電機(jī)與拖動(dòng)高職PPT完整全套教學(xué)課件

緒論緒論.pptx第1章直流電機(jī).pptx第2章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng).pptx第3章變壓器.pptx第4章三相異步電動(dòng)機(jī).pptx第5章三相異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng).pptx第6章其他用途的電動(dòng)機(jī).pptx第7章控制電機(jī).pptx第8章電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇.pptx全套可編輯PPT課件一、電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述1.電機(jī)的概念

電機(jī)是發(fā)電機(jī)（機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能）和電動(dòng)機(jī)（電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能）的統(tǒng)稱，它是一種利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，將能量或信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機(jī)械裝置。一般發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示，它的主要作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。目前常用的是利用熱能、水能、風(fēng)能等推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電。電動(dòng)機(jī)在電路中用字母M表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。電機(jī)是電氣化的核心，是機(jī)電一體化的重要基礎(chǔ)。因此，電機(jī)工業(yè)是機(jī)械工業(yè)的重要組成部分。隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)工業(yè)的發(fā)展也不斷深化、完善。2.電機(jī)的主要分類電機(jī)主要包括直流電機(jī)和交流電機(jī)，如圖0-1所示。（1）直流電機(jī)。直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一，一臺(tái)直流電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)使用，也可作為電動(dòng)機(jī)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)具有以下特點(diǎn)。①直流電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，平滑的無級(jí)調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。②過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種特殊運(yùn)行要求。③直流發(fā)電機(jī)能提供無脈動(dòng)的大功率直流電源，電勢波形較好，對電磁干擾的影響小，且輸出電壓容易精確地調(diào)節(jié)和控制。④制造工藝復(fù)雜，消耗有機(jī)金屬較多，生產(chǎn)成本高。⑤由于直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷和換向器之間容易產(chǎn)生火花，因而可靠性較差，維護(hù)保養(yǎng)困難。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為四種類型：他勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電機(jī)、串勵(lì)直流電機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。（2）交流電機(jī)。交流電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，結(jié)構(gòu)比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)。交流電機(jī)功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。由圖0-1可見，交流電機(jī)分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類。同步電機(jī)可用來作為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)使用。其中，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之間存在著嚴(yán)格不變的關(guān)系。異步電機(jī)主要用于電動(dòng)機(jī)使用，它通常分為籠型電動(dòng)機(jī)和繞線型電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組由電源供給勵(lì)磁電流，建立磁場，電磁感應(yīng)的作用使轉(zhuǎn)子繞組感生電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換。因其轉(zhuǎn)子電流是由電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的，所以，異步電動(dòng)機(jī)也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。3.電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)方式，稱為電機(jī)拖動(dòng)或電力拖動(dòng)。與其他原動(dòng)機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)的控制方法更為簡便，并且可以實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)控制。電力拖動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備（包括反饋裝置）三個(gè)基本環(huán)組成。反饋裝置往往也是用控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)反饋功能的。例如，可用測速發(fā)電機(jī)檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測電動(dòng)機(jī)的角位移，用感應(yīng)同步器檢測工作機(jī)械的位移等。電力拖動(dòng)流程框圖如圖0-2所示。4.電動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，其中應(yīng)用最廣的是直流電動(dòng)工具，其已取代手工工具廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、機(jī)電等行業(yè)以及冶金設(shè)備安裝，橋梁架設(shè)，住宅裝修，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)方面，并且廣為個(gè)體勞動(dòng)者及家庭使用，是一種量大面廣的機(jī)械化工具，發(fā)展前景十分廣闊。此外，在許多工業(yè)部門，大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷揚(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備等要求線速度嚴(yán)格一致的地方，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)工作機(jī)械，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其他用途，如測速電機(jī)、伺服電機(jī)等。直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了100多年的歷史，電動(dòng)機(jī)自身的理論基本成熟。隨著電工技術(shù)的發(fā)展，對電能的轉(zhuǎn)換、控制及高效使用的要求越來越高。電磁材料的性能不斷提高，電工電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為電動(dòng)機(jī)的發(fā)展注入了新活力。未來電動(dòng)機(jī)將沿著體積更小、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率更高、控制更靈活的方向繼續(xù)發(fā)展。同步電動(dòng)機(jī)可以吸收領(lǐng)先性的無功功率，在要求改善功率因數(shù)的條件下，不調(diào)速的大功率電機(jī)選用同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)也用于負(fù)載變化時(shí)要求轉(zhuǎn)速恒定不變的情況。異步電動(dòng)機(jī)分為三相異步電動(dòng)機(jī)和單相異步電動(dòng)機(jī)兩大類。三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，還具有較高的運(yùn)行效率和較好的運(yùn)行特性，從空載到滿載接近恒速運(yùn)行，在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化、民用電器等方面應(yīng)用廣泛，需求量居各種電機(jī)之首（占90%左右），在電網(wǎng)總負(fù)荷中占65%左右。單相異步電動(dòng)機(jī)用于只有單相電源的家用電器和醫(yī)療設(shè)備中。

在實(shí)際應(yīng)用中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速性能要求不高的各種機(jī)床、水泵、通風(fēng)機(jī)可選用普通籠型異步電動(dòng)機(jī)；功率不大、有級(jí)調(diào)速的電梯等可選用多速電動(dòng)機(jī)；而調(diào)速范圍較大，調(diào)速要求平滑的龍門刨床、高精度機(jī)床、可逆軋鋼機(jī)等選用可變頻調(diào)速的同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。二、本課程的性質(zhì)、內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法本課程是電氣自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)等專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是將“電機(jī)原理”和“電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”兩門課程的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，主要分析研究直流電機(jī)、變壓器、三相異步電動(dòng)機(jī)的基本理論及其電力拖動(dòng)的基本規(guī)律，簡單介紹常用交流電動(dòng)機(jī)、常用控制電機(jī)的原理及應(yīng)用和電力拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)容量的選擇問題。本課程是運(yùn)用電工基礎(chǔ)的基本理論分析研究各類電機(jī)內(nèi)部的電磁物理過程，從而得到各類電機(jī)的一般規(guī)律及其特性。但它與電工基礎(chǔ)等基礎(chǔ)課的性質(zhì)不同，在電機(jī)與拖動(dòng)課程中，不僅有理論的分析推導(dǎo)，磁場的抽象敘述，而且要用基本理論分析研究比較復(fù)雜的又往往帶有機(jī)、電、磁綜合性的工程實(shí)際問題。這是本課程的特點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。因此，必須有良好的學(xué)習(xí)方法才能學(xué)好本課程。這里提供以下學(xué)習(xí)方法供參考。（1）學(xué)習(xí)之前，必須理解與掌握電和磁的基本概念，能夠熟練運(yùn)用電磁感應(yīng)定律、安培定律、電路和磁路定律、力學(xué)、機(jī)械制圖等已學(xué)過的知識(shí)。（2）學(xué)習(xí)過程中，對于電機(jī)結(jié)構(gòu)，要弄清各主要部件的組成和作用；對于有關(guān)公式，要從物理概念上去理解和記憶，不要死記硬背。本課程涉及電機(jī)的類型較多，要注意各種電機(jī)結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)、電磁關(guān)系和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的異同點(diǎn)、拖動(dòng)問題的異同點(diǎn)等，運(yùn)用總結(jié)對比的方法融會(huì)貫通，加深理解。分析實(shí)際問題時(shí)，要運(yùn)用工程的觀點(diǎn)和方法，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，從而簡化實(shí)際問題的分析和計(jì)算過程。（3）為了提高課堂學(xué)習(xí)效果，課前應(yīng)預(yù)習(xí)，一是對相關(guān)的已學(xué)知識(shí)進(jìn)行回顧和補(bǔ)遺，二是把將要學(xué)到的內(nèi)容瀏覽一遍，對新的名詞和術(shù)語及相關(guān)內(nèi)容有所了解，便于有的放矢地聽課；課后應(yīng)及時(shí)復(fù)習(xí)和小結(jié)，并選做適當(dāng)?shù)乃伎寂c練習(xí)題，以鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，提高理解和應(yīng)用能力。（4）必須進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)，一是對基本理論進(jìn)行驗(yàn)證，二是培養(yǎng)和提高實(shí)際操作技能和工作能力。電機(jī)與拖動(dòng)為后續(xù)“自動(dòng)控制原理”“交、直流調(diào)速系統(tǒng)”“工廠電氣控制設(shè)備”等課程做基礎(chǔ)技術(shù)準(zhǔn)備，為日后工作中對電力拖動(dòng)設(shè)備的技術(shù)管理和生產(chǎn)第一線的選配、安裝調(diào)試、操作、維護(hù)與檢修等工作打下良好的基礎(chǔ)。三、電機(jī)理論中常用的物理概念和基本電磁定律電磁感應(yīng)是電機(jī)最基本的工作原理。因此，要想了解電機(jī)的工作原理及性能，必須具備電、磁方面的基礎(chǔ)知識(shí)。在電工基礎(chǔ)課程中，已經(jīng)學(xué)習(xí)了有關(guān)電路及磁路的知識(shí)。為了進(jìn)一步掌握電機(jī)、變壓器的工作原理及性能，需要準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識(shí)，下面對磁路方面的知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)和補(bǔ)充。1.磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁場是由電流產(chǎn)生的。描述磁場強(qiáng)弱及方向的物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度），用B表示。磁感應(yīng)強(qiáng)度與產(chǎn)生它的電流之間的關(guān)系用畢奧-薩伐爾定律描述，磁力線的方向與電流的方向滿足右手螺旋關(guān)系，如圖0-3所示。為了形象地描繪磁場，常采用磁感應(yīng)線（磁力線）來表示。磁力線是無頭無尾的閉合曲線。如圖0-4所示，分別畫出了直線電流、環(huán)形電流、螺線管電流產(chǎn)生的磁力線。2.磁通和磁場強(qiáng)度（1）磁通。磁感應(yīng)強(qiáng)度B描述的只是空間某一點(diǎn)的磁場，若要描述一個(gè)給定面上的磁場，就要用另一個(gè)物理量，即磁通量，簡稱磁通。如果在勻強(qiáng)磁場中有一個(gè)與磁場方向垂直的平面，面積為A，則磁通Φ為

