1、第二篇第二篇 第第6 6章章 直流電機原理直流電機原理 直流電機的用途及直流電機的用途及基本工作原理基本工作原理 直流電機的主要結構與型號直流電機的主要結構與型號 直流電機的磁路直流電機的磁路 直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組 電樞電動勢與電磁轉矩電樞電動勢與電磁轉矩 直流電動機運行原理直流電動機運行原理 他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 直流電機的換向直流電機的換向 6.1 直流電機的用途及基本工作原理直流電機的用途及基本工作原理電源電源勵磁機勵磁機測速測速伺服伺服6.1.1 直流電機的用途直流電機的用途直流電機的特點：直流電機的特點： 直流發電機的電勢波形較好，對電磁干

2、擾的影直流發電機的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小。響小。 直流電動機的調速范圍寬廣，調速特性平滑。直流電動機的調速范圍寬廣，調速特性平滑。直流電動機過載能力較強，啟動和制動轉矩較直流電動機過載能力較強，啟動和制動轉矩較大。大。 易于控制，可靠性較高易于控制，可靠性較高 由于存在換向器，其制造復雜，價格較高由于存在換向器，其制造復雜，價格較高abcdNS6.1.2 基本工作原理基本工作原理1、直流發電機的工作原理直流發電機的工作原理電刷電刷換向片換向片轉子、繞組轉子、繞組定子定子f=Bli e=Blv直流發電機運行時的幾點結論：直流發電機運行時的幾點結論：1）電樞線圈內電勢、電流方向是交流電；

3、）電樞線圈內電勢、電流方向是交流電；2）電刷間為直流電勢。線圈中感應電勢與電）電刷間為直流電勢。線圈中感應電勢與電流方向一致；流方向一致；3）從空間看，）從空間看， 電樞電流產生的磁場在空間上電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；是恒定不變的磁場；4）產生的電磁轉矩）產生的電磁轉矩T與轉子轉向相反，與轉子轉向相反， 是制是制動性質。動性質。abcdNSU2、直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理IIffabcdNSUIIffeeeef=Bli e=Blv直流電動機運行時的幾點結論：直流電動機運行時的幾點結論：1）外施電壓、電流是直流，）外施電壓、電流是直流， 電樞線圈內電流電樞線圈內電

4、流是交流；是交流；2）線圈中感應電勢與電流方向相反；）線圈中感應電勢與電流方向相反；3）線圈是旋轉的，電樞電流是交變的；）線圈是旋轉的，電樞電流是交變的；4）產生的電磁轉矩）產生的電磁轉矩T與轉子轉向相同，是驅動與轉子轉向相同，是驅動性質。性質。結結 論論一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發電機運行。也可以作為發電機運行。同一臺電機既能作電動機又能作發電機運行的同一臺電機既能作電動機又能作發電機運行的這種原理，在電機理論中稱為這種原理，在電機理論中稱為可逆原理可逆原理。6.2 直流電機的主要結構與型號直流電機的主要結構與型號主磁極主磁極換

5、向磁極換向磁極電刷裝置電刷裝置機座機座端蓋端蓋定子定子轉子轉子電樞鐵心電樞鐵心電樞繞組電樞繞組換向器換向器轉軸轉軸軸承軸承直流電機直流電機6.2.1 主要結構主要結構1、定子部分、定子部分（1）主磁極主磁極1主磁極鐵心主磁極鐵心2勵磁繞組勵磁繞組3機座機座主磁極鐵心用主磁極鐵心用11.5mm厚的鋼板沖片疊壓而成。厚的鋼板沖片疊壓而成。4 444轉子轉子（2）換向極）換向極1換向極鐵心換向極鐵心2換向極繞組換向極繞組換向極鐵心一般用整塊鋼換向極鐵心一般用整塊鋼或鋼板板疊片加工而成。或鋼板板疊片加工而成。換向極繞組與電樞繞組串換向極繞組與電樞繞組串聯。聯。作用作用：改善換向。：改善換向。（3）機座

6、）機座作用：作用： v 一是用來固定主磁極、換向極和端蓋等，起機械支一是用來固定主磁極、換向極和端蓋等，起機械支承的作用；承的作用；v 二是作為電機磁路的一部分。二是作為電機磁路的一部分。機座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。機座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。（4）電刷裝置）電刷裝置電刷的電刷的作用作用是把轉動的電樞是把轉動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。流或逆變器的作用。4刷握刷握3電電刷刷2壓緊彈簧壓緊彈簧1銅絲辮銅絲辮2、轉子部分、轉子部分（1）電樞鐵心電樞鐵心作用：作用： v 一是作為電機主磁路的主要部分；一是

7、作為電機主磁路的主要部分；v 二是嵌放電樞繞組。二是嵌放電樞繞組。 為了減少電樞旋轉時電樞鐵心中因磁通變化而引起的為了減少電樞旋轉時電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。（2）電樞繞組電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規律聯接的線圈組成，它是直電樞繞組是由許多按一定規律聯接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，是通過電流和感應產生電動勢流電機的主要電路部分，是通過電流和感應產生電動勢以實現機電能量轉換的關鍵部件。以實現機電能量轉換的關鍵部件。線圈用帶絕緣的圓形或矩形

8、線圈用帶絕緣的圓形或矩形截面導線繞成，嵌放在電摳截面導線繞成，嵌放在電摳槽內，上下層之間以及線圈槽內，上下層之間以及線圈與鐵心之間都要妥善地絕緣。與鐵心之間都要妥善地絕緣。然后用槽楔壓緊，再用鋼絲然后用槽楔壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，以防止離或玻璃絲帶扎緊，以防止離心力將繞組甩出槽外。心力將繞組甩出槽外。（3）換向器換向器作用：作用：是將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交是將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流，在直流發電機中，它將繞組內的交變電動勢轉變電流，在直流發電機中，它將繞組內的交變電動勢轉換為電刷端上的直流電動勢。換為電刷端上的直流電動勢。換向器由許多換向換向器由許多換

