第7章直流電動(dòng)機(jī)

第7章直流電動(dòng)機(jī)7.1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)打開(kāi)直流電動(dòng)機(jī)的端蓋，不難看出直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，它也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子也叫電樞。不過(guò)在直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一端裝有換向器，這一點(diǎn)與交流電動(dòng)機(jī)不同。圖7-2是直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1．定子

直流電動(dòng)機(jī)的定子是指它的固定部分，包括機(jī)座、磁極和電刷等裝置，如圖7-3所示。

2．轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和換向器組成，此外，還包括轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部分，如圖7-4所示。

3．換向器

換向器由許多彼此絕緣的鋼質(zhì)換向片組成一個(gè)圓柱體，裝在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的一端。轉(zhuǎn)子繞組的每一個(gè)繞組線圈分別接在兩個(gè)與轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)的換向片上。換向片通過(guò)和電刷的滑動(dòng)接觸與外加直流電源相連通。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，接在相應(yīng)換向片上的直流電改變一次極性，相當(dāng)于每個(gè)轉(zhuǎn)子繞組線圈中接的是交流電，保證了形成固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。換向器是直流電動(dòng)機(jī)的標(biāo)志性部件，它將加于電刷之間固定極性的直流電流變成轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部的交流電流。7.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

1．轉(zhuǎn)動(dòng)原理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程是以電磁相互作用的基本規(guī)律為基礎(chǔ)的。如圖7-5所示，處在均勻磁場(chǎng)B中的一段通有電流I的導(dǎo)體l將受到磁場(chǎng)力的作用。由安培定律可知，磁場(chǎng)作用力F的大小為

F的方向由右手螺旋定則或左手定則確定。如圖7-6所示，如果一段長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體在均勻磁場(chǎng)B中沿垂直于磁場(chǎng)的方向以速度v勻速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。由電磁感應(yīng)定律可知，感生電動(dòng)勢(shì)e的大小為e=lvB

(7.2)

e的方向由右手定則確定。(7.1)為了分析方便，我們用如圖7-7（a）所示的簡(jiǎn)化模型代替直流電動(dòng)機(jī)。其中，N和S代表定子繞組產(chǎn)生的一對(duì)固定磁極，線圈ab代表轉(zhuǎn)子上的一個(gè)轉(zhuǎn)子線圈，A、B為一對(duì)換向片，U是轉(zhuǎn)子繞組的外加直流電源。當(dāng)接通電源U時(shí)，直流電流將從a邊流入，b邊流出，由安培定律可知線圈a邊和b邊將受到一對(duì)大小相等、方向相反的電磁力作用，其方向由左手定則確定，如圖7-7（b）所示。由于這對(duì)電磁力不在一條直線上，因此它們將形成一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蚣铀傩D(zhuǎn)。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與阻力轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定下來(lái)。由于換向片隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線圈a邊旋轉(zhuǎn)至S磁極附近，b邊旋轉(zhuǎn)至N磁極附近時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈ab中的直流電流將改變方向。此時(shí)，電流從線圈a邊流出，b邊流入，而電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變，這就保證了轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子線圈a、b每旋轉(zhuǎn)半圈，其中的直流電流就改變一次方向，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子線圈接入的是交流電。這正是換向器產(chǎn)生的效果。

2．基本物理量

1）磁轉(zhuǎn)矩M

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子之所以能轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)檗D(zhuǎn)子線圈受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用。電磁轉(zhuǎn)矩是主磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。它是一個(gè)重要的物理量，反映了直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出功率的大小和拖動(dòng)負(fù)載的能力，一般用M表示。下面我們通過(guò)物理概念來(lái)建立M的定量計(jì)算公式。電磁轉(zhuǎn)矩M是由所有轉(zhuǎn)子線圈受到的電磁力共同產(chǎn)生的效果。因M與F成正比，由式（7.1）可知式中，B是每個(gè)磁極之下的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，它與每個(gè)磁極下的磁通量Φ成正比，I是每根轉(zhuǎn)子線圈中流過(guò)的電流，與經(jīng)電刷流入轉(zhuǎn)子線圈的總電流成正比，l是轉(zhuǎn)子線圈的有效長(zhǎng)度，對(duì)于特定的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)常數(shù)。因此，我們可以得到計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩M大小的公式為M=CMΦIa

