電機(jī)與拖動(dòng)復(fù)習(xí)

本章教學(xué)基本要求：1.了解直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)，注意換向器和電刷的作用；2.熟悉直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)基本工作原理，熟悉電樞反應(yīng)，理解感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換要素的物理意義，掌握求解它們的計(jì)算方法；3.掌握直流電機(jī)的運(yùn)行原理，電勢(shì)、轉(zhuǎn)矩平衡方程式，以及不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)的工作特性；4.了解直流電機(jī)的換向。第1頁(yè)/共165頁(yè)重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：直流電機(jī)的基本平衡方程式和工作特性。難點(diǎn)：電樞反應(yīng)。第2頁(yè)/共165頁(yè)本次課程教學(xué)要求了解直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)熟悉直流電機(jī)的額定值掌握直流電機(jī)基本工作原理第3頁(yè)/共165頁(yè)機(jī)電能量關(guān)系直流電機(jī)（dcmachines）是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能或?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置。把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的直流電機(jī)稱(chēng)為直流發(fā)電機(jī)(dcgenerators

)。把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的直流電機(jī)稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)(dcmotor

)。第4頁(yè)/共165頁(yè)1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1.1.1直流電機(jī)的基本工作原理1、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上的。（下面用簡(jiǎn)單直流電機(jī)模型來(lái)說(shuō)明工作原理）第5頁(yè)/共165頁(yè)圖1-1直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理第6頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明給勵(lì)磁繞組(theexcitingwinding)通入直流電，使在空中固定不動(dòng)的主磁極呈現(xiàn)上為N極、下為S極（主磁極也可以是永久磁鐵做成）。在N和S極之間有電樞，電樞鐵芯上安放著由A和X兩根導(dǎo)體組成的電樞線(xiàn)圈，線(xiàn)圈的首端（A）和末端（X）分別連在兩個(gè)相互絕緣的半圓形銅質(zhì)換相片上，換相片形成的整體稱(chēng)為換相器。換相器固定在轉(zhuǎn)軸上，且與轉(zhuǎn)軸絕緣。換相片上安放著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，電刷能與外電路連接。第7頁(yè)/共165頁(yè)氣隙磁密分布圖1-2a)氣隙磁密分布波形圖第8頁(yè)/共165頁(yè)定子、轉(zhuǎn)子和氣隙定子(stator)

在空中固定不動(dòng)的部分（主磁極、電刷等）稱(chēng)為定子。轉(zhuǎn)子(rotor)

隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的部分（線(xiàn)圈、電樞鐵芯、換相器等）稱(chēng)為轉(zhuǎn)子（或稱(chēng)電樞(armature)

）氣隙(airgap)

定、轉(zhuǎn)子之間有一空隙，稱(chēng)為氣隙。第9頁(yè)/共165頁(yè)

當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)體切割磁力線(xiàn)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，大?。篹=Bxlv（V）其中：Bx——導(dǎo)體所在處的磁通密度（Wb/m2）,l——導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度（m），

v——導(dǎo)體的線(xiàn)速度（m/s）。發(fā)電機(jī)工作情況第10頁(yè)/共165頁(yè)感應(yīng)電勢(shì)方向感應(yīng)電勢(shì)方向由右手定則判定：伸開(kāi)右手使大拇指與四指呈90°，當(dāng)磁力線(xiàn)指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則四指的指向?yàn)閷?dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)方向。第11頁(yè)/共165頁(yè)分析ωt=0°時(shí)，A端為☉，與之相接觸的電刷B1為+，X端為⊕，與之相接觸的電刷B2為-；當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)了180°后，即ωt=180°時(shí)，X端旋轉(zhuǎn)到N極下，X端為☉，A端旋轉(zhuǎn)到S極下，A端為⊕。圖1-2a)線(xiàn)圈AX地感應(yīng)電勢(shì)波形圖第12頁(yè)/共165頁(yè)換向器作用CommutatorAction從分析中可得出：

N極下導(dǎo)體電勢(shì)指向紙外，電刷B1總為+；S極下導(dǎo)體電勢(shì)指向紙內(nèi)，電刷B2總為-，不難看出，線(xiàn)圈中的電勢(shì)是交流電勢(shì)，而通過(guò)換向器的作用，使電刷間的電勢(shì)為直流電勢(shì)。第13頁(yè)/共165頁(yè)換向器和電刷作用(brush)換向器和電刷的共同作用：①將線(xiàn)圈中的交流電勢(shì)整流成刷間的直流電勢(shì)；②把轉(zhuǎn)動(dòng)的電路與外面不轉(zhuǎn)的電路連接。從刷間電勢(shì)波形看，電勢(shì)脈動(dòng)很大，為了減小電勢(shì)的脈動(dòng)程度，實(shí)際電機(jī)采用很多元件組成電樞線(xiàn)圈，均勻分布在電樞表面，并按一定規(guī)律連接，刷間串聯(lián)元件數(shù)增多，脈動(dòng)減小，就得到所需的直流電。第14頁(yè)/共165頁(yè)圖1-2b)電刷B1與B2間的電動(dòng)勢(shì)波形圖電刷B1與B2間的電動(dòng)勢(shì)波形

第15頁(yè)/共165頁(yè)2、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理將直流電加到電刷上（B1為+、B2為-），線(xiàn)圈AX上就有電流通過(guò)（A端為⊕、X端為☉），根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受力，大小為：f=Bxli（N），其中i為流過(guò)導(dǎo)體中的電流（A），方向由左手定則確定，伸開(kāi)左手使大拇指與四指呈90°，當(dāng)磁力線(xiàn)指向手心，四指的指向?yàn)閷?dǎo)體中電流方向，則大拇指指向?qū)w受力方向。第16頁(yè)/共165頁(yè)在電動(dòng)機(jī)中換向器和電刷的作用換向器和電刷的共同作用是：①將刷間的直流電逆變成線(xiàn)圈中的交流電；②把外面不轉(zhuǎn)的電路與轉(zhuǎn)動(dòng)的電路連接。第17頁(yè)/共165頁(yè)直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖

