直流電機(jī)原理

直流電機(jī)原理1第一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三引言

直流電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電動機(jī)，反之則稱為直流發(fā)電機(jī)。直流電動機(jī)具有調(diào)速范圍廣且平滑，起、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，易于控制的優(yōu)點(diǎn)，常用于對調(diào)速要求較高的場合。本章主要介紹直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、電樞繞組的基本結(jié)構(gòu)和磁場，以及直流電動機(jī)的基本方程和工作特性。第三章直流電機(jī)原理2第二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理第一節(jié)直流電機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的基本原理根據(jù)第一章的原型電機(jī)模型，可以畫出兩極直流電機(jī)的簡化模型，如圖3-1所示。3第三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

1.直流電動機(jī)的工作原理勵磁線圈通入直流電流，產(chǎn)生直軸（d軸）方向的主極磁通，稱為主磁場。交軸（q軸）方向上的一對電刷將電樞線圈分為上下兩部分，電樞線圈按照一定的聯(lián)接方式組成電樞繞組。當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時，電樞表面的左半部分導(dǎo)體（即N極下）可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時針方法的力矩作用；電樞表面的右半部分導(dǎo)體（即S極下）也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時針方法的力矩作用。這樣，整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。第三章直流電機(jī)原理4第四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理2.直流發(fā)電機(jī)的工作原理根據(jù)電機(jī)的可逆原理，在圖3-1所示的直流電機(jī)模型中，勵磁線圈仍通入直流電流，產(chǎn)生主極磁通。電樞上不外加直流電壓，而用原動機(jī)拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)，使電樞線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢的方向由右手定則確定。由于電樞連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，電樞繞組的每個線圈邊交替地切割N極和S極下的磁力線，產(chǎn)生交變得感應(yīng)電動勢。再通過換向器的作用，使得在上下兩個電刷端輸出的電動勢為為一個方向相同的脈動電動勢，比如，從電刷A總是輸出切割N極磁力線的線圈邊所產(chǎn)生的正向電動勢，從電刷B總是輸出切割S極磁力線的線圈邊所產(chǎn)生的負(fù)向電動勢，這樣，電刷A始終為正極性，而電刷B始終為負(fù)極性。因此，雖然線圈切割不同極性磁極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是交變的，但通過換向器的作用，在電刷兩端卻輸出直流電壓。5第五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)在主要結(jié)構(gòu)上基本相同，常用的中小型直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。直流電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子，電刷裝置、端蓋、軸承、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等部件組成。第三章直流電機(jī)原理6第六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

