第一章直流電機(jī)

根據(jù)電流性質(zhì)的不同，旋轉(zhuǎn)電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。將機(jī)械能變換為電能的稱為發(fā)電機(jī)，將電能變換為機(jī)械能的稱為電動(dòng)機(jī)，它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)軸上帶有換向器。第一章直流電機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能，且能在較大的范圍內(nèi)平滑地調(diào)節(jié)速度。因此在可逆、可調(diào)速與高精度的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)時(shí)期內(nèi)幾乎都是采用以直流電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)的直流電力拖動(dòng)。但是，直流電機(jī)制造工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，維護(hù)困難，特別是在運(yùn)行過(guò)程中易產(chǎn)生火花，因而在易爆場(chǎng)合和對(duì)干擾敏感場(chǎng)合，直流電機(jī)幾乎不能采用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，作為直流電源的直流發(fā)電機(jī)已逐步被電力電子變流裝置所取代。但化學(xué)工業(yè)中的電鍍、電解等設(shè)備的電源還是用直流發(fā)電機(jī)來(lái)供給。

本章主要分析直流電機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性。一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理

1．電磁感應(yīng)與右手定則

第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理

從物理學(xué)中可知，在一個(gè)均勻磁場(chǎng)B中，當(dāng)放置一根有效長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體，作垂直切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在導(dǎo)體l上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種由于導(dǎo)體切割磁力線而在導(dǎo)體上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為電磁感應(yīng)。其電動(dòng)勢(shì)的大小，取決于單位時(shí)間內(nèi)切割磁力線多寡，按法拉第定律來(lái)計(jì)算：e＝Blv

其中v為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的速度；而電動(dòng)勢(shì)e的方向按右手定則確定，即將右手掌伸開，讓磁力線指向掌心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則與大拇指成90°的其余四指所指方向，便是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖1-1所示。

圖1-1如果一匝對(duì)稱線圈abcd（兩有效邊為lab及l(fā)cd)，置于按正弦規(guī)律變化磁場(chǎng)（Bx=Bmsinx）中，線圈兩個(gè)端點(diǎn)a和d分別與線圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)銅環(huán)焊接，再在兩個(gè)銅環(huán)上分別壓著固定不動(dòng)的兩個(gè)電刷A和B（見圖1-2)。當(dāng)線圈以v速度作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則在A、B兩刷間電動(dòng)勢(shì)為圖1-2eAB＝ead＝edc＋eba＝2Bmlabvsinx由此可見，導(dǎo)體等速運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上也按正弦律變化，即同Bx的規(guī)律變化。顯然，如果磁場(chǎng)波形呈禮帽形的話，則導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上也呈禮帽形，如圖1-3a所示。

圖1-3如果將圖1-2中的兩個(gè)銅環(huán)去掉一個(gè)，而將留下的一個(gè)剖成互相絕緣的兩半圓環(huán)，線圈兩個(gè)端點(diǎn)分別接在兩半環(huán)上，將A、B兩刷也分別壓在兩個(gè)半圓環(huán)上，且固定不動(dòng)，其位置分別與磁極N、S對(duì)正，電機(jī)線圈仍以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖1-4所示。那么在圖示瞬間，導(dǎo)線ab處于N極下，與A刷連接，電動(dòng)勢(shì)eab由b指向a，則A刷為“＋”；當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，導(dǎo)體cd處于N極下，且與A刷連接，電動(dòng)勢(shì)ecd由c指向d，則A刷仍為“＋”。圖1-4一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理

2．交流電動(dòng)勢(shì)到直流電動(dòng)勢(shì)的變換可見，A刷始終與處于N極下導(dǎo)體連接，不管哪根導(dǎo)體，一旦轉(zhuǎn)到N極下，所產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)方向都一樣，永遠(yuǎn)指向A刷，故A刷為正極。同理，B刷始終為“－”刷，永為負(fù)極。顯然，對(duì)某根導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，如lab，在N極下電動(dòng)勢(shì)由b指向a，轉(zhuǎn)過(guò)180°后，處于S極下，電動(dòng)勢(shì)由a指向b，即導(dǎo)體內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)為交流電動(dòng)勢(shì)，但電刷兩端間電動(dòng)勢(shì)卻不變，A刷永為正，B刷永為負(fù)，都是直流電動(dòng)勢(shì)。如圖1-3b所示。它顯然是半波整流狀態(tài)，有明顯脈動(dòng)。如果把一個(gè)圓銅環(huán)剖為互相絕緣的四等分（每等分稱換向片，整個(gè)環(huán)稱換向器），分別與兩個(gè)線圈連接，則脈動(dòng)將減半。

圖1-3為了使電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)程度減少，在實(shí)際發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)動(dòng)部分不是一個(gè)線圈，而是由許多個(gè)線圈均勻分布在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分表面，按一定的規(guī)律連接起來(lái)。若發(fā)電機(jī)每磁極下的導(dǎo)體數(shù)大于8時(shí)，電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)的幅度將小于1％。從上述的直流發(fā)電機(jī)工作原理表明，發(fā)電機(jī)線圈中所感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交流的，借助于換向器和電刷，才把交流電動(dòng)勢(shì)“換向”成為直流電動(dòng)勢(shì)。由于這個(gè)原因，則把上述這種發(fā)電機(jī)稱為換向器式直流發(fā)電機(jī)。二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于電磁力定律的基礎(chǔ)上，若磁場(chǎng)Bx與導(dǎo)體互相垂直，且導(dǎo)體l中通以電流i，則作用于載流導(dǎo)體l上的電磁力（用字母fx表示）為fx＝Bxil

