學(xué)期授課計(jì)劃說(shuō)明

課

本已本本學(xué)期課時(shí)分配

時(shí)

課講期本其中

余

程授教學(xué)講實(shí)測(cè)考機(jī)小

計(jì)學(xué)學(xué)期S

劃時(shí)周總授踐試核動(dòng)計(jì)

學(xué)學(xué)

時(shí)時(shí)

641864568考試264

教學(xué)大綱名稱(chēng)《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》教學(xué)大綱

或版本——自編

選用教材《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》

主要參考書(shū)《電機(jī)與電力拖動(dòng)》（西安交通大學(xué)出

名稱(chēng)及版本版社）

所需實(shí)驗(yàn)（實(shí)習(xí)）器電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置

材及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)（習(xí)）場(chǎng)地電機(jī)實(shí)訓(xùn)室

備注

緒論

0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述

一、電機(jī)

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是把電機(jī)學(xué)和電力拖動(dòng)基礎(chǔ)兩門(mén)課程有機(jī)結(jié)

合而成的一門(mén)課程。

電機(jī)是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進(jìn)行電能的傳

遞或機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。

電能易于轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和控制，是現(xiàn)代能源的主要形式。發(fā)

電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。而電能的生產(chǎn)集中在火力、水力、核能和

風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行。

為了減少輸電中的能量損失，遠(yuǎn)距離輸電均采用高電壓形式：電

廠(chǎng)發(fā)出的電能經(jīng)變壓器升壓，然后經(jīng)高壓輸電線(xiàn)路送達(dá)目的地后，再

經(jīng)變壓器降壓供給用戶(hù)。

電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能主要由電動(dòng)機(jī)完成。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)

的方式稱(chēng)為電力拖動(dòng)。

由于電動(dòng)機(jī)的效率高、種類(lèi)和規(guī)格多、具有各種良好的特性，

電力拖動(dòng)易于操作和控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制，因此，

電力拖動(dòng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。例如各種機(jī)床、軋制生產(chǎn)線(xiàn)、

電力機(jī)車(chē)、風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)工具乃至家用電器等，數(shù)不勝數(shù)。

為了能建立一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi)如下：

電機(jī)的分類(lèi)

從能量轉(zhuǎn)換的角度分從旋轉(zhuǎn)與否的角度分從電能的性質(zhì)分

直

交

控

發(fā)

變

流

制

旋轉(zhuǎn)電機(jī)流

壓

電靜止電機(jī)

電

電

（發(fā)電機(jī)電

器

機(jī)

機(jī)（變壓器）

機(jī)

電動(dòng)機(jī)）機(jī)

在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用控制電機(jī)。控制電機(jī)是一

種在自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、隨動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離測(cè)量及計(jì)算裝置中作為

執(zhí)行元件、檢測(cè)元件的小型電機(jī)。這部分內(nèi)容將在另外的教材中涉及。

在工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)與電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)中，電機(jī)與拖動(dòng)是

一門(mén)十分重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課或技術(shù)基礎(chǔ)課，它在整個(gè)專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃中

起著承前啟后的作用，是后續(xù)課程《自動(dòng)控制原理》、《電力拖動(dòng)自動(dòng)

控制系統(tǒng)》、《電力電子技術(shù)》等課程的重要基礎(chǔ)。主要研究電機(jī)拖動(dòng)

系統(tǒng)的基本理論問(wèn)題，分析研究直流電機(jī)、變壓器、異步電動(dòng)機(jī)和同

步電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、原理、基本電磁關(guān)系和運(yùn)行特性；并初步聯(lián)系

生產(chǎn)實(shí)際，從生產(chǎn)機(jī)械工作的要求出發(fā)，重點(diǎn)介紹交直流拖動(dòng)系統(tǒng)的

動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行特性，為學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)等后續(xù)專(zhuān)業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

因此，課程既具有較強(qiáng)的基礎(chǔ)性，又帶有專(zhuān)業(yè)性。

二、電力拖動(dòng)

簡(jiǎn)單的電力拖動(dòng)系統(tǒng)由電源、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、負(fù)載和自動(dòng)控

制裝置等部分組成，見(jiàn)圖1.1。電源提供電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)所需的電

能；電動(dòng)機(jī)完成電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于傳遞動(dòng)力，并實(shí)

現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)方式和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足不同負(fù)載的要求；自動(dòng)控制裝

置則控制電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載按照設(shè)定的工作方式運(yùn)行，完成規(guī)定的生產(chǎn)

任務(wù)。

電源

自動(dòng)控制裝置——電動(dòng)機(jī)一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——負(fù)載

圖1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成

0.2電氣控制

電氣化、信息化時(shí)代，在性能、可靠性及容量等方面，對(duì)電機(jī)提

出了更高的要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無(wú)刷直流電

機(jī)、永磁同步無(wú)刷電機(jī)等得到了很大發(fā)展。

同時(shí)，隨著新興行業(yè)的發(fā)展，微電機(jī)亦成為電機(jī)行業(yè)發(fā)展的亮點(diǎn)，

是我國(guó)電工電器行業(yè)（電機(jī)）發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)品。稀土永磁電機(jī)，無(wú)軸承

電機(jī)也是電機(jī)技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向。

與此相適應(yīng)，電機(jī)拖動(dòng)也有了新的發(fā)展，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)又提出更高

的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速啟動(dòng)、制動(dòng)

和逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的調(diào)速及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化等，這就需

要有一整套自動(dòng)控制設(shè)備組成自動(dòng)化的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。而這些高要求

的拖動(dòng)系統(tǒng)隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件和電力電子技

術(shù)的采用，以及數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與采用，正在不斷地完

善和提高。

綜上所述，電力拖動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今，它具有許多其他拖動(dòng)方式無(wú)

法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡(jiǎn)單、方便、快速

且效率高；電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型多，且具有各種不同的運(yùn)行特性來(lái)滿(mǎn)足各種

類(lèi)型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)的檢測(cè)和信號(hào)的變換與傳送方

便，易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動(dòng)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)電氣自動(dòng)化

的基礎(chǔ)。

0.3本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是電氣自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。

它的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常用的交直流電機(jī)、變壓器、控制電機(jī)等

的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算，電機(jī)

