電機(jī)原理及拖動(dòng)（第4版）課件：直流電機(jī)原理

《電機(jī)原理及拖動(dòng)》

第4版2024/12/272第一節(jié)

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、用途、基本工作原理直流電機(jī)原理第二節(jié)

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)第三節(jié)

直流電機(jī)的電樞繞組第四節(jié)

直流電機(jī)的電樞反應(yīng)第五節(jié)

直流電機(jī)電樞電勢(shì)與電磁力矩第六節(jié)

直流發(fā)電機(jī)第七節(jié)

直流電動(dòng)機(jī)第八節(jié)

直流電機(jī)換向2024/12/27直流電機(jī)原理

直流電機(jī)是指能輸出直流電流的發(fā)電機(jī)，或通入直流電流而產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。一臺(tái)直流電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)使用，也可作為電動(dòng)機(jī)使用。本章主要研究換向器式直流電機(jī)。首先介紹其基本原理和基本結(jié)構(gòu)，分析其磁路系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，然后重點(diǎn)研究不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的電磁過(guò)程及工作特性。主要學(xué)習(xí)8個(gè)方面內(nèi)容：直流電機(jī)結(jié)構(gòu)、用途、基本工作原理、空載磁場(chǎng)、電樞繞組、電樞反應(yīng)、電樞電勢(shì)、電磁力矩、直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)換向。32024/12/274第一節(jié)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、用途、基本工作原理一、用途勵(lì)磁機(jī)電源測(cè)速伺服

二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)（P14圖1-4）2024/12/275主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2024/12/276直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)（P14圖1-5）直流電機(jī)的截面圖2024/12/277主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)。它由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。

機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。機(jī)座的主體是極間磁通路徑的一部分，稱為磁軛。定子-主磁極和機(jī)座2024/12/278換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。定子-換向極2024/12/279電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置。電刷由四部分構(gòu)成：1.連線2.刷桿3.電刷4.刷握定子-電刷裝置（P15圖1-6）2024/12/2710截面轉(zhuǎn)子-電樞鐵芯2024/12/2711

電樞繞組是直流電機(jī)的電路部分，也是感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。槽楔線圈絕緣槽底絕緣導(dǎo)體槽絕緣層間絕緣轉(zhuǎn)子-電樞繞組2024/12/2712在直流發(fā)電機(jī)中，換向器起整流作用，在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器起逆變作用轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)向器（P15圖1-7）2024/12/2713直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)(視頻）2024/12/2714二極簡(jiǎn)化模型三、

直流電機(jī)基本工作原理2024/12/2715原理視頻原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體ab在N極下感應(yīng)電勢(shì)e的方向由b指向a；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180后，導(dǎo)體ab在S極下感應(yīng)電勢(shì)e的方向由a指向b。電刷A的極性始終為正，電刷B的極性始終為負(fù)，因此在電刷A、B兩端可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。直流發(fā)電機(jī)原理2024/12/2716直流發(fā)電機(jī)原理（視頻）2024/12/2717發(fā)電機(jī)電勢(shì)波形2024/12/2718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(guò)，如圖。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)。原理視頻直流電動(dòng)機(jī)原理2024/12/2719直流電動(dòng)機(jī)的工作原理（視頻）2024/12/2720

四、直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)2024/12/2721額定條件下電機(jī)所能提供的輸出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)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定功率PN2024/12/2722在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓是指輸出額定電壓發(fā)電機(jī)是指輸入額定電壓電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定電壓UN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)速額定轉(zhuǎn)速nN在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流額定電流IN2024/12/2723

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。直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)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)磁電流額定勵(lì)磁電流IfN指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞線圈的連接方式勵(lì)磁方式2024/12/27241.為什么直流電機(jī)能發(fā)出直流電？如果沒有換向器，直流電機(jī)能不能發(fā)出直流電流？2.試判斷下列情況下，電刷兩端電壓性質(zhì)：磁極固定，電刷與電樞同時(shí)旋轉(zhuǎn)：電樞固定，電刷與磁極同時(shí)旋轉(zhuǎn)。3.已知某直流電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)如下，額定功率750kW，額定電壓220V，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，額定效率88.5％，試求該電機(jī)的額定電流。

