1、第二十一章 直流電機的運行原理 1第一節直流電機空載運行磁場第二節直流電機負載運行時電樞磁場第三節 直流電機的電樞反應第四節 電樞繞組的感應電動勢和直流電機的電磁轉矩第五節 穩態運行時直流電機的基本方程式本章主要內容2第一節 直流電機空載運行磁場 空載：電機對外無功率輸出、不帶負載的狀態。空載時，勵磁繞組通直流電流，忽略電樞電流，電機氣隙磁場由勵磁繞組直流電流產生的磁動勢決定。 3 圖21-1 直流電機主磁極磁路 4磁通與磁動勢 勵磁繞組通電流，形成N、S交替分布的主磁極。絕大部分磁通經主磁極（N極）、氣隙、電樞齒、電樞鐵心、電樞齒、氣隙、另一主磁極（S極）、定子磁軛回到主磁極（N極），形成閉

2、合通路，同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組，稱主磁通0。主磁通隨電樞旋轉產生感應電動勢和電磁轉矩，參與機電能量轉換，是工作磁通。 直流電機空載運行磁場 5設產生主磁通的每對極的勵磁磁動勢為Ff，由全電流定律有 Nf為勵磁繞組匝數。磁通與磁動勢 直流電機空載運行磁場 7主磁場的分布 不考慮電樞表面齒槽效應，假設電樞表面光滑，氣隙磁動勢為F，x處的氣隙長度為（x），空載時的磁密用函數B0(x)表示，根據磁路定律有 直流電機空載運行磁場 8圖21-2 不計電樞齒槽影響的主磁場磁密分部曲線 直流電機空載運行磁場 10第二節 直流電機負載運行時電樞磁場 直流電機空載運行時，氣隙中僅有主極磁場。負載運行時，電樞繞

3、組中有電流流過，就會產生電樞磁動勢，建立電樞磁場。主磁動勢和電樞磁動勢共同作用建立負載時的氣隙磁場。11圖21-4 主磁場的分布 12電刷在幾何中性線上的電樞磁動勢 電刷位于幾何中性線，電樞磁動勢軸線與電刷軸線重合。與主極軸線正交的軸為交軸，與主極軸線重合的軸稱為直軸。電刷位于幾何中性線上時，電樞磁動勢為交軸電樞磁動勢。14圖21-5 電刷在幾何中性線的電樞磁動勢 15電刷不在幾何中性線上電樞磁動勢 電刷不在幾何中性線，移過一角度，則電樞磁動勢除了交軸磁動勢外，還會產生直軸電樞磁動勢。因電樞磁動勢的軸線總是與電刷軸線相重合，故電樞磁動勢軸線也移動角度。17圖21-7 電刷不在幾何中性線上電樞磁

4、勢 在角度2范圍以外的導體所產生的磁動勢作用在交軸，為交軸電樞Faq。18 電刷在幾何中性線上，只有交軸電樞磁動勢Faq。電刷不在幾何中性線上，除了交軸電樞磁動勢Faq外，還有直軸電樞磁動勢Fad。19第三節 直流電機的電樞反應 當電機帶負載后，電樞繞組流過電流，產生電樞磁勢。電樞磁勢對主磁極磁場有影響，故對電機運行性能也產生影響。把電樞磁勢對勵磁磁勢產生的影響稱為電樞反應。20電刷在幾何中性線上的電樞反應 對同一臺直流電機，若主磁極極性不變，導體中電流方向相同，不管其作發電機或電動機運行，電樞磁場對主磁場的影響相同。所不同的只是旋轉方向而已。電刷在幾何中性線上，只有交軸電樞磁動勢。若磁路不飽

5、和，就可利用疊加原理求出氣隙磁場。21（a） （b）圖21-8 電刷在幾何中性線的交軸電樞反應（a）氣隙合成磁場；（b）展開圖 221、使氣隙磁場發生畸變 電樞旋轉時先進入磁極的那個磁極尖稱為前極尖，電樞離開磁極的那個磁極尖稱為后極尖。電樞反應使氣隙磁場畸變，對發電機，前極尖磁場被削弱，后極尖磁場被加強；對電動機，前極尖磁場被加強，后極尖磁場被削弱。交軸電樞反應的性質 242、使物理中性線偏移 把氣隙中磁密為零的點的連線稱為物理中性線。直流電機空載時，幾何中性線與物理中性線重合。負載時，物理中性線偏離幾何中性線，對發電機，順轉向偏離；對電動機，逆轉向偏離。 交軸電樞反應的性質 25電刷偏離幾何

6、中性線時的電樞反應 由于裝配或換相需要等，有時電刷會偏離幾何中性線。電刷位于幾何中性線時，電樞電流只產生交軸電樞磁勢。電刷偏離幾何中性線時，電樞磁勢Fa分解成交軸電樞磁勢Faq和直軸電樞磁勢Fad。27交軸電樞磁勢Faq對主磁場的影響與電刷位于幾何中性線的電樞反應情況一樣；直軸電樞磁勢Fad與主磁極軸線重合，方向相反，有去磁或助磁作用；當電刷逆電動機旋轉方向偏離角時，產生的直軸電樞磁勢Fad有去磁作用；當電刷順電動機旋轉方向偏離角時，產生的直軸電樞磁勢Fad有助磁作用。發電機與電動機情況相反。 電刷偏離幾何中性線時的電樞反應 28電樞反應對直流電機的影響 電樞反應去磁作用使每極磁通減小：因為直

