轉矩T2與P2成正比關系。T2=f(P2)特性曲線是一條過坐標原點的直線?？紤]到P2增大時,n略有下降,故T2=f(P2)曲線呈略為上翹趨勢。而T=f(P2)特性曲線與比T=f(P2)曲線高一個空載轉矩T0,如圖所示的曲線2。第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、直流電動機的工作特性2、效率特性當P2從零,Ia值很小,可變損耗Ia2Ra很小,電機損耗以不變損耗p0為主，損耗小。這樣,輸出功率P2的增大比P1增大的快，效率上升很快。隨后因可變損耗Ia2Ra隨電流按平方關系增大，使總損耗的增加很快,P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如圖曲線3所示。?？梢娦是€存在最大值，電機在空載、輕載時效率低,因此在使用和選擇電機上應盡量使電機工作在高效率的區(qū)域。

第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日第五節(jié)直流電機的換向直流電機電樞繞組中一個元件經過電刷從一個支路轉換到另一個支路時，電流方向改變的過程為換向。當電機帶負載后，元件中的電流經過電刷時，電流方向會發(fā)生變化。換向不良會在電刷下產生電火花，嚴重時出現(xiàn)環(huán)火將燒毀電刷，導致電機不能正常運行。換向問題涉及電磁、機械、化學等方面因素。這里僅對換向過程、影響換向的電磁原因、改善換向的方法作簡要介紹。第四十六頁，共五十一頁，2022年