1、 第三章第三章 直流電直流電機機緒論緒論3.1 直流電直流電機的工作機的工作原理和基原理和基本結構本結構3.2 空載空載和負載時和負載時直流電機直流電機的磁場的磁場3.3 直流直流電機的感電機的感應電動勢應電動勢和電磁轉和電磁轉矩矩3.4 直流電機直流電機的基本方程的基本方程3.5 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性 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點優點，但與交流電機相比自身又有著缺點缺點。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!本章主要內容本章主要內容 1 1、直流電機

2、的工作原理和基本結構、直流電機的工作原理和基本結構2 2、說明電機的磁動勢和磁場、說明電機的磁動勢和磁場 4 4、分析直流電動機的穩態運行性能、分析直流電動機的穩態運行性能3 3、導出電機的電動勢和電磁轉矩公式、導出電機的電動勢和電磁轉矩公式3.1 3.1 直流電機的工作原理和基本結構直流電機的工作原理和基本結構一、直流電機的工作原理一、直流電機的工作原理固定部分（定子）：固定部分（定子）：主磁極N和S；（如圖31）表示一臺直流電機。1 1、直流電機的結構、直流電機的結構旋轉部分（轉子）：旋轉部分（轉子）：電樞鐵心；電刷；電樞繞組AX(一個線圈)；換向器。定子與轉子之間為氣隙。2 2、直流發電

3、機的工作原理、直流發電機的工作原理 發電機：發電機：雖然線圈AX電動勢是交流電動勢， 但由于換向器的整流作用，電刷間的輸出電動勢 卻是直流電動勢。（圖3-2 a，圖3-2b）3 3、直流電動機的工作原理、直流電動機的工作原理 電動機：電動機：在直流電動機中，外加電壓并非直接1B2B加于線圈，而是通過電刷 、 和換向器再加到線圈變而同時改變其方向，從而使電磁轉矩的方向始終上的。所以，導體中的電流將隨其所處磁極極性的改保持不變。4 4、脈動的減小、脈動的減小 電刷上的電動勢 (如圖33)。電樞繞組由多個線圈串聯而構成的 ，實現方法：實現方法：二、直流電機的二、直流電機的基本結構基本結構1 1、主磁

4、極、主磁極 構成：構成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組。 2 2、機座、機座 構成：構成：用厚鋼板彎成筒形焊成或鑄鋼件制成。作用：作用：建立主磁場。作用：作用：1、主磁路的一部分；2、電機的結構框架。3 3、電樞鐵心、電樞鐵心作用：作用：1、主磁路的一部分；2、電樞繞組的支撐部件。 構成：構成：一般用厚0.5且沖有齒、槽的DR530 4 4、電樞繞組、電樞繞組作用：作用：直流電機的電路部分。 構成：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。或DR510的硅鋼片疊壓 夾緊而成。5 5、換向器、換向器 作用：作用：整流（發電機）或逆變（電動機）

5、。構成：構成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個圓筒片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個形環夾緊而6 6、電刷裝置、電刷裝置作用：作用：電樞電路的引出（或引入）裝置。構成：構成：電刷、刷盒、刷桿和連線等。構成。三、三、 勵磁方式勵磁方式勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。直流電機按勵磁方式可分：他勵自勵 7 7、換向極、換向極構成：構成：由鐵心和繞組組成。作用：作用：改善換向。復勵式復勵式( (圖圖3-5d3-5d) ) ： 裝有兩個勵磁繞組，一為與電1 1、他勵式、他勵式（如圖如圖3-5a3-5a） 其勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。2 2、自勵式、自勵式發電機發電機 ：利用自身發出的

6、電流勵磁； 電動機電動機 ：勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。并勵式并勵式( (圖圖3-5b3-5b) ) ： 勵磁繞組與電樞繞組并聯；串勵式串勵式( (圖圖3-5c3-5c) ) ： 勵磁繞組與電樞繞組串聯；樞并聯的并勵繞組，二為與電樞串聯的串勵繞組。四四 、直流電機的額定值、直流電機的額定值 （1）額定功率額定功率 ：指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時， （2）額定電壓額定電壓 ：指額定狀態下電樞出線端的電壓，以V表示。（3）額定電流額定電流 ：指電機運行在時電機的線電流，以A表示。 （4）額定轉速額定轉速 ：指額定狀態運行時轉子的轉速，以r/min表示。 （5）額定勵磁電壓額定勵磁電壓

