模塊3直流電機課件講解

本項目通過引入實訓項目，利用一臺小型直流電機，嘗試使用實踐的方法，在一步步的拆解和安裝過程中，使同學們在提高動手能力的同時，進一步強化對直流電機結(jié)構(gòu)組成的理解，熟練掌握直流電機電磁感應(yīng)的工作原理。項目3.1直流電機的拆裝教學目標：1）熟悉直流電機的主要結(jié)構(gòu)；2）掌握直流電機的基本工作原理；3）熟悉直流電機的拆裝方法和常見故障處理方法。3.1.1直流電機的拆裝項目介紹圖3-1所示為直流發(fā)電機的簡化模型。圖中N、S為固定不動的磁極，連接磁極的部分稱為直流發(fā)電機的定子。abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導磁圓柱體上的線圈，線圈的首端a，末端d連接到兩個相互絕緣的并可隨線圈一同轉(zhuǎn)動的導電片上，線圈連同導磁圓柱體是直流發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)部分，成為發(fā)電機轉(zhuǎn)子（又稱電樞），線圈首末端連接的導電片稱為換向片。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的電刷來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子和定子之間存在一定間隙，稱為空氣隙，簡稱氣隙。3.1.2項目相關(guān)知識1．直流發(fā)電機的工作原理圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型當有原動機拖動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)時，由電磁感應(yīng)定律可知，在線圈abcd中，由于導線ab和cd切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，每邊導體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小可通過下式求得：

（3-1）式中：

為導體所在處的磁通密度，單位為Wb/m2；

為導體ab或cd的有效長度，單位為m；

為導體ab或cd與

間的相對速度，單位為m/s；

為導體感應(yīng)電動勢，單位為V。導體中感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則確定。電樞每旋轉(zhuǎn)一圈，線圈abcd的感應(yīng)電動勢就交變兩次，電樞不斷旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電動勢方向就不斷變化。只要旋轉(zhuǎn)方向不變，換向器就會及時的改變導線與電刷的連接，電刷的極性就固定不變，在電刷兩端就獲得直流電動勢。這就是直流發(fā)電機的基本工作原理。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型2．直流電動機的工作原理將電刷A、B連接到一直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極，此時將有電流從電刷A流入線圈，從電刷B流出。如圖3-2（a）所示，當線圈的ab邊位于N極下，線圈的cd邊位于S極下，根據(jù)安培定律可知線圈的ab邊和cd邊將受到電磁力作用，大小為：

（3-2）式中：

為導體所在處的磁通密度，單位為Wb/m2；

為導體ab或cd的有效長度，單位為m；

為導體中流過的電流，單位為A；

為導體所受的電磁力，單位為N。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-2直流電動機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型導體受力方向由左手定則確定。在圖3-2（a）情況下，位于N極下的ab邊受力方向從右向左，而位于S極下的cd邊受力方向為從左向右。該電磁力與轉(zhuǎn)子半徑的乘積為電磁轉(zhuǎn)矩，此時電磁轉(zhuǎn)矩方向方向為逆時針，當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時，線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。同直流發(fā)電機一樣，由于電刷固定不動，換向片和電樞線圈同時轉(zhuǎn)動。因此，線圈導體中流通的電流為交變的，但位于N和S極下的導體受力方向并發(fā)生變化，電動機在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型3.1.3項目的實現(xiàn)圖3-3直流電機結(jié)構(gòu)圖直流電機主要由外部固定不動的部分和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的部分兩大部分組成。并且，為保證正常工作，兩部分之間留有空隙，稱為氣隙。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型

1.直流電機的拆卸方法由于直流電機在結(jié)構(gòu)上存在換向器等，用以完成線圈交變電流與電刷外直流電流的變換過程，因此給拆裝帶來一定困難。在拆裝前，務(wù)必弄清楚直流電機結(jié)構(gòu)的基本特點，特別是換向器和電刷裝置的結(jié)構(gòu)。根據(jù)各實驗室配備的直流電機型號，可由指導老師示范講解后實踐。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型直流電機的拆卸步驟為：（1）仔細辨別電機外部接線，做好標記后，拆除連接線；（2）拆卸電機端部的帶輪或聯(lián)軸器；（3）拆卸換向器側(cè)的端蓋螺釘和軸承蓋螺釘，取下軸承外蓋；（4）打開端蓋的通風窗，取出電刷，拆卸刷桿連接線；（5）拆卸端蓋，取出刷架，妥善保存好換向器，保持清潔并避免碰傷；（6）拆卸軸兩側(cè)端蓋，取出電樞，放置支架上；（7）拆卸軸兩側(cè)軸承外蓋，取下軸承，軸承也可不取下，連同電樞一起放置。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型