容量選擇及試驗(yàn)方法等，為學(xué)習(xí)《工廠(chǎng)電氣控制設(shè)備》、《自動(dòng)控制

原理》、《交直流調(diào)速系統(tǒng)》等課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識(shí)。

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是分析和解決電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本問(wèn)

題，主要包括直流電機(jī)及拖動(dòng)、變壓器、異步電機(jī)及拖動(dòng)、同步電動(dòng)

機(jī)、控制電機(jī)和電動(dòng)機(jī)容量的選擇等內(nèi)容。課程學(xué)完后學(xué)生應(yīng)達(dá)到下

列要求：

1.掌握常用交、直流電機(jī)及變壓器的基本理論（電磁關(guān)系、能

量關(guān)系）。

2.掌握控制電機(jī)的工作原理、主要性能及用途。

3.掌握分析電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論。

4.掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法的基本原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)

指標(biāo)。

5.掌握選擇電動(dòng)機(jī)的原則和方法。

6.掌握電機(jī)的基本試驗(yàn)方法及技能，并具有熟練的運(yùn)算能力。

7.了解電機(jī)與電力拖動(dòng)今后的發(fā)展方向。

0.4課程目標(biāo)

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程在于通過(guò)電機(jī)的理論、應(yīng)用、電氣控制

方法、電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生成為一名電機(jī)

及控制技術(shù)方面的應(yīng)用型技術(shù)人才。

0.5本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法

一、特點(diǎn)：本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、實(shí)踐性也強(qiáng)。分析電機(jī)

與電力拖動(dòng)的工作原理要用電學(xué)、磁學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論，既要有

時(shí)間概念，又要有空間概念，所以理論性較強(qiáng)；而用理論分析各種電

機(jī)和電力拖動(dòng)的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工程觀(guān)

點(diǎn)和工程分析方法，除要掌握基本理論以外，還應(yīng)注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作

技能和計(jì)算能力，所以實(shí)踐性也較強(qiáng)。因此，學(xué)習(xí)本門(mén)課程應(yīng)該特別

注意理論聯(lián)系實(shí)際。

二、學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

1、抓主略次

2、掌握基本概念、基本原理和主要特性

3、對(duì)比學(xué)習(xí)，找共性和特點(diǎn)

4、理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)驗(yàn)和下廠(chǎng)實(shí)習(xí)結(jié)合

5、帶著問(wèn)題學(xué)（預(yù)習(xí)每節(jié)相關(guān)的思考題）

第一章直流電機(jī)

§1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

一、直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)是由靜止的定子部分和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子部分構(gòu)成的，定、轉(zhuǎn)

子之間有一定大小的間隙（以后稱(chēng)為氣隙）。

1—換向器；2—電刷裝置；3—機(jī)座；4—主磁極；5—換向極；6一端

蓋；

7—風(fēng)扇；8—電樞繞組；9—電樞鐵心

L定子部分：直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷

裝置等組成。

(1)主磁極又稱(chēng)主極。在一般大中型直流電機(jī)中，主磁極是一種

電磁鐵。

(2)換向極容量在Ikw以上的直流電機(jī)，在相鄰兩主磁極之間要

裝上換向極。換向極又稱(chēng)附加極或間極，其作用為了改善直流電機(jī)的

換向。

(3)機(jī)座一般直流電機(jī)都用整體機(jī)座。所謂整體機(jī)座，就是一個(gè)

機(jī)座同時(shí)起兩方面的作用：一方面起導(dǎo)磁的作用，一方面起機(jī)械支撐

的作用。

(4)電刷裝置電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的

裝置。

2、轉(zhuǎn)子部分：直流電機(jī)轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向

器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。

(1)電樞鐵心電樞鐵心作用有二，一個(gè)是作為主磁路的主要部分;

另一個(gè)是嵌放電樞繞組。

(2)電樞繞組它是直流電機(jī)的主要電路部分，是通過(guò)電流和感應(yīng)

產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

(3)換向器在直流發(fā)電機(jī)中，它的作用是將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢(shì)

轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動(dòng)勢(shì)；在直流電動(dòng)機(jī)中，它將電刷上所通過(guò)

的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。

二、直流電機(jī)的基本工作原理

1.直流發(fā)電機(jī)的工作原理

直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)

相同，不同的是電刷上不外加直流電

壓，而是利用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞朝某一

方向例如逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖所

示。這時(shí)導(dǎo)體ab和cd分別切割N極

和S極下的磁力線(xiàn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)

勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定。

在圖示情況下，導(dǎo)體區(qū)?口電動(dòng)勢(shì)的方向由6指向出導(dǎo)體cd中電動(dòng)

勢(shì)的方向由d指向6所以電刷A為正極性，電刷B為負(fù)極性。電樞

旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)至N極下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由c指向d,

電刷A與cd所連換向片接觸，仍為正極性；導(dǎo)體筋轉(zhuǎn)至S極下，感

應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向變?yōu)閍指向6,電刷B與@6所連換向片接觸，仍為

負(fù)極性?？梢?jiàn)，直流發(fā)電機(jī)電樞線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是交變的,

而通過(guò)換向器和電刷的作用，在電刷A和B兩端輸出的電動(dòng)勢(shì)是方向

不變的直流電動(dòng)勢(shì)。這種作用稱(chēng)為整流作用。若在電刷A和B之間接

上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基本

工作原理。

同時(shí)應(yīng)該注意到，帶上負(fù)載以后，電樞導(dǎo)體成為載流導(dǎo)體，導(dǎo)體

中的電流方向與電勢(shì)方向相同，利用左手定則，還可以判斷出由電磁

力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，起制動(dòng)作用。

根據(jù)上述原理分析，可以看出直流發(fā)電機(jī)有如下特點(diǎn)：

(1)直流發(fā)電機(jī)將輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出；

(2)利用換向器和電刷，直流發(fā)電機(jī)將導(dǎo)體中的交變電勢(shì)和電流

整流成直流輸出；

(3)直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢(shì)方向相同。

(4)電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用。

從以上分析可以看出：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)

行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界不同的條件。將直流電源外

加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋

轉(zhuǎn)，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械

能，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動(dòng)勢(shì)，作

發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同一臺(tái)電機(jī)，既能作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行

的原理，在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理。

2.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

圖1.1是一臺(tái)最簡(jiǎn)單的直流電動(dòng)機(jī)的模型，N和S是一對(duì)固定

的磁極(一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵)。磁極之間有一個(gè)可以

轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱(chēng)為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)