（7.3）

式中，CM是一個(gè)反映直流電動(dòng)機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的常數(shù)，它與磁極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)子線圈的數(shù)目等有關(guān)，通常稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。當(dāng)Ia的單位用A(安培)，Φ的單位用Wb(韋伯)時(shí)，M的單位為N·m(牛·米)。式（7.3）說(shuō)明，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與磁通量Φ、轉(zhuǎn)子電流Ia成正比，方向根據(jù)磁通量Φ和轉(zhuǎn)子線圈電流Ia兩者的方向按左手定則確定。2）感生電動(dòng)勢(shì)E

由式（7.2）可知，轉(zhuǎn)子繞組每根導(dǎo)線中的感生電動(dòng)勢(shì)的大小為e=Bvl，其方向由右手定則確定。當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，感生電動(dòng)勢(shì)e的方向如圖7-8所示，它與轉(zhuǎn)子線圈中的電流方向相反，是反電動(dòng)勢(shì)。其中，v是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的線速度，正比于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n；B是每個(gè)磁極的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，正比于每極的磁通量Φ。由于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由許多匝線圈按一定規(guī)律并聯(lián)而成，因此轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與每根導(dǎo)線中的感生電動(dòng)勢(shì)e成正比。由此可以得到計(jì)算感生電動(dòng)勢(shì)的公式為 E=CEΦn（7.4）

式中，CE是由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，稱(chēng)為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。若Φ的單位用Wb，n的單位用r/min，則E的單位為V。式（7.4）表明轉(zhuǎn)子繞組中感生電動(dòng)勢(shì)E的大小與每個(gè)磁極的磁通量Φ和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比。

3．基本關(guān)系式

1）電壓平衡關(guān)系圖7.9是直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞圈的等效電路。其中，U是外加于轉(zhuǎn)子繞圈的直流電源電壓，Ra是轉(zhuǎn)子繞組總的等效電阻，E為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子繞圈中產(chǎn)生的總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如前所述它是一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)基爾霍夫定律，轉(zhuǎn)子繞組中總的電流、電壓關(guān)系應(yīng)滿足下面的方程：U=E+IaRa（7.5）

式（7.5）通常被稱(chēng)為轉(zhuǎn)子的電壓平衡方程。它說(shuō)明了外加電源電壓U與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)子繞圈損耗電阻Ra上的電壓降IaRa相平衡。

2）轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系如果直流電動(dòng)機(jī)只受到電磁轉(zhuǎn)矩M的驅(qū)動(dòng)，它將加速旋轉(zhuǎn)。但是，在穩(wěn)定狀態(tài)下直流電動(dòng)機(jī)都保持一定的轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子除了受到電磁轉(zhuǎn)矩M的作用外，還受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML、空氣阻力和磨擦力等的阻力轉(zhuǎn)矩M0的作用。根據(jù)剛體力學(xué)理論，當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該和阻力轉(zhuǎn)矩相平衡，即

