西安交通工程學院

教案

學年第一學期

學院（部）

課程名稱電機拖動基礎

專業、年級、班級

主講教師

課程類型理論課0實驗課口習題課口實踐課口其它口

授課題目電機拖動認知授課章節緒論；第一章電機概述

授課順序緒論；電機概述學時數2

教學目的及要求：

教學1.掌握電力拖沏系統的基本組成和電機特點；

目的2.了解電機與拖動基礎的課程性質、課程地位，了解該課程的主要學習內容；

及要3.了解電機的定義與分類；

求4.掌握直流電機的工作原理；

5.了解直流電機的主要結構及功能；

教學重點：電力拖動系統組成；直流電機的工作原理；直流電機的結構

教學難點：直流電機的結構及功能。

教學

重點

及難

點

教學教學方式：理論講解、多媒體、生產案例

方法教學于段；多媒體

及手

段

課堂設計（教學內容、過程、方法、圖標等）時間分配

1.師生相互介紹。10分鐘

2.緒論概述：電機在生產單位的用途；電力拖動；電機分類；該課程的

課程地位、學習方法、考核方法。40分鐘

3.直流電機的工作原理、結構40分鐘

作業1.電力系統的組成？

及思2.電機的作用？電機的主要結構？

考題

《電機與控制》、《電機與變壓器》等相關資料

參考

資料

課后

小結

授課內容一、《電機拖動》緒論

1、電機及電力拖動系統概述

1）、電機

《電機與拖動基礎》是把電機學和電力拖動基礎兩門課程rr機結合而成的一

門課程。

電機是以電磁感應和電磁力定律為基本工作原理進行電能的傳遞或機電能

量轉換的機械裝置。

電能轉換為機械能主要由電動機完成。電動機拖動生產機械運轉的方式稱為

電力拖動。

由于電動機的效率高、種類和規格多、具有各種良好的特性，電力拖動易

于操作和控制，可以實現自動控制和遠距離控制，因此，電力拖動廣泛應用于國

民經濟各領域。例如各種機床、軋制生產線、電力機車、風機、水泵、電動工具

乃至家用電器等，數不勝數。

為了能建立一個感性認識，對電機進行簡單的分類如下:

電機的分類

從能量轉換的角度分從旋轉與否的角度分從電能的性質分

控

發

電

變

制旋轉電機

壓

電

動靜止電機

電

器

機

機（發電機

機（變壓器）

電動機）

本課程主要研究電機拖動系統的基本理論問題，分析研究直流電機、變壓

器、異步電動機和同步電動機的簡單結構、原理、基本電磁關系和運行特性；并

初步聯系生產實際，從生產機械工作的要求出發，重點介紹交直流拖動系統的動

靜態運行特性，為學習自動控制系統等后續專業課打下堅實基礎。因此，課程既

具有較強的基礎性，又帶有專業性。

2、電力拖動

電力拖動系統組成：由電源、電動機、傳動機構、負載和自動控制裝置等部

分組成，見圖1.1。電源提供電動機和控制系統所需的電能；電動機完成電能向

機械能的轉換；傳動機構用于傳遞動力，并實現運轉方式和運轉速度的轉換，以

滿足不同負載的要求；自動控制裝置則控制電動機拖動負載按照設定的工作方式

運行，完成規定的生產任務。

------------電源

自動控制裝置——電動機一傳動機構一負載

圖L1電力拖動系統的組成

2、電機發展

電力拖動技術發展至今，它具有許多其他拖動方式無法比擬的優點。它啟動、

制動、反轉和調速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動機的類型多，且具有

各種不同的運行特性來滿足各種類型生產機械的要求；整個系統各參數的檢測和

信號的變換與傳送方便，易于實現最優控制。因此，電力拖動已成為國民經濟電

氣自動化的基礎。

3、本課程的性質、任務和內容

《電機與拖動基礎》是電氣自動化技術專業的一門專業基礎課。它的主要任

務是使學生掌握常用的交直流電機、變壓器、控制電機等的基本結構與工作原理,

電力拖動系統的運行性能、分析計算，電機容量選擇及試驗方法等，為學習《工

廠電氣控制設備》、《自動控制原理》、《交直洸調速系統》等課程準備必要的

基礎知識。

《電機與拖動基礎》課程學完后學生應達到下列要求：

1.掌握常用交、直流電機及變壓器的基本理論（電磁關系、能量關系）。

2.掌握控制電機的工作原理、主要性能及用途。

3.掌握分析電動視機械特性及各種運轉狀態的基本理論。

4.掌握電力拖動系統中電動機調速方法的基本原理和技術經濟指標。

5.掌握選擇電動機的原則和方法。

6.掌握電機的基本試驗方法及技能，并具有熟練的運算能力。

7.了解電機與電力拖動今后的發展方向。

4、課程目標

《電機與拖動基礎》課程在于通過電機的理論、應用、電氣控制方法、電氣

控制系統的構成和設計方法的學習，讓學生成為一名電機及控制技術方面的應用

型技術人才。

5、本課程的特點及學習方法

一、特點：本課程的特點是理論性強、實踐性也強。分析電機與電力拖動的工

作原理要用電學、磁學和動力學的基礎理論，既要有時間概念，又要有空間概念，

所以理論性較強；而用理論分析各種電機和電力拖動的實際問題時，必須結合電

機的具體結構、采用工程觀點和工程分析方法，除要掌握基本理論以外，還應注

意培養實驗操作技能和計算能力，所以實踐性也較強。因此，學習本門課程應該

特別注意理論聯系實際。

二、學習時應注意以下幾點

1、抓主略次

2、掌握基本概念、基本原理和主要特性

3、對比學習，找共性和特點

4、理論聯系實際，實驗和下廠實習結合

5、帶著問題學（預習每節相關的思考題）

二、第一章直流電機

§1.1直流電機的結構與工作原理

一、直流電機的主要結構

直流電機是由靜止的定子部分和轉動的轉子部分構成的，定、轉子之間有一

定大小的間隙（以后稱為氣隙）。

1一換向器；2—電刷裝置；3一機座；4一主磁極；5一換向極；6一端蓋;