圖1-3直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖第18頁(yè)/共165頁(yè)直流機(jī)結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第19頁(yè)/共165頁(yè)1.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由兩大部分組成：定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部分或稱(chēng)電樞）。第20頁(yè)/共165頁(yè)1、定子定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機(jī)座等組成。主磁極由主極鐵芯和勵(lì)磁繞組組成，鐵芯用1~1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵(lì)磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)，它總是成對(duì)出現(xiàn)，N、S極交替排列。換向極也由鐵芯和繞組組成，鐵芯一般是由整塊鋼組成，換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機(jī)的換向。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是連接轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止之間的電路。機(jī)座作用是固定主磁極等部件，同時(shí)也是磁路的一部分。第21頁(yè)/共165頁(yè)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1-4直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖第22頁(yè)/共165頁(yè)圖1-5主磁極與換向極示意圖圖1-6電刷裝置圖主磁極、換向極、電刷裝置示意圖第23頁(yè)/共165頁(yè)2、轉(zhuǎn)子（電樞）轉(zhuǎn)子由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等組成。電樞鐵芯一般用0.5mm涂過(guò)絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時(shí)它又是電機(jī)主磁路的一部分。第24頁(yè)/共165頁(yè)電樞繞組電樞繞組由絕緣導(dǎo)線(xiàn)繞制成的線(xiàn)圈（又稱(chēng)繞組元件）按一定規(guī)律聯(lián)接組成，每個(gè)元件兩個(gè)有效邊分別嵌放在電樞鐵芯表面的槽內(nèi)，元件的兩個(gè)出線(xiàn)端分別與兩個(gè)換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。第25頁(yè)/共165頁(yè)換向器換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。第26頁(yè)/共165頁(yè)換向片和換向器

圖1-7換向片和換向器第27頁(yè)/共165頁(yè)3、氣隙為了使電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子之間要留有一定大小的間隙，此間隙稱(chēng)為氣隙，它是主磁路的一部分。第28頁(yè)/共165頁(yè)課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流電機(jī)基本工作原理；換向器和電刷的作用。2.直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)預(yù)習(xí)直流電機(jī)繞組(極軸線(xiàn)、幾何中線(xiàn)、極距、繞組元件、繞組節(jié)距等。3.預(yù)習(xí)電樞反應(yīng)和直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)。4.預(yù)習(xí)直流機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)。第29頁(yè)/共165頁(yè)1.1.3直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)(額定值)為使用戶(hù)正確使用電機(jī)，電機(jī)制造廠(chǎng)在每臺(tái)電機(jī)的機(jī)座上都釘一塊金屬牌，上面標(biāo)有電機(jī)的工作條件和根據(jù)國(guó)標(biāo)制定的額定數(shù)據(jù)（又稱(chēng)額定值），該標(biāo)牌稱(chēng)為銘牌，如圖所示。直流電機(jī)銘牌直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z2－72產(chǎn)品編號(hào)7001結(jié)構(gòu)類(lèi)型____勵(lì)磁方式他勵(lì)功率22kW勵(lì)磁電壓220V電壓220V工作方式連續(xù)電流116.3A絕緣等級(jí)B級(jí)轉(zhuǎn)速1500r/min重量__kg標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)JB1104-68出廠(chǎng)日期__年__月第30頁(yè)/共165頁(yè)直流電機(jī)的額定值包括：額定容量PN額定電壓UN額定電流IN額定轉(zhuǎn)速nN額定效率額定轉(zhuǎn)矩TN額定溫升額定勵(lì)磁電流IfN第31頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電機(jī)各物理量在額定值時(shí)的運(yùn)行，稱(chēng)為額定運(yùn)行。電機(jī)處于額定運(yùn)行狀態(tài)，具有良好的性能，工作可靠。當(dāng)電機(jī)電流小于額定電流時(shí)的運(yùn)行，稱(chēng)為欠載運(yùn)行，電機(jī)長(zhǎng)期欠載，效率不高，造成浪費(fèi)；當(dāng)電機(jī)電流大于額定電流時(shí)的運(yùn)行，稱(chēng)為過(guò)載運(yùn)行，長(zhǎng)期過(guò)載，使電機(jī)過(guò)熱，降低使用壽命甚至損壞電機(jī)。所以額定值是選擇電機(jī)的依據(jù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇電機(jī)容量，使電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)。第32頁(yè)/共165頁(yè)1.1.4直流電樞繞組和電機(jī)模型1、直流電樞繞組（1）基本概念直流電機(jī)電樞繞組的基本形式是單疊和單波。

兩匝元件示意圖第33頁(yè)/共165頁(yè)電樞繞組節(jié)距圖繞組第34頁(yè)/共165頁(yè)（2）單疊繞組單疊繞組是以相鄰元件依次串聯(lián)的連接規(guī)律連成的，每個(gè)元件的兩個(gè)出線(xiàn)端分別接到相鄰的兩個(gè)換相片上，最后形成一閉合回路。第35頁(yè)/共165頁(yè)實(shí)際電機(jī)模型圖實(shí)際電機(jī)模型第36頁(yè)/共165頁(yè)圖1-12單疊繞組展開(kāi)圖（2p＝2Zu＝S＝6）單疊繞組展開(kāi)圖第37頁(yè)/共165頁(yè)單疊繞組等值電路

圖1-13單疊繞組等值電路第38頁(yè)/共165頁(yè)單疊繞組特點(diǎn)①支路對(duì)數(shù)a等于極對(duì)數(shù)p，同時(shí)還等于電刷對(duì)數(shù)b，即a=p=b；②電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2aia。第39頁(yè)/共165頁(yè)（3）單波繞組單波繞組是將同一極性下的所有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個(gè)串聯(lián)連接元件形式似波浪向前延伸。其特點(diǎn)是：①支路對(duì)數(shù)a等于1，與極對(duì)數(shù)p無(wú)關(guān)，即a=1；②電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；③為了減小電刷的電流密度，實(shí)際電刷對(duì)數(shù)b等于極對(duì)數(shù)p。第40頁(yè)/共165頁(yè)2、電機(jī)模型