1.定子定子由機(jī)座、主磁極、換向極、電刷裝置等組成，其剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示。它的主要作用是產(chǎn)生主磁場和作電機(jī)的機(jī)械支架。第三章直流電機(jī)原理7第七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成，如圖3-4所示。它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩或感應(yīng)電動勢，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。第三章直流電機(jī)原理8第八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三1）靜止部分－定子主磁極換向極機(jī)座電刷裝置2）轉(zhuǎn)動部分－轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器3）氣隙主磁極：大中型電機(jī)中，主磁極是一種電磁鐵，鐵心用1－1.5mm厚的鋼板沖片疊壓緊固而成。為了使主磁通在氣隙中分布的更為合理一些，鐵心下部（稱為極靴）要比套繞組的部分（稱為級身）寬，同時也使繞組牢固的套在鐵心上電樞鐵心是電機(jī)磁路的一部分，其外圓周開槽，用來嵌放電樞繞組。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，如圖所示。電樞鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心較長時，為加強(qiáng)冷卻，可把電樞鐵心沿軸向分成數(shù)段，段與段之間留有通風(fēng)孔。9第九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三10第十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三11第十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三二、直流電機(jī)的額定值額定值——根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、電機(jī)的設(shè)計指標(biāo)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)制造廠給每臺電機(jī)規(guī)定的主要性能指標(biāo)。直流電機(jī)的額定值——銘牌數(shù)據(jù)1.額定功率PN[kW]2.額定電壓UN[V]3.額定電流IN[A]4.額定轉(zhuǎn)速nN[rpm]或[r/min]12第十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三直流電機(jī)的額定值——銘牌數(shù)據(jù)1.額定功率PN：指在額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速條件下工作的輸出功率。(1).電動機(jī)：軸上輸出的機(jī)械功率(2).發(fā)電機(jī)：電樞輸出的電功率電動機(jī)的輸入功率P1=UNxIN電動機(jī)的機(jī)械功率PN=UNxINxηN發(fā)電機(jī)的輸入功率P1=機(jī)械功率發(fā)電機(jī)的輸出功率PN=UNxIN=P1xηN13第十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三直流電機(jī)的額定值——銘牌數(shù)據(jù)2.額定電壓UN：安全工作的外加電壓[或輸出電壓]。3.額定電流IN：安全工作的外加電流[或輸出電流]。4.額定轉(zhuǎn)速nN：在額定電壓、額定電流、額定功率條件下工作時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。*.功率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系角轉(zhuǎn)速[rad/s]、轉(zhuǎn)矩[N·m]，則P[W]14第十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三例3-1某直流電動機(jī)銘牌為：PN=10kW，UN=220V，nN=1500rpm，ηN=88.6%求：1.額定運(yùn)行時的輸入功率2.額定電流、額定轉(zhuǎn)矩解：1.P1=PN/ηN=10/0.886=11.29(kW)2.IN=P1/UN=11.29x103/220=51.3(A)TN=PN/wN=10x103/(1500x2π/60)=63.66(N·m)15第十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三例3-2某直流發(fā)電機(jī)銘牌為：PN=90kW，UN=230V，nN=1450rpm，ηN=89.6%求：1.額定運(yùn)行時的輸入機(jī)械功率、輸入轉(zhuǎn)矩2.額定電流解：1.P1=PN/ηN=90/0.896=100.45(kW)2.IN=PN/UN=90x103/230=391.3(A)T1=P1/wN=100.45x103/(1450x2π/60)=661.64(N·m)16第十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組和磁場一、直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能轉(zhuǎn)換的核心部件。在實(shí)際的直流電機(jī)中，為增加電機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩其電樞表面均勻分布的槽內(nèi)嵌放了許多線圈，這些線圈按一定規(guī)律與換向器聯(lián)接起來，組成電樞繞組。第三章直流電機(jī)原理17第十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理電樞繞組每個元件的匝數(shù)可以是單匝，也可以是多匝，如圖3-5所示。元件依次嵌放在電樞槽內(nèi)，一條元件邊放在槽的上層，另一條邊放在另一槽的下層，構(gòu)成雙層繞組，如圖3-6所示。18第十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理按照元件首尾端與換向片聯(lián)接規(guī)律的不同，電樞繞組可分為疊繞組和波繞組，疊繞組又有單疊和復(fù)疊之分，波繞組也有單波和復(fù)波之分。單疊繞組是直流電機(jī)電樞繞組的基本形式。19第十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

二、直流電機(jī)的磁場

1.空載磁場直流電機(jī)空載是指電樞繞組電流為零或很小，電機(jī)幾乎無功率輸出?？蛰d磁場是由勵磁繞組的勵磁磁動勢單獨(dú)建立的磁場。第三章直流電機(jī)原理20第二十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三主磁通0的大小決定于勵磁磁動勢Ff、磁路各段幾何尺寸和選用的材料性質(zhì)。在磁路尺寸和材料已定的情況下，0與Ff滿足圖3-9所示的0=f（Ff）關(guān)系曲線。若勵磁繞組匝數(shù)一定，磁動勢Ff

便與勵磁電流If成正比，使0=f（Ff）=f（If），稱為磁化曲線。第三章直流電機(jī)原理磁化曲線表明，電機(jī)中磁通增大時，磁通與磁動勢成線性正比，但當(dāng)磁通達(dá)到一定數(shù)值時，磁通增長緩慢，呈飽和趨勢，隨著磁動勢繼續(xù)增加，磁通趨于平直。一般電機(jī)空載時，電機(jī)的磁場處于磁化曲線淺飽和區(qū)的a點(diǎn)。21第二十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

2.電樞反應(yīng)直流電機(jī)在主極建立了主磁場，當(dāng)電樞繞組中通過電流時，產(chǎn)生電樞磁動勢，也在氣隙中建立起電樞磁場。這時電機(jī)的氣隙中形成由主極磁場和電樞磁場共同作用的合成磁場。這種由電樞磁場引起主磁場畸變的現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。首先分析電樞磁場的單獨(dú)分布。由于電樞繞組中各支路電流是經(jīng)電刷與外電路連接的，電樞表面的磁場分布與電刷分布有關(guān)。電刷是電樞表面電流分布的分界線，如圖3-10a所示，根據(jù)右手螺旋定則，其磁通分布和磁密分布曲線展開如圖3-10b所示。如電樞元件在電樞表面的分布是均勻的，則電樞磁動勢在主磁極中央為零，在兩磁極的中間為最大。兩磁極中間的氣隙磁阻大，使磁通最大點(diǎn)出現(xiàn)在主磁極兩端，而在極間處磁通減少呈馬鞍形。第三章直流電機(jī)原理22第二十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理23第二十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時主磁極的一端磁通增加，另一端磁通減少，使氣隙磁場的分布發(fā)生扭斜，氣隙磁密過零的地方偏離了幾何中心線，呈現(xiàn)不均勻分布，出現(xiàn)了電樞反應(yīng)。第三章直流電機(jī)原理24第二十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