4.已知某直流發(fā)電機(jī)的額定功率240kW，額定電壓460V，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，試求該電機(jī)的額定電流。

5.一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)額定容量180kw，額定電壓230伏，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，額定效率89.5%,求額定輸入功率和額定電流。答答答答答作業(yè)：1-1~1-42024/12/27251.答：由于換向器的作用，電刷短接的元件始終連接相同磁極，感應(yīng)電勢(shì)在電刷兩端不變，故直流機(jī)能發(fā)出直流電。如果沒有換向器，直流機(jī)不能發(fā)出直流電，只能發(fā)出交流電。答案2024/12/27262.答：（1）電刷兩端的是交流電壓：（2）電刷兩端的是直流電壓。

答案2024/12/27273.解：對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，

故該電機(jī)的額定電流答案2024/12/2728解：故該電機(jī)的額定電流討論：此處為什么沒有？答案2024/12/27295.解：電機(jī)的額定輸入功率

額定電流直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)2024/12/2730《電機(jī)原理及拖動(dòng)》

第4版空載：

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)是由流過(guò)勵(lì)磁繞組的電流If產(chǎn)生的，它是直流電機(jī)中的主要磁場(chǎng)。第二節(jié)直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)2024/12/2732

極軸線：磁極平分線幾何中性線：相臨兩磁極極軸線的平分線。物理中性線：氣隙磁密由正到負(fù)過(guò)零的分界線。注意：幾何中線與物理中線不一定重合！主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：走漏磁路的磁通一、電機(jī)磁路中的磁通分布（2極）2024/12/2733NSSN幾何中性線極軸線極距主磁通漏磁通電機(jī)磁路中的磁通分布（4極）2024/12/2734N極鐵芯－氣隙－電樞齒－電樞軛－相鄰S極電樞齒－氣隙－S極鐵芯－定子軛－回到N極.構(gòu)成閉合路徑二、直流電機(jī)磁路2024/12/2735主磁路的分段：全電流定律簡(jiǎn)化：（1-1）（1-2）主磁路分析2024/12/2736氣隙電樞齒電樞軛主磁極定子軛封閉回路中包含Nf匝線圈的2倍（1-3）前面圖中封閉回路總磁勢(shì)各段磁壓降為：即主磁路分析2024/12/2737這個(gè)關(guān)系即直流電機(jī)的磁化曲線121.11~1.35飽和系數(shù)：

：氣隙磁勢(shì)：總磁勢(shì)：鐵心飽和引起磁勢(shì)增加主磁路分析2024/12/2738當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)：平均磁通密度：極距：鐵心長(zhǎng)度每極磁通與平均磁密的關(guān)系：氣隙磁通密度分布波形2024/12/2739e，Bπ2πωtαeπ2πωt氣隙磁密與線圈電勢(shì)刷間電勢(shì)空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波2024/12/27401.何謂飽和現(xiàn)象？電機(jī)的磁路為什么會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象?飽和對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能有何影響？2.磁路如圖所示，由兩段鐵心加兩段氣隙構(gòu)成，氣隙長(zhǎng)度δ=1mm。鐵心材料為硅鋼片,氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度Hδ＝9.6×104A/m。線圈匝數(shù)N=1000，通入的電流I=0.2A。試求磁路中鐵芯磁勢(shì)。答答三、習(xí)題2024/12/27411.答：磁導(dǎo)率隨著H增大而減小，即磁阻增大的現(xiàn)象叫做飽和現(xiàn)象。電機(jī)磁路中由于有非線性鐵磁材料，所以會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于飽和現(xiàn)象的存在，使電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)H和B的值不能取得過(guò)高，材料利用率受到限制，勵(lì)磁電流需要增大。答案2024/12/27422.解：總磁勢(shì)＝NI＝1000×0.2＝200A氣隙磁勢(shì)＝2Hδlδ＝2×9.6×104×0.001

＝192A鐵芯磁勢(shì)＝200－192＝8A結(jié)論：氣隙磁勢(shì)>>鐵芯磁勢(shì)答案2024/12/27432024/12/2744第三節(jié)

