Page1第4章直流電機(jī)Page2本章教學(xué)基本要求1.了解直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)，注意換向器和電刷的作用；2.熟悉直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)基本工作原理，理解感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換要素的物理意義，掌握求解它們的計(jì)算方法；3.掌握直流電機(jī)的運(yùn)行原理，電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)矩平衡方程式以及不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)的工作特性；4.了解直流電機(jī)的換向。Page3重點(diǎn)

直流電機(jī)的基本平衡方程式和工作特性。Page4直流電機(jī)（dcmachines）

是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能或?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置。把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的直流電機(jī)稱為直流發(fā)電機(jī)(dcgenerators)，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的直流電機(jī)稱為直流電動(dòng)機(jī)(dcmotor)。Page5直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理Page6直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理

電樞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，大小為e=Bxlv。感應(yīng)電動(dòng)勢方向由右手定則判定，伸開右手使大拇指與四指呈90°，當(dāng)磁力線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則四指的指向?yàn)閷?dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢方向。Page7直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理在圖(a)中ωt=0°時(shí)，A端為☉，與之相接觸的電刷B1為“+”，X端為⊕，與之相接觸的電刷B2為“-”

當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)了180°后，在圖(b)中ωt=180°時(shí)，X端旋轉(zhuǎn)到N極下，X端為☉，A端旋轉(zhuǎn)到S極下，A端為⊕其波形如圖1-3所示。Page8氣隙磁蜜分布波形Page9線圈AX的感應(yīng)電勢波形Page10刷間電動(dòng)勢波形Page11分析N極下導(dǎo)體電動(dòng)勢指向紙外，電刷B1總為“+”；S極下導(dǎo)體電動(dòng)勢指向紙內(nèi)，電刷B2總為“-”，不難看出，線圈中的電動(dòng)勢是交流電動(dòng)勢，而通過換向器的作用，使電刷間的電動(dòng)勢為直流電動(dòng)勢。

Page12換向器和電刷的共同作用在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的共同作用：①將線圈中的交流電動(dòng)勢整流成刷間的直流電動(dòng)勢；②把轉(zhuǎn)動(dòng)的電路與外面不轉(zhuǎn)的電路聯(lián)接。Page13說明從刷間電動(dòng)勢波形看，電動(dòng)勢脈動(dòng)很大，為了減小電動(dòng)勢的脈動(dòng)程度，實(shí)際電機(jī)采用很多元件組成電樞線圈，均勻分布在電樞表面，并按一定規(guī)律聯(lián)接，刷間串聯(lián)元件數(shù)增多，脈動(dòng)減小，就得到所需的直流電。Page14直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理Page15直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

將直流電加到電刷上（B1為+、B2為-），線圈AX上就有電流通過（A端為⊕、X端為☉），根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體在磁場中要受力，大小為：f=Bxli（N），方向由左手定則確定。Page16直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理載流導(dǎo)體受力方向的確定：伸開左手使大拇指與四指呈90°，當(dāng)磁力線指向手心四指的指向?yàn)閷?dǎo)體中電流方向，則大拇指指向?qū)w受力方向在圖1-5中A受向左的切向力，X受向右的切向力，這一對(duì)力形成了力矩T(稱電磁轉(zhuǎn)矩)，使電樞按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。Page17換向器和電刷的共同作用在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器和電刷的共同作用：①將刷間的直流電逆變成線圈中的交流電；②把外面不轉(zhuǎn)的電路與轉(zhuǎn)動(dòng)的電路聯(lián)接。Page18直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由兩大部分組成：定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部分或稱電樞）

Page19直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)1）定子定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機(jī)座等組成。Page20直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極由主極鐵心和勵(lì)磁繞組組成，鐵心用1~1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵(lì)磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對(duì)出現(xiàn)，N、S極交替排列。

Page21直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)換向極由鐵心和繞組組成，鐵心一般是由整塊鋼組成換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機(jī)的換向。Page22直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是聯(lián)接轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止之間的電路。機(jī)座作用是固定主磁極等部件，同時(shí)也是磁路的一部分。