Φ=BA

（0-1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是特斯拉（T），面積A的單位是平方米（m2），則磁通Φ的單位是韋伯（Wb）。如果B的單位為高斯（Gs），A的單位為平方厘米（cm2），則Φ的單位是麥克斯韋（Mx）。1Mx=10?8

Wb

（0-2）磁感應(yīng)強(qiáng)度可以看成是單位面積內(nèi)的磁通，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度。（2）磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度是計(jì)算磁場時(shí)引用的物理量，用H表示，B=μH，單位為安培/米（A/m）。式中的μ為磁導(dǎo)率，真空中的磁導(dǎo)率μ0≈4π×10?7

H/m，μr=μ/μ0

為導(dǎo)磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。非鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率近似為1。3.鐵磁材料的磁化特性（1）鐵磁材料的磁化。將鐵、鈷和鎳等鐵磁材料放進(jìn)磁場后，磁場將明顯增強(qiáng)，鐵磁材料呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，這種現(xiàn)象稱為鐵磁材料的磁化。（2）起始磁化曲線和磁滯回線。

①起始磁化曲線。將一塊未磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度H由零逐漸增加時(shí)，B=f（H）描述的曲線就稱為起始磁化曲線，其形狀如圖0-5（a）所示。在ab段，隨著H的增加，B增加較快。在bc段，隨著H的增加，B增加非常緩慢，為磁化曲線的飽和段。②磁滯回線。如圖0-5（b）所示，當(dāng)鐵磁材料被磁化一個(gè)循環(huán)時(shí)，就得到一個(gè)閉合曲線abcdefa。當(dāng)H從零增加到Hm

時(shí)，B相應(yīng)地從零增加到Bm

；然后逐漸減小H，B值將沿曲線ab下降。當(dāng)H=0時(shí)，B值并不等于零，而是Br，這就是剩磁。當(dāng)H在Hm和-Hm之間反復(fù)變化時(shí)，呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的B-H閉合曲線，稱為磁滯回線。鐵磁材料（如鐵、鎳、鈷等）的磁導(dǎo)率μ是真空磁導(dǎo)率μ0的幾千倍到幾萬倍。對于鐵磁材料，磁導(dǎo)率μ除了比μ0大得多外，還與磁場強(qiáng)度及物質(zhì)磁狀態(tài)的歷史有關(guān)，所以鐵磁材料的μ不是一個(gè)常數(shù)。在工程計(jì)算中，不按H=B/μ進(jìn)行計(jì)算，而是事先用實(shí)驗(yàn)的方式測出鐵磁材料在不同磁場強(qiáng)度H下對應(yīng)的B-H曲線。該曲線不是單值的，而是具有磁滯回線的特點(diǎn)，即在同一個(gè)大小的磁場強(qiáng)度H下，對應(yīng)著兩個(gè)B值，這就是說，究竟是對應(yīng)著哪一個(gè)B值還要看鐵磁材料工作狀態(tài)的歷史情況。當(dāng)鐵磁材料的磁滯回線較窄時(shí)，可以用它的平均磁化曲線（即基本磁化曲線）進(jìn)行計(jì)算，這樣B與H之間便呈現(xiàn)單值關(guān)系。同時(shí)還要指出，磁化特性的另一個(gè)特點(diǎn)是具有飽和性。圖0-5（a）所示的鐵磁材料的起始磁化特性，它與平均磁化特性差距甚小。當(dāng)磁場強(qiáng)度從零增大時(shí)，B隨H增加較慢，之后，B隨H的增加而迅速增大（ab段），過了b點(diǎn)，B的增加緩慢了（bc段），最后為cd段，又呈直線。其中a點(diǎn)為跗點(diǎn)，b點(diǎn)為膝點(diǎn)，c點(diǎn)為飽和點(diǎn)。過了飽和點(diǎn)c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近于μ0。磁滯回線較窄的鐵磁材料屬于軟磁材料，如硅鋼片、鐵鎳合金、鑄鋼等。這些材料磁導(dǎo)率較高，磁滯回線包圍面積小，磁滯損耗小，多用于制造電機(jī)、變壓器的鐵心。硬磁材料，如鎢鋼、鈷鋼等，其磁滯回線較寬，主要用作永久磁鐵。4.安培力通過電工基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道，在永磁體及通電導(dǎo)線周圍存在磁場，但是，怎樣表示磁場的強(qiáng)弱呢？磁場最基本的特性是對磁場中的通電導(dǎo)體有力的作用，研究磁場的強(qiáng)弱就是從分析通電導(dǎo)體在磁場中的受力情況入手。磁場對場中載流導(dǎo)體施加的力稱為安培力。在勻強(qiáng)磁場中，若載流直導(dǎo)線與磁場感應(yīng)強(qiáng)度B方向垂直，導(dǎo)體的有效長度為l，流過導(dǎo)體的電流為I，載流直導(dǎo)線所受的力為f，則f=BLI（0-3）用左手定則確定安培力f的方向，即把左手伸開，大拇指與其他四指成90°，如果磁力線指向手心，其他四指指向?qū)Ь€中電流的方向，則大拇指指向的就是導(dǎo)線受力的方向，如圖0-6所示。謝謝欣賞THANKYOUFORWATCHING第一章直流電機(jī)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電能的應(yīng)用遍布各行各業(yè)，而電機(jī)擔(dān)負(fù)著電能的生產(chǎn)、傳輸、分配及應(yīng)用等重要任務(wù)，是在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的主要設(shè)備。要想掌握電機(jī)的工作原理和特性，就必須了解其基本結(jié)構(gòu)。直流電機(jī)是直流電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方向的不同，直流電機(jī)可分為直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類。直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，直流電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