7—風扇；8—電樞繞組；9—電樞鐵心

1.定子部分：直流電機定子部分主要由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成。

（1）主磁極又稱主極。在一般大中型直流電機中，主磁極是一種電磁鐵。

（2）換向極容量在Ikw以上的直流電機，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極。

換向極又稱附加極或間極，其作用為了改善直流電機的換向。

（3）機座一般直流電機都用整體機座。所謂整體機座，就是一個機座同時起

兩方面的作用：一方面起導磁的作用，一方面起機械支撐的作用。

（4）電刷裝置電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。

2、轉子部分：直流電機轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉軸和

風扇等組成。

（1）電樞鐵心電樞鐵心作用有二，一個是作為主磁路的主要部分；另一個是

嵌放電樞繞組。

（2）電樞繞組它是直流電機的主要電路部分，是通過電流和感應產生電動勢

以實現機電能量轉換。

（3）換向器在直流發電機中，它的作用是將繞組內的交變電動勢轉換為電刷

端上的直流電動勢；在直流電動機中，它將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組

內的交變電流。

二、直流電機的基本工作原理

1.直流發電機的工作原理

直流發電機的模型與直流電動機相同，

不同的是電刷上不外加直流電壓，而是利

用原動機拖動電樞朝某一方向例如逆時針

方向旋轉，如圖所示。這時導體ab和cd

分別切割N極和S極卜?的磁力線，產生感

應電動勢，電動勢的方向用右手定則確定。在圖示情況下，導體必中電動勢的

方向由〃指向小導體cd中電動勢的方向由d指向C,所以電刷A為正極性，

電刷B為負極性。電樞旋轉180。時，導體〃轉至N極下，感應電動勢的方向由

c指向d,電刷A與cd所連換向片接觸，仍為正極性；導體外轉至S極下，感

應電動勢的方向變為。指向A電刷B與c必所連換向片接觸，仍為負極性。可

見，直流發電機電樞線圈中的感應電動勢的方向是交變的，而通過換向器和電刷

的作用，在電刷A和B兩端輸出的電動勢是方向不變的直流電動勢。這種作用

稱為整流作用。若在電刷A和B之間接上負載，發電機就能向負載供給直流電

能。這就是直流發電機的基木工作原理。

同時應該注意到，帶上負載以后，電樞導體成為載流導體，導體中的電流方

向與電勢方向相同，利用左手定則，還可以判斷出由電磁力產生的電磁轉矩方向

與運動方向相反，起制動作用。

根據上述原理分析，可以看出直流發電機有如下特點：

1、直流發電機將輸入機械功率轉換成電功率輸出；

2、利用換向器和電刷，直流發電機將導體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；

3、直流電動機導體中的電流與運動電勢方向相同。

4、電磁轉矩起制動作用。

從以上分析可以看出：一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可

以作為發電機運行，取決于外界不同的條件。

2.直流電動機的工作原理

圖1.1是一臺最簡單的直流電動機的模型，N和S是一對固定的磁極（一

般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵）。磁極之間有一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱

為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導體構成的電樞線圈abed,線圈的兩端

分別接到相互絕緣的兩個弧形銅片上，弧形銅片稱為換向片，它們的組合體稱為

換向器。在換向器上放置固定不動而與換向片滑動接觸的電刷A和B,線圈abed

通過換向器和電刷接通外電路。電樞鐵心、電樞線圈和換向器構成的整體稱為電

樞。

此模型作為直流電動機運行時，將直流電源加于電刷A和B,例如將電源

正極加于電刷A,電源負極加于電刷B,則線圈abed中流過電流。在導體出?中，

電流由。流向從在導體cd中，電流由。流向d。載流導體必和cd均處于N和

S極之間的磁場當中，受到電磁力的作用。電磁力的方向用左手定則確定，可知

這一對電磁力形成一個轉矩，稱為電磁轉矩，轉矩的方向為逆時針方向，使整個

電樞逆時針方向旋轉。當電樞旋轉180。，導體cd轉到N極下，c力轉到S極下,

如圖1.1S）所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變為由d流向c,而

ah中的電流由b流向從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉矩的方

向仍是逆時針方向。

由此可見，加于直流電動機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，變為

電樞線圈中的交變電流，這種將直流電流變為交變電流的作用稱之為逆變。由于

電樞線圈所處的磁極也是同時交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不

變，確保直流電動機朝確定的方向連續旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。

同時可以看到，一旦電樞旋轉，電樞導體就會切割磁力線，產生運動電勢。

在圖1.1⑷所示時刻，可以判斷出向導體中的運動電勢由〃指向而此時的導

體電流由a指向/?,因此直流電動機導體中的電流和電勢方向相反。

圖1.1直流電動機的基本工作原理

根據上述原理，可以看出直流電動機有如下特點：

(1)直流電動機將輸入電功率轉換成機械功率輸出；

(2)電磁轉矩起驅動作用；

(3)利用換向器和電刷，直流電動機將輸入的直流電流逆變成導體中的交

變電流；

(4)直流電動機導體中的電流與運動電勢方向相反。

3、

課程類型理論課口實驗課口習題課口實踐課口其它口

§1.2.2-1.2.3直流電機額

授課題目直流電機的額定值和電樞繞組授課章節

定值和樞繞組

授課順序直流電機的電樞繞組概念；結構及術語學時數2

教學目的：

教學1.掌握直流電機的額定值；

目的2.掌握直流電機的結構專業術語；

及要3.掌握繞組的展開圖畫法；

求4.熟悉電樞繞組的展開圖的分析；

教學重點：額定值；電樞單層繞組結構尺寸術語；展開圖的畫法。

教學教學難點：電樞單層繞組展開圖畫法及分析。

重點

及難點

教學方法教學方式：理論講授和圖形分析.