三、直流電機(jī)的勵磁方式在直流電機(jī)中，由定子勵磁線圈通電所產(chǎn)生的主磁場稱為勵磁磁場。不同的勵磁方式，直流電機(jī)的運(yùn)行特性有很大差異。按勵磁繞組的供電方式不同，可把直流電機(jī)分成下列四種：第三章直流電機(jī)原理25第二十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)電樞繞組感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩在直流電機(jī)運(yùn)行時，電樞繞組在磁場中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同時電樞繞組中有電流便會受電磁力的作用。下面討論感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式。

一、電樞繞組感應(yīng)電動勢電樞繞組感應(yīng)電動勢是指直流電機(jī)電樞上正、負(fù)電刷間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，如圖3-13所示，電刷間感應(yīng)電動勢波形如同一個交流正弦電壓經(jīng)過整流以后的波形，這說明直流電機(jī)電樞上產(chǎn)生的是交流電，經(jīng)過電刷換向后才輸出直流電。第三章直流電機(jī)原理26第二十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理這里，直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在電刷間產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動勢為由式（1-35）電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為（3-1）由電樞轉(zhuǎn)動的機(jī)械角速度與感應(yīng)電動勢角頻率e的關(guān)系（3-2）（3-3）27第二十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三式（3-1）表示的直流電機(jī)感應(yīng)電動勢可寫成第三章直流電機(jī)原理由于電樞繞組的匝數(shù)N與電樞總有效邊數(shù)Z以及支路對數(shù)a的關(guān)系為N=Z/4a，（3-4）令為電動勢常數(shù)，那么就得到直流電機(jī)的電樞電動勢計算公式（3-5）28第二十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理

二、電磁轉(zhuǎn)矩這里利用第一章推導(dǎo)的一般電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程式（1-44）來計算直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。從直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)可以看出，它是一種定子繞組為凸極的電機(jī)，現(xiàn)假定其滿足以下條件：1）可以忽略各種飽和與非線性；2）電刷的位置在幾何中心線上，即r=90，并忽略電刷寬度；3）忽略磁動勢的空間諧波；4）電樞繞組均勻分布，節(jié)距相等，可忽略槽寬；如圖3-1所示的直流電機(jī)，在定子繞組中通以直流勵磁電流If，產(chǎn)生恒定的磁通，這時sr=，由電樞繞組產(chǎn)生的每極磁動勢Fa波形如圖3-14所示，其幅值為29第二十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三對電樞磁動勢Fa進(jìn)行傅里葉變換，其正弦基波分量的幅值Fa1為第三章直流電機(jī)原理30第三十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三將上述各變量的關(guān)系代入式（1-44），得第三章直流電機(jī)原理令為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，則可得直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計算公式（3-6）另外，根據(jù)比-薩電磁力定律，計算直流電機(jī)電樞繞組元件邊在磁場中的受力，也可推導(dǎo)出與式（3-6）同樣的電磁轉(zhuǎn)矩方程，這方面的內(nèi)容可參閱教材有關(guān)的內(nèi)容。31第三十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)直流電機(jī)的基本方程和工作特性直流電機(jī)的運(yùn)行情況可以用基本方程來研究。直流電機(jī)可為發(fā)電機(jī)運(yùn)行和電動機(jī)運(yùn)行。當(dāng)直流電機(jī)由外動力拖動，在電樞轉(zhuǎn)軸上輸入機(jī)械能，電樞感應(yīng)出電動勢，并經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換輸出直流電能向負(fù)載供電，感應(yīng)電動勢大于電樞端電壓，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)直流電機(jī)電樞輸入直流電源電壓，此電壓經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換流入電樞繞組，電樞受電磁轉(zhuǎn)矩作用，在轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能，同時電樞也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但數(shù)值小于電樞電壓，則電機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行。本節(jié)給出直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的基本方程和工作特性。第三章直流電機(jī)原理32第三十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

一、直流電動機(jī)在列寫直流電動機(jī)的基本方程之前，先規(guī)定相關(guān)物理量的參考正方向，若各物理量的瞬時實(shí)際方向與參考正方向一致，其值為正，反之為負(fù)。第三章直流電機(jī)原理33第三十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三1.電壓方程

