1、課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第三章第三章 直流電機直流電機 本章概述本章概述o實現電能與機械能相互轉換的設備稱為電機。應用旋實現電能與機械能相互轉換的設備稱為電機。應用旋轉的方式進行能量轉換的電機叫旋轉電機，把機械能轉的方式進行能量轉換的電機叫旋轉電機，把機械能轉換為電能的旋轉電機稱作發電機，根據電磁原理把轉換為電能的旋轉電機稱作發電機，根據電磁原理把電能轉換為機械能的旋轉電機稱為電動機。電能轉換為機械能的旋轉電機稱為電動機。o船用電機在船舶的整個電器設備中占有很大的比例。船用電機在船舶的整個電器設備中占有很大的比例。一般幾千噸位以上的船舶，

2、電機的總數量可超過百臺一般幾千噸位以上的船舶，電機的總數量可超過百臺以上，若為電力推動船舶，電機數量更多。根據電流以上，若為電力推動船舶，電機數量更多。根據電流種類電機分交流電機和直流電機。種類電機分交流電機和直流電機。船舶電氣設備與系統 2022-3-17課 件課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系o直流電機是實現機械能和直流電能相互轉換的一種旋轉直流電機是實現機械能和直流電能相互轉換的一種旋轉電器裝置。直流電機是可逆的。一臺直流電機既可作為電器裝置。直流電機是可逆的。一臺直流電機既可作為發電機使用，也可以作為電動機使用。在作為電動機使發電機使用，也

3、可以作為電動機使用。在作為電動機使用時，它將電能轉換為機械能，并且具有良好調速性能，用時，它將電能轉換為機械能，并且具有良好調速性能，調速設備簡單，有較大的起動轉矩和制動轉矩等優點，調速設備簡單，有較大的起動轉矩和制動轉矩等優點，在現代船舶上有時被用在要求起動轉矩大調速性能好和在現代船舶上有時被用在要求起動轉矩大調速性能好和有較大的過載能力的起貨機或電動舵機的電力拖動上。有較大的過載能力的起貨機或電動舵機的電力拖動上。在作為發電機使用時，它把機械能轉換為電能。在作為發電機使用時，它把機械能轉換為電能。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系o直流發電機早

4、期作為主電源在船舶上普遍應用，與交流直流發電機早期作為主電源在船舶上普遍應用，與交流發電機比較，存在的主要缺點是：電壓不能變換以及結發電機比較，存在的主要缺點是：電壓不能變換以及結構復雜，造價高和維護工作量大等。現在大多數船舶采構復雜，造價高和維護工作量大等。現在大多數船舶采用交流發電機替代直流發電機，但有些船舶仍用直流發用交流發電機替代直流發電機，但有些船舶仍用直流發電機作為變流機組向直流電力拖動系統提供直流電能。電機作為變流機組向直流電力拖動系統提供直流電能。有些船舶主機軸帶發電機也是直流發電機，如遠洋捕撈有些船舶主機軸帶發電機也是直流發電機，如遠洋捕撈船的拖網機。所以直流電機仍然是船舶電

5、氣設備的主要船的拖網機。所以直流電機仍然是船舶電氣設備的主要類型之一。類型之一。o本章主要介紹，直流電機的工作原理、結構特點、勵磁本章主要介紹，直流電機的工作原理、結構特點、勵磁方式和直流發電機、直流電動機的基本運行特性等。方式和直流發電機、直流電動機的基本運行特性等。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第三章第三章 直流電機直流電機本章主要講解內容本章主要講解內容 第一節第一節 直流電機的工作原理與結構直流電機的工作原理與結構 第二節第二節 電樞繞組的感應電勢和電磁轉矩電樞繞組的感應電勢和電磁轉矩 第三節第三節 直流發電機的運行特性直流發電機的運行

6、特性 第四節第四節 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性 第五節第五節 無刷直流電動機無刷直流電動機課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第一節第一節 直流電機的工作原理與結構直流電機的工作原理與結構 一、直流電機的工作原理一、直流電機的工作原理1.1.直流電機工作原理直流電機工作原理 1 1）圖）圖 3-13-1直流發電機的原理圖直流發電機的原理圖 2 2）圖）圖 3-2 3-2 電刷間的電勢電刷間的電勢2.2.直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組 1 1）圖）圖 3-2 3-2 電刷間的電勢電刷間的電勢 2 2）圖）圖 3-3 3-3 直流電機

