第一章.直流電機

第一章直流電機直流電機的基本原理和結(jié)構(gòu)直流電機的電樞繞組直流電機的磁場直流電機的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率直流電機的換向

1－1直流電機的原理和結(jié)構(gòu)直流電機分為直流發(fā)電機和直流電動機。?直流電動機用于驅(qū)動負載。優(yōu)良的啟動性能和調(diào)速性能，控制簡單，在電氣傳動系統(tǒng)中應用廣泛。?直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機的工作原理直流電機的物理模型電勢正方向：abcdB+,A-1直流發(fā)電機的工作原理abcdABabcdABdcabAB電勢正方向：dcbaB+,A-直流發(fā)電機運行時的幾點結(jié)論電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電；電刷間為直流電勢。線圈中感應電勢與電流方向一致；從空間看，電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是制動性質(zhì)；2

直流電動機的工作原理abcdabcddcab電流正方向：dcba轉(zhuǎn)矩方向：順時針電勢方向：abcd電流正方向：abcd轉(zhuǎn)矩方向：順時針電勢方向：dcba直流電動機運行時的幾點結(jié)論外施電壓、電流是直流，電樞線圈內(nèi)電流是交流；線圈中感應電勢與電流方向相反；線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的。電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的；產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動性質(zhì)；直流電機的可逆原理同一臺直流電機，通過改變外界條件，可當發(fā)電機運行，也可當電動機運行。1－2直流電機的結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子定子示意圖直流電機電樞結(jié)構(gòu)1直流電機電樞結(jié)構(gòu)2線圈（繞組）下線焊接碳刷直流電機電刷結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)總結(jié)主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成直流電機定子轉(zhuǎn)子機座換向極主磁極電刷裝置電樞鐵心軸承換向器風扇轉(zhuǎn)軸電樞繞組1－3直流電機分類－勵磁方式他勵串勵并勵注：：電源輸入電流；：電樞電流；：勵磁電流復勵永磁材料勵磁1－4直流電機的額定值額定容量PN：輸出功率額定電壓UN：額定狀態(tài)下出線端電壓；額定電流IN：額定狀態(tài)下出線端電流；額定轉(zhuǎn)速n：額定狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)速直流發(fā)電機：PN＝UN·IN直流電動機：PN＝UN·IN·

★直流電機的銘牌數(shù)據(jù)作業(yè)：0－31－71－8§1-2

直流電機電樞繞組對電樞繞組的要求：在通過規(guī)定的電流時產(chǎn)生盡可能大的電勢和電磁轉(zhuǎn)矩前提下，所消耗的材料最少、

強度高（機械、電氣、熱）、運轉(zhuǎn)可靠、結(jié)構(gòu)簡單、下線方便等。

電樞繞組:直流電機的電磁感應的關(guān)鍵部件之一,是直流電機的電路部分。轉(zhuǎn)子＝電樞繞組實物圖電樞繞組的基本形式疊繞組波繞組邊在NS下，轉(zhuǎn)子移動有關(guān)電樞繞組名詞、術(shù)語極軸線：磁極中心線幾何中心線：磁極之間的平分線極距：鐵心表面，一個極所占的距離。有關(guān)電樞繞組名詞、術(shù)語y=y1-y2有關(guān)電樞繞組名詞、術(shù)語元件：第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y：換向器節(jié)距yk：一、單迭繞組：迭：兩個相臨聯(lián)接的元件，后以元件的端部緊迭在前一元件的端部。特點：槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相等單迭：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度。y=yk=1換向器單迭繞組分析實例1。數(shù)據(jù)計算：y＝y(tǒng)k＝1計算數(shù)據(jù)y和y1畫繞組展開圖安放電刷和磁極實例：P＝2，Z＝S＝K＝16繞組放置元件1：上元件邊在1槽，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。元件2：上元件邊在2槽，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推元件連接順序圖繞電樞一周，所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。展開圖1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－V連接圖某一瞬間電刷、磁極放置磁極：磁極寬度約0.7τ（極距）,均勻分布，N、S極交替安排。

電刷：連接內(nèi)、外電路。為了在正負電刷間獲得最大直流電勢以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢為零的位置。電勢為零的元件：在磁極的幾何中心線上電勢為零。

