第十六、十七章直流電機的穩(wěn)態(tài)分析第一節(jié)直流電機的工作原理和根本結構第二節(jié)直流電樞繞組第三節(jié)直流電機的磁場和電樞反響第四節(jié)直流電機的感應電動勢和電磁轉矩第五節(jié)直流電機的根本方程第六節(jié)直流發(fā)電機的運行特性

直流電機是電機的主要類型之一。直流電機自身有著顯著的優(yōu)點，但與交流電機相比自身又有著缺點。近年來，與電力電子裝置結合而具有直流電機性能的電機不斷涌現，使直流電機有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有一定的理論意義和實用價值!

本章主要內容1.直流電機的工作原理和根本結構

2.電機的磁動勢和磁場4.分析直流電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能3.電機的電動勢和電磁轉矩公式第一節(jié)直流電機的工作原理和根本結構一、直流電機的工作原理〔一〕直流發(fā)電機的工作原理空間有一對固定不變的磁極，中間有一個旋轉的鐵磁圓柱體，上面敷設著一個線圈abcd。假設圓柱體的旋轉方向為逆時針：ab邊在N極時，感應電勢的方向d→c→b→a,假設帶上負載RAD，電阻的A端固定接線圈的a端，D端固定接線圈的d端，那么負載電流方向從A→D，如藍色箭頭。當圓柱體轉過1800以后，cd邊轉到N極下，感應電勢方向從a→b→c→d，由于負載電阻的A端固定接線圈a端，D端固定接線圈d端，那么負載電流方向從D→A，如圖紅色箭頭方向。由負載得到的是交流電流而不是直流電流。第一節(jié)直流電機的工作原理和根本結構〔續(xù)〕一、直流電機的工作原理〔一〕直流發(fā)電機的工作原理〔續(xù)〕為了使流經負載的電流為直流，唯有令負載的一端固定接N極下的導體，負載的另一端固定接S極下的導體，即無論哪根導體轉到N極下，這根導體就接到負載A端，無論哪根導體轉到S極下，這根導體就接到負載的D端。要實現這個目的必須借助電刷和換向器，如圖：線圈的a端和d端分別接到兩片相互絕緣上網銅片上，稱之為換向片，所有換向片隨電機軸旋轉稱為換向器。那么加上電刷和換向器后，ab邊在N極—線圈電勢d→c→b→a負載電流A→Dcd邊在N極—線圈電勢a→b→c→d負載電流A→D

第一節(jié)直流電機的工作原理和根本結構〔二〕直流電動機工作原理假設直流電源的正極固定接線圈的a端，負極固定接線圈的d端，當ab邊在N極下時，線圈通入如藍色箭頭方向的直流電流a→b→c→d，根據載流導體在磁場中受電磁力的作用，方向符合左手定那么，那么電磁力為逆時針方向；當線圈逆時針轉過1800以后，cd邊轉到N極下，由于a端固定接正極，d端固定接負極，故線圈的電流方向如紅色箭頭示a→b→c→d，由左手定那么可知，線圈所受的電磁力為順時針方向；即線圈所受的電磁力方向是交變的，故線圈只能來回晃動，不能單方向旋轉。要產生單方向的電磁力，同一極性下導體的電流一定要是單方向的。如今由于線圈a端固定接電源正極、d端固定接負極，因而產生的電磁力就是交變的了。第一節(jié)直流電機的工作原理和根本結構〔二〕直流電動機工作原理〔續(xù)〕那么加上電刷和換向器后，ab邊在N極下時——線圈電流a→b→c→d——電磁力逆時針cd邊在N極下時——線圈電勢d→c→b→a——電磁力逆時針可見：線圈的電流是交流，但產生的電磁力是單方向的。1.直流電機線圈中電勢、電流是交流，只有電刷兩端的電勢、電流才是直流，因此直流電機實質上是帶電刷和換向器的交流電機。電刷與換向器配合，在直流發(fā)電機中相當于整流器的作用，在直流電動機中相當于逆變器的作用。2.直流發(fā)電機和直流電動機的模型完全相同，從原理上來說，一臺直流電機既可以作發(fā)電機運行也可以作電動機運行，稱為電機的可逆性原理。