7、繞組示意圖直流電機繞組示意圖 3 3）圖）圖 3-4 3-4 電樞繞組的連接電路圖電樞繞組的連接電路圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系(a) (a) 導體導體abab處于處于N N極下極下 (b) (b) 導體導體abab處于處于S S極極下下圖圖 3-1 3-1 直流發電機的原理圖直流發電機的原理圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3-2 3-2 電刷間的電勢電刷間的電勢eOt課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖 3-3 3-3 直流電機繞組示意圖

8、直流電機繞組示意圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系B-10991011121234567834A+圖圖 3-4 3-4 電樞繞組的連接電路圖電樞繞組的連接電路圖圖圖3-5 3-5 電刷偏離幾何中性線示意圖電刷偏離幾何中性線示意圖SN課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、直流電動機的工作原理二、直流電動機的工作原理(a)導體ab處于N極下 (b)導體ab處于S極下圖圖3-6 3-6 直流電動機原理圖直流電動機原理圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系三、直流電

9、機的結構三、直流電機的結構 直流電機主要由定子和轉子兩大部分組成。直流電機主要由定子和轉子兩大部分組成。圖圖3-73-7是直是直流電機的解體圖。定子由主磁極、換向極、機座、端蓋和流電機的解體圖。定子由主磁極、換向極、機座、端蓋和電刷裝置等組成，轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、電刷裝置等組成，轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。轉軸和風扇等組成。 課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖 3-73-7直流電機解體圖直流電機解體圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖 3-8 3-8 換向器

10、的結構換向器的結構課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系四、直流電機的額定值四、直流電機的額定值 （1 1）額定功率）額定功率 （ ） （2 2）額定電流）額定電流 （3 3）額定電壓）額定電壓 （4 4）額定轉速）額定轉速 （5 5）額定勵磁電壓）額定勵磁電壓 （6 6）額定工作方式）額定工作方式NPKW)(AIN)(VUNmin)/(rnN)(VUFN課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第二節第二節 電樞繞組的感應電勢和電磁轉矩電樞繞組的感應電勢和電磁轉矩 一、電樞繞組的感應電勢一、電樞繞組的感應電勢 無

11、論是直流發電機還是直流電動機，當它們運行時，無論是直流發電機還是直流電動機，當它們運行時， 即電樞以一定的轉速向一個方向旋轉時，嵌在電樞鐵即電樞以一定的轉速向一個方向旋轉時，嵌在電樞鐵 心槽內的電樞繞組便切割主磁通，產生感應電勢。心槽內的電樞繞組便切割主磁通，產生感應電勢。 圖圖3-93-9表示直流電機在空載時，空氣隙磁密表示直流電機在空載時，空氣隙磁密B B沿電樞圓沿電樞圓 周分布曲線及電樞繞組電勢。圖中只畫出繞組元件的周分布曲線及電樞繞組電勢。圖中只畫出繞組元件的 上層邊，而電刷通過換向片與幾何中性線的元件相連上層邊，而電刷通過換向片與幾何中性線的元件相連 課 件船舶電氣設備與系統 202

12、2-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 圖圖3-93-9主磁場磁密分布曲線及電主磁場磁密分布曲線及電樞繞組電勢樞繞組電勢NSAxBBAx課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系當電樞旋轉時，分布在電樞上的繞組元件便產生感應電當電樞旋轉時，分布在電樞上的繞組元件便產生感應電勢，根據電磁感應定律，距中性線勢，根據電磁感應定律，距中性線x x處導體的感應電勢為：處導體的感應電勢為：lBexx式中式中, Bx, Bx表示距離中性線表示距離中性線x x處的氣隙磁密；處的氣隙磁密；l l表示電樞繞組表示電樞繞組導體的有效長度；導體的有效長度；v v表示電樞