Page23直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)Page24直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)2）轉(zhuǎn)子（電樞）轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等組成。Page25直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)電樞鐵心一般用0.5mm涂過絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時(shí)它又是電機(jī)主磁路的一部分。Page26直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)電樞繞組由絕緣導(dǎo)線繞制成的線圈（又稱繞組元件）按一定規(guī)律聯(lián)接組成，每個(gè)元件兩個(gè)有效邊分別嵌放在電樞鐵心表面的槽內(nèi)，元件的兩個(gè)出線端分別與兩個(gè)換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。Page27直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。Page28直流電樞繞組

直流電機(jī)電樞繞組的基本形式是單疊和單波。Page29直流電樞繞組匝數(shù)為1的是單匝元件，匝數(shù)大于1的是多匝元件。由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實(shí)際的槽中，上、下層嵌放多個(gè)(設(shè)為u個(gè))元件邊，將一個(gè)上層邊和一個(gè)下層邊在槽內(nèi)所占的空間稱為一個(gè)虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個(gè)元件邊，則總元件數(shù)S等于實(shí)槽數(shù)Q；若每槽的上、下層各有u個(gè)元件邊時(shí)，則有：S=uQ=Qu，Qu為虛槽數(shù)。Page30直流電樞繞組極距在直流電機(jī)中，把相鄰兩個(gè)主磁極軸線之間的距離稱作極距，記作t，一般用槽數(shù)表示，即有：式中p為主磁極的極對(duì)數(shù)。

Page31直流電樞繞組Page32直流電樞繞組直流電機(jī)中，各元件在電樞表面的幾何關(guān)系一般用元件的節(jié)距表示。Page33直流電樞繞組（1）第一節(jié)距y1指同一元件的二個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。其表達(dá)式為：式中ε為把y1湊整的小于1的分?jǐn)?shù)。當(dāng)ε=0，y1=t稱為整距元件；當(dāng)ε>0稱為長距元件；當(dāng)ε<0稱為短距元件，實(shí)際電機(jī)中采用短距元件，可節(jié)省銅。

Page34直流電樞繞組（2）第二節(jié)距y2指兩個(gè)相串聯(lián)的元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊所跨的距離，用槽數(shù)表示。Page35直流電樞繞組（3）合成節(jié)距y指直接串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊所跨的距離。（4）換相器節(jié)距yk指同一元件的兩個(gè)出線端所接的兩換相片之間所跨的距離，用換相片數(shù)表示。Page36直流電樞繞組單疊繞組單疊繞組是以相鄰元件依次串聯(lián)的聯(lián)接規(guī)律連成的，每個(gè)元件的兩個(gè)出線端分別接到相鄰的兩個(gè)換相片上，最后形成一閉合回路。Page37直流電樞繞組舉例以總元件數(shù)為6的電機(jī)為例，說明單疊繞組的聯(lián)接。設(shè)S（元件數(shù)）=K（換相片數(shù)）=Q（槽數(shù)）=6，u=1，2p=2，則合成節(jié)距y=1，極距τ，第一節(jié)距y1，換相器節(jié)距yk=1（右行繞組），第二節(jié)距y2=y1-y=3-1=2，上述數(shù)據(jù)所表示的實(shí)際電機(jī)繞組安放如圖1-13。Page38舉例Page39舉例Page40單疊繞組特點(diǎn)單疊繞組具有以下特點(diǎn)：①支路對(duì)數(shù)a等于極對(duì)數(shù)p，同時(shí)還等于電刷對(duì)數(shù)b，即a=p=b；②電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2aia。Page41單波繞組單波繞組是將同一極性下的所有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個(gè)串聯(lián)聯(lián)接元件形式似波浪向前延伸。Page42單波繞組特點(diǎn)特點(diǎn)：①支路對(duì)數(shù)a等于1，與極對(duì)數(shù)p無關(guān)，即a=1；②電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；③為了減小電刷的電流密度，實(shí)際電刷對(duì)數(shù)b等于極對(duì)數(shù)p。Page43電機(jī)模型展開圖雖然能反應(yīng)電樞繞組聯(lián)接規(guī)律，也能說明電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系時(shí)，采用電機(jī)模型。Page44電機(jī)模型

