第15章直流電機(jī)的基本原理與電磁關(guān)系15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)15.2直流電機(jī)的電樞繞組15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)15.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩第12章同步發(fā)電機(jī)的基本理論直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與直流電能相互轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。直流發(fā)電機(jī)主要用作直流電源，供直流負(fù)載使用；直流電動(dòng)機(jī)采用直流電源供電，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速特性平滑、調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力和起動(dòng)能力強(qiáng)。直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用：對(duì)調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合；小容量直流電機(jī)多用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中以伺服電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等形式作為執(zhí)行、測(cè)量元件使用。傳統(tǒng)直流電機(jī)缺點(diǎn)：需要換向器和電刷裝置，容量小、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、制造與維護(hù)成本。發(fā)展趨勢(shì)：隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體整流電源已基本替代了直流發(fā)電機(jī)，交流調(diào)速控制系統(tǒng)逐漸取代直流調(diào)速控制系統(tǒng)。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)15.1.1

直流電機(jī)的工作原理15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)15.1.3

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式15.1.4

直流電機(jī)的額定值15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.1直流電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)的原理模型1.直流發(fā)電機(jī)基本組成主磁極（1）繞組線圈（電樞繞組）（3）轉(zhuǎn)子鐵心（電樞鐵心）（2）換向器（4）電刷（5）圖示瞬間，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)閐→a，電刷A呈正極性，電刷B呈負(fù)極性。當(dāng)線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)閍→d，換向片隨著線圈一起旋轉(zhuǎn)，電刷A仍呈正極性，電刷B仍呈負(fù)極性。雖然線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向和流過(guò)線圈的電流方向改變了，但由電刷輸出電壓極性和電流的方向并沒有改變。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.1直流電機(jī)的工作原理線圈中的電動(dòng)勢(shì)和電流均為交流；換向器將線圈中的交流電轉(zhuǎn)化為電刷兩端的直流電；電刷和換向器的功能相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式的單相全波整流器，簡(jiǎn)稱機(jī)械整流裝置。線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直流發(fā)電機(jī)的原理模型氣隙磁密、線圈邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電刷之間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.1直流電機(jī)的工作原理增加導(dǎo)體可減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)。當(dāng)有足夠多的線圈和換向片時(shí)，可獲得穩(wěn)定直流電勢(shì)。當(dāng)每極下導(dǎo)體數(shù)大于8時(shí)，脈動(dòng)可小于1%。兩個(gè)串聯(lián)線圈換向后的合成電動(dòng)勢(shì)

多個(gè)線圈和換向片時(shí)電刷兩端電動(dòng)勢(shì)15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.1直流電機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的原理模型2.直流電動(dòng)機(jī)圖示瞬間，電流沿方向ab→cd，由左手定則可知，線圈所受電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為逆時(shí)針方向。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，電流方向dc→ba，由左手定則可以判定，電磁力作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩依舊為逆時(shí)針方向。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，外加電壓是直流的，由于換向器和電刷的作用，使得線圈中流過(guò)的電流是交變的，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向保持不變，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖直流電動(dòng)機(jī)的橫剖面示意圖直流電動(dòng)機(jī)定子的實(shí)物圖1.定子（1）主磁極（2）機(jī)座（3）電刷裝置（4）換向極（中大型直流電機(jī)）（5）端蓋15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主磁極結(jié)構(gòu)（1）主磁極作用：在氣隙中產(chǎn)生主極磁場(chǎng)一般工業(yè)用直流電機(jī)主磁極不用永久磁鐵，而由勵(lì)磁繞組通入直流電流建立磁場(chǎng)。結(jié)構(gòu)：凸極結(jié)構(gòu)主極鐵心：1~1.5mm的低碳鋼板沖片疊壓緊固而成（減小鐵耗）勵(lì)磁繞組：通入直流電流，產(chǎn)生N、S交替排列的主磁極補(bǔ)償繞組（大功率直流電機(jī)）：與電樞繞組串聯(lián)，用以抵消極靴范圍內(nèi)的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)，從而減小氣隙磁場(chǎng)畸變，改善換向。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（2）機(jī)座作用：①固定主磁極、換向極和端蓋等部件，起機(jī)械支撐作用；②構(gòu)成電機(jī)主磁路的一部分（機(jī)座中通過(guò)主磁通的磁路部分稱為磁軛）。一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。作用：與換向器配合實(shí)現(xiàn)把電樞繞組內(nèi)部的交流電與電刷外部的直流電相互轉(zhuǎn)換的功能。（3）電刷裝置

（a）整體結(jié)構(gòu)示意圖（b）刷握和電刷部分電刷裝置15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（4）換向極作用：用來(lái)減少電刷與換向器之間的火花。換向極個(gè)數(shù)與主磁極個(gè)數(shù)相等，位于主磁極之間，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。在功率很小的直流電機(jī)中，可以不裝換向極。端蓋裝在機(jī)座的兩端并通過(guò)端蓋的中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，使定、轉(zhuǎn)子可裝配成一個(gè)整體，同時(shí)端蓋對(duì)電機(jī)內(nèi)部還起到防護(hù)作用。（5）端蓋