及手段教學手段：多媒體和實物。

課堂設計（教學內容、過程、方法、圖標等）時間分配

1.直流電機的額定值20分鐘

2.直流電樞繞組的作用與結構

3.直流電機單層繞組結構尺寸術語35分鐘

4.電樞單層繞組展開圖的畫法與分析35分鐘

作業

及思

考題

參考

資料

課后

小結

授課內容§1.2.2直流電機的額定值

型號為Z2-51的直流電機是一臺機座號為5、電樞鐵心為短鐵心的第2次改

型設計的直流電機。機座號表示直流電機電樞鐵心外直徑的大小，共有1-9個機

座號，機座號數越大，直徑越大。樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種，1表示

短鐵心，2表示長鐵心。

銘牌數據

（1）額定功率為（.）；

（2）額定電壓4①；

（3）額定電流〃（/）；

（4）額定轉速.

（5）勵磁方式和額定勵磁電流1加（冷。

直流發電機的額定功率應為

露1

直流電動機的額定功率為%~UN1N

電動機軸上輸出的額定轉矩為

=至=9559

QrnN

§1.3直流電機的電樞繞組

電樞繞組是直流電機的一個重要部分，電機中機電能量的轉換就是通過電樞

繞組而實現的，所以直流電機的轉子也稱為電樞。電樞繞組是由許多個形狀完全

一樣的單匝元件（當然也可以是多匝元件）以一定規律排列和聯接起來的，用S

表示元件數。

單疊繞組

1.繞組節距

所謂節距，是指被聯接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的

元件邊數或虛槽數或換向片數來表示。元件的上層邊用實線表示，卜.層邊用虛線

表示。

（1）第一節距

同一元件的兩個元件邊在電樞周圍上所跨的距離，用電樞表面相隔的槽數來

表示，稱為第一節距X。一個磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距T,當用槽

數表示時，極距的表達式為

式中，P為磁極對數。

為使每個元件的感應電動勢最大，第一節距yi應盡量等于一個極距T,但l

不一定是整數，而y必須是整數，為此，一般取第一節距

J,=三±￡=整數

2P

式中，￡為小于1的分數。

y二「的元件為整距元件，繞組稱為整距繞組；的元件稱為短距元件，

繞組稱為短距繞組；,的元件稱為長距元件，其電磁效果與的元件相

近，但端接部分較長，耗銅多，一般不用。

（2）第二節距

第一個元件的下層邊與直接相連的第二個元件的上層邊之間在電樞圓周上

的距離，用槽數表示，稱為第二節距y2。

（3）合成節距

直接相連的兩個元件的對應邊在電樞圓周上的距離，用槽數表示，稱為合成

節距y。

（4）換向器節距

每個元件的首、末兩端所接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換

向片數表示，稱為換向器節距yu由下圖可見，換向器節距歡與合成節距y總

是相等的，即

yk=y

IllI|15|1||7|8||15|

k-----——一T

（a）單疊繞組（b）單波繞組

2.單疊繞組的聯接方法和特點

下面通過一個實例來說明。

設一臺直流發電機2P=4,Z=S=K=）6,聯接成單疊右行繞組。

（1）計算各節距

第一節距月

合成節距）'和換向器節距外

）=4二1

第二節距為

>2=）；_）'=3

（2）繪制繞組展開圖如下圖所示。

所謂繞組展開圖是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開，并展開成平面

的聯接圖。作圖步驟如下。

第一步，先畫16根等長等距的實線，代表各槽上層元件邊，再畫16根等長

等距的虛線，代表各槽下層元件邊。讓虛線與實線靠近一些。實際上一根實線和

一根虛線代表一個槽（指虛槽），依次把槽編上號碼。

第二步，放置主磁極。讓每個磁極的寬度大約等于0.7J4個磁極均勻放置

在電樞槽之上，并標上N、S極性。假定N極的磁力線進入紙面，S極的磁力