成的電樞線(xiàn)圈abed.線(xiàn)圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)弧形銅片

上，弧形銅片稱(chēng)為換向片，它們的組合體稱(chēng)為換向器。在換向器上放

置固定不動(dòng)而與換向片滑動(dòng)接觸的電刷A和B,線(xiàn)圈abed通過(guò)換向

器和電刷接通外電路。電樞鐵心、電樞線(xiàn)圈和換向器構(gòu)成的整體稱(chēng)為

電樞。

此模型作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源加于電刷A和B,例

如將電源正極加于電刷A,電源負(fù)極加于電刷B,則線(xiàn)圈abed中流過(guò)

電流。在導(dǎo)體ab中，電流由a流向兒在導(dǎo)體cd中，電流由。流向

d0載流導(dǎo)體力和cd均處于N和S極之間的磁場(chǎng)當(dāng)中，受到電磁力

的作用。電磁力的方向用左手定則確定，可知這一對(duì)電磁力形成一個(gè)

轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颍拐麄€(gè)電樞逆時(shí)針

方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180。，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，轉(zhuǎn)到S極下，

如圖1.1（。）所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛?/p>

"流向c,而且力中的電流由6流向a,從電刷B流出，用左手定則判

別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

由此可見(jiàn)，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的

作用，變?yōu)殡姌芯€(xiàn)圈中的交變電流，這種將直流電流變?yōu)榻蛔冸娏鞯?/p>

作用稱(chēng)之為逆變。由于電樞線(xiàn)圈所處的磁極也是同時(shí)交變的，從而使

電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向

連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。

同時(shí)可以看到，一旦電樞旋轉(zhuǎn)，電樞導(dǎo)體就會(huì)切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生

運(yùn)動(dòng)電勢(shì)。在圖1.1S）麻示時(shí)刻，可以判斷出a力導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)電勢(shì)

由〃指向a,而此時(shí)的導(dǎo)體電流由w指向b,因此直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中

的電流和電勢(shì)方向相反。

圖1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線(xiàn)圈，相應(yīng)地?fù)Q

向器由許多換向片組成，使電樞線(xiàn)圈所產(chǎn)生總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且

比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也比較均勻。

根據(jù)上述原理，可以看出直流電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：

(1)直流電動(dòng)機(jī)將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出；

(2)電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動(dòng)作用；

(3)利用換向器和電刷，直流電動(dòng)機(jī)將輸入的直流電流逆變成導(dǎo)

體中的交變電流；

(4)直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢(shì)方向相反。

3、直流電銘牌數(shù)據(jù)及主要系列

型號(hào)為Z2-51的直流電機(jī)是一臺(tái)機(jī)座號(hào)為5、電樞鐵心為短鐵心

的第2次改型設(shè)計(jì)的直流電機(jī)。機(jī)座號(hào)表示直流電機(jī)電樞鐵心外直徑

的大小，共有1-9個(gè)機(jī)座號(hào)，機(jī)座號(hào)數(shù)越大，直徑越大。樞鐵心長(zhǎng)度

分為短鐵心和長(zhǎng)鐵心兩種，1表示短鐵心，2表示長(zhǎng)鐵心。

銘牌數(shù)據(jù)

(1)額定功率

(2)額定電壓小。

(3)額定電流

(4)額定轉(zhuǎn)速^(r/min).

（5）勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流/他（⑷。

直流發(fā)電機(jī)的額定功率應(yīng)為

%=%/k

PN=41檔"

直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為

電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩普9.55%為

QN打

§1.3直流電機(jī)的電樞繞組

電樞繞組是直流電機(jī)的一個(gè)重要部分，電機(jī)中機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換就

是通過(guò)電樞繞組而實(shí)現(xiàn)的，所以直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子也稱(chēng)為電樞。電樞繞

組是由許多個(gè)形狀完全一樣的單匝元件（當(dāng)然也可以是多匝元件）以

一定規(guī)律排列和聯(lián)接起來(lái)的，用S表示元件數(shù)。

單疊繞組

1.繞組節(jié)距

所謂節(jié)距，是指被聯(lián)接起來(lái)的兩個(gè)元件邊或換向片之間的距離，

以所跨過(guò)的元件邊數(shù)或虛槽數(shù)或換向片數(shù)來(lái)表示。元件的上層邊用實(shí)

線(xiàn)表示，下層邊用虛線(xiàn)表示。

(1)第一節(jié)距

同一元件的兩個(gè)元件邊在電樞周?chē)纤绲木嚯x，用電樞表面相

隔的槽數(shù)來(lái)表示，稱(chēng)為第一節(jié)距y”一個(gè)磁極在電樞圓周上所跨的距

離稱(chēng)為極距工，當(dāng)用槽數(shù)表示時(shí)，極距的表達(dá)式為

z

T=——

2P

式中，P為磁極對(duì)數(shù)。

為使每個(gè)元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，第一節(jié)距山應(yīng)盡量等于一個(gè)極

距T,但丁不一定是整數(shù)，而十必須是整數(shù)，為此，一般取第一節(jié)距

力/土”整數(shù)

2P

式中，￡為小于1的分?jǐn)?shù)。

的元件為整距元件，繞組稱(chēng)為整距繞組；弘的元件稱(chēng)為

短距元件，繞組稱(chēng)為短距繞組；匯的元件稱(chēng)為長(zhǎng)距元件，其電磁

效果與y.<￡的元件相近，但端接部分較長(zhǎng)，耗銅多，一般不用。

(2)第二節(jié)距

第一個(gè)元件的下層邊與直接相連的第二個(gè)元件的上層邊之間在

電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱(chēng)為第二節(jié)距丫2。

(3)合成節(jié)距

直接相連的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表

示，稱(chēng)為合成節(jié)距y。

(4)換向器節(jié)距

每個(gè)元件的首、末兩端所接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的

距離，用換向片數(shù)表示，稱(chēng)為換向器節(jié)距yk。由下便可見(jiàn)，換向器節(jié)

距yk與合成節(jié)距y總是相等的，即

Yk=y

「

I

」

IIII|15|1||7|8||15|

k----——一H

(a)單疊繞組(b)單波繞組

2.單疊繞組的聯(lián)接方法和特點(diǎn)

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。

設(shè)一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)2P=4,Z=S=K=16,聯(lián)接成單疊右行繞組。