M=ML+M0=MC（7.6）

式中，MC代表作用于轉(zhuǎn)子的總阻力轉(zhuǎn)矩。式（7.6）稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式，它說(shuō)明直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩總是和阻力轉(zhuǎn)矩相平衡。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，其電磁轉(zhuǎn)矩也將跟著改變。3）功率平衡關(guān)系直流電動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中將對(duì)負(fù)載做功，輸出一定的機(jī)械功率P2。電動(dòng)機(jī)的輸入功率為直流電源提供的電功率P1。輸入電功率P1并不能完全轉(zhuǎn)換為輸出機(jī)械功率P2。因?yàn)樵诙ㄗ雍娃D(zhuǎn)子的電路和磁路中存在損耗，另外，空氣阻力和磨擦力等的阻力轉(zhuǎn)矩也要損失一定的功率。若用∑Ρ表示損耗功率。根據(jù)能量守恒定律，輸入電功率P1應(yīng)該等于輸出機(jī)械功率P2和總的損耗功率∑Ρ之和，即直流電動(dòng)機(jī)的效率為(7.7)(7.8)例7.1有一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，額定功率Pn=22kW，額定電壓Un=220V，額定轉(zhuǎn)速nn=1500r/min，額定效率ηn=0.83。（1）計(jì)算該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定電流Ian；（2）若CE=15.6，轉(zhuǎn)子的總電阻Ra=0.18Ω，計(jì)算額定情況下轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和每極的磁通量Φ；（3）若CM=148，計(jì)算該電動(dòng)機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩Mn。

解（1）直流電動(dòng)機(jī)的額定功率Pn是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，等于電動(dòng)機(jī)的輸入電功率P1n乘以效率ηn，因此有

故轉(zhuǎn)子的額定電流為（2）根據(jù)式（7.4）E=CEΦn可得：式中：（3）根據(jù)式（7.3）M=CMΦIa有：7.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1．自適應(yīng)過(guò)程設(shè)某直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為n，電磁轉(zhuǎn)矩和阻力轉(zhuǎn)矩相平衡，M=ML+M0=MC。

由于某些原因，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML增大時(shí)，阻力轉(zhuǎn)矩MC增大，原來(lái)的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系被打破，暫時(shí)使M＜MC。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將下降，由式（7.4）E=CEΦn可知,相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E也將下降。其中Φ是由定子繞組電流If產(chǎn)生的主磁通，為固定值。根據(jù)式（7.5）U=E+IaRa，轉(zhuǎn)子電流將隨著E的減少迅速增大，因?yàn)殡娫措妷篣和轉(zhuǎn)子繞組的損耗電阻Ra為定值，且Ra很小。由式（7.3）M=CMΦIa可知,M將迅速增大，使M=MC。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)將在比原來(lái)低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。顯然，這是一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，用箭頭表示為ML↑→n↓→E↓→Ia↑→M↑M=MC

2．機(jī)械特性

下面以并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)為例來(lái)定量分析直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M的變化關(guān)系，也就是所謂的機(jī)械特性。并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7-10所示，勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)之后接同一個(gè)直流電源U。由轉(zhuǎn)子的感生電動(dòng)勢(shì)式（7.4）式E=CEΦn可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為

根據(jù)電壓平衡關(guān)系式（7.5）可得E=U-IaRa，代入式（7.9）有(7.9)(7.10)再由轉(zhuǎn)矩公式式（7.3）可知，代入式（7.10）有式中U、CE、CM、Φ和Ra均為常數(shù)。式（7.11）稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程。它反映了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M的變化關(guān)系。令則式(7.11)可簡(jiǎn)化為

n=n0-bm

(7.12)(7.11)若將式（7.11）或（7.12）繪制成曲線,就得到了所謂的機(jī)械特性曲線，如圖7.11所示。例7.2一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)從銘牌上可知：額定功率Pn=22kW，額定電壓Un=220V，額定轉(zhuǎn)速nn=960r/min，額定電流In=122A，轉(zhuǎn)子電阻Ra=0.15Ω，定子電阻Rf=110Ω。(1)作出該并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線；(2)當(dāng)負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速上升至1000r/min時(shí)，求輸入電功率P1；(3)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩降低到75%Mn時(shí)，求轉(zhuǎn)速n。