線從紙面穿出。

第三步，畫16個小方塊代表換向片，并標上號碼，為了作圖方便，使換向

片寬度等于槽與槽之間的距離。為了能聯出形狀對稱的元件，換向片的編號應與

槽的編號有一定對應關系（由第一節距外來考慮）。

第四步，聯繞組。為了便于聯接，將元件、槽和換向片按順序編號。編號時

把元件號碼、元件上層邊所在槽的號碼以及元件上層邊相聯接的換向片號碼編得

一樣，即1號元件的上層邊放在1號槽內并與1號換向片相聯接。這樣當1號元

件的上層邊放在1號櫓（實線）并與1號換向片相聯后，因為）'=4,則1號元件

的下層邊應放在第5號槽（i+x=5）的下層（虛線）；因=）7=1,所以1

號元件的末端應聯接在2號換向片上（1+X=2）。一般應使元件左右對稱，這

樣1號換向片與2號換向片的分界線正好與元件的中心線相重合。然后將2號元

件的上層邊放入2號槽的上層（l+y=2）,下層邊放在6號槽的下層

（2+y=6）,2號元件的上層邊聯在2號換向片上，下層邊聯在3號換向片上。

按此規律排列與聯接下去，一直把16個元件都聯起來為止。

校核第2節距：第1元件放在第5槽的下層邊與放在第2槽第2元件的上層邊，

它們之間滿足為二3的關系。其他元件也如此。

第五步，確定每個元件邊里導體感應電動勢的方向。圖3.13中，所考慮的

是發電機，箭頭表示電樞旋轉方向，即自右向左運動，根據右手定則就可判定各

元件邊的感應電動勢的方向，即在N極下的導體電動勢是向下，在S極下是向

上的。在圖示這一瞬間，1、5、9、13四個元件正好位于兩個主磁極的中間，該

處氣隙磁密為零，所以不感應電動勢。

第六步，放電刷。在直流電機里，電刷組數也就是刷桿的數目與主極的個數

一樣多。對本例來說，就是四組電刷A、4、4、當，它們均勻地放在換向器

表面圓周方向的位置。每個電刷的寬度等于每一個換每個電刷的寬度等于每一個

換向片的寬度。放電刷的原則是，要求正、負電刷之間得到最大的感應電動勢，

或被電刷所短路的元件中感應電動勢最小，這兩個要求實際上是一致的。在圖

1.3里，由于每個元件的幾何形狀對稱，如果把電刷的中心線對準主極的中心線，

就能滿足上述要求。圖1.2中，被電刷所短路的元件正好是1、5、9、13,這幾

個元件中的電動勢恰為零。實際運行時，電刷是靜止不動的，電樞在旋轉，但是，

被電刷所短路的元件，水遠都是處于兩個主磁極之間的地方，當然感應電動勢為

零。

（3）繞組元件聯接順序圖

上層元件邊123456789101112131415161

閉合

下層元件邊VWWVWVWWW

5'6'7'8'9'10'12'13'14*15'16'1'2‘3'4'

（4）繞組電路圖

Bj

23455

----A----A.....—

6

876

--?--?--一

J0111213L

13

A--AA14F

161514TB2

+-6

總結：對電樞繞組中的單疊繞組，有以下特點：

（1）位于同一個磁極下的各元件串聯起來組成了一條支路，即支路對數等于極

對數,a=P。

（2）當元件的幾何形狀對稱，電刷放在換向器表面上的位置對準主磁極中心線

時，正、負電刷間感應電動勢為最大，被電刷所短路的元件里感應電動勢最小。

（3）電刷桿數等于極數。

課程類型理論課⑦實驗課口習題課口實踐課口其它口

§1.4直流電機勵磁方式

直流電機的勵磁方式和直流電動機的運

§1.6.1運行關系§1.6.2并

行關系與工作特性電樞電動勢和換向

授課題目授課章節

勵直流電動機的工作特性

授課順序直流電機的電樞電動勢、電磁轉矩和換向學時數2

教學目的：

1.掌握直流電動機勵磁方式；

2.掌握直流電動機的工作特性；

3.了解直流電動機的運行關系式。

教學

目的

及要

求

教學重點：電樞電動勢和電磁轉矩的理論分析、直流電機的換向方法。

教學難點：電樞電動勢和電磁轉矩的理論分析。

教學

重點

及難

點

教學方式：理論講授和圖形分析。

教學手段：多媒體和實物，理論結合.

