《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》課件第1章

1.1直流電機(jī)的基本工作原理

1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌

1.3直流電機(jī)的磁場

1.4直流電機(jī)的基本公式

1.5直流電動機(jī)的運行原理1.6直流電動機(jī)的工作特性

*1.7直流電機(jī)的換向

思考與練習(xí)題

第1章直流電機(jī)1.1直流電機(jī)的基本工作原理

1.1.1直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理 直流發(fā)電機(jī)的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律。電磁感應(yīng)定律告訴我們，在均勻磁場中，當(dāng)導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線時，導(dǎo)體中就有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。若磁感應(yīng)線、導(dǎo)體及其運動方向三者相互垂直，則導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小為

e=Bxlv

（1-1）

式中：Bx——磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度（T或Wb/m2）；

l——導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線的有效長度（m）；

v——導(dǎo)體與磁場的相對切割速度（m/s）；

e——導(dǎo)體上的感應(yīng)電動勢（V）。 由式（1-1）可知，對于長度一定的導(dǎo)體來說，導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的大小由導(dǎo)體所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)體切割磁場的速度所決定,而感應(yīng)電動勢的方向可由右手定則來確定。

圖1-1是一臺最簡單的直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖。N和S是一對固定的磁極，兩磁極之間有一個可以轉(zhuǎn)動的圓柱體鐵心，稱為電樞。

圖1-1直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖ab邊在N極下,cd邊在S極上的電動勢方向；

(b)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°后的電動勢方向

例1.1如圖1－1中的直流發(fā)電機(jī)，若順時針旋轉(zhuǎn)，電刷兩端的電動勢極性有何變化?還有什么因素會引起同樣的變化？

答在圖1－1(a)所示位置，當(dāng)直流發(fā)電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時，用右手定則可判斷出線圈中感應(yīng)電動勢的方向為a→b→c→d，通過換向片與電刷的滑動接觸可知，電刷B為正極性，電刷A為負(fù)極性。所以改變直流發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)方向就可以改變輸出電動勢的極性。由右手定則可知，決定感應(yīng)電動勢方向的因素有兩個：一是導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線的方向（電樞轉(zhuǎn)向），二是磁場極性。所以，改變磁場的極性也可使直流發(fā)電機(jī)輸出電動勢的極性改變。 1.1.2直流電動機(jī)的基本工作原理

直流電動機(jī)的工作原理是基于安培定律的。若均勻磁場Ｂx與導(dǎo)體相互垂直,且導(dǎo)體中通以電流i,則作用于載流導(dǎo)體上的電磁力F為

f=Bxli

（1-2）

式中：l——導(dǎo)體的有效長度(m)；

i——導(dǎo)體中的電流(A)；

F——導(dǎo)體所受的電磁力(N)。

如果在圖1-1(a)、(b)中去除原動機(jī)和電刷兩端所接的負(fù)載,在A、B兩電刷間施加一直流電源,就成為一臺最簡單的直流電動機(jī),如圖1-2所示。

圖1-2直流電動機(jī)的工作原理圖ab邊在N極下,cd邊在S極上的電流方向；(b)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°后的電流方向綜上所述可知，不論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動機(jī)，換向器可以使正電刷A始終與經(jīng)過N極下的導(dǎo)體相連，負(fù)電刷B始終與經(jīng)過S極下的導(dǎo)體相連，故電刷之間的電壓是直流電，而線圈內(nèi)部的電流則是交變的，所以換向器是直流電機(jī)中換向的關(guān)鍵部件。通過換向器和電刷的共同作用，把直流發(fā)電機(jī)線圈中的交變電動勢整流成電刷間的方向不變的直流電動勢；把直流電動機(jī)電刷間的直流電流變成線圈內(nèi)的交變電流，以確保電動機(jī)沿恒定方向旋轉(zhuǎn)。

例1.2電動機(jī)拖動的生產(chǎn)設(shè)備常常需要作正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的運動，例如龍門刨床工作臺的往復(fù)運動、電力機(jī)車的前行和倒退等，那么圖1－2所示的直流電動機(jī)怎樣才能順時針旋轉(zhuǎn)呢？