無論電機(jī)有多少對(duì)磁極都只用N、S一對(duì)磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中性線處，并與位于幾何中性線處的元件接觸，一個(gè)圓圈代表一個(gè)元件。

Page45銘牌數(shù)據(jù)

Page46電機(jī)主要的額定值1）額定功率PN指電機(jī)按規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率（kW），對(duì)發(fā)電機(jī)是指出線端輸出的電功率它等于額定電壓和額定電流的乘積，即PN=UNIN；對(duì)電動(dòng)機(jī)是指軸上輸出的機(jī)械功率，它等于額定電壓、額定電流及額定效率的乘積，即PN=UNINhN。Page47電機(jī)主要的額定值2）額定電壓UN指電機(jī)長期安全運(yùn)行時(shí)所能承受的電壓（V）。3）額定電流IN指電機(jī)按規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組允許通過的電流（A）。Page48電機(jī)主要的額定值4）額定轉(zhuǎn)速nN指電機(jī)在額定電壓、額定電流和額定功率情況下運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。額定值是選擇電機(jī)的依據(jù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇電機(jī)容量，使電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)。Page49國產(chǎn)電機(jī)主要系列

國產(chǎn)直流電機(jī)的系列產(chǎn)品代號(hào)采用大寫漢語拼音字母表示，型號(hào)采用漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動(dòng)機(jī)、第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)型，“7”表示機(jī)座號(hào)，7后面的2表示長鐵心（2號(hào)表示長鐵心，1號(hào)表示短鐵心）。Page50國產(chǎn)電機(jī)主要系列（1）Z2系列是普通中小型直流電機(jī)。（2）ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)適用于軋鋼機(jī)、起重機(jī)、升降機(jī)、電鏟等。其他系列的直流電機(jī)型號(hào)、技術(shù)數(shù)據(jù)可從產(chǎn)品目錄或相關(guān)的手冊(cè)中查到。Page51【例1-1】

某直流電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：PN=100kW，額定電壓UN=220V，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，額定效率hN=90%，求該電動(dòng)機(jī)的額定電流和輸入功率。Page52【例1-1】解：（1）額定電流電動(dòng)機(jī)的額定電流為

（2）輸入功率電動(dòng)機(jī)的輸入功率為Page53直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組獲得勵(lì)磁電流的方式。除永磁式微直流電機(jī)外，直流電機(jī)的磁場都是通過勵(lì)磁繞組通入電流激勵(lì)而建立的。按勵(lì)磁方式不同可分為四種：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)。

Page54直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

Page55直流電機(jī)的勵(lì)磁方式Page56直流電機(jī)空載時(shí)的磁場直流電機(jī)空載是指電機(jī)對(duì)外無功率輸出、不帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。直流電機(jī)空載時(shí)，勵(lì)磁繞組內(nèi)有勵(lì)磁電流，電動(dòng)機(jī)電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機(jī)電樞電流為零，這時(shí)電機(jī)的磁場由勵(lì)磁電流單獨(dú)建立。Page57直流電機(jī)空載時(shí)的磁場Page58主磁通絕大部分磁通經(jīng)主磁極、氣隙、電樞鐵心及定子磁軛閉合，這部分磁通同時(shí)鏈繞勵(lì)磁繞組和電樞繞組，稱主磁通，記作：F0，主磁通參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是工作磁通。主磁通通過的磁路稱主磁路，主磁路中氣隙較小，故磁阻較小。Page59漏磁通有一小部分磁通不穿過電樞，僅與勵(lì)磁繞組自身鏈繞，稱漏磁通，記作：Fs，漏磁通不穿過電樞表面，不參加機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，不是工作磁通。漏磁通通過的磁路稱漏磁路，漏磁路中空氣隙較大，磁阻大。

漏磁通比主磁通小得多，約占主磁通的20%左右。

Page60空載時(shí)氣隙磁密分布Page61電機(jī)的磁化曲線指電機(jī)主磁通F0與勵(lì)磁磁動(dòng)勢Ff的關(guān)系曲線，即有F0=?（Ff）。當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)Nf一定時(shí)，改變勵(lì)磁電流If就可改變磁動(dòng)勢，磁化曲線也可用F0=?（If）表示。電機(jī)的磁化曲線可通過試驗(yàn)或電機(jī)磁路計(jì)算得到。Page62電機(jī)的磁化曲線Page63直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁動(dòng)勢由勵(lì)磁電流If產(chǎn)生的勵(lì)磁磁動(dòng)勢Ff和電樞電流Ia產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢Fa共同建立。Page64直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場Page65線負(fù)荷

