《電機(jī)及電氣控制》學(xué)習(xí)指導(dǎo)之直流電機(jī)一、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理（一）直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由兩個(gè)主要部分組成止部分稱為定子轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子或電樞見下圖直流電機(jī)的剖面圖。．定子部分包括：）主極）換磁極（也稱加極））電裝置）機(jī)）接盒．轉(zhuǎn)子部分包括：）電鐵心）電繞組）換器換向器的作用是與電刷配合，將直流發(fā)電機(jī)槽導(dǎo)體中感應(yīng)出的交流電變成直流電輸出；所以換向器也稱整流子；或者將直流電動(dòng)機(jī)輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌胁蹖?dǎo)體中的交變電流，以保證轉(zhuǎn)子朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

0000（二）直流電機(jī)的基本工作原理．直流發(fā)電機(jī)的工作原理電磁感應(yīng)定律告訴我們：在磁場中當(dāng)導(dǎo)體切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體中就有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為

BlvN和為對(duì)主磁極，我們來看轉(zhuǎn)子槽中的一個(gè)線圈，線圈兩端和分與個(gè)相互絕緣的換向片相聯(lián)向隨線圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)多換向片組成的換向器與固定不動(dòng)的電刷AB保持滑動(dòng)接觸。當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈的ab、兩將切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e其方向可由右手定則判斷。若在電刷A和B之接上負(fù)載，就會(huì)有電樞電流流過，電流的方電動(dòng)勢方向相同。在線圈內(nèi)部電流方向是

a

。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過180以后ab邊極轉(zhuǎn)到S極cd邊極轉(zhuǎn)到N極如1－所示，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向不變，由右手定則可知ab邊電動(dòng)勢方向由a指，cd邊電動(dòng)勢由c指應(yīng)動(dòng)勢的方向改變內(nèi)電流的方向也變?yōu)?/p>

d

。由于換向片隨線圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)電A和B固不動(dòng)所電刷A過換向片始終和極的導(dǎo)體相接，電刷B始和S極的導(dǎo)體相接，從而在電刷A和B間得到一個(gè)方向不變的直流電動(dòng)勢。上述直流發(fā)電機(jī)的工作原理表明樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢方向是交變的于換向器與電刷的配合，將交流電動(dòng)勢變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢輸出，起到了整流作用。a圖線圈電流方向?yàn)?/p>

bc

，由左手定則可知，此線圈將受到逆時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩作用當(dāng)這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩大軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)子就會(huì)向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180

后ab到了極cd邊了N極由于換向片和電刷接觸的相對(duì)位置變化了，線圈中電流的方向變?yōu)?/p>

cba

，如圖b所，再由左手定則可知，線仍將受到逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用子保持逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)電源經(jīng)電刷輸入的是直流在電刷和換向器配合作用下，轉(zhuǎn)子槽導(dǎo)體中的電流方向卻是交變的，保證了通電導(dǎo)體在極

22處和極受力方向不變，以維持直流電動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。從以上的分析可知，理論上一臺(tái)直流電機(jī)既可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。若給電樞通入直流電電機(jī)就可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能電動(dòng)運(yùn)行若原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電機(jī)就將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵龇N運(yùn)行狀態(tài)的可逆性稱作直流電機(jī)的可逆原理。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)直流電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上稍有不同。二、直流電機(jī)的磁場和基本方程式直流電機(jī)的勵(lì)磁方式1他勵(lì)直流電機(jī)．并勵(lì)直流電機(jī)．串勵(lì)直流電機(jī)．復(fù)勵(lì)直流電機(jī)當(dāng)供給定子勵(lì)磁繞組電流建立主磁場由原動(dòng)發(fā)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)子槽導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電樞感應(yīng)電動(dòng)勢E

直流發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系直流發(fā)電機(jī)功率流程，原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，一部分供給空載損耗，括0鐵心中的渦流和磁滯損耗以及機(jī)械摩擦損耗等不變損耗

()fe

，其他轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?/p>

，電磁功率中的一部分供給電樞繞組的發(fā)熱損耗，即電樞銅耗

I

，若為并勵(lì)時(shí)還要供給勵(lì)磁繞組的發(fā)熱損耗即勵(lì)磁銅耗

IRf

f

最后，輸出電功率

pI

。直流電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系直流電動(dòng)機(jī)功率流程，從電源輸入電率pUI，一部分供給電樞銅耗1a

aa

，若為并勵(lì)時(shí)還要供給勵(lì)磁銅耗

p

其余轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?/p>

M

其的一部分供給空載損耗

0

Fe

以后，在軸上輸出機(jī)械功率電機(jī)的效率pppp

式中

包勵(lì)磁銅耗p、電樞銅耗、鐵心損耗、械Cuf

L22L22摩擦損耗

和雜散附加損耗

ad

。雜散損耗

ad

按額定功率的1選取。電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)叫拖動(dòng)動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)則稱電力拖動(dòng)力動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源五部分組成。電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電磁轉(zhuǎn)矩T和上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是對(duì)作用力矩和反作用力矩與轉(zhuǎn)速變化之間的關(guān)系可以用電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式來描述Tl