1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－單迭繞組的特點元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p;整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，繞組內(nèi)部無環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù);正負電刷引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓;由正負電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即a為支路對數(shù)§1-3直流電機的磁場一、勵磁方式直流電機磁場由永久磁鐵或勵磁繞組通以直流電勵磁產(chǎn)生。勵磁繞組和電樞繞組不同的聯(lián)接，決定了不同的勵磁方式。不同的勵磁方式，電機的性能將不同。

勵磁方式他勵串勵并勵注：：電源輸入電流；：電樞電流；：勵磁電流勵磁方式復勵永磁材料勵磁直流電機的磁場和磁路（1）線圈套在鐵心上產(chǎn)生磁場。磁力線集中在鐵磁物質(zhì)內(nèi)。（2）磁路：使磁力線集中經(jīng)過的路徑。（3）磁路計算：磁場由電機中各繞組、包括勵磁繞組、電樞繞組、換向極繞組共同產(chǎn)生。勵磁繞組起主要作用。二、空載時磁場分布二、空載時磁場分布直流電機空載時的磁場分布磁路從氣隙1出發(fā)經(jīng)－電樞齒－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1，最后又回到氣隙1磁通、磁路主磁通、主磁路：由N極出發(fā)，經(jīng)氣隙進入電樞齒部，經(jīng)電樞鐵心的磁軛到另外的電樞齒，通過氣隙進入S極，再經(jīng)定子軛回到原來N極。主磁通交鏈勵磁繞組和電樞繞組，在電樞繞組中感應電勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。漏磁通、漏磁路：不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過相鄰的磁極或定子軛。影響飽和程度主磁通和漏磁通主磁通φ0在電樞繞組中感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；漏磁通φσ不會在電樞繞組中感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁動勢建立；φ0所走的路徑氣隙小，磁阻小；漏磁通所走的路徑氣隙大，磁阻大；勵磁磁勢的計算*磁路：兩個氣隙、兩個電樞齒、一段電樞軛、兩個主極鐵心和一個定子軛。磁勢：計算方法：1。先求經(jīng)過某一段的磁通；

2。根據(jù)該段的截面積SX計算該段的磁密BX；3。由Bx在磁化曲線上查HX。

氣隙磁場在一個磁極的范圍內(nèi)，勵磁磁勢大小一樣，Bδ大小完全與氣隙長度成反比。主磁場磁密的分布在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于0。每極主磁通：空載磁化曲線磁化曲線：表示空載主磁通Φ0與主極磁動勢Ff之間的關(guān)系曲線，Φ0＝f（Ff）。通過實驗或計算得到。FfΦ0直線，不飽和部分膝點飽和部分F0’Fδ’(約1.1~1.35)飽和系數(shù)：三、直流電機負載時磁場主極磁場電樞磁場合成磁場電樞磁場、電樞反應的定義直流電機負載后，電樞繞組有電流通過，該電流建立的磁場簡稱電樞磁場，電樞磁場對主磁場的影響就稱為電樞反應。

當電機帶上負載后，電機的氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同建立。電樞磁動勢的出現(xiàn)，使氣隙磁場發(fā)生畸變，即電樞反應。各支路電流都是通過電刷引入或引出，電刷是電樞表面電流分布的分界線。電樞磁勢的軸線總是與電刷軸線相重合。電刷位置對電樞反應的影響交軸磁勢與主極軸線正交的軸線通常稱為交軸

與主極軸線重合的軸線稱為直軸；2交軸電樞反應NS主極產(chǎn)生磁場的磁密波形電樞繞組產(chǎn)生磁場的磁密波形合成磁場的磁密波形3直軸磁勢電刷不在幾何中心線上，電樞磁勢分為交軸和直軸分量4直軸電樞反應增磁與去磁與電刷的旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)。若電機為發(fā)電機時，電刷順轉(zhuǎn)向移動β角?！铩镏绷靼l(fā)電機的電刷是順轉(zhuǎn)向偏移一個小角度時，直軸電樞反應對主極磁場的作用將是去磁的。