9、向片組成。換向片之片組成。換向片之間用云母絕緣。電間用云母絕緣。電樞繞組的每一個線樞繞組的每一個線圈兩端分別焊接在圈兩端分別焊接在兩個換向片上。兩個換向片上。直流電機的基本結構總結直流電機的基本結構總結主要由定子、轉子兩部分組成主要由定子、轉子兩部分組成直流電機直流電機定子定子轉子轉子機座機座換向極換向極主磁極主磁極電刷裝置電刷裝置電樞鐵心電樞鐵心軸承軸承換向器換向器風扇風扇 轉軸轉軸電樞繞組電樞繞組額定容量額定容量PN： 輸出功率，單位輸出功率，單位kW額定電壓額定電壓UN：額定狀態下出線端電壓，單位：額定狀態下出線端電壓，單位V額定電流額定電流IN：額定狀態下出線端電流，單位：額定狀態下出

10、線端電流，單位A額定轉速額定轉速nN： 額定狀態下的電機轉速，單位額定狀態下的電機轉速，單位r/min直流發電機：直流發電機： PNUN IN直流電動機：直流電動機： PNUN IN 額定勵磁電壓、額定勵磁電流和勵磁方式等。額定勵磁電壓、額定勵磁電流和勵磁方式等。NNNNNNNnPnPPT55. 96022 電動機軸上輸出電動機軸上輸出的額定轉矩：的額定轉矩：6.2.2 電機的銘牌數據電機的銘牌數據Ch7 直流電機的磁路電樞繞組直流電機的磁路電樞繞組7.1.1 直流電機的磁路直流電機的磁路直流電機空載時的磁場分布直流電機空載時的磁場分布磁路從磁路從氣隙氣隙1出發經出發經電樞電樞齒電樞軛電樞齒齒

11、電樞軛電樞齒2氣氣隙隙2主磁極主磁極2定子軛主定子軛主磁極磁極1，最后又回到最后又回到氣隙氣隙1每極磁勢：每極磁勢：ffNIF mfmmmamtmfRRRRRF2222ffNIF mtRmRmaRmmRmfR：氣隙磁阻：氣隙磁阻：電樞齒磁阻：電樞齒磁阻：電樞磁軛磁阻：電樞磁軛磁阻：主磁極磁阻：主磁極磁阻：定子磁軛極磁阻：定子磁軛極磁阻：主磁極磁通勢：主磁極磁通勢7 7. .1 1.2 .2 空載時氣隙磁通密度的分布波形空載時氣隙磁通密度的分布波形由上圖得：由上圖得：mfmfRFRF22imlR0而上式中分子為氣隙；分母為空氣導磁系數、磁管寬度和電機軸長li為面積整理可得：fixFlB0在一個磁

12、極的范圍內，勵磁磁勢大小一樣，在一個磁極的范圍內，勵磁磁勢大小一樣，B大小完全與氣隙長度成反比。大小完全與氣隙長度成反比。在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強，在勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于密等于0。Bl極距極距7.1.3 空載磁化特性空載磁化特性 為了感應電動勢或產生電磁為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通定量的

13、每極磁通 ，空載時，氣，空載時，氣隙磁通隙磁通 與空載磁通勢與空載磁通勢 或空或空載勵磁電流載勵磁電流 的關系，稱為直流的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。電機的空載磁化特性。0 0 0fF0fI 為了經濟、合理地利用材料，為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定一般直流電機額定運行時，額定磁通磁通 設定在圖中設定在圖中A點，即在磁點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區的位化特性曲線開始進入飽和區的位置。置。N fNI0fF0fIfFfIA0N 0 7.1.4 直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式+Ua+Uf他他勵勵并并勵勵串串勵勵復復勵勵1. 直流電動機按勵磁方式分類直流電動機按勵

14、磁方式分類MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流發電機按勵磁方式分類直流發電機按勵磁方式分類自自勵勵他他勵勵串串勵勵復復勵勵并并勵勵GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI7.2 直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組對電樞繞組的要求：對電樞繞組的要求：在通過規定的電流和產生在通過規定的電流和產生足夠的電勢和電磁轉矩足夠的電勢和電磁轉矩前前提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有效材料最省， 強度高（機械、電強度高（機械、電氣、熱），氣、熱）， 運轉可靠，結構簡單等。運轉可靠，結構簡單等。 電樞繞組：電樞繞組：直流電機的電磁感應的關鍵部

15、件之一直流電機的電磁感應的關鍵部件之一, , 是直流電機的電路部分，亦是實現機電能量轉換的是直流電機的電路部分，亦是實現機電能量轉換的樞紐。樞紐。電樞繞組的基本知識：電樞繞組的基本知識：元件元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。分單匝和多匝兩種。元件的首末端元件的首末端：每一個元件均引出兩每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。端，另一根稱為末端。元件邊元件邊極距極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用面之間的距離，用表示。表示。首端首端末端末端pD2 端部

16、端部繞組實物圖繞組實物圖電樞繞組的基本知識：電樞繞組的基本知識：第二節距第二節距y2：連至同一換向片上連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間層邊與第二個元件的上層邊間的距離。的距離。第一節距第一節距y1：一個元件的兩條有一個元件的兩條有效邊在電樞表面跨過的距離。效邊在電樞表面跨過的距離。y1y2y合成節距合成節距y ：連接同一換向片上連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。的兩個元件對應邊之間的距離。換向節距換向節距yk：同一元件首末端連同一元件首末端連接的換向片之間的距離。接的換向片之間的距離。電樞繞組的基本知識：電樞繞組的基本知識