答對于圖1－2，電動機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時需獲得一個順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，由左手定則可知，電磁力的方向取決于磁場極性和導(dǎo)體中的電流方向，所以，直流電動機(jī)獲得反轉(zhuǎn)的方法有兩個：一是改變磁場極性；二是改變電源電壓的極性，使流過導(dǎo)體的電流方向改變。若二者同時改變，則電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變。1.1.3直流電機(jī)的可逆原理觀察圖1－1和圖1－2可以發(fā)現(xiàn)，直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)工作原理模型的結(jié)構(gòu)完全相同，那么電機(jī)內(nèi)部有無相同之處呢？對直流發(fā)電機(jī)而言，若發(fā)電機(jī)帶負(fù)載以后，就有電流流過線圈，例如圖1－1(a)中線圈的電流方向與感應(yīng)電動勢方向相同。根據(jù)安培定律，載流導(dǎo)體ab和cd會受到電磁力的作用，形成的電磁轉(zhuǎn)矩方向為順時針，與轉(zhuǎn)速方向相反。這意味著電磁轉(zhuǎn)矩阻礙發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，是制動轉(zhuǎn)矩。因此,原動機(jī)必須用足夠大的拖動轉(zhuǎn)矩來克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動作用，以維持發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行。此時,發(fā)電機(jī)從原動機(jī)吸收機(jī)械能，轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載輸出。對直流電動機(jī)而言，從圖1－2(a)中可知，當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)起來以后，導(dǎo)體ab和cd切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，用右手定則可判斷出其方向與電源產(chǎn)生的電流方向相反。這意味著此電樞電動勢是一反電動勢，它阻礙電流流入電動機(jī)。因此,直流電動機(jī)要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動勢的作用，把電流灌入電動機(jī)，此時電動機(jī)從直流電源吸取電能，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。綜上所述，可以看出：一臺直流電機(jī)既可以作為電動機(jī)運行，又可以作為發(fā)電機(jī)運行，這主要取決于不同的外部條件。若將直流電源加在電刷兩端，電機(jī)就能將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，作電動機(jī)運行；若用原動機(jī)拖動電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)就將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，作發(fā)電機(jī)運行。這種運行狀態(tài)的可逆性稱為直流電機(jī)的可逆運行原理。實際的直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)，因為設(shè)計制造時考慮了長期作為發(fā)電機(jī)或電動機(jī)運行性能方面的不同要求，在結(jié)構(gòu)上稍有區(qū)別，所以并不像理論上分析的那樣完全可逆。1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌

1.2.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成：①靜止部分，即定子；②轉(zhuǎn)動部分，即轉(zhuǎn)子或電樞。定子和轉(zhuǎn)子之間留有一定的間隙,稱為氣隙。其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1－4是直流電機(jī)的主要部件圖，圖1－5是直流電機(jī)徑向剖面示意圖。下面簡要介紹直流電機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)及其作用。圖1-3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1-4直流電機(jī)的組成部件圖1-5直流電機(jī)徑向面示意圖

1．定子部分

1）主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵芯和勵磁繞組兩部分組成，通過螺釘固定在機(jī)座上，如圖1－6所示。主磁極鐵芯通常采用1～1.5mm厚的鋼板沖片疊壓而成。鐵芯靠近氣隙的部分做成弧形，使氣隙中的磁通能均勻分布，并能擋住套在鐵芯上的勵磁繞組，使其不致脫落。鐵芯的弧形部分通常稱為極掌或極靴。將線圈（稱為勵磁繞組）套在鐵芯上組成主磁極。當(dāng)勵磁繞組通入直流電流時，鐵芯就成為一個固定極性的磁極。主磁極可為一對、兩對或更多對數(shù)。為了保證各極勵磁電流嚴(yán)格相等，勵磁繞組相互間一般采用串聯(lián)，而且在連接時要保證N、S極間隔排列。勵磁繞組用銅線(或鋁線)繞制而成，裝在鐵芯上。繞組與鐵芯之間墊有絕緣物質(zhì)。圖1－6直流電機(jī)的主磁極

2)換向極換向極又叫附加極，也是由鐵芯和繞組組成的，如圖1－7所示。其鐵芯多用整塊鋼板加工而成，大容量電機(jī)也采用薄鋼片疊壓而成。換向極繞組的匝數(shù)較少，并與電樞繞組串聯(lián)(為了更好地抵消電樞反應(yīng)的影響，見后述)，故通過的電流較大，一般采用較粗的矩形截面導(dǎo)線繞制而成。換向極通常安裝在兩個相鄰主磁極的中心線處，其極數(shù)一般與主磁極極數(shù)相等(小功率直流電機(jī)可不裝設(shè)換向極，或只裝設(shè)主磁極極數(shù)一半的換向極)，也用螺釘固定在機(jī)座上。圖1－7直流電機(jī)的換向極

3）電刷裝置電刷裝置主要由電刷、刷握、刷桿、刷桿座及壓緊彈簧等零件構(gòu)成，如圖1－8所示。電刷一般由導(dǎo)電耐磨的石墨材料制成，放在刷握內(nèi)，用壓緊彈簧以一定的壓力將其壓在換向器表面上，刷握固定在刷桿上，刷桿固定在圓環(huán)形的刷桿座上。借銅絲辮將電流從電刷引入或引出。在換向器表面上，各電刷之間的距離應(yīng)該是相等的。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，是可以轉(zhuǎn)動的，以便于調(diào)整電刷在換向器表面上的位置。圖1－8直流電機(jī)的電刷裝置

4）機(jī)座機(jī)座通常用鑄鐵、鑄鋼或鋼板焊接而成。機(jī)座中傳導(dǎo)磁通的部分稱為磁軛。機(jī)座的主要作用有三個：一是作為磁軛傳導(dǎo)磁通，是電機(jī)磁路的一部分；二是用來固定主磁極、換向極和端蓋等部件；三是借助機(jī)座的底腳把電機(jī)固定在基礎(chǔ)上。所以機(jī)座必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能。機(jī)座上還裝有接線盒，電樞繞組和勵磁繞組通過接線盒與外部連接。普通直流電機(jī)電樞回路的電阻比勵磁回路的電阻小得多。