力的方向按左手定則來(lái)確定。欲使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須使載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受到的電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩。這一點(diǎn)，也是用換向器和電刷裝置配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1-5是直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖。它的電刷A、B兩端恒加直流電壓U，在圖示位置瞬間，導(dǎo)體lab處于N極下，而電流從a到b，則導(dǎo)體lab受到電磁力作用而向左，當(dāng)導(dǎo)體lab處于S極下，電流是從c到d，所受到電磁力作用而向右，從而形成一轉(zhuǎn)矩，使線圈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，電刷不與換向片接觸，而與換向片間絕緣接觸，此時(shí)線圈無(wú)電流，轉(zhuǎn)矩消失，但由于慣性作用，轉(zhuǎn)子仍向前轉(zhuǎn)，那么導(dǎo)體lab與lcd對(duì)換位置，即lcd處于N極下，與A刷連接，lab處于S極下，與B刷連接，電流從d進(jìn)a出，導(dǎo)體lcd受電磁力作用，其方向向左，導(dǎo)體lab受電磁力作用，方向向右，保持原來(lái)轉(zhuǎn)矩方向不變，從而使電機(jī)繼續(xù)沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖1-5顯然，此時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，如果每極換向片數(shù)增至8片以上（相應(yīng)也增加線圈數(shù)），就可使轉(zhuǎn)子上得到幾乎不變的轉(zhuǎn)矩。從電工知識(shí)可知，當(dāng)直流電機(jī)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的電動(dòng)勢(shì)Ea必然大于電刷兩端電壓（電網(wǎng)電壓）UN，才有電流Ia輸出。但由于Ia與勵(lì)磁磁場(chǎng)作用，則在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，它的方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，故稱為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩（主要是摩擦轉(zhuǎn)矩）一起，與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡，故發(fā)電機(jī)不斷從原動(dòng)機(jī)吸取機(jī)械能而轉(zhuǎn)換為電能，供給電網(wǎng)。如果降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（即降低切割速度）或減弱磁場(chǎng)（未改變方向），則發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)必將下降。當(dāng)Ea＜UN時(shí)，則Ia將向相反方向流動(dòng)，但端電壓UN極性未變，勵(lì)磁磁場(chǎng)極性也未變，則從電磁力定律可知，轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)矩改變方向，而與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向一致，那么原動(dòng)機(jī)可脫開，而電機(jī)從電網(wǎng)吸取電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電機(jī)從發(fā)電機(jī)狀態(tài)過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，也要產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，但與電網(wǎng)電壓方向相反，故稱為反電動(dòng)勢(shì)。由此可見，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩者并無(wú)本質(zhì)上差別，只是外界條件不同而已。所以，同一臺(tái)電機(jī)，既可為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只僅僅改變電流Ia的方向，這就是直流電機(jī)的可逆原理。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)主要部分組成：一是靜止部分（稱為定子），主要用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)；二是轉(zhuǎn)動(dòng)部分（稱為轉(zhuǎn)子，通稱電樞），是機(jī)械能變?yōu)殡娔埽òl(fā)電機(jī)）、或電能變?yōu)闄C(jī)械能（電動(dòng)機(jī)）的樞紐。在定子、轉(zhuǎn)子之間，有一定的間隙稱為氣隙。圖1-6是一臺(tái)直流電機(jī)外形圖第二節(jié)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1-6圖1-7是直流電機(jī)的主要部件圖。圖1-7a)前端蓋b)風(fēng)扇c)定子d)轉(zhuǎn)子e)電刷裝置f)后端蓋圖1-8是四極直流電機(jī)的截面圖。圖1-81—電樞鐵心2—主磁極3—?jiǎng)?lì)磁繞組4—電樞齒5—換向極繞組6—換向極鐵心7—電樞槽8—底座9—電樞繞組10—極掌（極靴）11—磁軛（機(jī)座）下面簡(jiǎn)要介紹直流電機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)及其作用。

一、靜止部分——定子1．主磁極圖1-9為直流電機(jī)主磁極的結(jié)構(gòu)圖。圖1-9主磁極由磁極鐵心和勵(lì)磁繞組組成。當(dāng)勵(lì)磁繞組中通入直流電流后，鐵心中即產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)及其磁通，并在氣隙中建立勵(lì)磁磁場(chǎng)。勵(lì)磁繞組通常用圓形或矩形的絕緣導(dǎo)線制成一個(gè)集中的線圈，套在磁極鐵心外面。磁極鐵心一般用（1～1.5）mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成，主磁極鐵心柱體部分稱為極身，靠近氣隙一端較寬的部分稱為極靴，極靴與極身交界處形成一個(gè)突出的肩部，用以支撐住勵(lì)磁繞組。極靴沿氣隙表面處作成弧形，使極下氣隙磁通密度分布更合理。整個(gè)主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極總是N、S兩極成對(duì)出現(xiàn)。各主磁極的勵(lì)磁繞組通常是相互串聯(lián)連接，連接時(shí)要能保證相鄰磁極的極性按N、S交替排列。2．換向極圖1-10為換向極的結(jié)構(gòu)圖1-10換向極也是由換向極鐵心和換向極繞組組成，目的是為了改善換向，使電刷與換向片之間火花減小。換向極繞組總是與電樞繞組串聯(lián)，它的匝數(shù)少、導(dǎo)線粗。換向極鐵心通常都用厚鋼板疊制而成，用螺桿安裝在相鄰兩主磁極之間的機(jī)座上。直流電機(jī)功率很小時(shí)，換向極可以減少為主磁極數(shù)的一半，甚至不裝置換向極。

3．機(jī)座

機(jī)座通常由鑄鋼或厚鋼板焊接制成，它有兩個(gè)用途：一是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋；二是組成磁路的一部分，稱該部分為磁軛。圖1-8與圖1-9所示。4．電刷裝置如圖1-11所示。電刷裝置是把直流電壓和直流電流引入或引出的裝置。它由電刷、刷握、刷桿座、壓緊彈簧和銅絲辮等組成。

1—刷握2—銅絲辮3—壓緊彈簧4—電刷圖1-11從圖中可見，電刷放在刷握內(nèi)，用壓緊彈簧壓緊在換向器上，而刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上，且與刷桿座絕緣。刷桿座裝在端蓋上或軸承內(nèi)蓋上，然后將其整個(gè)裝置固定。

二、轉(zhuǎn)動(dòng)部分——轉(zhuǎn)子1．電樞鐵心電樞鐵心是主磁路的一部分，同時(shí)也要安放電樞繞組。圖1-12為小型直流電機(jī)的電樞沖片形狀和電樞鐵心裝配圖。圖1-12