解

(1）求該電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。①計(jì)算出CMΦn的數(shù)值。因?yàn)椴?lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流為根據(jù)公式E=CEΦn可知：②理想空載情況： ③額定工作情況：④連接上述兩點(diǎn)即可得到該直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線.根據(jù)Mn及額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子電流In，亦可計(jì)算出然后求出b的數(shù)值，得到n=n0-bM，亦可作出其機(jī)械特性曲線。(2）計(jì)算n=1000r/min時(shí)的輸入電功率P1。當(dāng)n=1000r/min時(shí)，E=CEΦn=0.21×1000=210V。

轉(zhuǎn)子電流輸入電流輸入電功率由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降，使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M下降，轉(zhuǎn)速n上升，所以電源輸入的電流I也降低，相應(yīng)的輸入電功率P1減少了。(3）計(jì)算轉(zhuǎn)矩下降到0.75Mn時(shí)的轉(zhuǎn)速n。在額定狀態(tài)下Mn=CMΦnIa

由于CMΦ是常數(shù)，所以有

M′=CMΦnI’a=0.75Mn=0.75CMΦnIa

I’a=0.75Ia=0.75×120=90A

此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

E′=V-I’aRa=220-90×0.15=206.5V

又根據(jù)E=CEΦn可得可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩M下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。7.4直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行過(guò)程

1）啟動(dòng)時(shí)存在的主要問(wèn)題在直流電動(dòng)機(jī)接通電源的瞬間，由于定子線圈先通電已建立起了主磁場(chǎng)，但轉(zhuǎn)子還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)子中的反電動(dòng)勢(shì)E=CEΦn=0。由電壓平衡方程式可知，這時(shí)電驅(qū)電流很大。我們將這個(gè)電流稱(chēng)為啟動(dòng)電流，用Iast表示。(7.13)

2）啟動(dòng)方法

（1）變阻器啟動(dòng)。如圖7-12（a）所示，在轉(zhuǎn)子電路中串入一個(gè)專(zhuān)用的啟動(dòng)變阻器Rst。啟動(dòng)時(shí)先將Rst置于最大值，然后再接通轉(zhuǎn)子電源，隨著轉(zhuǎn)速的增加再逐漸減小Rst，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再完全切除Rst，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

Rst的阻值可根據(jù)來(lái)確定,即第一，在接通轉(zhuǎn)子電源之前，應(yīng)先接通定子電源，保證先有主磁通Φ，否則將不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而且為了在較小的啟動(dòng)電流下產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，主磁通Φ應(yīng)盡可能大一些。如果定子電路中串有附加電阻Rf，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)調(diào)至最小。第二，啟動(dòng)變阻器一般采用小阻值、大電流的變阻器，并按短時(shí)要求設(shè)計(jì)，不允許長(zhǎng)時(shí)間接在電路中或用作調(diào)速電阻。（2）降壓?jiǎn)?dòng)。如圖7-12（b）所示，將專(zhuān)用可調(diào)直流電源接到轉(zhuǎn)子電路中。啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)電源電壓，從零開(kāi)始逐漸上升至額定值。這種啟動(dòng)方法僅適用于他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。(7.14)2．正、反轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)也有兩種方法，如圖7-13所示。圖7-13（a）是直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流Ia、定子電流If和主磁通Φ的方向。圖7-13（b）、（c）是直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流Ia、定子電流If和主磁通Φ的方向。 如圖7-13（b）所示，將轉(zhuǎn)子電源電壓U的極性對(duì)調(diào)，轉(zhuǎn)子電流Ia

的方向就改變了，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩M的方向也跟著改變了，電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)（順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)）變成了反轉(zhuǎn)（逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)）。如圖7-13（c）所示，將定子電源的極性對(duì)調(diào)，改變定子繞組電流If的方向，從而改變主磁通Φ的方向，使電磁轉(zhuǎn)矩反向，電動(dòng)機(jī)也從正轉(zhuǎn)變成了反轉(zhuǎn)。兩種實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的方法中，一般采用改變轉(zhuǎn)子電流方向的方法，而改變主磁通Φ的方法較少采用。

