第一章直流電機

電機是一種機電能量轉換的電磁裝置。將直流電能轉換為機械能的稱為直流電動機；反

之，將機械能轉換為直流電能的稱為直流發電機。

1.1直流電機的工作原理

1.1.1直流電動機的基本工作原理

圖L1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。

圖L1直流電動機的基本工作原理

1.1.2直流發電機的基本工作原理

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。將直流電源外加于電刷，輸入電能，電機

能將電能轉換為機械能，拖動生產機械旋轉，作電動機

運行；如用原動機施動直流電機的電樞旋轉，輸入機械

能，電機能將機械能轉換為直流電能，從電刷上引出直

流電動勢，作發電機運行。同一臺電機，既能作為電動S1.2直流發電機的工作原理

機運行，又能作發電機運行的原理，在電機理論中稱為

可逆原理。

1.2直流電機的結構和額定值

1.2.1直流電機的結構

直流電機的結構是由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定

子，定于的主要作用是產生磁場.由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。

運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能

量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

.換向器，電刷裝置⑶機座主磁極;

12.卜電樞繞組:2?電樞鐵心，3.機座；主磁極鐵心;

換向板端盍：風場，

5.,6.7.5-風|威綠組曲換向極繞組.7.換向被鐵心

8,電樞繞組”-電樞帙心8.主造極極靴,9.機座底腳

圖L3直流電機的縱剖面圖圖1.4直流電機橫剖面示意圖

1.定子部分

1）主磁極

2）換向極

3）機座

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

圖1.5主磁極圖L6換向極

4)電刷裝置

2.轉子(電樞)部分

(1)電樞鐵心

⑵電樞繞組。

(3)換向器

(4)轉軸

)■利摑，2?電別＞3.期隹卿),fts2.植，3.軸向通風孔

田1-7電刷裝置E18電樞鐵心沖片

1v影套面,2.云毋環，3.抹向片連我片1.M母片;2.挽向片;3.圾料

圖I/O普通換向器圖1.11塑料換向器

1.2.2直流電機的額定值

1.額定功率尸N額定功率是指按照規定的工作方式運行時

所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指軸上輸出的

機械功率；對發電機來說，額定功率是指電樞輸出的電功率，單

1.線盥絕緣:3.導冰；

4.精絕緣;6.情底免韁

圖1.9電樞槽內絕緣

位為kW（千瓦）。

2.額定電壓。修額定電壓是電機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，

單位為V（伏）。

3.額定電流//V額定電流是指電機按照規定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最

大電流，單位為A（安）。

4.額定轉速〃V額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行

時，電機的旋轉速度，單位為r/min（轉/分）。

額定值一般標在電機的銘牌上，故又稱為銘牌數據。還有一些額定值，例如額定轉矩

〃、額定效率〃N和額定溫升8等，不一定標在銘牌上，可查產品說明書或由銘牌上的數

據計算得到。

額定功率與額定電壓和額定電流的關系

3

直流電動機PN=UNINrjNxlO-kW（1.1）

3

直流發電機PN=UNINxlO~kW（1.2）

1.3直流電機的電樞繞組

1.3.1元件與節距

a）疊境組元件；b）波統組元件

1.端按部分：2.有效邊；3.末端;4.換向片；5.首蜿

E112電樞驍組元件

2.節距

（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，用槽數來表示，

稱為第一節距月。

7

力=——±￡=整數（L7）

’2P

（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，稱為第二節距及，如圖1J3所示。

a)單疊繞組；b)單波線組

圖113電樞繞組的節距

(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,如圖1.13所示。

(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，稱為換向器節距次。由圖1.13可見，換向器節距也與合成節距y總是相

等的，即

yk=y(1.8)