2.直流電機的定子部分

圖3-4直流電機的主磁極圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（1）主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生恒定的、有一定空間分布形狀的氣隙磁場。主磁極一般由主磁極鐵芯和放置在鐵芯上的勵磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵芯分成極身和極靴，極靴寬于極身，作用是使氣隙磁通密度的空間分布均勻并減小氣隙磁阻，同時又起到支撐固定勵磁繞組的作用。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在極身上。為減小渦流損耗，主磁極鐵芯采用1.0~1.5mm厚的低碳鋼板沖成固定形狀，用鉚釘鉚緊，然后固定在機座上。主磁極結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（2）換向磁極換向磁極又叫附加極，其結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。它的作用是改善電機的換向。其數(shù)量一般與主磁極相等，在1kW以下的小容量直流電機中，有時候換向磁極數(shù)目只有主磁極的一半，或者不安裝。換向磁極也是由鐵芯和繞組構(gòu)成，鐵芯比主磁極簡單，一般用整塊鋼或鋼板疊片加工而成。換向磁極繞組與電樞繞組串聯(lián)，即流過的電流是電樞電流。換向磁極安裝在相鄰兩主磁極之間，用螺釘固定在機座上。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-5換向磁極的結(jié)構(gòu)圖圖3-6電刷裝置的結(jié)構(gòu)圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（3）電刷裝置電刷裝置是直流電機的重要組成部分。電刷和換向器配合完成機械整流，可以將轉(zhuǎn)動的電樞繞組和外電路連接并把電樞繞組中的交流量轉(zhuǎn)變成電刷端的直流量。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿座組成，如圖3-6所示。電刷由石墨制成，放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊在換向器上，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷架上，彼此都絕緣。刷架裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，調(diào)整好位置后固定。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（4）機座定子部分的外殼稱為機座。機座通常有兩種形式，一種是用整體鑄鋼制成，另一種是用厚鋼板焊接而成。機座有兩個作用，一個是用來固定主磁極、換向磁極和端蓋；另一個用處是作為磁路的一部分起到導磁的作用。機座中有磁通經(jīng)過的部分稱為磁軛。（5）端蓋端蓋位于機座上，主要起支撐作用，其上放置軸承，支撐直流電機轉(zhuǎn)軸，使之能夠旋轉(zhuǎn)。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型3.直流電機的轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子是電機的轉(zhuǎn)動部分，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和軸承等組成。（1）電樞鐵芯

電樞鐵芯是主磁路的一部分，同時對放置在其上的電樞繞組起支撐作用。由于電樞鐵芯和主磁場之間的相對運動會導致鐵耗，因此，為了減少鐵耗，電樞鐵芯一般用0.5mm厚兩邊涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成，固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。如圖3-7所示，鐵芯四周開槽，可以鑲嵌電樞繞組。為加強冷卻，有時中間留有通風孔。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（a）電樞鐵芯沖片（b）電樞繞組在槽中的放置圖3-7直流電機的電樞圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（2）電樞繞組電樞繞組是直流電機的主要電路部分，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，它由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。每個線圈稱為一個元件，用帶絕緣的圓形或矩形截面導線繞成，嵌放在電樞槽內(nèi)，上下層之間及線圈與鐵芯之間都要絕緣。然后用槽楔壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶緊固，以防止離心力將繞組甩出槽外。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型（4）換向器換向器又稱為整流子，也是直流電機的重要部件，亦是直流電機最薄弱的部分。對于發(fā)電機，換向器作用是把電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱觿菹蛲獠枯敵鲋绷麟妷?；對于電動機，它是將外界提供的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組內(nèi)的交變電流使電機旋轉(zhuǎn)。如圖3-8所示，換向器由換向片組合而成，一般采用導電性能好的、硬度大、耐磨性好的紫銅或銅合金制成，換向片底部做成燕尾形狀，鑲嵌在含有云母絕緣的V形鋼環(huán)內(nèi)，相鄰兩換向片之間用云母絕緣。電樞繞組的每一個線圈兩端分別焊接在兩個換向片上。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型