2．轉(zhuǎn)子部分

1)電樞鐵心 電樞鐵心由硅鋼片疊成。為了減小渦流損耗,電樞鐵心通常采用0.35～0.5mm厚的相互絕緣的硅鋼片沖制疊壓而成。有時為了加強(qiáng)電機(jī)冷卻,在電樞鐵心上沖制軸向通風(fēng)孔,在較大型電機(jī)的電樞鐵心上還設(shè)有徑向通風(fēng)道,用通風(fēng)道將鐵心沿軸向分成數(shù)段。整個鐵心固定在軸上,與軸一起旋轉(zhuǎn)。電樞鐵心及沖片形狀如圖1-8所示,沖片邊緣的槽口供安放電樞繞組用。1－9電樞鐵芯沖片及電樞（a）電樞鐵芯沖片；（b）電樞

2)電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。電樞繞組通常是由許多線圈按一定的規(guī)律連接而成的。這種線圈通常用高強(qiáng)度漆包圓銅線或扁銅線繞制而成，放置于電樞鐵芯槽中（線圈與槽之間有槽絕緣），并用槽楔封口，以防止運轉(zhuǎn)時拋出。伸出槽外的繞組端部，也用玻璃絲帶扎緊，每個線圈的端部按一定規(guī)律接到換向器的換向片上。直流電機(jī)的電樞繞組多為雙層繞組（線圈分上、下兩層嵌入鐵芯槽內(nèi)，上、下層之間有層間絕緣），線圈之間的具體連接方法可查閱其他書籍。圖1－10換向器

4）風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和支架風(fēng)扇為自冷式電機(jī)中冷卻氣流的主要來源，可防止電機(jī)溫升過高。轉(zhuǎn)軸是電樞的主要支撐件，它傳送扭矩、承受重量及各種電磁力，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度及疲勞期。支架是大、中型電機(jī)電樞組件的支撐件，有利于通風(fēng)和減輕重量。直流電機(jī)主磁極與電樞鐵芯之間的間隙稱為氣隙，小型電機(jī)氣隙約為1～3mm，大型電機(jī)氣隙約為10～12mm。有必要指出：氣隙雖小，但氣隙磁阻較大，在電機(jī)磁路中，其大小、形狀對電機(jī)性能有顯著影響。1.2.2直流電機(jī)的銘牌按照國家標(biāo)準(zhǔn)及電機(jī)設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)，規(guī)定電機(jī)在一定條件下的運行狀態(tài)，稱為電機(jī)的額定運行。在額定運行情況下，電機(jī)最合適的技術(shù)數(shù)據(jù)稱為電機(jī)的額定值。主要的額定值標(biāo)注在電機(jī)的銘牌上。電機(jī)在額定值下可以長期安全工作，并保持良好的性能。過載時電機(jī)過熱，降低使用壽命，甚至損壞電機(jī)；而輕載對設(shè)備和能量都是一種浪費，降低了電機(jī)的效率，應(yīng)盡量避免。顯然，額定值是使用和選擇電機(jī)的依據(jù)，因此使用前一定要詳細(xì)了解這些銘牌數(shù)據(jù)。表1－1為某臺直流電動機(jī)的銘牌。表1-1直流電動機(jī)的銘牌舉例 1．型號

型號表明該電機(jī)所屬的系列及主要特點。我國直流電機(jī)的型號采用大寫漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示,例如型號Z3—95中的“Z”表示普通用途直流電機(jī)；腳注“3”表示第三次改型設(shè)計；第一個數(shù)字“9”是機(jī)座直徑尺寸序號；第二個數(shù)字“5”是鐵心長度序號。

2．額定值

1）額定功率PN

額定功率是指電機(jī)在規(guī)定的工作條件下，長期運行時的允許輸出功率,對發(fā)電機(jī)是指正、負(fù)電刷之間輸出的電功率，對電動機(jī)是指軸上輸出的機(jī)械功率,單位為W或kW。

2）額定電壓UN

額定電壓是指在規(guī)定的工作條件下，直流發(fā)電機(jī)電刷兩端的允許輸出電壓或直流電動機(jī)電刷兩端允許施加的電源電壓，單位為V或kV。 3）額定電流IN

額定電流指額定電壓和額定負(fù)載時,允許電機(jī)長期輸出（發(fā)電機(jī)）或輸入（電動機(jī)）的電流,單位為A。對發(fā)電機(jī),有 對發(fā)電機(jī)，有

PN=UNIN

對電動機(jī)，有

PN=UNINηN

式中：ηN——額定效率。 4）額定轉(zhuǎn)速nN

額定轉(zhuǎn)速指電機(jī)在額定電壓和額定負(fù)載時的旋轉(zhuǎn)速度,單位為r/min。 此外,銘牌上還標(biāo)有勵磁方式、工作方式、絕緣等級、重量等參數(shù)。還有一些額定值,如額定效率ηN、額定轉(zhuǎn)矩TN、額定溫升τN,一般不標(biāo)注在銘牌上。

例1.3

一臺直流發(fā)電機(jī),PN=10kW,UN=230V,nN=2850r/min,ηN=85%。求其額定電流和額定負(fù)載時的輸入功率。

解

P1=UNIN=220×93.1=20482W=20.48kW

例1.4

一臺直流電動機(jī),PN=17kW,UN=220V,nN=1500r/min,ηN=83%。求其額定電流和額定負(fù)載時的輸入功率。

解

1.2.3直流電機(jī)的主要系列 我國常用直流電機(jī)的系列簡介如下。

1)Z、ZF、ZD系列

Z、ZF、ZD系列是一般用途的中、小型直流電機(jī),其額定功率范圍為25～400kW,額定轉(zhuǎn)速范圍為1500～4000r/min。

2)Z4、ZO2

系列

Z4、ZO2

系列是一般用途的中型直流電機(jī),適用于機(jī)床、造紙、水泥、冶金等行業(yè)。其額定轉(zhuǎn)速范圍為3200～1500r/min。

3)ZJF、ZJD系列

ZJF、ZJD系列為大型直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī),適用于大型軋鋼機(jī)、卷揚機(jī)和其他一些重型機(jī)械設(shè)備。其額定功率范圍為1000～5350kW。