3．調(diào)速 要改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n可以采用3種方法,即改變轉(zhuǎn)子電阻Ra的大小，改變轉(zhuǎn)子電源電壓U的大小或改變主磁通Φ的大小。 1）改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速 如圖7-14（a）所示，在保持轉(zhuǎn)子電源電壓U和主磁通Φ不變的情況下，在轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)一個(gè)附加電阻Rac，使轉(zhuǎn)子電路的總電阻變成（Ra+Rac）。這樣直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線的斜率將比原來(lái)增大了，而理想空載轉(zhuǎn)速不變，如圖7-14（b）所示。附加電阻Rac越大，特性曲線的斜率就越大。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，MC=ML+M0不變，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n將隨之下降了。轉(zhuǎn)速下降的具體過(guò)程如下所述。假設(shè)直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML不變（MC不變），且直流電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)加入或增大Rac時(shí)，由于慣性電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還來(lái)不及變化仍為n1，相應(yīng)的感生電動(dòng)勢(shì)E=CEΦn

也不變，這就導(dǎo)致了電驅(qū)電流減少，電磁轉(zhuǎn)矩M=CMΦIa下降，原來(lái)的轉(zhuǎn)矩平衡被破壞，暫時(shí)出現(xiàn)M＜ML，電動(dòng)機(jī)將減速運(yùn)行，n下降。轉(zhuǎn)速下降，相應(yīng)地感生電動(dòng)勢(shì)E也下降，轉(zhuǎn)子電流Ia重新增大，電磁轉(zhuǎn)矩M也重新上升，最終轉(zhuǎn)矩又重新達(dá)到平衡，再次使M=ML，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速n2下穩(wěn)定運(yùn)行。

2）改變轉(zhuǎn)子電壓調(diào)速 如圖7-15（a）所示,在保持主磁通Φ和轉(zhuǎn)子電路電阻Ra不變的情況下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電源電壓U可改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法僅適用于他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)槎ㄗ与娐返闹绷麟妷篣f不允許隨之變化，這就要求定子、轉(zhuǎn)子各使用不同的直流電源。 由機(jī)械特性方程可知：當(dāng)轉(zhuǎn)子電源電壓U改變時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速將隨之變化，而特性曲線的斜率b不變，如圖7-15（b）所示。隨著將U的調(diào)低，機(jī)械特性曲線將向下平移。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML不變（MC不變），轉(zhuǎn)速n將隨之下降n1＞n2＞n3，起到了調(diào)速的作用。 3）改變主磁通調(diào)速 如圖7-16（a）所示，改變主磁通的調(diào)速實(shí)際上是在保持電源電壓U和轉(zhuǎn)子電阻Ra不變的情況下，調(diào)節(jié)定子線圈中的串聯(lián)電阻Rf，從而改變定子電流If（也就是主磁通Φ）的大小進(jìn)行調(diào)速。因?yàn)槎ㄗ与娐分写?lián)一個(gè)附加電阻Rfc將使If減小，主磁通Φ減小。由機(jī)械特性方程可知：主磁通Φ的減少將使理想空載轉(zhuǎn)速上升，曲線斜率更顯著地上升，相應(yīng)的機(jī)械特性曲線上移，且傾斜程度增加。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)速n將上升,如圖7-16（b）所示。調(diào)速的具體過(guò)程如下所述。接入或增大Rfc，If減小，主磁通Φ減小，由于慣性轉(zhuǎn)速n來(lái)不及變化，E=CEΦn將隨Φ的減小而減小，轉(zhuǎn)子電流增加，因Ra很小，Ia的增加比Φ的變化所造成的影響更顯著。而Ia的增加將使電磁轉(zhuǎn)矩M增加，暫出現(xiàn)M＞MC，因此，電動(dòng)機(jī)將加速運(yùn)轉(zhuǎn)，使n上升，E回升，Ia下降，M下降，最終使M=MC，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