教學

方法

及手

段

課堂設計（教學內容、過程、方法、圖標等）時間分配

1.直流電動機的勵磁方式；直流電動機的運行關系式45分鐘

2.并勵式直流電動機的工作特性。45分鐘

作業

及思

考題

參考

資料

課后

小結

授課內容§1.5直流電機電樞電動勢和電磁轉矩

一、直流電機電樞繞組的感應電動勢

電樞繞組的感應電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應電動勢，也就是電

樞繞組一條并聯支路的電動勢。電樞繞組元件邊內的導體切割氣隙合成磁場，產

生感應電動勢，由于氣隙磁通密度（尤其是負載時氣隙合成磁通密度）在一個極

下的分布不均勻，為分析推導方便起見，可把磁通密度看成均勻分布的，取一個

極下氣隙磁通密度的平均值為Bav,從而可得一根導體在一個極距范圍內切割氣

隙磁通密度產生的電動勢的平均值的、,，其表達式為

4八，=

式中，Bav為一個極下氣隙磁通密度的平均值，稱為平均氣隙磁通密度；/為電樞

導體的有效長度（槽內部分）；。為電樞表面的線速度。

設電樞繞組總的導體數為N,則每一條并聯支路總的串聯導體數為—為，

因

而電樞繞組的感應電動勢

%=4N2P①〃=PN①〃=C

“2a,2a6060。'

二、電樞繞組的電磁轉矩

電樞繞組中流過電樞電流L時，元件的導體中流過支路電流L,成為載流導

體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定則確定，如圖3.21

所示。一根導體所受電磁力的大小為

如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻的，氣隙磁通密度用平均值Bav表示，則每根

導體所受電磁力的平均值為

f（lx=紇”