展開(kāi)圖雖然能反應(yīng)電樞繞組連接規(guī)律，也能說(shuō)明電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系，但畫(huà)展開(kāi)圖太麻煩，在分析電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系時(shí)，采用電機(jī)模型。規(guī)定：無(wú)論電機(jī)有多少對(duì)磁極，都只用N、S一對(duì)磁極表示，不畫(huà)換相器，電刷放在幾何中心線(xiàn)處，并與位于幾何中心線(xiàn)處的元件接觸，一個(gè)圓圈代表一個(gè)元件。我們把幾何中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的軸線(xiàn)又稱(chēng)為交軸，用q-q表示；與交軸垂直的磁極軸線(xiàn)稱(chēng)為直軸，用d-d表示。為了方便，以后在分析電機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程時(shí)均采用電機(jī)模型。第41頁(yè)/共165頁(yè)直流電機(jī)模型直流電機(jī)模型第42頁(yè)/共165頁(yè)1.2直流電機(jī)的磁場(chǎng)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組獲得勵(lì)磁電流的方式。除永磁式微直流電機(jī)外，直流電機(jī)的磁場(chǎng)都是通過(guò)勵(lì)磁繞組通入電流激勵(lì)而建立的。按勵(lì)磁方式不同可分為四種：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)。1、他勵(lì)勵(lì)磁繞組接在獨(dú)立的電源上，與電樞繞組無(wú)關(guān)。2、并勵(lì)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。3、串勵(lì)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。4、復(fù)勵(lì)第43頁(yè)/共165頁(yè)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁方式第44頁(yè)/共165頁(yè)復(fù)勵(lì)主磁極上有兩套勵(lì)磁繞組，一套與電樞繞組并聯(lián)稱(chēng)并勵(lì)繞組，另一套與電樞繞組串聯(lián)稱(chēng)串勵(lì)繞組。若兩套勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)是相加，則稱(chēng)積復(fù)勵(lì)；若兩套勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)是相減，則稱(chēng)差復(fù)勵(lì)。實(shí)際應(yīng)用中常用積復(fù)勵(lì)。積復(fù)勵(lì)與差復(fù)勵(lì)示意圖第45頁(yè)/共165頁(yè)1.2.2直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)

直流電機(jī)空載是指電機(jī)對(duì)外無(wú)功率輸出、不帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。直流電機(jī)空載時(shí)，勵(lì)磁繞組內(nèi)有勵(lì)磁電流，電動(dòng)機(jī)電樞電流很小可忽略而發(fā)電機(jī)電樞電流為零，這時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)由勵(lì)磁電流單獨(dú)建立。圖1-8直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布第46頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明主磁極N、S交替分布，故磁場(chǎng)的分布是對(duì)稱(chēng)的。其中絕大部分磁通經(jīng)主磁極、氣隙、電樞鐵芯及定子磁軛閉合，這部分磁通同時(shí)鏈繞勵(lì)磁繞組和電樞繞組，稱(chēng)主磁通，記作：Φ0，主磁通參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，是工作磁通。還有一小部分磁通不穿過(guò)電樞，僅與勵(lì)磁繞組自身鏈繞，稱(chēng)漏磁通，記作：Φσ，漏磁通不穿過(guò)電樞表面，不參加機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，不是工作磁通。主磁通通過(guò)的磁路稱(chēng)主磁路，主磁路中氣隙較小，故磁阻較?。宦┐磐ㄍㄟ^(guò)的磁路稱(chēng)漏磁路，漏磁路中空氣隙較大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，約占主磁通的20%左右。第47頁(yè)/共165頁(yè)1、空載時(shí)氣隙磁密分布如果不考慮電樞表面齒槽效應(yīng)，假設(shè)電樞表面是光滑的，根據(jù)磁路定律可推出氣隙磁密反比于氣隙長(zhǎng)度，即有Bδ∝1/δ。主磁極下的氣隙小，而且均勻，氣隙磁密分布均勻；在主磁極極靴尖，氣隙增大，磁阻增大，磁密下降；在極靴尖外，氣隙迅速增大，氣隙磁密急劇下降，在相鄰兩極的空間分界線(xiàn)上，磁密降為零。我們稱(chēng)氣隙磁密沿電樞表面空間分布的波形為平頂波，也可稱(chēng)之為鐘形曲線(xiàn)。圖1-10氣隙磁密分布波形第48頁(yè)/共165頁(yè)2、電機(jī)的磁化曲線(xiàn)電機(jī)的磁化曲線(xiàn)是指電機(jī)主磁通Φ0與勵(lì)磁磁勢(shì)Ff的關(guān)系曲線(xiàn)，即Φ0=?（Ff）。當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)Nf一定時(shí)，改變勵(lì)磁電流If就可改變磁勢(shì)，磁化曲線(xiàn)也可用Φ0=?（If）表示。電機(jī)的磁化曲線(xiàn)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)或電機(jī)磁路計(jì)算得到。圖中曲線(xiàn)1是電機(jī)磁化曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2是氣隙線(xiàn)，它表示氣隙中所消耗的磁勢(shì)，由于空氣中的μ0為常數(shù)，故氣隙線(xiàn)是線(xiàn)性的。第49頁(yè)/共165頁(yè)曲線(xiàn)特點(diǎn)電機(jī)的磁化曲線(xiàn)具有飽和特點(diǎn)，當(dāng)主磁通Φ0較小時(shí)，鐵磁材料的磁位降較小，勵(lì)磁磁通主要消耗在氣隙中；當(dāng)主磁通Φ0較大時(shí)，鐵磁材料出現(xiàn)飽和，磁位降迅速增大，使Φ0=?（If）曲線(xiàn)離開(kāi)氣隙線(xiàn)彎曲呈非線(xiàn)性。第50頁(yè)/共165頁(yè)圖1-9電機(jī)的磁化曲線(xiàn)曲線(xiàn)第51頁(yè)/共165頁(yè)分析磁化曲線(xiàn)表征的磁路的飽和程度對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能有很大的影響。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，要考慮節(jié)省材料，磁通密度B值盡量取得大些，但又不能使磁路太飽和，所以，為了更有效經(jīng)濟(jì)地利用材料，一般額定磁通取在直流電機(jī)磁化曲線(xiàn)開(kāi)始彎曲的地方。第52頁(yè)/共165頁(yè)飽和系數(shù)