例7.3某他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，Pn=22kW，Un=220V，In=115A，nn=1500r/min，Ra=0.1Ω，忽略空載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，要求把轉(zhuǎn)速降到1000r/min，問(wèn)： （1）采用轉(zhuǎn)子串入電阻調(diào)速需串入的電阻值為多少？ （2）采用降低電源電壓調(diào)速需把電源電壓降到多少？ （3）上述兩種調(diào)速情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率各是多少（不計(jì)勵(lì)磁回路的功率）？

解（1）轉(zhuǎn)子串入電阻的計(jì)算： （2）降低的電源電壓值的計(jì)算： （3）電動(dòng)機(jī)減速后的輸入功率與輸出功率的計(jì)算。 ①轉(zhuǎn)子串入電阻減速時(shí)的輸入功率：②降低電源電壓減速時(shí)的輸入功率： ③電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：

④電動(dòng)機(jī)的輸出功率

4）制動(dòng)如圖7-17所示，將直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電源切除，并使轉(zhuǎn)子電路與制動(dòng)電阻R2串聯(lián)（圖中開(kāi)關(guān)S接到右邊）。由于慣性,電動(dòng)機(jī)將繼續(xù)按原來(lái)的方向旋轉(zhuǎn)，主磁通的方向不改變，轉(zhuǎn)子中感生電動(dòng)勢(shì)E=CEΦn的方向也不改變。但是，由于沒(méi)有外加電壓，電驅(qū)電流的方向和電磁轉(zhuǎn)矩的方向改變了。這時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)迅速減速至停轉(zhuǎn)。實(shí)際上，這一過(guò)程是轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，把生產(chǎn)機(jī)械和電動(dòng)機(jī)貯存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能再消耗在制動(dòng)電阻Rz和轉(zhuǎn)子損耗電阻Ra上，所以這種制動(dòng)方法稱(chēng)為能耗制動(dòng)。 能耗制動(dòng)的電路簡(jiǎn)單，制動(dòng)平穩(wěn)、可靠，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻Rz的大小來(lái)改變制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短，應(yīng)用廣泛。在選擇Rz時(shí)，應(yīng)注意將Rz調(diào)至最小時(shí)，轉(zhuǎn)子電流不得超過(guò)額定值的2.5倍，否則有可能損壞電動(dòng)機(jī)。

（2）反接制動(dòng)。 反接制動(dòng)是指人為地改變轉(zhuǎn)子電壓極性（即反接），使轉(zhuǎn)子電流反向的方法。這時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速至停止。 這種制動(dòng)方法由于轉(zhuǎn)子電壓反接后，極性與反電動(dòng)勢(shì)相同，轉(zhuǎn)子電流很大，因此必須串接較大的制動(dòng)電阻。另外，電機(jī)停穩(wěn)后應(yīng)該及時(shí)切斷電源，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)?？傊?，這種制動(dòng)方法的制動(dòng)效果好，但能量損耗大，容易出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。7.5直流電動(dòng)機(jī)的使用

1．直流電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)

1）他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)