一根導體所受電磁力形成的電磁轉矩，其大小為

?于《

式中，D為電樞外徑。

由于不同極性磁極下的電樞導體中電流的方向不同，所以電樞所有導體產生

的電磁轉矩方向都是一致的，因而電樞繞組的電磁轉矩等于一根導體電磁轉矩的

平均值Tav：乘以電樞繞組總的導體數N,即

=NBJi—=N&lSlEL=地0i=0①/

T=NT°a

V2TI2a27t2加

電樞電動勢Ea=C①〃和電磁轉矩T=①是直流電機兩個重要的公式。

對于同一臺直流電機，電動勢常數Ce和轉短常數CT之間具有確定的關系

Q=^Ce=9.55Ce

271a

§1.9直流電機的換向

一、直流電機的換向

直流電機運行時，隨著電樞的轉動，電樞繞組的元件從一條支路經過電刷短

路后進入另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過程稱為換向過程，簡稱換

向。

產生換向火花的原因有多種，最主要的是電磁原因。還有機械方面和化學方

面的原因。

1.機械原因

產生換向火花的機械原因有很多，主要是換向器偏心、換向片間云母絕緣凸

出、轉子平衡不良、電刷在刷握中松動、電刷壓力過大或過小、電刷與換向器的

接觸面研磨得不好因而接觸不良等等。為使電機能正常工作，應經常進行檢查、

維護和保養。

2.化學原因

電機運行時，由于空氣中氧氣、水蒸氣以及電流通過時熱和電化學的綜合作

用，在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較高的電阻值，能有效地

限制換向元件中的附加換向電流有利于換向。同時薄膜吸附的潮氣和石墨粉

能起潤滑作用，使電刷與換向器之間保持良好而穩定的接觸。電機運行時，由于

電刷的摩擦作用，氧化亞銅薄膜經常遭到破壞。但是在正常使用環境中，新的氧

化亞銅薄膜乂能不斷形成，對換向不會有影響。如果周圍環境氧氣稀薄、空氣干

燥或者電刷壓力過大時，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周圍環境中存在化學腐蝕

性氣體能破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。

二、改善換向的方法

改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產生火花的原因是多方面

的，其中最主要的是電磁原因。消除或削弱電磁原因引起的電磁性火花的方法有：

1.適用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻

2.裝設換向極

3.裝補償繞組

課程類型理論課口實驗課口習題課口實踐課口其它口

直流發電機、直流電動機的運行方程式

§直流發電機

授課題目和運行特性授課章節

§直流電動機

授課順序直流發電機；直流電動機學時數2

教學目的：

1.7解直流發電機運行方程式；

2.掌握他勵式直流發電機的運行特性；

3.了解直流電動機運行方程式；

4.掌握他勵式直流電動機的運行特性；

教學

目的

及要

求

教學重點：直流發電機、直流電動機的運行方程。

教學難點：直流發電機、直流電動機的運行特性分析。

教學

重點

及難

點

教學方式：理論講授和圖形分析。

教學手段：多媒體和實物，理論結合。

教學

方法

及手

段

課堂設計（教學內容、過程、方法、圖標等）時間分配

1.直流發電機運行分析。45分鐘

2.直流電動機運行分析。45分鐘

作業

及思

考題

參考

資料

課后

小結

一、直流電動機穩態運行的基本關系式

下圖為并勵直流電動機的示意圖。接通直流電源時，勵磁繞組中流過勵磁電

流建立主磁場，電樞繞組流過電樞電流/。，一方面形成電樞磁動勢工，通

過電樞反應使主磁場變為氣隙合成磁場，另?方面使電樞元件導體中流過支路電

流口，與磁場作用產生電磁轉矩T,使電樞朝T的方向以轉速n旋轉。電樞旋轉

時，電樞導體又切割氣隙合成磁場，產生電樞電動勢E*在電動機中，此電動

勢的方向與電樞電流。的方向相反，稱為反電動勢。當電動機穩態運行時，有如

下平衡關系，分別用方程式表示。

1.電壓平衡方程式

根據圖中用電動機慣例所設各量的正方向，可以列出電壓平衡方程式和電流

平衡方程式

U=Ea+R(ll]

'=J式中，(為電樞回路電阻，其中包括電刷和換向器之間

的接觸電阻。

此式表明，直流電機在電動機運行狀態下的電樞電動勢區總小于端電壓U。

2.轉矩平衡方程式

穩態運行時，作用在電動機軸上的轉矩有三個。一個是電磁轉矩T,方向與

轉速n相同，為拖動轉矩；一個是電動機空載損耗轉矩”，是電動機空載運行

時的阻轉矩，方向總與轉速n相反，為制動轉矩；還有一個是軸上所帶生產機械

的負載轉矩與,即電動機軸上的輸出轉矩，一般亦為制動轉矩。穩態運行時的

轉矩平衡關系式為拖動轉矩等于總的制動轉矩，即

T=T2+T.

3.功率平衡方程式

電動機輸入功率E為

P、=UI=Ud)=(E.+RJ”戶U1f

=EJa+RJ；+U1,=PM+pcuu+pcuf

式中，P'=UI；PM=EaIa為電磁功率；Pcua=RJ：,是電樞回路的銅損耗;