17、：K：換向片個數：換向片個數S：元件數：元件數Z：實槽，實際槽：實槽，實際槽u：虛槽，實槽中一層并列放置的元件邊數：虛槽，實槽中一層并列放置的元件邊數Ze：虛槽數，：虛槽數，Ze=uZ=S=kz：電樞繞組全部導體數：電樞繞組全部導體數總導體數：總導體數：z=2uZNy=2NyZeNy：每元件串聯匝數每元件串聯匝數7.2.1 單疊繞組單疊繞組單疊繞組的單疊繞組的連接規律連接規律是：后一個元件緊接著前一個元件是：后一個元件緊接著前一個元件嵌放（相差一個槽，嵌放（相差一個槽，y=1），同時每個元件的出線端依），同時每個元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個閉合回路。次連接到相鄰的換向片上

18、，最后形成一個閉合回路。特點：特點：虛虛槽數槽數Ze、元件數、元件數S和換向片數和換向片數K三者相同三者相同單疊繞組的合成節距等于一個槽，換向節距等于一個換單疊繞組的合成節距等于一個槽，換向節距等于一個換向片。向片。y=yk=1即：即： Z ZZeZeS SK K1616圖圖1-12 單疊繞組展開圖（單疊繞組展開圖（p p1 Z ZZeZeS S6 6 ） 直流電樞繞組直流電樞繞組A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB結論：結論：整個電樞繞組通過換向片連成閉合回路。整個電樞繞組通過換向片連成閉合回路。A B12345678單疊繞組分析實例：單疊

19、繞組分析實例：1. 數據計算數據計算yyk1實例：極對數實例：極對數 p2， 每槽兩層，每層一邊每槽兩層，每層一邊(u=1)， ZZeSK164221621pZypZ2有時有時，不是整數，但不是整數，但y1是整數是整數所以所以，pZy21夸一個極距是要夸一個極距是要得到最大轉矩得到最大轉矩11.槽展開槽展開2.繞組放置繞組放置3.安放磁極電刷安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開槽展開繞組放置繞組放置安放電刷、磁極安放電刷、磁極NSNS+單疊繞組的電氣連接圖單疊繞組的電氣連接圖3.繞組放置繞組放置 元件元件1： 上元件邊在上

20、元件邊在1槽，槽， 下元件邊放在相距下元件邊放在相距y1=4即即5槽下層。槽下層。 元件元件2： 上元件邊在上元件邊在2槽，槽， 下元件邊放在相距下元件邊放在相距y1=4即即6槽下層。槽下層。以此類推以此類推某一瞬間某一瞬間電刷、磁極放置電刷、磁極放置磁極磁極：磁極寬度約：磁極寬度約0.7, , N、S極交替安排。極交替安排。 電刷：電刷：連接內、外電路。為了在正負電刷間獲得最大連接內、外電路。為了在正負電刷間獲得最大直流電勢以及產生最大的電磁轉矩，電刷放在被電刷直流電勢以及產生最大的電磁轉矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢為零的位置。短路的元件電勢為零的位置。 電勢為零的元件：在一個主極下的元

21、件邊電勢具有相電勢為零的元件：在一個主極下的元件邊電勢具有相同的方向。同的方向。 在磁極的幾何中心線上電勢為零。在磁極的幾何中心線上電勢為零。 電刷放置：電刷放置：電刷放置在主磁極軸線上。電刷放置在主磁極軸線上。 繞組電路圖：繞組電路圖：結合電刷的放置，結合電刷的放置， 得到該瞬時的電路圖得到該瞬時的電路圖每個極下的元件組成一條支路。即單疊繞組的并聯支每個極下的元件組成一條支路。即單疊繞組的并聯支路數正好等于電機的極數。路數正好等于電機的極數。 單疊繞組的特點：單疊繞組的特點： 元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上。元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上。 并聯支路數等于磁極數，并聯支路數等

22、于磁極數，2a=2p; 整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零， 繞繞組內部無環流；組內部無環流； 每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數等于每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數等于磁極數磁極數; 正負電刷引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓正負電刷引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓等于支路電壓; 由正負電刷引出的電樞電流由正負電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即為各支路電流之和，即aaaiI2 7.2.2 單波繞組單波繞組串聯的元件所生的電勢同向相加，串聯的元件所生的電勢同向相加， 合成

23、節距合成節距 2y單波繞組：換向節距單波繞組：換向節距yk必須符合必須符合 即即 1KyPk pKyk1繞組從某一換向片出發，繞組從某一換向片出發， 沿電樞鐵心一周后回到原沿電樞鐵心一周后回到原來出發點相鄰的一片上，來出發點相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。則可由此再繞下去。 單波繞組的單波繞組的連接規律連接規律是：把相同極性磁極下的元件連是：把相同極性磁極下的元件連接起來。接起來。1Kpyk（y yk k為整數）為整數）單波繞組分析實例:實例：實例：p2， Ze=SK151.繞組數據計算繞組數據計算44141521pZy721151pKyyk34712yyy元件、磁極、電刷放置原則元件、磁極