如圖7-18（a）所示，建立主磁通的勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別由兩個(gè)直流電源供電，彼此之間無(wú)相互聯(lián)系。這種電動(dòng)機(jī)多用一個(gè)直流電源，因此設(shè)備較復(fù)雜，一般用于對(duì)調(diào)速范圍要求很寬的重型機(jī)床等設(shè)備中。 2）并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī) 如圖7-10所示，勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)后由一個(gè)直流電源供電。直流電源提供的總電流等于勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子電流之和，即I=If+Ia。一般If很小，僅為Ia的1%~5%。這種直流電動(dòng)機(jī)的特性與他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的基本相同，其勵(lì)磁繞組匝數(shù)多、電阻大、損耗小，還可節(jié)省一個(gè)直流電源，因此得到廣泛應(yīng)用。 3）串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī) 如圖7-18（b）所示，勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)后接直流電源，兩繞組中的電流相等，If=Ia。這種直流電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子電流較大，勵(lì)磁電流也較大，因此，勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線較粗、匝數(shù)較少，相應(yīng)的電阻也較小。其特性與并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的不同。另外，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)子電流Ia變化，勵(lì)磁電流If和主磁通Φ也跟著變化。這種直流電動(dòng)機(jī)一般用于電氣機(jī)車(chē)和起重設(shè)備中。 4）復(fù)勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī) 如圖7-18（c）所示，產(chǎn)生主磁通的主磁極上有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)，另一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)，它們分別稱(chēng)為串勵(lì)繞組和并勵(lì)繞組。主磁通是由這兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁通疊加而成的。如果兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁通方向相同則稱(chēng)為和復(fù)勵(lì)或積復(fù)勵(lì)，主磁通將隨著轉(zhuǎn)子電流的增加而加強(qiáng)；若兩繞組產(chǎn)生的磁通方向相反則稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)，主磁通將隨著轉(zhuǎn)子電流的增加而減小。這種電動(dòng)機(jī)兼有并勵(lì)式和串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)。

2．直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

1）系列型號(hào) 電機(jī)產(chǎn)品的系列是指在應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)形式、性能水平和生產(chǎn)工藝等方面具有共同性，而且是成批生產(chǎn)的一系列電機(jī)。 電機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)一般用大寫(xiě)印刷體的漢語(yǔ)拼音和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。其中，拼音字母取自電機(jī)全名中有代表意義的漢字拼音的開(kāi)頭字母。例如Z2-61的含義為：Z2-61一般用途防護(hù)式小型直流電機(jī)機(jī)座號(hào)第二次改型設(shè)計(jì)鐵芯長(zhǎng)度符號(hào) 2）額定數(shù)據(jù) 額定數(shù)據(jù)是電機(jī)制造廠商對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行條件的規(guī)定，電機(jī)只有在額定條件下運(yùn)行，才能工作可靠、性能優(yōu)良。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直流電動(dòng)機(jī)的主要額定數(shù)據(jù)有： （1）額定容量（額定功率），用Pn表示，單位為瓦（W）或千瓦(kW）； （2）額定電壓，用Un表示，單位為伏特（V）； （3）額定電流，用In表示，單位為安培（A）； （4）額定轉(zhuǎn)速，用nn表示，單位為轉(zhuǎn)/每分（r/min）； （5）額定勵(lì)磁電壓，用Ufn表示，單位為伏特（V）； （6）額定勵(lì)磁電流，用Ifn表示，單位為安培（A）。

其中，額定容量是指電機(jī)的額定輸出功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它是轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，等于額定電壓、額定電流和額定效率的乘積，即Pn=Un·In·ηn習(xí)題與思考題7

1.直流電動(dòng)機(jī)是怎樣將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的？在轉(zhuǎn)換過(guò)程中換向器起什么作用？ 2.他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)在下列條件下，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是否改變？ （1）勵(lì)磁電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)子電壓降低； （2）轉(zhuǎn)子電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，勵(lì)磁電流減?。? （3）轉(zhuǎn)子電壓、勵(lì)磁電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，與轉(zhuǎn)子串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻。 3.一直流電動(dòng)機(jī)，電源電壓U=230V時(shí)，轉(zhuǎn)子電流Ia=60A，轉(zhuǎn)子繞組的電阻Ra=0.1Ω。 （1）計(jì)算此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E； （2）若每個(gè)磁極之下的磁通量Φ=0.08Wb，CE=2.5，計(jì)算這時(shí)的轉(zhuǎn)速n。 4.一直流電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子電阻Ra=0.25Ω，勵(lì)磁電阻Rf=153