為了分析電樞磁動(dòng)勢沿電樞表面分布情況，現(xiàn)引入電樞線負(fù)荷的概念，線負(fù)荷是指在電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用A表示。設(shè)N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，ia為導(dǎo)體電流，Da為電樞直徑，則根據(jù)線負(fù)荷定義有：Page66負(fù)載時(shí)氣隙磁蜜波形Page67直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，電樞繞組流過電流，出現(xiàn)電樞磁動(dòng)勢。電樞磁動(dòng)勢對(duì)主磁極產(chǎn)生的磁場有影響，故對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。把電樞磁動(dòng)勢對(duì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢產(chǎn)生的影響稱為電樞反應(yīng)(thearmaturereaction)。Page68電刷正常時(shí)的電樞反應(yīng)當(dāng)電刷位于幾何中性線時(shí)，電樞反應(yīng)表現(xiàn)：使氣隙磁場發(fā)生畸變并使物理中性線偏移,當(dāng)磁路飽和時(shí)有祛磁作用。Page69電刷偏離幾何中性線時(shí)Page70電刷偏離幾何中性線時(shí)交軸電樞磁動(dòng)勢Faq對(duì)主磁場的影響與上面分析的電刷位于幾何中性線的電樞反應(yīng)情況一樣，而直軸電樞磁動(dòng)勢Fad與主磁極軸線重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，當(dāng)電刷順電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏離b角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁動(dòng)勢Fad有助磁作用。Page71感應(yīng)電動(dòng)勢感應(yīng)電動(dòng)勢是指從一對(duì)正負(fù)電刷之間引出的電動(dòng)勢，也稱為電樞電動(dòng)勢，記作Ea。Page72感應(yīng)電動(dòng)勢

如果設(shè)N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，a為并聯(lián)支路對(duì)數(shù)，Bav為一個(gè)磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體切割磁場的速度，則電樞電動(dòng)勢為即有式中稱為電動(dòng)勢常數(shù)，它是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。Page73分析①Ea∝Fn，改變F或n的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通F單位為Wb，轉(zhuǎn)速n單位為r/min，則電樞電動(dòng)勢Ea單位為V；②Ea方向取決于F和n的方向，改變F的方向（即改變勵(lì)磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。Page74電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。Page75電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，fav每根導(dǎo)體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩為即有式中稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。Page76分析①T∝FIa，改變F或Ia的大小，可使T大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通F單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉(zhuǎn)矩T單位為N·m；②T方向取決于F和Ia的方向，改變F的方向（即改變勵(lì)磁電流If的方向），就可改變T的方向。Page77兩常數(shù)間的關(guān)系電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式:所以有

CT=9.55Ce

Page78【例1-2】已知某四極他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定功率PN=100kW，額定電壓UN=330V，額定轉(zhuǎn)速nN=730r/min，額定效率hN=91.5%額定運(yùn)行時(shí)每極氣隙磁通FN=6.98×10-2Wb，電機(jī)電樞繞組采用單波繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=186。求額定感應(yīng)電動(dòng)勢和額定電磁轉(zhuǎn)矩。Page79【例1-2】解：（1）計(jì)算額定感應(yīng)電動(dòng)勢極對(duì)數(shù)為p=2，支路對(duì)數(shù)a=1

電動(dòng)勢常數(shù)為感應(yīng)電動(dòng)勢為

（2）計(jì)算額定電磁轉(zhuǎn)矩電樞電流為電磁轉(zhuǎn)矩為

Page80直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)是將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O(shè)備，即：機(jī)械能→直流電能。Page81直流發(fā)電機(jī)慣例Page82電壓方程電樞回路方程為Ea=U+Ia·Ra式中Ra為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內(nèi)阻。Page83勵(lì)磁回路方程勵(lì)磁回路方程為Uf=If·Rf式中Rf為勵(lì)磁回路總電阻，它包括勵(lì)磁回路外串電阻和勵(lì)磁繞組內(nèi)阻。Page84轉(zhuǎn)矩方程當(dāng)發(fā)電機(jī)處于恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

