1、No Image No Image No Image 第第3 3章章 直流電機直流電機 電機學電機學 Electric Machinery 直流電機是電機的主要類型之一。直流電機 自身有著顯著的優點優點，但與交流電機相比自身又 有著缺點缺點。近年來，與電力電子裝置結合而具有 直流電機性能的電機不斷涌現，使直流電機有被 取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有一定的理 論意義和實用價值! 1.1.直流電動機以其良好的直流電動機以其良好的起動性起動性和和調速性能調速性能著稱著稱。 2.2.直流發電機直流發電機供電質量供電質量較好，常常作為勵磁電源。較好，常常作為勵磁電源。 結構較復雜結構較復雜 直流電機

2、直流電機 成本較高成本較高 使它的應用受到使它的應用受到 限制限制 可靠性較差可靠性較差 本章主要內容本章主要內容 1 1、直流電機的工作原理和基本結構、直流電機的工作原理和基本結構 2 2、說明電機的磁動勢和磁場、說明電機的磁動勢和磁場 4 4、分析直流電動機的穩態運行性能、分析直流電動機的穩態運行性能 3 3、導出電機的電動勢和電磁轉矩公式、導出電機的電動勢和電磁轉矩公式 第三章 直流電機的原理 3.1 直流電機的主要結構部件直流電機的主要結構部件 u N極和極和S極只能成對出現極只能成對出現 且沿圓周均勻交替分布；且沿圓周均勻交替分布； u 極對數：極對數：N極或極或S極的個極的個 數，

3、通常用數，通常用 p 表示；表示； u 極數：極數：主磁極的個數，等主磁極的個數，等 于于 2p 。 N SN S p=2 即即4極電機極電機 3.1.1 3.1.1 主要結構主要結構 第三章 直流電機的原理 第三章 直流電機的原理 1）主磁極）主磁極 2）勵磁繞組）勵磁繞組 主磁極鋼板沖片主磁極鋼板沖片 （厚）（厚） 主磁極由鋼板主磁極由鋼板 沖片疊壓而成沖片疊壓而成 勵磁繞組套在勵磁繞組套在 主磁極極身上主磁極極身上 第三章 直流電機的原理 3）電樞鐵心）電樞鐵心 4）電樞繞組）電樞繞組 電樞鐵心沖片電樞鐵心沖片 厚厚) （硅鋼片）（硅鋼片） 涂絕緣漆沖涂絕緣漆沖 片疊壓而成片疊壓而成 均

4、勻開槽均勻開槽 直流電機的轉子直流電機的轉子 第三章 直流電機的原理 5）換向器）換向器 6）電刷）電刷 電刷電刷 第三章 直流電機的原理 換向器換向器 第三章 直流電機的原理 發電機：發電機：PNUNIN (輸出電功率輸出電功率) 電動機：電動機：PNUNINN (輸出機械功率輸出機械功率) 直流電機的銘牌數據直流電機的銘牌數據 額定功率額定功率PN單位單位W或或kW 額定電壓額定電壓UN單位單位V 額定電流額定電流 IN單位單位A 額定勵磁電壓額定勵磁電壓UfN單位單位V 額定勵磁電流額定勵磁電流IfN單位單位A 額定轉速額定轉速nN單位單位r/min 額定效率額定效率N 額定轉矩額定轉矩

5、TN單位單位Nm 第三章 直流電機的原理 直流電機的銘牌數據直流電機的銘牌數據 額定條件下電機額定條件下電機 所能提供的功率所能提供的功率 N P額定功率 指電刷間輸出的指電刷間輸出的 額定電功率額定電功率 發電機發電機 指軸上輸出指軸上輸出 的機械功率的機械功率 電動機電動機 發電機：是指輸出額定電壓；發電機：是指輸出額定電壓； 電動機：是指輸入額定電壓。電動機：是指輸入額定電壓。 在額定工況下，電機出線在額定工況下，電機出線 端的平均電壓端的平均電壓 N U額定電壓 在額定電壓下，運行于在額定電壓下，運行于 額定功率時對應的電流額定功率時對應的電流 N I額定電流 在額定電壓、額定電流下，

6、運在額定電壓、額定電流下，運 行于額定功率時對應的轉速行于額定功率時對應的轉速 N n額定轉速 第三章 直流電機的原理 此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、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。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時，所有物理量與額定值相同電機運行于額定狀電機運行于額定狀 態。電機的運行電流小于額定電流態。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運行電流大于額欠載運行；運行電流大于額 定電流定電流過載運行。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

7、命。電機最好運行于額定狀態或額定狀態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。附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。 fN I額定勵磁電流 對應于額定電壓、額定電流、額對應于額定電壓、額定電流、額 定轉速及額定功率時的勵磁電流定轉速及額定功率時的勵磁電流 直流電機的銘牌數據直流電機的銘牌數據 指直流電機的勵磁線圈指直流電機的勵磁線圈 與電樞線圈的連接方式與電樞線圈的連接方式 勵磁方式勵磁方式 第三章 直流電機的原理 3.1.3 直流電機的勵磁方式 1、直流發電機、直流發電機 u 通過通過換向器換向器和和電刷電刷將交流變成直流將