由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞與氣隙磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鐵心中也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而出現(xiàn)渦流和磁滯損耗。為了減少損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚表面涂絕緣漆的圓形硅鋼沖片疊壓而成。沖片圓周外緣均勻地沖有許多齒和槽，槽內(nèi)可安放電樞繞組，有的沖片上還沖有許多圓孔，以形成改善散熱的軸向通風(fēng)孔。2．電樞繞組

電樞繞組是直流電機(jī)電路的主要部分，它的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和流過(guò)電流而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，是電機(jī)中重要部件。電樞繞組由許多個(gè)線圈按一定的規(guī)律連接而成。這種線圈通常用高強(qiáng)度聚酯漆包線繞制而成，它的一條有效邊嵌入某個(gè)槽中的上層，另一有效邊則嵌入另一槽中的下層，如圖1-13所示。線圈的兩個(gè)端頭按一定的規(guī)律分別焊接在兩片不同的換向片上。

圖1-131—上層有效邊2、5—端接部分3—下層有效邊4—線圈尾端6—線圈首端3．換向器

換向器的作用是與電刷一起將直流電動(dòng)機(jī)輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，或是將直流發(fā)電機(jī)電樞繞組中的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成輸出的直流電壓。換向器是一個(gè)由許多燕尾狀的梯形銅片間隔云母片絕緣排列而成的圓柱體，每片換向片的一端有高出的部分，上面銑有線槽，供電樞繞組引出端焊接用。所有換向片均放置在與它配合的具有燕尾狀槽的金屬套筒內(nèi)，然后用V形鋼環(huán)和螺紋壓圈將換向片和套筒緊固成一整體。換向片組與套筒、V形鋼環(huán)之間均要用云母環(huán)絕緣，如圖1-14所示。這樣的換向器稱為金屬套筒式換向器。

圖1-141—換向片2—云母片3—V形云母套筒4—V形鋼環(huán)5—鋼套6—絕緣套筒7—螺旋壓圈三、氣隙

氣隙是電機(jī)磁路的重要部分。它的路徑雖然很短，但由于氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵心磁阻，（一般小型電機(jī)的氣隙為（0.7~5）mm，大型電機(jī)為（5~10）mm左右），對(duì)電機(jī)性能有很大的影響。在拆裝直流電機(jī)時(shí)應(yīng)予以重視。第三節(jié)直流電機(jī)的銘牌及主要系列

一、直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)圖1-15是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌。直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z2—72勵(lì)磁方式并勵(lì)功率22kW勵(lì)磁電壓220V電壓220V勵(lì)磁電流2.06A電流116A定額連續(xù)轉(zhuǎn)速1500r/min溫升80℃出品號(hào)數(shù)╳╳╳╳出廠日期╳╳╳╳年╳月╳╳╳╳電機(jī)廠圖1-15

銘牌釘在電機(jī)機(jī)座的外表面上，上面標(biāo)明電機(jī)主要額定數(shù)據(jù)及電機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，供使用者使用時(shí)參考。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若所有的物理量均與其額定值相同，則稱電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。若電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流，稱電機(jī)為欠載運(yùn)行；若電機(jī)的運(yùn)行電流大于額定電流，則稱電機(jī)為過(guò)載運(yùn)行。電機(jī)長(zhǎng)期欠載運(yùn)行使電機(jī)的額定功率不能全部發(fā)揮作用，造成浪費(fèi)；長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命，因此長(zhǎng)期過(guò)載和欠載都不好。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、工作性能等均比較好?，F(xiàn)對(duì)其中幾項(xiàng)主要數(shù)據(jù)說(shuō)明如下。

1．電機(jī)型號(hào)型號(hào)表明該電機(jī)所屬的系列及主要特點(diǎn)。掌握了型號(hào)，就可以從有關(guān)的手冊(cè)及資料中查出該電機(jī)的許多技術(shù)數(shù)據(jù)。如型號(hào)為Z2-72的電機(jī)含義如下圖所示。2．額定值（1）額定功率PN

PN是指在規(guī)定的工作條件下，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的允許輸出功率。對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指正負(fù)電刷之間輸出的電功率；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，則是指軸上輸出的機(jī)械功率。（2）額定電壓UN

UN對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指在額定電流下輸出額定功率時(shí)的端電壓；對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是指在按規(guī)定正常工作時(shí)，加在電動(dòng)機(jī)兩端的直流電源電壓。（3）額定電流IN

IN是直流電機(jī)正常工作時(shí)輸出或輸入的最大電流值。對(duì)于發(fā)電機(jī)，三個(gè)額定值之間的關(guān)系為PN=UNIN

對(duì)于電動(dòng)機(jī)，三個(gè)額定值之間的關(guān)系為PN=UNINηN

額定效率式中

P1為輸入功率（4）額定轉(zhuǎn)速nN

nN(r/min)是指電機(jī)在上述各項(xiàng)均為額定值時(shí)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。（5）額定溫升

是指電機(jī)允許的溫升限度，溫升高低與電機(jī)使用的絕緣材料的絕緣等級(jí)有關(guān)，電機(jī)的允許溫升與絕緣等級(jí)的關(guān)系如下表所示。絕緣耐熱等級(jí)AEBFHC絕緣材料的允許溫度/℃105120130155180180以上電機(jī)的允許溫升/℃607580100125125以上例1-1一臺(tái)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(shí)的輸入功率。

解由式（1-3）得

由式（1-5）得

例1-2

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

解由式（1-5）得

3．勵(lì)磁方式

直流電機(jī)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，不論是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)，還是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，都以氣隙中的磁場(chǎng)作為媒介。除了采用磁鋼制成主磁極的永磁式直流電機(jī)以外，直流電機(jī)都是在勵(lì)磁繞組中通以勵(lì)磁電流If產(chǎn)生磁場(chǎng)的。勵(lì)磁繞組獲得電流的方式稱作勵(lì)磁方式。直流電機(jī)的運(yùn)行性能與它的勵(lì)磁方式有密切的關(guān)系。勵(lì)磁方式分為（1）他勵(lì)勵(lì)磁繞組的電流由單獨(dú)的電源供給，如圖1-16a）所示。（永磁式也是他勵(lì)的一種形式）圖1-16