電機(jī)的飽和程度可以用飽和系數(shù)表示。他是指主磁Φ0通為額定磁通ΦN時(shí)，勵(lì)磁磁勢(shì)F0與氣隙磁勢(shì)F

的比值，即k

的大小對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響，一般電機(jī)中的k

=1.11~1.35。第53頁(yè)/共165頁(yè)1.2.3直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁勢(shì)由勵(lì)磁電流If產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢(shì)Ff和電樞電流Ia產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)Fa共同建立。圖a表示由電樞電流單獨(dú)產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)，根據(jù)電樞電流方向和右手螺旋定則，可判斷電樞磁勢(shì)的軸線(xiàn)與電刷軸線(xiàn)（也是幾何中心線(xiàn)）重合，并與主磁極軸線(xiàn)正交，故電刷位于幾何中心線(xiàn)上時(shí)的電樞磁勢(shì)也是交軸電樞磁勢(shì)。圖b表示僅由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的空載磁場(chǎng)。假設(shè)電機(jī)磁路不飽和，可利用疊加原理，得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)如圖c所示。第54頁(yè)/共165頁(yè)圖第55頁(yè)/共165頁(yè)線(xiàn)負(fù)荷為了分析電樞磁勢(shì)沿電樞表面分布情況，現(xiàn)引入電樞線(xiàn)負(fù)荷的概念。線(xiàn)負(fù)荷是指在電樞表面單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用A表示。設(shè)N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，ia為導(dǎo)體電流，Da為電樞直徑，則根據(jù)線(xiàn)負(fù)荷定義有：

第56頁(yè)/共165頁(yè)電樞磁勢(shì)如果將電樞外表面從幾何中心線(xiàn)處展開(kāi)成直線(xiàn)如圖所，并設(shè)主磁極軸線(xiàn)與電樞表面的交點(diǎn)處為原點(diǎn)0，這點(diǎn)的電樞磁勢(shì)為零，在離原點(diǎn)x處作一矩形磁閉合回路，根據(jù)安培環(huán)路定律，當(dāng)磁路不飽和時(shí)，有

即Fax=Ax，其中Fax為每個(gè)氣隙磁勢(shì)，可見(jiàn)Fax與x成正比，則電樞磁勢(shì)分布波形是三角波，如圖曲線(xiàn)Fax=?(x)所示。第57頁(yè)/共165頁(yè)電樞磁密根據(jù)Bax=μoHax，可推出電樞磁密為：

可見(jiàn)在磁極下，氣隙均勻，則Bax∝x；在極尖，因氣隙很大，則Bax很小，電樞磁密沿電樞表面分布為一馬鞍波形，如圖曲線(xiàn)Bax=?(x)所示。第58頁(yè)/共165頁(yè)氣隙磁密曲線(xiàn)Box=?(x)表示勵(lì)磁磁通密度，亦即電機(jī)空載時(shí)的磁通密度曲線(xiàn)。由上述分析可知，電機(jī)負(fù)載時(shí)的氣隙磁密Bδx應(yīng)等于勵(lì)磁磁密Box與電樞磁密的Bax合成，如圖曲線(xiàn)Bδx=?(x)所示。第59頁(yè)/共165頁(yè)圖1-17直流電機(jī)負(fù)載時(shí)氣隙磁密波形第60頁(yè)/共165頁(yè)1.2.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，電樞繞組流過(guò)電流，出現(xiàn)電樞磁勢(shì)。從上面分析可知：電樞磁勢(shì)對(duì)主磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)有影響，故對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。我們把電樞磁勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。第61頁(yè)/共165頁(yè)1.電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)電樞反應(yīng)表現(xiàn)為：（1）使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變（2）使物理中性線(xiàn)偏移（3）當(dāng)磁路飽和時(shí)有祛磁作用第62頁(yè)/共165頁(yè)電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)（1）使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變?cè)O(shè)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)先進(jìn)入磁極的那個(gè)磁極尖稱(chēng)為前極尖，電樞離開(kāi)磁極的那個(gè)磁極尖稱(chēng)為后極尖。電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，對(duì)發(fā)電機(jī)而言是前極尖磁場(chǎng)被削弱后極尖磁場(chǎng)被加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)而言是前極尖磁場(chǎng)被加強(qiáng)后極尖磁場(chǎng)被削弱。第63頁(yè)/共165頁(yè)電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)（2）使物理中性線(xiàn)偏移我們把氣隙中各點(diǎn)磁通密度為零的點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為物理中性線(xiàn)。直流電機(jī)空載時(shí)，幾何中性線(xiàn)與物理中性線(xiàn)重合。負(fù)載時(shí)，物理中性線(xiàn)偏離幾何中性線(xiàn)α角，對(duì)發(fā)電機(jī)而言是順轉(zhuǎn)向偏離α角；對(duì)電動(dòng)機(jī)而言是逆轉(zhuǎn)向偏離α角。第64頁(yè)/共165頁(yè)電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)（3）當(dāng)磁路飽和時(shí)有祛磁作用磁路未飽和時(shí)，氣隙里的磁通密度Bδx由勵(lì)磁磁密Box與電樞磁密的Bax疊加得到。磁路飽和時(shí)，要利用磁化曲線(xiàn)才能得到負(fù)載時(shí)的氣隙磁通密度分布曲線(xiàn)，顯然由于磁化曲線(xiàn)進(jìn)入飽和點(diǎn)后具有飽和性，使負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)比空載時(shí)的磁場(chǎng)要弱，如圖虛線(xiàn)Bδx′=?(x)所示。第65頁(yè)/共165頁(yè)2.電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)由于裝配或換相的需要等原因，有時(shí)電刷會(huì)偏離幾何中性線(xiàn)。從上面分析得到，當(dāng)電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)，電樞電流只產(chǎn)生交軸電樞磁勢(shì)，而電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)，設(shè)以電動(dòng)機(jī)為例電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏離β角，產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)為Fa，將Fa分解成交軸電樞磁勢(shì)Faq和直軸電樞磁勢(shì)Fad，交軸電樞磁勢(shì)Faq對(duì)主磁場(chǎng)的影響與上面分析的電刷位于幾何中性線(xiàn)的電樞反應(yīng)情況一樣，而直軸電樞磁勢(shì)Fad與主磁極軸線(xiàn)重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，當(dāng)電刷順電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏離β角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁勢(shì)Fad有助磁作用。第66頁(yè)/共165頁(yè)電刷偏離幾何中線(xiàn)β角時(shí)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)第67頁(yè)/共165頁(yè)1.2.5直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1.直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)是指從一對(duì)正負(fù)電刷之間引出的電勢(shì)，也稱(chēng)為電樞電勢(shì)，記作Ea。第68頁(yè)/共165頁(yè)感應(yīng)電勢(shì)如果設(shè)N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，a為并聯(lián)支路對(duì)數(shù)，Bav為一個(gè)磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，v為導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的速度，則電樞電勢(shì)為：式中稱(chēng)為電勢(shì)常數(shù)，它是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)第69頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明電勢(shì)表達(dá)式Ea=CeΦn①Ea∝φn，改變?chǔ)栈騨的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通Φ單位為Wb，轉(zhuǎn)速n單位為r/min，則電樞電勢(shì)Ea單位為V；②Ea方向取決于φ和n的方向，改變?chǔ)档姆较颍锤淖儎?lì)磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。