直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組:直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一,是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。因?yàn)橹匾?，故稱為電樞繞組。電樞繞組的構(gòu)成要求：1.能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并允許通過(guò)一定量的電樞電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率；2.還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。2024/12/2745電機(jī)繞組分類與電樞繞組形式直流電機(jī)繞組電樞繞組2024/12/27461.有關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)及繞組元件1）極軸線2）幾何中線3）極距：相鄰極軸線沿電樞表面的圓弧距離，通常用槽數(shù)表示，如：

2024/12/27474）元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，兩端分別與兩個(gè)換向片連接的線圈，分單匝和多匝兩種。單匝多匝有效邊1.有關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)及繞組元件2024/12/2748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。首端末端1.有關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)及繞組元件2024/12/2749y1必須是整數(shù)1.有關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)及繞組元件第一節(jié)距y15）繞組節(jié)距2024/12/27505）繞組節(jié)距y=y1-y2＝1第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距ykyk＝y(tǒng)＝11.有關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)及繞組元件2024/12/27512.單疊繞組連接原則：?jiǎn)委B繞組的后一個(gè)元件緊接著前一個(gè)元件嵌放，接完一個(gè)元件移過(guò)一個(gè)槽（也移過(guò)一個(gè)換向片），后一個(gè)元件的首端與前一元件的末端連接在同一個(gè)換向片上，最后一個(gè)元件的末端與第一個(gè)元件的首端連在一起，構(gòu)成閉合繞組。特點(diǎn)：槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1:

y=yk=12024/12/27522.1單疊繞組連接順序圖例:一臺(tái)電機(jī)P＝2，Z＝S＝K＝16合成節(jié)距＝換向節(jié)距y＝y(tǒng)k＝1第一元件末端與第二元件的首端連接第一節(jié)距：2024/12/27532.2單疊繞組展開圖1123456789101112131416152345678910111213141615+－++－－運(yùn)動(dòng)方向NSNSττττ1,5,9.13在幾何中線上同一磁極元件串聯(lián)2024/12/27542.3繞組的并聯(lián)支路電路圖a＝p＝b單疊繞組輸出電勢(shì)：一條支路電勢(shì)輸出電流：2a條支路電流和2024/12/2755繞組小結(jié)直流電機(jī)的電樞繞組為閉合回路。其中：電勢(shì)為零；環(huán)流為零。并聯(lián)支路成對(duì)出現(xiàn)。并聯(lián)支路對(duì)數(shù)=極對(duì)數(shù)，即：a＝p。電樞電勢(shì)（即刷間電勢(shì)）=支路電勢(shì)。電樞電流=各支路電流之和。即：電刷成對(duì)出現(xiàn)(單疊繞組中，刷對(duì)數(shù)=極對(duì)數(shù))為了得到最大的直流電勢(shì)，電刷總是與位于幾何中線上的導(dǎo)體相接2024/12/2756作業(yè)1-8.1-9一臺(tái)四極單迭繞組的直流電機(jī)。如果取出相鄰的兩組電刷，只用剩下的兩外兩組電刷是否可以？對(duì)電機(jī)性能有何影響？端電壓有何變化？此時(shí)發(fā)電機(jī)能供給多大的負(fù)載（用額定功率的百分?jǐn)?shù)表示）；如果有一元件斷線，電刷間的電壓有何變化？電流有何變化？若只用相對(duì)的兩組電刷是否能夠運(yùn)行？若有一極失去勵(lì)磁，將會(huì)產(chǎn)生什么后果？答答答答2024/12/27571.取出相鄰的兩組電刷2024/12/2758(2)如果有一元件斷線2024/12/2759（3）只用相對(duì)兩組電刷不能運(yùn)行

若只用相對(duì)兩組電刷不能運(yùn)行，因?yàn)榇藭r(shí)，感應(yīng)電勢(shì)與感應(yīng)電勢(shì)相抵消，端電壓為零不能發(fā)電。2024/12/2760（4）若有一極失去勵(lì)磁

假定一極失去勵(lì)磁，在電機(jī)的各個(gè)磁極中磁通不相等，故在每極下的感應(yīng)電勢(shì)也不等，這樣單迭繞組中并聯(lián)的每條支路產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)不等，因此形成環(huán)流。由于電機(jī)繞組電阻很小，環(huán)流將很大使電機(jī)過(guò)熱。第四節(jié)