24、、電刷放置原則元件、換向片的放置元件、換向片的放置：1 1元件上層邊元件上層邊1 1槽，下層邊槽，下層邊4 4槽槽; ;首末端所連的換向首末端所連的換向片相距片相距y yk k7 7；為了端部對稱，為了端部對稱， 首末端所連的兩換向片之間的中心線首末端所連的兩換向片之間的中心線與與1 1元件的軸線重合。元件的軸線重合。1 1元件上層邊所連的換向片元件上層邊所連的換向片定為定為1 1。 依次聯接依次聯接。 磁極放置：磁極放置： N、S極磁極均勻交替的排列。極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：電刷的放置：放在與主極軸線對準的換向片上。放在與主極軸線對準的換向片上。 單波繞組展開圖單波繞組展開圖334

25、5678911101213 1415214567891011 1213 14 1512SNNS槽展開槽展開繞組放置繞組放置安放磁極、電刷安放磁極、電刷單波繞組元件連接順序表單波繞組元件連接順序表從繞組展開圖可以看出，從繞組展開圖可以看出， 全部全部15個元件串聯而構成一個元件串聯而構成一個閉合環路的順序是：個閉合環路的順序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用聯接順序圖表示為：用聯接順序圖表示為：18 157 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2994 11 3 102 918 15 7 14 6 13 512上層邊上層邊下層邊下層邊槽號及元件號槽號及元

26、件號槽號槽號181571461351241131029換向片號換向片號短路的換向片短路的換向片在環路中相鄰在環路中相鄰單波繞組電路圖單波繞組電路圖單波繞組把單波繞組把相同極性下相同極性下的全部元件串聯起來組成一條支的全部元件串聯起來組成一條支路。路。 由于磁極只有由于磁極只有N、S之分，之分， 所以單波繞組的支路對所以單波繞組的支路對數數a與極對數多少無關，永遠為與極對數多少無關，永遠為1，即，即a1。 單疊繞組和單波繞組的區別單疊繞組和單波繞組的區別單疊繞組：先串聯所有上元件邊在同一極下的元件，單疊繞組：先串聯所有上元件邊在同一極下的元件， 形成一條支路。形成一條支路。 每增加一對主極就增加

27、一對支路。每增加一對主極就增加一對支路。 2a2p。疊繞組并聯的支路數多，疊繞組并聯的支路數多， 每條支路中串聯元件數少，每條支路中串聯元件數少，適應于較大電流、較低電壓的電機。適應于較大電流、較低電壓的電機。 單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。相連，形成一條支路。 整個繞組只有一對支路，整個繞組只有一對支路， 極數的增減與支路數無關。極數的增減與支路數無關。 2a2。波繞組并聯的支路數少，波繞組并聯的支路數少， 每條支路中串聯元件數每條支路中串聯元件數多，多， 適用于較高電壓、較小電流的電機。適用于較高電壓、較小電流的電機

28、。avBllBavlBavlvBeavav602npv602npeavnCnapznpazeazEeava6060222apzCe60電樞感應電勢為：為電動勢常數aavavilBf2DfTavxaTaaaavICIapzpzaIllDzaIlBT222222apzCT2aaaiI2合成磁場合成磁場（負載時的磁場）（負載時的磁場）NS幾何幾何中心線中心線 N S勵磁磁場勵磁磁場（空載磁場）（空載磁場）物理物理中心線中心線電樞磁場電樞磁場 電樞反應：電樞反應：電樞磁通勢主極磁場產生變化。電樞磁通勢主極磁場產生變化。8 8. .1 1.1.1直流發電機的基本方程式直流發電機的基本方程式 他勵直流發電

29、機慣例他勵直流發電機慣例1.1.轉矩方程式轉矩方程式 穩定運行時：穩定運行時： 式中：式中：T1為原動機的拖動轉矩，為原動機的拖動轉矩，T為發電機為發電機中產生的電磁轉矩，其性質為制動轉矩，中產生的電磁轉矩，其性質為制動轉矩，T0為空載轉矩，它是由電機的機械摩擦和為空載轉矩，它是由電機的機械摩擦和鐵損引起的轉矩。鐵損引起的轉矩。 發電機的轉向由原動機決定，發電機的轉向由原動機決定，T1T，故電，故電磁轉矩為制動轉矩，是阻礙原動機的阻力磁轉矩為制動轉矩，是阻礙原動機的阻力矩。矩。01TTTdtdnGDdtdJTTT3752012.2.電路方程式電路方程式 電樞回路方程為：電樞回路方程為：Ea=U

30、+IaRa式中式中Ra為電樞回路總電阻，它包括電刷接為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內阻。觸電阻和電樞繞組內阻。 勵磁回路方程為：勵磁回路方程為：Uf=IfRf式中式中Rf為勵磁回路總電阻，它包括勵磁回為勵磁回路總電阻，它包括勵磁回路外串電阻和勵磁繞組內阻。路外串電阻和勵磁繞組內阻。 從發電機電壓基本方程式可見：電樞電勢從發電機電壓基本方程式可見：電樞電勢Ea必須大于電樞端電壓必須大于電樞端電壓U，這也是判斷電，這也是判斷電機是否處于發電運行狀態的依據。機是否處于發電運行狀態的依據。8 8. .1 1.2.2功率平衡關系功率平衡關系 從原動機輸入的機械功率為：從原動機輸入的機械功

31、率為： P1=PM+p0 式中：式中：P1為輸入的機械功率；為輸入的機械功率；PM為電磁功為電磁功率；率；p0為空載損耗。為空載損耗。 空載損耗等于鐵損空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗、機械摩擦損耗pm、附加損耗附加損耗ps，即：，即：p0=pFe+pm+ps 其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計算。其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計算。靠經驗估算約為額定功率靠經驗估算約為額定功率P的的0.5%1%。功率公式功率公式 電磁功率為：電磁功率為： 從中可見電磁功率可表示為：從中可見電磁功率可表示為：PM=T 上式說明電磁功率具有機械功率性質。上式說明電磁功率具有機械功率性質。 同時電