(1)他勵直流電動機(jī)他勵式直流電動機(jī)的勵磁線圈采用單獨(dú)電源供電第三章直流電機(jī)原理直流電動機(jī)的電樞回路電源電壓Ua，電樞繞組的電阻Rw，正、負(fù)電刷的接觸電壓降為2ΔUb，由基爾霍夫電壓定律可列出電樞回路方程（3-7）（3-8）式中Ra——包括電樞繞組和電刷壓降的等效電阻；

Ea

——直流電機(jī)感應(yīng)電動勢（3-9）34第三十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三(2)并勵直流電動機(jī)如圖3-12b所示，電動機(jī)采用并勵方式時，勵磁繞組與電樞回路并聯(lián)，共用一個電源，電樞回路的電壓方程與他勵時相同，并有第三章直流電機(jī)原理（3-10）（3-11）

(3)串勵直流電動機(jī)如圖3-12c所示，電動機(jī)采用串勵方式時，勵磁繞組與電樞回路串聯(lián)，再與電源連接，此時（3-12）（3-13）35第三十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三

2.轉(zhuǎn)矩方程直流電動機(jī)電樞外加電壓后，工作在電動運(yùn)行狀態(tài)，此時，電樞產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te，其方向如圖3-16所示，為逆時針轉(zhuǎn)動，與電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩T0和電動機(jī)的軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相反。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，應(yīng)有Te與T0、TL相平衡。這樣，按圖3-15中正方向的約定，可寫出電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程第三章直流電機(jī)原理（3-12）

3.功率方程勵磁回路輸入的電功率（3-13）36第三十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三電樞回路輸入的電功率第三章直流電機(jī)原理（3-16）式中ΔpCua=RaIa2——電樞回路的銅耗；Pem

=EaIa——電機(jī)的電磁功率，且有（3-17）由上式可得電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的另一種計算公式（3-18）37第三十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三由此可見，電樞的電磁功率用于克服電樞軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)矩平衡方程（3-14）兩邊乘以轉(zhuǎn)速，可得第三章直流電機(jī)原理（3-19）式中PL——電機(jī)的機(jī)械負(fù)載功率；Δp0——電機(jī)的空載損耗，包括機(jī)械摩擦損耗Δpmec和

鐵心損耗ΔpFe。上式說明，電磁功率轉(zhuǎn)換成空載損耗和機(jī)械能輸出。他勵直流電動機(jī)電動運(yùn)行時的功率關(guān)系如圖3-16所示。38第三十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理此時，電動機(jī)的輸入電功率39第三十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三式中，P2——電動機(jī)的輸出功率，并有P2=PL； Δpadd——電動機(jī)的附加損耗，是未被包括在銅耗、鐵耗

和機(jī)械損耗之內(nèi)的其他損耗；ΣΔp——電動機(jī)的總損耗，并有第三章直流電機(jī)原理由此，電動機(jī)的效率為（3-20）（3-21）40第四十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理如果忽略電樞反應(yīng)，當(dāng)Ia增加時，轉(zhuǎn)速n下降，形成轉(zhuǎn)速降n，如圖3-17中曲線1所示。若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，磁通下降可能引起轉(zhuǎn)速的上升，與Ia增大引起的轉(zhuǎn)速降相抵消，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)際運(yùn)行中為保證電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，一般使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電流Ia的增加而下降。轉(zhuǎn)速降一般為額定轉(zhuǎn)速的3~8%，呈基本恒速狀態(tài)。4.工作特性

(1)轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)Ua=UN，If=IfN時，n=f（I

a）的關(guān)系曲線。由感應(yīng)電動勢公式和電壓方程可得（3-22）41第四十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理(2)轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)Ua=UN，If=IfN時，Te=f（Ia）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性公式Te=CTIa可知，在磁通為額定值時，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩隨電樞電流的增加而略微下垂，如圖3-17中曲線2所示。

(3)效率特性是指Ua=UN，If=IfN時，=f（Ia）的關(guān)系曲線。由式（3-20）可見，電動機(jī)的損耗中僅電樞回路的銅耗與電流Ia成平方正比關(guān)系，其他部分與電樞電流無關(guān)。電動機(jī)的效率隨Ia增大而上升，當(dāng)Ia大到一定值后，效率又逐漸下降，如圖3-17中曲線3所示。一般直流電動機(jī)的效率在0.75~0.94之間。42第四十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理43第四十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理直流電動機(jī)在使用時一定要保證勵磁回路連接可靠，絕不能斷開。一旦勵磁電流If=0，則電機(jī)主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若此時電動機(jī)負(fù)載較輕，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成“飛車”；若電動機(jī)的負(fù)載為重載，則電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，但電樞電流將飛速增大，超過電動機(jī)允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過熱而燒毀。因此，在閉合電動機(jī)電樞電路前應(yīng)先閉合勵磁電路，保證電動機(jī)可靠運(yùn)行。44第四十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理