圖3-8換向器結(jié)構(gòu)圖圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型4.直流電機的裝配及拆裝工藝要點將拆卸的直流電機各部件檢查無誤后，按拆卸的相反步驟進行裝配，裝配時要注意將刷桿座調(diào)整到標記位置。在熟練掌握各部件的結(jié)構(gòu)和作用的同時，了解直流電機的拆裝工藝，其注意事項如下：（1）一般拆裝時只拆非換向器端的端蓋，換向器端端蓋不拆；（2）拆卸時應(yīng)把電刷提起，或卡緊，避免彈簧壓緊時取電樞將電刷碰斷；（3）電樞從定子中取出時，避免碰壞換向器和繞組；（4）注意所有電路連接線的位置和標記，要按原樣進行裝配；（5）裝配時注意墊圈墊片的安裝，避免緊固不夠和氣隙不對稱，產(chǎn)生單項拉力及換向變壞或電機不轉(zhuǎn)等情況；（6）裝配時，要理順所有電氣線路，避免繞組端接部分卡入氣隙，防止線路和絕緣破損，導致機座帶電或短路。圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型圖3-1直流發(fā)電機模型3.1.4項目中常見故障處理1．直流電動機不能起動（1）無電源：檢查起動器接線是否有誤，熔斷器是否熔斷，線路是否完好。（2）電刷接觸不良：調(diào)整或更換電刷，改善換向片接觸面導電性。（3）過載：過載堵轉(zhuǎn)，減小負載。（4）起動電流太小：檢查電源電壓，檢查起動器是否合適。（5）勵磁回路斷路：檢查勵磁繞組是否斷路，更換繞組。2．轉(zhuǎn)速不正常（1）電刷位置不正常：按記號或感應(yīng)法調(diào)整電刷位置。（2）串勵電動機空載或輕載運行：增加負載。（3）串勵繞組接反：糾正接線。（4）勵磁繞組回路電阻過大：檢查回路變阻器及勵磁繞組電阻，檢查接線。3．電刷下火花過大（1）電刷與換向器接觸不良：研磨電刷接觸面。（2）電刷壓力大小不當：調(diào)整電刷彈簧，校正電刷壓力。（3）換向器表面不光潔：清理或修理換向器。（4）刷握松動或位置不正確：緊固或重新調(diào)整位置。（5）換向磁極繞組短路：檢修繞組。（6）電樞繞組與換向器脫焊：檢查脫焊位置，重新焊接。（7）電刷位置不在中性線上：調(diào)整電刷桿座至記號位置，或用感應(yīng)法調(diào)整電刷位置。（8）過載：減小負載或更換大容量電機。4．機座帶電（1）繞組或引線絕緣破損：檢修，加強絕緣。（2）引出線接觸外殼：重新包扎引線接頭。（3）絕緣電阻過低：測量電動機絕緣電阻，阻值低于0.5M時應(yīng)加以烘干。5．振動及噪音大（1）電刷位置不在中性線上：調(diào)整電刷桿座至記號位置，或用感應(yīng)法調(diào)整電刷位置。（2）串勵繞組或換向極接反：糾正接線。（3）電源電壓不穩(wěn)：檢查電樞電壓，要求高的場合可加裝穩(wěn)壓裝置。（4）勵磁電流太小或勵磁電路短路：增加勵磁電流或檢查勵磁回路有無短路。（5）機座或緊固部件松動：固定機座，檢查電機所有位置緊固部件。（6）定子轉(zhuǎn)子互相摩擦：檢查氣隙是否均勻，軸承是否損壞。專題3.2直流電機的銘牌和額定值教學目標：1）理解直流電機的銘牌數(shù)據(jù)；2）掌握直流電機額定值的計算方法；3）了解直流電機的主要系列。3.2.1直流電機的銘牌數(shù)據(jù)每臺直流電機的機座上都釘有一塊銘牌，其上標明電機的主要額定數(shù)據(jù)和電機產(chǎn)品數(shù)據(jù)，供使用者使用時參考，如圖3-9所示。圖3-9直流電機的銘牌電機的產(chǎn)品型號表示電機的結(jié)構(gòu)和使用特點，國產(chǎn)電機的型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示，其格式為舉例說明如下：3.2.2直流電機的額定值電機制造廠按照國家標準及電機設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)，規(guī)定電機正常運行狀態(tài)的條件，稱為額定運行狀況，表征額定運行狀況的數(shù)據(jù)稱為額定值和額定數(shù)據(jù)。額定值是正確選擇和合理使用電機的依據(jù)。根據(jù)標準，直流電機的額定值有：1．額定功率：額定功率是指電機按照規(guī)定的工作方式，在額定狀態(tài)下運行時的輸出功率。對于發(fā)電機，是指電樞輸出的電功率；對于電動機，是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，單位一般都為kW。2．額定電壓：額定電壓是在電機額定狀況下，電樞繞組能夠安全工作時所規(guī)定的出線端平均電壓。對電動機是指輸入電壓，對發(fā)電機是指輸出電壓，單位為V。3．額定電流：額定電流是指電機在額定電壓情況下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流值，單位為A。額定功率、額定電壓和額定電流三者之間的關(guān)系如下：直流發(fā)電機：（3-3）直流電動機：（3-4）式中，為電機的額定效率。4．額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速是指在額定功率、額定電壓和額定電流時電機的轉(zhuǎn)速，單位為。5．額定勵磁電壓：在額定情況下，勵磁繞組所加的電壓，單位為V。6．額定勵磁電流：在額定情況下，對應(yīng)于額定勵磁電壓時勵磁繞組中的電流，單位為A。3.2.3直流電機的主要系列所謂的系列電機，就是在應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)形式、性能水平、生產(chǎn)工藝等方面具有共同性，功率按某一系數(shù)遞增的成批生產(chǎn)的電機。系列化的目的是為了產(chǎn)品的通用化和標準化。我國的直流電機主要有Z2、Z3、Z4系列。Z2系列是一般用途的中小型直流電機，Z3、Z4系列是改型設(shè)計的中小型直流電機新產(chǎn)品，相比于Z2系列，體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速范圍大。常見的電機產(chǎn)品系列見表3-1。專題3.3直流電機的電樞繞組和磁場教學目標：1）了解直流電機電樞繞組的排列規(guī)律和特點；2）理解直流電機的勵磁方式；3）了解直流電機磁場的基本概念。3.3.1直流電機的電樞繞組1.電樞繞組的基本知識電樞繞組是直流電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。電樞繞組是由許多結(jié)構(gòu)和形狀相同的線圈按照一定的規(guī)律連接而成的閉合繞組。按照連接規(guī)律的不同，分為疊繞組和波繞組兩種形式。其中最簡單的是單疊繞組和單波繞組。（1）繞組元件線圈是組成繞組的單元，一個線圈就是一個繞組元件。繞組元件是由一匝或多匝絕緣銅線繞制而成。其中，放置在電樞槽內(nèi)，能切割磁力線，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢的元件邊，稱為元件的有效邊，每個元件有兩個有效邊；處于槽外，連接有效邊的部分稱為端部，元件的兩個出線端分別稱為首端和末端。電樞繞組一般做成雙層繞組，將元件的一個有效邊放在槽的上層，稱作上層邊，繪圖時以實線表示；另一個有效邊放在另一個槽的下層，稱為下層邊，繪制時以虛線表示。每個元件的首端和末端都和不同的換向片相連。每個換向片總是連接一個元件的上層邊和另一個元件的下層邊，所以元件數(shù)和換向片數(shù)相等；每個電樞槽分上下兩層嵌放兩個元件邊，所以元件數(shù)和槽數(shù)又相等，即（3-5）為改善電機性能，往往需要較多的繞組元件，而由于工藝等原因，電樞鐵芯外圓不宜開太多的槽，實際電機每個槽的上下層并排放置若干個有效邊，如圖3-10所示。通常把一個上層邊和一個下層邊在槽內(nèi)占據(jù)的空間稱為一個虛槽，電樞上實際的槽稱為實槽。實槽數(shù)與虛槽數(shù)的關(guān)系為（3-6）為分析和畫圖方便，設(shè)。