NSNS直流電動(dòng)機(jī)的橫剖面示意圖15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)物圖2.轉(zhuǎn)子直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子，又稱電樞。轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等部分組成（1）電樞鐵心（2）電樞繞組（3）換向器15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電樞鐵心沖片（1）電樞鐵心作用：用來(lái)安放電樞繞組并作為主磁路的一部分。沖片疊壓而成的鐵心電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)鐵心中的磁通方向不斷變化將引起鐵心損耗。為了減少鐵心損耗，用0.5mm厚硅鋼片疊成。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電樞繞組（2）電樞繞組作用：直流電機(jī)的電路部分，由許多線圈按一定規(guī)律排列并連接而成，是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（a）普通換向器（b）塑壓成形的換向器換向器（3）換向器作用：和固定的電刷配合用機(jī)械換接的方法在直流電機(jī)中起“整流”作用（發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)）或“逆變”作用（電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)）。換向器由許多銅質(zhì)換向片排列成一個(gè)圓筒，片與片之間相互絕緣。每個(gè)線圈的首端和尾端引線，分別焊接到相應(yīng)的換向片上。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（a）他勵(lì)（b）并勵(lì)（c）串勵(lì)（d）復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流發(fā)電機(jī)中，并聯(lián)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)勵(lì)磁方式的勵(lì)磁電流都是由電機(jī)自身發(fā)電供給的，又統(tǒng)稱為自勵(lì)式。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.4直流電機(jī)的額定值直流電機(jī)的額定值主要有：1.額定功率PN（W或kW）額定功率也稱額定容量，指電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的輸出功率。電動(dòng)機(jī)：軸上輸出的機(jī)械功率；發(fā)電機(jī)：接線端輸出的電功率。2.額定電壓UN（V）指電機(jī)在額定狀態(tài)下的接線端電壓。發(fā)電機(jī)：輸出電壓的額定值，電動(dòng)機(jī)：輸入電壓的額定值。3.額定電流IN（A）指電機(jī)在額定電壓下輸出額定功率時(shí)的接線端電流。發(fā)電機(jī)：輸出電流的額定值，電動(dòng)機(jī)：輸入電流的額定值。15.1直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15.1.4直流電機(jī)的額定值4.額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）指電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。5.額定勵(lì)磁電壓UfN（V）和額定勵(lì)磁電流IfN（A）（僅對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)）指電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流。直流電機(jī)的額定值還有額定效率ηN、額定轉(zhuǎn)矩TN、額定溫升τN等，盡管有時(shí)沒有標(biāo)在銘牌上，但同樣是電機(jī)額定運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)。直流發(fā)電機(jī)的額定功率為直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為15.2直流電機(jī)的電樞繞組15.2.1電樞繞組的構(gòu)成15.2.2單疊繞組15.2.3單波繞組15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.1電樞繞組的構(gòu)成電樞繞組由許多形狀相同的元件（也稱線圈）按照一定的規(guī)律排列連接而成。元件為單匝或多匝。每個(gè)元件的兩個(gè)出線端分別稱為首端和尾端，它們分別連接到兩個(gè)不同的換向片上。1.電樞繞組的基本概念（a）疊繞組元件（b）波繞組元件電樞繞組的元件（2匝）同一個(gè)換向片連接一個(gè)元件的首端和另一個(gè)元件的尾端，故電樞繞組的元件數(shù)等于換向片數(shù)，即15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.1電樞繞組的構(gòu)成現(xiàn)代直流電機(jī)均為雙層繞組，線圈的兩個(gè)元件處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個(gè)極距，兩個(gè)電勢(shì)相加。元件在槽內(nèi)的放置為改善電機(jī)性能，在直流電機(jī)中常在每個(gè)電槽上、下層各放置若干個(gè)元件邊，這相當(dāng)于每一個(gè)實(shí)際Q個(gè)槽要當(dāng)作兩個(gè)、三個(gè)或u個(gè)槽，通常稱之為“虛槽”Qu，則u=2時(shí)槽內(nèi)元件的布置15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.1電樞繞組的構(gòu)成電樞繞組的連接規(guī)律用節(jié)距來(lái)表示。電樞繞組節(jié)距有第一節(jié)距y1、第二節(jié)距y2、合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yc。2.電樞繞組的節(jié)距（a）疊繞組（b）波繞組繞組的節(jié)距（1）第一節(jié)距y1元件（線圈）的兩條有效邊在電樞表面所跨的圓弧長(zhǎng)（即跨距）稱為第一節(jié)距y1，通常用所跨的虛槽表示。15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.1電樞繞組的構(gòu)成（a）疊繞組（b）波繞組繞組的節(jié)距（2）第一節(jié)距y2前一元件的下層邊與緊接串聯(lián)的后一個(gè)元件的上層邊在電樞表面所跨的圓弧長(zhǎng)稱為第二節(jié)距y2，通常也用所跨的虛槽表示。（3）合成節(jié)距y緊接串聯(lián)連接的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)有效邊之間在電樞表面所跨的圓弧長(zhǎng)稱為合成節(jié)距y，也用虛槽數(shù)表示，即15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.1電樞繞組的構(gòu)成（a）疊繞組（b）波繞組繞組的節(jié)距（4）換向器節(jié)距yc任一元件的首、尾端所連接的兩個(gè)換向片在換向器表面所跨過(guò)的距離稱為換向器節(jié)距yc，用換向片片數(shù)表示。合成節(jié)距與換向器節(jié)距在數(shù)值上總是相等的，即15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.2單疊繞組特點(diǎn)：電樞繞組中任何兩個(gè)相鄰的串聯(lián)元件對(duì)應(yīng)邊相隔較近，都是后一個(gè)元件疊在前一個(gè)上面的，所以稱為疊繞組。單疊繞組的合成節(jié)距y等于一個(gè)虛槽，換向器節(jié)距等于一個(gè)換向片，即式中，“+1”或“-1”表示每串聯(lián)一個(gè)元件向右或左移動(dòng)一個(gè)虛槽和一個(gè)換向片，分別稱為右行繞組或左行繞組。（a）單疊右行（b）單疊左行單疊繞組元件的連接由于左行繞組出線尾端交叉連接到相鄰換向片，用銅較多，很少采用，單疊繞組通常采用右行繞組。15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.2單疊繞組以2p=4，S=K=Qu=16，u=1的右行繞組為例，說(shuō)明單疊繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。1.計(jì)算各節(jié)距第一節(jié)距y1：合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yc：第二節(jié)距y2：2.繞組元件連接順序圖根據(jù)節(jié)距編出的繞組元件連接順序圖15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.2單疊繞組3.繞組展開圖15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.2單疊繞組4.繞組電路圖單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)2a=恒等于主磁極數(shù)2p；電刷個(gè)數(shù)等于支路數(shù)，也就等于磁極數(shù)。15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.2單疊繞組單疊繞組的連接規(guī)律可以總結(jié)如下：（1）元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰的兩個(gè)換向片上，整個(gè)電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為0。（2）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同（

2a==2p）；一個(gè)主磁極對(duì)應(yīng)一條支路，所以電刷數(shù)等于主磁極數(shù)。（3）當(dāng)元件幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷應(yīng)放在主磁極中心線（習(xí)慣稱為幾何中性線）上，此時(shí)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，而被電刷所短路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0。（4）正負(fù)電刷之間引出的電動(dòng)勢(shì)（電壓）稱為電樞電動(dòng)勢(shì)（電壓），電樞電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)（電壓）。（5）由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流（繞組元件中流過(guò)的電流）

ia之和，即

Ia=2a=ia

。15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.3單波繞組特點(diǎn)：將相隔約一對(duì)極距的同極性下對(duì)應(yīng)位置的所有元件串聯(lián)起來(lái)，元件兩出線端所連換向片較遠(yuǎn)，相串聯(lián)的兩元件也相隔較遠(yuǎn)，形狀如波浪一樣向前延伸，所以稱為波繞組。單波繞組在換向器上連接一周后，將回到出發(fā)換向片的前一片或后一片，總跨距為K±1，換向器節(jié)距為式中，“-1”或“+1”表示繞連完一周后后退或前進(jìn)一片換向片，分別稱為左行繞組或右行繞組（較少采用）。單波繞組元件

右行

以2p=4，S=K=Qu=15，u=1的左行繞組為例，說(shuō)明單波繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。1.計(jì)算各節(jié)距第一節(jié)距y1：合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yc：第二節(jié)距y2：2.繞組元件連接順序圖根據(jù)節(jié)距編出的繞組元件連接順序圖15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.3單波繞組15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.3單波繞組3.繞組展開圖181571461351241131029115.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.3單波繞組4.繞組電路圖單波繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a=與極對(duì)數(shù)無(wú)關(guān)，總是等于1；理論上只要求放置一對(duì)電刷即可，實(shí)際上一般仍裝設(shè)2p個(gè)電刷（稱為全額電刷）。15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.3單波繞組單波繞組的連接規(guī)律可以總結(jié)如下：（1）同極性下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1，即a==1，與極對(duì)數(shù)無(wú)關(guān)。（2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢(shì)最大。（3）電刷數(shù)原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷，即電刷數(shù)等于磁極數(shù)（采用全額電刷）。（4）電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路電動(dòng)勢(shì)，由于只有兩條支路，元件數(shù)一定時(shí)，可得到較高的電樞電壓。（5）電樞電流等于兩條支路電流之和，即Ia=2ia