8、交流變成直流 3.2 直流電機的工作原理直流電機的工作原理 第三章 直流電機的原理 BlvBe 2、導體感應電動勢、導體感應電動勢 第三章 直流電機的原理 第三章 直流電機的原理 3、直流電動機、直流電動機 u 導體中的電動勢和導體中的電動勢和 電流為交流電流為交流 增加導體減小感應電動勢增加導體減小感應電動勢 脈動。當每極下導體數大脈動。當每極下導體數大 于于8 8時，脈動可小于時，脈動可小于1%1%。 第三章 直流電機的原理 p 環形電樞繞組環形電樞繞組 u 只有一半的導體產生只有一半的導體產生 感應電動勢，導體利感應電動勢，導體利 用率低。用率低。 eeeeeee eeeeeee 電樞繞

9、組的演變電樞繞組的演變 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e No Image p 鼓形電樞繞組鼓形電樞繞組 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 通過換向片，6個元件依次串連構成一個閉合回路。 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 位于對稱位置的電刷將閉合的6個線圈分成兩個并聯支路。 電刷將環形閉合電樞繞組分成兩條對稱的并聯支路。 兩個電刷位于

10、換向器內圓對稱位置(實際放置在外圓上)。 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 No Image 構成構成 直流電機電樞繞直流電機電樞繞 組的基本單元為元件組的基本單元為元件; 一臺電機的元件數一臺電機的元件數 一般等于電機的槽數一般等于電機的槽數. 27 第三章 直流電機的原理 元件元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單 匝和多匝兩種。匝和多匝兩種。 3.3 3.3 直流電機的電樞繞組簡介直流電機的電樞繞組簡介 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 元件的首末端元件的首末端：每一個元件均引出兩根線：每一

11、個元件均引出兩根線 與換向片相連，其中一根稱為首端，與換向片相連，其中一根稱為首端， 另一根稱為末端。另一根稱為末端。 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 極距極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。表示。 p D 2 疊繞組疊繞組：指串聯的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前：指串聯的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前 一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。 波繞組波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元

12、件串 聯起來，象波浪式的前進。聯起來，象波浪式的前進。 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 合成節距合成節距 ：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。y 第一節距第一節距 ：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。 1 y 第二節距第二節距 ：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下 層邊與第二個元件的上層邊間的距離。層邊與第二個元件的上層邊間的距離。 2 y 21 yyy 單疊繞組單疊繞組 2

13、1 yyy 單波繞組單波繞組 換向節距換向節距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。 k y 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 第三章 直流電機的原理 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識 單疊繞組元件 右行 左行 第一節距第一節距 y1 第二節距第二節距 y2 合成節距合成節距 y 換向節距換向節距 yK 整數 2 i 1 p Z y 單波繞組元件 右行 p K yy 1 K 左行 p K yy 1 K 右行 第三章 直流電機的原理 3.3.2 單疊繞組 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 單疊繞組的特點是相鄰元件單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈線圈

14、)相互疊壓相互疊壓,合成節距與換向節合成節距與換向節 距均為距均為1，即：，即： 。1 k yy 單疊繞組的展單疊繞組的展 開圖是把放在鐵心開圖是把放在鐵心 槽里、構成繞組的槽里、構成繞組的 所有元件取出來畫所有元件取出來畫 在一張圖里，展示在一張圖里，展示 元件相互間的電氣元件相互間的電氣 連接關系及主磁極、連接關系及主磁極、 換向片、電刷間的換向片、電刷間的 相對位置關系相對位置關系. 第三章 直流電機的原理 3.3.2 單疊繞組 直流電機的電樞繞組簡介 根據單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯支路電路圖根據單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯支路電路圖(下圖下圖)。 單疊繞組的的特點：單疊繞

15、組的的特點： 1） 同一主磁極下的元件同一主磁極下的元件 串聯成一條支路，主磁極串聯成一條支路，主磁極 數與支路數相同。數與支路數相同。 2）電刷數等于主磁極數，）電刷數等于主磁極數， 電刷位置應使感應電動勢電刷位置應使感應電動勢 最大，電刷間電動勢等于最大，電刷間電動勢等于 并聯支路電動勢。并聯支路電動勢。 3）電樞電流等于各支路）電樞電流等于各支路 電流之和。電流之和。 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 單波繞組的特點是合成節距與換向節距相等，展開圖如下圖單波繞組的特點是合成節距與換向節距相等，展開圖如下圖 所示。所示。 兩個串聯元件兩個串聯元件 放在同極磁極下，放在