1.3.2.單疊繞組

后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分上,這種繞組稱為疊繞組。一臺直流電

機，Z—S=K=16>2p—4>接成單疊繞組。

1.計算節距

力=-=4

12p4

換向器節距和合成節距

也=y=1

第二節距，由圖1.13a可見，對于單疊繞組

y2=yi-y=4-1=3

2.繪制繞組展開圖

fOi

圖1742=16.2/>=4單疊繞組展開空

3.單疊繞組聯接順序表

上層元件邊

閉合

下層元件邊

圖1」5單疊繞組聯接順序表

4.單疊繞組的并聯支略圖

⑤與田1_14用對應的邦聯支路圖

5.單疊繞組的特點

(1)位于同一磁極下的各元件串聯起來組成一條支路，并聯支路對數等于極對數，即

a=p。

(2)當元件形狀左右對稱，電刷在換向器表面的位置對準磁極中心線時，正、負電刷間

的感應電動勢最大，被電刷短路元件中的感應電動勢最小。

(3)電刷刷桿數等于極數。

1.3.3單波繞組

單波繞組的元件如圖1.13b所示，首末端之間的距離接近兩個極距，以＞力，兩個元

件串聯起來成波浪形，故稱波繞組。

pyk=K_1

換向器節距

以=~一=整數(1.10)

p

合成節距

y=yk

第二節距

y2=y-y\

一臺直流電機：Z=S=K=15,2P=4接成單波繞組。

1.計算節距

z,15

力=—±E=—

2P4

K~\15-1-

>'=yk=-------=^—=7

P2

乃=y_乃=7_3=4

2.繪制展開圖

圖LI7Z=15,2"=4單波繞組展開圖

3.單波繞組的聯接順序表

閉合

圖L18單波繞組聯接順序表

4.單坡繞組的并聯支路圖

圖119圖】"7所示瞬間繞組的并聯支路圖

5.單波繞組的特點

(1)上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯起來組成一條文路，并聯支路對數恒等

于1,與極對數無關.

(2)當元件形狀左右對稱，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時，支路電勢

最大。

(3)單從支路對數來看，單波繞組可以只要兩根刷桿，但在實際電機中，為縮短換向器

長度以降低成本，仍使電刷桿數等于極數，亦即所謂采用全額電刷。

設繞組每支路的電流為電樞電流為/“，無論是單疊繞組還是單波繞組均有

〃=2%

單疊繞組與單波繞組的主要區別在于并聯支路對數的多少。單疊繞組可以通過增加極對

數來增加并聯支路對數，適用于低電壓大電流的電機；單波繞組的并聯支路對數a=l,但

每條并聯支路串聯的元件數較多，故適用于小電流較高電壓的電機。

1.4直流電機的磁場

1.4.1直流電機的勵磁方式

勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。

1.他勵直流電機

a)b)c)d)

a）他勵；b）并勵；c〉串勵；d》品勵

圖1.20直流電機的勵磁方式

勵磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯系。

2.并勵直流電機

勵磁繞組與電樞繞組并聯。

以上兩類電機的勵磁電流只有電機額定電流的1%?5%,所以勵磁繞組的導線細而匝

數多。

3.串勵直流電機

勵磁繞組與電樞繞組串聯。

4.復勵直流電機

每個主磁極上套有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯，稱為并勵繞組；另一個與電樞

繞組串聯，稱為串勵繞組。

1.4.2直流電機的空載磁場

ffi1-21直流電機的空載磁場圖1.22空載磁化特性

1.主磁通和漏磁通

2.直流電機的空載磁化特性

直流電機運行時，要求氣隙磁場每個極下有一定數量的主磁通，叫每極磁通①，為充

分利用鐵磁性材料，又不致于使磁阻太大，電機的工作點一般選在磁化特性開始轉彎的線段

上，亦即磁路開始飽和的地方（圖中A點附近）。

0

圖123空載時氣隙磁密分布E）1-24電樞磁場

3.空載磁場氣隙磁密分布曲線

主磁極的勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上，當忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時.主磁極