13、旋轉的線速度。也是導體切表示電樞旋轉的線速度。也是導體切割主磁場的線速度。割主磁場的線速度。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系正、負電刷間總的感應電勢是由每個支路電勢決定的，正、負電刷間總的感應電勢是由每個支路電勢決定的，因此必須把任一瞬間構成一條支路的全部串聯導體所感因此必須把任一瞬間構成一條支路的全部串聯導體所感應的電勢相加起來。若以圖應的電勢相加起來。若以圖3-33-3環形繞組電機為例，設為環形繞組電機為例，設為電樞繞組總導體根數，則每條支路全部串勵導體根數為電樞繞組總導體根數，則每條支路全部串勵導體根數為N/2N/2。總電勢為。總電勢為:

14、: 21x21xNNBllBE課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系實際上，由于氣隙磁密沿電樞圓周分布是梯形的，因而在實際上，由于氣隙磁密沿電樞圓周分布是梯形的，因而在一條支路中，每根導體的感應電勢也隨其所在位置的磁密一條支路中，每根導體的感應電勢也隨其所在位置的磁密不同而不同不同而不同。為了簡化計算，我們將為了簡化計算，我們將B Bx x等效為平均值等效為平均值B B，其，其等效磁通為等效磁通為 。經過整理計算，其感應電勢的計算公式可。經過整理計算，其感應電勢的計算公式可以表示為以表示為 ： nCEe課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工

15、程學院船電系輪機工程學院船電系二、電樞繞組的電磁轉矩二、電樞繞組的電磁轉矩 根據電磁力定律，無論是直流發電機還是直流電根據電磁力定律，無論是直流發電機還是直流電動機，當電樞繞組中流過電流時，導體便受到電磁力動機，當電樞繞組中流過電流時，導體便受到電磁力的作用，電磁力的方向根據左手定則確定。如圖的作用，電磁力的方向根據左手定則確定。如圖3-10所示。電磁力對于電樞軸心又形成轉矩，該轉矩即為所示。電磁力對于電樞軸心又形成轉矩，該轉矩即為電樞繞組的電磁轉矩。電樞繞組的電磁轉矩。 課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 電磁轉矩是由電磁力產生的，而電磁力與氣隙

16、中的電磁轉矩是由電磁力產生的，而電磁力與氣隙中的 磁密和電樞繞組電流成正比，所以電磁轉矩磁密和電樞繞組電流成正比，所以電磁轉矩T正比正比 于電樞電流于電樞電流Ia及每極磁通及每極磁通，其計算公式為，其計算公式為: aTICT課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系三、直流電機的電磁功率三、直流電機的電磁功率 電磁轉矩所對應的功率稱為電磁功率電磁轉矩所對應的功率稱為電磁功率Pm，根據功率的，根據功率的計算公式和電磁感應的公式可以推導出電磁功率表達式。計算公式和電磁感應的公式可以推導出電磁功率表達式。 電磁功率電磁功率Pm即可以由電磁轉矩即可以由電磁轉矩T和

17、角速度和角速度相乘而得，也相乘而得，也可以由感應電勢可以由感應電勢Ea和電樞電流和電樞電流Ia的乘積來求得，所以電磁的乘積來求得，所以電磁功率是機械能與電能的轉換環節。電磁功率的表達式為功率是機械能與電能的轉換環節。電磁功率的表達式為:aaaTMIEICTP課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系在能量轉換的過程中必然有損耗。直流電機的損耗有以下在能量轉換的過程中必然有損耗。直流電機的損耗有以下幾種：機械損耗幾種：機械損耗P PM M、鐵芯損耗、鐵芯損耗P PFeFe、勵磁和電樞繞組的銅損、勵磁和電樞繞組的銅損耗耗P PCuCu和附加損耗和附加損耗( (

18、雜散損耗雜散損耗)P)P等等. .附加損耗附加損耗P P （0.50.51 1） P P2 2 (P (P2 2為輸出功率為輸出功率) )。 當直流發電機帶負載時，原動機在轉軸上輸入的機械功率當直流發電機帶負載時，原動機在轉軸上輸入的機械功率P1應與輸出的電功率應與輸出的電功率P2和電機內部各種損和電機內部各種損 相平衡相平衡.即：即：P+PPP21課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系其功率可用流程圖表示。其功率可用流程圖表示。如圖如圖 3-11所示。所示。T1為原動機輸為原動機輸入機械轉矩，入機械轉矩，U、I分別為發電機的輸出電壓和電流。由分別為發