第70頁(yè)/共165頁(yè)2.直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，fav每根導(dǎo)體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩為：即有：式中稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它也是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。第71頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明從電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式T=CTΦIa可見(jiàn)：①T∝φIa，改變?chǔ)栈騃a的大小，可使T大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通Φ單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉(zhuǎn)矩T單位為N·m；②T方向取決于φ和Ia的方向，改變?chǔ)档姆较颍锤淖儎?lì)磁電流If的方向），就可改變T的方向。第72頁(yè)/共165頁(yè)電勢(shì)常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式：根據(jù)和可得到電勢(shì)常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式：所以有：CT=9.55Ce第73頁(yè)/共165頁(yè)課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流電機(jī)繞組特點(diǎn)。2.電樞反應(yīng)和直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)。3.直流機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)。4.預(yù)習(xí)直流發(fā)電機(jī)。思考題：P331-10、1-11、1-12、1-15、1-16作業(yè)：P331-3、1-4第74頁(yè)/共165頁(yè)1.3直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)是將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O(shè)備，即有：機(jī)械能→直流電能。1.3.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程式直流發(fā)電機(jī)的基本方程式與勵(lì)磁方式有關(guān)，勵(lì)磁方式不同，基本方程式略有差別。下面以他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)為例，介紹其基本方程式。1.電壓方程式我們以發(fā)電機(jī)慣例，規(guī)定直流發(fā)電機(jī)各物理量正方向如圖所示。第75頁(yè)/共165頁(yè)1.電壓方程式他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)慣例他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)慣例第76頁(yè)/共165頁(yè)方程式電樞回路方程為：Ea=U+Ia·Ra式中Ra為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內(nèi)阻。勵(lì)磁回路方程為：Uf=If·Rf式中Rf為勵(lì)磁回路總電阻，它包括勵(lì)磁回路外串電阻和勵(lì)磁繞組內(nèi)阻。從發(fā)電機(jī)電壓基本方程式可見(jiàn)：電樞電勢(shì)Ea必須大于電樞端電壓U，這也是判斷電機(jī)是否處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。第77頁(yè)/共165頁(yè)2.轉(zhuǎn)矩方程式式中：T1為原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，T為發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其性質(zhì)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩，它是由電機(jī)的機(jī)械摩擦和鐵損引起的轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由原動(dòng)機(jī)決定，T1>T，故電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是阻礙原動(dòng)機(jī)的阻力矩。第78頁(yè)/共165頁(yè)3.功率平衡關(guān)系從原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率為：P1=Pem+p0

式中：P1為輸入的機(jī)械功率；Pem為電磁功率；p0為空載損耗。空載損耗等于鐵損pFe、機(jī)械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即：p0=pFe+pm+pad其中附加損耗又稱(chēng)雜散損耗，一般難以精確計(jì)算?？拷?jīng)驗(yàn)估算約為額定功率PＮ的0.5%～1%。第79頁(yè)/共165頁(yè)功率公式電磁功率為：

從中可見(jiàn)電磁功率可表示為：Pem=TΩ上式說(shuō)明電磁功率具有機(jī)械功率性質(zhì)。同時(shí)電磁功率又可表示為：Pem=EaIa此表達(dá)式說(shuō)明電磁功率又具有電功率性質(zhì)，所以電磁功率是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。發(fā)電機(jī)輸出的電功率為：P2=Pem-pCua式中：pCua為電樞回路銅耗；P2為輸出的電功率，同時(shí)輸出功率又可表示為：

P2=UIa第80頁(yè)/共165頁(yè)圖1-21他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率流程圖他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率流程圖

第81頁(yè)/共165頁(yè)4.效率他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗為Σp=pFe+pm+pad+pCua，即：Σp=p0+pCua效率為：，即有：

第82頁(yè)/共165頁(yè)例題例題5-1一臺(tái)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)為：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，電樞繞組總電阻Ra=0.0259Ω，并勵(lì)繞組內(nèi)阻Rf=22.8Ω，額定負(fù)載時(shí)，并勵(lì)回路串入的調(diào)節(jié)電阻RfΩ=3.5Ω，一對(duì)電刷壓降2ΔU=2V，pFe+pm=2.5kW，附加損耗pad=0.005PN，試求額定負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸入功率、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。解：（1）求電磁功率勵(lì)磁電流為：