4)S、SY系列

S、SY系列是直流伺服電動機(jī),S系列為老產(chǎn)品,SY系列為永磁式直流伺服電動機(jī),其功率很小,多用于儀表伺服系統(tǒng)。5)ZCF、ZYS、CYD和CY系列

ZCF、ZYS、CYD和CY系列為直流測速發(fā)電機(jī)。其中ZCF系列為他勵式直流測速發(fā)電機(jī)；ZYS系列為普通永磁式直流測速發(fā)電機(jī),其額定輸出電壓較高,為550V或110V；CYD系列為永磁式低速直流測速發(fā)電機(jī)；CY系列也為永磁式直流測速發(fā)電機(jī),它的輸出電壓較低,其電動勢為5V（1000r/min）,可供小功率系統(tǒng)作測速反饋元件。1.3直流電機(jī)的磁場 1.3.1直流電機(jī)的勵磁方式

1）他勵直流電機(jī) 他勵直流電機(jī)的勵磁繞組由其他直流電源供電,與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系,如圖1-11(a)所示。直流電機(jī)采用永久磁鐵產(chǎn)生磁場,稱為永磁式電機(jī)。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī),因其勵磁磁場與電樞電流無關(guān)。

2）并勵直流電機(jī) 并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián),如圖1-11(b)所示。顯然,勵磁電路端電壓就等于電樞電路端電壓。

圖1-11直流電機(jī)的勵磁方式(a)他勵；(b)并勵；(c)串勵；(d)復(fù)勵 3）串勵直流電機(jī) 串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián),如圖1-11(c)所示。顯然,勵磁回路的勵磁電流等于電樞回路的電樞電流,所以勵磁繞組的導(dǎo)線粗而匝數(shù)較少。

4）復(fù)勵直流電機(jī) 復(fù)勵直流電機(jī)的主磁極上有兩套勵磁繞組,一套與電樞繞組并聯(lián),另一套與電樞繞組串聯(lián),如圖1-11(d)所示。

1.3.2直流電機(jī)的空載磁場和磁化曲線

1．空載磁場和磁路圖1－12是一臺四極直流電機(jī)的空載磁場分布示意圖。從圖中可以看出，大部分磁通Φ0由N極出來經(jīng)過氣隙，進(jìn)入電樞的齒槽，然后分兩路經(jīng)過電樞磁軛，到達(dá)電樞鐵芯另一邊的齒槽，再經(jīng)過氣隙進(jìn)入相鄰的S極，再經(jīng)過定子磁軛回到原來的N極而形成閉合回路。因此主磁極、氣隙、電樞齒槽、電樞磁軛和定子磁軛共同構(gòu)成磁通Φ0的通路——主磁路。磁通Φ0既交鏈著勵磁繞組，也交鏈著電樞繞組，稱為主磁通。從圖中也可看出，在N、S極之間還存在著一小部分磁通Φσ，它們從N極出來后不進(jìn)入電樞鐵芯，而是經(jīng)過氣隙進(jìn)入相鄰的磁極或磁軛，這部分磁通只交鏈著勵磁繞組，不交鏈電樞繞組，稱為漏磁通。因為漏磁通磁路的氣隙較大，磁阻較大，所以和主磁通比較起來，漏磁通很小。直流電機(jī)中，主磁通能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通卻沒有這個作用，它增加了主磁極磁路的飽和程度，還使電機(jī)的損耗增大，效率降低。圖1－12四極直流電機(jī)空載時的磁場分布

2．空載磁化曲線空載時，主磁通Φ0的大小僅取決于勵磁磁動勢Ff（Ff=NIf）的大小和主磁路各段磁阻的大小。對一臺特定的電機(jī)，其磁路材料及其幾何尺寸已確定，即磁阻已確定，而勵磁繞組的匝數(shù)N也已確定，因此，主磁通Φ0僅與勵磁電流If有關(guān)，兩者的關(guān)系可由磁化曲線Φ0=f(If)來描述，如圖1－13所示。圖1－13空載磁化曲線 1.3.3負(fù)載磁場和電樞反應(yīng)

1．負(fù)載磁場和電樞反應(yīng) 當(dāng)直流電機(jī)負(fù)載運行時,不但勵磁電流流過勵磁繞組產(chǎn)生主極磁場,而且電樞繞組中有電樞電流流過,將建立一個磁動勢Ｆa,該磁動勢也要產(chǎn)生一個電樞磁場。因此直流電機(jī)負(fù)載運行時的氣隙磁場是主極磁場和電樞磁場的合成磁場,即負(fù)載運行時的氣隙磁場是由勵磁磁動勢Ff和電樞磁動勢Fa共同建立的。顯然,電樞磁場的存在必然對主極磁場產(chǎn)生影響,通常把電樞磁場對主極磁場的影響稱作電樞反應(yīng)。