16、同極磁極下， 空間位置相距約兩空間位置相距約兩 個極距；沿圓周向個極距；沿圓周向 一個方向繞一周后，一個方向繞一周后， 其末尾所邊的換向其末尾所邊的換向 片落在與起始的換片落在與起始的換 向片相鄰的位置。向片相鄰的位置。 3.3.3 單波繞組 第三章 直流電機的原理 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 3.3.3 單波繞組 單波繞組的并聯支路圖如右圖所示。單波繞組的并聯支路圖如右圖所示。 單波繞組的特點單波繞組的特點 1）同極下各元件串聯起）同極下各元件串聯起 來組成一條支路，支路對來組成一條支路，支路對 數為數為1，與磁極對數無關，與磁極對數無關; 2）當元件的幾何形狀對稱）當元件的幾何形狀對稱

17、 時，電刷在換向器表面上時，電刷在換向器表面上 的位置對準主磁極中心線，的位置對準主磁極中心線， 支路電動勢最大；支路電動勢最大；3）電刷數等于磁極數；）電刷數等于磁極數； 4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；）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。）電樞電流等于兩條支路電流之和。 第三章 直流電機的原理 u 直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組；直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組； u 直流電機電樞繞組至少有直流電機電樞繞組至少有2條并聯支路。條并聯支路。 在直流電機中，通常用在直流電機中，通常用 a 表示并聯支路對數表示并聯支路對數 單疊繞組單疊繞組a = p

18、即并聯支路對數恒等于電機極對數即并聯支路對數恒等于電機極對數 單波繞組單波繞組a = 1 即并聯支路對數恒等于即并聯支路對數恒等于1 u 電刷放置的一般原則是確保空載時通過正、負電刷電刷放置的一般原則是確?？蛰d時通過正、負電刷 引出的電動勢最大，或者說，被電刷短路的元件中引出的電動勢最大，或者說，被電刷短路的元件中 的電動勢為零。的電動勢為零。 u 對于端接對稱的元件，電刷也就放置在主極軸線下對于端接對稱的元件，電刷也就放置在主極軸線下 的換向片上。的換向片上。 3.3 直流電機的電樞繞組簡介 第三章 直流電動機的原理 例例1：一臺直流電機，：一臺直流電機，2p=4，S=120，每元件電阻為，

19、每元件電阻為，當轉速當轉速 n=1000r/min時，每元件的平均電動勢為時，每元件的平均電動勢為10V。問當電樞繞組。問當電樞繞組 分別為單疊和單波時，正負電刷端的電壓分別為單疊和單波時，正負電刷端的電壓U和電樞繞組電阻和電樞繞組電阻Ra 解解: : 設直流電機電樞繞組的并聯支路數設直流電機電樞繞組的并聯支路數2a2a，則每條支路串，則每條支路串 聯的元件數為聯的元件數為S/2aS/2a，每條支路的感應電動勢等于支路串聯的，每條支路的感應電動勢等于支路串聯的 各元件感應電動勢之和，而支路電阻亦等于支路串聯的各元各元件感應電動勢之和，而支路電阻亦等于支路串聯的各元 件電阻之和。由于各條支路是對

20、稱的，因此正負電刷間的感件電阻之和。由于各條支路是對稱的，因此正負電刷間的感 應電動勢等于支路感應電動勢，而電樞繞組電阻則等于支路應電動勢等于支路感應電動勢，而電樞繞組電阻則等于支路 電阻除以并聯支路數。空載時，正負電刷端的電壓等于正負電阻除以并聯支路數?？蛰d時，正負電刷端的電壓等于正負 電刷間的感應電動勢。電刷間的感應電動勢。 第三章 直流電動機的原理 電樞繞組為單波繞組時，電樞繞組為單波繞組時，2a=2，每條支路串聯的元件數為，每條支路串聯的元件數為 120/2=60120/2=60，故有，故有 VVU6006010 6 2 602 . 0 a R 電樞繞組為單疊繞組時，電樞繞組為單疊繞組

21、時，2a=2p=4 Ra VVU3003010 5 . 1 4 302 . 0 a R 第三章 直流電動機的原理 例例2：設一臺：設一臺4kW、220V，效率，效率N=84%的兩極直流電動機，的兩極直流電動機， 電樞繞組為單疊繞組，槽數電樞繞組為單疊繞組，槽數Q=18=18，每槽每層元件邊數，每槽每層元件邊數u=4,=4,元元 件匝數件匝數Ny=8=8。試求：。試求： （1 1）電機的額定電流；）電機的額定電流； （2 2）電樞繞組數據：虛槽數）電樞繞組數據：虛槽數Qu，換向片數，換向片數K K，繞組元件數，繞組元件數S S， 總導體數總導體數Za以及繞組各節距。以及繞組各節距。 解解 （1

22、1）額定電流）額定電流 AA U P I NN N N 65.21 84. 0220 104 3 （2 2）虛槽數）虛槽數 72184uQQu 元件數、換向片數元件數、換向片數 72 u QKS 第三章 直流電動機的原理 合成節距合成節距1 k yy 第一節距第一節距 180 4 72 2 1 p Q y u 第二節距第二節距 1917181 12 或yyy 總導體數總導體數 根根115272822SNZ ya 第三章 直流電機的原理 3.3.11. 3.3.11. 直流電機空載磁場直流電機空載磁場 3.4 3.4 直流電機的磁場直流電機的磁場 右圖為一臺四極直右圖為一臺四極直 流電機空載時的