對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，由于電樞繞組為輸出直流電的電源部分，因此，并勵(lì)、復(fù)勵(lì)式勵(lì)磁繞組的電流都由自己的電樞電動(dòng)勢(shì)所提供，統(tǒng)稱為自勵(lì)發(fā)電機(jī)。（4）復(fù)勵(lì)勵(lì)磁繞組分為兩部分，一部分與電樞繞組并聯(lián)，是主要部分；另一部分與電樞繞組串聯(lián)，如圖1-16d）所示。兩部分勵(lì)磁繞組的磁通勢(shì)方向相同時(shí)稱為積復(fù)勵(lì)；方向相反時(shí)則稱為差復(fù)勵(lì)。

（3）串勵(lì)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖1-16c）所示。（2）并勵(lì)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖1-16b）所示。4．直流電機(jī)出線端子的標(biāo)志

電機(jī)每個(gè)繞組的出線端子都有明確的標(biāo)志，用字母標(biāo)注在接線柱旁或引出導(dǎo)線的金屬牌上，標(biāo)志如下表所示。繞組名稱出線端標(biāo)志國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家老標(biāo)準(zhǔn)電樞繞組換向極繞組補(bǔ)償繞組串勵(lì)繞組并勵(lì)繞組他勵(lì)繞組A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2S1S2H1H2BC1BC2C1C2B1B2T1T2注：下標(biāo)“1”是首端，為正極；下標(biāo)“2”是末端，為負(fù)極。

例1-3

在圖1-17a）上畫出并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際接線圖。

解換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)后接直流電源，如圖1-17b）所示。圖1-17二、直流電機(jī)的主要系列簡(jiǎn)介

所謂系列電機(jī)，就是在應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)型式、性能水平、生產(chǎn)工藝等方面有共同性，功率按某一系數(shù)遞增的成批生產(chǎn)的電機(jī)。搞系列化的目的是為了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。

我國(guó)直流電機(jī)主要系列有（1）Z2系列一般用途的中小型直流電機(jī)。（2）Z和ZF系列一般用途的中大型直流電機(jī)，其中“Z”為直流電動(dòng)機(jī)系列，“ZF”為直流發(fā)電機(jī)系列。（3）ZT系列用于恒功率且調(diào)速范圍較寬的寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)。

（4）ZZJ系列冶金輔助拖動(dòng)機(jī)械用的冶金起重直流電動(dòng)機(jī)，它具有快速起動(dòng)和承受較大過(guò)載能力的特性。（5）ZQ系列電力機(jī)車、工礦電機(jī)車和蓄電池供電的電車用的直流牽引電動(dòng)機(jī)。（6）Z-H系列船舶上各種輔機(jī)用的船用直流電動(dòng)機(jī)。（7）ZA系列用于礦井和易爆氣體場(chǎng)合的防爆安全型直流電動(dòng)機(jī)。（8）ZU系列用于龍門刨床的直流電動(dòng)機(jī)。（9）ZW系列是無(wú)槽直流電動(dòng)機(jī)，在快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。（10）ZLJ系列是力矩直流電動(dòng)機(jī)，在伺服系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。（11）BFG系列是直流三換向片永磁電動(dòng)機(jī)，用于盒式錄音機(jī)、電動(dòng)玩具等。還有許多系列，請(qǐng)參閱電機(jī)手冊(cè)。小結(jié)直流電機(jī)的工作原理建立在電磁感應(yīng)定律和電磁力定律的基礎(chǔ)上。在不同的外部條件下，電機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的方向是可逆的。如果從軸上輸入機(jī)械能，電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，則電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；如果從電樞輸入電能，從軸上輸出機(jī)械能，則電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為定子、轉(zhuǎn)子兩部分。定子主要用于建立磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子主要通過(guò)電樞繞組作能量轉(zhuǎn)換。雖然繞組元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流都是交變的，但由于換向器和電刷的作用，使電刷間的外電路上電動(dòng)勢(shì)、電壓和電流都是直流的。第四節(jié)直流電機(jī)電樞繞組和磁場(chǎng)簡(jiǎn)述

一、直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分。無(wú)論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩都在電樞繞組中產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。在實(shí)際電機(jī)中，電樞繞組是由許多分布在轉(zhuǎn)子表面的線圈按一定的規(guī)律連接而成的閉合繞組。根據(jù)連接規(guī)律的不同，電樞繞組可分為疊繞組和波繞組兩種類型，疊繞組有單疊繞組和復(fù)疊繞組；波繞組有單波繞組和復(fù)波繞組之分。每個(gè)槽中的線圈邊分上下兩層疊放，一個(gè)線圈邊放在一個(gè)槽的上層，另一個(gè)邊放在另一個(gè)槽的下層。所以直流電機(jī)電樞繞組一般都是雙層繞組。

下面以單疊繞組為例說(shuō)明直流電機(jī)電樞繞組的聯(lián)接規(guī)律和電樞電路的組成特點(diǎn)。單疊繞組聯(lián)接的特點(diǎn)是同一個(gè)線圈（也稱作元件）兩個(gè)出線端聯(lián)接于相鄰的兩個(gè)換向片上，如圖1-18所示，圖中上層元件邊用實(shí)線表示；下層元件邊用虛線表示。相鄰的兩個(gè)元件依次重疊，互相錯(cuò)開一個(gè)槽，換向片節(jié)距yk=1（yk為線圈的兩端所連接的換向片之間的距離，用該線圈跨過(guò)的換向片數(shù)來(lái)表示）。單疊繞組所有相鄰元件依次串聯(lián)，即后一個(gè)元件的首端與前一個(gè)元件的末端聯(lián)在一起，最終形成一個(gè)閉合的回路。圖1-18通過(guò)分析可得出如下結(jié)論：

單疊繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a（每?jī)蓷l支路是一對(duì)）等于磁極對(duì)數(shù)p，即a=p。

單波繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a與磁極對(duì)數(shù)p無(wú)關(guān)，支路對(duì)數(shù)a=1。

電機(jī)端電壓，即為每條支路的電壓；而電樞電流Ia，則為每條支路ia的總和，即

Ia=2aia

二、直流電機(jī)的磁場(chǎng)

1．直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)