圖3-10實槽與虛槽（2）節(jié)距為了將元件首末端與換向片正確連接，以及正確表示繞組在電樞表面的幾何關(guān)系，我們引入“節(jié)距”的概念。所謂節(jié)距，是指被連接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的虛槽數(shù)或換向片數(shù)來表示。直流電機電樞繞組的節(jié)距有第一節(jié)距、第二節(jié)距、合成節(jié)距和換向器節(jié)距四種。①極距：是指一個磁極在電樞表面所跨的弧長距離，用字母表示。如果用表示電樞直徑，表示磁極對數(shù)，則（3-7）用磁極表面的虛槽數(shù)來表示時（3-8）②第一節(jié)距：指一個元件的兩個有效邊在電樞表面所跨的距離，用虛槽數(shù)表示，它是一個整數(shù)。為了使元件的感應(yīng)電動勢最大，應(yīng)使等于或接近于極距，即（3-9）

③第二節(jié)距：指相串聯(lián)的兩個相鄰元件中，前一個元件的下層邊和后一個元件的上層邊之間在電樞表面的所跨的距離，也用虛槽數(shù)表示，如圖3-11所示。（a）單疊繞組（b）單波繞組圖3-11繞組節(jié)距示意圖④合成節(jié)距：指相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊在電樞表面所跨的距離，用虛槽數(shù)表示，如圖3-11所示。單疊繞組（3-10）單波繞組（3-11）⑤換向器節(jié)距：指同一元件的兩出線端所接的換向片之間的距離，一般用換向片數(shù)來表示。如圖3-11所示，換向器節(jié)距始終等于合成節(jié)距，即（3-12）2.電機繞組的基本形式后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分上，這種形式稱為疊繞組。一個元件的出線端所連的換向片相隔較遠，相串聯(lián)的兩個元件相隔也較遠，連接形式呈波浪形，此形式稱為波繞組。單疊繞組和單波繞組是最基本形式。（1）單疊繞組單疊繞組的特點是元件的首端和末端分別接到相鄰的兩個換向片上，下一個元件疊在前一個元件之上，如圖3-11（a）所示，從圖中可以看出。下面舉例說明連接的規(guī)律和特點。圖3-12單疊繞組展開圖（3）作繞組連接順序表圖3-13單疊繞組連接順序表圖3-13單疊繞組連接順序表（4）單疊繞組并聯(lián)支路圖圖3-14單疊繞組并聯(lián)支路圖（2）單波繞組單波繞組的同一個元件的兩個出線端所接的兩個換向片相隔接近兩個極距，元件串聯(lián)后形成波浪形，所以稱為波繞組，如圖3-11（b）所示。與單疊繞組一樣，為了使繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大，元件的第一節(jié)距接近于極距。換向器節(jié)距應(yīng)滿足下式（3-13）式中，K為換向片數(shù)。（a）左行繞組（b）右行繞組圖3-15單波繞組形式及節(jié)距下面以一臺，直流電機為例，說明單波繞組的連接規(guī)律。（2）繪制繞組展開圖圖3-16單波繞組展開圖（3）作繞組連接順序表圖3-17單波繞組連接順序表（4）單波繞組并聯(lián)支路圖

按各元件的連接順序，將不與電刷接觸的換向片省去不畫，可得此單波繞組的并聯(lián)支路圖，如圖3-18所示。將并聯(lián)支路圖與繞組展開圖對照分析可知，單波繞組是將同一極性磁極下所有元件串聯(lián)起來組成一條支路，由于磁極極性只有N和S兩種，所以單波繞組的并聯(lián)支路數(shù)總是2，并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1。圖3-18單波繞組并聯(lián)支路圖3.3.2直流電機的磁場磁場是直流電機進行機電能量轉(zhuǎn)換的媒介，不論是電動機還是發(fā)電機，都必須要有一定強度的空間磁場存在。因此，了解電機的磁場分布規(guī)律對掌握電機的性能有著重要意義。1.直流電機的勵磁方式主磁極上的勵磁繞組通以直流勵磁電流產(chǎn)生磁動勢，磁動勢單獨產(chǎn)生的磁場稱為勵磁磁場，又稱為主磁場。直流電機勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同分為他勵和自勵兩大類，自勵又分為并勵、串勵和復勵3種。（1）他勵直流電機他勵直流電機勵磁繞組由其他直流電源供電，與電樞回路沒有聯(lián)系。如圖3-19（a）所示。永磁直流電機勵磁磁場與電樞電流無關(guān)，屬于他勵直流電機。圖中電流正方向以電動機為例。（2）并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵磁繞組的端電壓等于電樞繞組端電壓。如圖3-19（b）所示。（3）串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵磁電流等于電樞電流。如圖3-19（c）所示。（4）復勵直流電機