式中，T1為原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T為發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其性質(zhì)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩，它由電機(jī)的機(jī)械摩擦和鐵損引起的轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由原動(dòng)機(jī)決定，T1>T，故電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是阻礙原動(dòng)機(jī)的阻力矩。Page85功率平衡關(guān)系從原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率為P1=Pem+p0

式中，P1為輸入的機(jī)械功率；Pem為電磁功率；p0為空載損耗。Page86功率平衡關(guān)系

空載損耗等于鐵損pFe、機(jī)械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即有p0=pFe+pm+pad

其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計(jì)算。靠經(jīng)驗(yàn)估算約為額定功率PＮ的0.5%～1%。Page87功率平衡關(guān)系電磁功率為

從中可見電磁功率可表示為Pem=TΩ

上式說明電磁功率具有機(jī)械功率性質(zhì)。電磁功率又可表示為Pem=EaIa

此表達(dá)式說明電磁功率又具有電功率性質(zhì)，所以電磁功率是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。

Page88功率平衡關(guān)系發(fā)電機(jī)輸出的電功率為

P2=Pem-pCua式中pCua為電樞回路銅耗；P2為輸出的電功率，同時(shí)輸出功率又可表示為

P2=UIaPage89功率平衡關(guān)系Page90效率他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗為Σp=pFe+pm+pad+pCua即有Σp=p0+pCua效率為即有Page91運(yùn)行特性

發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，端電壓U、負(fù)載電流I、勵(lì)磁電流If這三個(gè)基本物理量之間的函數(shù)關(guān)系。一般保持其中一個(gè)物理量不變，討論剩余兩個(gè)量之間的關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系就是運(yùn)行特性。Page92運(yùn)行特性1．空載特性

空載特性是指原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN，輸出端開路，負(fù)載電流I=0時(shí)，電樞端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，即：U0=E0=?（If）。Page93運(yùn)行特性2．外特性外特性是指原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN，勵(lì)磁電流If=IfN時(shí)，電樞端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系，即：U=?（I），是一條略微下斜的曲線。Page94運(yùn)行特性從空載到負(fù)載電壓下降的原因是：①負(fù)載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；②電樞電流增大，使電樞反應(yīng)的祛磁作用增強(qiáng)，端電壓進(jìn)一步下降。Page95電壓變化率

發(fā)電機(jī)的端電壓隨負(fù)載的變化程度可用電壓變化率（或稱電壓調(diào)整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載（U=UN，I=IN）過渡到空載（U=U0I=0）時(shí)，電壓升高數(shù)值與額定電壓的百分比，即：

通常他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率ΔU%約為（5~10）%。Page96并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)1．自勵(lì)過程當(dāng)發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速nN運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在有剩磁條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢Er（約為2~5%UN），從而在電樞兩端建立剩磁電壓Ur，Ur作用下，產(chǎn)生不大的勵(lì)磁電流If，此勵(lì)磁電流通過勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場的方向若與剩磁方向一致，則主磁通得以加強(qiáng)，使電樞端電壓進(jìn)一步提高，端電壓的升高，又使勵(lì)磁電流增大，主磁通更加強(qiáng)，如此反復(fù)，最終使電樞端電壓建立。Page97并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)Page98并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)條件①電機(jī)必須有剩磁，否則應(yīng)利用其它直流電源對(duì)其充磁；②勵(lì)磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁方向一致，否則應(yīng)改變并勵(lì)繞組極性；③勵(lì)磁回路總電阻應(yīng)小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。Page99并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)2．外特性并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓下降，勵(lì)磁電流減少，使磁通變?nèi)酰瑒t電樞電動(dòng)勢降低，從而使端電壓進(jìn)一步下降它的外特性要比他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)下垂。它的電壓變化率ΔU%約為（20~30）%。Page100【例1-3】一臺(tái)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)為PN=82kW，UN=230VnN=970r/min，電樞繞組總電阻Ra=0.0259Ω，并勵(lì)繞組內(nèi)阻rf=22.8Ω，額定負(fù)載時(shí)，并勵(lì)回路串入的調(diào)節(jié)電阻RfΩ=3.5Ω，一對(duì)電刷壓降2ΔU=2V，pFe+pm=2.5kW，附加損耗pad=0.005PN，試求額定負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸入功率、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。Page101【例1-3】解：（1）求電磁功率勵(lì)磁電流為