額定負(fù)載電流為：第83頁(yè)/共165頁(yè)例題續(xù)電樞電流為：電樞電勢(shì)為：電磁功率為：（2）求輸入功率第84頁(yè)/共165頁(yè)例題續(xù)（3）求電磁轉(zhuǎn)矩（4）求效率第85頁(yè)/共165頁(yè)1.3.2他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，端電壓U、負(fù)載電流I、勵(lì)磁電流If這三個(gè)基本物理量之間的函數(shù)關(guān)系。一般保持其中一個(gè)物理量不變，討論剩余兩個(gè)量之間的關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系就是運(yùn)行特性。1.空載特性空載特性是指原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN，輸出端開(kāi)路，負(fù)載電流I=0（Ia=0）時(shí)，電樞端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，即：U0=E0=?(If)第86頁(yè)/共165頁(yè)圖1-23他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載特性發(fā)電機(jī)空載特性第87頁(yè)/共165頁(yè)實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖空載特性可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)出，實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖如所示。圖1-24第88頁(yè)/共165頁(yè)注意：實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要單方向改變勵(lì)磁回路電阻測(cè)取數(shù)據(jù)，在測(cè)取的數(shù)據(jù)中應(yīng)包含額定點(diǎn)，電壓可測(cè)取到U0=±（1.1~1.3）UN為止，線(xiàn)性部分測(cè)取的數(shù)據(jù)可稀疏一些，非線(xiàn)性部分測(cè)取的數(shù)據(jù)可密集一些，這樣得到的曲線(xiàn)較準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)可測(cè)取上、下兩個(gè)分支曲線(xiàn)，一般取平均值作為空載特性曲線(xiàn)，如圖中虛線(xiàn)所示。另外，特性曲線(xiàn)與轉(zhuǎn)速有關(guān)，實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要保持額定轉(zhuǎn)速。第89頁(yè)/共165頁(yè)2.外特性外特性是指原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN，勵(lì)磁電流If=IfN時(shí)，電樞端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系，即：U=?(I)，如圖曲線(xiàn)1所示。這是一條略微下斜的曲線(xiàn)。從空載到負(fù)載電壓下降的原因是：①負(fù)載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；②電樞電流增大，使電樞反應(yīng)的祛磁作用增強(qiáng)，端電壓進(jìn)一步下降。第90頁(yè)/共165頁(yè)圖1-24他勵(lì)（并勵(lì)）直流發(fā)電機(jī)的外特性直流發(fā)電機(jī)的外特性第91頁(yè)/共165頁(yè)電壓變化率發(fā)電機(jī)的端電壓隨負(fù)載的變化程度可用電壓變化率（或稱(chēng)電壓調(diào)整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載（U=UN，I=IN）過(guò)渡到空載（U=U0，I=0）時(shí)，電壓升高的數(shù)值與額定電壓的百分比，即：

通常他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率ΔU%約為（5~10）%。第92頁(yè)/共165頁(yè)1.3.3并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性好，但勵(lì)磁回路需一直流電源供電，若實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有條件，可采用并勵(lì)，這樣就不需設(shè)制專(zhuān)門(mén)的直流勵(lì)磁電源了。1.自勵(lì)過(guò)程當(dāng)發(fā)電機(jī)在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下以恒定的額定轉(zhuǎn)速nN運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在有剩磁條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)Er（約為2~5%UN），從而在發(fā)電機(jī)電樞兩端建立剩磁電壓Ur，在剩磁電壓Ur作用下，產(chǎn)生不大的勵(lì)磁電流If（If=Ur/Rf），此勵(lì)磁電流通過(guò)勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向如果與剩磁方向一致，則主磁通得以加強(qiáng)，使電樞端電壓進(jìn)一步提高，端電壓的升高，又使勵(lì)磁電流增大，主磁通更加強(qiáng)，如此反復(fù)，最終使電樞端電壓建立。第93頁(yè)/共165頁(yè)圖1-25并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)接線(xiàn)圖并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)接線(xiàn)圖

第94頁(yè)/共165頁(yè)圖1-26并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)過(guò)程自勵(lì)過(guò)程第95頁(yè)/共165頁(yè)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件是：①電機(jī)必須有剩磁，否則應(yīng)利用其它直流電源對(duì)其充磁；②勵(lì)磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁方向一致，否則應(yīng)改變并勵(lì)繞組極性；③勵(lì)磁回路總電阻應(yīng)小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。第96頁(yè)/共165頁(yè)實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)而電壓未能建立時(shí)，應(yīng)先減小勵(lì)磁回路的外串電阻，看電壓是否能建立，不行再改變勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接的極性，若電壓還不能建立，則應(yīng)考慮可能沒(méi)有剩磁，充磁后，再進(jìn)行自勵(lì)發(fā)電。第97頁(yè)/共165頁(yè)2.外特性并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓下降，勵(lì)磁電流減少，使磁通變?nèi)酰瑒t電樞電勢(shì)降低，從而使端電壓進(jìn)一步下降，所以它的外特性要比他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)下垂如圖曲線(xiàn)2所示。它的電壓變化率ΔU%約為（20~30）%。第98頁(yè)/共165頁(yè)直流發(fā)電機(jī)的外特性

圖1-24他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)外特性曲線(xiàn)第99頁(yè)/共165頁(yè)課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流發(fā)電機(jī)基本方程式(電壓、功率、轉(zhuǎn)矩)、功率流程、運(yùn)行特性2.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)條件3.預(yù)習(xí)直流電動(dòng)機(jī)。思考題：P331-16、1-17、1-18、1-19作業(yè)：P331-21第100頁(yè)/共165頁(yè)電機(jī)的可逆原理

直流電機(jī)的運(yùn)行是可逆的，同一臺(tái)電機(jī)既可在一定條件下作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可在另一條件下作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，如在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，可作為發(fā)電機(jī)，將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗缭陔姌袃啥溯斎胫绷麟娔?，可作為電?dòng)機(jī)，將輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。第101頁(yè)/共165頁(yè)1.4直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)是將輸入的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電氣設(shè)備，即有：直流電能→機(jī)械能。1.4.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式1.電壓方程式下圖（a）、（b）分別表示他勵(lì)和并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)以電動(dòng)機(jī)慣例標(biāo)注的各量之間正方向，圖中I為線(xiàn)路電流，他勵(lì)時(shí)有：I=Ia；并勵(lì)時(shí)有：I=Ia+If。第102頁(yè)/共165頁(yè)他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)慣例他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)慣例第103頁(yè)/共165頁(yè)電樞回路電壓方程式U=Ea+Ia·Ra其中反電勢(shì)Ea=CeΦ·n，若為并勵(lì)時(shí)，存在：U=If（rf+Rfad）=If·Rf

由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電勢(shì)Ea上。第104頁(yè)/共165頁(yè)2.轉(zhuǎn)矩方程式電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，軸上輸出轉(zhuǎn)矩T2=0，則有：

T=T0當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)L，軸上輸出有T2=TL，電動(dòng)機(jī)勻速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有：

T=T2+T0

其中電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，可用公式T=CTΦIa計(jì)算，（T2+T0）為總的阻轉(zhuǎn)矩，方向與T相反。第105頁(yè)/共165頁(yè)3.功率平衡關(guān)系