23、磁場示流電機空載時的磁場示 意圖。意圖。 當勵磁繞組的串聯匝數當勵磁繞組的串聯匝數 為為 ，流過電流為，流過電流為 ， 每極的勵磁磁動勢為：每極的勵磁磁動勢為： f N f I fff NIF 第三章 直流電機的原理 直流電機中，直流電機中，主磁通主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應是主要的，它能在電樞繞組中感應 電動勢或產生電磁轉矩，而電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通漏磁通沒有這個作用，它只是增沒有這個作用，它只是增 加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得 多，大約是主磁通的多，大約是主磁通的20%。 磁力線由磁力線由N極出來，

24、經氣隙、極出來，經氣隙、 電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、 電樞齒部、氣隙進入電樞齒部、氣隙進入S極，再極，再 經定子鐵軛回到經定子鐵軛回到N極極 主磁通主磁通 主磁路主磁路 磁力線不進入電樞鐵心，磁力線不進入電樞鐵心， 直接經過氣隙、相鄰磁極直接經過氣隙、相鄰磁極 或定子鐵軛形成閉合回路或定子鐵軛形成閉合回路 漏磁通漏磁通 漏磁路漏磁路 直流電機的空載磁場 第三章 直流電機的原理 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阻時，主磁極下氣隙磁通密度的

25、分布就取決于氣隙的大小和形狀. 如右圖如右圖 (a) 所示所示 幾何中性線幾何中性線 極靴極靴 極身極身 （a）氣隙形狀）氣隙形狀 磁極中心及附近的氣隙小且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，數，靠近極尖處，氣隙逐漸變大， 磁通密度減?。粯O尖以外，氣隙磁通密度減?。粯O尖以外，氣隙 明顯增大，磁通密度顯著減少，明顯增大，磁通密度顯著減少， 在磁極之間的幾何中性線處，氣在磁極之間的幾何中性線處，氣 隙磁通密度為零。隙磁通密度為零。 直流電機的空載磁場 第三章 直流電機的原理 空載時的氣隙磁通密度為一平空載時的氣隙磁通密度

26、為一平 頂波，如下圖頂波，如下圖(b) 所示。所示。 空載時主磁極磁通的分布情空載時主磁極磁通的分布情 況，如右圖況，如右圖(c) 所示。所示。 x B （b）氣隙磁密分布）氣隙磁密分布 直流電機的空載磁場 第三章 直流電機的原理 為了感應電動勢或產生電磁轉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矩，直流電機氣隙中需要有一定量 的每極磁通的每極磁通 ，空載時，氣隙磁，空載時，氣隙磁 通通 與空載磁動勢與空載磁動勢 或空載勵磁或空載勵磁 電流電流 的關系，稱為直流電機的空的關系，稱為直流電機的空 載磁化特性。如右圖所示。載磁化特性。如右圖所示。 0 0 0f F 0f I 為了

27、經濟、合理地利用材料，為了經濟、合理地利用材料， 一般直流電機額定運行時，額定磁一般直流電機額定運行時，額定磁 通通 設定在圖中設定在圖中A點，即在磁化特點，即在磁化特 性曲線開始進入飽和區的位置。性曲線開始進入飽和區的位置。 N fN I 0f F 0f I IN f I A 0 N 0 直流電機空載磁化特性 第三章 直流電機的原理 直流電機帶上負載后，電樞繞組中有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流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁電樞磁 動勢動勢。電樞磁動勢的出現使電機的磁場發。電樞磁動勢的出現使電機的磁場發 生變化。生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的

28、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。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。的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。 直流電機負載時的負載磁場 第三章 直流電機的原理 如果認為直流電機電樞上如果認為直流電機電樞上 有無窮多整距元件分布，則電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樞磁動勢在氣隙圓周方向空間 分布呈三角波，如圖中分布呈三角波，如圖中 所所 示。示。 ax F 由于主磁極下

29、氣隙長度基由于主磁極下氣隙長度基 本不變，而兩個主磁極之間，本不變，而兩個主磁極之間， 氣隙長度增加得很快，致使電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樞磁動勢產生的氣隙磁通密度 為對稱的馬鞍型，如圖中為對稱的馬鞍型，如圖中 所示。所示。 ax B ax B ax F 直流電機負載時的負載磁場 第三章 直流電機的原理 當勵磁繞組中有勵磁電流，當勵磁繞組中有勵磁電流， 電機帶上負載后，氣隙中的磁場電機帶上負載后，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。電樞磁場對氣隙磁作用的結果。電樞磁場對氣隙磁 場的影響稱為場的影響稱為電樞反應電樞反應