2．電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響下面以直流電動機(jī)的電樞反應(yīng)為例，來分析電樞反應(yīng)對直流電機(jī)氣隙磁場的影響。為分析簡化起見，換向器通常不畫出來，把電刷畫在電樞圓周上，如圖1－14所示。另外，把主極磁場和電樞磁場分開，單獨分析，最后再分析氣隙合成磁場。

圖1-14直流電動機(jī)的氣隙磁場分布示意圖(a)主磁場；(b)電樞磁場；(c)氣隙磁場主極磁場如圖1－14(a)所示，按照圖中所示的勵磁電流方向，應(yīng)用右手螺旋定則便可確定主極磁場的方向。在電樞表面上磁通密度為零的地方是物理中性線mm，它與磁極的幾何中性線nn重合，幾何中性線與磁極軸線互差90°電角度，即正交。電樞磁場如圖1－14(b)所示，電樞磁場的方向決定于電樞電流方向，也可應(yīng)用右手螺旋定則來確定。由圖中可以看出，不論電樞如何轉(zhuǎn)動，由外界直流電源提供的電樞電流的方向總是以電刷為界來劃分的。在電刷兩邊，N極面下的導(dǎo)體和S極面下的導(dǎo)體電流方向始終相反，只要電刷固定不動，電樞兩邊的電流方向就不變。因此電樞磁場的方向就不變，即電樞磁場是靜止不動的。由左手定則可判斷此電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。

氣隙合成磁場如圖1－14(c)所示，它是由主極磁場和電樞磁場疊加在一起產(chǎn)生的。此時電樞磁場與主極磁場同時存在，且電樞磁場的軸線與主極磁場的軸線相互垂直，這兩個磁場的合成結(jié)果使氣隙磁場發(fā)生以下變化： （1）氣隙磁場發(fā)生畸變,磁通密度分布不均勻?；兊慕Y(jié)果使幾何中性面處的磁通密度不再為零,即物理中性面不再與幾何中性面重合,而是逆著電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向移動了一個β角（發(fā)電機(jī)與電動機(jī)不同,發(fā)電機(jī)順著旋轉(zhuǎn)方向移動一個角度）。

（2）電動機(jī)前極端磁場被加強(qiáng),后極端磁場被削弱（對發(fā)電機(jī),則與此相反）,即半個磁極下磁場被加強(qiáng),另半個磁極下磁場被削弱。在磁路不飽和時,磁路為線性,半個磁極下增加的磁通量等于另半個磁極下減少的磁通量,因此負(fù)載時合成磁場的每極磁通Φ仍等于空載時主極磁場的每極磁通Φ0。但是實際電動機(jī)的磁路總是處于比較飽和的非線性區(qū),因此增加的磁通量總是小于減少的磁通量,使得合成磁場的每極磁通Φ小于空載磁場的每極磁通Φ0,呈現(xiàn)去磁作用。

綜上所述,直流電機(jī)電樞反應(yīng)的影響是： （1）使氣隙磁場發(fā)生畸變,磁通密度分布不再均勻,物理中性線偏離幾何中性線。 （2）在磁路飽和時有去磁作用,使每個磁極下的總磁通有所減小,即Φ<Φ0

。 總之,氣隙磁場的畸變,會使直流電機(jī)氣隙的磁通密度分布不再均勻,換向變得困難,換向器與電刷間的火花增大；而磁場的減弱,又會使感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩有所減小,從而影響到直流電機(jī)的運行性能。 1.4.1直流電機(jī)的電樞電動勢 在直流電機(jī)中,感應(yīng)電動勢是由于電樞繞組和磁場之間的相對運動,即導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,電樞繞組中每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢為e=Bxlv。對于給定的電機(jī),電樞繞組的電動勢即每一并聯(lián)支路電動勢,等于并聯(lián)支路每根導(dǎo)體電動勢之總和,線速度v與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n成正比。因此電樞電動勢Ea可用下式表示：

Ea=CeΦn

（1-3）1.4直流電機(jī)的基本公式

式中：Ce——電動勢常數(shù),Ce=pN/(60a),取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)；

Φ——氣隙合成磁場的每極磁通(Wb)； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的單位為r/min,電動勢Ea的單位為V。 式（1-3）表明,直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢與每極磁通成正比,與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。

1.4.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 在直流電機(jī)中,電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與氣隙磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁力所形成的。根據(jù)安培力定律,作用在電樞繞組每一根導(dǎo)體上的電磁力為F=B pli,對于給定的電機(jī),磁通密度B與每極磁通Φ成正比；每根導(dǎo)體中的電流i與從電刷流入的電樞電流Ia成正比,即電磁轉(zhuǎn)矩與每極的磁通Φ和電樞電流Ia的乘積成正比。因此,電磁轉(zhuǎn)矩T的大小可由下式來表示：

T=CTΦΙa

（1-4）

式中：CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù),CT=pN/(2πa)；

Ia——電樞電流(A)； 電磁轉(zhuǎn)矩T的單位為N·m。 式（1-4）表明,直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通成正比,與電樞電流成正比。電動勢常數(shù)Ｃe與轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT之間的關(guān)系為即