32、磁功率又可表示為：同時電磁功率又可表示為：PM=EaIa 此表達式說明電磁功率又具有電功率性質，所以電磁功率此表達式說明電磁功率又具有電功率性質，所以電磁功率是機電能量轉換的橋梁。是機電能量轉換的橋梁。 Ea=U+IaRa , U=Ea-IaRa , IaU=IaEa-Ia2Ra 發電機輸出的電功率為：發電機輸出的電功率為：P2=PM-pCua 式中：式中：pCua為電樞回路銅耗；為電樞回路銅耗；P2為輸出的電功率，同時輸為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為：出功率又可表示為： P2=UIaaaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022他勵直流發電機功率流程圖他勵直流發電機功率流

33、程圖他勵直流發電機功率流程圖他勵直流發電機功率流程圖SM效率效率 他勵直流發電機的總損耗為他勵直流發電機的總損耗為p=pFe+pm+pad+pCua，即：，即： p=p0+pCua 效率為：效率為： pPpPpPPP211121pPp21例題例題 例題例題5-1一臺并勵直流發電機數據為：一臺并勵直流發電機數據為：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，電樞繞組總電阻，電樞繞組總電阻Ra=0.0259，并勵繞組內阻并勵繞組內阻Rf=22.8，額定負載時，并勵回路串入的調，額定負載時，并勵回路串入的調節電阻節電阻Rf=3.5，一對電刷壓降，一對電刷壓降2U=2V，pFe+pm=2.

34、5kW，附加損耗附加損耗pad=0.005PN，試求額定負載時，發電機的輸入功，試求額定負載時，發電機的輸入功率、電磁功率、電磁轉矩和效率。率、電磁功率、電磁轉矩和效率。 2308.75( )22.83.5NfffUIARR 382 10356.52( )230NNNPIAU 解：（解：（1）求電磁功率）求電磁功率 勵磁電流為：勵磁電流為： 額定負載電流為：額定負載電流為： 電樞電流為：電樞電流為： 電樞電勢為：電樞電勢為： 電磁功率為：電磁功率為： （2 2）求輸入功率）求輸入功率356.528.75365.27()aNfIIIA 2230 365.27 0.029 2241.5( )aNa

35、aEUI RUV 241.5 365.2788.2()emaaPE IkW)(9182005. 05 . 22 .881kWpppPPadmFeem （3 3）求電磁轉矩）求電磁轉矩 （4 4）求效率）求效率)(4 .868970102 .8855. 955. 93mNnPTNem%1 .90%1009182%10012PP他勵（并勵）直流電動機慣例他勵（并勵）直流電動機慣例第九章第九章 直流電動機直流電動機9.1.1直流電動機的基本方程式直流電動機的基本方程式1.1.轉矩方程式轉矩方程式 穩態時穩態時 當負載轉矩為當負載轉矩為TL，軸上輸出有，軸上輸出有T2=TL，電動，電動機勻速穩定運行時

36、有：機勻速穩定運行時有： T=T2+T0 其中電磁轉矩為：其中電磁轉矩為：T=CTIa計算，（計算，（T2+T0）為總的阻轉矩，方向與為總的阻轉矩，方向與T相反。相反。 02TTTdtdnGDdtdJTTT3752022.2.電樞電樞回路電壓方程式回路電壓方程式 U=Ea+IaRa 其中反電勢其中反電勢Ea=Cen，并勵時：并勵時：U=If(rf +Rfad ) 他勵直流電動機輸入功率為：他勵直流電動機輸入功率為： P1=UI=UIa=Ia（Ea+IaRa）=EaIa+Ia2Ra P1=PM+pCua 式中電磁功率式中電磁功率PM的功率性質為電功率，的功率性質為電功率，pCua=Ia2Ra為電

37、樞回路上的銅耗。為電樞回路上的銅耗。9 9. .1 1.2.2.他勵直流電動機的功率關系他勵直流電動機的功率關系aaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022電磁功率電磁功率 在轉矩平衡方程式在轉矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘兩邊同乘以角速度以角速度可得：可得：T=T2+T0， 則有：則有：PM=P2+p0 也可表示為：也可表示為：P2=PM-p0 式中電磁功率式中電磁功率PM的功率性質為機械的功率性質為機械功率，空載損耗：功率，空載損耗：p0=pFe+pm+pad。 他勵直流電動機功率流程圖他勵直流電動機功率流程圖M1.1.轉速特性轉速特性 指當指當U=UN，If=IfN，(

38、=N)時，電樞時，電樞回路外串電阻回路外串電阻R=0時，時，n=(Ia)關系。關系。 根據電勢方程式根據電勢方程式Ea=CeNn和電壓方程和電壓方程式式U=Ea+IaRa可得可得： aNeaaNeaNeNICRnICRCUn09 9. .1 1.3.3他他勵（并勵）直流電動機的工作特性勵（并勵）直流電動機的工作特性2.2.轉矩特性轉矩特性 轉矩特性是指當轉矩特性是指當U=UN，If=IfN，電樞回，電樞回路外串電阻路外串電阻R=0時，時，T=(Ia)關系。關系。 根據轉矩公式根據轉矩公式T=CTIa，忽略電樞反應，忽略電樞反應，轉矩特性是一條過原點的直線。轉矩特性是一條過原點的直線。3.3.效