直流電機(jī)空載（發(fā)電機(jī)斷開電負(fù)載或電動(dòng)機(jī)軸子不帶機(jī)械負(fù)載）運(yùn)行時(shí)，其電樞電流等于零或近似等于零。因而空載磁場(chǎng)可以認(rèn)為僅僅是勵(lì)磁電流通過(guò)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通勢(shì)所建立的。如圖1-19所示分別為兩極電機(jī)及四極電機(jī)的空載磁場(chǎng)（又稱極場(chǎng)）。

圖1-192．直流電機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)

直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中便有電流通過(guò)，產(chǎn)生電樞磁通勢(shì)。該磁通勢(shì)所建立的磁場(chǎng)，稱為電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)與主極磁場(chǎng)一起，在氣隙內(nèi)建立一個(gè)合成磁場(chǎng)，亦稱氣隙磁場(chǎng)。

圖1-20是以直流電動(dòng)機(jī)為例來(lái)分析直流電機(jī)帶負(fù)載后的合成磁場(chǎng)的分布示意圖。為分析簡(jiǎn)單起見，以兩極電機(jī)為例。為了畫圖方便，換向器通常不畫出來(lái)，所以把電刷畫在電樞圓周上，且處在兩極間的幾何中性線位置，如圖1-20所示。圖1-20

圖1-20

a為空載磁場(chǎng)的分布情況。按照?qǐng)D中所示的勵(lì)磁電流方向，應(yīng)用右手螺旋定則，便可確定主極磁場(chǎng)的方向。在電樞表面上磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的地方是物理中性線m-m，它與磁極的幾何中性線n-n重合，幾何中性線與磁極軸線互差電角90°，即正交。

圖1-20

b為電樞磁場(chǎng)，它的方向由電樞電流來(lái)確定。由圖1-20b中可以看出，不論電樞如何轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞電流的方向總是以電刷為界限來(lái)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(dòng)，電樞兩邊的電流方向不變。因此，電樞磁場(chǎng)的方向不變，即電樞磁場(chǎng)是靜止不動(dòng)的。根據(jù)圖上的電流方向用左手定則可判定該電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。

圖1-20c為合成磁場(chǎng)，它是把主極磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)合在一起而產(chǎn)生的。比較圖1-20a和c，可見由于電機(jī)帶負(fù)載后出現(xiàn)的電樞磁場(chǎng)，對(duì)主極磁場(chǎng)的分布有明顯的影響。這種電樞磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。

電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)性質(zhì)是：（1）使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變電樞反應(yīng)使磁極下的磁力線扭斜，磁通密度分布不均勻，使物理中性線離開幾何中性線。在電動(dòng)機(jī)中，物理中性線逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移過(guò)一個(gè)不大的α角。而在發(fā)電機(jī)中，物理中性線則順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移過(guò)一個(gè)不大的α角。（2）呈去磁作用每個(gè)磁極下，主極磁場(chǎng)的一半被削弱，另一半被加強(qiáng)。對(duì)圖1-20所示的電動(dòng)機(jī)而言，前極尖（電樞進(jìn)入磁極邊）的磁場(chǎng)被加強(qiáng)，后極尖被削弱。由于電樞磁場(chǎng)磁力線是閉合的，所以電樞磁通勢(shì)對(duì)主極磁通勢(shì)的削弱數(shù)量等于對(duì)主極磁通勢(shì)的增加數(shù)量。在磁路不飽和時(shí)，因磁阻是常數(shù)，所以根據(jù)磁路歐姆定律，主極磁場(chǎng)被削弱的磁通數(shù)量也恰好等于被增強(qiáng)的磁通數(shù)量。因此，負(fù)載時(shí)每極下的合成磁通量仍與空載時(shí)的磁通相同。不過(guò)在實(shí)際情況下，電機(jī)的磁路總是處在比較飽和的非線性區(qū)域。這樣磁通勢(shì)增強(qiáng)處（飽和度增加）的鐵磁磁阻大于被削弱處（飽和度降低）的磁阻，因此增強(qiáng)的磁通量小于減少的磁通量，故負(fù)載時(shí)每極合成磁通比空載時(shí)每極磁通略小。我們稱此為電樞反應(yīng)的去磁作用。因此，負(fù)載運(yùn)行時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)略小于空載時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但工程計(jì)算時(shí)，一般不考慮電樞反應(yīng)的去磁作用。

（3）換向惡化從圖1-21可見，在電刷下的元件旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流方向?qū)⒆兓恢?，即從“⊙”到?”再到“”或相反，這種現(xiàn)象稱為換向。當(dāng)磁通密度分布不均勻，使電樞繞組中每線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，造成換向片間電位差不等，使換向電流滯后或超前，從而增加換向困難。

圖1-21

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載越大，電樞電流Ia越大，電樞磁場(chǎng)越強(qiáng)，電樞反應(yīng)的影響就越大，物理中性線偏移的角度也就越大。盡管電樞反應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行會(huì)有種種影響，但正是電樞磁通勢(shì)與主極磁通勢(shì)相互作用而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。3．裝設(shè)換向極改善換向

改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。目前改善直流電機(jī)換向最有效的辦法，是安裝換向極。換向極裝設(shè)在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上，如圖1-21所示。

換向極繞組應(yīng)與電樞繞組相串聯(lián)，使換向極磁場(chǎng)也隨電樞磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而變化，換向極極性的確定原則是使換向極磁場(chǎng)方向與電樞磁場(chǎng)方向相反。1kW以上的直流電機(jī)，幾乎都安裝換向極。圖1-21第五節(jié)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動(dòng)勢(shì)

一、電磁轉(zhuǎn)矩T

在直流電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與合成磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的電磁力所形成的。按電磁力定律，作用在電樞繞組每一根導(dǎo)體（線圈的有效邊）上的電磁力為：f=Bxlia

對(duì)于給定的電機(jī)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與每極的磁通Φ成正比；每根導(dǎo)體中的電流ia與從電刷流入（或流出）的電樞電流Ia成正比；導(dǎo)線長(zhǎng)度l在電機(jī)制成后是個(gè)常量。因此電磁轉(zhuǎn)矩T與電磁力f成正比，即電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通Φ和電樞電流Ia的乘積成正比。因此，電磁轉(zhuǎn)矩的大小可用下式來(lái)表示：T=CTΦIa