(1)計(jì)算各節(jié)距

第一節(jié)距力

y=—±ff=—=4

12p4

合成節(jié)距丁和換向器節(jié)距

y=y=i

第二節(jié)距力

%=3-y=3

(2)繪制繞組展開(kāi)圖如下圖所示。

所謂繞組展開(kāi)圖是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開(kāi)，并

展開(kāi)成平面的聯(lián)接圖。作圖步驟如下。

第一步，先畫(huà)16根等長(zhǎng)等距的實(shí)線(xiàn)，代表各槽上層元件邊，再

畫(huà)16根等長(zhǎng)等距的虛線(xiàn)，代表各槽下層元件邊。讓虛線(xiàn)與實(shí)線(xiàn)靠近

一些。實(shí)際上一根實(shí)線(xiàn)和一根虛線(xiàn)代表一個(gè)槽(指虛槽)，依次把槽

編上號(hào)碼。

第二步，放置主磁極。讓每個(gè)磁極的寬度大約等于0.7?4個(gè)磁

極均勻放置在電樞槽之上，并標(biāo)上N、S極性。假定N極的磁力線(xiàn)進(jìn)

入紙面，S極的磁力線(xiàn)從紙面穿出。

第三步，畫(huà)16個(gè)小方塊代表?yè)Q向片，并標(biāo)上號(hào)碼，為了作圖方

便，使換向片寬度等于槽與槽之間的距離。為了能聯(lián)出形狀對(duì)稱(chēng)的元

件，換向片的編號(hào)應(yīng)與槽的編號(hào)有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系（由第一節(jié)距當(dāng)來(lái)考

慮）。

第四步，聯(lián)繞組。為了便于聯(lián)接，將元件、槽和換向片按順序編

號(hào)。編號(hào)時(shí)把元件號(hào)碼、元件上層邊所在槽的號(hào)碼以及元件上層邊相

聯(lián)接的換向片號(hào)碼編得一樣，即1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽內(nèi)并與

1號(hào)換向片相聯(lián)接。這樣當(dāng)1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽（實(shí)線(xiàn)）并

與1號(hào)換向片相聯(lián)后，因?yàn)橐远?,則1號(hào)元件的下層邊應(yīng)放在第5號(hào)

槽（"必=5）的下層（虛線(xiàn)）；因y=yK=\所以1號(hào)元件的末端

應(yīng)聯(lián)接在2號(hào)換向片上（1+必=2）o一般應(yīng)使元件左右對(duì)稱(chēng)，這樣

1號(hào)換向片與2號(hào)換向片的分界線(xiàn)正好與元件的中心線(xiàn)相重合。然后

將2號(hào)元件的上層邊放入2號(hào)槽的上層（"y=2）,下層邊放在6

號(hào)槽的下層（2+必=6）,2號(hào)元件的上層邊聯(lián)在2號(hào)換向片上，下

層邊聯(lián)在3號(hào)換向片上。按此規(guī)律排列與聯(lián)接下去，一直把16個(gè)元

件都聯(lián)起來(lái)為止。

校核第2節(jié)距：第1元件放在第5槽的下層邊與放在第2槽第2元件

的上層邊，它們之間滿(mǎn)足力=3的關(guān)系。其他元件也如此。

第五步，確定每個(gè)元件邊里導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。圖3.13中，

所考慮的是發(fā)電機(jī)，箭頭表示電樞旋轉(zhuǎn)方向，即自右向左運(yùn)動(dòng)，根據(jù)

右手定則就可判定各元件邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，即在N極下的導(dǎo)體

電動(dòng)勢(shì)是向下，在S極下是向上的。在圖示這一瞬間，1、5、9、13

四個(gè)元件正好位于兩個(gè)主磁極的中間，該處氣隙磁密為零，所以不感

應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

第六步，放電刷。在直流電機(jī)里，電刷組數(shù)也就是刷桿的數(shù)目與

主極的個(gè)數(shù)一樣多。對(duì)本例來(lái)說(shuō)，就是四組電刷A、星、&、

它們均勻地放在換向器表面圓周方向的位置。每個(gè)電刷的寬度等于每

一個(gè)換每個(gè)電刷的寬度等于每一個(gè)換向片的寬度。放電刷的原則是，

要求正、負(fù)電刷之間得到最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，或被電刷所短路的元件

中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，這兩個(gè)要求實(shí)際上是一致的。在圖1.3里，由于

每個(gè)元件的幾何形狀對(duì)稱(chēng)，如果把電刷的中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)主極的中心線(xiàn)，

就能滿(mǎn)足上述要求。圖1.2中，被電刷所短路的元件正好是1、5、9、

13,這幾個(gè)元件中的電動(dòng)勢(shì)恰為零。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷是靜止不動(dòng)的,

電樞在旋轉(zhuǎn)，但是，被電刷所短路的元件，永遠(yuǎn)都是處于兩個(gè)主磁極

之間的地方，當(dāng)然感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。

(3)繞組元件聯(lián)接順序圖

上層元件邊123456789101112131415161

閉合

下層元件邊\AAAAAAAAAAAAAAAZ

5'6'7'8'9'10'11'12'13'14'15‘16'1'2‘3'4'

(4)繞組電路圖

總結(jié)：對(duì)電樞繞組中的單疊繞組，有以下特點(diǎn):

（1）位于同一個(gè)磁極下的各元件串聯(lián)起來(lái)組成了一條支路，即支路

對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)，a=P°

（2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱(chēng)，電刷放在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主

磁極中心線(xiàn)時(shí)，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大，被電刷所短路的元

件里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小。

（3）電刷桿數(shù)等于極數(shù)。

§1.5直流電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩

一、直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)

勢(shì)，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢(shì)。電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)

體切割氣隙合成磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于氣隙磁通密度（尤其是

負(fù)載時(shí)氣隙合成磁通密度）在一個(gè)極下的分布不均勻，為分析推導(dǎo)方

便起見(jiàn)，可把磁通密度看成均勻分布的，取一個(gè)極下氣隙磁通密度的

平均值為B.,從而可得一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁通密

度產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的平均值心，其表達(dá)式為

%，=

式中，Bav為一個(gè)極下氣隙磁通密度的平均值，稱(chēng)為平均氣隙磁通密度;