直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)負(fù)載后，電樞繞組有電流通過(guò)，該電流建立的磁場(chǎng)簡(jiǎn)稱電樞磁場(chǎng)，電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響就稱為電樞反應(yīng)。電樞磁場(chǎng)的出現(xiàn)，使主磁極氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，即電樞反應(yīng)。各支路電流都是通過(guò)電刷引入或引出，因此電刷是電樞表面上電流分布的分界線。電樞磁勢(shì)的軸線總是與電刷軸線相重合。電樞磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁場(chǎng)

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)。電樞NS分界線磁勢(shì)為零交軸磁動(dòng)勢(shì)在空間分布引入電樞線負(fù)荷的概念：導(dǎo)體總數(shù)N；導(dǎo)體電流ia；電樞直徑為D，則線負(fù)荷在原點(diǎn)O左右x處取磁力線閉合回路，應(yīng)用全電流定律有整個(gè)回路的磁壓降近似為兩個(gè)氣隙上磁勢(shì)：電樞磁動(dòng)勢(shì)為零電樞磁動(dòng)勢(shì)、磁通密度空間分布電樞展開直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)主極磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)合成磁場(chǎng)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，得到的負(fù)載電機(jī)磁場(chǎng)分布情況如圖。合成磁通密度分布曲線主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線不飽和兩條曲線逐點(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物理中性線偏離幾何中性線飽和時(shí)磁阻不為常數(shù)不能簡(jiǎn)單疊加這時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)

如圖(a)(b)所示。2.當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí)電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線也隨之移動(dòng)角，如圖(a)(b)所示。交軸磁勢(shì)和直軸磁勢(shì)分析直流電動(dòng)機(jī)電刷移位NN逆向移刷順向移刷電刷偏移對(duì)主磁場(chǎng)的作用電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機(jī)交軸和直軸去磁交軸去磁、直軸助磁電動(dòng)機(jī)交軸去磁、直軸助磁交軸和直軸去磁以直流電機(jī)為例思考電樞反應(yīng)什么時(shí)候只有交軸電樞反應(yīng)？什么時(shí)候既有交軸又有直軸電樞反應(yīng)？什么情況下直軸電樞反應(yīng)是去（助）磁的？(課堂練習(xí))四極直流電機(jī)123456789101112131415161718幾何中線圖示時(shí)刻1、10號(hào)的上層邊；6、15號(hào)的下層邊處在幾何中線上。2024/12/2775第五節(jié)電樞電勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩

電樞電勢(shì)：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)。其值為直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢(shì)，即每個(gè)支路里的感應(yīng)電勢(shì)。

計(jì)算：求出一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均感應(yīng)電勢(shì)，乘上一個(gè)支路里總的導(dǎo)體數(shù)。2024/12/27761.5.1

電樞電勢(shì)一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)平均感應(yīng)電勢(shì)：Bav：平均磁密；l：導(dǎo)體長(zhǎng)度；v：電樞旋轉(zhuǎn)線速度n：電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)：每極磁通2024/12/27771.5.1

電樞電勢(shì))(電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中每條支路導(dǎo)體數(shù)（每極下導(dǎo)體數(shù)），總導(dǎo)體數(shù)N常數(shù)2024/12/27781.5.1

電樞電勢(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).（1-18）NN電勢(shì)方向2024/12/27791.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中有電樞電流流過(guò)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)矩一根導(dǎo)體的所受平均電磁力：作用在電樞上的總電磁力（N/S極下導(dǎo)體受力方向一致）：2024/12/2780大小:為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)其中1.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩（1-20）2024/12/2781電勢(shì)常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)，其關(guān)系為：電磁轉(zhuǎn)矩性質(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)。（1-21）1.5.2

電磁轉(zhuǎn)矩2024/12/27821.5.3

電磁功率

直流電機(jī)中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那部分功率，是由于電和磁的相互作用產(chǎn)生的。2024/12/27831.5.3