式中CT是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)，即在已制成的電機(jī)中，磁極對(duì)數(shù)p和N（電樞繞組總導(dǎo)體根數(shù)）、a均為定值；Φ是每極磁通（Wb）（電樞反應(yīng)后的合成磁通）；當(dāng)電樞電流的單位為A時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩單位為N·m。二、電樞電動(dòng)勢(shì)Ea

在直流電機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于電樞繞組和磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即導(dǎo)線切割磁力線而產(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)電勢(shì)為e=Bxlv。對(duì)于給定的電機(jī)，電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)即每一并聯(lián)支路的電動(dòng)勢(shì)，等于并聯(lián)支路每根導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)可用下式表示：

Ea=CeΦn

式中Ce——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，，取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)每極磁通Φ的單位為wb，轉(zhuǎn)速n的單位為r/min時(shí)，電樞電動(dòng)勢(shì)的單位為V。由式Ea=CeΦn可知：

1）對(duì)已制成的電機(jī)，電樞電動(dòng)勢(shì)Ea正比于每極磁通和轉(zhuǎn)速。2）Ea與每極磁通Φ的數(shù)值有關(guān)，而和磁通分布的形狀無(wú)關(guān)，如果分布形狀變化，而每極磁通量保持不變，則電樞電動(dòng)勢(shì)Ea大小保持不變。轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT與電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce之間有固定的比值關(guān)系：

即CT

=9.55Ce

例1-4

一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，2p=4，電樞繞組為單疊繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=216，額定轉(zhuǎn)速nN=1460r/min，每極磁通Φ=2.2×10-2Wb，求：1）此發(fā)電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2）此發(fā)電機(jī)若作為電動(dòng)機(jī)使用，當(dāng)電樞電流為800A時(shí)，能產(chǎn)生多大電磁轉(zhuǎn)矩？解先求出電動(dòng)勢(shì)常數(shù)

三、直流電機(jī)的能量變換——電磁功率Pem從式T=CTΦIa與式Ea=CeΦn及Ω=2πn/60可得出下列關(guān)系

上式表明，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩的阻轉(zhuǎn)矩來(lái)吸收原動(dòng)機(jī)輸入電機(jī)的機(jī)械功率TΩ，通過(guò)電磁感應(yīng)作用將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β蔈aIa。反之，作為電動(dòng)機(jī)的電源電壓的反電動(dòng)勢(shì)吸取電功率EaIa，并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率TΩ。所以無(wú)論是電動(dòng)機(jī)，還是發(fā)電機(jī)，其能量變換過(guò)程中，機(jī)械功率變換為電功率或電功率變換為機(jī)械功率的這部分功率稱為電磁功率Pem，有Pem=TΩ=EaIa

第六節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式

直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式是指直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電路系統(tǒng)的電動(dòng)勢(shì)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(guò)程中的功率平衡方程式。在列寫直流電機(jī)的基本方程式之前，各有關(guān)物理量都應(yīng)事先規(guī)定好它的正方向。

圖1-22是一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖和電路圖，將各物理量的正方向按慣例標(biāo)注在圖上。電樞電動(dòng)勢(shì)Ea是反電動(dòng)勢(shì)，與電樞電流方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩T是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，T與轉(zhuǎn)速n的方向一致，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速方向相反。

圖1-221．電動(dòng)勢(shì)平衡方程式

根據(jù)電路的基爾霍夫定律可以寫出電樞回路的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式，即U=Ea+IaRa

式中，Ia是電樞電流，Ia=I

（I為負(fù)載電流或稱為輸入電流，若是并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，則有Ia=I-If）；

Ra是電樞回路中總電阻，Ra=ra+△Ub/Ia

。按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在求額定運(yùn)行的銅耗時(shí)這些電阻應(yīng)折算至75℃時(shí)的值；

ra是電樞回路中電樞繞組、串勵(lì)繞組、換向極繞組及補(bǔ)償繞組的電阻之和；

△Ub是一對(duì)正負(fù)電刷總的接觸電壓降。對(duì)一般的碳刷或石墨電刷而言，一對(duì)電刷的接觸壓降為2V。2．功率平衡方程式

以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，接上電源時(shí)電樞繞組中流過(guò)電流Ia，電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入的電功率為P1=UI=UIa

將式U=Ea+IaRa代入上式，得式中，pCua是電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的電損耗，稱為銅耗。它與電樞電流有關(guān)，亦稱可變損耗?？梢姡狠斎氲碾姽β食徊糠直浑姌欣@組消耗（銅耗）外，絕大部分作為電磁功率轉(zhuǎn)換成了機(jī)械功率。

由式Pem=TΩ=EaIa可知，電動(dòng)機(jī)中的電磁功率Pem是將電功率EaIa變換為機(jī)械功率TΩ的功率。因?yàn)楫?dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，還要克服機(jī)械損耗pm（包括電樞軸與軸承間的摩擦損耗，電刷與換向片間的摩擦損耗、電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分與空氣間的摩擦損耗等，這些損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)）、電樞鐵心損耗pFe（電樞鐵心中因電機(jī)旋轉(zhuǎn)使磁場(chǎng)反復(fù)變化而產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗），以及附加損耗pS（以電樞齒槽影響產(chǎn)生的損耗、電樞反應(yīng)引起的損耗等），所以電動(dòng)機(jī)的電磁功率，扣除了機(jī)械損耗、電樞鐵心損耗、附加損耗后，大部分從電機(jī)軸上輸出，故電機(jī)輸出的機(jī)械功率為P2=Pem－pFe－pm－ps

忽略附加損耗ps后：P2=Pem－pFe－pm=Pem－p0

上式中p0=pFe+pm,稱為空載損耗。它與電樞電流無(wú)關(guān)，亦稱不變損耗。因?yàn)楫?dāng)電機(jī)空載時(shí)，P2=0，則此時(shí)Pem=p0；空載損耗引起的轉(zhuǎn)矩稱為空載轉(zhuǎn)矩T0，用下式表示：p0=T0Ω