本章主要介紹直流電機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性。直流電機(jī)的基本工作原理1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和銘牌2直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率3直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理4目錄CONTENTS直流電動(dòng)機(jī)的換向5直流電機(jī)的基本工作原理1一、直流發(fā)電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)通常由外部機(jī)械裝置拖動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，以此產(chǎn)生電能輸出。直流發(fā)電機(jī)的工作原理如圖1-1所示。圖中N、S表示磁極，在電機(jī)工作時(shí)磁極固定不動(dòng)，稱為定子。abcd表示固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，在發(fā)電機(jī)工作時(shí)，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)不斷旋轉(zhuǎn)，所以它們稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子（電樞）。線圈的首末端a、d分別連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電片上，該導(dǎo)電片稱為換向片。圖中A、B表示電刷，電刷與外電路連接，在電機(jī)工作時(shí)固定不動(dòng)。在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙存在，稱為氣隙。直流發(fā)電機(jī)基于電磁感應(yīng)定律工作，即在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，若導(dǎo)體做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，則在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。若B、l、v三者相互垂直，則感應(yīng)電動(dòng)勢e為e=Blv（1-1）式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；l為導(dǎo)體長度，m；v為導(dǎo)體切割磁力線的速度，m/s；e為導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢，V，e的方向由右手定則確定。如圖1-1（a）所示，當(dāng)線圈按逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈ab邊在N極范圍內(nèi)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向從b到a；線圈cd邊在S極范圍內(nèi)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向從d到c。如圖1-1（b）所示，當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)180°以后，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊就轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)。此時(shí)用右手定則判斷可知，線圈cd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向是從c到d，線圈ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向是從a到b。由于電刷固定不動(dòng)，因此，與線圈d端連接的電刷A的電位仍為正，與線圈a端連接的電刷B的電位仍為負(fù)。由此可知，當(dāng)線圈不停旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷A始終是正電位，電刷B始終是負(fù)電位。因此，由兩電刷引出的是具有恒定方向的電動(dòng)勢，即直流電動(dòng)勢。實(shí)際的直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況配有多匝線圈的，線圈分布于電樞鐵心表面的不同位置，并按照一定規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。相應(yīng)地，換向片的數(shù)量要根據(jù)線圈匝數(shù)的多少來確定。磁極也是根據(jù)實(shí)際需要將N、S極交替放置多對，相應(yīng)地，電刷的個(gè)數(shù)要根據(jù)磁極的個(gè)數(shù)來確定。二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)基于電磁力定律工作，即通電導(dǎo)體在磁場中會(huì)受到電磁力的作用，當(dāng)磁力線與導(dǎo)體中電流的方向相互垂直時(shí)，作用在通電導(dǎo)體上的電磁力F的大小為F=BLI（1-2）式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；l為導(dǎo)體長度，m；I為載流導(dǎo)體中流過的電流，A；F為電磁力，N，F(xiàn)的方向由左手定則確定。如果直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，而把它的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上，此時(shí)線圈中將有電流通過。如圖1-2（a）所示，電刷A是正電位，B是負(fù)電位。在N極范圍內(nèi)，線圈ab中的電流從a到b；在S極范圍內(nèi)，線圈cd中的電流從c到d。根據(jù)電磁力定律，線圈ab邊受到向左的電磁力，cd邊受到向右的電磁力。由于磁場是均勻的，導(dǎo)體中流過的電流也相同，因此，線圈ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等，方向相反，于是線圈按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1-2（b）所示，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過180°后，線圈ab與cd的位置調(diào)換，但由于電刷和換向片的作用，線圈ab中的電流從b到a，線圈cd中的電流從d到c。根據(jù)電磁力定律，線圈ab邊受到向右的電磁力，cd邊受到向左的電磁力，線圈仍然按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姡m然導(dǎo)體中的電流是交變的，但線圈的旋轉(zhuǎn)方向始終不變。與直流發(fā)電機(jī)一樣，實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。三、直流電機(jī)的可逆性原理由前面的分析可知，一臺(tái)直流電機(jī)理論上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是前提條件不同。當(dāng)直流電機(jī)的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，線圈按一定方向不停旋轉(zhuǎn)，通過齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)拖動(dòng)負(fù)載工作，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；當(dāng)用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，兩電刷引出的是具有恒定方向的電動(dòng)勢，負(fù)載上得到的是具有恒定方向的電壓和電流，從而把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在電機(jī)理論中，一臺(tái)電機(jī)既能做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行又能做發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理稱為可逆性原理。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和銘牌2一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)都是相同的，主要由靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分構(gòu)成，在靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分之間要有一定的氣隙，其中靜止部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子。圖1-3所示為直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)。1.定子部分

直流電機(jī)的定子部分主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置組成。（1）主磁極。主磁極一般由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵(lì)磁繞組）組成，其作用是在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立主磁場，使電樞繞組在此磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩。主磁極鐵心柱體稱為極身；靠近氣隙一端較寬的部分稱為極靴，極靴的主要作用是使氣隙磁通密度分布均勻，并與極身一起支撐勵(lì)磁繞組。為了盡可能地減小渦流損耗和磁滯損耗，主磁極鐵心一般由1~1.5mm厚的低碳鋼板疊壓而成，整個(gè)磁極用螺釘固定在機(jī)座上。直流電機(jī)主磁極的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。（2）換向極。換向極主要由鐵心和繞組組成，裝在電機(jī)兩主磁極之間的幾何中心線上，又稱附加極，其主要作用是改善電機(jī)的換向性能。一般電機(jī)容量超過1kW時(shí)應(yīng)安裝換向極。（3）機(jī)座。機(jī)座通常由鑄鋼和厚鋼板焊接而成，其主要作用有兩個(gè)：一是作為電機(jī)磁路的一部分；二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等部件，起機(jī)械支承的作用。（4）電刷裝置。電刷裝置是直流電機(jī)重要的組成部分，其作用是將旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與固定不動(dòng)的外電路相連接，并與換向器相配合，把電樞中的交變電流變成電刷上的直流，或是將電刷上的直流變成電樞上的交流。2.轉(zhuǎn)子部分直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由電樞鐵心、電樞繞組和換向器組成，如圖1-5所示。（1）電樞鐵心。電樞鐵心是電機(jī)主磁路的一部分，主要用來嵌放電樞繞組。由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞與氣隙磁場間的相對運(yùn)動(dòng)將引起磁滯及渦流損耗，因此，為了減小損耗，電樞鐵心通常用兩面涂有厚度為0.5mm的絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，并固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。（2）電樞繞組。電樞繞組是直流電機(jī)的主要電路部分，由許多按一定規(guī)律連接的絕緣線圈（導(dǎo)線）組成。其主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能互相轉(zhuǎn)換的重要部件。在電機(jī)中每一個(gè)線圈為一個(gè)元件。根據(jù)連接規(guī)律的不同，電樞繞組可分為單疊繞組、復(fù)疊繞組、單波繞組和復(fù)波繞組等，電機(jī)中常見的繞組連接方式是單疊繞組和單波繞組。①單疊繞組。單疊繞組的特點(diǎn)是元件的首尾兩端分別接到相鄰的兩個(gè)換向片上，并且前一個(gè)元件的尾端與后一個(gè)元件的首端接在同一個(gè)換向片上，如圖1-6所示。

②單波繞組。單波繞組的特點(diǎn)是把在磁場中位置差不多對應(yīng)的元件連接起來，元件所連接的換向片相隔較遠(yuǎn)，如圖1-7所示。（3）換向器。換向器由許多燕尾形狀的銅質(zhì)換向片與片間云母片組成圓筒形狀套在鋼套筒上，最后用螺母壓緊構(gòu)成。其主要作用是與電刷一起將直流電動(dòng)機(jī)輸入的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組內(nèi)的交變電流，或?qū)⒅绷靼l(fā)電機(jī)電樞繞組中的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)勢，向外電路輸出直流電。二、直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)制造廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)定了電機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件，稱為額定運(yùn)行情況。表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)稱為額定值。額定值一般都標(biāo)注在電機(jī)的銘牌上，所以也稱為銘牌數(shù)據(jù)，它是正確合理使用電機(jī)的依據(jù)。除了電機(jī)的額定值以外，電機(jī)的銘牌上一般還標(biāo)有電機(jī)的工作方式、絕緣等級(jí)、防護(hù)等級(jí)，以及電機(jī)的產(chǎn)品型號(hào)、出廠編號(hào)、出廠日期等。常見的電機(jī)的銘牌上標(biāo)有以下數(shù)據(jù)：1.額定功率PN

額定功率指電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸出功率，單位為kW。對于發(fā)電機(jī)而言，額定功率指的是發(fā)電機(jī)電刷間輸出的電功率，它等于額定電壓UN

與額定電流IN

的乘積，即PN=UNIN

；對于電動(dòng)機(jī)而言，額定功率指的是電機(jī)軸上所輸出的機(jī)械功率，它等于額定電壓與額定電流的乘積再乘以電機(jī)的機(jī)械效率ηN，即PN=UNINηN。2.額定電壓UN

額定電壓指電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)電樞出線端的平均電壓，單位為V。對于發(fā)電機(jī)而言，額定電壓指的是輸出電壓；對于電動(dòng)機(jī)而言，額定電壓指的是輸入電壓。3.額定電流IN

額定電流指電機(jī)在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對應(yīng)的電流值，單位為A。

4.額定轉(zhuǎn)速nN

額定轉(zhuǎn)速指電機(jī)在額定功率下運(yùn)行時(shí)對應(yīng)額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。5.勵(lì)磁方式

勵(lì)磁方式是指直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與其電樞繞組的連接方式。根據(jù)不同的連接方式，常見的直流電機(jī)的勵(lì)磁方式有他勵(lì)、并勵(lì)、復(fù)勵(lì)和串勵(lì)等，如圖1-8所示。6.額定勵(lì)磁電流IfN