19、電機的輸出電壓和電流。由功率流程圖可見，電磁功率功率流程圖可見，電磁功率Pm為輸出功率為輸出功率P2和銅損和銅損PCu之之和。當直流電動機帶負載運行時，輸入的電功率和。當直流電動機帶負載運行時，輸入的電功率P1應與軸應與軸上輸出的機械功率上輸出的機械功率P2 和電機內部的各種損耗相平衡。和電機內部的各種損耗相平衡。電磁功率為輸出功率和機械損耗功率、鐵損電磁功率為輸出功率和機械損耗功率、鐵損 、附加、附加損耗之和。直流電動機的功率流程圖如圖損耗之和。直流電動機的功率流程圖如圖 3-12所示所示 課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3-11 3-11

20、 直流發電機的功率流程圖直流發電機的功率流程圖+pppeFm11TPTIEPaaMUIP 2課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3 312 12 直流電動機的功率流程圖直流電動機的功率流程圖fp+pppeFmUIP 1TIEPaaM22TP課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第三節第三節 直流發電機的運行特性直流發電機的運行特性 一、直流發電機的勵磁方式一、直流發電機的勵磁方式 直流發電機的勵磁方式分他勵和自勵，自勵包括并直流發電機的勵磁方式分他勵和自勵，自勵包括并勵、串勵和復勵。勵、串勵和復勵。圖圖3

21、-13為直流發電機為直流發電機4種勵磁方式的種勵磁方式的電路圖。電路圖。 （1）他勵發電機：勵磁繞組電路與電樞電路無關，）他勵發電機：勵磁繞組電路與電樞電路無關，勵磁電流取自其它的直流電源。其勵磁功率約為直流電勵磁電流取自其它的直流電源。其勵磁功率約為直流電機額定功率的機額定功率的 13 。 （2）并勵發電機：勵磁繞組電路與電樞電路并聯。）并勵發電機：勵磁繞組電路與電樞電路并聯。并勵繞組導線細、匝數多、電阻大，勵磁電流小。并勵并勵繞組導線細、匝數多、電阻大，勵磁電流小。并勵發電機的電流關系為發電機的電流關系為 。勵磁功率約為直流電機。勵磁功率約為直流電機額定功率的額定功率的 210 。faII

22、I-課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 （3）串勵發電機：勵磁繞組與電樞繞組串聯，電樞電）串勵發電機：勵磁繞組與電樞繞組串聯，電樞電流即為勵磁電流。因此串勵繞組匝數少、導線粗、電阻極流即為勵磁電流。因此串勵繞組匝數少、導線粗、電阻極小。串勵發電機的電流關系為：小。串勵發電機的電流關系為： 。 （4）復勵發電機：主磁極上有兩個勵磁繞組，其中一）復勵發電機：主磁極上有兩個勵磁繞組，其中一個和電樞回路并連（稱并勵繞組），另一個和電樞回路串個和電樞回路并連（稱并勵繞組），另一個和電樞回路串連（稱串勵繞組）。當串勵繞組產生的磁勢和并勵繞組產連（稱串勵繞組）。

23、當串勵繞組產生的磁勢和并勵繞組產生的磁勢方向相同時，稱為積復勵；當串勵繞組產生的磁生的磁勢方向相同時，稱為積復勵；當串勵繞組產生的磁勢和并勵繞組產生的磁勢方向相反時，稱為差復勵。復勵勢和并勵繞組產生的磁勢方向相反時，稱為差復勵。復勵發電機還分長復勵和短復勵（長復勵：電樞繞組與串勵繞發電機還分長復勵和短復勵（長復勵：電樞繞組與串勵繞組串勵后再與并勵繞組并勵；短復勵：電樞繞組與并勵繞組串勵后再與并勵繞組并勵；短復勵：電樞繞組與并勵繞組并勵后再與串勵繞組串聯）。組并勵后再與串勵繞組串聯）。faIII課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖 3-13 3-1