。15.2直流電機(jī)的電樞繞組

15.2.3單波繞組小結(jié)電樞繞組自身是一個(gè)閉合回路，通過(guò)換向器和電刷，直流電樞繞組電路形成一個(gè)有源多支路電路。電刷放置的一般原則是空載時(shí)通過(guò)正、負(fù)電刷間的電動(dòng)勢(shì)最大，或者說(shuō)，被電刷短路的元件中的電動(dòng)勢(shì)為零。電樞繞組旋轉(zhuǎn)時(shí)，元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的，但從電刷引出的電動(dòng)勢(shì)是直流。各種直流電樞繞組的主要差別在于并聯(lián)支路數(shù)的多少，可根據(jù)直流電機(jī)額定電流的大小和額定電壓的高低來(lái)選擇電樞繞組的形式。單波繞組支路數(shù)少，每條支路元件數(shù)多，適用于電流較小、電壓較高或轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)；單疊繞組支路數(shù)比單波繞組多，每條支路元件數(shù)少，適用于電流較大、電壓較低或轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)。15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)15.3.1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)15.3.2直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)15.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)空載是指電樞電流為0或近似為0時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部只有勵(lì)磁電流產(chǎn)生的主磁場(chǎng)。磁場(chǎng)是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。主極磁場(chǎng)由永久磁鐵或勵(lì)磁繞組通入直流電流產(chǎn)生?？蛰d時(shí)電機(jī)中的磁場(chǎng)分布是對(duì)稱的。1.主磁通和漏磁通主磁通，經(jīng)氣隙進(jìn)入電樞主極漏磁通(15-25%)，不進(jìn)入電樞，只增加磁極的飽和程度空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)分布15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)在一個(gè)磁極的范圍內(nèi)，主磁極下氣隙磁通密度的分布取決于氣隙的大小和形狀。磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減?。粯O尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。2.氣隙主極磁場(chǎng)的分布空載時(shí)極面下的磁場(chǎng)分布直流電機(jī)的空載氣隙磁通密度分布為一“帽形”的平頂波，以主磁極中心線為對(duì)稱分布。15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.2直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)概述：電樞繞組電流產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)

Ia→Fa

→

Bax電樞繞組各支路的電流通過(guò)電刷引出或引入，電刷是電樞表面電流分布的分界線。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)和磁場(chǎng)的分布與電刷的位置有關(guān)。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線在幾何中性線上，幾何中性線為交軸，故電樞磁動(dòng)勢(shì)稱為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。直軸交軸15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.2直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)1.電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞磁場(chǎng)

（a）電樞磁場(chǎng)示意圖（b）電樞磁動(dòng)勢(shì)與氣隙磁場(chǎng)電刷在幾何中性線上的電樞磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)線負(fù)荷是指電樞表面單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用A表示。距原點(diǎn)x處氣隙的電樞磁動(dòng)勢(shì)為15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.2直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)直流電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)；如沿電樞分布的線圈無(wú)限增多，則電樞磁動(dòng)勢(shì)(階梯波)將趨近于三角形波；主磁極下氣隙長(zhǎng)度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長(zhǎng)度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型。15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.2直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)2.電刷不在幾何中性線上時(shí)的電樞磁場(chǎng)（a）電樞磁動(dòng)勢(shì)（b）電樞磁動(dòng)勢(shì)交軸分量（c）電樞磁動(dòng)勢(shì)直軸分量電刷在幾何中性線上的電樞磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)，電樞電流只產(chǎn)生交軸磁動(dòng)勢(shì)。將電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解為交電樞磁動(dòng)勢(shì)Faq和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Fad；Faq、Fad分別產(chǎn)生交軸電樞磁場(chǎng)和直軸電樞磁場(chǎng)。電刷偏離幾何中性線時(shí)，除了存在交軸磁動(dòng)勢(shì)，電樞電流還會(huì)產(chǎn)生直軸磁動(dòng)勢(shì)。15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)（a）氣隙合成磁場(chǎng)

（b）氣隙合成磁場(chǎng)沿電樞表面分布情況電刷在幾何中性線上的交軸電樞反應(yīng)電樞磁動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)原來(lái)氣隙磁場(chǎng)的大小和分布產(chǎn)生影響，這種影響稱為電樞反應(yīng)交軸、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)分別產(chǎn)生交軸、直軸電樞反應(yīng)。對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生以下影響：（1）扭斜氣隙磁場(chǎng)，使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。（2）物理中性線偏離幾何中性線α角(空載時(shí)，兩者重合)。通常把通過(guò)電樞表面磁通密度等于0處的直線稱為物理中性線。1.電刷在幾何中性線上的電樞反應(yīng)15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)（a）氣隙合成磁場(chǎng)

（b）氣隙合成磁場(chǎng)沿電樞表面分布情況電刷在幾何中性線上的交軸電樞反應(yīng)（3）磁路不飽和時(shí)：增加的磁通量等于減少的磁通量，每極的磁通量不變。

磁路飽和時(shí)：負(fù)載時(shí)的每極磁通量小于空載磁通量(起去磁作用)，負(fù)載時(shí)的電動(dòng)勢(shì)小于空載時(shí)的電動(dòng)勢(shì)。Faq與Ff相對(duì)靜止，且在空間相差90o電角度，它們相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)（a）電刷順著旋轉(zhuǎn)方向移過(guò)β角（b）電刷逆著旋轉(zhuǎn)方向移過(guò)β角電刷不在幾何中性線上的電樞反應(yīng)Fad產(chǎn)生以下影響：（1）Fad與Ff同軸線，不能產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。（2）Fad對(duì)主磁場(chǎng)起去磁或增磁作用。2.電刷不在幾何中性線上的電樞反應(yīng)發(fā)電機(jī)：順轉(zhuǎn)向移刷－去磁；逆轉(zhuǎn)向移刷－增磁電動(dòng)機(jī)：順轉(zhuǎn)向移刷－增磁逆轉(zhuǎn)向移刷－去磁15.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)

15.3.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)（1）電樞反應(yīng)的去磁作用將使每極磁通減少。電刷在幾何中性線上時(shí)，僅有交軸電樞反應(yīng)，磁路飽和時(shí)，電樞反應(yīng)的去磁作用，將使每極磁通減小，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩減小。為補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用就需要增加勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)或增設(shè)補(bǔ)償繞組。如果電刷不在幾何中性線上，還要計(jì)及直軸電樞反應(yīng)的影響。（2）電樞反應(yīng)使主磁極極面下的磁通密度分布不均勻，從而使各換向片間產(chǎn)生較大電動(dòng)勢(shì)差，從而產(chǎn)生電位差火花。（3）在交軸處的電樞磁場(chǎng)將妨礙線圈中的電流換向，換向不良會(huì)在換向器和電刷間產(chǎn)生火花。在最不利的情況下，電磁火花與電位差火花連成一片，形成“環(huán)火”，使電機(jī)受到嚴(yán)重?fù)p害。此外，火花會(huì)產(chǎn)生電磁波，對(duì)無(wú)線通信和電子設(shè)備造成干擾。3.電樞反應(yīng)對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行的影響15.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩15.4.1電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)15.4.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩15.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩

15.4.1電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為了便于分析，做以下假設(shè)：（1）電樞表面光滑無(wú)槽。（3）線圈為整距。（2）電樞繞組的元件在電樞表面均勻連續(xù)分布。（4）電刷位于幾何中性線上。氣隙磁場(chǎng)分布與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)每極磁通：計(jì)及電樞反應(yīng)的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通電動(dòng)勢(shì)常數(shù)：與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)15.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩

15.4.1電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的表達(dá)式可知：（1）Ea∝Φn，改變?chǔ)祷騨的大小，Ea發(fā)生變化；Ea的方向取決于Φ和n的方向，改變?chǔ)祷騨的方向，也可改變Ea的方向。（2）Ea與Φ有關(guān)，與磁場(chǎng)分布的形狀無(wú)關(guān)，Φ不變則Ea不變。（3）計(jì)及電樞反應(yīng)的去磁作用時(shí)，負(fù)載大小會(huì)影響Φ，進(jìn)而影響Ea；計(jì)算Ea時(shí)，為負(fù)載時(shí)的每極磁通。（4）當(dāng)元件為短距時(shí)，Ea略小，但直流電機(jī)中不允許元件短距短的太多，所以這個(gè)影響極小，在計(jì)算時(shí)可以不考慮。（5）性質(zhì):發(fā)電機(jī)—電源電動(dòng)勢(shì)（與電樞電流同方向）；

電動(dòng)機(jī)—反電動(dòng)勢(shì)（與電樞電流反方向）。15.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩

15.4.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩氣隙磁場(chǎng)分布與電磁轉(zhuǎn)矩每極磁通：計(jì)及電樞反應(yīng)的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通轉(zhuǎn)矩常數(shù)：與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)15.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩

15.4.1電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)結(jié)論：（1）Te∝Ia

Φ，電樞電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生，與磁密分布無(wú)關(guān)，改變?chǔ)祷騃a大小，Te發(fā)生變化；改變?chǔ)祷騃a的方向，就可改變Te的方向。（2）當(dāng)元件短距時(shí)，會(huì)使Te減小，在實(shí)際電機(jī)中，這個(gè)影響很小，可以不計(jì)。（3）性質(zhì):發(fā)電機(jī)—制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩(與旋轉(zhuǎn)方向相反)，吸收機(jī)械能；電動(dòng)機(jī)—驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩(與旋轉(zhuǎn)方向相同)，輸出機(jī)械能。（4）改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：改變磁通方向或改變電樞電流方向。第16章直流發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速16.4直流電機(jī)的換向16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性16.1.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程1.電壓平衡方程直流發(fā)電機(jī)的基本方程式與勵(lì)磁方式有關(guān)，勵(lì)磁方式不同，基本方程式略有差別。（a）他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)

（b）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路Ea>U，這是判斷直流電機(jī)是否處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行的依據(jù)。各物理量的正方向采用發(fā)電機(jī)慣例區(qū)別：16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程2.電磁功率與功率平衡方程（1）電磁功率電磁功率既具有電功率的表現(xiàn)形式，又具有機(jī)械功率的表現(xiàn)形式，將電功率和機(jī)械功率進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換；直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，為了產(chǎn)生電功率EaIa，必須從原動(dòng)機(jī)吸收相同數(shù)量的機(jī)械功率TeΩ；直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，為了產(chǎn)生機(jī)械功率TeΩ，必須從電源吸收相同數(shù)量的電功率EaIa。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程（2）功率平衡方程他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)：pCuf將由勵(lì)磁電源提供，不包含在原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率之中。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)不變損耗：可變損耗：電樞回路銅耗pCua和勵(lì)磁損耗pCuf16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程（3）轉(zhuǎn)矩平衡方程直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡示意圖T1：原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Te：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T0：空載轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由原動(dòng)機(jī)決定，T1>Te，原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T1用以克服電磁轉(zhuǎn)矩Te和空載轉(zhuǎn)矩Te形成的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，維持轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的四個(gè)基本物理量：U、I、If、n（n由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，保持不變）運(yùn)行特性：在U、I、If之間，保證其中一個(gè)量不變，另外兩個(gè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系。主要運(yùn)行特性（1）空載特性：n=常數(shù)，I=0，U0＝f(If)；（2）外特性：n=常數(shù)，If=常數(shù)(或Rf=常數(shù))，U=f(I)；（3）調(diào)節(jié)特性：n=常數(shù)，U=常數(shù)，If=f(I)。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（1）空載特性他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)接線圖直流發(fā)電機(jī)空載特性曲線定義：n=const=nN，I=0，U0=f(If)。空載特性實(shí)質(zhì)即為磁化曲線。電機(jī)通常運(yùn)行于膝點(diǎn)。有剩磁電壓Ur=(2~4)%UN無(wú)論何種勵(lì)磁方式的直流電機(jī)，空載特性均由他勵(lì)接線方式測(cè)定。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（2）外特性他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)接線圖他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性定義：n=const=nN，If=

const=

IfN

U=f(I)。外特性下降的原因:①I=Ia↑→IaRa↑→U↓②

I=Ia↑→電樞反應(yīng)附加去磁作用↑→Φ↓→Ea

↓→U↓電壓調(diào)整率:16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（3）調(diào)整特性他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)接線圖他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性定義：n=const=nN，U=const=

UN

I=f(If)。調(diào)整特性上翹的原因:為了維持端電壓不變，負(fù)載電流增加時(shí)，勵(lì)磁電流應(yīng)相應(yīng)增加，以抵消電樞回路電阻壓降引起的端電壓下降和電樞反應(yīng)去磁作用。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性2.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)將勵(lì)磁回路與電樞回路并聯(lián)，無(wú)需設(shè)置專門的勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電流取自發(fā)電機(jī)自身，所以稱為“自勵(lì)”發(fā)電機(jī)，應(yīng)用較多。勵(lì)磁電流If僅為額定電流IN的1%~5%，對(duì)電樞繞組的端電壓U影響不大，可以忽略電樞反應(yīng)和電樞電阻壓降，U0≈Ea0，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載特性和他勵(lì)直流電機(jī)基本相同。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)調(diào)整特性也和他勵(lì)直流電機(jī)相似，是一條略有上翹的曲線。與他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)相比，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)主要在自勵(lì)過(guò)程和外特性兩方面。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)接線圖16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（1）自勵(lì)過(guò)程與條件并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程1-空載特性；2、3、4-勵(lì)磁回路電阻線過(guò)程分析：剩磁：勵(lì)磁磁場(chǎng)與剩磁方向一致。

Φr→Ear→If→Φ↑→Ea↑→If

↑（形成正反饋?zhàn)饔茫?/p>

發(fā)電機(jī)電壓將逐步建立起來(lái)，直至勵(lì)磁電流If所建立的端電壓U恰好與勵(lì)磁回路的電壓降IfRf相等為止。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件：（1）電機(jī)磁路有剩磁，磁化曲線有飽和現(xiàn)象。（2）勵(lì)磁繞組接法和電樞旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)配合正確。最初的微小勵(lì)磁電流必須能增強(qiáng)原有的剩磁，才能使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸加大。（3）勵(lì)磁回路的總電阻應(yīng)小于發(fā)電機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，臨界電阻線發(fā)生移動(dòng)，穩(wěn)定工作點(diǎn)發(fā)生改變。不同的轉(zhuǎn)速，具有不同的臨界電阻。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（2）外特性直流發(fā)電機(jī)外特性定義：n=const=nN，Rf=

const，U=f(I)。特點(diǎn)：①隨著負(fù)載電流I增加，并勵(lì)的端電壓比他勵(lì)的下降的多。②有拐彎現(xiàn)象。③穩(wěn)定短路電流小。原因：