下氣隙磁密的分布就取決于氣隙3的大小。所以，空載氣隙磁通密度分布為一禮帽形的平頂

波，如圖1.23b所示。圖中瓦”,稱為平均磁通密度，Bm=—,①為每極磁通，7■為極距,

L為導體有效長度。

1.4.3直流電機的電樞反應及負載磁場

1.直流電機的電樞反應

負載時，電樞繞組流過電樞電流/“，產生電樞磁動勢與勵磁磁動勢尸/共同建立

負載時的氣隙合成磁密，必然會使原來的空載氣隙磁密的分布發生變化。通常把電樞磁動勢

對空載氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應。

2.直流電機的電樞磁場

圖1.24表示一臺兩極直流電機電樞磁動勢單獨作用產生的電樞磁場分布情況。圖中沒

有畫出換向器，所以把電刷直接畫在幾何中性線處，以表示電刷是通過換向器與處在幾何中

性線上的元件邊相接觸的。說明一個整距元件所產生的電樞磁動勢在空間的分布為一個以兩

個極距2T為周期、幅值為的矩形波。

a)

a）磁力線路柱；b＞磁動勢的空間分布

圖1-25一個繞組元件的磁動勢

當電樞繞組有許多整距元件均勻分布于電樞表面時，每一個元件產生的磁動勢仍是幅值

為的矩形波，把這許多個矩形波磁動勢疊加起來，可得電樞磁動勢在空間的分布為

一個以兩個極距2T為周期的多階梯形波。為分析簡便起見，可以近似地認為電樞磁動勢空

間分布為三角形波，三角形波磁動勢的最大值

在幾何中性線位置，磁極中心線處為零。

3.負載時氣隙合成磁場

電刷放在幾何中性線上時電樞反應的影響

為：1）使氣隙磁場發生畸變。半個極下磁場削

弱，半個極下磁場加強。對發電機，是前極端（電

物

幾

理

何

中

中

性

性

線

線

出1-26直流電機的電樞反應

樞進入端）的磁場削弱，后極端（電樞離開端）的磁場加強；對電動機，則與此相反。氣隙磁

場的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對發電機，是順旋轉方向偏離；對電動機，是逆旋

轉方向偏離。2）磁路飽和時，有去磁作用。因為磁路飽和時，半個極下增加的磁通小于另

半個極下減少的磁通，使每個極下總的磁通有所減少。

1.5直流電機的感應電動勢和電磁轉矩

1.5.1直流電機電樞繞組的感應電動勢

取一個極下氣隙磁密的平均值為圖廠從而可得

一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁密產生的電

動勢的平均值％v，其表達式為

%V=Bavlv

式中：8。,，為一個極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁

通密度；/為電樞導體的有效長度（槽內部分）；丫為

電樞表面的線速度。

由于圖1-27氣隙合成磁場磁通密度的分布

和平均磁通密度

Bav

T/

因而，一根導體感應電動勢的平均值

①，〃?2p.

=-I—2pr=——①〃

avTl6060

設電樞繞組總的導體數為N,N=2SNC,則每一條并聯支路總的串聯導體數為N/2a,因

而電樞繞組的感應電動勢

NN2ppN

E.-C=-----①〃=—①〃=①〃(1.12)

2a,2a6060a

式中對已經制造好的電機，是一常數，故稱直流電機的電動勢常數。

60a

1.5.2電樞繞組的電磁轉矩

一根導體所受電磁力的大小為

fx=Bxlia

如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻的，氣隙磁密用平均值BQ,表示，則每根導體所受電

磁力的平均值為

fav~紇丫"。

--根導體所受電磁力形成的電磁轉矩，其大小為

Tav=favy

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心,,乘以電樞繞組總的導體數N,

即

T=NT=NBli-=N—l^--^=-^-d>I=C^l(1.13)

aUvV1a4vV1a47cCC“aT1Ua

2TI2a2it2na

式中Cr=2M,對已制成的電機是一常數，稱為直流電機的轉矩常數。

2兀〃

C=—C=9.55C(1.14)

T2naee

或

ce=^-CT=0.105Cr

1.6直流電動機

1.6.1直流電動機穩態運行的基本關系式

1.電壓平衡方程式

U=E+1R~

"…\(1.15)

2.轉矩平衡方程式

T=T2+TO(1.16)

3.功率平衡方程式

電動機輸入功率耳為

圖128并勵直流電動機

P\=U1=U3+//)=(E“+/“&)/〃+UIf=EJ+I：R"+UIf

=P<”n+Pc“"+「CM

(1.16a)