電磁功率直流發(fā)電機(jī)：原動(dòng)機(jī)克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用所做的機(jī)械功率等于通過(guò)電磁感應(yīng)作用在電樞回路所得到的電功率。直流電動(dòng)機(jī)：從電源吸收的電功率，通過(guò)電磁感應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成軸上的機(jī)械功率；

從發(fā)電機(jī)的角度看：電磁功率是轉(zhuǎn)換成電功率的那部分輸入機(jī)械功率

從電動(dòng)機(jī)的角度看：電磁功率是轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率的那部分輸入電功率。2024/12/2784習(xí)題一臺(tái)四極直流發(fā)電機(jī)，元件數(shù)S=120，每元件電阻為0.2Ω，當(dāng)空載轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，此時(shí)每個(gè)元件的平均電動(dòng)勢(shì)為10V。電樞繞組為單疊繞組，求當(dāng)電機(jī)空載時(shí)正負(fù)電刷間的電壓U和電樞繞組電阻Ra各為多少？2024/12/2785計(jì)算過(guò)程解：電樞繞組為單疊繞組時(shí)，2a=4，每支路串聯(lián)的元件數(shù)為120/4=30。因此端電壓U和電樞繞組電阻分別Ra為：2024/12/2786習(xí)題一臺(tái)二極、82kw、230V、970r/min（固定不變）的直流發(fā)電機(jī)的電樞上共有123個(gè)元件，每元件為1匝，如果額定運(yùn)行時(shí)的磁通比空載電壓為額定電壓時(shí)的磁通多5％，試求電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩。2024/12/2787

解：此發(fā)電機(jī)的總導(dǎo)體數(shù)N＝123*2*1＝246根電勢(shì)常數(shù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)空載電壓為額定電壓時(shí)所以則額定負(fù)載時(shí)的額定磁通韋電機(jī)額定負(fù)載電流A故電機(jī)額定電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）2024/12/2788解法二2024/12/2789N支路導(dǎo)體數(shù)＝每極下導(dǎo)體數(shù)《電機(jī)原理及拖動(dòng)》

第4版2024/12/2791第六節(jié)直流發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱為勵(lì)磁方式。分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類，自勵(lì)方式又分并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種方式。直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式按照勵(lì)磁方式直流發(fā)電機(jī)的分類（1）他勵(lì)發(fā)電機(jī)：勵(lì)磁電源由其他獨(dú)立直流電源提供（2）自勵(lì)發(fā)電機(jī)：用發(fā)電機(jī)本身發(fā)出的電給勵(lì)磁繞組供電（3）自勵(lì)發(fā)電機(jī)又可以分為：并勵(lì)發(fā)電機(jī)、串勵(lì)發(fā)電機(jī)、復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)2024/12/2792他勵(lì)發(fā)電機(jī)：直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由其它直流電源單獨(dú)供給。如圖所示他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：一、直流發(fā)電機(jī)的分類2024/12/2793并勵(lì)發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖所示并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流等于負(fù)載電流與勵(lì)磁電流之和，即：一、直流發(fā)電機(jī)的分類2024/12/2794串勵(lì)發(fā)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。如圖所示串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流、負(fù)載電流、勵(lì)磁電流三者相等，即：一、直流發(fā)電機(jī)的分類2024/12/2795復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)：并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合。電機(jī)有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)。如圖所示一、直流發(fā)電機(jī)的分類長(zhǎng)分接法短分接法2024/12/2796二、直流發(fā)電機(jī)的基本方程式（一）電壓平衡方程式規(guī)定各物理量的參考方向如圖－＋電樞電動(dòng)勢(shì)：為電樞回路總電阻，為正負(fù)電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動(dòng)勢(shì)平衡方程為：從方程式可見直流發(fā)電機(jī)2024/12/2797二、直流發(fā)電機(jī)的基本方程式（二）電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程直流發(fā)電機(jī)軸上有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩：機(jī)械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩為