（1）外特性下降的多的原因：①電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外；②電樞反應(yīng)去磁作用；③由于上述兩個(gè)原因使端電壓下降，引起勵(lì)磁電流減小，引起主磁通、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和端電壓進(jìn)一步下降。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓變化率要比他勵(lì)發(fā)電機(jī)的大，約為20%。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)外特性（2）外特性拐彎的原因：負(fù)載電阻減小后，一方面使負(fù)載電流增加，端電壓下降；另一方面，端電壓下降后，使勵(lì)磁電流減小，電勢(shì)下降，使負(fù)載電流下降。當(dāng)電壓較高時(shí)，磁路飽和，勵(lì)磁電流對(duì)電勢(shì)影響不大；（負(fù)載電流隨電阻下降而增大）當(dāng)電流達(dá)到臨界值時(shí)，磁路退出飽和，勵(lì)磁電流的微小變化引起感應(yīng)電勢(shì)的較大變化，使端電壓下降的幅度大于負(fù)載電阻減小的幅度，負(fù)載電流反而下降。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)外特性（3）穩(wěn)定短路電流小的原因：短路時(shí)，端電壓U=0，勵(lì)磁繞組電壓等于0。勵(lì)磁電流為0，感應(yīng)電勢(shì)僅為剩磁電動(dòng)勢(shì)，并引起短路電流，而剩磁電動(dòng)勢(shì)不大，故穩(wěn)定短路電流也不大。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)接線圖3.復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性在并勵(lì)的基礎(chǔ)上加上串勵(lì)繞組，就可以根據(jù)負(fù)載電流大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的磁通，進(jìn)而調(diào)節(jié)電樞電動(dòng)勢(shì)維持端電壓穩(wěn)定。復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組分為兩部分：并勵(lì)繞組和串勵(lì)繞組。并勵(lì)繞組和串勵(lì)繞組均安裝在同一主磁極上。并勵(lì)繞組與電樞繞組并聯(lián)，導(dǎo)線較細(xì)、匝數(shù)較多，其中流過(guò)的勵(lì)磁電流較??；串勵(lì)繞組與電樞繞組串聯(lián)，其中電流近似為電樞電流，導(dǎo)線較粗，一般只有幾匝。串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)和并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)方向可以相同，也可以相反，前者為積復(fù)勵(lì)，后者為差復(fù)勵(lì)。16.1直流發(fā)電機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.1.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的外特性綜合比較在積復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)中，并勵(lì)繞組起主要作用，保證空載時(shí)能產(chǎn)生額定電壓；串勵(lì)繞組起補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用，補(bǔ)償負(fù)載時(shí)電樞回路電阻壓降及電樞反應(yīng)去磁作用，使端電壓基本保持不變。根據(jù)串勵(lì)繞組作用強(qiáng)弱，積復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)外特性可出現(xiàn)三種形式：①串勵(lì)繞組補(bǔ)償適中，電壓變化率為0，為平復(fù)勵(lì)；②串勵(lì)繞組補(bǔ)償較強(qiáng)，補(bǔ)償有余，為過(guò)復(fù)勵(lì)；③串勵(lì)繞組補(bǔ)償較弱，補(bǔ)償不足，為欠復(fù)勵(lì)。一般積復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)用得較多。差復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的端電壓隨負(fù)載電流增加而急劇下降，只用于特殊情況，如直流電焊發(fā)電機(jī)。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性16.2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性16.2.3直流電機(jī)可逆性原理16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程1.電壓平衡方程并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路電動(dòng)機(jī)：Ea<U各物理量的正方向采用電動(dòng)機(jī)慣例并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：其電壓方程的Ra應(yīng)包含串勵(lì)繞組電阻2.功率平衡方程他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：pCuf將由勵(lì)磁電源提供。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程2.轉(zhuǎn)矩平衡方程直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡示意圖電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生Te以克服TL和T0形成的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，維持轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特性和機(jī)械特性。直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指U=常數(shù)，If=常數(shù)，電樞回路總電阻ΣRa=常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、效率η與輸出功率P2之間的關(guān)系，即n、Te、η

=f(P2)。電樞電流Ia隨輸出功率P2增大而增大，又便于測(cè)量，故時(shí)常將工作特性表示為n、Te、η=f(Ia)

。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是U=常數(shù)，If=常數(shù)，電樞回路總電阻ΣRa=常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化規(guī)律，即n=f(Te)

。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式不同，工作特性和機(jī)械特性有很大差異，下面分別介紹并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)屬于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特例，其工作特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性（1）轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)條件：U=UN，If=

IfN，ΣRa=Ra16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)接線圖并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性理想空載轉(zhuǎn)速：電樞壓降增大，轉(zhuǎn)速下降；電樞反應(yīng)去磁作用增強(qiáng)，Φ減小，轉(zhuǎn)速上升。電樞電流增大為保證并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，通常將電機(jī)設(shè)計(jì)為稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁回路不能斷路。勵(lì)磁回路斷開：①重載時(shí)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時(shí)電樞電流很大（相當(dāng)于起動(dòng)時(shí)的電流），超過(guò)額定電流好幾倍，引起電樞繞組過(guò)熱而燒壞電機(jī)。②輕載或空載時(shí)，轉(zhuǎn)速上升至危險(xiǎn)的高值，造成“飛車”現(xiàn)象而損壞電機(jī)。這兩種情況都非常危險(xiǎn)的，不允許發(fā)生，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加裝失磁保護(hù)。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（2）轉(zhuǎn)矩特性Te=f(Ia)條件：U=UN，If=IfN，ΣRa=Ra16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性不計(jì)磁路飽和，每極磁通Φ不變，Te∝Ia，轉(zhuǎn)矩特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線；計(jì)及磁路飽和，Ia較大時(shí)，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通Φ略有減小，轉(zhuǎn)矩特性略微向下彎曲。（3）效率特性η=f(Ia)條件：U=UN，If=IfN，ΣRa=Ra當(dāng)不變損耗等于可變損耗時(shí)，效率最高。一般接近額定功率前取得最大效率。直流電機(jī)中，電刷與換向器間有摩擦損耗和接觸壓降損耗，效率相對(duì)較低，一般額定效率為75%~85%。（4）機(jī)械特性n=f(Te)條件：U=UN，If=IfN，ΣRa=Ra16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性的斜率機(jī)械特性具有以下特點(diǎn)：①Te=0時(shí)，n=n0為理想空載轉(zhuǎn)速。電機(jī)實(shí)際空載運(yùn)行時(shí)，實(shí)際空載轉(zhuǎn)速比n0略小。②隨Te增大，n有所下降。由于Ra很小，β很小，機(jī)械特性較硬（接近水平線）。③如考慮電樞反應(yīng)的去磁作用的影響，可能會(huì)成為水平甚至上翹。轉(zhuǎn)速變化率通常3~8%，基本上為恒速電動(dòng)機(jī)。2.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性特點(diǎn)：I=

Ia=Is，因而每極磁通Φ隨電樞電流Ia變化很大。（1）轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)接線圖串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性負(fù)載較小、磁路不飽和時(shí)，Ks為常數(shù)，轉(zhuǎn)速特性大體成雙曲線關(guān)系；負(fù)載較大、磁路飽和時(shí)，Φ變化不大，轉(zhuǎn)速特性與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)類似。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)空載或負(fù)載很輕時(shí)，I=Ia=Is很小，Φ也很小，轉(zhuǎn)速極高，容易出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，因此串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不允許運(yùn)行在空載或負(fù)載很輕的情況下。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性式中n1/4