Ps=3八為勵磁繞組的銅損耗。

電磁功率

nL,pN..pNz2加2E

P,=E/——=711

時f““60。“2加”60

式中，O=2m/60,日動機的機械角速度，單位是md/s。

從上式中PM可知，電磁功率具有電功率性質；從可知，電磁功

率又具有機械功率性質，其實質是因為電磁功率是屬于電動機由電能轉換為機械

能的那一部分功率。

將轉矩平衡方程式兩邊乘以機械角速度。，得

ra=7；Q+7；)Q

可寫成

一,=:+〃()=-+Pm+Pfe+Ps

式中，尸2=72^,軸上輸出的機械功率：線="C,空載損耗，包括機械損耗巴M和鐵

損耗尸員o

可以作出并勵直流電動機的功率流程圖，如下圖(a)所示。圖中七”為勵磁繞

組的銅損耗，稱為勵磁損耗。并勵時，由輸入功率匕供給；他勵時，由

其他直流源供給，功率流程圖如圖(b)所示。

并勵直流電動機的功率平衡方程式

Pl=Pl+P(：uf+PCua+P?e+PmGC=P2+XP

式中，2八尸州+尸癡+%+尸.為并勵直流電動機的總損耗。

/=&PM=EJ/TCPfQ

(a)并勵直流電動機(b)他勵直流電動機

直流電動機功率流程圖

二、并勵直流電動機的工作特性

并勵直流電動機的工作特性是指當電動機的端電壓U2,勵磁電流

電樞回路不串外加電阻時，轉速n、電磁轉矩T、效率n分別與電樞

電流,“之間的關系。

1,轉速特性〃=/（1.

當u=UN、，/=/.（①=①N）時，轉速n與電樞電流之間的關系〃=/（力稱

為轉速特性。

將電動勢公式紇二C①〃代入電壓平衡方程式U二旦+R3,可得轉速特

性公式

UN_R-

如果忽略電樞反應的影響，①=^N保持不變，則（增加時，轉速n下降。但因

力一般很小，所以轉速n下降不多，〃=/（4）為一條稍稍向下傾斜的直線，如

圖中的曲線1所示。如果考慮負載較重，4,較大時電樞反應去磁作用的影響，

理隨著的增大，①將減小，因而使轉速特性出現上翹現象，如圖中的虛線所

ZJ^O

2,轉矩特性7="/。）

當〃=小@=%，）時.，電磁轉矩T與電樞電流/”之間的關系

T=/（/“）稱為轉矩特性。

由T=g①可知，不考慮電樞反應影響時，①二^N不變，T與/。成正比，

轉矩特性為過原點的直線。如果考慮電樞反應的去磁作用，則當/〃增大時，轉矩

特性略為向下彎曲，如圖中的曲線2所示。

3.效率特性〃=八1。）

當^:^八^二^^①二①"^上效率口與電樞電流乙的關系4二八/尸稱

為效率特性。

并勵直流電動機的效率

n=-^-xlOO%=1-^-^xlOO%=\-Pf<+Pmec+PcuaxlOO%

4\4/uU（〃+。）」

分析：鐵損耗產…是電機旋轉時電樞鐵心切割氣隙磁場而引起的渦

流損耗與磁滯損耗之和，其大小決定于氣隙磁通密度與轉速；機械損

耗尸…包括軸承及電刷的摩擦損耗和通風損耗，其大小主要決定于轉

速；勵磁繞組的銅損耗%當U=UN,。不變，也不變。

由此可看出，以上三種損耗都不隨電樞電流變化，亦即不隨負載變化

的，通常將這三種損耗之和稱為不變損耗。電樞回路的銅損耗

心〃=4/:與電樞電流的平方成正比，亦即隨負載的變化明顯變化，故

稱為可變損耗。

當電樞電流,“開始由零增大時，可變損耗增加緩慢，總損耗變化小，效率n

明顯上升；當忽略式分母中的‘/（'/〈〈,，）時，可以由d〃/打。二°求得當/，，增大

到電動機的不變損耗等于可變損耗，即

產與+P,nec+Patf=R/Z

時，電動機的效率達到最高；,“再進一步增大時，可變損耗在總損耗中所占的比

例變大了，可變損耗和總損耗都將明顯上升，使效率“反而略為下降。并勵直流

電動機的效率特性如圖中的曲線3所示，一般電動機在負載為額定值的75%左

右時效率最高。

二、他勵直流發電機的運行特性

直流發電機運行時，有4個主要物理量，即電樞端電壓U、勵磁電流0、

負載電流I（他勵時"J）和轉速n。其中轉速n由原動機確定，一般保持為額

定值不變。因此，運行特性就是U、I，、。三個物理量保持其中一個不變時，

另外兩個物理量之間的關系。顯然，運行特性應有三個。

1.空載特性

〃=〃。，0=°時，端電壓/與勵磁電流。之間的關系稱為空載特

性。

空載時，他勵發電機的端電壓％=6沖〃，片常數時，/”①，所以空

載特性/=/