30、。電樞反。電樞反 應與電刷的位置有關。應與電刷的位置有關。 1、當電刷在幾何中性線上時，將、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，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，可得到負載后電機的磁場分布情況， 如圖（如圖（a）所示。）所示。 3.4 直流電機的磁場 3.4.4 直流電機的電樞反應 第三章 直流電機的原理 電樞磁場磁通電樞磁場磁通 密度分布曲線密度分布曲線 主磁場的主磁場的 磁通密度磁通密度 分布曲線分布曲線 兩條曲線逐點疊加后得兩條曲線逐點疊加后得 到負載時氣隙磁場的磁到負載時氣隙磁場的磁 通密度分布曲線通密度分布曲線 3.4 3.4 直流

31、電機的磁場直流電機的磁場 3.4.4 3.4.4 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 第三章 直流電機的原理 由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：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、對主磁場起去磁作用 1)、使氣隙磁場發生畸變、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中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時不同。

32、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 的電樞反應為的電樞反應為交軸去磁性質交軸去磁性質。 3.4 3.4 直流電機的磁場直流電機的磁場 3.

33、4.4 3.4.4 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 第三章 直流電機的原理 2 2、當電刷不在幾何中性線上時、當電刷不在幾何中性線上時 電刷從幾何中性線偏電刷從幾何中性線偏 移移 角，電樞磁動勢角，電樞磁動勢 軸線也隨之移動軸線也隨之移動 角，如圖角，如圖(a)(b)所示。所示。 ad F aq F 這時電樞磁動勢可以這時電樞磁動勢可以 分解為兩個垂直分量分解為兩個垂直分量: 交軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢 和直軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢 . 如圖如圖(a)(b)所示。所示。 3.4 3.4 直流電機的磁場直流電機的磁場 3.4.4 3.4.4 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 第三

34、章 直流電機的原理 電刷不在幾何中性線時的電樞反應可用下列表格說明電刷不在幾何中性線時的電樞反應可用下列表格說明 電刷順轉向偏移電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移電刷逆轉向偏移 發電機發電機交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁 電動機電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁 3.4 3.4 直流電機的磁場直流電機的磁場 3.4.4 3.4.4 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 第三章 直流電機的原理 B Bav b x 0 eb lv /2za /2 1 2 za iav i z Eee a avav eB lva B lv 2 k zSN 3.5 直流

35、電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 3.5.1 直流電機電樞繞組的感應電動勢直流電機電樞繞組的感應電動勢 第三章 直流電機的原理 3.5 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 3.5.1 直流電機電樞繞組的感應電動勢直流電機電樞繞組的感應電動勢 2/60vp n 0av Bla Bl 00 60 ae pz EnCn a V 60 e pz C a 60 ae pz EnCn a V 第三章 直流電機的原理 3.5 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 3.5.2 直流電機電樞繞組電磁轉矩直流電機電樞繞組電磁轉矩 b Bav

36、 b x 0 . . . . . . . . . . . . . . n ia T 2 a a I fb lib l a 1 22 z a iavav i ID TtztzB l a 2 D tf 22 a avav ID tB l a 第三章 直流電機的原理 3.5 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 3.5.2 電磁轉矩電磁轉矩 2 ata pz TICI a N 2 t pz C a 2/Dp av B l 第三章 直流電機的原理 總結：總結： 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 感應電動勢感應電動勢E：支路中各串聯元件感應電動勢的代數

37、和。：支路中各串聯元件感應電動勢的代數和。 電磁轉矩電磁轉矩 Tem：所有導體產生的電磁轉矩的代數和。：所有導體產生的電磁轉矩的代數和。 ema 2 T a T TCI pN C a 60 E a E ECn pN C a u為每極磁通量，空載時由勵磁電流產生，負載時由勵為每極磁通量，空載時由勵磁電流產生，負載時由勵 磁電流和電樞電流共同產生。磁電流和電樞電流共同產生。 uCE為電動勢常數，為電動勢常數，CT為轉矩常數，與電機結構有關。為轉矩常數，與電機結構有關。 30 TE CC 3.5 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 性質性質: :發電機發電機電源電勢電源電勢

38、( (與電樞電流同方向與電樞電流同方向); ); 電動機電動機反電勢反電勢( (與電樞電流反方向與電樞電流反方向).). 性質性質: : 發電機發電機制動制動( (與轉速方向相反與轉速方向相反) )； 電動機電動機驅動驅動( (與轉速方向相同與轉速方向相同) )。 第三章 直流電動機的原理 例例3 3：一臺四極、：一臺四極、82kW82kW、230V230V、971r/min971r/min的他勵直流發電機，如的他勵直流發電機，如 果每極的合成磁通等于空載額定轉速下具有額定電壓時每極磁通，果每極的合成磁通等于空載額定轉速下具有額定電壓時每極磁通， 試求當電機輸出額定電流時的電磁轉矩。試求當電機

39、輸出額定電流時的電磁轉矩。 解解 額定電流額定電流 AA U P I N N N 5 .356 230 1082 3 他勵電機，額定電樞電流他勵電機，額定電樞電流AII NaN 5 .356 依題意有依題意有 Ne UnCE 2371. 0 970 230 n U C N e 2643. 22371. 0 3030 eT CC 電磁轉矩電磁轉矩 mNmNICT aNTe 2 .8075 .3562643. 2 第三章 直流電動機的原理 例例4 4：一臺直流發電機數據：一臺直流發電機數據：p=6 （1 1）發電機的感應電動勢；）發電機的感應電動勢； （2 2）當轉速）當轉速n=900r/minn