7、流電機的電刷總是位于交軸，電樞反應只有交軸分量，電機額定運行時，磁路處于剛好飽和區域，由于磁路的飽和，電樞反應的去磁作用將使每極磁通略有減小。電機轉速和勵磁電流一定時，由于交軸電樞反應的去磁作用，使負載時感應電動勢比空載時略小。要保持感應電動勢不變，需增加勵磁電流，以補償交軸電樞反應的去磁作用。 29電樞反應使主磁場的分布發生畸變：極面下磁密分布不均勻，從而使各換向片間電動勢也分布不均，當電機過載特別是沖擊性負載下，可能導致環火的產生。交軸處的電樞磁場將妨礙線圈中的電流換向。 電樞反應對直流電機的影響 30第四節 電樞繞組的感應電勢和直流電機的電磁轉矩 一.直流電機電樞繞組的感應電動勢指一對正

8、負電刷之間引出的電勢，也稱為電樞電勢，記作Ea。設N為電樞繞組總導體數，a為并聯支路對數，Bav為一個磁極內的平均磁密，l為導體的有效長度，v為導體切割磁場的速度，則： 31Ean，改變或n的大小，Ea大小變化；Ea方向取決于和n的方向，改變的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。稱為電勢常數，與電機結構有關的參數。 電樞繞組的感應電勢32直流電機的電磁轉矩 指電樞上所有載流導體在磁場中受力所形成的轉矩的總和。設D為電樞直徑，N為電樞總導體數，fav每根導體平均所受的力，則電磁轉矩為： 為轉矩常數，是與電機結構有關的參數。 33TIa，改變或Ia的大小，T大小發生變化；T方向取

9、決于和Ia的方向，改變的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。直流電機的電磁轉矩 34電勢常數與轉矩常數之間的關系式：直流電機的電磁轉矩 CT = 9.55Ce 35直流電機的電磁轉矩 表明：若電樞繞組電動勢采用機械角速度表示，則Ea與電磁轉矩計算使用同一常數，即轉矩常數，也可改稱為電機常數。 =2n/60=n/3036第五節 穩態運行時直流電機的基本方程式 一.直流發電機的基本方程式 直流發電機是將原動機輸入機械能轉變為直流電能的電氣設備。直流發電機的基本方程式與勵磁方式有關，勵磁方式不同，基本方程式略有差別。371、電壓方程式圖21-9 他勵直流發電機的穩態等效電路圖 他勵直

10、流發電機的基本方程式 38Rf-勵磁回路總電阻，包括外串電阻和勵磁繞組內阻。Ra-電樞回路總電阻，包括電刷接觸電阻和電樞繞組內阻。 勵磁回路方程為電樞回路方程為1、電壓方程式他勵直流發電機的基本方程式 39電壓基本方程式可見： 電樞電勢Ea必須大于電樞端電壓U，這也是判斷電機是否處于發電運行狀態的依據。 1、電壓方程式他勵直流發電機的基本方程式 402、轉矩方程式 T1原動機拖動轉矩T電磁轉矩，為制動性質T0空載轉矩，由電機機械摩擦和鐵損引起他勵直流發電機的基本方程式 發電機轉向由原動機決定，T1T，故電磁轉矩為制動轉矩。 413.功率平衡關系 從原動機輸入的機械功率為： P1輸入機械功率 P

11、em電磁功率 p0空載損耗。他勵直流發電機的基本方程式 空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗pm、附加損耗pad，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。靠經驗估算約為額定功率P的0.5%1%。42電磁功率為說明電磁功率具有機械功率性質。 3.功率平衡關系 他勵直流發電機的基本方程式 電磁功率又可表示為: 表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。43發電機輸出的電功率為:pCua為電樞回路銅耗，P2為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為： P2=UIa 3.功率平衡關系 他勵直流發電機的基本方程式 44圖21-10 為他勵直流發電機功率

12、流程圖。 3.功率平衡關系 他勵直流發電機的基本方程式 45直流電動機的基本方程式 直流電機是可逆的，同一臺電機既可作發電機運行，又可作電動機運行。如在原動機的拖動下，可作為發電機，將輸入的機械能轉變為電能；如在電樞兩端輸入直流電能，可作為電動機，將輸入的電能轉變為機械能。所以其方程有相似性。46圖19-10 他勵直流電動機的穩態等效電路圖 采用電動機慣例，規定直流電動機各物理量正方向。 直流電動機的基本方程式 471.電樞回路電壓方程式 其中反電勢Ea=Cen，若為并勵時，存在 由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電勢Ea上。直流電動機的基本方程式 482、轉矩方程式電動機空載時，T2=0，有： T=T0。當負載轉矩為TL，軸上輸出有T2=TL