★★而直流發(fā)電機的電刷若是逆轉(zhuǎn)向偏移一個小角度時，直軸電樞反應對主極磁場的作用將是增磁的。

直流電機的電樞反應電樞反應：電樞磁動勢對主極勵磁磁動勢建立的氣隙磁場的影響。具體表現(xiàn)：使氣隙磁場分布發(fā)生畸變；使物理中性線位移（空載時，電機物理中性線與幾何中性線重合；負載時，物理中性線發(fā)生偏轉(zhuǎn)；呈去磁作用§1－4直流電機的感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩一、直流電機的電樞電勢電樞電勢：直流電機正、負電刷之間的感應電勢，即每個支路里的感應電勢。計算：求出一根導體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均感應電勢，乘上一個支路里總的導體數(shù)。直流電機的感應電勢具體計算：一根導體：Bav：平均磁密；li：導體長度；v：電樞旋轉(zhuǎn)線速度n：電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)：每極磁通支路電勢：Ce：電勢常數(shù)N：總導體數(shù)電樞電勢的認識一臺制造好的電機，它的電樞電勢(V)正比于每極磁通φ（韋伯)和轉(zhuǎn)速n（r/min),與磁密分布無關(guān)。對電樞電勢的認識：二、電磁轉(zhuǎn)矩一根導體的平均電磁力：電磁轉(zhuǎn)矩：CM:轉(zhuǎn)矩常數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩的認識一臺制造好的電機，它的電磁轉(zhuǎn)矩正比于每極磁通和電樞電流，與磁密分布無關(guān)。電勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM決定于結(jié)構(gòu)常數(shù)。它們的關(guān)系為：三、電磁功率電樞電磁功率：直流電動機：從電源吸收的電功率，通過電磁感應作用，轉(zhuǎn)換成軸上的機械功率；直流發(fā)電機：原動機克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動作用所做的機械功率等于通過電磁感應作用在電樞回路所得到的電功率。電磁功率作業(yè)1－18，1－19單波繞組不作P31:1－1，1－8，1－9下面復習1、勵磁方式：他勵、并勵、串勵、復勵、永磁2、空載時磁場分布直流電機空載時的磁場分布磁路從氣隙1出發(fā)經(jīng)－電樞齒－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1，最后又回到氣隙1主磁通和漏磁通3、空載磁化曲線磁化曲線：表示空載主磁通Φ0與主極磁動勢Ff之間的關(guān)系曲線，Φ0＝f（Ff）。通過實驗或計算得到。FfΦ0直線，不飽和部分膝點飽和部分F0’Fδ’(約1.1~1.35)飽和系數(shù)：4、電刷位置對電樞反應的影響5、交軸電樞反應NS主極產(chǎn)生磁場的磁密波形電樞繞組產(chǎn)生磁場的磁密波形合成磁場的磁密波形6、

直軸電樞反應增磁與去磁。7、直流電機的感應電勢具體計算：一根導體：Bav：平均磁密；li：導體長度；v：電樞旋轉(zhuǎn)線速度n：電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)：每極磁通支路電勢：Ce：電勢常數(shù)N：總導體數(shù)§1-5直流電動機的運行原理直流電動機的勵磁方式可以是他勵、并勵、串勵和復勵。以并勵為例推導直流電動機的基本方程式。各物理量正方向的規(guī)定：電樞電動勢Ea與電流Ia方向相反；電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向一致。電流與電壓的參考方向如圖示；RarfIaIfIEaT,nUrΩ

一、基本方程式（1）電勢平衡式電樞回路：U>Ea重要的轉(zhuǎn)速公式：勵磁回路：基本方程式（2）轉(zhuǎn)矩平衡式T＝T0＋T2＝TZT2：輸出轉(zhuǎn)矩;

T0:空載制動轉(zhuǎn)矩;TZ:總負載轉(zhuǎn)矩推論：（1）若制動TZ不變，

φ不變，穩(wěn)定后的Ia不變。（2）實際空載時，Ia0。（3）功率平衡式電動機從電源輸入的電功率為：0p：空載損耗：機械損耗：附加損耗：鐵耗功率平衡式

直流電動機的功率平衡式：效率：二、直流電動機的工作特性工作特性，

是指在U＝UN，If＝IfN時，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率隨輸出功率P2而變化的關(guān)系。即或Ian并勵（他勵）電動機轉(zhuǎn)速特性時，的關(guān)系為轉(zhuǎn)速特性。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得n0：理想空載轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速下降不多，考慮電樞反應，有可能升高。機械特性機械特性反映得是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的變化規(guī)律。從