24、3 發電機的勵磁方式發電機的勵磁方式課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、直流發電機的空載特性二、直流發電機的空載特性 當保持發電機的轉速當保持發電機的轉速n不變，負載電流不變，負載電流I=0時（發電時（發電機主開關處于斷開狀態），發電機的電樞電勢（或空載電機主開關處于斷開狀態），發電機的電樞電勢（或空載電壓壓U0）與勵磁電流）與勵磁電流If之間的關系，即之間的關系，即 曲線稱為空曲線稱為空載特性。空載特性曲線如載特性。空載特性曲線如圖圖3-14所示。空載特性曲線與所示。空載特性曲線與磁化曲線相似，這時直流發電機的感應電勢為磁化曲線相似，這時直流發

25、電機的感應電勢為 ， 與勵磁電流與勵磁電流 之間為磁化曲線關系。之間為磁化曲線關系。 nCEefI)(fIfE 課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3-14 3-14 直流發電機空載特性直流發電機空載特性UorEfIE課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系三、自勵發電機建壓條件三、自勵發電機建壓條件（1）發電機必須有剩磁。若剩磁消失可用外電源充磁）發電機必須有剩磁。若剩磁消失可用外電源充磁。 （2）勵磁電流產生的磁場要與剩磁磁場方向相同。這與）勵磁電流產生的磁場要與剩磁磁場方向相同。這與 并勵繞組和電樞電

26、路的連接極性及電樞的轉動方向并勵繞組和電樞電路的連接極性及電樞的轉動方向 有關。在固定轉動方向下，主要決定于兩并聯電路有關。在固定轉動方向下，主要決定于兩并聯電路 的連接極性。的連接極性。（3）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。勵磁電阻過）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。勵磁電阻過 大或發生斷路時，不能自勵建立正常電壓。當然轉大或發生斷路時，不能自勵建立正常電壓。當然轉 速過低，空載特性曲線變低也使兩曲線的交點變速過低，空載特性曲線變低也使兩曲線的交點變 低，而無法建立起正常的電壓。低，而無法建立起正常的電壓。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系

27、如果一臺并勵發電機有剩磁但不能自勵，可以用下列如果一臺并勵發電機有剩磁但不能自勵，可以用下列兩種方法改正：兩種方法改正： （1）改變電樞繞組與勵磁繞組的相對聯接；）改變電樞繞組與勵磁繞組的相對聯接； （2）改變電樞的旋轉方向。）改變電樞的旋轉方向。注意注意課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系四、直流發電機的外特性四、直流發電機的外特性 直流發電機的外特性是指在保持額定轉速和勵磁回路直流發電機的外特性是指在保持額定轉速和勵磁回路總電阻不變的條件下，改變負載大小時，發電機的端電壓總電阻不變的條件下，改變負載大小時，發電機的端電壓隨負載電流而變化的關系。隨

28、負載電流而變化的關系。 圖圖3-16為他勵和并勵發電機的外特性曲線。曲線為他勵和并勵發電機的外特性曲線。曲線1為為他勵發電機，曲線他勵發電機，曲線2為并勵發電機。為并勵發電機。 圖圖3-17是復勵發電機的外特性曲線。當供電線路較是復勵發電機的外特性曲線。當供電線路較長時通常采用過復勵發電機；而船舶主電源直流發電機多長時通常采用過復勵發電機；而船舶主電源直流發電機多為平復勵發電機。為平復勵發電機。 圖圖3-18給出三種勵磁方式的發電機的接線圖。給出三種勵磁方式的發電機的接線圖。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 圖圖3-16 3-16 他激、并激發電

29、機的他激、并激發電機的 外特性曲線外特性曲線 圖圖3-17 3-17 復激發電機的外復激發電機的外 特性曲線特性曲線課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第四節第四節 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性o按勵磁繞組和電樞繞組連接方式的不同，直流電動按勵磁繞組和電樞繞組連接方式的不同，直流電動機和直流發電機一樣，也可分為四種：他勵電動機、機和直流發電機一樣，也可分為四種：他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機。并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機。o由于他勵和并勵