40、=900r/min，但磁通不變時的感應電動勢；，但磁通不變時的感應電動勢； （3 3）當磁通，）當磁通，n=900r/minn=900r/min時的感應電動勢。時的感應電動勢。 解解 （1 1）13 360 7803 60 a pN Ce 轉速轉速 40 3030 n r/min1200r/min 感應電動勢感應電動勢VVnCE e 5 .61112000392. 013 第三章 直流電動機的原理 e CnE min/900rn （2）當）當不變時，不變時， 。因此。因此時的感應電動勢為時的感應電動勢為 VVE6 .4585 .611 1200 900 e CE0435. 0（3）當）當和和n

41、不變時，不變時，。因此。因此Wb時的感應電動勢為時的感應電動勢為 VVE9 .5086 .458 0392. 0 0435. 0 第三章 直流電機的原理 3.6 直流電機的可逆原理直流電機的可逆原理 以他勵電機為例說明可逆原理：以他勵電機為例說明可逆原理： 一臺電機既可作為發電機運行，又可作為電動機運行，這一臺電機既可作為發電機運行，又可作為電動機運行，這 就是直流電機的可逆原理。就是直流電機的可逆原理。 把一臺他勵直流發電機并聯于直流電網上運行，把一臺他勵直流發電機并聯于直流電網上運行， 保持不變。保持不變。 U 保持發電機的保持發電機的 不變，減少原動機的輸出功率，發電機的轉不變，減少原動

42、機的輸出功率，發電機的轉 速下降。當速下降。當 下降到一定程度時下降到一定程度時, 使得使得 , 此時此時 ，發，發 電機輸出的電功率電機輸出的電功率 ，原動機輸入的機械功率僅僅用來補償，原動機輸入的機械功率僅僅用來補償 電機的空載損耗。繼續降低原動機的電機的空載損耗。繼續降低原動機的 ，將有，將有 ， 反向，反向， 這時電網向電機輸入電功率，電機進入電動機狀態運行。同理，這時電網向電機輸入電功率，電機進入電動機狀態運行。同理， 上述的物理過程也可以反過來，電機從電動機狀態轉變到發電機上述的物理過程也可以反過來，電機從電動機狀態轉變到發電機 狀態。狀態。 nUEa0I 0 2 P nUE a

43、U a I 第三章 直流電機的原理 3.7 3.7 直流電動機運行原理直流電動機運行原理 3.7.1 直流電動機的基本方程直流電動機的基本方程 a E M U a I em T 0 T 2 T n f I f U 如圖規定各物理量的參考方向如圖規定各物理量的參考方向 電機的基本方程如下：電機的基本方程如下： aTem ICT 02 TTTem )( 02adFemecemem PPPPPPP aaemCuaem IETPPP 1 nCE ea aaabaaa RIEURIEU2 UE a 第三章 直流電機的原理 3.7 3.7 直流電動機運行原理直流電動機運行原理 3.7.2 直流電動機的功率

44、關系直流電動機的功率關系 1 PU I 輸入電功率輸入電功率 P1 1 2 ()() Cuf afafaaaf aaafemCua PUIU IIUIUIEI R IUI EII RUIPpp 2 2 emaa C uaaa C uffff PE I pI R pU IIR 1 2 Cuf emCua emFemecad PPpp PPppp pCua+pCuf 亦稱之為可變損耗。亦稱之為可變損耗。 pFe+pmec+pad=p0 稱之為空載損耗，亦稱為不變損耗。稱之為空載損耗，亦稱為不變損耗。 電磁功率電磁功率 Pem 電樞銅耗電樞銅耗 pCua 勵磁銅耗勵磁銅耗 pCuf 電機鐵耗電機鐵耗

45、 pFe 機械損耗機械損耗 pmec 附加損耗附加損耗 pad 輸出機械功率輸出機械功率 P2 第三章 直流電機的原理 3.7 3.7 直流電動機運行原理直流電動機運行原理 穩態運行轉矩方程穩態運行轉矩方程 電磁轉矩電磁轉矩 Tem 負載轉矩負載轉矩 T2 空載制動轉矩空載制動轉矩 T0 02em PpP 20em PPp 20em TTT 20 d d em TTTJ t 動態運行轉矩方程動態運行轉矩方程 v4. 效率效率 21 112 100%100%(1) 100% PPpp PPPp 3.7.2 直流電動機的功率關系直流電動機的功率關系 第三章 直流電機的原理 3.7 3.7 直流電動