轉(zhuǎn)矩平衡方程為：2024/12/2798二、直流發(fā)電機(jī)的基本方程式（三）功率平衡方程式將（1-23）式兩邊同乘旋轉(zhuǎn)角速度：原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率為輸入直流發(fā)電機(jī)后扣除空載損耗，為電磁功率空載損耗包括：機(jī)械摩擦損耗鐵損耗附加損耗2024/12/2799二、直流發(fā)電機(jī)的基本方程式（三）功率平衡方程式將（1-22）式兩邊同乘電樞電流：電磁功率是轉(zhuǎn)換出的總功率，他與輸出功率之間還差電樞回路的電阻銅損耗2024/12/27100二、直流發(fā)電機(jī)的基本方程式他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率流程圖如果是自勵(lì)發(fā)電機(jī)，還應(yīng)考慮勵(lì)磁功率2024/12/27101三、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性（一）空載特性定義：當(dāng)n=C1I=0U=f(If)時(shí)，空載時(shí)，U=Ea。由于因此空載特性實(shí)質(zhì)上就是。由于正比于，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。直流發(fā)電機(jī)的空載特性是非線性的，上升與下降的過(guò)程是不相同的。實(shí)際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。2024/12/27102三、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性（一）空載特性Uo＝f(If)

空載特性可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段得到。電位計(jì)接法平均空載特性曲線2024/12/27103三、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性（二）外特性定義：當(dāng)n=nNIf=IfN

U=f(I)時(shí)，負(fù)載電流增大時(shí)，端電壓有所下降。外特性曲線2024/12/27104三、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性（二）外特性根據(jù)以下公式可知，發(fā)電機(jī)端電壓下降有兩個(gè)原因：一、在勵(lì)磁電流一定情況下，負(fù)載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動(dòng)勢(shì)減少；

二、原因是電樞回路上的電阻壓降隨負(fù)載電流增大而增加，使端電壓下降。對(duì)于并勵(lì)電機(jī)：端電壓下降使If下降，去磁作用更明顯，端電壓下降更多。2024/12/27105三、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性（三）電壓調(diào)整率從空載到負(fù)載，電壓下降的程度由電壓變化率來(lái)表示。U0是空載時(shí)的端電壓，一般他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率約為5％--10%2024/12/27106三、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性（二）外特性定義：當(dāng)n=C1

U=C2

If=f(I)時(shí)，特性曲線如圖所示轉(zhuǎn)速一定，負(fù)載電流變化時(shí)，為維持他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的端電壓不變，需要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。負(fù)載電流增大，勵(lì)磁電流也增大。2024/12/27107四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（一）自勵(lì)條件

原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在電動(dòng)勢(shì)作用下勵(lì)磁回路產(chǎn)生If

。如果勵(lì)磁繞組和電樞繞組連接正確，If產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動(dòng)勢(shì)增大，If增加。如此不斷增長(zhǎng)，直到勵(lì)磁繞組兩端電壓與If

Rf相等時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的平衡工作點(diǎn)A。2024/12/27108四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)過(guò)程

曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵(lì)磁回路總電阻特性曲線也稱場(chǎng)阻線。它的斜率就是在建立正常電壓過(guò)程中勵(lì)磁電流在上升：增大Rf

，場(chǎng)阻線變?yōu)榍€4時(shí)，Rf稱為臨界電阻，與空載特性直線部分重合電機(jī)沒有穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。2024/12/27109四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)過(guò)程