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡關(guān)系可以用功率流程圖形象地表示，如圖1-23所示。圖1-23綜合上述各式可得式中Σp=pCua＋pFe＋pm＋ps，稱為總損耗，如果不考慮附加損耗ps，則Σp=pCua＋p0。

他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁銅耗（即勵(lì)磁損耗）由其他電源提供。而并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁銅耗由同一電源提供，所以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式中還應(yīng)包括勵(lì)磁銅耗pCuf。

直流電動(dòng)機(jī)的效率

一般中小型直流電動(dòng)機(jī)的效率在75%~85%之間，大型直流電動(dòng)機(jī)的效率約為85%~94%之間。

3．轉(zhuǎn)矩平衡方程式

將式P2=Pem－pFe－pm=Pem－p0的等號(hào)兩邊同除以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度Ω，可得轉(zhuǎn)矩平衡方程式得T2=T-T0或T=T2+T0

式中，T2是電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

由于空載轉(zhuǎn)矩T0的數(shù)值僅為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2~5%，所以在重載或額定負(fù)載下常忽略不計(jì)；而機(jī)械轉(zhuǎn)矩T2與電動(dòng)機(jī)軸上所帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相平衡，即T2=TL，則由上式可得電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的常用計(jì)算公式在額定情況下，P2=PN，T2=TN，n=nN,則例1-5

一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接在220V電網(wǎng)上運(yùn)行，已知，a=1，p=2，N=372，n=1500r/min，Φ=1.1×10-2Wb，Ra=0.208Ω，pFe=362W，

pm=204W，求：

1）此電機(jī)是發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行？2）電磁轉(zhuǎn)矩、輸入功率和效率各是多少？解1）判斷一臺(tái)電機(jī)是何種運(yùn)行狀態(tài)，可比較電樞電動(dòng)勢(shì)和端電壓的大小，即因?yàn)閁＞Ea，故此電機(jī)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。2）求T、P1和η根據(jù)U=Ea+IaRa

則電磁轉(zhuǎn)矩

輸入功率P1=UI=UIa=(220×74)W=16280W=16.28kW輸出功率P2=Pem－pFe－pm=EaIa－pFe－pm

=(204.6×74-362-204)W=14574W=14.574kW效率

例1-6

一臺(tái)Z2-17型直流電動(dòng)機(jī)，額定數(shù)據(jù)為：PN=7.5kW，UN=110V，IN=83.6A，nN=750r/min，空載時(shí)測(cè)得電流為10A。求：

1）空載損耗（忽略空載銅耗）。

2）空載轉(zhuǎn)矩。3）額定負(fù)載下的電磁轉(zhuǎn)矩解1）空載損耗p0≈UNI0=（110×10）W=1100W=1.1kW2）空載轉(zhuǎn)矩

3）額定負(fù)載下的電磁轉(zhuǎn)矩

T=TN+T0T=(95.5+14)N·m=109.5N·m二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指U=UN=常數(shù)，電樞回路不串入附加電阻，勵(lì)磁電流If=IfN時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率η與輸出功率P2之間的關(guān)系，即

n=f(P2)、T=f(P2)、η=f(P2)。

下面以他勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行討論。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并接在同一直流電源上，因?yàn)橹绷麟娫措妷汉愣ú蛔?，因此并?lì)電動(dòng)機(jī)與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能完全一樣。1．轉(zhuǎn)速特性n=f(P2)根據(jù)

U=Ea+IaRa=CeΦn+IaRa，得

由式P2=Pem－pFe－pm=Pem－p0可知，當(dāng)不計(jì)及p0時(shí)，P2與Pem相等，由式Pem=TΩ=EaIa可知Ia隨著P2的增加而增大，兩者增加的趨勢(shì)差不多。如果忽略電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，則轉(zhuǎn)速特性與上式相似，是一條略微向下傾斜的曲線，如圖1-24曲線1所示。

圖1-242．轉(zhuǎn)矩特性T=f(P2)

根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0=9.55P2/n+T0，如果n不變，則輸出轉(zhuǎn)矩T2與P2成正比關(guān)系。T2=f(P2)特性曲線是一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線?？紤]到P2增大時(shí)，n略有下降，故T2=f(P2)曲線呈略為上翹趨勢(shì)，如1-24曲線2’所示。

空載轉(zhuǎn)矩T0在轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，可認(rèn)為是一恒定值，因此T=f(P2)特性曲線與T2=f(P2)曲線平行，并比T2=f(P2)曲線高一個(gè)數(shù)值T0，即曲線在縱坐標(biāo)上的截距為T0，如圖1-24曲線2所示。

3．效率特性η=f(P2)根據(jù)效率公式將

及P1=UIa代入，得由上面的分析可知，直流電機(jī)的損耗分為不變損耗p0和可變損耗pCua兩部分。當(dāng)P2從零逐漸增大，開始時(shí)Ia值很小，可變損耗很小，可略而不計(jì)，電機(jī)損耗以不變損耗為主。這樣輸出功率P2增大，而電機(jī)損耗極微，效率η上升很快。隨后因?yàn)榭勺儞p耗按電流平方關(guān)系增大，使總損耗的增加很快，效率下降，由此可知，效率曲線是一條先上升，后下降的曲線，如圖1-24曲線3所示。曲線中出現(xiàn)了效率最大值ηmax。

用數(shù)學(xué)方法可以求得ηmax，在上式中求導(dǎo)，并令dη/dIa=0，可得他勵(lì)電動(dòng)機(jī)獲得最大效率的條件：

p0=pCua

可見，當(dāng)電機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)其效率最高。效率特性還告訴我們，電機(jī)空載、輕載時(shí)效率低，滿載時(shí)效率較高，過(guò)載時(shí)效率反而降低。在使用和選擇電動(dòng)機(jī)上應(yīng)盡量使電動(dòng)機(jī)工作在高效率的區(qū)域。第七節(jié)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行概況

發(fā)電機(jī)的特性一般是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，端電壓U、負(fù)載電流I和勵(lì)磁電流If這三個(gè)基本物理量之間的函數(shù)關(guān)系。在分析中，因直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由原動(dòng)機(jī)給出，故認(rèn)為轉(zhuǎn)速不變，即n=nN=常數(shù)。一、他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性

