第03章－直流電機(jī)原理

-1-第三章直流電機(jī)原理電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)（第3版）第一節(jié)直流電機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)第二節(jié)直流電機(jī)的電樞繞組和磁場(chǎng)第三節(jié)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩第四節(jié)直流電機(jī)的基本方程和工作特性-2-

直流電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，既可以將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電動(dòng)機(jī)，反之則稱為直流發(fā)電機(jī)。第三章直流電機(jī)原理直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)性能和調(diào)速性能較好，過載能力大，易于控制。常用于對(duì)調(diào)速性能和調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。例如電力機(jī)車、軋鋼機(jī)等都廣泛使用直流電機(jī)作為拖動(dòng)電機(jī)。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(chǎng)，以及直流電動(dòng)機(jī)的基本方程和工作特性。3.1直流電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)3.1.1直流電機(jī)的工作原理一、直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)工作原理

右圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)同，線圈abcd將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如右圖，導(dǎo)體ab在N極下，a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體cd在S極下，c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。

當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，如右圖。與電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負(fù)的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。

導(dǎo)體ab在S極下，a點(diǎn)低電位，b點(diǎn)高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點(diǎn)低電位，d點(diǎn)高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。

實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際需要有多個(gè)線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對(duì)。二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過。

直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

在磁場(chǎng)作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

與直流發(fā)電機(jī)相同，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(duì)。

當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖:3.1直流電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)3.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極：產(chǎn)生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成換向磁極：改善換向。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機(jī)座和端蓋：起支撐和固定作用。定子轉(zhuǎn)子換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換。電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導(dǎo)線繞制而成，是電路部分。轉(zhuǎn)軸：由鋼鐵做成。軸承：氣隙3.1.3直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列3.1.3直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列額定條件下電機(jī)所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機(jī)指軸上輸出的機(jī)械功率電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動(dòng)機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速.對(duì)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)磁電流電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。

此外，電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有物理量與額定值相同——電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流——欠載運(yùn)行；運(yùn)行電流大于額定電流——過載運(yùn)行。長期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長期過載運(yùn)行會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。額定功率與額定電壓和額定電流之間的關(guān)系為：例3.1一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的額定值為試求該電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的輸入功率P1及電流例3.2一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)的額定值為試求該發(fā)電機(jī)額定電流磁路中,產(chǎn)生磁通的源叫做磁勢(shì),用Fm表示,通常其強(qiáng)弱取決于()。A、電流與線圈匝數(shù)的乘積B、磁感應(yīng)強(qiáng)度C、磁通量D、磁阻異步電動(dòng)機(jī)的額定功率PN是指()。A、輸入電功率B、輸出機(jī)械功率C、輸入機(jī)械功率D、輸出電功率3.2.1

直流樞繞組基本知識(shí)3.2直流電機(jī)的電樞繞組簡(jiǎn)介元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個(gè)元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。疊繞組：指串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進(jìn)。第一節(jié)距：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離。合成節(jié)距：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離。第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。單疊繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。3.2.2.單疊繞組

單疊繞組的特點(diǎn)是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即：

單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構(gòu)成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對(duì)位置關(guān)系。根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖:單疊繞組的的特點(diǎn)：1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電刷間電動(dòng)勢(shì)等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢(shì)。3）電樞電流等于各支路電流之和。3.２.３單波繞組

單波繞組的特點(diǎn)是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下圖所示。

兩個(gè)串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個(gè)極距；沿圓周向一個(gè)方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。3.２.３單波繞組單波繞組的并聯(lián)支路圖:單波繞組的特點(diǎn)1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1，與磁極對(duì)數(shù)無關(guān)；2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢(shì)最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；4）電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。3.2.3直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)3.2直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

直流電機(jī)工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動(dòng)勢(shì)，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁動(dòng)勢(shì)的影響稱為電樞反應(yīng)。

右圖為一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)示意圖。當(dāng)勵(lì)磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為，流過電流，每極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為：

直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個(gè)作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。磁力線由N極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進(jìn)入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進(jìn)入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路

空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。

空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時(shí)主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。

為了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時(shí)，氣隙磁通與空載磁動(dòng)勢(shì)或空載勵(lì)磁電流的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。如右圖所示。

為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材料，一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，額定磁通設(shè)定在圖中A點(diǎn)，即在磁化特性曲線開始進(jìn)入飽和區(qū)的位置。3.2.4

直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的負(fù)載磁場(chǎng)

直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場(chǎng)發(fā)生變化。

右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布情況。

假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間的分布情況，電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸磁動(dòng)勢(shì)。

如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中所示。

由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖中所示。3.2.5

直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場(chǎng)是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用的結(jié)果。電樞磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)，將主磁場(chǎng)分布和電樞磁場(chǎng)分布疊加，可得到負(fù)載后電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況，如圖（a）所示。主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：

2)、對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用1)、使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變

空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線角，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。

磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：3)、氣隙磁場(chǎng)的畸變使物理中心線偏離幾何中心線