額定勵(lì)磁電流表示對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流，單位為A。7.工作方式電機(jī)一般有三種工作方式，即S1（連續(xù)工作制）、S2（短時(shí)工作制）、S3（斷續(xù)周期工作制）。8.絕緣等級(jí)

電機(jī)允許達(dá)到的最高溫度是由電機(jī)使用絕緣材料的耐熱程度決定的，絕緣材料的耐熱程度稱為絕緣等級(jí)。不同的絕緣材料，其最高允許溫度不同。電機(jī)中常用的絕緣材料分五個(gè)等級(jí)：A、E、B、F、H，其中A級(jí)絕緣耐熱程度最差，H級(jí)絕緣耐熱程度最強(qiáng)。9.防護(hù)等級(jí)

防護(hù)等級(jí)是以字母IP和其后面的兩位數(shù)表示的。IP為國際防護(hù)的英文縮寫。IP后面第一位數(shù)字代表第一種防護(hù)形式（防塵）的等級(jí)，共分七個(gè)等級(jí)。第二位數(shù)字代表第二種防護(hù)形式（防水）的等級(jí)，共分九個(gè)等級(jí)。數(shù)字越大，表示防護(hù)的能力越強(qiáng)。直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率3一、直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組切割主磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢稱為電樞電動(dòng)勢。它是指直流電機(jī)電樞繞組上正、負(fù)電刷間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)元件數(shù)目較多時(shí)，任何瞬時(shí)構(gòu)成的支路情況是相同的，且每個(gè)導(dǎo)體都分布在具有相同極性的磁極下，故可先求出每個(gè)導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值，再乘以電樞導(dǎo)體總數(shù)即為電樞電動(dòng)勢。由電磁感應(yīng)定律知，每個(gè)導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢為

ep=Bp

lv

（1-4）式中，Bp

為平均氣隙磁通密度，T。

二、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩通電的電樞在氣隙磁場中產(chǎn)生電磁力，而電磁轉(zhuǎn)矩是由電磁力產(chǎn)生的。由于電樞繞組中各元件產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩同向，因此，可以先求出每個(gè)導(dǎo)體的平均電磁力及電磁轉(zhuǎn)矩，再乘以電樞導(dǎo)體總數(shù)即為總電磁轉(zhuǎn)矩。每個(gè)導(dǎo)體在磁場中所受電磁力的大小為式中，Ia為電樞電流，A。每個(gè)導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩（單位N·m）為式中，D為電樞鐵心直徑，mm。式（1-10）左右兩端同時(shí)乘以電樞導(dǎo)體總數(shù)N可得總電磁轉(zhuǎn)矩，即

（1-11）將式（1-5）和式（1-9）代入式（1-11）可得電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

（1-12）式中，CT

為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，。通常，總電磁轉(zhuǎn)矩Tem

與磁通Φ、電樞電流Ia

成正比。轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT與電動(dòng)勢常數(shù)Ce之間的關(guān)系為三、直流電機(jī)的電磁功率由動(dòng)力學(xué)可知，機(jī)械功率為轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積。同樣，對于直流電機(jī)而言，電磁功率為電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)子角速度Ω的乘積，它反映了直流電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的功率。根據(jù)式（1-8）和式（1-12）可求得電磁功率為式（1-14）給出了電磁功率在電氣和機(jī)械兩個(gè)方面的不同表達(dá)形式，它符合能量守恒定律。其物理意義是：對于直流發(fā)電機(jī)而言，從原動(dòng)機(jī)所吸收的機(jī)械功率TemΩ全部轉(zhuǎn)換為電功率EaIa

輸出；對于直流電動(dòng)機(jī)而言，從電源所吸收的電功率EaIa

全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率TemΩ輸出。直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理4直流電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換時(shí)，必須要有能反映其內(nèi)部電磁轉(zhuǎn)換過程和內(nèi)外的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程的方程式，即基本平衡方程式?；酒胶夥匠淌街饕须妱?dòng)勢平衡方程式、功率平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式。在寫基本平衡方程式前應(yīng)定好各參量的方向，通?？梢匀我庖?guī)定。一旦定好后所有的方程式都應(yīng)按參考方向進(jìn)行計(jì)算，一般按圖1-9所示的參考方向規(guī)定，各參量的方向與規(guī)定的參考方向一致時(shí)為正，反之為負(fù)。一、電動(dòng)勢平衡方程式由基爾霍夫定律可知電樞回路的電動(dòng)勢平衡方程為

U=Ea+IaRa

（1-15）式中，U為電樞兩端的電壓，V；Ra

為電樞電阻，Ω。二、功率平衡方程式將式（1-15）兩邊同時(shí)乘以電樞電流Ia，得電源輸入功率為P1=Pem+Pcu

（1-16）式中，P1

為電源輸入功率，W；Pem

為電磁功率，W；PCu

為電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的損耗，稱為銅損耗，W。通常，電磁功率Pem可表示為Pem=P2+P0

（1-17）式中，P2

為直流電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率，W；P0

為空載損耗，W。空載損耗P0

可表示為P0=

Pmec

+PFe

+Padd

（1-18）式中，Pmec

為機(jī)械摩擦損耗，W；PFe為鐵損耗，W；Padd

為附加損耗，W。由式（1-16）、式（1-17）和式（1-18）可得

（1-19）式中，ΣP為總損耗，

，W。由此可得直流電動(dòng)機(jī)的效率為

（1-20）三、轉(zhuǎn)矩平衡方程式將式（1-17）兩邊同時(shí)除以角速度Ω，得轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