2式中，為旋轉(zhuǎn)的飛輪力矩，可以用實(shí)驗(yàn)的方法測出，單位為N；為轉(zhuǎn)加速度，當(dāng)時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)加速，當(dāng)T<時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)減速，當(dāng)T＝時(shí)系統(tǒng)將勻速穩(wěn)定LLL運(yùn)行。（二）負(fù)載的機(jī)械特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系)為負(fù)載的機(jī)械特性，它可以分成以下類。L．恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性．恒功率負(fù)載特性．泵類負(fù)載特性二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)必滿足以要求第，起動(dòng)電流不能太大，以免燒毀電刷或換向器，另外也可避免產(chǎn)生過大的沖擊轉(zhuǎn)矩，損壞機(jī)械設(shè)備；第二，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)足夠大，應(yīng)使T>T，以保證電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載順利起動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為此，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方stL法分為三種：直接起動(dòng)、降壓起動(dòng)和電樞串電阻起動(dòng)。三、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（一）調(diào)速方法電動(dòng)拖動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常要求可隨意調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速滿足生產(chǎn)機(jī)械的工作需要據(jù)流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

URRnaICee

a

可看出當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有調(diào)壓U、電a樞串電阻和弱主磁通Φ等種調(diào)速方法。通過改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，而使電動(dòng)機(jī)與負(fù)載兩條機(jī)械特性的交點(diǎn)，即穩(wěn)定工作點(diǎn)，隨之變動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

根據(jù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)人為機(jī)械特性可知回路串電阻調(diào)速阻增大特性變軟，低速下運(yùn)行不穩(wěn)定而電阻上能也大所以只在要求不高的場合才會(huì)采用降壓調(diào)速時(shí)特性平行下移特硬度不變運(yùn)穩(wěn)定性好，只要有連續(xù)可調(diào)的直流電源，就可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速弱調(diào)速是在小功率的勵(lì)回路里調(diào)節(jié)，所以易于實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行無級(jí)調(diào)速以采用降壓基以上采用弱磁使電動(dòng)機(jī)得到寬廣的調(diào)速范圍業(yè)上大量采用的直流發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡稱F－D系，就是調(diào)壓與弱磁并用的典型范例，它使用可靠，維護(hù)方便，功率大，調(diào)速性能好。（二）調(diào)速指標(biāo)為評(píng)價(jià)各種調(diào)速方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)調(diào)速方法提出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下。（）調(diào)速范圍指動(dòng)額定負(fù)載情況下系統(tǒng)可能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。用D表示。nDmaxnmin直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到機(jī)械強(qiáng)度向電等幾方面的限制而最低轉(zhuǎn)速受到低速運(yùn)行時(shí)的相對(duì)穩(wěn)定限制相對(duì)穩(wěn)定性指負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)速變化的程度電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性越軟，它的相對(duì)穩(wěn)定性越差，反之，特性越硬，相對(duì)穩(wěn)定性越好。（2）調(diào)速精度（靜差率相對(duì)穩(wěn)定性的程度用靜差率表，指電動(dòng)機(jī)在某條機(jī)械特性曲線上運(yùn)行時(shí)，由理想空載增加到額定負(fù)載，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降落

與理想空載轉(zhuǎn)速nN

之比

n0

由于調(diào)速范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速取決于靜差率的要求此調(diào)速范圍必然受到靜差率的制約，二者之間的關(guān)系為：

D

n(1（3調(diào)的平滑性在定的調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)的級(jí)數(shù)越多調(diào)速就越平滑鄰兩級(jí)速度之比定義為平滑系數(shù)，用字母K表示：nkiniK值接近于，調(diào)速的平滑性越好，當(dāng)K＝時(shí)稱為無級(jí)調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。（4速的經(jīng)濟(jì)性經(jīng)性包含兩方面的內(nèi)容是速設(shè)備所需的投資和調(diào)速過程的能量耗大小二是指電動(dòng)機(jī)在調(diào)過程中能否得到充分利用是否與負(fù)載最佳配合如調(diào)

LdnLMTLdnLMT壓和電樞串電阻調(diào)速方式屬于恒轉(zhuǎn)矩的輸出與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合則為最佳弱調(diào)速方式屬恒功率的輸出，最好與恒功率負(fù)載相配合，才可使電動(dòng)機(jī)得到充分利用。四、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)（一）電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)（二）能耗制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)（三）反接制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)反接制動(dòng)分為電源反接和轉(zhuǎn)速反向兩種，下面分別加以介紹。．電源反接的反接制動(dòng)．轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系TT一旦被破壞便一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡這過程即過渡過程分析過渡過程中轉(zhuǎn)速矩電流的變化規(guī)律及其定量計(jì)算等問題對(duì)常處于起動(dòng)運(yùn)行生產(chǎn)機(jī)械何縮短過渡過程時(shí)間減過渡過程中的能量損耗，提高