二、直流電機的根本結構旋轉電機定子轉子氣隙第一節(jié)直流電機的工作原理和根本結構二、直流電機的結構〔續(xù)〕〔一〕定子1.主磁極直流電機的主磁極既可以是永久磁鐵也可以是直流電勵磁。2.換向極在換向過程中，產生的換向電流會建立電磁能量，在換向結束時這些能量會以火花的形式從電刷后放出來，火花會使電刷和換向器外表損壞，嚴重時將使電機不能正常工作。裝置換向極的目的就是為了減少火花，改善換向。換向極裝在兩個磁極中間，即幾何中性線處，換向極繞組與電樞繞組串聯。3.機座：一方面起支承定子的作用，另方面是電機主磁路的一局部4.電刷裝置：電刷、刷盒、刷桿和連線等構成?！捕侈D子〔電樞〕

1、電樞鐵心

作用：1〕主磁路的一局部；2〕電樞繞組的支撐部件。

構成：一般用厚0.5㎜且沖有齒、槽的DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。2、電樞繞組作用：直流電機的電路局部。

構成：用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，上下層以及線圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。電樞繞組是各線圈通過換向片串聯起來的，是一個閉合繞組。三、直流電機的勵磁方式與同步電機不同，由于直流電機的定子和轉子、即主磁極和電樞流經的是直流電流，因此主磁極勵磁繞組既可與電樞繞組并聯、也可與電樞繞組串聯、也可單獨由其它直流電源供電。根據主磁極勵磁電流的獲得方式不同，稱之為不同的勵磁方式。直流電機有二大類4種不同的勵磁方式〔他勵和自勵〕1〕他勵：勵磁繞組由其它獨立電源供電特點：電網電流＝電樞電流，即I＝Ia2〕并勵：勵磁繞組并在電樞繞組兩端,注意并勵發(fā)電機和電動機的電流關系是不同的。3〕串勵：勵磁繞組串在電樞回路4〕復勵：有兩個勵磁繞組，一個串在電樞回路、一個并在電樞繞組兩端。如果串勵繞組與并勵繞組產生的磁通方向相同，稱為積復勵；如果串勵繞組與并勵繞組產生的磁通方向相反，稱為差復勵；3．換向器實際的換向器由很多換向片構成，每片之間互相絕緣。〔二〕轉子〔續(xù)〕

四、直流電機的額定值直流電機的額定值有：〔1〕額定功率〔額定容量〕PN：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以kW表示。對電動機，額定功率是指輸出的機械功率；P1=UNIN,,PN=P1對發(fā)電機，額定功率是指輸出的電功率。PN=UNIN〔2〕額定電壓：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓?！搽娋W電壓〕〔3〕額定電流：指電機在額定電壓、額定功率時的電樞輸出電流值〔電網電流〕〔4〕額定轉速：指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以r/min表示。〔5〕額定勵磁電流：〔僅對他勵電機〕額定狀態(tài)時的勵磁電流值。第二節(jié)直流電樞繞組

由結構形狀相同的線圈單元組成，是各線圈通過換向片串聯起來的閉合繞組。一、有關名詞術語1、磁極軸線：磁極中間的一條軸線〔直軸〕。2、幾何中心線：相鄰兩個主磁極之間的幾何分界線?！步惠S〕〔P326〕3、物理中性線：氣隙磁場為0，空載時它與幾何中心線重合，有了電樞反響時，它會偏離幾何中性線。4、極距：相鄰兩個主磁極沿電樞圓周外表的距離。5、元件〔線圈):兩端分別與兩個換向片相連的線圈。6、元件節(jié)距：第一節(jié)距y1，第二節(jié)距y2，合成節(jié)距y〔P322〕二、直流繞組的規(guī)律1、所有元件串聯成閉合回路，支路成對出現，電刷是支路電流〔電勢〕的并聯點。(支路的對數為a)2、電機旋轉時組成支路的元件不斷變換，但支路電流、電勢不變。3、均為雙層繞組，元件數=虛槽數=換向片數4、電刷放置原那么：應令被電刷短路的元件感應電勢為零，即短路處在幾何中性線上的元件。5、電刷兩端電勢稱電樞電勢記為Ea=支路電勢電刷兩端電流稱電樞電流記為Ia=各支路電流之和6、每元件每經過電刷一次要換向一次。第三節(jié)直流電機的磁場和電樞反響一、空載時直流電機的磁場(圖16-14)