Tem=T2+

T0

（1-21）式中，Tem

為電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；T2

為電動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，N·m；T0

為空載轉(zhuǎn)矩，N·m。直流電動(dòng)機(jī)的換向5直流電機(jī)在使用過程中最常出現(xiàn)的問題是換向不良，因此，解決換向不良就成為直流電機(jī)保養(yǎng)和維修最主要的任務(wù)。良好換向的前提是電刷與換向器之間穩(wěn)定的滑動(dòng)接觸，主要是保持換向器氧化膜動(dòng)態(tài)平衡，為此必須滿足必要的機(jī)械、電氣條件和適當(dāng)?shù)奈锢?、化學(xué)因素。當(dāng)必要的機(jī)械、電氣條件不能滿足，或物理、化學(xué)因素要改變時(shí)，由于氧化膜動(dòng)態(tài)平衡的改變，滑動(dòng)接觸變得不穩(wěn)定，就會(huì)產(chǎn)生換向火花。一、換向火花產(chǎn)生的原因產(chǎn)生換向火花的原因可以歸結(jié)為下面幾個(gè)方面。1.電磁原因如果換向元件內(nèi)的合成電勢不等于零，根據(jù)電磁理論，換向元件中產(chǎn)生的附加換向電流就會(huì)造成電刷前后刷邊電流密度分布不均勻，電刷與換向片接觸或脫離時(shí)，元件內(nèi)換向附加電流并未為零，元件內(nèi)的電磁能會(huì)以火花形式釋放出來。延遲換向火花產(chǎn)生在后刷邊；超越換向火花產(chǎn)生在前刷邊。電樞繞組開焊或片間（匝間）短路都會(huì)造成電路上的不對稱，亦將造成嚴(yán)重火花。當(dāng)電樞繞組為不對稱多重繞組時(shí)，由于支路間的電勢不對稱，在換向元件中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)電勢，將產(chǎn)生空載火花，負(fù)載時(shí)將加大。電刷不在幾何中心線上時(shí)，如換向元件進(jìn)入主極區(qū)，換向元件因切割主磁通，將產(chǎn)生空載火花。2.機(jī)械原因換向器表面工作狀態(tài)不良，如換向器突片或變形、片間云母片突出、換向器表面粗糙、電樞動(dòng)平衡不好和電機(jī)振動(dòng)等都將造成電刷與換向器之間無法保持穩(wěn)定接觸，從而產(chǎn)生火花。電刷和刷握的工作狀態(tài)不良，如電刷與刷握的間隙不合適，電刷壓力不均勻、過大或過小，電刷材質(zhì)不合適和刷握結(jié)構(gòu)形式不合適等，都將影響滑動(dòng)接觸，也將產(chǎn)生火花。3.電機(jī)負(fù)載與周圍環(huán)境當(dāng)電機(jī)嚴(yán)重過載時(shí)，由于電抗電勢增加，換向極磁路飽和，電刷電流密度過大，換向火花將加大。沖擊性負(fù)載、電流變化率過高將導(dǎo)致?lián)Q向極磁通滯后，造成換向困難而產(chǎn)生火花。濕度太高或太低、溫度過高或過低、周圍存在油霧或有害性氣體和含塵量過高等都會(huì)導(dǎo)致氧化膜平衡的破壞，無法形成正常氧化膜而影響正?；瑒?dòng)接觸，進(jìn)而產(chǎn)生火花。總之，產(chǎn)生換向火花的因素很多，而很多因素又是相互影響的。在分析和檢查換向火花產(chǎn)生原因時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件來加以區(qū)分，以針對性地解決。這里主要給出了與換向器和電刷有關(guān)的問題的分析及解決方法。二、換向器的保養(yǎng)與維修方法換向火花產(chǎn)生的原因是多種多樣的，必須在復(fù)雜眾多的因素中，找到主要原因，針對性地排除故障，恢復(fù)正常的換向。尋找換向惡化的原因，通常稱換向條件正?；瘷z查，是直流電機(jī)換向事故處理的最常用方法。其原理是：一臺(tái)直流電機(jī)在剛投入運(yùn)行或過去一直運(yùn)行，換向一直是正常的，而在以后運(yùn)行過程中，換向逐漸變壞或突然惡化，說明電機(jī)在換向惡化前，其運(yùn)行狀態(tài)、滑動(dòng)接觸、電機(jī)結(jié)構(gòu)和各部件工作情況是正常的。在電機(jī)運(yùn)行過程中，某些部件的工作狀態(tài)發(fā)生了改變，從而破壞了滑動(dòng)接觸，改變了正常的換向狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)Q向的惡化。如果通過各種檢查項(xiàng)目，對影響電機(jī)換向的機(jī)械電氣條件和物理化學(xué)因素進(jìn)行全面檢查和調(diào)整，使其能恢復(fù)原來的正常狀態(tài)，則換向也能恢復(fù)正常。換向正常化檢查是采用不同的檢查方法，尋找換向事故原因并排除故障，通常包括下面幾個(gè)項(xiàng)目。1.換向器片間電阻測量當(dāng)電樞繞組發(fā)生斷線、開焊、匝間短路，或換向器發(fā)生升高片斷裂、片間短路時(shí)，造成電磁上的不對稱，將產(chǎn)生換向火花。測量片間電阻就能發(fā)現(xiàn)電機(jī)是否存在上述故障。片間電阻測量通常采用壓降法，也可以采用專用片間電阻測量儀。用壓降法測量片間電阻時(shí)，把相等的測量電流依次通入兩個(gè)相鄰換向片，并用毫伏表測量通電兩換向片間的電壓。如果電樞繞組和換向器的焊接是良好的，沒有短路開焊或斷線，則全部換向器片間電壓應(yīng)該相等（非全均壓出現(xiàn)很小變化）。片間電阻測量的最大值或最小值與平均值之比，誤差應(yīng)不大于5%。測量結(jié)果如不符合上述標(biāo)準(zhǔn)，說明電樞繞組和換向器存在開焊或短路，則故障點(diǎn)所在的換向器片間電阻與平均值之間出現(xiàn)較大差別，可以確定故障所在部位和性質(zhì)。如果電樞繞組是混合繞組（蛙繞組），由于在換向片之間構(gòu)成了復(fù)雜的等值電路，當(dāng)繞組并頭套或換向器有一處焊接不良或開焊時(shí)，片間電阻即出現(xiàn)以極對數(shù)為周期的正弦變化，其中最高峰值即為故障所在位置。相反，當(dāng)繞組和片間有短路點(diǎn)時(shí)，片間電阻變化的最低點(diǎn)即為故障所在位置。2.換向器擺度檢查換向器在長期運(yùn)行后，云母材料中有機(jī)物的揮發(fā)產(chǎn)生收縮、緊固件的松動(dòng)等使整體結(jié)構(gòu)松弛而片間壓力降低，產(chǎn)生變形和突片。當(dāng)換向器變形或偏心時(shí)，在運(yùn)行時(shí)將使電刷跳動(dòng)，滑動(dòng)接觸穩(wěn)定性受到干擾，產(chǎn)生機(jī)械性火花，嚴(yán)重時(shí)火花加大，換向器表面出現(xiàn)燒傷和氧化膜破壞，導(dǎo)致?lián)Q向惡化。高速電機(jī)和多重路繞組電機(jī)的換向，對于換向器變形更為敏感。當(dāng)電機(jī)換向火花較大，而且發(fā)現(xiàn)電刷跳動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，必須檢查換向器擺度。（1）換向器擺度測量。換向器擺度測量通常有以下兩種方法。①在低速運(yùn)行或盤車時(shí)，可用千分表直接測量。在千分表的端頭上套一個(gè)絕緣套，千分表座最好是磁吸式的，吸牢在鐵板制成的機(jī)座上。根據(jù)電機(jī)盤車時(shí)千分表指針的擺動(dòng)范圍和換向器對應(yīng)部位，即可測得換向器擺度和確定突片位置。②對于無法盤車和非低速運(yùn)行的電機(jī)，換向器的擺度可用測振儀來測量。先將測振儀進(jìn)行校準(zhǔn)，在測振探頭——拾振器的探桿上套一個(gè)絕緣套，可手持或用套圈固定拾振器，使之接觸電刷壓板或刷握的壓指，即可從測振儀讀得換向器擺度。如果將測振儀的輸出接至示波器或記錄器，即可讀得變形數(shù)值并觀察振動(dòng)波形。用測振儀測得的換向器擺度有時(shí)會(huì)有一定誤差，這是由于電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷的起伏幅度中，不僅有換向器的擺度，還包括了電刷的慣性跳動(dòng)。（2）允許擺度。在測量擺度時(shí)，應(yīng)區(qū)分是換向器原因，還是凸片（或凹片）原因。當(dāng)換向器由于變形和偏心造成擺度時(shí)，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺度是逐漸過渡的，換向片之間徑向的變化梯度較小，電刷的隨從性較好。由凸片（或凹片）造成的換向器擺度，其換向片局部位置在半徑方向的變化梯度較大，電刷隨從性不好，易引起電刷跳動(dòng)，對滑動(dòng)接觸的影響較大。當(dāng)換向器擺度超過額定值時(shí)，換向器必須進(jìn)行車削。3.換向器表面工作狀態(tài)的檢查換向器表面工作狀態(tài)是保持良好滑動(dòng)接觸的重要因素之一。換向火花較大時(shí)，必須檢查換向器表面狀態(tài)，換向器云母片質(zhì)量不好、云母片突出、換向片倒棱不直均會(huì)引起換向火花；換向器表面出現(xiàn)條紋、斑紋也會(huì)使換向火花加大；云母溝中積存碳粉和換向片擠銅產(chǎn)生銅毛刺會(huì)產(chǎn)生換向火花和閃絡(luò)。如果發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象，必須立即清理換向器表面，使其工作狀態(tài)恢復(fù)正常。有害的換向火花會(huì)造成換向器表面燒傷，除一般燒傷外，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的燒傷。通常燒傷的規(guī)律有重路數(shù)型、極距型、槽距型等，這時(shí)必須分析換向火花產(chǎn)生的電磁原因，找出問題并加以解決。三、電刷的保養(yǎng)與維修方法1.電刷中性面的檢查直流電機(jī)電刷中性面位置，一般應(yīng)嚴(yán)格在主磁極幾何中心線上，對于大型電機(jī)、可逆運(yùn)行電機(jī)和高速電機(jī)尤其如此。因?yàn)楫?dāng)電刷偏離主極中性面時(shí)，換向?qū)l(fā)生超前或延遲?？v軸電樞會(huì)使電機(jī)的外特性發(fā)生變化，對可逆運(yùn)行電機(jī)來說，兩個(gè)轉(zhuǎn)向下轉(zhuǎn)速不同，外特性不同，兩個(gè)轉(zhuǎn)向的換向強(qiáng)弱也不同。在電刷偏離中性面位置較大時(shí)，由于換向元件進(jìn)入主極磁通區(qū)，電機(jī)將產(chǎn)生空載火花。電刷中性面檢查方法如下：將全部電刷篩起，在勵(lì)磁繞組出線端上連接一組蓄電池和一個(gè)刀閘開關(guān)，再用毫伏表依次測量相隔一個(gè)極距的換向片，當(dāng)切斷和閉合開關(guān)時(shí)，毫伏表上指針將要擺動(dòng)，毫伏表讀數(shù)最小位置所對應(yīng)換向片位置，即為電刷中性面的位置。在中性面確定后，將刷架或刷焊座圈固定螺釘松開，移動(dòng)刷回使刷握中心線與中性面對正，此時(shí)再緊固固定螺釘，并用漆在機(jī)座與刷上做好標(biāo)志。應(yīng)該注意的是中性面檢查應(yīng)在刷距、極距調(diào)整后進(jìn)行，以減少誤差。2.刷距、極距和氣隙的檢查與調(diào)整直流電機(jī)各排電刷之間的距離、主極之間和換向極之間的距離應(yīng)力求相等。因?yàn)樗⒕嗪蜆O距不等會(huì)造成各排電刷下被短路的元件在磁場中的位置不一樣，換向極磁場和換向元件電抗電勢波形不重合，造成電磁上的不對稱，各個(gè)刷架下火花不等會(huì)使電機(jī)換向不正常。（1）刷距的檢查與調(diào)整。刷距誤差通常為±0.5mm，一般用鋪紙等方法來檢查和調(diào)整，方法如下：首先將電機(jī)上一排刷架電刷位置調(diào)整好，使這排電刷邊緣正好與一個(gè)換向片邊緣相重合，然后在換向器表面鋪一張紙，在接縫處做好搭接標(biāo)記后取下，將紙以極數(shù)進(jìn)行等分。畫好等分線后，再鋪在換向器上，使調(diào)整好刷焊和刷握墊片，使每個(gè)刷架刷握中電刷的邊緣正好壓在一條等分線上，再將全部電刷落下，電刷邊緣與等分的距離就是刷距等分的誤差。如將全部電刷按等分線調(diào)整，則可糾正刷距誤差。應(yīng)該注意，在調(diào)整刷桿和刷握墊片時(shí)，應(yīng)使刷握離換向器表面距離符合要求。（2）極距的檢查和調(diào)整。由于磁極固定螺釘在運(yùn)行后松動(dòng)，極距分布將出現(xiàn)誤差，極距允許誤差為±0.75mm。