式中電磁功率；2電樞回路的銅損耗；球

A=U/,Pem=EaIa,pCua=IaRa,Pc=U",

勵磁繞組的銅損耗。

電磁功率

P=EI-①nl^^=712(1.17)

emaa60aa2naa60

RA=T2Q+TOQ

可寫成

Pem=5+=22+Pmec+PFe(1.18)

并勵直流電動機的功率平衡方程式:

勺=02+PCuf+PCua+PFe+Pmec=芻+〉：P(1.19)

a）并勵電流電動機；b）他勵直派電動機

圖1-29直流電動機功率流程圖

式中：￡p=PCuf+PCua+PFe+Pmec）為并勵直流電動機的總損耗。

1.6.2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"=。2,勵磁電流//=/例，電樞

回路不串外加電阻時，轉速n、電磁轉矩T、效率口分別與電樞電流〃之間的關系。

1.轉速特性"=/（〃）

W=UN、。=/加（①=<i>N）時，轉速n與電樞電流〃之間的關系〃稱為轉

速特性。

將電動勢公式%=G中〃代人電壓平衡方程式

U=Ea+laRa,可得轉速特性公式

2.轉矩特性T=r（〃）

當｛/=。2、If=tfN（①=<I>N）時，電磁轉矩T

1.轉速特性；2-轉矩特性；3?效率特性

a1.30并勵電動機的工作特性

與電樞電流/”之間的關系T=/(/?)稱為轉矩特性。

3.效率特性n=/(/“)

當1/=外、//=//N時，效率n與電樞電流/“的關系n=稱為效率特性。

并勵直流電動機的效率

0=2X]00%=(1_x]00%=[1_]>]00%(1.21)

pipIU(/“+//)

1.6.3串勵直流電動機的工作特性

1.轉速特性

“UR'

n---------------a---l

C*C*a

/a=//較小時，磁路沒有飽和，<1>=&//代入上式,

可得

U

n=R；[=的_V(1.22)

CekfIaCekflaCe'IaCe'

要注意的是當電樞電流較小時，電動機的轉速將升得很高,

因為較小時，氣隙磁通中和電阻壓降/“RJ均很小，為使

&=C,0>/能與電源電壓U相平衡，轉速n必須很高才行.理論上，〃接近于零時，電動

機轉速將趨近于無窮大，導致轉子損壞，所以串勵直流電動機不允許在空載或輕載下運行。

2.特矩特性

22

T=Cr<D/fl=CTkfIa^CT'Ia(1.23)

3.效率特性

1.6.4復勵直流電動機的工作特性

1.轉速恃性，2.轉矩特性;3.效率特性

國卜32串勵電動機的工作特性

u

】.并筋i2.稅復勘，3.申勵

ffi)-33復勵直流電動機圖1-34復勵直潼電動機的轉速特性

1.7他勵直流電動機的機械特性

他勵直流電動機的機械特性定義為：電樞電壓U為常數，勵磁電流//為常數，電樞回

路電阻Ra+RQ為常數時，電動機產生的電磁轉矩T與轉速n之間的函數關系，即〃=f(T).

1.7.1機械特性方程式

電樞感應電動勢/=C*〃

電磁轉矩丁一①底

電樞電路電壓平衡方程：U=Ea+IaR

電動機轉速特性方程：n=U~IaR

C0①

由電磁轉矩方程可得到〃=工，代入轉速特

a?H他動也電略串重陽

性方程式中，就得到電動機機械特性方程式：

若U,中，R均為常數，機械特性是一條向下傾

81136偷用常直電M機的駁tt特性

斜的直線，如圖1.36所示。

"="0一|3T(L25)

或n—n0-An

由式(1.25)可知，B越大，△"越大，機械特性曲線越斜，稱之為軟特性；反之將B小、

An小的特性稱硬特性。

1.7.2固有機械特性與人為機械特性

當電樞上加額定電壓、氣隙每極磁通為額定磁通、電樞回路不串任何電阻，即

U=UN,①=①N，%=0

這種情況下的機械特性稱為他勵直流電動機的固有機械特性。其方程式為

n=a_______J

CQNCeC心N

卜

1.電樞回路串電阻的人為機械特性

電樞加額定電壓UN，每極磁通為額定磁通為］

①N，電樞回路串人電阻后，機械特性方程式為

2

Ce①NCeCT<t>N.