/為電樞導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度（槽內(nèi)部分）；9為電樞表面的線(xiàn)速度。

設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N,則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)

為N/加，因

而電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Ea=—eav=△生①〃=?①〃①〃

02ag2a6060。'

二、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中流過(guò)電樞電流L時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過(guò)支路電流ia,

成為載流導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手

定則確定，如圖3.21所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為

fx=Bxlia

如果仍把氣隙合成磁場(chǎng)看成是均勻的，氣隙磁通密度用平均值Bk表

示，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為

一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為

式中，D為電樞外徑。

由于不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向不同，所以電樞所

有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向都是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等

于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值Tz乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N,即

T=NT=NBli-=N蟲(chóng)/乙4型=型①/=C,①〃

(iV(wiV(luvOc_icrc/a

2it2a27C2如Q

電樞電動(dòng)勢(shì)吃=c6〃和電磁轉(zhuǎn)矩T=是直流電機(jī)兩個(gè)重要

的公式。對(duì)于同一臺(tái)直流電機(jī)，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)C和轉(zhuǎn)短常數(shù)a之間具

有確定的關(guān)系

60a

=9.55C

2m,e

§1.9直流電機(jī)的換向

一、直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組的元件從一條支路

經(jīng)過(guò)電刷短路后進(jìn)入另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過(guò)程

稱(chēng)為換向過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)換向。

產(chǎn)生換向火花的原因有多種，最主要的是電磁原因。還有機(jī)械方

面和化學(xué)方面的原因。

1.機(jī)械原因

產(chǎn)生換向火花的機(jī)械原因有很多，主要是換向器偏心、換向片間

云母絕緣凸出、轉(zhuǎn)子平衡不良、電刷在刷握中松動(dòng)、電刷壓力過(guò)大或

過(guò)小、電刷與換向器的接觸面研磨得不好因而接觸不良等等。為使電

機(jī)能正常工作，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查、維護(hù)和保養(yǎng)。

2.化學(xué)原因

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于空氣中氧氣、水蒸氣以及電流通過(guò)時(shí)熱和電化

學(xué)的綜合作用，在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較

高的電阻值，能有效地限制換向元件中的附加換向電流有利于換

向。同時(shí)薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤(rùn)滑作用，使電刷與換向器之

間保持良好而穩(wěn)定的接觸。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電刷的摩擦作用，氧化

亞銅薄膜經(jīng)常遭到破壞。但是在正常使用環(huán)境中，新的氧化亞銅薄膜

又能不斷形成，對(duì)換向不會(huì)有影響。如果周?chē)h(huán)境氧氣稀薄、空氣干

燥或者電刷壓力過(guò)大時(shí)，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周?chē)h(huán)境中存

在化學(xué)腐蝕性氣體能破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。

二、改善換向的方法

改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產(chǎn)生火花的原因

是多方面的，其中最主要的是電磁原因。消除或削弱電磁原因引起的

電磁性火花的方法有：

1.適用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻

2.裝設(shè)換向極

3.裝補(bǔ)償繞組

§1.8直流發(fā)電機(jī)

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流發(fā)電機(jī)可分為他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)、并勵(lì)

直流發(fā)電機(jī)、串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁方式不同，發(fā)

電機(jī)的特性就不同。因?yàn)楸緯?shū)以電力拖動(dòng)為主，重點(diǎn)講述電動(dòng)機(jī)的

特性，因此本節(jié)只分析他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理和特性。

一、直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式

圖1.15為一臺(tái)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的示意圖。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞

組切割主磁通，產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢(shì)&,如果外電路接有負(fù)載，則產(chǎn)生電

樞電流按發(fā)電機(jī)慣例，乙的正方向與心相同，如圖1.15所示。

1.電動(dòng)勢(shì)平衡方程式

根據(jù)圖1.15中所示電樞回路各量正方向，用基爾霍夫電壓定律,

可以列出電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為

U=Ea-RaIa

上式表明，直流發(fā)電機(jī)的端電壓U等于電樞電動(dòng)勢(shì)4減去電樞回路內(nèi)

部的電阻壓降所以電樞電動(dòng)勢(shì)6應(yīng)大于端電eU。

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

直流發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三

個(gè)：一個(gè)是原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ti,方向與n相同；一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩T,

方向與n相反，為制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩；還有一個(gè)由電機(jī)的機(jī)械損耗及鐵

損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩T。，也是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。因此，可以寫(xiě)出穩(wěn)態(tài)

運(yùn)

行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

T\=T-T。

3.功率平衡方程式

將上式乘以發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度Q,得

可以寫(xiě)成

6=Bw+外

式中，尸|=*。，為原動(dòng)機(jī)輸給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功

率，即輸入功率；P“=m,發(fā)電機(jī)的電磁功率;

產(chǎn)。=74,發(fā)電機(jī)的空載損耗功率。

電磁功率

n小pN42mpN__?_

P、i=m=①/“——=d)In=EJu

M2ma6060。a

和直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)的電磁功率亦是既具有機(jī)械功率

的性質(zhì)，又具有電功率的性質(zhì)，所以是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的那一部分

功率。直流發(fā)電機(jī)的空載損耗功率也是包括機(jī)械損耗尸2，和鐵損耗

P及兩部分。

上式表明：發(fā)電機(jī)輸入功率公，其中一小部分供給空載損耗產(chǎn)。，

大部分為電磁功率，是由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率的。

將式電動(dòng)勢(shì)平衡方程式兩邊乘以電樞電流得

￡4=(+/?/

即

心=8+Pcua

式中，鳥(niǎo)="〃，為發(fā)電機(jī)輸出的功率；為電樞回路銅損

耗。

上式可以寫(xiě)成如下形式

B-^Cua

綜合以上功率關(guān)系，可得功率平衡方程式

P

6=&+E)=2+已3+niec+P『e

為更清楚地表示直流發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系，可用下圖所示的功率流

程圖。

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖

一般情況下，直流發(fā)電機(jī)的總損耗

+^Cuf+%+Bnec

直流發(fā)電機(jī)的效率

p(YP}

77=^x100%=1一一^=—xlOO%

P,l尸2+ZPj

二、他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，有4個(gè)主要物理量，即電樞端電壓U、勵(lì)磁

電流。、負(fù)載電流I（他勵(lì)時(shí)/=〃）和轉(zhuǎn)速n。其中轉(zhuǎn)速n由原動(dòng)機(jī)