為輸出功率等于PN/4時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于不允許運(yùn)行在空載情況下，且轉(zhuǎn)速特性與縱軸沒有交點(diǎn)，所以轉(zhuǎn)速變化率定義為（2）轉(zhuǎn)矩特性Te=f(Ia)磁路不飽和時(shí)，磁路飽和時(shí)，Φ近似不變，，與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)類似。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（3）機(jī)械特性n=f(Te)磁路不飽和時(shí)，由，即可得

負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速下降較快，這種特性稱為軟特性。Ia較大、磁路飽和時(shí)，Φ變化不大，與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)類似。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性具有以下特點(diǎn)：①機(jī)械特性很軟，負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落很大。②空載時(shí)，空載轉(zhuǎn)速很高，出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行。③有很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和很強(qiáng)的過(guò)載能力。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.2直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)接線圖3.復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性（a）轉(zhuǎn)速特性、機(jī)械特性（b）轉(zhuǎn)矩特性直流電動(dòng)機(jī)特性比較復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性介于并勵(lì)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)之間。若并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)起主要作用，特性接近并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；若串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)起主要作用，特性接近串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。常用的勵(lì)磁方式是積復(fù)勵(lì)。差復(fù)勵(lì)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速特性、機(jī)械特性隨負(fù)載增大而上翹，容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常不用。16.2直流電動(dòng)機(jī)的基本方程與運(yùn)行特性

16.2.3直流電機(jī)可逆性原理（a）發(fā)電機(jī)狀態(tài)（b）電動(dòng)機(jī)狀態(tài)直流的可逆性從原理上來(lái)講，同一臺(tái)直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是直流電機(jī)可逆性原理。直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以根據(jù)Ea和Te來(lái)判斷：①Ea>U，Te與n反向，發(fā)電機(jī)運(yùn)行;②Ea<U，Te與n同向，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。從原理的可行性而言，同一臺(tái)直流電機(jī)可以用作發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)，但并不意味著可以隨便將本來(lái)制造時(shí)規(guī)定用作電動(dòng)機(jī)的直流電機(jī)改作發(fā)電機(jī)用，反之亦然。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速16.3.1人為機(jī)械特性16.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速16.3.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.1人為機(jī)械特性在分析時(shí)，忽略電樞反應(yīng)對(duì)機(jī)械特性的影響和電樞電感的作用，并認(rèn)為空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0或計(jì)入負(fù)載轉(zhuǎn)矩。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性表達(dá)式為U=UN，If=IfN，ΣRa=Ra，所得機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性或自然機(jī)械特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性表達(dá)式為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性為一條略微下傾的直線，特性較硬，負(fù)載時(shí)速降小。一臺(tái)電動(dòng)機(jī)只有一條固有機(jī)械特性，對(duì)應(yīng)某一電機(jī)轉(zhuǎn)矩，只有一個(gè)固定轉(zhuǎn)速。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.1人為機(jī)械特性改變固有機(jī)械特性中任何一個(gè)參數(shù)都可以得到一簇特性，這種人為地改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)而得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。1.電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性電樞串電阻時(shí)的機(jī)械特性機(jī)械特性的特點(diǎn)：①電壓和磁通保持額定值不變，理想空載轉(zhuǎn)速n0不變；②斜率β∝Ra+Rs，機(jī)械特性硬度降低，因而人為機(jī)械特性為交縱坐標(biāo)軸于一點(diǎn)（n=n0）但具有不同斜率的一簇射線。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.1人為機(jī)械特性2.改變電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性變電壓時(shí)的機(jī)械特性機(jī)械特性的特點(diǎn)：①U減小，n0降低；②斜率β不變，機(jī)械特性硬度不變，為一簇平行線。弱磁時(shí)的機(jī)械特性3.減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性機(jī)械特性的特點(diǎn)：①Φ減小，n0

升高；②Φ減小，斜率β增大，機(jī)械特性變軟。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須先接通勵(lì)磁回路，產(chǎn)生主磁場(chǎng)。起動(dòng)瞬間：Ra很小，Ist很大，通常為額定電流的10~20倍甚至更大；會(huì)產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，具有較強(qiáng)的起動(dòng)能力。對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)本身均產(chǎn)生很大的影響：引起電網(wǎng)電壓突降，影響接于同一線路上其他設(shè)備正常運(yùn)行；導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)換向困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)火，燒傷換向器表面，同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的電磁應(yīng)力，使繞組受到損傷；過(guò)大的電磁轉(zhuǎn)矩易于產(chǎn)生機(jī)械撞擊，使機(jī)械傳動(dòng)部件受到損害。因此必須對(duì)過(guò)大的起動(dòng)電流加以限制，使之不超過(guò)允許范圍。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1.直接起動(dòng)直接加額定電壓起動(dòng)（全壓起動(dòng)）優(yōu)點(diǎn)：不需要任何起動(dòng)設(shè)備，方案經(jīng)濟(jì)，操作方便，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。缺點(diǎn)：沒有限流措施，起動(dòng)電流大，可達(dá)額定電流的10~20倍，對(duì)直流電機(jī)的換向、溫升及機(jī)械可靠性均不利，還有可能影響同一母線上其他設(shè)備運(yùn)行。應(yīng)用：適用于容量很小的電動(dòng)機(jī)。常用起動(dòng)方法：①直接起動(dòng)；②電樞回路串可變電阻起動(dòng)；③降壓起動(dòng)。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)2.電樞回路串可變電阻起動(dòng)容量較大的電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)電流沖擊較大，可在起動(dòng)瞬間接入適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)電阻Rs=