46、機運行原理直流電動機運行原理 3.7.3 直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性 1、轉速特性、轉速特性 一、他勵（并勵）一、他勵（并勵）直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性 N UU 定義：當定義：當 、 時，時， fN II )( a Ifn 由方程式可得由方程式可得 a e a e N I C R C U n 忽略電樞反應的去磁作用，轉速與負忽略電樞反應的去磁作用，轉速與負 載電流按線性關系變化。如圖所示。載電流按線性關系變化。如圖所示。 2、轉矩特性、轉矩特性 N UU 定義：當定義：當 、 時，時， fN II )( aem IfT 轉矩表達式轉矩表達式 aNTem ICT 考

47、慮電樞反應的作用，轉矩上升的速度比電流上考慮電樞反應的作用，轉矩上升的速度比電流上 升的慢。如圖所示。升的慢。如圖所示。 a I n 0 n 2 T 0 T em T T 第三章 直流電機的原理 3.7 3.7 直流電動機運行原理直流電動機運行原理 3.7.3 直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性 3、效率特性、效率特性 N UU 定義：當定義：當 、 時，時， fN II )( a If 由方程式可得由方程式可得 aN aa IU IRP P PP n 2 0 1 1 1 空載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化，空載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化， 當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部

48、分當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部分 消耗在空載損耗上；負載電流增大，效率也增消耗在空載損耗上；負載電流增大，效率也增 大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但 當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此 時效率又變小。如圖所示。時效率又變小。如圖所示。 a I 0 第三章 直流電動機的原理 3.8 他勵直流電動機的機械特性 3.8.1 機械特性的表達式 直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、 電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩態運行時，

49、電動電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩態運行時，電動 機的轉速與電磁轉矩之間的關系：機的轉速與電磁轉矩之間的關系：)( em Tfn em em Tee Tn T CC R C U n 0 2 由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式： 0 n 0 n N n n em T N T0 T 0 n稱為理想空載轉速。稱為理想空載轉速。 實際空載轉速實際空載轉速 0 2 0 T CC R C U n Tee 3.8 3.8 他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 3.8.2 固有機械特性和人為機械特性固有機械特性和人為機械特性 一、固有機械特性

50、一、固有機械特性 當當 時的機械特性稱為固有機械特性：時的機械特性稱為固有機械特性： aNN RRUU, em NTe a Ne N T CC R C U n 2 二、人為機械特性二、人為機械特性 當改變當改變 或或 或或 得到的機械特性稱為人為機械特性。得到的機械特性稱為人為機械特性。U a R 第三章 直流電動機的原理 3.8 3.8 他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 3.8.2 固有機械特性和人為機械特性固有機械特性和人為機械特性 1 1、電樞串電阻時的人為特性、電樞串電阻時的人為特性 保持保持 不變不變,只在電樞回路中串入電阻只在電樞回路中串入電阻 的人為特性的人為特性

51、 NN UU, S R em NTe Sa Ne N T CC RR C U n 2 Sa RR 0 n n a R em T 特點：特點：1 1） 不變，不變， 變大變大 0 n 2） 越大，特性越軟。越大，特性越軟。 第三章 直流電動機的原理 3.8 3.8 他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 3.8.2 固有機械特性和人為機械特性固有機械特性和人為機械特性 2 2、降低電樞電壓時的人為特性、降低電樞電壓時的人為特性 保持保持 不變，只改變電樞電壓不變，只改變電樞電壓 時的人為特性：時的人為特性： Na RR,U em NTe a Ne T CC R C U n 2 1 U

52、N UU 1 01 n 0 n n N U em T 特點：特點：1)1) 隨 隨 變化變化, , 不變不變; ; 2) 2) 不同不同, ,曲線是一組平行線。曲線是一組平行線。 0 n U U 第三章 直流電動機的原理 3.8 他勵直流電動機的機械特性 3.8.2 固有機械特性和人為機械特性 3 3、減弱勵磁磁通時的人為特性、減弱勵磁磁通時的人為特性 保持保持 不變，只改變勵磁回路調節電阻不變，只改變勵磁回路調節電阻 的人為特性：的人為特性： Na UURR, Sf R em Te a e N T CC R C U n 2 01 n 1 1k T 2 02 n 2k T N n 0 n em

53、 T k T N 12 特點：特點：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大 0 n 第三章 直流電動機的原理 3.8 他勵直流電動機的機械特性 3.8.3 機械特性求取 一、固有特性的求取一、固有特性的求取 ), 0( 0 nnT em ),( NNem nnTT 已知已知 ，求兩點求兩點:1:1）理想空載）理想空載 點點 和額定運行和額定運行 。 NNNN nIUP, , 具體步驟：具體步驟： （1）估算）估算: a R 2 ) 3 2 2 1 ( N NNN a I PIU R （2 2）計算）計算: NTNe CC和 N NNN Ne n PIU C Ne

54、NT CC55.9 （3）計算理想空載點：）計算理想空載點： Ne N em C U nT 0 , 0 （4 4）計算額定工作點：）計算額定工作點： NNNTN nnICT, 二、人為特性的求取二、人為特性的求取 在固有機械特性在固有機械特性 方程方程 的基礎上，根據人為的基礎上，根據人為 特性所對應的參數特性所對應的參數 或或 或或 變化，重新變化，重新 計算計算 和和 ，然后得，然后得 到人為機械特性方程到人為機械特性方程 式。式。 em Tnn 0 S R U 0 n 第三章 直流電動機的原理 第三章 直流電動機的原理 3.9 串勵直流電動機 3.9.1 串勵電動機的機械特性 a kI