一冏有

2.改變電樞電壓的人為機械特性in

保持每極磁通為額定值不變，電樞回路卜:人為

不串任何電阻，只改變電樞電壓時的人為機"，'卜IRfl2>Efll

械特性方程為"‘廣n

雇=U________凡____T（］28）IW1-38電樞率電BB時跑人為符性

2

CENCeCT<DN

3.減少氣隙磁通量的人為機械特性"''

減小氣隙每極磁通量①的方法是通過減

圖L39變電壓附的人為特性

小勵磁電流//來實現的。

此時特性方程式為

C,@CeCT^>

實際運行的他勵直流電動機，當中=

①QO'〉《

時，電機磁路已接近飽和.所以只能從中,v的

圖1.40弱破時的人為特性

基礎上減弱磁通，而不可能去增加磁通。

1.8直流發電機

1.8.1

1.電動勢平衡方程式

U^E(l-IaRa

2.轉矩平衡方程式

(1.31)

T}=T+T0

3.功率平衡方程式

TlQ=m+7^Q

可以寫成

勺=Pem+圖L42他勵直流發電機的功率流程圖

(1.32)

mpN2nnpN.._,

nP-TQ1------①I°..........-.........①1小=E,J&

em2加i6060。a

眉=Pem+PO=B+PCua+P.nec+PFe(1-34)

1.8.2他勵直流發電機的運行特性

運行特性就是U、//、七三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

n=nN,Ia時端電壓/與勵磁電流//之間的關系/=〃//）稱為空載特性。

3J0?f

圖1.43他勵直流發電機試驗線路圖1.a他勵直流發電機的空載特性

2.外特性

U

〃="N，0=/加時，端電壓u與負載電流I之間的u.

關系。=/（/）稱為外特性。

發電機端電壓隨負載電流增大而降低的程度用電壓

變化率來表示。電壓變化率是指，”//=/例發電

0'0".‘?”一一./

機由額定負載（U=UN，/=/N）過渡到空載（U=UO，畫

1.45他勵直流發電機的外特性

/=0）時電壓升高的數值對額定電壓的百分比：

UU

AU=0~NxlOO%（1.35）

UN

3.調節特性

n=nN,1；=常數時，勵磁電流。與負載電流I之間

的關系//=〃/）稱為調節特性。0r*一*■?

1.8.3并勵直流發電機的自勵過程和自勵條件§1.46他勵直流發電機的調節特性

u|432

f-------——)

U

&L

圖1.47并勵直流發電機的原理接線圖圖L48井勵直流發電機的自勵建壓過程

并勵直流發電機自勵建壓必須滿足以下三個條件:

1.電機磁路中要有剩磁，如果電機磁路中沒有剩磁，可用其他直流電源（例如干電池）短

時加于勵磁繞組給主磁極充磁；

2.勵磁繞組并聯到電樞兩端的極性正確，如果并聯極性不正確，可將并勵繞組并到電樞

繞組的兩個端頭對調；

3.勵磁回路的總電阻小于該轉速下的臨界電阻。

1.8.4并勵直流發電機的運行特性

1.并勵直流發電機的空載特性

2.并勵直流發電機的外特性

3.并勵直流發電機的調節特性

1,并勵；2.他勵

圖1.50并勵直流發電機的調節特性

1.8.5復勵直流發電機的外特性

復勵發電機一般采用積復勵，即并勵繞組的磁動勢與串勵繞組的磁動勢方向一致。兩個

勵磁繞組中，并勵繞組起主要作用，產生的磁通維持產生空載額定電壓；串勵繞組起輔助作

用。

1,4夏撿心平現魁;3.欠在勵

$1.51復勵直流發電機的外特性

1.9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。

圖1.52電樞繞組元件的換向過程

*M直流電機火花等級

火花等級電刷下的火花程度換向器與電刷的狀態

1無火花

電刷邊緣僅小部分有微弱的點狀火花，換向器上沒有黑痕及電刷上沒有灼痕

4或有非放電性的紅火花

換向器上有黑痕,但不發屐,用汽油可

電刷邊緣大部分或全部有輕微火花

擦去?電刷上有輕微灼痕。

換向器上有黑痕，擦不掉，電刷上有灼

電刷邊緣大部分或全部有較強烈的火

2痕.如短時出現這一級火花，換向器上

花

不出現灼痕，電刷不被燒焦或損壞

黑痕相當嚴施.汽油擦不掉，電刷上有

電刷整個邊緣有強烈火花，同時有大火

3灼痕.如在這一級火花下運行.換向器

花飛出

上將出現灼痕，電刷將被燒焦或燒壞

1.9.1直線換向、延遲換向和電磁性火花

產生換向火花的原因有多種，最主要是電磁原因。

1.直線換向

換向元件中的電流取決于該元件中的感應電動勢和回路的電阻。假設換向元件中沒有任

何電動勢，且將換向元件、引線與換向片的電阻均忽略不計，回路中只有電刷與換向片1

的接觸電阻與和電刷與換向片2的接舶電阻尺2,則換向元件中的電流只取決于回路中的電

阻”和/'2的大小，這種換向情況稱為電阻換向。

解方程可求得換向電流I為

』,(1一當(1.40)

換向過程中，換向元件的電流i均勻地由+i“變為-i“，變化過程為一條直線，如圖1.53

中的曲線1所示，這種換向稱為直線換向。直線換向時不產生火花，故又稱為理想換向。

2.延遲換向和電磁性火花

實際上，換向元件回路中會有電抗電動勢和旋轉電動勢存在，對換向產生不利影響。

(1)電抗電動勢

根據楞茨定律，電抗電動勢打的作用總是阻礙電流變化的，因此，的方向與元件換

向前的電流+J的方向相同。

(2)旋轉電動勢

e0=2N?.BM(1.41)

電抗電動勢er和旋轉電動勢ea的方向相

同，都企圖阻礙換向元件中電流的變化，使換向

電流的變化延遲，如圖1.53中曲線2所示，這

種情況稱為延遲換向。

1.9.2產生火花的其他原因

圖1.53直線換向與延遲換向

1.機械原因

2.化學原因

1.9.3改善換向的方法

1.選用合適的電刷

2.裝設換向極

換向極裝設在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線

上，換向極的作用是在換向區產生換向極磁動勢，從

而使換向元件回路中的合成電動勢為零或接近

圖1.54用換向極改善換向

于零，換向過程為直線換向或接近于直線換向，火花

小，換向良好。

對發電機，換向極的極性應與順電樞旋轉方向下一個主磁極的極性相同；對電動機，換

向極的極性應與順電樞旋轉方向下一個主磁極的極性相反。

裝設換向極是改善換向最有效的方法，容量在IkW以上的直流電機幾乎都裝有與主磁極

數目相等的換向極。

1.9.4環火與補償繞組

1.產生環火的原因

電樞反應使磁場發生畸變.

2.防止環火的措施一一裝補償繞組

主磁極極靴上開有均勻分布的槽.槽

內嵌放補償繞組，使補償繞組電流的方向

與所對應的主磁極下電樞繞組的電流方向E1-55補償繞組

相反，確保補償繞組磁動勢和電樞反應磁

動勢的方向相反，從而補償電樞反應磁動

勢的影響。為了使補償作用在任何負載下

都能抵消或明顯削弱電樞反應磁動勢的影

響，補償繞組應與電樞繞組串聯。

裝置補償繞組可以提高電機運行的可靠性，但使電機結構復雜，成本提高，一般僅用于

負載變化劇烈、換向比較困難的大、中型電機。

第二章變壓器

2.1變壓器的工作原理

在一個閉合鐵心上繞有匝數為N,和N2的兩個繞

組，其中一個繞組接電源，另一個繞組接負載，這

就是一臺單相變壓器，如圖2.1所示。接電源ui的繞

組稱為初級繞組(或稱原繞組)，簡稱初級，是吸收電

能的；接負載的繞組稱為次級繞組(或副繞組)，簡稱

次級，是向負載輸送電能的。

圖2.1單相變壓器的工作原理

…洋(2.1)