空載特性是指n=nN，空載（Ia=0）時(shí)，空載電壓U0與勵(lì)磁電流If的關(guān)系，即U0=f(If)。

空載特性曲線可用試驗(yàn)方法測(cè)定，試驗(yàn)接線如圖1-25所示。圖1-25

試驗(yàn)時(shí)開關(guān)Q斷開，發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁電路接到外電源上，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路的電阻Rpf，使勵(lì)磁電流If從零開始逐漸增加，空載電壓隨之增大，直到U0=（1.1~1.3）UN為止。然后逐漸減小If，U0也隨著減小，但當(dāng)If=0時(shí)，U0不等于零，而約等于額定電壓的2%~5%，稱為剩磁電壓。改變勵(lì)磁電流的方向，重復(fù)上述步驟，則空載電壓由剩磁電壓減小到零后又逐漸升高，但極性相反，直到U0=－（1.1~1.3）UN，即可得到磁滯回線的一半，如圖1-26所示。然后根據(jù)對(duì)稱的關(guān)系，畫出磁滯回線的另一半，并找出磁滯回線的平均曲線，如圖1-26中的虛線，即為他勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性曲線。圖1-26二、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載自勵(lì)過(guò)程

并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性與他勵(lì)時(shí)無(wú)多大差別，因?yàn)榭蛰d時(shí)，通過(guò)電樞的電流Ia=If，不超過(guò)額定電流的1%~3%，因而不會(huì)引起端電壓顯著變化。

并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)要發(fā)電必須有主極磁場(chǎng)才能進(jìn)行電磁感應(yīng)，而并勵(lì)發(fā)電機(jī)的主極磁場(chǎng)又要靠發(fā)電機(jī)本身發(fā)出的直流電壓來(lái)提供勵(lì)磁電流，這對(duì)相互制約的矛盾，使并勵(lì)發(fā)電機(jī)必須在滿足一些條件的情況下才能建立起穩(wěn)定的電壓。下面通過(guò)分析并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程來(lái)討論自勵(lì)條件。

圖1-27可以用來(lái)表示并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程。曲線1是并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性U0=f(If),

曲線2是勵(lì)磁回路電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線，U0=IfRf=f(If)。當(dāng)電阻Rf不變時(shí)，空載電壓與勵(lì)磁電流成正比，所以曲線2是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，其斜率由勵(lì)磁回路電阻決定。故曲線2稱為磁場(chǎng)電阻線，簡(jiǎn)稱場(chǎng)阻線。

圖1-27

在自勵(lì)過(guò)程中，電壓的建立首先依靠剩磁，由于發(fā)電機(jī)主磁極是由鐵磁材料制成的，一經(jīng)磁化，便有少量的剩磁存在。當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組切割主磁極的剩磁，從而產(chǎn)生了最初的必不可少的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為剩磁電動(dòng)勢(shì)Er

，盡管剩磁電動(dòng)勢(shì)不大，約為額定電壓的2%~5%，但畢竟使并聯(lián)在電樞繞組上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生了一定的勵(lì)磁電流If1。所以發(fā)電機(jī)的主磁極要有剩磁，這是自勵(lì)的先決條件。

勵(lì)磁電流If1產(chǎn)生的磁通，它的方向可能與剩磁方向一致，增強(qiáng)了磁場(chǎng)，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，也可能與剩磁方向相反，削弱了剩磁，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)更小。這取決于勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接的極性。如果極性連接正確，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通與剩磁方向相同，使氣隙磁通增強(qiáng)，從而使電樞電動(dòng)勢(shì)和端電壓升高到E1，參見圖1-27。E1的增大，使勵(lì)磁電流增大至If2,由If2→E2→If3→E3→If4，如此循環(huán)發(fā)展，直至運(yùn)行到曲線1與曲線2的交點(diǎn)A處，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)電機(jī)建立了穩(wěn)定的電壓。如果勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)的極性不正確，則電壓就不能建立起來(lái)。同樣，即使勵(lì)磁繞組極性連接正確，而發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反使電刷上引出的電動(dòng)勢(shì)極性改變，造成If反向，結(jié)果也無(wú)法建立穩(wěn)定電壓。

值得注意的是，建立穩(wěn)定電壓U0的大小取決于空載特性曲線與場(chǎng)阻線的交點(diǎn)。如果調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路變阻器使Rpf增大，場(chǎng)阻線（曲線3）的斜率隨之增大，交點(diǎn)A就要沿空載特性向左移動(dòng)，空載電壓U0下降。當(dāng)場(chǎng)阻線與空載特性直線部分相切時(shí)，沒(méi)有固定交點(diǎn)，空載電壓不穩(wěn)定，如圖曲線4。這時(shí)勵(lì)磁回路的總電阻Rf=rf+Rpf稱為臨界電阻值，如果勵(lì)磁回路的總電阻大于臨界電阻，則場(chǎng)阻線與空載特性交點(diǎn)很低，約等于剩磁電壓，發(fā)電機(jī)就不能自勵(lì)，必須指出，對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)有不同的空載特性，其臨界電阻值也就不同。

綜上所述，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建立穩(wěn)定電壓，必須滿足三個(gè)條件：1）發(fā)電機(jī)主磁極必須有剩磁。2）勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接必須正確，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向與勵(lì)磁繞組的連接必須正確配合使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁方向一致。3）勵(lì)磁回路的總電阻必須小于發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的臨界電阻值。以上三個(gè)條件必須同時(shí)具備，缺一不可。例1-7

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓建立不起來(lái)，應(yīng)怎樣檢查，檢查的步驟是什么？解

如果遇到發(fā)電機(jī)電壓建立不起來(lái)，應(yīng)按照自勵(lì)的三個(gè)條件進(jìn)行檢查。首先，觀察發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是否正確，轉(zhuǎn)速是否太低；其次，檢查勵(lì)磁回路變阻器是否調(diào)至零，并用低量程電壓表測(cè)量有無(wú)剩磁電動(dòng)勢(shì)；如果上述情況都滿足自勵(lì)條件，最后停機(jī)將勵(lì)磁繞組兩端對(duì)調(diào)。

三、直流發(fā)電機(jī)的外特性

并勵(lì)直