復勵直流電機每個主磁極上有兩個勵磁繞組：一個與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵繞組；另一個與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組。如圖3-19（d）所示。（a）他勵（b）并勵（c）串勵（d）復勵圖3-19直流電機的勵磁方式2.直流電機空載時的磁場直流電機在工作時，它的磁場是由各個繞組共同產(chǎn)生的，包括勵磁繞組、電樞繞組、換向極繞組、補償繞組等，其中勵磁繞組起主要作用。我們先研究勵磁繞組有勵磁電流，其他繞組無電流時的磁場情況，把這種情況稱為電機的空載運行，此時的磁場稱為空載磁場，亦稱主磁場?？蛰d運行時電機不帶負載（發(fā)電機與外電路斷開，電動機軸上不帶機械負載），電樞電流為零或近似為零。（1）空載磁場的磁路圖3-20四極直流電機空載磁場分布示意圖圖3-20為一臺四極直流電機空載磁場分布示意圖。當勵磁繞組流過勵磁電流時，大部分磁通由N極出發(fā)，經(jīng)過氣隙進入電樞齒槽和電樞鐵軛，經(jīng)過電樞另一邊齒槽和氣隙，進入相鄰的S極，最后經(jīng)過定子鐵軛回到原來的N極，形成閉合回路。這部分通過氣隙同時與電樞繞組和勵磁繞組相交鏈的磁通，稱為主磁通，用表示，所經(jīng)過的磁路稱為主磁路。主磁路分為5段：主磁極、氣隙、電樞齒、電樞鐵軛和定子鐵軛。電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組將切割主磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。還有一小部分磁通，由N極出發(fā)，不進入電樞鐵芯，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路，這部分磁通稱為漏磁通，用表示，經(jīng)過的磁路稱為漏磁路。漏磁通不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，只增加主磁極的飽和程度，增加電機損耗。漏磁通路徑磁阻很大，通常漏磁通只有主磁通的20%左右。（2）空載時氣隙磁通密度分布由于鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大得多，所以主磁極的磁動勢主要消耗在氣隙上，當忽略主磁極中鐵磁材料的磁阻時和電樞齒槽影響時，空載磁場氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的形狀和大小。一般情況，磁極極靴寬度約為極距的75%，如圖3-21（a）所示。磁極中心附近的氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數(shù)。靠近兩邊極尖處氣隙逐漸變大，磁通密度減??；超出極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小。在兩個主磁極的幾何中心線處，磁通密度為零。因此，空載時氣隙磁通密度分布為一平頂波，如圖3-21（b）所示。（a）勵磁磁場分布（b）空載時無齒槽電樞表面磁密分布圖3-21直流電機空載磁場氣隙磁通密度分布圖（3）空載磁化特性表征電機空載時勵磁繞組磁動勢和主磁通的關(guān)系曲線，叫做直流電機的磁化曲線，即。當勵磁繞組的匝數(shù)一定時，，所以磁化曲線也可表示成，如圖3-22所示。圖3-22電機的空載磁化特性3.直流電機負載時的磁場和電樞反應(yīng)當直流電機帶上負載后，電樞繞組中就有電流流過，電樞繞組將產(chǎn)生磁動勢，該磁動勢稱為電樞磁動勢。電機在負載運行時，氣隙磁場是主磁場和電樞磁場的合成磁場。（1）電樞磁場為方便分析，以電動機為例，設(shè)電刷放在幾何中心線上，電樞上半周電流流出紙面，經(jīng)過電刷后電流將改變方向，因此電樞下半周電流是流進紙面的。根據(jù)右手螺旋定則，可知電樞電流將產(chǎn)生一個與主極軸線正交的電樞磁勢，稱為交軸電樞磁勢。交軸電樞磁勢在電機的磁路中建立一個交軸電樞磁場，如圖3-23（a）所示。（a）交軸電樞磁場（b）氣隙的磁動勢波形圖圖3-23電樞繞組產(chǎn)生的磁動勢分布圖（2）電樞反應(yīng)電樞磁場的出現(xiàn)對主磁場產(chǎn)生一定影響，使氣隙磁場密度分布情況發(fā)生變化。這種電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。由圖3-21和圖3-23可看出，空載磁場和電樞磁場軸線剛好正交。在主磁極的前極尖處（電樞進入主磁極的極邊）兩磁場同方向，在后極尖處（電樞離開主磁極的極邊）兩磁場方向相反。因此，在前極尖處磁場被加強，而在后極尖處磁場被削弱，使氣隙磁場發(fā)生畸變。由此可得出以下結(jié)論。①由于電樞反應(yīng)，氣隙磁場不再僅有主磁場建立，而是與電樞磁場共同作用建立的合成磁場，并發(fā)生畸變，主磁極前極尖磁密加強，后極尖磁密減弱。

②合成磁場的物理中心線逆著旋轉(zhuǎn)方向移動一個角度

，如圖3-24所示。但此時電刷仍在幾何中心線上，也就是說電流的分界線沒變，但磁場分界線（即物理中心線）移動后，產(chǎn)生的電動勢分界線也移動，不再像空載時與幾何中心線重合。（a）交軸電樞磁場（b）氣隙的磁動勢波形圖圖3-24電刷在幾何中心線上的電樞磁動勢和磁場③在幾何中心線所劃分極區(qū)范圍內(nèi)，當磁路為線性時，極軸兩邊的助磁效應(yīng)正好與去磁效應(yīng)相補償，故合成磁場的有效磁通仍與主磁通相等，也就是說，電樞反應(yīng)只引起磁場分布曲線畸變，而不改變磁通大小。因此，當電機帶負載而磁路未飽和時，電樞繞組所產(chǎn)生感應(yīng)電動勢仍與空載相等。如果磁路是非線性的，則前極尖可能達到飽和，磁密加強不多，出現(xiàn)去磁效應(yīng)，合成磁通將比小，那么電樞繞組感應(yīng)電動勢將有所下降。④由于合成磁密波形是非線性的，使每個元件的感應(yīng)電動勢不等，造成換向片間電位差不等，增加換向困難，換向器與電刷間的火花增大；而磁場的減弱則會使感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩有所減小，影響電機運行性能。專題3.4直流電機的換向教學目標：1）了解直流電機的換向過程；2）了解直流電機產(chǎn)生火花的原因；2）理解直流電機改善換向的常用方法。3.4.1直流電機的換向過程由直流電機繞組分析可知，直流電機繞組是一個閉合繞組，電刷把這一閉合繞組分成幾個支路，每個支路元件數(shù)相等。一個電刷兩邊所連接的支路電流方向相反，當繞組中一個元件經(jīng)過電刷從一個支路轉(zhuǎn)換到另一個支路時，電流方向發(fā)生改變的過程稱為換向。