39、率特性效率特性 效率特性是指當效率特性是指當U=UN，If=IfN，電樞回路，電樞回路外串電阻外串電阻R=0時，時，=(Ia)關系。關系。 根據效率的定義可得：根據效率的定義可得： 式中總損耗：式中總損耗： aIUpPPN121aaFemcuaRIpppppp2s0另外，效率中另外，效率中p p0 0與與I Ia a無關，無關， I Ia a變大使銅耗加大變大使銅耗加大工作特性工作特性n，T，Ia(P2)0n=f(Ia)=f(Ia)T=f(Ia)圖136 他勵(并勵)直流電動機工作特性aTICTpPPPP2212aNeaICRnn09 9. .2 2 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性

40、9.2.1機械特性的一般表達式機械特性的一般表達式 他勵直流電動機的機械特性是指他勵直流電動機的機械特性是指n=(T) ，其，其 數學表達式為：數學表達式為： 式中式中 稱為斜率，稱為斜率，n nN N為額定負為額定負載時的轉速降。載時的轉速降。TnTCCRRCUnTeaeN022TeaCCRR在電源電壓在電源電壓U U = =U UN N，氣隙磁通，氣隙磁通 = =N N，電樞外串電，電樞外串電阻阻R R=0=0時，時，n n =(=(T T ) )的機械特性，其數學表達式為：的機械特性，其數學表達式為：TnTCCRCUnNTeaNeN02NeNCUn0空載轉速：空載轉速：9 9. .2 2

41、.2.2固有機械特性固有機械特性2NTeaCCR斜率：斜率：（特性的軟和硬）（特性的軟和硬）幾個重要狀態：幾個重要狀態：理想空載轉速理想空載轉速n0 ，實際空載轉速，實際空載轉速n0空載工作點，額定工作點空載工作點，額定工作點啟動轉矩啟動轉矩TsTs固有機械特性圖固有機械特性圖其他象限工作情況其他象限工作情況TnTCCRCUnNTeaNeN02nn0TTso注意：穩定運行注意：穩定運行即：即：T = TT = TL L（2 2）人為機械特性）人為機械特性 每臺電動機只有一條固有機械特性，每臺電動機只有一條固有機械特性，當變電源電壓、變氣隙磁通、變電當變電源電壓、變氣隙磁通、變電樞外串電阻時的機

42、械特性，為人為樞外串電阻時的機械特性，為人為機械特性。機械特性。電樞回路串電阻電樞回路串電阻U=UU=UN N，=N，改變電樞外串電阻，改變電樞外串電阻R RnnTnTCCRRCUnNTeaNeN002用途：用途：1.1.降低啟動電流和啟動轉矩降低啟動電流和啟動轉矩2.2.調速調速TLTS降低電樞電壓降低電樞電壓=N，R=0，降低電樞端電壓，降低電樞端電壓TCUTCCRCUnNNeNTeaNe2減少氣隙磁通（弱磁）減少氣隙磁通（弱磁） U=UN，R=0，改變氣隙磁通，改變氣隙磁通時：時： TCCRCUnTeaeN2（3 3）根據銘牌數據估算機械特性）根據銘牌數據估算機械特性電機名牌數據：電機名

43、牌數據：UN，IN，PN，nN，NaNNNaNNenRIUnECNeNTCC55.9apzCe60apzCT2NeNCUn0)(10)3221(23NNNNaIPIURNNeNNTNICICT55. 9 他勵直流電動機，他勵直流電動機，PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，Ra=0.044。求：。求： 1）固有機械特性方程式；）固有機械特性方程式； 2）額定負載時的電樞電勢和額定電磁轉矩；）額定負載時的電樞電勢和額定電磁轉矩； 3）額定輸出轉矩和空載轉矩；）額定輸出轉矩和空載轉矩； 4）理想空載轉速和實際空載轉速；）理想空載轉速和實際空載轉速； 5）電機額

44、定運行，求電樞串電阻）電機額定運行，求電樞串電阻Ra=0.206 時的轉速；時的轉速； 6）電壓）電壓U=50V時，求時，求n=？ 7）磁通）磁通=75%N，求，求n=？例題：例題：解：解： （1 1）求固有機械特性方程式）求固有機械特性方程式 （2 2）求電樞電勢和電磁轉矩）求電樞電勢和電磁轉矩 電樞電勢為：電樞電勢為： 電磁轉矩為：電磁轉矩為：164. 01200044. 0517200NaNNNenRIUCTTTCCRCUnNTeaNeN17. 01341164. 055. 9044. 0164. 022022)(8 .1961200164. 0VnCENNea)(7 .80951716

45、4. 055. 955. 9mNICTaNe解續解續 （3 3）額定輸出轉矩和空載轉矩）額定輸出轉矩和空載轉矩 輸出轉矩為：輸出轉矩為： 空載轉矩為：空載轉矩為： （4 4）求理想空載轉速和實際空載轉速）求理想空載轉速和實際空載轉速 理想空載轉速為：理想空載轉速為： 實際空載轉速為：實際空載轉速為：)(8 .79512001010055. 955. 932mNnPTNNN)(9 .138 .7957 .80920mNTTTNmin)/(13410rCUnNeNmin)/(6 .13389 .1317. 0134117. 0134100rTn解續解續 （5 5）R Raa=0.206=0.206

46、時的轉速：時的轉速： （6 6）電壓）電壓U=50VU=50V時的轉速：時的轉速：TCRRnNeaa2)(55. 91341TCRCUnNeaNe2)(55. 9min)/(1667 .809164. 055. 9044. 0164. 0502rmin)/(5537 .809164. 055. 9206. 0044. 013412r解續解續 （7 7）磁通）磁通=75%=75%N N時的轉速時的轉速TCRCUnNeaNeN2)%75(55. 9%75min)/(1542)164. 075. 0(55. 97 .809044. 0164. 075. 02202r9 9. .3 3串勵和復勵電動機