30、電動機的勵磁電路都是接到外電源由于他勵和并勵電動機的勵磁電路都是接到外電源上，勵磁電流不受電樞電流變化的影響。因此，他勵上，勵磁電流不受電樞電流變化的影響。因此，他勵和并勵電動機的特性基本相同。和并勵電動機的特性基本相同。圖圖3-19（a）、（）、（b）、）、（c）分別為并勵、串勵和復勵電動機的接線圖。圖中）分別為并勵、串勵和復勵電動機的接線圖。圖中表示串入電樞電路的起動或調速用的電阻；表示調節勵磁表示串入電樞電路的起動或調速用的電阻；表示調節勵磁電流的外串電阻。電流的外串電阻。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系課 件船舶電氣設備與系統 2022-

31、3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系一、直流電動機的基本方程一、直流電動機的基本方程 o直流電動機的基本方程是指電動機穩定運行時，電系統直流電動機的基本方程是指電動機穩定運行時，電系統的電勢平衡方程；能量轉換過程中的功率平衡方程；機械的電勢平衡方程；能量轉換過程中的功率平衡方程；機械系統的轉矩平衡方程。系統的轉矩平衡方程。o直流電動機接上直流電源時，電樞繞組中流過電流，電直流電動機接上直流電源時，電樞繞組中流過電流，電網便向電動機輸入電功率網便向電動機輸入電功率 ，電樞受到電磁轉矩，電樞受到電磁轉矩 的作用的作用而旋轉起來，電動機的軸上輸出機械功率而旋轉起來，電動機的軸上輸出機械功率

32、。1PT2P課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系o當電動機在電磁轉矩當電動機在電磁轉矩T的作用下旋轉時，電樞繞組切割的作用下旋轉時，電樞繞組切割磁場產生感應電勢磁場產生感應電勢E，其方向與電樞電流方向相反，因此，其方向與電樞電流方向相反，因此電動機的感應電勢稱為反電勢，它將抵制電流的流入。電電動機的感應電勢稱為反電勢，它將抵制電流的流入。電網要向電樞流進電路，必須克服反電勢的作用，即要求電網要向電樞流進電路，必須克服反電勢的作用，即要求電源電壓源電壓 , 由于反電勢的作用，電動機便從電網吸收電由于反電勢的作用，電動機便從電網吸收電功率，通過電磁感應的

33、作用，將一部分電功率轉換為機械功率，通過電磁感應的作用，將一部分電功率轉換為機械功率。功率。EU 課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系1.電勢平衡方程電勢平衡方程 參照圖參照圖3-19，不考慮，不考慮 和和 ，根據基爾霍夫電壓定，根據基爾霍夫電壓定律，并勵電動機帶負載運行時的電勢平衡方程為：律，并勵電動機帶負載運行時的電勢平衡方程為： 其中其中 ，而，而 , 由于勵磁電流由于勵磁電流 要遠遠小于負要遠遠小于負載電流載電流 ，所以并勵發電機電樞電流近似等于負載電流，所以并勵發電機電樞電流近似等于負載電流，即即 。fRRaaRIEU+aaRIUE-faI

34、II-ffRUI fIIIIa或或課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.功率平衡方程功率平衡方程3.轉矩平衡方程轉矩平衡方程 a2aaaRIEIUI+cuM1pPP+02TTT+課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、直流電動機的機械特性二、直流電動機的機械特性 直流電動機的轉速與轉矩之間的關系直流電動機的轉速與轉矩之間的關系 稱為直流稱為直流電動機的機械特性，它表明了直流電動機在一定的條件電動機的機械特性，它表明了直流電動機在一定的條件下，轉速與電磁轉矩兩個機械量之間的對應關系。下，轉速與電磁轉矩兩個機

35、械量之間的對應關系。 直流電動機的自然機械特性關系式：直流電動機的自然機械特性關系式： kTnTCCRCUn-02Teae)(Tfn 課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3-20 3-20 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性積復勵積復勵課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系直流電動機的機械特性與勵磁方式有關：直流電動機的機械特性與勵磁方式有關： (1)并并(或他或他)勵電動機：由于每極磁通、理想空載轉速勵電動機：由于每極磁通、理想空載轉速和系數均為常數，故轉速隨轉矩的增加而降低，如圖和系數均為常數，