CT=9.55Ce

（1-5）有必要再次指出，無論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動機(jī)，在運行時都同時存在感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。但是，對直流發(fā)電機(jī)而言，因電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，故電磁轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩，而電樞電動勢為電源電動勢；對直流電動機(jī)而言，因電樞電動勢的方向與電樞電流的方向相反，故電樞電動勢為反電動勢，而電磁轉(zhuǎn)矩是拖動轉(zhuǎn)矩。1.4.3直流電機(jī)的電磁功率以上分析的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢是直流電機(jī)的基本物理量，并在直流電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中具有重要意義。下面以發(fā)電機(jī)為例，來說明機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電磁裝置。在將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，必須遵循能量守恒定律，即發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械能和輸出的電能及在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的能量損耗之間要保持平衡關(guān)系。當(dāng)直流發(fā)電機(jī)在原動機(jī)產(chǎn)生的拖動轉(zhuǎn)矩T1的作用下旋轉(zhuǎn)時，發(fā)電機(jī)電樞繞組的載流導(dǎo)體將受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用，而且電磁轉(zhuǎn)矩T的方向和拖動轉(zhuǎn)矩T1的方向相反，是制動轉(zhuǎn)矩。如果這時原動機(jī)不繼續(xù)輸入機(jī)械功率，那么發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，直至為零，也就不能繼續(xù)輸出電能了。所以，為了繼續(xù)輸出電能，原動機(jī)應(yīng)不斷地向發(fā)電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率，以產(chǎn)生拖動轉(zhuǎn)矩T1去克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩T，即T1>T，來保持發(fā)電機(jī)恒速轉(zhuǎn)動，從而向外不斷輸出電功率。由此可知電磁轉(zhuǎn)矩T作為拖動轉(zhuǎn)矩T1的阻轉(zhuǎn)矩來吸收原動機(jī)的大部分機(jī)械功率，并通過電磁感應(yīng)的作用將其轉(zhuǎn)換為電功率。由力學(xué)可知，機(jī)械功率可以表示為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度Ω的乘積，因此原動機(jī)為克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩T所輸入的這部分機(jī)械功率，可表示為電磁轉(zhuǎn)矩T與Ω的乘積即TΩ。這部分機(jī)械功率TΩ是不是經(jīng)過電磁感應(yīng)的作用，都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β柿四兀课覀兛捎脭?shù)學(xué)方法證明如下：根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式（1－4）和Ω=2πn/60可得上式說明，機(jī)械功率TΩ全部轉(zhuǎn)換為電功率EaIa。通常把由機(jī)械功率完全轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β实倪@部分功率稱為電磁功率Ｐem，即Pem=TΩ=EaIa（1－6）式中：Ω——轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，Ω=2πn/60，單位為rad/s；電磁功率Pem的單位為W。通過以上分析可知，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中起著關(guān)鍵性的作用，是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)的必要因素。由于有了制動的電磁轉(zhuǎn)矩T，發(fā)電機(jī)才能從原動機(jī)吸收大部分機(jī)械功率，并通過電磁感應(yīng)的作用將其轉(zhuǎn)換為電功率。電磁功率是聯(lián)系機(jī)械量和電磁量的橋梁，在電磁量與機(jī)械量的計算中有很重要的意義。同理，直流電動機(jī)在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中，為了連續(xù)轉(zhuǎn)動而輸出機(jī)械能，電源電壓U必須大于Ea，以不斷向電動機(jī)輸入電能，將電功率屬性的電磁功率EaIa轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率屬性的電磁功率TΩ，反電動勢Ea在這里起著關(guān)鍵性的作用。1.5

直流電動機(jī)的運行原理

直流電動機(jī)的的基本方程式是指直流電動機(jī)穩(wěn)定運行時電路系統(tǒng)的電動勢平衡方程式、機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式以及能量轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程式。這些方程式既反映了直流電動機(jī)內(nèi)部的電磁過程,又表達(dá)了電動機(jī)內(nèi)外的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,說明了直流電動機(jī)的運行原理。下面以他勵直流電動機(jī)為例進(jìn)行分析。圖1-15他勵直流電動機(jī)的電路圖 1.5.1電動勢平衡方程式

當(dāng)直流電動機(jī)穩(wěn)定運行時,電樞繞組切割氣隙磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea,由前面的分析可知電動勢Ea為反電動勢,Ea的方向與電樞電流Ia的方向相反,如圖1-15所示。根據(jù)KVL可寫出他勵直流電動機(jī)的電動勢平衡方程式為

U=Ea+IaRa

（1-7） 式中：Ra——電樞回路總電阻,包括電樞繞組的電阻和一對電刷的接觸電阻。 式（1-7）表明：直流電機(jī)在電動運行狀態(tài)下,電壓U必須大于電樞電動勢Ea,才能使電樞電流流入電動機(jī)。反之電機(jī)將處于發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)。

1.5.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式 直流電動機(jī)穩(wěn)定運行時,轉(zhuǎn)速恒定,其軸上的拖動轉(zhuǎn)矩必須與軸上的阻轉(zhuǎn)矩(制動轉(zhuǎn)矩)保持平衡,否則,電動機(jī)就不能保持勻速轉(zhuǎn)動。而拖動轉(zhuǎn)矩就是電磁轉(zhuǎn)矩T,阻轉(zhuǎn)矩包括電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和電動機(jī)本身的空載阻轉(zhuǎn)矩T0,因此直流電動機(jī)穩(wěn)定運行時必然有以下平衡關(guān)系：