55、當磁路不飽和時當磁路不飽和時 kC T I kICICT T em a aTaTem 2 kC R T U kC kC T CC R C U n e em e T em Tee 2 當磁路飽和時，磁通基本不變，當磁路飽和時，磁通基本不變， 機械特性與他勵直流電動機的機械特機械特性與他勵直流電動機的機械特 性相似。性相似。 T Tem em n n A A B B C C 磁路不飽和磁路不飽和 時的機械特時的機械特 性曲線性曲線ABAB段段 磁路飽和時磁路飽和時 的機械特性的機械特性 曲線曲線BCBC段段 一、固有特性一、固有特性 aN RRUU,固有特性是指當固有特性是指當 時的特性，具有以下

56、特點時的特性，具有以下特點: 一、固有特性一、固有特性 （1 1）它是一條非線性的軟特性，負載時轉速降落很大；）它是一條非線性的軟特性，負載時轉速降落很大； 00 ,/,0,0,0nCUnIT eaem （2 2）空載時，）空載時， 為無窮為無窮 大大. .實際上實際上, ,空載時存在剩磁，空載時存在剩磁， 為有限值，但值也很大為有限值，但值也很大 “飛車飛車”現象。因此現象。因此串勵電動機不允許空載或輕載運行串勵電動機不允許空載或輕載運行。 0 n （3 3）由于）由于 ，起動和過載時電樞電流大，故串勵電動機，起動和過載時電樞電流大，故串勵電動機 的起動轉矩大，過載能力強。的起動轉矩大，過載

57、能力強。 2 aem IT 第三章 直流電動機的原理 3.9 串勵直流電動機 3.9.1 串勵電動機的機械特性 二、人為特性二、人為特性 1 1、電樞串電阻的人為特性、電樞串電阻的人為特性 串入電阻后，轉速降增大，所以電樞串電阻的人為特性在固串入電阻后，轉速降增大，所以電樞串電阻的人為特性在固 有特性的下方，且特性變得更軟。有特性的下方，且特性變得更軟。 2 2、降低電壓的人為特性、降低電壓的人為特性 降低電壓時，理想空載轉速下降，人為特性下移。電壓下降后，降低電壓時，理想空載轉速下降，人為特性下移。電壓下降后， 電樞反電動勢隨之減少，轉速必然減少，所以降低電壓的人為特電樞反電動勢隨之減少，轉

58、速必然減少，所以降低電壓的人為特 性位于固有特性下方。性位于固有特性下方。 3 3、改變磁通的人為特性、改變磁通的人為特性 改變磁通的方法是在勵磁繞組上并聯一個分流電阻。與固有特改變磁通的方法是在勵磁繞組上并聯一個分流電阻。與固有特 性相比，在電樞電流相等情況下，勵磁電流減少，磁通減少，所性相比，在電樞電流相等情況下，勵磁電流減少，磁通減少，所 以人為特性位于固有特性上方。以人為特性位于固有特性上方。 第三章 直流電動機的原理 3.9 串勵直流電動機 3.9.1 串勵電動機的機械特性 3.10 電力拖動系統穩定運行條件 處于某一轉速下運行的電力拖動系統，由于受到某種擾動，導處于某一轉速下運行的

59、電力拖動系統，由于受到某種擾動，導 致系統的轉速發生變化而離開原來的平衡狀態，如果系統能在新的致系統的轉速發生變化而離開原來的平衡狀態，如果系統能在新的 條件下達到新的平衡狀態，或者當擾動消失后系統回到原來的轉速條件下達到新的平衡狀態，或者當擾動消失后系統回到原來的轉速 下繼續運行，則系統是穩定的，否則系統是不穩定的。下繼續運行，則系統是穩定的，否則系統是不穩定的。 n A em T L T A n 0 在在 點點, 系統平衡系統平衡 A Lem TT A n 擾動使轉速有微小增量，轉速由擾動使轉速有微小增量，轉速由 上升到上升到 ， ，擾動消失，系，擾動消失，系 統減速，回到統減速，回到 點

60、運行。點運行。A A n A n Lem TT n A em T L T A n 0 A n 擾動使轉速由擾動使轉速由 下降到下降到 , ， 擾動消失，系統加速，回到擾動消失，系統加速，回到 點運點運 行。行。 A A n A n Lem TT n A em T L T A n 0 第三章 直流電動機的原理 B n 擾動使轉速由擾動使轉速由 下降到下降到 ， , 系統將一直減速，系統將一直減速， 不可能回到不可能回到 點點 運行。運行。 B B n B n Lem TT n B em T L T B n 0 B n 擾動使轉速由擾動使轉速由 上升到上升到 ， , 即使擾動消失即使擾動消失,系統