Rs1+

Rs2+

Rs3，起動(dòng)電流被限制為（a）電路原理圖（b）轉(zhuǎn)速特性與機(jī)械特性（c）起動(dòng)時(shí)電流與轉(zhuǎn)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻起動(dòng)增大Imin，起動(dòng)級(jí)數(shù)增多，操作復(fù)雜，一般選Imin=(1.1~1.3)IL缺點(diǎn):設(shè)備笨重，頻繁起動(dòng)時(shí)電能損耗大，不經(jīng)濟(jì)。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)3.降壓起動(dòng)由可調(diào)壓直流電源供電時(shí)，可以采用降壓起動(dòng)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)開始時(shí)，降低端電壓，限制起動(dòng)電流：隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐步提高端電壓，并使電樞電流限制在一定范圍內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流小，起動(dòng)過(guò)程平滑、能量損耗少。缺點(diǎn)：需要一套專用的直流發(fā)電機(jī)或整流電源，投資費(fèi)用大。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速就是人為改變電機(jī)的電氣參數(shù)，從而改變機(jī)械特性，使之能在某一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速。由直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式可知，調(diào)速方法有三種：①電樞回路串電阻調(diào)速（串電阻調(diào)速）；②調(diào)節(jié)電源電壓調(diào)速（降壓調(diào)速）；③調(diào)節(jié)每極磁通調(diào)速（弱磁調(diào)速）。不難看出，這三種調(diào)速方法正好與三種人為機(jī)械特性一一對(duì)應(yīng)。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.電樞回路串電阻調(diào)速①當(dāng)空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍小，調(diào)速效果不明顯。②低速時(shí)電能損耗大，效率低。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，調(diào)速前后穩(wěn)態(tài)Ia不變，Rs消耗電功率，使系統(tǒng)效率降低。③隨著Rs增大，機(jī)械特性變軟，穩(wěn)速性能變差。④當(dāng)電樞電流為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)容許輸出的最大轉(zhuǎn)矩是恒定的，因此屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。⑤這種調(diào)速方式只能使轉(zhuǎn)速往下調(diào)節(jié)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；缺點(diǎn)：有級(jí)調(diào)速，只能轉(zhuǎn)速下調(diào)，輕載調(diào)速效果差，低速時(shí)效率低、機(jī)械特性軟。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2.調(diào)節(jié)電源電壓調(diào)速①機(jī)械特性相互平行，硬度不變，調(diào)速范圍寬。②電能損耗不變，效率高。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前后穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)Ia不變，電樞回路的銅耗不變。③當(dāng)電樞電流為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)容許輸出的最大轉(zhuǎn)矩是恒定的，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。④由于電源電壓不能超過(guò)額定端電壓，這種調(diào)速方式只能從額定電壓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速往下調(diào)節(jié)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性的硬度不變，可以實(shí)現(xiàn)平滑寬范圍調(diào)速，且電能損耗不大；缺點(diǎn)：需要可調(diào)電壓的直流源，設(shè)備復(fù)雜，且一般只能向下調(diào)速。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速3.調(diào)節(jié)每極磁通調(diào)速①因電機(jī)磁路設(shè)計(jì)在飽和段，所以只能減小磁通，此時(shí)機(jī)械特性上移且變軟，轉(zhuǎn)速上升。②當(dāng)電樞電流為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)容許輸出的最大功率是恒定的，屬于恒功率調(diào)速方式。③這種調(diào)速方式是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路串接電阻改變勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)的，設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，且效率較高。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，調(diào)速平滑，功率損耗不大，效率幾乎不變；缺點(diǎn)：調(diào)速范圍相對(duì)較小，轉(zhuǎn)速只能上調(diào)；對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，Φ越小，Ia越大，對(duì)換向不利。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速【例16-3】一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=10kW，UN=220V，nN=1000r/min，η=83%，電樞繞組電阻Rai=0.283Ω，2ΔUs=2V，IfN=1.77A。假設(shè)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，不計(jì)電樞反應(yīng)，試求：（1）額定運(yùn)行時(shí)的電樞電流；（2）在電樞回路中串入電阻調(diào)速，欲使轉(zhuǎn)速為500r/min，所串電阻值應(yīng)為多少？（3）在（2）的情況下，電動(dòng)機(jī)的效率。解：（1）額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸入功率為額定電流為額定電樞電流為（2）16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速前后電樞電流保持不變，即調(diào)速前后總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，則輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，故調(diào)速后電動(dòng)機(jī)的輸出功率為調(diào)速前后，電樞電流、勵(lì)磁電流、線端電流均不變，故調(diào)速后電動(dòng)機(jī)的輸入功率不變，即（3）則效率為16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速【例16-4】在例[16-3]中，若在電樞回路中串入1Ω電阻，不計(jì)電樞回路電感，試求：（1）串入電阻瞬間的電樞電流；（2）穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速。解：（1）串入電阻瞬間，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不能突變，n=nN，電樞電流立即突變?yōu)椋?）調(diào)速前后Φ不變，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，則電樞電流保持不變，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速為16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速【例16-5】在例[16-3]中，若調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路電阻，使磁通減少20%，不計(jì)電樞回路電感，試求：（1）磁通減少瞬間的電樞電流；（2）穩(wěn)定后的電樞電流和轉(zhuǎn)速。解：（1）磁通減少瞬間，CeΦ=0.8CeΦN，轉(zhuǎn)速不能突變，n=nN，電樞電流立即增加到（2）調(diào)速前后總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，Te=CTΦIa=TL=常數(shù)，則穩(wěn)態(tài)電樞電流與磁通成反比，即穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速為16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速【例16-6】一臺(tái)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=14.7kW，UN=220V，IN=78.5A，nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra+Rfs=0.26Ω，2ΔUs=2V。假設(shè)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，磁路不飽和，不計(jì)電樞反應(yīng)，電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，欲使轉(zhuǎn)速為350r/min，試求電樞回路中串入電阻的電阻值。解：磁路不飽和，由Te=C’TIa2=TL=常數(shù)可知，調(diào)速前后電樞電流為額定電流IN保持不變，即由于調(diào)速前后電樞電流為額定電流IN保持不變，則每極磁通Φ也保持不變，則電樞回路中串入電阻的電阻值16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，直流電機(jī)也有電動(dòng)和制動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)運(yùn)行：Te與n同向，從電源吸收電功率，輸出機(jī)械功率，機(jī)械特性位于第一和第三象限。制動(dòng)運(yùn)行：Te與n向，對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起阻礙作用，這時(shí)電動(dòng)機(jī)將從軸上吸收機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率，或消耗于電樞回路電阻，或反饋給電源，機(jī)械特性位于第二和第四象限。制動(dòng)方式：①能耗制動(dòng)；②反接制動(dòng)；③回饋制動(dòng)（再生制動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)）。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.能耗制動(dòng)（a）接線圖（b）機(jī)械特性能耗制動(dòng)原來(lái)電動(dòng)運(yùn)行，工作在A點(diǎn);制動(dòng)時(shí)開關(guān)S由位置“1”擲向位置“2”，電樞繞組從電源斷開，并經(jīng)制動(dòng)電阻RBr形成閉合回路;制動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速不能突變，nA=nB，運(yùn)行點(diǎn)將由A點(diǎn)躍變到B點(diǎn)，TeB為負(fù)值;電機(jī)將不斷減速，沿BO線降速運(yùn)行，直至轉(zhuǎn)速為0。在制動(dòng)過(guò)程中，將系統(tǒng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電阻上，因此稱之為能耗制動(dòng)。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)2.反接制動(dòng)（1）電壓反向的反接制動(dòng)（a）接線圖（b）機(jī)械特性電壓反向的反接制動(dòng)原來(lái)電動(dòng)運(yùn)行，工作在A點(diǎn);制動(dòng)時(shí)開關(guān)S由位置“1”擲向位置“2”，電樞回路串接電阻并接上極性相反的電壓;制動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速不能突變，U與Ea順向串聯(lián)，共同產(chǎn)生反向電流Ia，并產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;電機(jī)將不斷減速，沿BC線降速運(yùn)行，直至轉(zhuǎn)速為0；到達(dá)C點(diǎn)后，應(yīng)及時(shí)斷開電源，電機(jī)可能反轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速變負(fù)）。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)2.反接制動(dòng)（2）轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)

（a）接線圖（b）機(jī)械特性轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)原來(lái)電動(dòng)運(yùn)行，工作在A點(diǎn);制動(dòng)時(shí)斷開開關(guān)S，在電樞回路接入較大電阻RBr，機(jī)械特性曲線變軟，如BD線所示;制動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由A點(diǎn)躍變?yōu)锽點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)C點(diǎn)過(guò)渡到D點(diǎn);在CD段，n<0，Ea<0，形成“反接”與U形成順極性串聯(lián)，同時(shí)Te>0，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故稱CD段為轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。16.3直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速