T=TL+T0

穩(wěn)定運行時,電動機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩T2與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相平衡,即Ｔ2=TL,因此上式也可寫成

T=T2+T0

(1-8)

這就是直流電動機(jī)穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。 1.5.3功率平衡方程式 根據(jù)能量守恒定律,能量不能“自生”,也不能“消失”,只能相互轉(zhuǎn)換。對直流電動機(jī)也是如此。下面我們研究他勵直流電動機(jī)的功率平衡方程式,即單位時間內(nèi)的能量傳輸和轉(zhuǎn)換關(guān)系。 他勵直流電動機(jī)輸入的電功率為

P1=UIa=(Ea+IaRa)Ia=EaIa+I2aRa=Pem+pCua(1-10)

式中：pCua——電樞繞組電阻和電刷接觸電阻引起的損耗,稱為電樞銅損耗。pCua=I2aRa。 1）鐵損耗pFe

直流電動機(jī)的鐵損耗是指電樞鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗,在轉(zhuǎn)速和氣隙磁密變化不大的情況下,可認(rèn)為鐵損耗是不變的,即為不變損耗。

2）機(jī)械損耗pm

機(jī)械損耗包括軸承及電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗,通風(fēng)損耗包括通風(fēng)冷卻用的風(fēng)扇功率和電樞轉(zhuǎn)動時與空氣摩擦而損耗的功率。機(jī)械損耗與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大時,機(jī)械損耗可以看作是不變的,即為不變損耗。

3）附加損耗pad

附加損耗又稱雜散損耗。對于直流電機(jī)，這種損耗包括由于電樞鐵芯邊緣有齒槽存在，使氣隙磁通的大小脈振而在鐵芯中產(chǎn)生的鐵損耗,及由換向電流產(chǎn)生的銅損耗等等。這些損耗是難以精確計算的，一般約占額定功率的0.5%～1%。電磁功率Pem扣除以上損耗后就是電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2,即

P2＝Pem－pFe－pm－pad=Pem-p0（1-10）式中：p0—直流電動機(jī)的空載損耗,p0=pFe+pm+pad。

綜上所述,可得他勵直流電動機(jī)的功率平衡方程式為

P1=Pem+pCua=P2+p0+pCua

=P2+pFe+pm+pad+pCua

=P2+Σp（1-11）式中：Σp——總損耗,Σp=pＦe+pm+pad+pCua。圖1-16他勵直流電動機(jī)的功率流程圖

根據(jù)他勵直流電動機(jī)的功率平衡方程式,可以畫出其功率流程圖,如圖1-16所示。

直流電動機(jī)的效率η為 下面討論直流電動機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 根據(jù)電磁功率的公式（1-6）可得

(1-12)(1-13)

同理 電動機(jī)在額定狀態(tài)運行時,P2=PＮ,T2=TN,n=nN,則(1-14)(1-15)

例1.5

一臺他勵直流電動機(jī)接在220V的電網(wǎng)上運行,已知a=1,p=2,N=372,n=150r/min,Φ=1.1×10-2Wb,Ra=0.208Ω,pFe=362W,pm=204W,忽略附加損耗,求：

(1)此電機(jī)是發(fā)電機(jī)運行還是電動機(jī)運行？

(2)輸入功率、電磁功率和效率；

(3)電磁轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩和空載阻轉(zhuǎn)矩。

解

(1)判斷一臺電機(jī)是何種運行狀態(tài),可比較電樞電動勢和端電壓的大小。 因為U>Ea,所以此電機(jī)是電動機(jī)運行狀態(tài)。

(2)求輸入功率P、電磁功率Pem和效率η:

根據(jù)U=Ea+IaRa,得電樞電流為

輸入功率為 電磁功率為

Pem=EaIa=204.6×74=15140.4W≈15.14kW

輸出功率為

P2=Pem-pFe-pm=15140.4-362-204=14574.4W≈14.57kW效率為

(3)求電磁轉(zhuǎn)矩T、輸出轉(zhuǎn)矩T2和空載阻轉(zhuǎn)矩T0:

電磁轉(zhuǎn)矩為 輸出轉(zhuǎn)矩為

空載阻轉(zhuǎn)矩為

T0=T-T2=96.39-2.79=3.6N·m圖1-19串勵直流電動機(jī)的工作特性1.6直流電動機(jī)的工作特性 1.6.1他勵直流電動機(jī)的工作特性

1．轉(zhuǎn)速特性

轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)U=UN,If=IfN時,n=f(Ia)的關(guān)系曲線。 把公式Ea=CeΦn代入電動勢平衡方程式U=Ea+IaRa中,可得(1-17)

