電機與電氣控制課件第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二一直流電機感應電勢的規律1每根導體平均電勢eaveav=BavLva式中：L-導體有效邊長(m)Bav-一個磁極下平均氣隙磁密{T}，va–電樞表面線速度(m/s)，va=2Pてn/60，每極磁通Ф=BavてL，每極平均氣隙磁密為：Bav=Ф/(てL)，式中てL—每極下的極弧面積(m2)，所以有：

eav=2PФn/60第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二2直流電機的電樞電動勢

電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。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).，稱為電動勢常數為電機的結構常數式中：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。第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二3直流電機的電磁轉矩

電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。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。為電機的轉矩常數，有其中第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二1直流電機的空載磁場二直流電機的磁場

直流電機工作中，主磁極產生主磁極磁動勢，電樞電流產生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應。

右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。勵磁繞組的串聯匝數為，流過電流為每極的勵磁磁動勢為：第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二

空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。

直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。（b）氣隙磁密分布第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二

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定量的每極磁通，空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。

為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通設定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區的位置。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二2直流電機負載時的負載磁場

直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現使電機的磁場發生變化。

右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。

假設勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二

如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中所示。

由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中所示。第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二3直流電機的電樞反應

當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。1)、當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發生畸變

空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線α

角，磁通密度的曲線與空載時不同。

磁路不飽和時，主磁場被削弱的數量等于加強的數量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質。第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二2)、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢。如圖(a)(b)所示。第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二(一)、換向概述三直流電機的換向

為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。

直流電機的某一個元件經過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向。

電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。如圖所示。

電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。

電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。元件112第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二

換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。

產生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現象。

元件從開始換向到換向終了所經歷的時間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經過電刷時都要經歷換向過程。第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二(二)、換向的電磁理論換向元件中的電動勢：自感電動勢

和互感電動勢：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產生的。切割電動勢：在幾何中性線處，由于電樞反應在存在，電樞反應磁密不為零，在換向元件中感應切割電動勢。換向元件中的合成電動勢為：

根據楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總是阻礙換向的。換向電動勢：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應的電動勢。換向電動勢是幫助換向的。第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二換向元件中的電流：

設兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是和，元件自身的電阻為，流過的電流為，元件與換向片間的連線電阻為，元件在換向時的回路方程：

忽略元件電阻和元件與換向片間的連線電阻，并設電刷與換向片的接觸總電阻為，則可推導出換向元件中的電流變化規律為第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二1、直線換向當時換向元件電流隨時間線性變化。當時換向元件電流隨時間不再是線性變化，出現電流延遲現象。2、延遲換向當時換向元件電流隨時間不再是線性變化，出現電流超前現象。3、超越換向直線換向延遲換向超越換向第19頁，共20頁，2023年，2月20日，星期二(三)、改善換向的方法

除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，換向元件中產生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電刷下產生火花。還有