額定負(fù)載電流為電樞電流為Page102【例1-3】電樞電動(dòng)勢為電磁功率為（2）求輸入功率Page103【例1-3】（3）求電磁轉(zhuǎn)矩（4）求效率Page104直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)是將輸入的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電氣設(shè)備，即有：直流電能→機(jī)械能。Page105電動(dòng)機(jī)慣例Page106電壓方程他勵(lì)時(shí)有：I=Ia；并勵(lì)時(shí)有：I=Ia+If。電樞回路電壓方程式為U=Ea+Ia·Ra其中反電動(dòng)勢Ea=CeΦ·n，若為并勵(lì)時(shí)，還存在U=If（rf+Rfad）=If·Rf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動(dòng)勢Ea上。Page107轉(zhuǎn)矩方程電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，軸上輸出轉(zhuǎn)矩T2=0，則有T=T0當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL，軸上輸出有T2=TL，電動(dòng)機(jī)勻速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有T=T2+T0

其中電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，可用公式T=CTΦIa計(jì)算，（T2+T0）為總的阻轉(zhuǎn)矩，方向與T相反。Page108功率平衡關(guān)系他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)輸入功率為P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra∴P1=Pem+pCua

式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為電功率，pCua=Ia2Ra為電樞回路上的銅耗。

Page109功率平衡關(guān)系并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)輸入功率為P1=UI=U（Ia+If）=UIa+UIf=（Ea+IaRa）Ia+UIf=EaIa+Ia2Ra+If2Rf∴P1=Pem+pCua+pCuf

式中pCuf=If2Rf為勵(lì)磁回路上的銅耗。Page110功率平衡關(guān)系在轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘以角速度Ω可得TΩ=T2Ω+T0Ω，則有Pem=P2+p0

也可表示為P2=Pem-p0式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為機(jī)械功率，空載損耗為：p0=pFe+pm+padPage111功率流程圖Page112功率流程圖Page113【例1-4】已知一臺(tái)永磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞電阻Ra=1.03Ω當(dāng)在50V直流電源供電下空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2100r/min，吸收電流是1.25A。試計(jì)算：（1）轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT’（CT’=CTF）；（2）電動(dòng)機(jī)的空載損耗p0；（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速為1700r/min以及電源電壓為48V時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P2。Page114【例1-4】解：（1）求轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT’感應(yīng)電動(dòng)勢為轉(zhuǎn)矩常數(shù)為（2）求空載損耗空載損耗為Page115【例1-4】（3）求輸出功率在轉(zhuǎn)速為1700r/min時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢為電樞電流為電磁功率為輸出功率為Page116直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

直流電動(dòng)機(jī)工作特性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件下，轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率h與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線。實(shí)際運(yùn)行中，電樞電流Ia是隨P2增大而增大，又便于測量，故也可把轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率h與電樞電流Ia之間的關(guān)系曲線稱為工作特性。Page117直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(Ia)的關(guān)系。其表達(dá)式為若忽略電樞反應(yīng)，電樞電阻又較小，轉(zhuǎn)速特性是一條略微向下傾斜的直線（實(shí)線所示）；考慮電樞反應(yīng)的祛磁作用如虛線所示。Page118直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，T=?(Ia)的關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=CTΦIa，忽略電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩特性是一條過原點(diǎn)的直線（實(shí)線所示）。考慮電樞反應(yīng)的祛磁作用，轉(zhuǎn)矩特性如圖1-36虛線所示。Page119直流電動(dòng)機(jī)的工作特性效率特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，h=?(Ia)的關(guān)系。根據(jù)效率的定義可得