確定，一般保持為額定值不變。因此，運(yùn)行特性就是U、。三個(gè)

物理量保持其中一個(gè)不變時(shí)，另外兩個(gè)物理量之間的關(guān)系。顯然，運(yùn)

行特性應(yīng)有三個(gè)。

1.空載特性

〃=〃。，。時(shí)，端電壓分與勵(lì)磁電流。之間的關(guān)系％=稱(chēng)為

空載特性。

空載時(shí)，他勵(lì)發(fā)電機(jī)的端電壓/=七=。Q〃，n二常數(shù)時(shí)，①，

所以空載特性/=八。）與電機(jī)的空載磁化特性中二〃。）相似，都是一

條飽和曲線(xiàn)。If比較小時(shí)，鐵心不飽和，特性近似為直線(xiàn)；。較大時(shí),

鐵心隨。的增大而逐步飽和，空載特性出現(xiàn)飽和段。一般情況下，電

機(jī)的額定電壓處于空載特性曲線(xiàn)開(kāi)始彎曲的線(xiàn)段上，即圖中A點(diǎn)附

近。因?yàn)槿绻ぷ饔诓伙柡筒糠?，磁路?dǎo)磁截面積大，用鐵量多，且

較小的磁動(dòng)勢(shì)變化會(huì)引起電動(dòng)勢(shì)和端電壓的明顯變化，造成電壓不穩(wěn)

定；如果工作在太飽和部分，會(huì)使勵(lì)磁電流太大，用銅量增加，同時(shí)

使電壓的調(diào)節(jié)性能變差。

圖1.16他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性圖1.17他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)

的外特性

2外特性

〃=〃N,。=。丫時(shí)，端電壓U與負(fù)載電流I之間的關(guān)系〃=/（/）稱(chēng)

為外特性。

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流I（亦即電樞電流/，，）增大時(shí)，端電

壓有所下降。從電動(dòng)勢(shì)方程式〃==c*〃-分析可以得知，

使端電壓U下降的原因有兩個(gè)：一是當(dāng)增大時(shí)，電樞回路電阻上

壓降增大，引起端電壓下降；二是增大時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)增大,

電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通中減小，&減小，從而引起端電壓U

下降。

△u是衡量發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，一般他勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓

變化率約為10%o

3.調(diào)節(jié)特性

”"N,U二常數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電流。與

負(fù)載電流I之間的關(guān)系稱(chēng)為

調(diào)節(jié)特性。

調(diào)節(jié)特性是隨負(fù)載電流增大而

上翹的。這是因?yàn)殡S著負(fù)載電流的

增大，電壓有下降趨，為維持電壓

不變，就必須增大勵(lì)磁電流，以補(bǔ)償電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁作用的

增加，由于電樞反應(yīng)的去磁作用與負(fù)載電流的關(guān)系是非線(xiàn)性的，所以

調(diào)節(jié)特性也不是直線(xiàn)。

§1.6直流電動(dòng)機(jī)

一、直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本關(guān)系式

圖1.20為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的示意圖。接通直流電源時(shí)，勵(lì)磁繞

組中流過(guò)勵(lì)磁電流建立主磁場(chǎng)，電樞繞組流過(guò)電樞電流一方

面形成電樞磁動(dòng)勢(shì)2，通過(guò)電樞反應(yīng)使主磁場(chǎng)變?yōu)闅庀逗铣纱艌?chǎng)，另

一方面使電樞元件導(dǎo)體中流過(guò)支路電流口，與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

T,使電樞朝T的方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞導(dǎo)體又切割

氣隙合成磁場(chǎng)，產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢(shì)區(qū)，在電動(dòng)機(jī)中，此電動(dòng)勢(shì)的方向

與電樞電流。的方向相反，稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有

如下平衡關(guān)系，分別用方程式表示。

1.電壓平衡方程式

根據(jù)圖中用電動(dòng)機(jī)慣例所設(shè)各量的正方向，可以列出電壓平衡方

程式和電流平衡方程式

uU=

Oy1,-0n1

先個(gè)口式中，凡為電樞回路電阻，其中包括電刷

L一顯尸—和換向器之間的接觸電阻。

?-----------11后此式表明，直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下

)I的電樞電動(dòng)勢(shì)紇總小于端電壓U。

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)。一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩

T,方向與轉(zhuǎn)速n相同，為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；一個(gè)是電動(dòng)機(jī)空載損耗轉(zhuǎn)矩與，

是電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩，方向總與轉(zhuǎn)速n相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

還有一個(gè)是軸上所帶生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩即電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)

矩，一般亦為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系式為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩等

于總的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即

T=T2+TO

3.功率平衡方程式

電動(dòng)機(jī)輸入功率[為

P\=UI=U3+。)=㈤+RJM+U1,

=EJa+RJ；+Ulf=PM+Pcua+Pcuf

式中，P]=UI,PM=E」，為電磁功率；P.=RF,是電樞回路的

銅損耗；%="，，為勵(lì)磁繞組的銅損耗。

電磁功率

PM=Eala=則①〃/“二則①/"—=7H

時(shí)…60a”2如“60

式中，。=2碗/60,電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度，單位是憶打$。

從上式中&"旦可知，電磁功率具有電功率性質(zhì)；從r“二m可知,

電磁功率又具有機(jī)械功率性質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姶殴β适菍儆陔妱?dòng)機(jī)

由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那一部分功率。

將轉(zhuǎn)矩平衡方程式兩邊乘以機(jī)械角速度C,得

TO=7^Q+7J)Q

可寫(xiě)成

Af=g+Po=鳥(niǎo)+億”+P"+Ps

式中，尸2=4。，軸上輸出的機(jī)械功率；線(xiàn)二〃空載損耗，包括機(jī)

械損耗產(chǎn)小和鐵損耗七。

可以作出并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖，如下圖(a)所示。圖中七夕

為勵(lì)磁繞組的銅損耗，稱(chēng)為勵(lì)磁損耗。并勵(lì)時(shí)，心療由輸入功率4供

給；他勵(lì)時(shí)，“由其他直流源供給，功率流程圖如圖(b)所示。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式

8二02+/Vuf+Pcua+0Fe+0mec=匕+'尸

式中，工尸=%+終叩+4+尸…，為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的總損耗。

(a)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)(b)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖

二、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓u=qv,勵(lì)

磁電流乙=/小，電樞回路不串外加電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、效

率n分別與電樞電流/”之間的關(guān)系。

1.轉(zhuǎn)速特性〃=/(，)

當(dāng)八%、。=小(①=/)時(shí)，轉(zhuǎn)速”與電樞電流(之間的關(guān)系

”/區(qū))稱(chēng)為轉(zhuǎn)速特性。

將電動(dòng)勢(shì)公式凡=孰①〃代入電

壓平衡方程式U=E,+RJQ,可得轉(zhuǎn)

速特性公式

UN_凡/

可見(jiàn)，如果忽略電樞反應(yīng)的影響，

①二或〃保持不變，則/。增加時(shí)，轉(zhuǎn)速

n下降。但因凡一般很小，所以轉(zhuǎn)速n下降不多，〃=八,。)為一條稍

稍向下傾斜的直線(xiàn)，如圖中的曲線(xiàn)1所示。如果考慮負(fù)載較重，較

大時(shí)電樞反應(yīng)去磁作用的影響，則隨著/，，的增大，中將減小，因而使

轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，如圖中的虛線(xiàn)所示。

2.轉(zhuǎn)矩特性/=/（/，）

當(dāng)U=UN、①=Rv）時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流（之間的關(guān)系

7二八]“）稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩特性。

由T=C『①，可知，不考慮電樞反應(yīng)影響時(shí)，①二①，不變，T與/“成

正比，轉(zhuǎn)矩特性為過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。如果考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，則

當(dāng),"增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩特性略為向下彎曲，如圖中的曲線(xiàn)2所示*

3.效率特性"=/%）

當(dāng)1/二4、（①時(shí)，效率n與電樞電流/〃的關(guān)系

稱(chēng)為效率特性。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率

AxlOO%=|l-^^|xioo%=「尸危X1C0%

尸I[”/0+//）

式中，鐵損耗P",是電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵心切割氣隙磁場(chǎng)而引起的渦

流損耗與磁滯損耗之和，其大小決定于氣隙磁通密度與轉(zhuǎn)速；機(jī)械損

耗產(chǎn)女包括軸承及電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗，其大小主要決定于轉(zhuǎn)

速；勵(lì)磁繞組的銅損耗終”二。/,當(dāng)^=”一1/不變，名也不變。

由此可看出，以上三種損耗都不隨電樞電流變化，亦即不隨負(fù)載變化

的，通常將這三種損耗之和稱(chēng)為不變損耗。電樞回路的銅損耗

與電樞電流的平方成正比，亦即隨負(fù)載的變化明顯變化，故

稱(chēng)為可變損耗。

當(dāng)電樞電流,，開(kāi)始由零增大時(shí)，可變損耗增加緩慢，總損耗變化

小，效率n明顯上升；當(dāng)忽略式分母中的時(shí)，可以由

=°求得當(dāng)增大到電動(dòng)機(jī)的不變損耗等于可變損耗，即

Pp'e+Pmec+尸CQ=

時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到最高；A，再進(jìn)一步增大時(shí)，可變損耗在總損耗

中所占的比例變大了，可變損耗和總損耗都將明顯上升，使效率T1反

而略為下降。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率特性如圖中的曲線(xiàn)3所示，一般

電動(dòng)機(jī)在負(fù)載為額定值的75%左右時(shí)效率最高。

第六章直流電機(jī)的電力拖動(dòng)

§6.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程

1.運(yùn)動(dòng)方程式

圖2—1為一單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中作旋

轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須遵循下列基本的運(yùn)動(dòng)方程式。

圖6—1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方程式為

Tem-TL=J^

at

（6—1）

式中，卻為電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N.m）;。為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m）;

心/力為慣性轉(zhuǎn)矩（或稱(chēng)動(dòng)轉(zhuǎn)矩），/為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可用下式表示

（6—2）

式中，〃2、G分別為旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（依）與重量（N）;p、O分別為

轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑與直徑（相）；g為重力加速度，g=9.18陽(yáng)/Y；，的單位為

kg-m2o

在實(shí)際計(jì)算中常用式（6—1）的另一種形式。即將角速度C=2M/60

（C的單位為md/s,〃的單位為r/min）代入式（6—1）得運(yùn)動(dòng)方程式

實(shí)用形式:

丁GD?dn

en,~

(6—3)

式中，G》為飛輪矩（Mm?）,GD2=4gJ;系數(shù)375是具有加速度量綱

的系數(shù)。

電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)可由運(yùn)動(dòng)方程式表示出來(lái)。分析式（6-3）可

見(jiàn)

(1)當(dāng)工「7；=0,4=0,則”常值，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定

at

運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

(2)當(dāng)&-1>0,@So,電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于加速過(guò)渡過(guò)程狀態(tài)

at

中；

(3)當(dāng)&-乙〈0,^<0,電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于減速過(guò)渡過(guò)程狀

態(tài)中。

2.運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩的符號(hào)分析

(1)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩&與規(guī)定正向相同取正，相反取負(fù)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩，

與規(guī)定正向相同取負(fù)，相反取正。

(2)負(fù)載轉(zhuǎn)矩兀的方向與設(shè)定的旋轉(zhuǎn)正方向相同時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

「前取負(fù)號(hào)，相反時(shí)則取正號(hào)。

二、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

在運(yùn)動(dòng)方程式中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩乙與轉(zhuǎn)速〃的關(guān)系「=/(〃)稱(chēng)為負(fù)

載轉(zhuǎn)矩特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩。的大小和多種因素有關(guān)。以車(chē)床主軸為例，

當(dāng)車(chē)床切削工件時(shí)切削速度、切削量大小、工件直徑、工件材料及刀

具類(lèi)型等都有密切關(guān)系。大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可歸納為三

種類(lèi)型，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性、恒功率負(fù)載特性和風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性。

1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

所謂恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，就是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩。與負(fù)載轉(zhuǎn)速〃無(wú)關(guān)的

特性，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩乙保持常值。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性多數(shù)是反抗

性的，也有位能性的。

反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的特點(diǎn)是，恒值轉(zhuǎn)矩乙總是與運(yùn)動(dòng)方向相

反。根據(jù)第六章第一節(jié)中對(duì)。正負(fù)符號(hào)的規(guī)定，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)〃為正，轉(zhuǎn)