極距較準(zhǔn)確的測量一般采用磁極極靴上畫中心線，再用游標(biāo)卡尺和卡鉗等進(jìn)行測量。當(dāng)電機(jī)裝配完后，電樞不能抽出的情況下，可以用卡鉗測量極靴邊緣之間的距離，也可以測量出極距等分誤差。（3）氣隙的檢查與調(diào)整。直流電機(jī)各主極和各換向極與電樞間隙（δ）必須均等，如氣隙不均，則各極下磁阻不等，在相同的勵(lì)磁磁勢下磁通量不相等，在部分刷架下火花就會(huì)較大。同時(shí)，由于主極下磁通量不等，還將出現(xiàn)電樞繞組內(nèi)環(huán)流和單邊磁拉力，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行后，由于機(jī)座變形、軸承磨損等原因，均會(huì)出現(xiàn)氣隙不均問題。為使定子和電樞間的氣隙沿圓周各點(diǎn)保持均勻，設(shè)計(jì)規(guī)定允許誤差如下：當(dāng)δ≤3mm時(shí)，允許誤差為±10%；當(dāng)δ>3mm時(shí)，允許誤差為±5%。氣隙的測量可采用塞尺進(jìn)行。在對氣隙進(jìn)行測量時(shí)，極靴和電樞表面的漆膜必須刮去，測量處必須直接接觸電樞和極靴疊片。此外，對于大中型直流電機(jī)，要防止鐵心圓度不準(zhǔn)確和轉(zhuǎn)軸彎曲造成氣隙值偏差。為得到準(zhǔn)確的氣隙平均值，應(yīng)將轉(zhuǎn)子位置每次盤車90°，共測量4次。3.電刷與刷握工作性能的檢查（1）電刷彈簧壓力的調(diào)整。合適的電刷壓力是保持滑動(dòng)接觸的重要條件：電刷壓力過小，造成電刷跳動(dòng)和接觸壓降不穩(wěn)定；壓力過大則可能造成電刷機(jī)械磨損增加，換向器溫升增高，電刷壓力不均勻，會(huì)造成各電刷之間電流分布不均和個(gè)別電刷的火花。電刷彈簧壓力一般應(yīng)保持在16~24kPa，而且電刷間的壓力差不超過±10%。電刷的壓力與電刷材質(zhì)和換向器表面圓周速度有關(guān)，應(yīng)合理選定。電刷彈簧壓力測定方法如下：用彈簧秤在電刷提起方向鉤起電刷壓指，在電刷下墊一紙片，當(dāng)紙片能被輕輕拉出時(shí)，彈簧秤的讀數(shù)就是電刷彈簧壓力。（2）刷握間隙的檢查。電刷與刷握的配合應(yīng)保持合適間隙并應(yīng)符合一定公差。間隙過大，電刷在刷握內(nèi)晃動(dòng)，影響接觸的穩(wěn)定，有時(shí)還產(chǎn)生“啃邊”現(xiàn)象；間隙過小，影響電刷在刷握內(nèi)的自由滑動(dòng)，甚至被“卡死”。（3）刷握離換向器表面距離的檢查。由于刷架和刷握固定螺釘?shù)淖冃危⑽针x換向器表面距離將會(huì)發(fā)生變化。刷握離換向器表面距離應(yīng)保持在（2.5±0.5）mm范圍內(nèi)。刷握離換向器表面距離與電刷應(yīng)保持一定，這與防止振動(dòng)有很大關(guān)系。雙斜刷握與換向器表面距離還會(huì)影響電刷寬度，當(dāng)距離過大時(shí)，電刷將產(chǎn)生“頂角”，影響工作。刷握距離可用厚度為2~3mm的絕緣板進(jìn)行檢查，當(dāng)距離超過允許值時(shí)，可用2.5mm厚絕緣板墊在刷握下，作為調(diào)整基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。（4）電刷材質(zhì)和鏡面檢查。電刷型號(hào)是否符合要求，鏡面是否出現(xiàn)異常，在換向火花較大時(shí)必須檢查。電刷是構(gòu)成滑動(dòng)接觸的主要部件，電刷材質(zhì)和工作狀態(tài)對換向影響很大，若電刷牌號(hào)不合適或工作狀態(tài)不正常，將影響滑動(dòng)接觸，或造成換向惡化。不同型號(hào)的電刷最好不要混用。電刷鏡面在換向正常時(shí)是平滑光亮的。換向火花較大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)霧狀和灼痕。當(dāng)電刷中含有碳化硅和金剛砂等雜質(zhì)時(shí)，鏡面中會(huì)出現(xiàn)白色斑點(diǎn)或在旋轉(zhuǎn)方向留下細(xì)溝。濕度過大或有酸性氣體，電刷表面將出現(xiàn)鍍銅現(xiàn)象。技能訓(xùn)練?直流電機(jī)的參數(shù)測定1.實(shí)訓(xùn)目的（1）掌握直流電機(jī)參數(shù)的測定方法，用伏安法測量直流電機(jī)的冷態(tài)電樞回路電阻和勵(lì)磁回路電阻。（2）進(jìn)一步加深對直流電機(jī)兩個(gè)回路的理解。2.實(shí)訓(xùn)工具和儀表（1）直流電機(jī)：220V，12.4A，1500r/min。（2）滑動(dòng)變阻器：300Ω，3A。（3）電壓表：300V/75V。（4）直流電流表：30A。（5）功率表：5A，300V。（6）轉(zhuǎn)速計(jì)：測量轉(zhuǎn)速。（7）導(dǎo)線若干，開關(guān)，電叉。3.實(shí)訓(xùn)方法和步驟（1）伏安法測直流電機(jī)電樞繞組冷態(tài)電阻。圖1-10為實(shí)驗(yàn)接線圖，具體步驟如下。①按實(shí)驗(yàn)接線圖將各元器件可靠連接。測量電樞繞組時(shí)，不接入勵(lì)磁繞組。②測量室溫和電機(jī)鐵心溫度并記錄，兩者比較確認(rèn)電機(jī)處于冷態(tài)。③將滑動(dòng)變阻器R調(diào)至最大值，然后接通電源，調(diào)節(jié)R使實(shí)驗(yàn)電流為變阻器額定電流（3A），測量此時(shí)繞組的電壓值和電流值，并記錄于表1-1中。④將繞組旋轉(zhuǎn)120°機(jī)械角，重復(fù)測量一次并記錄，之后再將繞組旋轉(zhuǎn)120°測量一次并記錄。（2）伏安法測直流電機(jī)勵(lì)磁繞組冷態(tài)電阻。圖1-11為實(shí)驗(yàn)接線圖，具體步驟如下。①按實(shí)驗(yàn)接線圖將各元器件可靠連接。測量勵(lì)磁繞組時(shí)，不接入電樞繞組。②將滑動(dòng)變阻器R調(diào)至最大值，然后接通電源，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R使實(shí)驗(yàn)電流接近勵(lì)磁電流額定值，測量此時(shí)繞組電壓值和電流值，并記錄于表1-2中。5.注意事項(xiàng)（1）在測量直流電機(jī)冷態(tài)電樞電阻時(shí)，為防止因?qū)嶒?yàn)電流過大而引起繞組的溫度上升，應(yīng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使實(shí)驗(yàn)電流不超過電機(jī)額定電流的10%。（2）測試過程中應(yīng)高度重視人身安全，一定要在確認(rèn)無人觸碰裸露導(dǎo)線、接線端子的情況下方能合閘供電。當(dāng)要改接導(dǎo)線或進(jìn)行其他涉電操作時(shí)，首先應(yīng)斷開電源。（3）注意保護(hù)設(shè)備、儀器不受損害，接線完畢后應(yīng)仔細(xì)檢查，防止錯(cuò)接漏接，嚴(yán)格按照設(shè)備、儀器操作規(guī)程進(jìn)行操作，嚴(yán)禁擅自改變測量方案，嚴(yán)禁進(jìn)行不熟悉的操作。思考與練習(xí)1.直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要包括哪兩大部分？它們的作用主要是什么？2.一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)額定功率PN=180kW，額定電壓UN=230V，效率ηN=89.5%，求額定輸入功率和額定電流。3.為什么一臺(tái)直流電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行又可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行？4.已知某直流電動(dòng)機(jī)的額定功率PN=240kW，額定電壓UN=460V，額定轉(zhuǎn)速nN=600r/min，試求該電動(dòng)機(jī)的額定電流。思考與練習(xí)5.已知某直流發(fā)電機(jī)的額定功率PN=10kW，額定電壓UN=230V，額定轉(zhuǎn)速nN=2850r/min，效率ηN=85%，求它的額定電流及額定負(fù)載時(shí)的輸入功率。6.如何判斷直流電機(jī)是運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)還是電動(dòng)機(jī)狀態(tài)？能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如何？7.為什么直流電機(jī)的電樞中的電流是交變電流？直流電機(jī)的換向器是如何將交變電流轉(zhuǎn)換成電刷上的直流電的？謝謝欣賞THANKYOUFORWATCHING第二章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)機(jī)械作為負(fù)載，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的方式稱為電力拖動(dòng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，并且通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械和電源五部分組成。電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（或直接）驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動(dòng)方式后，再傳給生產(chǎn)機(jī)械（有些情況下，電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，而不需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）。生產(chǎn)機(jī)械是執(zhí)行某一生產(chǎn)任務(wù)的機(jī)械設(shè)備，是電力拖動(dòng)的對象?？刂圃O(shè)備由各種控制元器件組成，用以控制電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械的控制。為了向電動(dòng)機(jī)及電氣控制設(shè)備供電，電源是不可缺少的。本章主要介紹電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式、機(jī)械特性、啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速等內(nèi)容。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性和機(jī)械特性2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)4目錄CONTENTS他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速5電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式多數(shù)情況下，電力拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，而生產(chǎn)機(jī)械作為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，如機(jī)床、起重機(jī)械、風(fēng)機(jī)、泵等，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩一般為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指連接電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的裝置。如果忽略電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩T0，根據(jù)牛頓第二定律可知，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為式中，Tem為電動(dòng)機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；TL