式中總損耗為

其中空載損耗p0與負(fù)載電流變化無關(guān)，稱為不變損耗電樞銅耗pCua隨負(fù)載電流平方倍變化，又稱可變損耗Page120直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

當(dāng)負(fù)載電流從零逐漸增大時(shí)，效率也隨之增大，當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度，效率達(dá)最大之后隨負(fù)載電流的繼續(xù)增大，效率反而減小，如圖1-36所示。Page121直流電動(dòng)機(jī)的工作特性如果令dh/dIa=0，可得：說明不變損耗等于可變損耗時(shí)，效率最高，效率特性的這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)其他電機(jī)、變壓器也適用，具有普遍意義。Page122【例1-5】有一他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接在額定電壓為220V的電網(wǎng)上額定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的額定電樞電流Ia=15A，電樞回路總電阻Ra=0.7Ω，（1）求電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的反電動(dòng)勢；（2）若因某種原因，使電網(wǎng)電壓下降至195V，但勵(lì)磁電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩均未發(fā)生變化，求在達(dá)到新平衡點(diǎn)后電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢。Page123【例1-5】解：（1）額定運(yùn)行時(shí)的反電動(dòng)勢（2）新平衡點(diǎn)時(shí)的反電動(dòng)勢

Page124他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

（1）固有機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指：在電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中b稱為斜率，ΔnN為額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降。固有機(jī)械特性曲線如圖1-37所示。Page125他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性是一條過理想空載點(diǎn)（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲線。當(dāng)空載轉(zhuǎn)矩為T0時(shí)，實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為n0’。Page126他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（2）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性可通過實(shí)驗(yàn)測得，也可根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算求得。由于固有機(jī)械特性是一條直線，一般通過求取兩個(gè)特殊點(diǎn)（理想空載點(diǎn)和額定工作點(diǎn)），再將這兩點(diǎn)連成直線便可得到固有機(jī)械特性。Page127他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性①求理想空載點(diǎn)（n0，0）計(jì)算理想空載轉(zhuǎn)速公式為式中Page128他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電樞回路電阻Ra，可實(shí)測或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。一般直流電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的銅損約占總損耗的一半至三分之二，則Ra的估算式為

Page129他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性②求額定工作點(diǎn)（nN，TN）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)可得額定轉(zhuǎn)速nN，而計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩公式為

Page130【例1-6】一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，電樞回路電阻Ra=0.044Ω，試求：1）固有機(jī)械特性方程式；2）額定負(fù)載時(shí)的電樞電動(dòng)勢和額定電磁轉(zhuǎn)矩；3）額定輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩；4）理想空載轉(zhuǎn)速和實(shí)際空載轉(zhuǎn)速；5）電機(jī)額定運(yùn)行，分別求電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時(shí)的轉(zhuǎn)速、電壓U=50V時(shí)的轉(zhuǎn)速和磁通F=75%FN時(shí)的轉(zhuǎn)速。Page131【例1-6】解：（1）求固有機(jī)械特性方程式∵∴（2）求電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞電動(dòng)勢為電磁轉(zhuǎn)矩為Page132【例1-6】（3）額定輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩為（4）求理想空載轉(zhuǎn)矩和實(shí)際空載轉(zhuǎn)矩理想空載轉(zhuǎn)速為實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為Page133【例1-6】（5）電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時(shí)的轉(zhuǎn)速（6）電壓U=50V時(shí)的轉(zhuǎn)速