上式即為他勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。若忽略電樞反應(yīng)的去磁作用,則Φ與Ia無關(guān),是一個常數(shù),上式可寫成直線方程式:

n=n0-βIa

（1-17） 式中：n0——理想空載轉(zhuǎn)速,n0=UN/(CeΦ),即Ia=0時的轉(zhuǎn)速；

β——直線斜率,β=Ra/(CeΦ)。

顯然,由式（1-17）可知轉(zhuǎn)速特性曲線n=f(Ia)是一條向下傾斜的直線,其斜率即為β。實際上直流電動機(jī)的磁路總是設(shè)計得比較飽和的,當(dāng)電動機(jī)的輸出功率P2增加,電樞電流Ia相應(yīng)增加時,電樞反應(yīng)的去磁作用會使理想空載轉(zhuǎn)速上升。為了保證電動機(jī)穩(wěn)定運行,在電動機(jī)結(jié)構(gòu)上采取了一些措施,使他勵直流電動機(jī)具有略為下降的轉(zhuǎn)速特性,如圖1-17所示。圖1-17他勵直流電動機(jī)的工作特性 2．轉(zhuǎn)矩特性 轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)U=UN,If=fN時,T=f(P2)的關(guān)系曲線。 由圖1-17可知,當(dāng)負(fù)載P2增大時,他勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線是一條略為下降的直線,當(dāng)P2變化時,轉(zhuǎn)速n基本不變,因此空載阻轉(zhuǎn)矩T0在P2變化時也基本不變,而T2=P2/Ω=P2/(2πn/60),當(dāng)n基本不變時,T2與P2成正比,T2=f(P2)是一條過原點的直線。所以根據(jù)T=T2+T0即可得到T=f(P2)是一條直線。因為實際上當(dāng)P2增加時轉(zhuǎn)速n有所下降,所以T2=f(P2)和T=f(P2)并不完全是直線,而是略為向上翹起,如圖1-17所示。 3．效率特性 效率特性是指當(dāng)U=UN,If=IfN時,η=f(Ia)的關(guān)系曲線。 直流電動機(jī)的效率是指輸出功率P2與輸入功率P1之比的百分值,他勵直流電動機(jī)的效率為（不計附加損耗）(1-18)

當(dāng)U=UN,If=IfN時,他勵直流電動機(jī)的氣隙磁通和轉(zhuǎn)速隨負(fù)載電流Ia的變化而變化得很小,可以認(rèn)為鐵損耗pFe和機(jī)械損耗pm是基本不變的,即p0=pFe+pm為不變損耗。電樞回路的銅損耗是pCua隨著負(fù)載電流Ia的變化而變化的量,為可變損耗。 從式（1-18）中可以看出,效率η是電樞電流Ia的二次曲線,如果對該式求導(dǎo),并dη/dIa=0，那么可得到他勵直流電動機(jī)獲得最大效率的條件,即

p0=pCua

（1-19）1.6.2串勵直流電動機(jī)的工作特性串勵直流電動機(jī)的接線圖如圖1－18所示，串勵直流電動機(jī)的特點是勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，If=Ia，氣隙主磁通Φ隨Ia的變化而變化。在求取工作特性時，保持U=UN。圖1－18串勵直流電動機(jī)的接線圖 1．轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)

根據(jù)圖1-18可寫出串勵直流電動機(jī)的電動勢平衡方程式為

U=Ea+Ia(Ra+Rf)

把Ea=CeΦn代入上式中,可得串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 式中：Ra′=Ｒa+Rf。(1-20)

由于電動機(jī)的勵磁電流等于電樞電流,當(dāng)輸出功率增大時,電樞電流Ia也增大,一方面使電樞回路的總電阻壓降IaRa′增大,另一方面使磁通Φ也增大。從轉(zhuǎn)速公式看,這兩方面的作用都將使轉(zhuǎn)速降低,因此轉(zhuǎn)速隨電樞電流Ia的增大而迅速下降,這是串勵電動機(jī)的特點之一,如圖1-19所示。

2．轉(zhuǎn)矩特性T=f(Ia)

因為T=CeΦIa,當(dāng)Ia較小時,磁路未飽和,磁通Φ正比于勵磁電流即電樞電流Ia,因此電磁轉(zhuǎn)矩T正比于I2a,此時電磁轉(zhuǎn)矩隨著Ia的增加而迅速上升,故T=f(Ia)是一條拋物線；隨著Ia的繼續(xù)增加,磁路逐漸飽和,此時轉(zhuǎn)矩特性比拋物線上升得慢,如圖1-19所示。 綜合以上分析,由圖1-19可知,串勵電動機(jī)具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩（n=0時的電磁轉(zhuǎn)矩）；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時,為了產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會自動減小,從而使功率變化不大,電動機(jī)也不至于因負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而過載太多,因此串勵電動機(jī)常用于拖動電力機(jī)車等負(fù)載。

3．效率特性η=f(Ia)

串勵電動機(jī)的效率特性和他勵電動機(jī)相似,如圖1-19中的曲線所示。但必須指出,由于磁通Φ隨電樞電流Ia的增大而增大,使串勵電動機(jī)的鐵損耗將隨Ia的增大而略增大,由于轉(zhuǎn)速n隨Ia的增大而減小,使機(jī)械損耗則隨Ia的增大而減小,因此p0=pFe+pm基本上保持不變；但勵磁損耗pCuf=I2aRf隨Ia的平方而變化,并列入可變損耗中去,故當(dāng)p0=I2aRa′時,串勵電動機(jī)的效率達(dá)到最大值。1.7.1直流電機(jī)的換向過程圖1－20表示一個單疊繞組線圈的換向過程。圖中電刷是固定不動的；電樞繞組和換向器以速度v從右向左移動。在圖1－20(a)中，電刷只與換向片1接觸，線圈K屬于電刷右邊的支路，線圈中電流為+ia。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到電刷只與換向片2接觸時（見圖1－2