第二章直流電機第一節直流電機的工作原理及結構一、直流電機的工作原理（一）直流電動機的工作原理載流導體在磁場中受到的力B

—磁場的磁感應強度(Wb/m2)i

—導體中的電流(A)l

—導體的有效長度(m)1

下圖為直流電動機的簡化模型。N,S為固定不動的定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的轉子線圈，線圈的首端a，末端d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同轉動的導電換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷實現的。在定子與轉子間有間隙存在，稱其為氣隙。

23（二）直流發電機的工作原理

用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產生了交變的電動勢。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢確是直流電動勢。4

一臺直流電機作為電動機運行——在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉，拖動生產機械旋轉，輸出機械能；作為發動機運行——用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。5二、直流電機的結構直流電機剖面圖1—換向器2—電刷裝置3—機座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風扇8—電樞繞組9—電樞鐵心67（一）直流電機的靜止部分1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—勵磁繞組3—機座1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。8（二）直流電機的轉動部分4、電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮1、電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心92、電樞繞組——由許多按一定規律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片10第二節直流電機的銘牌數據直流電機的額定值有：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉速nN(r/min)5、額定勵磁電壓UfN(V)11在額定工況下，電機出線端的平均電壓發電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速指軸上輸出的機械功率指電刷間輸出的額定電功率電動機發電機額定條件下電機所能提供的功率額定功率PN＝UNIN

PN＝UNINηN

12對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式

此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機運行時，所有物理量與額定值相同——電機運行于額定狀態。電機的運行電流小于額定電流——欠載運行；運行電流大于額定電流——過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態或額定狀態附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。13例一臺發電機PN=145KWUN=230VnN=1450r/minηN=90%，求輸入功率P1和額定電流IN。解：14第三節直流電機的繞組一、簡單的繞組

對繞組的要求：在能夠通過規定的電流和產生足夠的電動勢的前提下，盡可能節省銅和絕緣材料，并且結構簡單、運行可靠。1-2、3-4、5-6、7-8分別構成4個線圈

右圖只是說明原理的示意圖。它的缺點是：隨著電樞的轉動，始終只有一個線圈有電流。這樣的話，材料沒有充分利用，產生的總轉矩或電勢均很小。解決辦法：用4個換向片將4個線圈都連接起來，成為一個閉合繞組，兩個不同的元件邊連接一個換向片。每個元件的兩個元件邊連接2個不同的換向片。共用了4個換向片，節省了材料，提高了輸出轉矩。1516171819二、繞組的基本形式（一）單疊繞組單疊繞組的特點：元件的兩個端子連接在相鄰的兩個換向片上。單疊繞組的所有的相鄰元件依次串聯，即后一元件的首端與前一元件的末端連在一起，接到一個換向片上。最后一個元件末端與第一個元件首端連接在一起，形成一個閉合回路。

元件的跨距：上層元件邊與下層元件邊的距離（用槽數表示）稱為跨距。一般要求元件的跨距等于電機的極距。右上圖中，跨距為4槽。202122單疊繞組的的特點：1、同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極數與支路數相同。若以a表示支路對數，P表示極對數則2a=2p2、電刷數等于主磁極數，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯支路電動勢。3、電樞電流等于各支路電流之和。23（二）單波繞組單波繞組—不是把元件依串聯，而是把相隔大約兩個極距，即在磁場中的位置差不多相對應的元件連接起來。2425直流電機的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復疊繞組、復波繞組、混合繞組等。26單波繞組的特點1、同極下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數為1即a=1,與磁極對數P無關；2、當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3、電刷數等于磁極數（采用全額電刷）；4、電樞電動勢等于支路感應電動勢；5、電樞電流等于兩條支路電流之和。27第四節直流電機的勵磁方式及磁場一、直流電機的勵磁方式1．他勵電動機勵磁繞組與電樞繞組無聯接關系，而是由其他直流電源對勵磁繞組供電。

他勵直流電動機的電樞電流和電源供給的電流相同+-282．并勵電動機勵磁繞組與電樞繞組并聯。滿足-+293．串勵電動機勵磁繞組與電樞繞組串聯。滿足-+304．復勵發電機兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯，另一個與電樞繞組串聯。

有并勵和串勵兩個勵磁繞組，它也分積復勵和差復勵兩類，因為差復勵電動機運行時轉速不穩定，實際上不采用。+-314．復勵發電機兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯，另一個與電樞繞組串聯。

有并勵和串勵兩個勵磁繞組，它也分積復勵和差復勵兩類，因為差復勵電動機運行時轉速不穩定，實際上不采用。+-32二、直流電機的空載磁場直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。33氣隙中主磁場磁通密度的分布磁化曲線34三、直流電機負載時的磁場及電樞反應

當直流電機帶上負載以后，在電機磁路中又形成一個磁動勢，這個磁動勢稱為電樞磁動勢。此時的電機氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產生的。電樞磁動勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。354個元件所產生的電樞磁動勢波形電樞反應后磁動勢波形1、有負載時氣隙磁場發生了畸變2、電樞反應呈現去磁作用36第五節感應電動勢和電磁轉矩的計算一、感應電動勢的計算直流電機無論作電動機運行，還是發電機運行，電樞內部都感應產生電動勢。大小:性質:

發電機——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機——反電勢(與電樞電流反方向).為電機的結構常數（電動勢常數）其中可見，直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關。式中n單位為r/min，Φ單位為Wb，Ea單位為V。37其中為電機的轉矩常數，有二、電磁轉矩的計算性質:

發電機——制動(與轉速方向相反)；電動機——驅動(與轉速方向相同)。可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。式中Ia單位為A，Φ單位為Wb，Tem單位為N·m。38第六節直流電機的運行原理一、直流電機的基本方程式（一）電動勢平衡方程式若電機穩態運行，對于電動機-+式中Ra——電樞電路的電阻（包括電刷與換向器的接觸電阻）有的書認為Ra電樞電阻不包括電刷與換向器的接觸電阻39若電機穩態運行，對于發電機I式中Ra——電樞電路的電阻（包括電刷與換向器的接觸電阻）若Ra電樞電阻不包括電刷與換向器的接觸電阻40（二）轉矩平衡方程式電動機的電磁轉矩是個驅動轉矩，當電動機變速運行時其中T2為負載制動轉矩，T0為空載損耗轉矩慣性轉矩。當電動機以恒定的轉速穩定運行時，對于發電機：其中T1為原動機拖動轉矩。穩態運行時41+-功率平衡方程式（電動機）42功率平衡方程式（電動機）Ω電樞旋轉的機械角速度+-空載損耗43功率平衡方程式（發電機）I穩態運行時輸入功率為空載損耗，等于鐵耗加機械損耗，稱為不變損耗44功率平衡方程式（發電機）I電磁功率45二、直流電動機工作特性

直流電動機的工作特性是指、電樞回路中無外加電阻，勵磁電流、電動機轉速n、電磁轉矩Te、和效率三者與輸出功率P2之間的關系。

46（一）并勵直流電動機的工作特性1.轉速特性當U=UN

,If=IfN時，n=f(Ia)的關系曲線當負載增加時，輸出功率P2增加，則輸入功率UIa增加，電樞回路中的電阻壓降RaIa增大，故電動機的轉速n下降47（一）并勵直流電動機的工作特性其中2.轉矩特性當U=UN

,If=IfN時，Te=f(Ia)的關系曲線3.效率特性當U=UN

,If=IfN時，η=f(Ia)的關系曲線48（二）串勵直流電動機的工作特性電動勢平衡方程式電動勢公式轉矩平衡方程式轉矩公式（其中，Rfc為串勵繞組電阻，，）49（三）復勵直流電動機的工作特性50[例2-1]一臺他勵直流電動機的額定數據為：電樞繞組的電阻電刷接觸壓降設電動機原來在額定轉速和額定負載下運行，在負載的總制動轉矩（包括損耗轉矩）保持不變的情況下，試求（1）在電樞回路中突然串入電阻RΩ=0.0743Ω,求串入電阻最初瞬間和達到穩定時的電樞電流和轉速分別是多少？（2）減少電動機的勵磁電流，使磁通Φ減少10%，當達到穩定時的電樞電流和轉速分別是多少？解

串入電阻瞬間，因慣性慣性，轉速來不及下降，因此感應電動勢Ea不變。串入電阻前感應電動勢Ea51（1）電樞回路中突然串入電阻RΩ最初瞬間穩態時由于負載不變，根據電磁轉矩不變，解法二由電動機的額定數據：又因為根據，磁通不變，所以電樞電流等于串入電阻前的穩態電樞電流52（2）串入電阻前的穩態下的電磁轉矩磁通減少為原來的0.9時穩態下的電磁轉矩

總的制動轉矩不變，兩種情況下的電磁轉矩相等53電動機的功率、轉矩、轉速間的關系對于旋轉的物體電動機電磁轉矩電動機輸出轉矩電動機額定輸出轉矩54三、直流發電機的工作特性a)他勵直流發電機b)并勵直流發電機c)復勵直流發電機（一）空載運行1空載特性當他勵直流發電機被原動機拖動，n=nN

時，勵磁繞組端加上勵磁電壓Uf,調節勵磁電流If0,得出空載特性曲線U0=f(I0)。55三、并勵直流發電機

并勵發電機是一種自勵電機，它的勵磁電流不需要由外電源供給，而是取自發電機本身，所以稱“自勵”。自勵過程設發電機已由原動機拖動至額定轉速，由于電機磁路中有一定的剩磁，在發電機的端點將會有一個不大的剩磁電壓。這時把并勵繞組并接到電樞上去，便有電流流過勵磁繞組，產生一個勵磁磁動勢。勵磁磁動勢產生的磁場與剩磁同方向，使電機內的磁場得到加強，從而使電機的端電壓升高。在這一較高端電壓的作用下，勵磁電流又進一步升高，如此反復作用，發電機的端電壓便“自勵”起來。562并勵和復勵直流發電機空載電壓的建立自勵電壓的建立有三個條件：1）電機必須有剩磁；2）勵磁繞組并聯到電樞的極性必須正確；3）勵磁回路的總電阻小于該轉速下的臨界電阻。（二）負載運行無論他勵、并勵還是復勵發電機，建立電壓以后，在

n=nN的條件下，加上負載后，發電機的端電壓都將發生變化。1——積復勵發電機外特性；2——他勵發電機外特性；3——并勵發電機外特性；57如右圖所示，發電機在原動機以1500r/min順時針方向的拖動下，發出的端電壓是220V。若在原動機以1500r/mi