47、串勵和復勵電動機 特點是勵磁繞組與電樞特點是勵磁繞組與電樞繞組串聯，勵磁電流繞組串聯，勵磁電流If與電樞電流與電樞電流Ia相等，相等， 即：即：If=Ia， 氣隙主磁通隨電樞電流氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，接線圖的變化而變化，接線圖所示：所示：串勵直流電動機接線串勵直流電動機接線3.9.13.9.1串勵直流電動機的機械特性串勵直流電動機的機械特性1.1.固有特性固有特性 串勵直流電動機的固有機械特性是指：串勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓在電源電壓U=UN，電樞回路外串電阻，電樞回路外串電阻R=0時，時，n=(T)的關系曲線，其表達式的關系曲線，其表達式為：為： TCCRCUI

48、CRCUnTeaeNaeaeN2當負載較小時當負載較小時 負載較小，則負載較小，則T較小，這時磁路未飽和，氣隙較小，這時磁路未飽和，氣隙住磁通住磁通Ia，即，即=kf Ia，故：，故： 故有：故有： 式中式中 為一常數，所以為一常數，所以 ： f2kTaTCICTTCkkf2TkTCkT2f2122CRTUCkCCRTkCUnaNTeaeN轉速轉速n隨著轉矩隨著轉矩T的增大而減小，是雙曲線關系。的增大而減小，是雙曲線關系。2221,1kCCCkCCTee當負載較大時當負載較大時 負載較大，則負載較大，則T較大，這時磁路飽和，主磁較大，這時磁路飽和，主磁通基本上為一常數，即通基本上為一常數，即=

49、k，得：，得： 可見，轉速可見，轉速n隨電磁轉矩隨電磁轉矩T增大而下降，是條增大而下降，是條略微向下傾斜的直線。略微向下傾斜的直線。 TkCCRkCUnTeaeN2說明說明 由串勵直流電動機特性曲線可見，串勵直由串勵直流電動機特性曲線可見，串勵直流電動機輕載時轉速很高，特性曲線與縱流電動機輕載時轉速很高，特性曲線與縱軸無交點，理想空載轉速為無窮大，故不軸無交點，理想空載轉速為無窮大，故不允許空載運行，也不允許用于皮帶傳動的允許空載運行，也不允許用于皮帶傳動的拖動系統中，因為皮帶的老化脫落，將會拖動系統中，因為皮帶的老化脫落，將會造成造成“飛車飛車”。串勵直流電動機的特點是：。串勵直流電動機的特

50、點是：電磁轉矩電磁轉矩T與電樞電流與電樞電流Ia平方成正比，所以平方成正比，所以起動轉矩大，過載能力強，適合于拖動閘起動轉矩大，過載能力強，適合于拖動閘門、電車等負載。門、電車等負載。 串勵直流電動機的機械特性串勵直流電動機的機械特性3.3.復勵直流電動機的機械特性復勵直流電動機的機械特性 復勵直流電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組，復勵直流電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組，當并勵與串勵繞組產生的磁勢極性相同時，稱為當并勵與串勵繞組產生的磁勢極性相同時，稱為積復勵；當并勵與串勵繞組產生的磁勢極性相反積復勵；當并勵與串勵繞組產生的磁勢極性相反時，稱為差復勵，差復勵在實際應用中很少。時，稱為差復勵，

51、差復勵在實際應用中很少。 積復勵在理想空載時，電樞電流為零，主磁通積復勵在理想空載時，電樞電流為零，主磁通0由并勵繞組產生，故存在理想空載轉速，為：，由并勵繞組產生，故存在理想空載轉速，為：，不會出現不會出現“飛車飛車”危險；當負載增大時，電樞電危險；當負載增大時，電樞電流增大，總磁通隨之增大，使轉速比并勵下降更流增大，總磁通隨之增大，使轉速比并勵下降更多，如圖下所示。多，如圖下所示。復勵直流電動機機械特性復勵直流電動機機械特性圖1-35 復勵直流電動機機械特性R1R2（1）起動轉矩要大；）起動轉矩要大； 他勵直流電動機的運行他勵直流電動機的運行直流電動機接到電源以后，轉速從零達到穩定轉速的過

52、程，直流電動機接到電源以后，轉速從零達到穩定轉速的過程， 稱為啟動過程。稱為啟動過程。對電動機起動的基本要求：對電動機起動的基本要求：（2）起動電流要小；）起動電流要小；（3）起動設備要簡單、經濟、可靠。）起動設備要簡單、經濟、可靠。一、一、 他勵直流電動機的啟動他勵直流電動機的啟動1、 電樞回路串電阻啟動電樞回路串電阻啟動 啟動處理不好的危害：啟動處理不好的危害：1.大電流使電機發熱甚至燒毀電機大電流使電機發熱甚至燒毀電機2.大轉矩損壞負載設備大轉矩損壞負載設備3.大電流使電網電壓降低影響啟動、大電流使電網電壓降低影響啟動、 影響其他設備運行、或使電網跳閘影響其他設備運行、或使電網跳閘2、降

53、壓啟動、降壓啟動aSRUI 例題例題1他勵直流電動機：他勵直流電動機：PN=96kW，UN=440VIN=250A，nN=500r/min，Ra=0.078。（1）若電樞串電阻啟動，）若電樞串電阻啟動，IS=2IN， 求：求：TS=？；？；R1=？（2）降電壓啟動，）降電壓啟動， IS=2IN, 求求:US=？注意：啟動時注意：啟動時n=0，Ea=0二、二、 他勵直流電動機的調速他勵直流電動機的調速電氣調速方法：電氣調速方法：（1）電樞串電阻調速；）電樞串電阻調速；（2）降低電源電壓調速；）降低電源電壓調速；（3）弱磁調速。）弱磁調速。調速方式：機械調速、調速方式：機械調速、電氣調速電氣調速調