換向問題是裝有換向器的電機的一個專門問題。換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生有害火花。當火花大到一定程度時，會燒壞換向器和電刷，從而影響電機的正常運行。換向問題比較復雜，有電磁、電化學和機械等多方面因素交織在一起。（a）元件1開始換向（b）元件1正在換向（被短路）（c）元件1換向結(jié)束圖3-25直流電機電樞繞組元件的換向過程圖3-26換向元件中的電流變化3.4.2影響換向的電磁原因1．電抗電動勢換向過程中，換向元件中電流將從變?yōu)?。由于換向元件本身是一個線圈，因而自身電流變化將會產(chǎn)生自感電動勢；另外，實際電機的電刷寬度通常為1.5~3個換向片寬度，因而相鄰幾個元件同時進行換向，由于互感作用，元件之間還會產(chǎn)生互感電動勢。自感和互感電動勢總和稱為電抗電動勢。根據(jù)楞次定律，電抗電動勢將阻礙換向元件中電流的變化，使換向延遲。2．電樞反應(yīng)電動勢由于電樞反應(yīng)使磁場發(fā)生畸變，使幾何中心線附近存在電樞磁動勢產(chǎn)生的磁場（馬鞍形分布的凹部），換向元件旋轉(zhuǎn)時切割此電樞磁場將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，稱為電樞反應(yīng)電動勢，也叫旋轉(zhuǎn)電動勢，用表示。在直流電動機中，根據(jù)左手定則確定轉(zhuǎn)向，根據(jù)右手螺旋定則確定換向元件中的旋轉(zhuǎn)電動勢與換向前元件中的電流方向一致，因而電樞反應(yīng)電動勢也總是阻礙換向元件電流變化的。在直流發(fā)電機中，根據(jù)右手定則和右手螺旋定則也可得出相同結(jié)論。電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢的方向相同，都試圖阻礙換向元件中電流的變化，使電流變化延遲，這種情況稱為延遲換向。嚴重的延遲換向，會使后電刷邊出現(xiàn)火花，損傷換向器表面。3.4.3產(chǎn)生火花的原因直流電機的電刷和換向器之間存在動接觸，因而在運行時難免出現(xiàn)或多或少的火花?；鸹ǖ拇笮“凑諊覙藴士梢苑譃?個等級，具體見表3-2。產(chǎn)生火花的原因是復雜的，也是多方面的，除了上面分析的電磁原因以外，還有機械方面和化學方面的原因。3.4.4改善換向的方法改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產(chǎn)生火花的原因很多，其中最主要的是電磁原因，因此改善換向的方法主要從減小和消除電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢入手，常用的方法有以下幾種。1．加裝換向極這是目前改善換向最有效的方法。換向極安裝在主磁極之間的幾何中心線處，且換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖3-27所示。1-主磁極；2-換向極；3-補償繞組圖3-27換向極的位置和極性