可得Memn硬特性IaT并勵（他勵）電動機轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：考慮去磁，曲線有所下降。時，的關(guān)系為轉(zhuǎn)矩特性。并勵（他勵）電動機效率特性當時，的關(guān)系叫效率特性。其中，為不變損耗為可變損耗并勵（他勵）電動機效率特性η與Ia之間存在二次關(guān)系，效率曲線存在一個最大值。

令可得忽略勵磁電流Ia

電動機效率特性結(jié)論：當電動機在某負載下不變損耗等于可變損耗時，此時效率最高。推論：（1）額定運行時總損耗；（2）可從額定數(shù)據(jù)來估算電樞回路總電阻。上述結(jié)論和推論具有普遍性Ian串勵電動機轉(zhuǎn)速特性（）根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得串勵電動機的特點，結(jié)論：串勵電動機不允許在小于15～20％的額定負載下起動。串勵I(lǐng)aT串勵電動機轉(zhuǎn)矩特性T＝f（Ia）根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：特點：串勵電動機有較大起動轉(zhuǎn)矩與過載能力。結(jié)論：適用于重載起動的場合，不允許在空載和很輕負載下運行。Ian復勵電動機的工作特性復勵是串勵和并勵共同合成得勵磁方式。

并勵起主要作用，接近并勵特性；串勵起主要作用，接近串勵特性；并勵串勵復勵直流電動機的總結(jié)（1）三個平衡式，以及U>E的電動狀態(tài)判據(jù)。（2）不同勵磁方式對工作特性的影響。作業(yè)1－21，1－22P32:復習（1）2、電磁轉(zhuǎn)矩：CM:轉(zhuǎn)矩常數(shù)1、電樞電勢：：電勢常數(shù)N：總導體數(shù)3、電磁功率：基本物理量復習（2）（1）電勢平衡式（并勵電動機）U>Ea電樞回路：重要的轉(zhuǎn)速公式：勵磁回路：（2）轉(zhuǎn)矩平衡式T＝T0＋T2＝TZT2：輸出轉(zhuǎn)矩;

T0:空載制動轉(zhuǎn)矩;TZ:總負載轉(zhuǎn)矩（3）功率平衡式基本方程式例題1某并勵直流電動機額定數(shù)據(jù)如下：電樞回路總電阻，電樞反應忽略不計。試求：（1）額定運行時的輸出轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；例題1解：例題1（2）理想空載轉(zhuǎn)速與實際空載轉(zhuǎn)速；例題1（3）額定運行時突然在轉(zhuǎn)子回路中串入的電阻，串入瞬時的電樞電流和轉(zhuǎn)速各為多少？轉(zhuǎn)速不能突變。（4）串入且穩(wěn)定后的電樞電流和轉(zhuǎn)速各為多少？由于負載不變，故而由可知穩(wěn)定后的電樞電流為：轉(zhuǎn)速：§1-7直流電機的換向1.換向過程？（假設(shè)電刷寬度等于換向片寬度）電樞旋轉(zhuǎn)時，被電刷短路的元件從短路開始到短路結(jié)束，從一條支路轉(zhuǎn)換到另一條支路，電流改變了方向。換向元件中電流的這種變化過程，稱為換向過程。從換向開始到換向結(jié)束所需時間，稱為換向周期直線換向如果換向元件中電勢為零，則在被電刷短路的閉合回路中不會有環(huán)流。

換向元件中的電流由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定。變化曲線是一條直線，稱為直線換向。但是換向過程中，不可能沒有電勢！t+ia-iai2.換向元件中的感應電勢(1)電抗電勢er換向元件中由于換向電流的變化所引起的自感電勢和互感電勢之和，稱為電抗電勢。Lr：換向元件的電抗系數(shù)，包括自感和互感er的平均值：設(shè)電刷寬度bs等于換向片寬度bk，換向片數(shù)為K，換向周期Tk：電抗電勢的特點

電機負載越重或轉(zhuǎn)速越高，電抗電勢越大。

電抗電勢的方向阻止換向電流的變化，因此er的方向必與換向前的元件電流ia的