若再增加勵(lì)磁回路電阻，場(chǎng)阻線變?yōu)榍€3時(shí)，它可以在很低的穩(wěn)定點(diǎn)上運(yùn)行（見書上B點(diǎn)），不能建立正常輸出電壓，發(fā)電機(jī)將不能自勵(lì)。2024/12/27110并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)的特征發(fā)電機(jī)自勵(lì)時(shí)的穩(wěn)定點(diǎn)為勵(lì)磁回路場(chǎng)阻線與空載特性的交點(diǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，空載特性曲線改變，穩(wěn)定工作點(diǎn)也改變。不同的轉(zhuǎn)速，具有不同的臨界電阻四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)2024/12/27111并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)條件（1）電機(jī)的主磁路有剩磁，可通過(guò)“充磁”獲得（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵(lì)磁繞組極性要正確，使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與剩磁方向一致（3）勵(lì)磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)2024/12/27112并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性與一般電機(jī)的空載特性一樣，也是磁化曲線。但是由于勵(lì)磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)2024/12/27113并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)外特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性U=f(I)與他勵(lì)相比，下降更快。因?yàn)槌擞兴麆?lì)電機(jī)的兩個(gè)下降因素外，還因?yàn)殡妷合陆禃?huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流的降低，在電壓下降較大時(shí)勵(lì)磁電流明顯減小磁路退出飽和，外特性出現(xiàn)“拐彎”（見書圖中1-27）所以并勵(lì)電機(jī)外特性有以下特點(diǎn)：(1)負(fù)載增大時(shí)，端電壓下降較快；(2)外特性有拐彎現(xiàn)象;四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)2024/12/27114并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)外特性當(dāng)負(fù)載電阻減到一定程度，由于勵(lì)磁電流下降導(dǎo)致電壓降低，負(fù)載電流會(huì)隨著負(fù)載電阻的減小而減小，當(dāng)負(fù)載電阻為零時(shí)電壓為零，只有剩磁電壓產(chǎn)生的短路電流。四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)2024/12/27115直流發(fā)電機(jī)的小結(jié)（1）三個(gè)平衡式，以及E>U的發(fā)電狀態(tài)判據(jù)；（2）發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式；（3）不同勵(lì)磁方式對(duì)工作特性的影響。五、直流發(fā)電機(jī)的小結(jié)《電機(jī)原理及拖動(dòng)》

第4版2024/12/27117第七節(jié)直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)完成的是電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。與直流發(fā)電機(jī)相同，直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式可以是他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)。本節(jié)以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，推導(dǎo)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式。2024/12/27118一臺(tái)直流電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是直流電機(jī)的可逆原理。以他勵(lì)電機(jī)為例，一臺(tái)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)于直流電網(wǎng)上運(yùn)行，U保持不變，減少原動(dòng)機(jī)的輸出功率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)n下降到一定程度時(shí)，使得Ea=U，此時(shí)I=0

,發(fā)電機(jī)輸出的電功率P2=0，原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率僅僅用來(lái)補(bǔ)償電機(jī)的空載損耗po。一、直流電機(jī)的可逆原理2024/12/27119保持發(fā)電機(jī)的U不變，繼續(xù)降低原動(dòng)機(jī)的n，將有Ea<U

,

Ia反向，這時(shí)電網(wǎng)向電機(jī)輸入電功率，電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。同理，上述的物理過(guò)程也可以反過(guò)來(lái)，電機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機(jī)狀態(tài)。一、直流電機(jī)的可逆原理2024/12/27120一、直流電機(jī)的可逆原理2024/12/27121一、直流電機(jī)的可逆原理2024/12/27122按電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定各物理量的參考方向如圖。在外加電壓作用下，電樞順電壓U的方向流過(guò)電流，電流在磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體切割主磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)與電流方向相反的電動(dòng)勢(shì)電壓平衡方程式：

（1-31）

二、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程2024/12/27123二、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程（一）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流電機(jī)通電后，電樞電流磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在克服了機(jī)組摩檫阻轉(zhuǎn)矩T0

后，轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T2

拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械作功。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

與輸出轉(zhuǎn)矩T2相等時(shí)，電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定平衡有：

（1-32）2024/12/27124二、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程（二）功率平衡方程式將式（1-31）兩邊同乘Ia：將式（1-32）兩邊同乘角速度：

2024/12/27125二、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程（三）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖2024/12/27126三、直流電動(dòng)機(jī)的特性運(yùn)行特性轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性效率特性機(jī)械特性電壓、勵(lì)磁、轉(zhuǎn)子電樞回路總電阻均為常數(shù)的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。分為自然機(jī)械特性和人工機(jī)械特性。2024/12/27127三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（一）轉(zhuǎn)速特性定義：當(dāng)U=UN、I=IfN時(shí)，n=f(Ia)由電壓平衡方程式可得：忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化。如圖紅線所示。2024/12/27128三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（二）轉(zhuǎn)矩特性定義：當(dāng)U=UN、I=IfN時(shí)，T=f(Ia)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。2024/12/27129三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（三）效率特性定義：當(dāng)U=UN、I=IfN、