首先，換向極產(chǎn)生的換向極磁動勢與電樞磁動勢方向相反，抵消電樞反應(yīng)電動勢的作用；其次，換向極磁動勢產(chǎn)生換向極磁場，使換向元件切割磁場后產(chǎn)生一個換向電動勢，以抵消電抗電動勢的作用，從而使換向元件中的合成電動勢為零，使換向變?yōu)榱己玫闹本€換向。2．正確選用電刷電機用的電刷型號規(guī)格很多，不同牌號的電刷具有不同的接觸電阻，其中，炭―石墨電刷的接觸電阻最大，石墨電刷和電化電刷其次，銅―石墨電刷的接觸電阻最小。在直流電機中，要求電刷應(yīng)有足夠大的載流量和足夠大的接觸電阻。從改善換向的角度來看，應(yīng)該采用接觸電阻大的電刷，但接觸電阻大，接觸壓降也大，電能損耗大，發(fā)熱厲害；同時，這種電刷的電流密度小，電刷接觸面積和換向器尺寸以及電刷的摩擦都將增大，因此，設(shè)計制造時應(yīng)綜合考慮兩方面的因素，選擇合適的電刷牌號。使用維修時，要更換電刷，也應(yīng)選用與原來一樣的電刷牌號，以免造成電刷電流分配不均。如果配不到相同牌號電刷，可盡量選擇接近原來性能的電刷，并全部更換。3．裝設(shè)補償繞組直流電機負載時的電樞反應(yīng)使主磁極下的氣隙磁場發(fā)生了畸變，這樣就增大了某幾個換向片之間的電壓，在負載變化劇烈的大型直流電機種可能出現(xiàn)環(huán)火現(xiàn)象。所謂環(huán)火，是指直流電機正、負電刷之間出現(xiàn)電弧，電弧被拉長后，直接從一種極性的電刷跨過換向器表面到達相鄰的另一極性的電刷，使整個換向器表面布滿環(huán)形火花。環(huán)火是直流電機嚴重的短路事故，它會使電機在很短時間內(nèi)毀壞。為避免環(huán)火出現(xiàn)，采用補償繞組是最有效的方法。補償繞組嵌置在主磁極表面的槽內(nèi)，其中流過的是電樞電流，因此補償繞組與電樞繞組串聯(lián)，其電流方向與對應(yīng)磁極下電樞繞組的電流方向相反，如圖3-27所示。顯然，它產(chǎn)生的磁動勢與電樞反應(yīng)磁動勢方向相反，從而抵消了電樞反應(yīng)的影響，減小了氣隙磁場的畸變。由于裝設(shè)補償繞組大大增加了成本，一般只用于大型直流電機中。4．正確移動電刷位置在小容量的沒有安裝換向極的直流電機中，常用適當移動電刷位置的方法來改善換向。將電刷從電樞幾何中心線移動一個適當角度，用主磁場來代替換向極磁場，也可改善換向。但要注意電刷移動位置的正確方向，如果方向不正確非但起不到改善換向的作用，反而會惡化電機換向。電動機和發(fā)電機的移動方向剛好相反。專題3.5直流電機的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率教學目標:1）掌握直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的概念；2）掌握直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式；3）掌握直流電機電磁功率的含義和計算方法。3.5.1直流電機的電樞電動勢電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞導體有效邊切割氣隙磁場，電樞繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，稱為電樞電動勢。電樞電動勢是指直流電機正、負電刷間的感應(yīng)電動勢，也就是一條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動勢。從電刷兩端看，每條支路的元件數(shù)是相等的，而且每個支路的元件都是分布在同極性磁極下的不同位置上。只要先求出一根導體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁通密度的平均感應(yīng)電動勢，再乘以一條支路里總的導體數(shù)，就是電樞電動勢。設(shè)一個磁極下的平均氣隙磁通密度為，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則一根導體的平均感應(yīng)電動勢為（3-14）式中：為一個主磁極內(nèi)的平均氣隙磁通密度，單位為T；電樞導體的有效邊長度，單位為m；為導體切割氣隙磁場的線速度，單位為m/s；為一根導體的平均感應(yīng)電動勢，單位為V。與每極主磁通的關(guān)系是（3-15）3.5.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩當直流電機帶上負載時，電樞繞組中有電流流過，通電的電樞繞組在氣隙磁場中將受到電磁力的作用，該電磁力乘以電樞旋轉(zhuǎn)半徑，形成電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩等于電樞繞組中每個導體所受電磁轉(zhuǎn)矩之和。一根導體所受的平均電磁力為（3-19）式中：為一個主磁極內(nèi)的平均氣隙磁通密度，單位為T；電樞導體的有效邊長度，單位為m；為流過每根導體的電流，單位A；導體所受平均電磁力，單位N。與電樞電流的關(guān)系為（3-20）一根導體產(chǎn)生的平均電磁力為（3-21）由電樞電動勢公式（3-18）和電磁轉(zhuǎn)矩公式（3-23）可知，同一臺直流電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和電動勢常數(shù)之間的關(guān)系為（3-25）無論是直流電動機還是直流發(fā)電機，運行時都要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。對發(fā)電機而言，感應(yīng)電動勢是電源電動勢，方向與電樞電流相同，電磁轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩；對電動機而言，感應(yīng)電動勢是反電動勢，方向與電樞電流相反，電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。3.5.3直流電機的電磁功率在電機中，把通過電磁作用傳遞的功率稱為電磁功率，用來表示。電磁功率既可以看成是機械功率，又可以看成是電功率。從機械的角度看，它是電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的乘積，即；從電功率角度看，它是電樞電動勢和電樞電流的乘積，即。由公式（3-18）和（3-23）可得以下關(guān)系（3-26）上式反應(yīng)了直流電機機電能量轉(zhuǎn)換的功率，雖然電磁功率在電氣和機械兩個方面的表達式不同，但兩者相等，正好符合能量守恒定律。對發(fā)電機而言，是指從原動機吸收的機械功率；對電動機而言，是指從電源吸收的電功率。專題3.6直流電動機的運行特性教學目標:1）理解直流電機的各種內(nèi)部損耗；2）掌握直流電動機的各項基本方程式；3）理解直流電動機的工作特性。3.6.1直流電機的損耗1．機械損耗電機轉(zhuǎn)動時，必須克服摩擦阻力而產(chǎn)生的機械損耗，包括軸承的摩擦損耗、電刷與換向器的摩擦損耗、電樞轉(zhuǎn)動部分與空氣的摩擦損耗以及風扇所消耗的功率等。這些損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)，當轉(zhuǎn)速固定時，這些損耗不變；轉(zhuǎn)速升高時，這些損耗也隨之增大。一般電機的機械損耗為額定功率的1%~3%。2．鐵損耗雖然主極磁場是恒定的直流磁場，但當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞鐵芯中各點時而處在N極磁場下，時而處在S極磁場下，因此電樞鐵芯內(nèi)的磁場呈交變磁場，于是電樞鐵芯中將產(chǎn)生鐵芯損耗（磁滯與渦流損耗），簡稱鐵損耗。鐵損耗與磁通密度幅值（與電壓相關(guān)）及其交變頻率（即轉(zhuǎn)速）有關(guān)。因為是不變的，所以當轉(zhuǎn)速一定時，交變頻率也不變，因此鐵損耗是不變損耗。3．銅損耗銅損耗為回路中材料電阻所消耗的功率，包括電樞回路銅損耗和勵磁回路銅損耗。電樞回路銅損耗包括電樞繞組和其串聯(lián)的各繞組的電阻損耗以及電刷和換向器的接觸電阻損耗。由于電樞回路電阻損耗隨電樞電流的變化而變化，因此為可變損耗。勵磁回路銅損耗是勵磁電流在勵磁回路電阻中產(chǎn)生的損耗。由于勵磁電流固定不變，因而是不變損耗。4．附加損耗由于齒槽存在影響、漏磁場畸變、電流分布不均引起的電刷損耗等多種因素所引起的損耗稱為附加損耗，又稱為雜散損耗。附加損耗產(chǎn)生的原因很復雜，也難以精確計算，其中有可變損耗，也有不變損耗，通常采用估算的辦法確定，一般取額定功率的0.5%~1%。機械損耗、鐵損耗和附加損耗在電機空載時就存在，因此把三項合起來稱為空載損耗。電機正常工作時，電壓一定，轉(zhuǎn)速變化很小，在運行過程中幾乎不變，所以空載損耗也叫不變損耗。如圖3-28所示為他勵直流電動機的示意圖。勵磁繞組先接通勵磁電源，形成勵磁電流