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)輸入功率為：P1=UI=UIa=Ia（Ea+IaRa）=EaIa+Ia2Ra∴P1=Pem+pCua式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為電功率，pCua=Ia2Ra為電樞回路上的銅耗。第106頁(yè)/共165頁(yè)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)輸入功率為：P1=UI=U（Ia+If）=UIa+UIf=（Ea+IaRa）Ia+UIf=EaIa+Ia2Ra+UIf=EaIa+Ia2Ra+If2Rf，∴P1=Pem+pCua+pCuf

式中pCuf=If2Rf為勵(lì)磁回路上的銅耗。

第107頁(yè)/共165頁(yè)電磁功率在轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘以角速度Ω可得：TΩ=T2Ω+T0Ω，則有：Pem=P2+p0也可表示為：P2=Pem-p0

式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為機(jī)械功率，空載損耗：p0=pFe+pm+pad。第108頁(yè)/共165頁(yè)圖1-30他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖第109頁(yè)/共165頁(yè)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖第110頁(yè)/共165頁(yè)1.4.2他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性直流電動(dòng)機(jī)工作特性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件下，轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率η與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行中，電樞電流Ia是隨P2增大而增大，又便于測(cè)量，故也可把轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率η與電樞電流Ia之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為工作特性。第111頁(yè)/共165頁(yè)1.轉(zhuǎn)速特性

轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(Ia)關(guān)系。根據(jù)電勢(shì)方程式Ea=CeΦ·n和電壓方程式U=Ea+Ia·Ra可得：

第112頁(yè)/共165頁(yè)工作特性第113頁(yè)/共165頁(yè)2.轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，T=?(Ia)關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=CTΦIa，忽略電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。第114頁(yè)/共165頁(yè)3.效率特性效率特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，η=?(Ia)關(guān)系。根據(jù)效率的定義可得：式中總損耗：

第115頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明空載損耗p0與負(fù)載電流變化無(wú)關(guān)，稱(chēng)為不變損耗；電樞銅耗pcua隨負(fù)載電流平方倍變化，又稱(chēng)可變損耗。當(dāng)負(fù)載電流從零逐漸增大時(shí)，效率也隨之增大，當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度，效率達(dá)最大，之后隨負(fù)載電流的繼續(xù)增大，效率反而減小。如果不變損耗等于可變損耗時(shí)，效率最高，效率特性的這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)其它電機(jī)、變壓器也適用，具有普遍意義。第116頁(yè)/共165頁(yè)1.4.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系最為重要，我們把它稱(chēng)為機(jī)械特性，即n=?(T)。1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（1）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：在電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中稱(chēng)為斜率，ΔnN為額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降。第117頁(yè)/共165頁(yè)圖1-32他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性第118頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性是一條過(guò)理想空載點(diǎn)（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲線(xiàn)。當(dāng)空載轉(zhuǎn)矩為T(mén)0時(shí)，實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為n0’。第119頁(yè)/共165頁(yè)（2）人為機(jī)械特性每臺(tái)電動(dòng)機(jī)只有一條固有機(jī)械特性，當(dāng)改變電氣參數(shù)如變電源電壓、或變氣隙磁通、或變電樞外串電阻時(shí)，所得到的機(jī)械特性，稱(chēng)為人為機(jī)械特性。第120頁(yè)/共165頁(yè)①電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性是指：在電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，改變電樞外串電阻RΩ時(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

第121頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明式中稱(chēng)為人為特性的斜率，當(dāng)改變外串電阻RΩ的大小，可得到一簇人為特性曲線(xiàn)，如圖所示。特性的特點(diǎn)是：①理想空載點(diǎn)n0與固有機(jī)械特性的相同；②斜率β隨外串電阻RΩ的增大而增大，使特性變軟。電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性可用于電機(jī)起動(dòng)和調(diào)速。

第122頁(yè)/共165頁(yè)電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性第123頁(yè)/共165頁(yè)②改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性是指：在氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0，改變電樞端電壓時(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中U<UN。第124頁(yè)/共165頁(yè)改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性第125頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明特性的特點(diǎn)是：①與固有機(jī)械特性比斜率β沒(méi)變，即特性硬度沒(méi)變；②特性的理想空載點(diǎn)n0隨電壓的下降而變小，是一簇平行特性。改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性可用于調(diào)速。第126頁(yè)/共165頁(yè)③減少氣隙磁通時(shí)的人為機(jī)械特性減少氣隙磁通時(shí)的人為機(jī)械特性是指：在電源電壓U=UN，電樞外串電阻RΩ=0，改變氣隙磁通Ф時(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中氣隙磁通Ф<ФN。第127頁(yè)/共165頁(yè)減小氣隙磁通時(shí)的人為機(jī)械特性減小氣隙磁通時(shí)的人為機(jī)械特性第128頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明特性的特點(diǎn)是：①與固有機(jī)械特性比斜率β隨磁通Ф減少而變大，特性變軟；②特性的理想空載點(diǎn)n0隨氣隙磁通Ф減少而變大，故特性上移。減少氣隙磁通時(shí)的人為機(jī)械特性也可用于調(diào)速。第129頁(yè)/共165頁(yè)（3）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算求得。其它各種人為機(jī)械特性則可根據(jù)固有機(jī)械特性求得。第130頁(yè)/共165頁(yè)求理想空載點(diǎn)由于固有機(jī)械特性是一條直線(xiàn)，一般通過(guò)求取兩個(gè)特殊點(diǎn)（理想空載點(diǎn)和額定工作點(diǎn)），再將這兩點(diǎn)連成直線(xiàn)便可得到固有機(jī)械特性。①求理想空載點(diǎn)（n0，0）計(jì)算理想空載轉(zhuǎn)速公式為：式中第131頁(yè)/共165頁(yè)電樞回路電阻計(jì)算電樞回路電阻Ra，可實(shí)測(cè)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。一般直流電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的銅損約占總損耗的一半至三分之二，則Ra的估算式為：根據(jù)上述公式可計(jì)算出理想空載轉(zhuǎn)速n0。第132頁(yè)/共165頁(yè)②求額定工作點(diǎn)（nN，TN）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)可得額定轉(zhuǎn)速nN，而計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩公式為：第133頁(yè)/共165頁(yè)例題例題5-2一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，電樞回路電阻Ra=0.044Ω，試求：1）固有機(jī)械特性方程式；2）額定負(fù)載時(shí)的電樞電勢(shì)和額定電磁轉(zhuǎn)矩；3）額定輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩；4）理想空載轉(zhuǎn)速和實(shí)際空載轉(zhuǎn)速；5）電機(jī)額定運(yùn)行，分別求電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時(shí)的轉(zhuǎn)速、電壓U=50V時(shí)的轉(zhuǎn)速和磁通Φ=75%ΦN時(shí)的轉(zhuǎn)速。第134頁(yè)/共165頁(yè)解：（1）求固有機(jī)械特性方程式∵∴（2）求電樞電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩電樞電勢(shì)為：電磁轉(zhuǎn)矩為：第135頁(yè)/共165頁(yè)解續(xù)（3）額定輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩為：空載轉(zhuǎn)矩為：（4）求理想空載轉(zhuǎn)速和實(shí)際空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速為：實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為：第136頁(yè)/共165頁(yè)解續(xù)（5）電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時(shí)的轉(zhuǎn)速（6）電壓U=50V時(shí)的轉(zhuǎn)速第137頁(yè)/共165頁(yè)解續(xù)（7）磁通Φ=75%ΦN時(shí)的轉(zhuǎn)速第138頁(yè)/共165頁(yè)2.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性串勵(lì)直流機(jī)的特點(diǎn)是：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流If與電樞電流Ia相等，即If=Ia，氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，其接線(xiàn)圖所示。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)圖第139頁(yè)/共165頁(yè)圖1-34串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