Rc=0時(shí)，=f(Ia)由效率定義可得由于分母中的勵(lì)磁電流較電樞電流小很多可不計(jì)，附加損耗不計(jì)，則上式可寫成2024/12/27130三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（三）效率特性空載損耗不隨負(fù)載變化，稱為不變損耗，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時(shí)電機(jī)銅損快速增大，此時(shí)效率降低。繪出效率曲線如圖所示。2024/12/27131三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（三）效率特性效率最大值即不變損耗等于可變損耗時(shí)，電機(jī)效率最高。通常電機(jī)效率的最大值在75％－100％負(fù)載范圍。（可以據(jù)此估算電樞繞組電阻）估算例題1-12024/12/27132三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（四）直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電壓、勵(lì)磁、轉(zhuǎn)子電樞回路總電阻均為常數(shù)的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線2024/12/27133三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（四）直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性當(dāng)電壓為額定值、勵(lì)磁電流為額定值（不計(jì)電樞反應(yīng)）、轉(zhuǎn)子電樞回路外串電阻為零的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線稱為直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線，也稱作自然機(jī)械特性曲線。2024/12/27134三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（四）直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性2024/12/27135三、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（四）直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性獲得自然機(jī)械特性曲線兩個(gè)特殊點(diǎn)：空載點(diǎn)（T=0，n＝n0）額定工作點(diǎn)（T＝TN，n＝nN）利用額定數(shù)據(jù)UN、IN、nN、Ra其中電樞回路電阻可通過(guò)查表或估算得到計(jì)算出書中例題1-12024/12/27136四、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組是串聯(lián)的，因此勵(lì)磁電流隨著負(fù)載變化。這是串勵(lì)電機(jī)的主要特點(diǎn)。串勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性很軟，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電機(jī)磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵(lì)磁電流呈線性關(guān)系。即：從公式2024/12/27137四、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（一）轉(zhuǎn)速特性當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無(wú)窮大，所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不宜輕載或空載運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路飽和，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同。2024/12/27138四、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（二）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.當(dāng)磁路不飽和時(shí)2.當(dāng)磁路飽和時(shí)與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性曲線基本一致。2024/12/27139五、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)的機(jī)械特性曲線特點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，適合負(fù)載、重載啟動(dòng)；正常工作，轉(zhuǎn)速降比他勵(lì)稍大（R0=Rf+Rc）并勵(lì)的機(jī)械特性曲線特點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩比較小，適合空載、輕載啟動(dòng)；正常工作，轉(zhuǎn)速降下降很大（3個(gè)原因）。2024/12/27140五、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性介于并勵(lì)和串勵(lì)的機(jī)械特性曲線之間，兼有并勵(lì)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。2024/12/27141六、直流電動(dòng)機(jī)的小結(jié)（1）三個(gè)平衡式，以及U>E的電動(dòng)狀態(tài)判據(jù)；（2）不同勵(lì)磁方式對(duì)工作特性的影響（特性軟硬度不同）；（3）電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式?！峨姍C(jī)原理及拖動(dòng)》

第4版2024/12/27143第八節(jié)直流電機(jī)換向直流電機(jī)電樞繞組的某一個(gè)元件經(jīng)過(guò)電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。元件中電流從＋ia到－ia所經(jīng)歷的時(shí)間稱為換向周期Tk。換向周期通常0.2-2ms。直流電機(jī)在運(yùn)行中，電樞繞組每個(gè)元件在經(jīng)過(guò)電刷時(shí)都要經(jīng)歷換向過(guò)程。假定換向片的寬度等于電刷的寬度換向周期Tk:2024/12/27144電刷僅與換向片1接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示。電樞移到電刷與換向片1、2接觸面積相同時(shí)，元件1中沒有電流。電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示。一、換向過(guò)程2024/12/27145（一）換向元件中的電動(dòng)勢(shì)：自感電動(dòng)勢(shì)eL和互感電動(dòng)勢(shì)eM

：換向元件在換向過(guò)程中電流改變而產(chǎn)生的電抗電勢(shì)er根據(jù)楞次定律，電抗電勢(shì)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

的方向一致。二、換向的電磁理論2024/12/27146切割電動(dòng)勢(shì)ea：（旋轉(zhuǎn)電勢(shì)）在幾何中性線處，由于電樞反應(yīng)在存在，電樞反應(yīng)磁密不為零，