，建立主磁場，然后接通直流電樞電源，形成電樞電流

，元件導體電流

，與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

，使電樞向著電磁轉(zhuǎn)矩

的方向以轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)，電樞旋轉(zhuǎn)時切割氣隙合成磁場，產(chǎn)生電樞感應(yīng)電動勢

，在電動機中，

的方向與

的方向相反，稱為反電動勢。電機穩(wěn)態(tài)運行時，規(guī)定各物理量的參考方向如圖中所示，這是電動機慣例。按照慣例有以下基本方程式。3.6.2直流電動機的基本方程式圖3-28他勵直流電動機示意圖1．電壓平衡方程式設(shè)電樞兩端外加電源電壓為

，

為反電動勢，按參考方向，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可列出電壓平衡方程式為

（3-27）式中，

為電樞回路總電阻，包括電刷與換向器的接觸電阻。上式表明直流電動機在電動狀態(tài)時，電樞電動勢

總小于端電壓

。電源電壓

決定了電樞電流

的方向。2．功率平衡方程式將式（3-27）兩邊同乘以電樞電流，即得到電樞回路的功率平衡方程式為或者寫成

（3-28）

（3-29）由式（3-28）和（3-29）可得

（3-30）以上功率關(guān)系，可用圖3-29所示的功率流程圖表示。

為總損耗，因為分析過程是以他勵電動機為例，所以，

以及圖3-29中不包含勵磁回路銅損耗

，如為并勵電動機，則式（3-30）中

的還應(yīng)包括

。圖3-29他勵直流電動機的功率流程圖3．轉(zhuǎn)矩平衡方程式將式（3-29）兩端同時除以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度

，可得轉(zhuǎn)矩平衡方程式即

（3-31）電動機的電磁轉(zhuǎn)矩

是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，電動機軸上所帶的機械負載轉(zhuǎn)矩

和空載轉(zhuǎn)矩

是制動轉(zhuǎn)矩。式（3-31）表明，電動機在轉(zhuǎn)速恒定時，驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩

與負載制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩

和空載轉(zhuǎn)矩

相平衡。電動機功率與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

（3-32）電動機額定運行時，

，

，

，則額定輸出轉(zhuǎn)矩為

（3-33）3.6.3他勵（并勵）直流電動機的工作特性直流電機的工作特性是指當電動機的端電壓

，勵磁電流

，電樞回路不串外接電阻時，轉(zhuǎn)速

、電磁轉(zhuǎn)矩

、效率

與輸出功率

之間的關(guān)系。在實際應(yīng)用時，由于電樞電流

容易測量，且

隨

的變化而變化，因而也可將工作特性表示成

、

、

與電樞電流

之間的關(guān)系。1．轉(zhuǎn)速特性

將

代入電壓平衡方程式

，整理可得

（3-34）若忽略電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)，則

（3-35）()圖3-30他勵（并勵）直流電動機的工作特性2．轉(zhuǎn)矩特性

轉(zhuǎn)矩特性是指當

，

時，電磁轉(zhuǎn)矩

與電樞電流

之間的關(guān)系，即

。由轉(zhuǎn)矩公式可得轉(zhuǎn)矩特性表達式如下

（3-36）3．效率特性

當

，

時，效率

與電樞電流

之間的關(guān)系稱為效率特性，即

。效率是指輸出功率

與輸入功率

之間的百分比，即

（3-37）對式（3-37）求導，并令

，可得效率達到最大值的條件為

（3-38）由此可見，當不變損耗與可變損耗相等時，直流電動機效率達到最大值。這一結(jié)論具有普遍意義，對其他電動機也同樣適用。如圖3-30所示。并勵直流電動機的工作特性與他勵直流電動機的類似。但是需要重點注意的是：并勵直流電動機起動和運行時，勵磁繞組絕對不能開路。若勵磁繞組斷開，主磁通將迅速降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大而燒壞電機。3.6.4串勵直流電動機的工作特性串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，根本特點就是勵磁電流與電樞電流相等，即

，因而其工作特性與他勵（并勵）直流電動機有明顯不同。1．轉(zhuǎn)速特性串勵直流電動機的電壓平衡方程式為

（3-39）式中，

，為串勵電動機的總電阻，

為串勵繞組的電阻。將

代入上式，可得

（3-40）2．轉(zhuǎn)矩特性串勵時，電動機的轉(zhuǎn)矩特性為

（3-42）式中，

，對出廠的電動機，磁路不飽和時為常數(shù)。3．效率特性串勵直流電動機的效率特性與他勵電動機基本相同。但串勵電動機的鐵損耗不是不變的，而是隨

的增大而增大。此外，負載