54、速要求：范圍大、過程平滑、方法簡單、經濟、節能。調速要求：范圍大、過程平滑、方法簡單、經濟、節能。調速目的：工藝方面、節能方面調速目的：工藝方面、節能方面1、他勵直流電動機的調速方法、他勵直流電動機的調速方法（1）電樞串電阻調）電樞串電阻調速速電磁轉矩：電磁轉矩：aNTICT電動機拖動恒轉矩負載運行在不同的電動機拖動恒轉矩負載運行在不同的轉速上，電樞電流的大小變化嗎？轉速上，電樞電流的大小變化嗎？穩定運行時有：穩定運行時有：LTT 電樞電流：電樞電流：NTaCTINTLCT穩定運行，穩定運行，TL=常數時，常數時，Ia=常數常數保持保持U=UN，= =N不變不變電樞回路串電阻，只能在額定轉速（

55、基速）以下調速，電樞回路串電阻，只能在額定轉速（基速）以下調速，一般稱為由一般稱為由基速向下調速基速向下調速。特點：特點： 機械特性變軟，受負載波動影響大；機械特性變軟，受負載波動影響大； 有級調速；有級調速； 有損耗，效率降低，大電機不宜采用。有損耗，效率降低，大電機不宜采用。它應用于中、小型電機對調速性能要求不高的場合。它應用于中、小型電機對調速性能要求不高的場合。（2）降低電源電壓調速）降低電源電壓調速電磁轉矩：電磁轉矩：aNtICT 電動機拖動恒轉矩負載運行在不同的轉電動機拖動恒轉矩負載運行在不同的轉速上，電樞電流的大小變化嗎？速上，電樞電流的大小變化嗎？穩定運行時有：穩定運行時有：L

56、TT 電樞電流：電樞電流：NtaCTI TL=常數時，常數時，Ia=常數常數保持保持= =N不變，電樞回路不串電阻不變，電樞回路不串電阻NtLCT 特點：特點： 基速向下調速；基速向下調速； 機械特性的硬度不變，速度穩定性好；機械特性的硬度不變，速度穩定性好； 可實現無級調速；可實現無級調速； 損耗小，電動機效率高。損耗小，電動機效率高。（3）弱磁調速）弱磁調速保持保持U= =UN不變，電樞回路不串電阻不變，電樞回路不串電阻aNeaNeNICRCUn aNeaNtICICT 55. 9 TPM 電動機的電磁功率：電動機的電磁功率： aNeaNeNaNeICRCUIC 60255. 9aaaNR

57、IIU2 若電動機拖動恒功率負載，即若電動機拖動恒功率負載，即TL=常數常數則有則有 PM=T=TL=常數常數Ia=常數常數2、恒轉矩調速和恒功率調速、恒轉矩調速和恒功率調速特點：特點： 基速向上調速；基速向上調速； 可實現無級調速；可實現無級調速； 損耗小，電動機效率高。損耗小，電動機效率高。通常與降低電源電壓調速配合使用，可以得到較寬的調速通常與降低電源電壓調速配合使用，可以得到較寬的調速范圍，能較好地滿足生產機械的要求。范圍，能較好地滿足生產機械的要求。當直流電動機調速運行時，不管轉速是多少，如果保持其當直流電動機調速運行時，不管轉速是多少，如果保持其電樞電流和每極磁通都為額定值，即對應

58、的電磁轉矩為額電樞電流和每極磁通都為額定值，即對應的電磁轉矩為額定值，則稱為定值，則稱為恒轉矩調速恒轉矩調速。直流電動機調速時，若采用弱磁升速，如果保持其電樞電直流電動機調速時，若采用弱磁升速，如果保持其電樞電流為額定值，其電磁功率保持不變，則稱為流為額定值，其電磁功率保持不變，則稱為恒功率調速恒功率調速。3 調速的性能指標調速的性能指標（a）調速范圍調速范圍：電動機在額定負載轉矩下調速時，：電動機在額定負載轉矩下調速時， 最高轉最高轉速與最低轉速之比。用速與最低轉速之比。用D表示。表示。（b）靜差率靜差率（相對穩定性）：指電動機由理想空載加到額定（相對穩定性）：指電動機由理想空載加到額定負載

59、所出現的轉速降與理想空載轉速之比。負載所出現的轉速降與理想空載轉速之比。 靜差率越小，靜差率越小， 轉轉速的相對穩定性越好。速的相對穩定性越好。（1）調速范圍與靜差率）調速范圍與靜差率minmaxnnD 000nnnnnNN maxmaxmin0NnnDnnn 0min00Nnnnnn 調調阻阻調調速速（最最大大靜靜差差率率）00NNnnnn 降降壓壓調調速速（最最大大靜靜差差率率）max001Nnnnn max1Nnn max1Nnn （2）調速的平滑性）調速的平滑性 111maxmax00max0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnnnnD 1maxDnnN平滑系數：相鄰兩級轉速或線速度之比。平滑系數：相鄰兩級轉速或線速度之比。 1 iinn D D與與相互制約相互制約：越小越小,D,D越小越小, ,相對穩定性越好；在相對穩定性越好；在保證一定的保證一定的指標的前提下指標的前提下, ,要擴大要擴大D,D,須減少須減少n,n,即提高機即提高機械特性的硬度。具體如下：械特性的硬度。具體如下：與與D D的關系：的關系：1 1）采用同一方法調速，）采用同一方法調速，越大，