空載時的主磁極的磁通：主磁通：通過氣隙，同時交鏈電樞繞組和勵磁繞組，并形成氣隙磁場。是電機產生感應電勢和電磁轉矩的有效磁通。b)磁極漏磁通：只與勵磁繞組交鏈，不與電樞繞組交鏈。二、負載時的電樞磁動勢和電樞反響〔了解〕電樞反響：負載時電樞磁場對主極磁場的影響。采用疊加原理進行分析：〔1〕只有If產生的主極磁場〔2〕只有Ia產生的電樞磁場〔3〕兩者疊加1、交軸電樞磁動勢和交軸電樞反響〔圖16-16〕(通常電刷處在交軸處,電樞磁勢的軸線總是與電刷軸線重合)影響：1〕引起氣隙磁場畸變，使電樞外表磁密等于零的位置〔物理中性線〕偏離幾何中性線，2〕不計飽和時，交軸電樞反應既無增磁、亦無去磁用;計及飽和時，交軸電樞反響具有一定的去磁作用。2、直軸電樞磁動勢和直軸電樞反響〔圖16-19,16-20〕假設電刷不在幾何中心線上，把電刷順〔逆〕著電樞方向移過一個角度，那么電樞電流的分布也隨之變化，電樞磁勢的軸線也隨著電刷移動，此時將電樞磁勢分為交軸和直軸兩個分量。發(fā)電機：電刷順電樞旋轉方向移動，電樞反響為去磁；電刷逆電樞旋轉方向移動，電樞反響為增磁。電動機：與發(fā)電機的情況相反。第四節(jié)直流電機的感應電動勢和電磁轉矩一、電樞繞組的感應電動勢設氣隙磁場的分布〔如圖16－21〕所示，Ea電刷兩端的的直流電勢，由于Ea=支路電勢，設電樞繞組的總導體數為N，(P324，并聯支路數等于電機極數〕并聯支路數為2a，

電樞繞組的電動勢應為一條支路各串聯導體的電勢的代數和，那么

令為平均氣隙磁密，那么上式改寫為

電動勢公式：式中:二、直流電機的電磁轉矩

設每根導體的平均電磁轉矩為

整個電樞上的電磁轉矩為

第五節(jié)直流電機的根本方程

一、電壓平衡方程式根本方程二、轉矩平衡方程式三、功率平衡方程式一、電壓方程1、他勵直流電機他勵時，勵磁電流由其他電源單獨供電，故。直流電機的穩(wěn)態(tài)電路圖〔發(fā)電機，電動機〕

發(fā)電機：那么有；電動機：那么有；2、并勵直流電機其電樞回路的電壓方程與他勵時相同，但有激磁電壓為電樞端電壓，即

發(fā)電機：電動機：

3、串勵直流電機其電樞回路的電壓方程與他勵時亦相同，但因勵磁繞組與電樞繞組相串聯，有另外，電壓方程應參加串勵繞組的電阻壓降。二、轉矩方程

—原動機的驅動轉矩

—電機本身的機械阻力轉矩

為電磁轉矩1.發(fā)電機情況下，電磁轉矩為制動轉矩，有—為電動機軸上的負載轉矩。式中，2.電動機情況下，電磁轉矩為驅動轉矩，三、功率平衡方程式

發(fā)電機：機械能轉化為電能；

電動機：電能轉化為機械能。

電磁功率將代入上式，得其功率流程圖如圖〔以并勵發(fā)電機為例〕從原動機輸入機械功率P1，扣除了機械方面的損耗，就是機轉變?yōu)殡姷木植糠Q為電磁功率PM，再扣除了電方面的損耗，就是輸出的電功率P2＝UI，對并勵發(fā)電機I＝Ia－If。額定時的P2就是PN=UNIN。四、直流電機的可逆性

電機的可逆性：從原理上講，任何電機既可作為發(fā)電機、亦作為電動機運行。發(fā)電機運行；電動機運行。第六節(jié)直流發(fā)電機的運行特性

直流發(fā)電機外部可測量的量有轉速n、端電壓U、電樞電流Ia、勵磁電流If。其中發(fā)電機的轉速n由原動機決定，通常應保持n=nN=const不變，那么其余三個量保持一個不變，另兩個之間的關系就稱為一種特性。共有三種特性：外特性U=f(Ia),If=常數負載特性、U=f(If),Ia=常數；調節(jié)特性If=f(Ia),U=常數。一、他勵直流發(fā)電機的特性〔I=Ia=IL〕1、空載特性—Ia＝0時U0=E0＝f〔If〕與電機的磁化曲線相似因，現n=nN=const，故Ea∝Φ，因此把空載特性的縱座標換一個比例就是磁化曲線Φ＝f(If).2、外特性

3、調節(jié)特性

4、效率特性他勵電動機的效率特性和其他電機相類似。二、串勵電動機的運行特性1、工作特性特點：是指時，或?！矆D形〕〔1〕、轉速特性轉速公式上式說明曲線大致為一雙曲線。式中為串勵繞組的電阻。輕載時，、常值負載增加，磁路飽和，常值注意串勵電動機不允許空載運行