為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；J為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Ω為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s。

在實(shí)際工程計(jì)算中，一般用轉(zhuǎn)速n代替角速度Ω來表示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，用飛輪慣量或稱飛輪矩GD2

來代替轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J來表示系統(tǒng)的機(jī)械慣性，Ω與n、J與GD2

的關(guān)系為式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；m與G為旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量和重量，kg與N；r與D為慣性半徑與直徑，m；g為重力加速度，m/s2。把式（2-2）、式（2-3）代入式（2-1）中，可得運(yùn)動(dòng)方程式的實(shí)用形式：式中，GD2

為旋轉(zhuǎn)體的飛輪矩，N·m2。應(yīng)注意，式（2-4）中的375具有加速度量綱；而飛輪矩GD2

是反映物體旋轉(zhuǎn)慣性的一個(gè)整體物理量，電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的飛輪矩GD2

可以從產(chǎn)品樣本和有關(guān)設(shè)計(jì)資料中查到。由式（2-4）可知，系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可分為以下三種狀態(tài)。二、電力拖動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式表明電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)（加速、減速和勻速）由電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem

和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

的共同作用來決定。要對運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行求解，除了要知道電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f(Tem)外，還需要知道負(fù)載的機(jī)械特性n=f(TL)。負(fù)載的機(jī)械特性也稱負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，簡稱負(fù)載特性。下面首先介紹生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性。不同類型的生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性基本上可分為以下三大類。1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

的大小與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，即無論轉(zhuǎn)速如何變化，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩大小都保持不變。根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向是否與轉(zhuǎn)向有關(guān)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又可分為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是：負(fù)載的大小恒定不變，而負(fù)載的方向總是與轉(zhuǎn)速的方向相反，即負(fù)載的性質(zhì)總是起反抗運(yùn)動(dòng)作用的阻轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。顯然，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線在第一和第三象限內(nèi)，如圖2-1（a）所示。皮帶運(yùn)輸機(jī)、軋鋼機(jī)、機(jī)床的刀架平移和行走機(jī)構(gòu)等由摩擦力產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩的機(jī)械都屬于反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是：無論轉(zhuǎn)速如何改變，負(fù)載的大小和方向都恒定不變。如起重機(jī)，無論是提升重物還是下放重物，由物體重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小和方向都是始終不變的。因此，位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性曲線位于第一和第四象限，如圖2-1（b）所示。2.恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載的特點(diǎn)是：負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即

常數(shù)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和轉(zhuǎn)速n成反比。恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性曲線是一條雙曲線，如圖2-2所示。

某些生產(chǎn)工藝過程要求具有恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性。例如，車床的切削，粗加工時(shí)需要較大的吃刀量和較低的轉(zhuǎn)速，精加工時(shí)需要較小的吃刀量和較高的轉(zhuǎn)速；又如，軋鋼機(jī)軋制鋼板時(shí)，小工件需要高速度低轉(zhuǎn)矩，大工件需要低速度高轉(zhuǎn)矩。這些工藝要求都是恒功率負(fù)載特性。3.風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、水泵、油泵、螺旋槳等機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即TL∝kn2，其中k是比例常數(shù)。這類負(fù)載的負(fù)載特性曲線是一條拋物線，如圖2-3中曲線1所示。以上介紹的幾種負(fù)載特性是由各種實(shí)際負(fù)載中概括出來的典型負(fù)載特性。實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性可能是以上幾種典型特性的結(jié)合。例如，實(shí)際的通風(fēng)機(jī)不僅具有風(fēng)機(jī)負(fù)載的特性，由于其軸承上還有一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，因而實(shí)際通風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性如圖2-3中曲線2所示。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性和機(jī)械特性2一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指電壓U=UN（常數(shù)）、電樞回路不串入附加電阻、勵(lì)磁電流If=IfN（常數(shù)）時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Tem

和效率η三者與輸出功率P2

之間的關(guān)系，用曲線n=f(P2)、Tem=f(P2)、η=f(P2)表示。實(shí)際運(yùn)行中，由于電樞電流Ia比較容易測量，且Ia

與P2

成正比改變，因此，一般用曲線n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、η=f(Ia)表示他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。1.轉(zhuǎn)速特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定電壓UN

和額定勵(lì)磁電流IfN

狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關(guān)系，用曲線n=f(Ia)表示，如圖2-4中曲線1所示。由得轉(zhuǎn)速公式為（2-5）當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P2

增大，輸入功率P1

也隨之增大。因?yàn)槎穗妷翰蛔?，電樞電流Ia

增大，轉(zhuǎn)速n減小，所以轉(zhuǎn)速特性曲線是一條略微向下傾斜的直線。2.轉(zhuǎn)矩特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定電壓UN

和額定勵(lì)磁電流IfN狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系，用曲線Tem=f(Ia)表示，如圖2-4中曲線3所示。由式（1-12）可知，當(dāng)磁通Φ恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。由于電磁轉(zhuǎn)矩上升的速率比電流要慢一些，因此，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)矩特性曲線為一條斜率逐漸下降的曲線。3.效率特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率特性是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定電壓UN