，2f警

(2.2)

也就有

且=M=K(2.3)

K稱為變壓器的變比，它等于初級繞組匝數N1對次級繞組匝數用之比。

生=￡L=M=K(2.4)

〃2N2

2.2變壓器的結構和銘牌數據

2.2.1變壓器的結構

1、銘牌；11、油箱；

2、信號式溫度計;12、放油閥門;

3、吸濕器；13、器身；

4、油表；14、接地板；

5、儲油柜；15、小車；

6、安全氣道；

7、氣體繼電器；

8、高壓套管；

9、低壓套管;

10、分接開關；

圖2.2三相油浸式電力變壓器外形圖

1.鐵心

鐵心用很薄的O.35~O.5mm厚的硅鋼片疊裝而成

鐵心由鐵心柱和鐵輛組成。鐵心中套裝繞組的部分是鐵心柱，連接鐵心柱形成閉合磁路

的部分稱為鐵粗。

2.繞組

變壓器一般采用同心式繞組，即低壓繞組和高壓繞組同心地套裝在鐵心柱上，如圖2.4

圖2.3硅鋼片的排法圖2.4三相心式變壓器的鐵心與繞望

4

a)第1、3、5、7……層1、鐵軌；2、鐵心柱；3、高壓繞組;

b)第2、4、6、8.......層4、低壓繞線

3.油箱

4.監視和保護裝置

(1)儲油柜和油表

(2)氣體繼電器

(3)安全氣通

(4)絕緣套管

2.2.2變壓器的銘牌數據H

變壓器的型號是由漢語拼音字母和數字組合起來的，字母表示U

類型；數字分別表示額定容量和高壓側的額定電壓。B

SL——1000/10

三相一—高壓側額定電壓為10KV

鋁線————額定容量為1000KVA

1.額定容量SN額定容量就是變壓器的額定視在功率，單位為VA或KVA。

2.額定電壓UIN/U2N都是指線電壓，初級繞組額定電壓U1N是指加到初級繞組上的電

源線電壓的額定值；次級繞組額定電壓U2N是指當初級繞組接額定電壓、變壓器空載運行時

次級繞組的線電壓。

3.額定電流IIN"2N是變壓器在額定運行時初、次級繞組中的線電流。

對于單相變壓器

=SN

(2.5)

W-UN

12N(2.6)

U2N

對于三相變壓器

二SN

(2.7)

一包

=SN

(2.8)

一圓2N

2.3變壓器的空載運行

變壓器初級繞阻接電源，次級繞組不接負載的運行方式稱為空載運行;

2.3.1變壓器空載運行時的物理狀況

圖2.6變壓器

空載運行原理圖

2.3.2電磁量正方向的習慣規定

…噂

圖2.7磁通參考方向與感應電動勢參考方向

2.3.3變壓器繞組的感應電動勢

假設變壓器中的主磁通按正弦規律變化，即

=|

<bJ>msin?t(2.9)

式中①m為主磁通的幅值，單位為Wb（韋伯）。

e=-N—=Coscot--90°）

}}mCDN}M

dt(2.10)

=E[mSin（（a-90°）=V2E,Sm（6X-90°）

居=與=竺等=2咿?=4.44加4,“(2.11)

V2，2yj2

若用相量表示時，則有

E=-/4.444加色，(2.12)

同理，交變的主磁通6在次級繞組中的感應電動勢e2為

e2=—N2=_(oN?”[Cosax-mSin(<(tX—90°)

=ElmSin(cot-90°)=V2E2Sin(ca-90°)

式中

E,

瑪=招=4.44雙。“

V2

寫成相量的形式為

,=_/4.44加26m(2.14)

E-444"?-NjK

(2.15)

E24.44.MR.N2

在忽略繞組電阻和漏磁通時，很容易寫出繞組的電壓平衡方

程式。

4-瓦

=-￡(2.16)

2。=耳(2.17)

UIO=E2

q=￡L/=K(2.18)

U20Ez

圖2.8忽略繞組電阻和漏磁通時空載運行