16.3.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)3.回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)如果電動(dòng)機(jī)不從電網(wǎng)上斷開，讓其處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)，這種制動(dòng)方法稱為回饋制動(dòng)（再生制動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)）。降低電源電壓（如降壓調(diào)速時(shí)）或負(fù)載轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)發(fā)生改變（如電車下坡時(shí)）時(shí)，電動(dòng)機(jī)都有可能進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)。在回饋制動(dòng)過(guò)程中，有功率回饋電網(wǎng)，因此與能耗制動(dòng)及反接制動(dòng)相比，從電能消耗來(lái)看，回饋制動(dòng)較為經(jīng)濟(jì)。16.4.1換向的電磁現(xiàn)象16.4.2改善換向的方法16.4

直流電機(jī)的換向16.4直流電機(jī)的換向

16.4.1換向的電磁現(xiàn)象換向是直流電機(jī)的共同問題，也是制約直流電機(jī)發(fā)展的最主要問題。直流電機(jī)換向不好，將在電刷和換向器之間引起火花，火花超過(guò)一定程度，將加速電刷和換向器的損壞，影響電機(jī)正常工作。火花嚴(yán)重時(shí)，還容易導(dǎo)致環(huán)火，燒壞電機(jī)的換向器。此外，火花還會(huì)產(chǎn)生電磁波，對(duì)無(wú)線通信和周圍電子設(shè)備形成干擾。國(guó)家對(duì)換向時(shí)產(chǎn)生的火花等級(jí)及相應(yīng)的允許運(yùn)行狀態(tài)有一定的規(guī)定。換向過(guò)程涉及電磁、機(jī)械和電化學(xué)等方面的因素，十分復(fù)雜，準(zhǔn)確分析非常困難。目前對(duì)換向的理論分析，都是建立在一定簡(jiǎn)化基礎(chǔ)之上的，尚不能完全解決實(shí)際問題。下面僅就換向的電磁現(xiàn)象和改善換向的方法作簡(jiǎn)單介紹。16.4直流電機(jī)的換向

16.4.1換向的電磁現(xiàn)象1.換向過(guò)程直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流是交變的，需借助由于換向器的作用，某電樞元件從一條支路進(jìn)入另一條支路時(shí)，該元件中的電流方向?qū)l(fā)生改變，元件中電流方向發(fā)生改變的過(guò)程稱為換向。直流電機(jī)電樞磁場(chǎng)示意圖單疊繞組電路圖旋轉(zhuǎn)的換向器和靜止的電刷才能獲得直流電壓和直流電流。16.4直流電機(jī)的換向

16.4.1換向的電磁現(xiàn)象（a）換向開始（b）換向中

（c）換向結(jié)束元件1的換向過(guò)程換向開始，元件1處于右支路，電流經(jīng)上層邊流出，為+ia；換向中，電刷與換向片1、2同時(shí)接觸，元件1被短接，電流從+ia逐漸向-ia變化；換向結(jié)束，電流經(jīng)下層邊流出，變?yōu)?ia，元件1切換到左支路。換向過(guò)程很短，換向周期Tc約為幾毫秒。16.4直流電機(jī)的換向

16.4.1換向的電磁現(xiàn)象左圖為理想換向過(guò)程中換流電流波形，但換向元件中多種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在會(huì)對(duì)換流電流產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致實(shí)際的換流過(guò)程與理想換流過(guò)程差別很大。換向元件的理想化的換流曲線2.換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（1）電抗電動(dòng)勢(shì)換向電流的變化必然將在換向元件中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)存在自感電動(dòng)勢(shì)eLσ和互感電動(dòng)勢(shì)eMσ兩種成分。eLσ為換向元件本身的漏磁自感電動(dòng)勢(shì)，eMσ為同時(shí)換向的其他元件通過(guò)互感作用而感生的漏磁互感電動(dòng)勢(shì)。則電抗電動(dòng)勢(shì)16.4直流電機(jī)的換向

16.4.1換向的電磁現(xiàn)象直流電機(jī)電樞磁場(chǎng)示意圖（2）旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)換向元件切割換向區(qū)域內(nèi)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)Bk產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)或運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)ek。無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，換向元件中旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的方向總是與換向前元件中電流方向一致，因此總是阻礙換向的，即ek與er同方向。為了改善換向，在電機(jī)的幾何中線處裝有換向極，換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向極磁場(chǎng)方向與交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)方向相反，其強(qiáng)度比交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)稍強(qiáng)，因此在這種情況下，在換向元件產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)ek與er反向。在裝有換向極時(shí)，ek為負(fù)值。理想情況下，Σe=er+ek=0。通常情況下，Σe≠0，若Σe較大，將導(dǎo)致?lián)Q向不良，在電刷下產(chǎn)生火花。16.4直流電機(jī)的換向

16.4.1換向的電磁現(xiàn)象根據(jù)合成電動(dòng)勢(shì)Σe的不同，換向元件中的電流變化情況分為三種：換向元件的換流曲線3.換向元件中的電流變化規(guī)律（1）直線換向—Σe=0時(shí)的換向在換向期內(nèi)任一瞬間，整個(gè)電樞接觸面上電流密度均勻分布，換向情況良好，因換向而產(chǎn)生的損耗和發(fā)熱較小，也不會(huì)出現(xiàn)換向火花。（2）延遲換向—Σe>0時(shí)的換向使換向元件中換向電流改變方向的時(shí)刻向后推延，易導(dǎo)致在后刷邊出現(xiàn)火花。（3）超越換向—Σe<0時(shí)的換向使換向電流改變方向的時(shí)刻提前，與延遲換向相反，易導(dǎo)致在前刷邊出現(xiàn)火花。16.4直流電機(jī)的換向

16.4.2改善換向的方法改善換向最有效的方法是裝設(shè)換向極，除少數(shù)小容量電機(jī)外，現(xiàn)代直流電機(jī)幾乎都在相鄰兩個(gè)主磁極之間的幾何中心處裝有換向極。裝設(shè)換向極改善換向1.裝設(shè)換向極換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)；換向極磁動(dòng)勢(shì)與交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)方向相反：一部分抵消交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)，另一部分在換向區(qū)內(nèi)建立一個(gè)與交軸電樞磁場(chǎng)相反的換向極磁場(chǎng)；讓換向元件切割該磁場(chǎng)后產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電抗電動(dòng)勢(shì)抵消，Σe=0，使換向變?yōu)槔硐氲木€性換向。16.4直流電機(jī)的換向

16.4.2改善換向的方法交軸電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，在極靴下增磁區(qū)內(nèi)使氣隙磁密很高，在元件感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢(shì)，致使與之相連的換向片的片間電位差較大，在換向片間產(chǎn)生電位差火花，與電刷下的火花匯合在一起，嚴(yán)重時(shí)形成環(huán)火。環(huán)火是一種十分危險(xiǎn)的現(xiàn)象，不僅會(huì)燒壞電刷和換向器，而且會(huì)損傷到電樞繞組。補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，磁動(dòng)勢(shì)方向與交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)相反，在任何負(fù)載下均能減少或消除由交軸電樞反應(yīng)引起的氣隙磁場(chǎng)畸變。裝設(shè)補(bǔ)償繞組防止環(huán)火2.裝設(shè)補(bǔ)償繞組氣隙磁場(chǎng)分布與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)16.4直流電機(jī)的換向

16.4.2改善換向的方法補(bǔ)償繞組為同心式，跨極靴嵌放（兩元件邊對(duì)稱地安