空載時(shí)磁通密度等于零的物理中心線與幾何中心線重合，負(fù)載時(shí)物理中心線偏離幾何中心線。1.4.1

直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)1.4直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)簡(jiǎn)稱為電樞電動(dòng)勢(shì)。性質(zhì):發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)(與電樞電流同方向);

電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)(與電樞電流反方向).)(電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中可見,直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。大小:1.4.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時(shí),在磁場(chǎng)內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:性質(zhì):發(fā)電機(jī)——制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)——驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)?？梢姡圃旌玫闹绷麟姍C(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中-64-

三、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式在直流電機(jī)中，由定子勵(lì)磁線圈通電所產(chǎn)生的主磁場(chǎng)稱為勵(lì)磁磁場(chǎng)。不同的勵(lì)磁方式，直流電機(jī)的運(yùn)行特性有很大差異。按勵(lì)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-68-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(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)直流電機(jī)由外動(dòng)力拖動(dòng)，在電樞轉(zhuǎn)軸上輸入機(jī)械能，電樞感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)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(shí)電樞也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但數(shù)值小于電樞電壓，則電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。本節(jié)給出直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程和工作特性。第三章直流電機(jī)原理-69-

一、直流電動(dòng)機(jī)在列寫直流電動(dòng)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(shí)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-70-1.電壓方程

(1)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dòng)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(dòng)勢(shì)（3-9）-71-(2)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如圖3-12b所示，電動(dòng)機(jī)采用并勵(lì)方式時(shí)，勵(lì)磁繞組與電樞回路并聯(lián)，共用一個(gè)電源，電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)相同，并有第三章直流電機(jī)原理（3-10）（3-11）

(3)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如圖3-12c所示，電動(dòng)機(jī)采用串勵(lì)方式時(shí)，勵(lì)磁繞組與電樞回路串聯(lián)，再與電源連接，此時(shí)（3-12）（3-13）-72-

2.轉(zhuǎn)矩方程直流電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓后，工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，電樞產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te

，其方向如圖3-16所示，為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩T0和電動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(lì)磁回路輸入的電功率（3-13）-73-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(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的另一種計(jì)算公式（3-18）-74-

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Δpm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。

直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的功率關(guān)系如圖3-16所示。-75-第三章直流電機(jī)原理此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電功率-76-式中，P2——電動(dòng)機(jī)的輸出功率，并有P2=PL；

Δpadd——電動(dòng)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(dòng)機(jī)的總損耗，并有第三章直流電機(jī)原理由此，電動(dòng)機(jī)的效率為（3-20）（3-21）例3-1-77-第三章直流電機(jī)原理功率流程-78-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(shí)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)際運(yùn)行中為保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，一般使電動(dòng)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(shí)，n=f（I

a）的關(guān)系曲線。由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式和電壓方程可得（3-22）-79-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(shí)，Te=f（Ia）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性公式Te=CT

Ia

可知，在磁通為額定值時(shí)，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(shí)，

=f（Ia）的關(guān)系曲線。由式（3-20）可見，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的效率在0.75~0.94之間（與變壓器情況相似）。-80-第三章直流電機(jī)原理-81-第三章直流電機(jī)原理

直流電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)一定要保證勵(lì)磁回路連接可靠，絕不能斷開。一旦勵(lì)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(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成“飛車”；若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為重載，則電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)電樞電路前應(yīng)先閉合勵(lì)磁電路，保證電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。例3-2*第三章直流電機(jī)原理第三章直流電機(jī)原理-84-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。-85-第三章直流電機(jī)原理

1.電壓方程他勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)由外動(dòng)力拖動(dòng)按圖3-18a所示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea，并且Ea>Ua，使電樞電流Ia反向，此時(shí)電樞回路的電壓方程為其中，。他勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈采用單獨(dú)電源供電，其回路方程見式（3-7），即（3-23）-86-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(lì)方式，勵(lì)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(lì)時(shí)相同，但電流變?yōu)槭剑?-25），即-87-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(dòng)力轉(zhuǎn)矩Tm的拖動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，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(duì)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）-88-第三章直流電機(jī)原理（3-29）

上式說明，他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)將輸入的原動(dòng)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。-89-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(duì)于他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)對(duì)于并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，則在上式中還應(yīng)加上勵(lì)磁損耗ΔpCuf。（3-31）-90-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(shí)，E0=Ea=f（If）的關(guān)系曲線。這里分兩種情況討論：

1)對(duì)于他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(lì)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。-91-第三章直流電機(jī)原理

2)對(duì)于并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，其勵(lì)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(lì)磁電流才行。由此可見，并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)在起始階段需要有一個(gè)自我勵(lì)磁并建立電壓的過程，這稱之為自勵(lì)過程。-92-第三章直流電機(jī)原理

必須指出，自勵(lì)發(fā)電方式能否建立空載電壓是有三個(gè)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(lì)磁繞組的極性必須正確，也就是勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)時(shí)接線要正確；三是勵(lì)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。

總之，自勵(lì)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。-93-第三章直流電機(jī)原理(2)外特性是指當(dāng)勵(lì)磁電流保持不變，改變外部負(fù)載時(shí)，其輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，即