7、（僅對他勵電機）。 對電動機， 輸出的機械功率； 對發電機， 輸出的電功率。NPNPNPNUNINnfNU直流電機的額定值有：電機的輸出功率，以kW表示。3.2 3.2 空載和負載時直流電機的磁場空載和負載時直流電機的磁場一一 、空載時直流電機的磁場、空載時直流電機的磁場 ( (如圖如圖3-63-6) )。fpD 2：空載時的主磁極的磁通：a) 主磁通主磁通 ：通過氣隙，并形成氣隙磁場。b) 主極漏磁通主極漏磁通極矩：0二二 、負載時的電樞磁動勢和電樞反應（介紹）、負載時的電樞磁動勢和電樞反應（介紹）電樞反應電樞反應：負載時電樞磁動勢對主極磁場的影響。1、交軸電樞磁動勢和交軸電樞反應影響影響：

8、1）、引起氣隙磁場畸變，使電樞表面磁密等 2）、不計飽和時，交軸電樞反 應既無增磁、 亦無去磁作用； 計及飽和時，交軸電樞反應具有一定的去磁零的位置（物理中性線）偏離幾何中性線。作用。2 2、直軸電樞磁動勢和直軸電樞反應、直軸電樞磁動勢和直軸電樞反應發電機發電機：電刷順電樞旋轉方向移動，電樞反應為去磁； 電刷逆電樞旋轉方向移動，電樞反應為增磁。電動機電動機：與發電機的情況相反。3.3 3.3 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 設氣隙磁場的分布（如圖37）所示，則每lvbe根導體的感應電動勢為blv一、電樞繞組的感應電動勢一、電樞繞組的感應電動勢式中， 導體所在處的氣

9、隙磁密； 導體的有效長度； 導體相對氣隙磁場的速度。電樞繞組的電動勢應為一條支路各串聯導體的 令 為平均氣隙磁密，則上式改寫為 aZiaZaaxblvlvbE2121)(avBavaaBaZlvE2602npv將 代入上式得出電動勢的代數和，則電動勢公式電動勢公式 ：nCnapZlBaZpnEeaavaa60)(2602nCEealBav式中，apZCae60 每極的總磁通量； 電動機常數； 電動勢公式。電動勢公式。 二二 、直流電機的電磁轉矩、直流電機的電磁轉矩 電樞表面任一點處的載流導體上的電磁轉距 為 式中， 該點處的氣隙磁密。 一個極下的載流導體上的電磁轉矩 應為 式中， 氣隙平均磁密

10、。 cT2DlibTabpT22)(221DliBpZxbDliTaavapZiapa)(2121ipzaavxbpZBa整個電樞上的電磁轉矩 則 為22DliBZpTTaavapepD2lBavaIiaa2 aTaaaavaeICIaZppaIlBZT22nCTTe 可得直流電機的轉矩公式為 再考慮到 eT 一、電壓方程 ；基本方程 二、轉矩方程 。 一、電壓方程一、電壓方程 1 1、他勵直流電機、他勵直流電機 直流電機的穩態電路圖（發電機，電動機） 發電機發電機： 則有 ； 電動機電動機： 則有 。IIaUEaaasaaRIUURIUE2UEaaaasaaRIEURIEU2 3.4 3.4

11、直流電機的基本方程直流電機的基本方程他勵時，勵磁電流由其他電源單獨供電，故 。2 2、并勵直流電機、并勵直流電機 其電樞回路的電壓方程與他勵時相同，但激磁UUffaIIIafIIIIIIsa 3 3、串勵直流電機、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 另外，電壓方程應加入串勵繞組的電阻壓降。電壓為電樞端電壓，即發電機：電動機：磁繞組與電樞繞組相串聯，有 。二、轉矩方程二、轉矩方程eTeTTT011T0T 為電磁轉矩。1 1、發電機情況下、發電機情況下 電機本身的機械阻力轉矩； 原動機的驅動轉矩；電磁轉矩為制動轉矩，有 電動機軸上的負載轉矩。2T式中，20TTTe 2 2、電