矩乙為反向，應(yīng)取正號(hào)，即為（+乙）；而反轉(zhuǎn)時(shí)〃為負(fù)，轉(zhuǎn)矩。為

正向，應(yīng)變?yōu)椋?乙）;如圖6—2所示。顯然，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特

性應(yīng)在第一與第三象限內(nèi)。皮帶運(yùn)輸機(jī)、軋鋼機(jī)、機(jī)床的刀架平移和

行走機(jī)構(gòu)等由摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的機(jī)械，都是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性則與反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性不同，它由拖

動(dòng)系統(tǒng)中某些具有位能的部件（如起重類(lèi)型負(fù)載中的重物）造成。其特

點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩。具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變。如圖6—3

所示，不論重物被提升3為正）或下放（〃為負(fù)），負(fù)載轉(zhuǎn)矩7；始終為

反方向（+，）。特性在第一與第四象限內(nèi)，表示恒值特性的直線(xiàn)是

連續(xù)的。

負(fù)載特性

2、恒功率負(fù)載特性

一些機(jī)床，如車(chē)床，在粗加工時(shí)，切削量大，切削阻力大，此時(shí)

開(kāi)低速；在精加工時(shí)，切削量小，切削力小，往往開(kāi)高速。在不同轉(zhuǎn)

速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，切削功率基本不變，即

Pi=TQ=T—=0A05Tn=K(6

IL60L

—4)

式中，K為常數(shù)；生為負(fù)載（切削）功率（卬）。

可見(jiàn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩7；與轉(zhuǎn)速〃呈反比，切削功率基本不變，特性曲

線(xiàn)呈恒功率的性質(zhì)。恒功率負(fù)載特性如圖6—4所示。從圖中可以看

出A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的陰影面積與B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相等。

3風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性

風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速的平方

成正比

2

TL=Kn(6

——5)

式中，K為比例常數(shù)。

風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性如圖6-5所示。屬于通風(fēng)機(jī)負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)

械有通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等，其中空氣、水、油等介質(zhì)對(duì)機(jī)器葉片的

阻力基本上和轉(zhuǎn)速的平方成正比。

圖6-5風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性圖6—6實(shí)際風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)

負(fù)載特性

實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。

例如，實(shí)際通風(fēng)機(jī)除了主要是通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性外，由于其軸承上還有

一定的摩擦轉(zhuǎn)矩了。，因而實(shí)際通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性為乙二紜+2廣，如圖6

—6所示。

除了上述幾種類(lèi)型的生產(chǎn)機(jī)械外，還有一些生產(chǎn)機(jī)械具有各自的

負(fù)載特性，如帶曲柄連桿機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械，它們的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。隨轉(zhuǎn)角

而變化；而琢磨機(jī)，碎石機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩則隨時(shí)間作無(wú)規(guī)

律的隨機(jī)變化等等。

6.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速〃與電磁轉(zhuǎn)矩&之間的

關(guān)系，即〃=機(jī)械特性是電動(dòng)機(jī)機(jī)械性能的主要表現(xiàn)，它與

運(yùn)動(dòng)方程式相聯(lián)系，是分析電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等問(wèn)題的重要工

具。

一、機(jī)械特性的一歿表達(dá)式

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可從電動(dòng)機(jī)的基本方程式導(dǎo)

出。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路原理如圖6-7所示。

圖6—7他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路原理

根據(jù)圖6-7可以列出電動(dòng)機(jī)的基本方程式為

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程：EQ=C,①〃

電磁轉(zhuǎn)矩：

電壓平衡方程式：力"國(guó)+區(qū)

電樞總電阻：

磁通：①=/8)

.",

勵(lì)磁電流：If=----

fR，

將緒和&的表達(dá)式代入電壓平衡方程式中，可得機(jī)械特性方程式的

一般表達(dá)式為

n=-------&T(6-6)

G①CC①'’

在機(jī)械特性方程式(6—6)中，當(dāng)電源電壓勿、電樞總電阻&、磁

通中為常數(shù)時(shí)，即可畫(huà)出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性〃=/(&),如圖6

一8所示。

圖6—8他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

由圖6—8中的機(jī)械特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速〃隨電磁轉(zhuǎn)矩的增大

而降低，是一條向下傾斜的直線(xiàn)。這說(shuō)明：電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載，轉(zhuǎn)速會(huì)

隨負(fù)載的增加而降低。

下面討論機(jī)械特性上的兩個(gè)特殊點(diǎn)和機(jī)械特性直線(xiàn)的斜率。

理想空載點(diǎn)A(0,〃。)

在方程式(6—6)中，當(dāng)(=0時(shí)，〃=5/￡0=〃0稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)

速，即

由式(6—7)可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電源電壓力或磁通①，可以改變理想空載

轉(zhuǎn)速〃。的大小。必須指出，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速々比〃。略低，如圖

6—8所示。這是因?yàn)?，電?dòng)機(jī)在實(shí)際的空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)

矩n=0,但電磁轉(zhuǎn)矩〃不可能為零，必須克服空載阻力轉(zhuǎn)矩”，即

勺所以實(shí)際空載轉(zhuǎn)速〃。為

=----^—7(=%壇(6-8)

°CG①2°?eg①2°

堵轉(zhuǎn)點(diǎn)或起動(dòng)點(diǎn)B(T“，0)

在圖6—8中，機(jī)械特性直線(xiàn)與橫軸的交點(diǎn)6為堵轉(zhuǎn)點(diǎn)或起動(dòng)點(diǎn)。

在堵轉(zhuǎn)點(diǎn)，，=0,因而E〃=0,此時(shí)電樞電流稱(chēng)為堵轉(zhuǎn)電流

或起動(dòng)電流。與堵轉(zhuǎn)電流相對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩心稱(chēng)為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩或起動(dòng)轉(zhuǎn)

矩。

機(jī)械特性直線(xiàn)的斜率

方程式(6—6)中，右邊第二項(xiàng)表示電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降，用

加表示，則

R

△〃=*＞，”=4&(6—9)

式中，夕=方上彳為機(jī)械特性直線(xiàn)的斜率，在同樣的理想空載轉(zhuǎn)速下,

/?越小，甌越小，即轉(zhuǎn)速殖電磁轉(zhuǎn)矩的變化較小，稱(chēng)此機(jī)械特性為硬

特性。夕越大，加