和額定勵(lì)磁電流IfN狀態(tài)時(shí)，效率與電樞電流的關(guān)系，用曲線η=f(Ia)表示，如圖2-4中曲線2所示。由基本平衡方程式分析知當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流Ia

增大時(shí)，效率很快上升，但是當(dāng)電樞電流Ia

增大到一定值時(shí)，電樞繞組的銅損耗隨著電樞電流Ia

的增大快速增加，從而導(dǎo)致效率下降。故他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率特性曲線是一條先上升后下降的曲線。二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem

之間的關(guān)系，用曲線n=f(Tem)表示，如圖2-5所示。它是電動(dòng)機(jī)機(jī)械性能的主要表現(xiàn)，是分析電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等問題的重要工具。將直流電動(dòng)機(jī)的電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式代入直流電機(jī)電動(dòng)勢平衡方程式中，可以得到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為式中，R為電樞回路總電阻，R=Ra+RS，RS

為電樞回路串聯(lián)電阻，Ra

為電樞電阻；n0

為電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0時(shí)的轉(zhuǎn)速，稱為理想空載轉(zhuǎn)速，在實(shí)際情況下，由于電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩都不等于零，因此，實(shí)際空載轉(zhuǎn)速略小于理想空載轉(zhuǎn)速，；β為機(jī)械特性曲線斜率，；Δn為轉(zhuǎn)速降，?n=βTem

。由?n=βTem

可知，轉(zhuǎn)速降Δn與機(jī)械特性曲線的斜率β成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由零逐漸增大時(shí)，轉(zhuǎn)速從n0

開始逐漸下降，其下降的數(shù)值即為轉(zhuǎn)速降Δn。通常在β較大時(shí)稱電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較軟，β較小時(shí)稱電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬。2.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源電壓和勵(lì)磁磁通為額定值，且電樞回路不串聯(lián)電阻時(shí)的機(jī)械特性，其表達(dá)式為3.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性相對應(yīng)的是人為機(jī)械特性。人為機(jī)械特性是指當(dāng)人為地改變電源電壓、勵(lì)磁磁通或者電樞回路串電阻時(shí)得到的機(jī)械特性。本章的第五節(jié)中會(huì)對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性進(jìn)行詳細(xì)分析。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3啟動(dòng)是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須先給勵(lì)磁回路通入額定勵(lì)磁電流，然后給電樞回路通入電壓。由直流電機(jī)的電動(dòng)勢平衡方程式可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定電壓UN下運(yùn)行時(shí)，電樞電流Ia

為式中，Ea為電樞電動(dòng)勢，V。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=0，感應(yīng)電動(dòng)勢Ea=CeΦn=0，此時(shí)電樞電流Ia即為啟動(dòng)電流。由于電樞電阻Ra較小，在額定電壓下啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動(dòng)機(jī)的最大允許電流，這樣會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。因此，直流電動(dòng)機(jī)一般不能直接啟動(dòng)，常常需要給電樞回路串入電阻再通電啟動(dòng)或者采用降低啟動(dòng)電壓的方式啟動(dòng)。一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁電流和額定電樞電壓下直接啟動(dòng)時(shí)，在啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，電樞電動(dòng)勢Ea=0，則電樞電流Ia

為啟動(dòng)電流Ist，電磁轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。此時(shí)，由直流電機(jī)電動(dòng)勢平衡方程式可得電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流和電磁轉(zhuǎn)矩為因?yàn)殡姌欣@組的電阻很小，故由式（2-10）可知，此時(shí)的啟動(dòng)電流較大，通常Ist=?(10~20)

IN

。過大的啟動(dòng)電流一方面會(huì)使電動(dòng)機(jī)在換向時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的火花，甚至形成環(huán)火；另一方面會(huì)使電樞繞組因過熱而燒毀。同時(shí)，大電流產(chǎn)生的大轉(zhuǎn)矩會(huì)損壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，除了小容量的電動(dòng)機(jī)允許直接啟動(dòng)外，普通容量和大容量的直流電動(dòng)機(jī)均不允許直接啟動(dòng)。通常采取增加啟動(dòng)設(shè)備或限制電流的措施來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程。一般直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有如下要求。（1）要有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般Tst≥?(1.1~1.2)

TN

。（2）啟動(dòng)電流要限制在一定范圍之內(nèi)。（3）啟動(dòng)設(shè)備簡單、可靠。由式（2-10）可知，啟動(dòng)時(shí)限制電流的方法有兩種：一是增加電樞回路電阻；二是降低電樞電壓。二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng)電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下啟動(dòng)時(shí)，在其電樞回路中串入分級(jí)電阻，在啟動(dòng)過程中將分級(jí)電阻逐個(gè)斷開，啟動(dòng)結(jié)束時(shí)分級(jí)電阻全部斷開。圖2-6所示為電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng)的原理圖。啟動(dòng)時(shí)，觸頭KM1、KM2、KM3斷開，分級(jí)電阻全部串入電樞回路。在啟動(dòng)過程中，依次閉合觸頭KM3、KM2、KM1。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，觸頭KM1、KM2、KM3全部閉合，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng)的機(jī)械特性如圖2-7所示。現(xiàn)結(jié)合機(jī)械特性曲線分析其啟動(dòng)過程。啟動(dòng)時(shí)，斷開觸頭KM1、KM2、KM3，分級(jí)電阻全部串聯(lián)入電樞回路，啟動(dòng)電流Ist

為式中，R為串聯(lián)分級(jí)電阻后電樞回路的總電阻,

啟動(dòng)瞬間的機(jī)械特性為圖2-7中曲線1上的a點(diǎn)。由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，因此，電動(dòng)機(jī)開始加速，電樞電動(dòng)勢Ea

逐漸增大，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小，工作點(diǎn)沿曲線1箭頭方向上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到n1

時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)對應(yīng)曲線1上的b點(diǎn)（此時(shí)電流降為I′st，轉(zhuǎn)矩降為T′st）。閉合觸頭KM3，切除電阻Rst3

的瞬間，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不會(huì)突變，所以工作點(diǎn)由曲線1上的b點(diǎn)沿水平方向平移到曲線2上的c點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)又處于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Tst1）大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩（TL）的狀態(tài)，工作點(diǎn)沿曲線2箭頭方向再次上升。同理，當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)d點(diǎn)和f點(diǎn)時(shí)，依次閉合觸頭KM2、KM1，切除電阻Rst2、Rst1，當(dāng)啟動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于曲線4上的h點(diǎn)。一般情況下，在電樞繞組串聯(lián)電阻啟動(dòng)的過程中，電阻的切除過程全部由自動(dòng)控制設(shè)備完成。電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、可靠，缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)電阻消耗的電能較多，效率較低。三、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的降壓啟動(dòng)降壓啟動(dòng)是指啟動(dòng)前降低電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓，以減小啟動(dòng)電流Ist的啟動(dòng)方法，當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時(shí)可以采用此方法。降壓啟動(dòng)的機(jī)械特性如圖2-8所示。啟動(dòng)時(shí)，通過降低電源電壓，使啟動(dòng)電流限制在電動(dòng)機(jī)允許范圍內(nèi)。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電樞電動(dòng)勢Ea逐漸增大，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小，工作點(diǎn)沿圖2-8中曲線1箭頭方向開始上升。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，升高電源電壓，使電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩增大到一定數(shù)值。由于在升高電壓的瞬間轉(zhuǎn)速不能突變，因此，工作點(diǎn)由曲線1上的a點(diǎn)平移到曲線2的b點(diǎn)。此時(shí)，由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst1

大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，因此，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿曲線2箭頭方向繼續(xù)上升。同理，當(dāng)電源電壓升到額定值時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于圖2-8中的e點(diǎn)。降壓啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)過程快、平穩(wěn)，而且能量損耗?。蝗秉c(diǎn)是需要專用電源設(shè)備，投資大。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)4電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)主要分為機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩大類，這里主要考慮電氣制動(dòng)過程。電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem

與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，電動(dòng)機(jī)由運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)的過程。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Tem

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。常見的電氣制動(dòng)方法有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)把拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并消耗在電樞回路的電阻上，直到電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。圖2-9為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)電路原理圖。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，觸頭KM閉合、KM1斷開。能耗制動(dòng)時(shí)，觸頭KM斷開、KM1閉合，能耗電阻Rb接入電樞回路，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)為制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械慣性力的拖動(dòng)而發(fā)電（當(dāng)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行），動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并消耗在電阻Ra+Rb

上，直到電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。將UN=0，Φ=ΦN，R=Ra+Rb

代入電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式，可知能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性為由式（