12、動機情況下、電動機情況下電磁轉矩為驅動轉矩，有三、電磁功率三、電磁功率 發電機發電機： 機械能 轉化為電能 ； 電動機電動機： 電能 轉化為機械能 。 ePaaeIEP 602 neaaaaTIapZIE2eTaaIEaaIEeT電磁功率用 表示，則將 代入上式，得四、直流電機的可逆性四、直流電機的可逆性UEa 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電機運行；電動機運行。UEa發電機、亦可作為電動機運行。3.5 3.5 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性 fNfNIIUU,)(,2PfTne 直流電動機的運行特性主要有兩條，一條是工作一、并勵電動機的運行特性 1 1、

13、工作特性工作特性指 時， 。特性，另一條是轉矩特性（或稱為機械特性）。)(2Pfn aeaeeaICRCUCEnn%1000NNnnnn（1 1）、）、轉速特性轉速特性 據轉速公式 得出轉速特性曲線轉速調整率 ： 注意：并勵電動機在運行中，勵磁繞組絕對不能斷開。注意：并勵電動機在運行中，勵磁繞組絕對不能斷開。（2 2）、）、轉矩特性轉矩特性 轉矩方程)(2PfTe2020PTTTTe)(2Pf（3 3）、）、效率特性效率特性并勵電動機的效率特性和其他電機相類似。得出轉矩特性曲線。NUU fR)(eTfneeTaeTCCRCUn22 2、轉矩、轉矩轉速特性轉速特性 指 ，勵磁回路電阻 常值時，

14、。轉速與轉矩的關系表達式為得特性曲線（如圖311）結論：硬特性結論：硬特性)(eTfn二二 、串勵電動機的運行特性、串勵電動機的運行特性 1 1、工作特性、工作特性IIIsaNUU )(,2PfTne)(,aeIfTnsesaasessesaaesaaKCRRIKCUIKCRRIUCRRIUn1)()(特點： 是指 時， 或 （圖形312）轉速公式 上式表明 曲線大致為一雙曲線。sR)(aIfn 式中 為串勵繞組的電阻。輕載時， 、 常值 ssIKsK22aTssTeICIKCT2aeIT 負載增加，磁路飽和， 常值 aTeICTaeIT 注意：串勵電動機不允許空載運行。注意：串勵電動機不允許

15、空載運行。%10041NNnnnn （與并勵電動機的轉速調整率定義相對比）。 2 2、轉矩、轉矩轉速特性轉速特性 是指 時 。 NUU)(eTfn由電壓方程可知 IRRnKCRRInCRRIEUsasesaesaaa)()()(其轉速調整率定義為：式中 。 ssIK于是電磁轉矩為 22)(sasesTsTaTRRnKCUKCIKCICT可得 )(1saesTseRRUTKCKCn（如圖3-13）結論：隨著轉矩的增加，串勵電動機的轉速迅速結論：隨著轉矩的增加，串勵電動機的轉速迅速下降，是軟特性。下降，是軟特性。 三、復勵電動機的特點三、復勵電動機的特點 復勵電動機通常接為積復勵，其特性介于并勵和 復勵電動機的轉矩轉速特性（如圖3-14）。串勵電動機之間。 結構較復雜結構較復雜直流電機直流電機 成本較高成本較高 使它的應用受到使它的應用受到 限制限制 可靠性較差可靠性較差 1.1.直流電動機以其良好的直流電動機以其良好的起動性起動性和和調速性能調速性能著稱著稱。2.2.直流發電機直流發電機供電質量供電質量較好，常常作為勵磁電源。較好，常常作為勵磁電源。tOAX圖3-2a 線圈電動勢的波形23XAe