（7）磁通F=75%FN時(shí)的轉(zhuǎn)速

Page134串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流If與電樞電流Ia相等，即If=Ia，氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，其接線圖如圖1-41所示。Page135串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指：在電源電壓U=UN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(T)的關(guān)系曲線，其表達(dá)式為Page136串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性(1)當(dāng)負(fù)載較小時(shí)負(fù)載較小，則T較小，這時(shí)磁路未飽和，氣隙主磁通Φ∝Ia，即Φ=k1Ia，故有式中為一常數(shù)，所以特性方程為式中C1、C2均為常數(shù)，特性方程表明：轉(zhuǎn)速n是隨著電磁轉(zhuǎn)矩T的增大而減小，是雙曲線關(guān)系。Page137串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性(2)當(dāng)負(fù)載較大時(shí)負(fù)載較大，則T較大，這時(shí)磁路飽和，主磁通基本上為一常數(shù)，即Φ=k，特性方程為Page138串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性Page139分析由特性曲線可見，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)轉(zhuǎn)速很高，特性曲線與縱軸無交點(diǎn)，理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大，故不允許空載運(yùn)行，也不允許用于皮帶傳動(dòng)的拖動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)槠У睦匣撀洌瑢?huì)造成“飛車”。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流Ia平方成正比，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，適合于拖動(dòng)閘門、電車等負(fù)載。Page140【例1-7】某串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：額定電壓UN=220V，額定電流IN=30A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.57Ω，在磁路不飽和的情況下，求電機(jī)運(yùn)行在半載，即電樞電流Iaˊ=15A時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。Page141【例1-7】解：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的額定電樞電流為額定負(fù)載時(shí)反電動(dòng)勢為

電樞電流Ia=15A時(shí)的磁通為

Page142【例1-7】此時(shí)的反電動(dòng)勢為

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

電磁轉(zhuǎn)矩為

Page143復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)既有并勵(lì)繞組，又有串勵(lì)繞組，當(dāng)并勵(lì)與串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向相同時(shí)，稱為積復(fù)勵(lì)；當(dāng)并勵(lì)與串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向相反時(shí)，稱為差復(fù)勵(lì)，差復(fù)勵(lì)在實(shí)際應(yīng)用中很少。Page144復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

積復(fù)勵(lì)在理想空載時(shí)，電樞電流為零，主磁通Φ0由并勵(lì)繞組產(chǎn)生，故存在理想空載轉(zhuǎn)速，為不會(huì)出現(xiàn)“飛車”危險(xiǎn)；當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電樞電流增大，總磁通隨之增大，使轉(zhuǎn)速比并勵(lì)下降更多，如圖所示。Page145直流電機(jī)的換向電機(jī)運(yùn)行時(shí)，元件會(huì)隨電樞的運(yùn)轉(zhuǎn)從一條之路經(jīng)過電刷換到另一條之路，元件電流改變方向，這一過程稱為換向，換向也是直流電機(jī)特有的問題，換向的好壞，直接影響直流電機(jī)的運(yùn)行性能。Page146直流電機(jī)的換向Page147直流電機(jī)的換向直線換向如果當(dāng)換向元件中各種電動(dòng)勢為零，被電刷短接的閉合回路就不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，元件中的電流大小由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定，電流隨時(shí)間均勻變化，即有：i=?(t)。把這種換向稱為直線換向，如圖1-45曲線1所示，直線換向是理想換向，電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)火花。Page148直流電機(jī)的換向Page149直流電機(jī)的換向換向元件的感應(yīng)電動(dòng)勢實(shí)際電機(jī)換向時(shí)，換向元件中Σe≠0。換向元件中存在以下電動(dòng)勢：（1）自感電動(dòng)勢eL換向元件中電流變化時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢，

Page150直流電機(jī)的換向（2）互感電動(dòng)勢eM同時(shí)換向的幾個(gè)元件中相互產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢，。通常把自感電動(dòng)勢eL與互感電動(dòng)勢eM之和稱為電抗電動(dòng)勢er，即：電抗電動(dòng)勢總是阻礙換向元件中的電流變化的，er方向應(yīng)與換向前元件的電流方向一致。Page151直流電機(jī)的換向（3）電樞反應(yīng)電動(dòng)勢ea換向元件處在幾何中性線上，主磁場在此區(qū)域磁通密度Φ0=0，但電樞磁密Φa≠0，在刷位正常時(shí)最大換向元件切割電樞磁場產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動(dòng)勢ea，其方向與er相同，也是阻礙換向元件中的電流變化的。Page152直流電機(jī)的換向由于換向元件中的Σe=ea+er≠0，則在被電刷短接的閉合回路中就有環(huán)流ik產(chǎn)生，設(shè)閉合回路的總電阻為ΣR，環(huán)流為：

Page153直流電機(jī)的換向

環(huán)流的存在使換向元件在換向過程中電流不隨時(shí)間直線變化，電流的變化比直