二、直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)各物理量的參考正方向選定如圖3-18a所示。45第四十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理

1.電壓方程他勵式直流發(fā)電機(jī)由外動力拖動按圖3-18a所示逆時針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea，并且Ea>Ua，使電樞電流Ia反向，此時電樞回路的電壓方程為其中，。他勵式直流發(fā)電機(jī)的勵磁線圈采用單獨(dú)電源供電，其回路方程見式（3-7），即（3-23）46第四十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理（3-24）（3-25）如果發(fā)電機(jī)采用并勵方式，勵磁繞組與電樞回路并聯(lián)，由圖3-19所示的電流方向，電樞回路的電壓方程與他勵時相同，但電流變?yōu)槭剑?-25），即47第四十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理

2.轉(zhuǎn)矩方程直流發(fā)電機(jī)的電樞在外動力轉(zhuǎn)矩Tm的拖動下逆時針旋轉(zhuǎn)，工作在發(fā)電狀態(tài)時，與反方向的空載轉(zhuǎn)矩T0和電磁轉(zhuǎn)矩Te平衡。這樣，按圖3-18中正方向的約定，可寫出發(fā)電機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡方程（3-26）

3.功率方程對于直流發(fā)電機(jī)，輸入的機(jī)械功率為（3-27）因電磁功率（3-28）48第四十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理（3-29）上式說明，他勵直流發(fā)電機(jī)將輸入的原動機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電能輸出和內(nèi)部的熱能損耗。其功率關(guān)系如圖3-20所示，可見機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的變換過程。49第四十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理由此可得，直流發(fā)電機(jī)的效率為（3-30）式中ΣΔp——直流發(fā)電機(jī)的總損耗，對于他勵直流發(fā)電機(jī)對于并勵直流發(fā)電機(jī)，則在上式中還應(yīng)加上勵磁損耗ΔpCuf。（3-31）50第五十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理

4.工作特性

(1)空載特性是指當(dāng)發(fā)電機(jī)不帶負(fù)載Ia=0，U=Ea時，E0=Ea=f（If）的關(guān)系曲線。這里分兩種情況討論：

1)對于他勵直流發(fā)電機(jī)由感應(yīng)電動勢公式，且n恒定不變，因此，由圖3-9給出的Φ0=f（If）磁化曲線可得到的Ea=f（If）的關(guān)系，即他勵直流發(fā)電機(jī)的空載特性與其空載磁化曲線是相似的。如圖3-21所示。51第五十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理

2)對于并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)，其勵磁電流要靠發(fā)電機(jī)自身提供的電壓產(chǎn)生，而發(fā)電機(jī)電壓的產(chǎn)生則需要有勵磁電流才行。由此可見，并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)在起始階段需要有一個自我勵磁并建立電壓的過程，這稱之為自勵過程。圖3-22給出了并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)空載電壓建立的過程：當(dāng)原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，由于主磁極存在剩磁，電樞繞組切割剩磁磁通會產(chǎn)生一個較小的感應(yīng)電動勢Eod，由Eod在勵磁回路中產(chǎn)生勵磁電流If1；如果極性正確，將在磁路中產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感應(yīng)電動勢增大為E1，E1又使勵磁電流增大為If2；如此循環(huán)，使得感應(yīng)電動勢和勵磁電流不斷增加，最終建立起發(fā)電機(jī)的空載電動勢。例如，在圖3-22中的A點(diǎn)（E0A，IfA）穩(wěn)定工作。52第五十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理必須指出，自勵發(fā)電方式能否建立空載電壓是有三個條件的：一是電機(jī)必須有剩磁，如果沒有須事先進(jìn)行充磁；二是勵磁繞組的極性必須正確，也就是勵磁繞組與電樞并聯(lián)時接線要正確；三是勵磁回路的電阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If不能太陡（如斜線1），否則如果伏安特性的斜率太陡，與發(fā)電機(jī)空載特性交點(diǎn)很低或無交點(diǎn)（見斜線2），就無法建立空載電壓?？傊?，自勵發(fā)電機(jī)的運(yùn)行首先要在空載階段建立電壓，然后才能帶負(fù)載運(yùn)行。53第五十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第三章直流電機(jī)原理