第140頁(yè)/共165頁(yè)分析串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指：在電源電壓U=UN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(T)的關(guān)系曲線(xiàn)，其表達(dá)式為：

第141頁(yè)/共165頁(yè)①當(dāng)負(fù)載較小時(shí)負(fù)載較小，則T較小，這時(shí)磁路未飽和，氣隙住磁通Φ∝Ia，即Φ=k1Ia，又因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩為：故有：式中為一常數(shù)，可得：，

轉(zhuǎn)速n是隨著電磁轉(zhuǎn)矩T的增大而減小，是雙曲線(xiàn)關(guān)系。第142頁(yè)/共165頁(yè)②當(dāng)負(fù)載較大時(shí)負(fù)載較大，則T較大，這時(shí)磁路飽和，主磁通基本上為一常數(shù)，即Φ=k，得：可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩T增大而下降，是條略微向下傾斜的直線(xiàn)。第143頁(yè)/共165頁(yè)說(shuō)明由串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)轉(zhuǎn)速很高，特性曲線(xiàn)與縱軸無(wú)交點(diǎn)，理想空載轉(zhuǎn)速為無(wú)窮大，故不允許空載運(yùn)行，也不允許用于皮帶傳動(dòng)的拖動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)槠У睦匣撀洌瑢?huì)造成“飛車(chē)”。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流Ia平方成正比，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，適合于拖動(dòng)閘門(mén)、電車(chē)等負(fù)載。第144頁(yè)/共165頁(yè)3.復(fù)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)既有并勵(lì)繞組，又有串勵(lì)繞組，當(dāng)并勵(lì)與串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)極性相同時(shí)，稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)；當(dāng)并勵(lì)與串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)極性相反時(shí)，稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)，差復(fù)勵(lì)在實(shí)際應(yīng)用中很少。積復(fù)勵(lì)在理想空載時(shí)，電樞電流為零，主磁通Φ0由并勵(lì)繞組產(chǎn)生，故存在理想空載轉(zhuǎn)速，為：，不會(huì)出現(xiàn)“飛車(chē)”危險(xiǎn)；當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電樞電流增大，總磁通隨之增大，使轉(zhuǎn)速比并勵(lì)下降更多，如圖下所示。第145頁(yè)/共165頁(yè)復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖1-35復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性第146頁(yè)/共165頁(yè)課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.直流電動(dòng)機(jī)基本方程式(電壓、功率、轉(zhuǎn)矩)、功率流程、運(yùn)行特性2.直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性3.預(yù)習(xí)直流電機(jī)的換向。思考題：P331-22、1-23、1-26作業(yè)：P331-29、1-32第147頁(yè)/共165頁(yè)1.5直流電機(jī)的換向1.5.1換相的物理過(guò)程從前面分析直流電機(jī)工作原理可知，直流電機(jī)電樞繞組里的電勢(shì)和電流是交變的。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，元件會(huì)隨電樞的運(yùn)轉(zhuǎn)從一條之路經(jīng)過(guò)電刷換到另一條之路，元件電流改變方向，這一過(guò)程稱(chēng)為換向，換向也是直流電機(jī)特有的問(wèn)題，換向的好壞，直接影響直流電機(jī)的運(yùn)行性能。第148頁(yè)/共165頁(yè)1.換向過(guò)程下圖是某一單疊繞組1號(hào)元件的換向過(guò)程，設(shè)圖中電刷寬度與換向片寬度相等，電樞以va的速度從右向左旋轉(zhuǎn)。圖1-36a1號(hào)元件換向過(guò)程第149頁(yè)/共165頁(yè)圖1-36b1號(hào)元件換向過(guò)程第150頁(yè)/共165頁(yè)換向之前：如圖（a）所示，電刷與換向片1接觸，1號(hào)元件中的電流ia從下層邊流向上層邊，設(shè)為+ia，元件處于右支路。換向之中：如圖（b）所示，電刷與換向片1、2同時(shí)接觸，1號(hào)元件被短接，元件中的電流正從+ia向-ia變化。換向之后：如圖（c）所示，電刷與換向片2接觸，1號(hào)元件中的電流ia從上層邊流向下層邊，電流為-ia，元件處于左支路。電樞上的每個(gè)元件在經(jīng)過(guò)電刷時(shí)都要換向，元件的換向時(shí)間稱(chēng)為換向周期，記作：Tk。說(shuō)明第151頁(yè)/共165頁(yè)2.直線(xiàn)換向如果當(dāng)換向元件中各種電動(dòng)勢(shì)為零，被電刷短接的閉合回路就不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，元件中的電流大小由電刷與相鄰兩換向片的接觸面