36、故轉速隨轉矩的增加而降低，如圖3-20所示；但由于電樞電阻很小，轉速隨負載的變化不大，所示；但由于電樞電阻很小，轉速隨負載的變化不大，其轉速變化率僅為其轉速變化率僅為38，故為硬機械特性。適于要求，故為硬機械特性。適于要求恒轉速拖動的生產機械。恒轉速拖動的生產機械。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 (2)串勵電動機：由于串勵磁通隨負載的增加而增知，串勵電動機：由于串勵磁通隨負載的增加而增知，從而使轉速隨負載的增加而迅速下降，如圖從而使轉速隨負載的增加而迅速下降，如圖 3-20所示。所示。該特性曲線的特點是：空載轉速非常高，機械特性比較該特性曲線的

37、特點是：空載轉速非常高，機械特性比較軟。當負載轉矩較小時，轉速將很高，甚至會超出最高限軟。當負載轉矩較小時，轉速將很高，甚至會超出最高限度的數值，導致電機機械結構的損壞。所以，串勵直流電度的數值，導致電機機械結構的損壞。所以，串勵直流電動機絕對不允許空載起動及空載運行。它的軟特性、起動動機絕對不允許空載起動及空載運行。它的軟特性、起動力矩比較大，適用于起動困難的場合。力矩比較大，適用于起動困難的場合。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系三、直流電機的電樞反應和直流電機的換向三、直流電機的電樞反應和直流電機的換向1直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應

38、當電機有負載后，便有電流流過電樞繞組，產生電樞當電機有負載后，便有電流流過電樞繞組，產生電樞磁場，此時電機的氣隙磁場由主磁場和電樞兩個磁場共同磁場，此時電機的氣隙磁場由主磁場和電樞兩個磁場共同決定。電樞磁場對主磁極磁場的影響稱為電樞反應。所示決定。電樞磁場對主磁極磁場的影響稱為電樞反應。所示 如圖如圖3-21 （a） （b）、（）、（c）所示所示課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 (a) (b) (c)圖圖 5-4 5-4 電刷位置與電樞反應電刷位置與電樞反應課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2直流電機

39、的換向直流電機的換向 圖圖3-22 無刷直流電動機原理框圖無刷直流電動機原理框圖 直流電機在運行時，電樞繞組從定子主磁極的一個直流電機在運行時，電樞繞組從定子主磁極的一個極面下方進入另一個極面下方時，通過換向片與電刷連極面下方進入另一個極面下方時，通過換向片與電刷連接，繞組中的電流將改變方向，這一過程稱為直流電機接，繞組中的電流將改變方向，這一過程稱為直流電機的換向。理想的換向條件是換向時繞組中的電流及電勢的換向。理想的換向條件是換向時繞組中的電流及電勢為零。而一般情況下，除了繞組本身原因換向繞組中感為零。而一般情況下，除了繞組本身原因換向繞組中感應電抗電勢不為零外，電樞反應引起的氣隙磁通的畸

40、應電抗電勢不為零外，電樞反應引起的氣隙磁通的畸變，也使換向繞組產生感應電勢。電抗電勢和電樞反應變，也使換向繞組產生感應電勢。電抗電勢和電樞反應電勢都會阻礙電樞繞組的換向性能，導致電刷與換向片電勢都會阻礙電樞繞組的換向性能，導致電刷與換向片之間產生火花。之間產生火花。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 為了改善換向性能，通常在定子主磁極之間放置換向極為了改善換向性能，通常在定子主磁極之間放置換向極用于改善換向，換向極繞組與電樞繞組串聯，由電樞電流用于改善換向，換向極繞組與電樞繞組串聯，由電樞電流所產生的換向極磁場與電樞繞組電流所產生的交軸電樞磁所產生

41、的換向極磁場與電樞繞組電流所產生的交軸電樞磁場方向相反。它不僅用來抵消或削弱電樞磁場，而且使處場方向相反。它不僅用來抵消或削弱電樞磁場，而且使處于換向的繞組切割換向極磁場以產生可抵消電流換向引起于換向的繞組切割換向極磁場以產生可抵消電流換向引起的感應電動勢，達到減少換向火花的目的。的感應電動勢，達到減少換向火花的目的。 一般在負載變化較大的中、大型電機中。在主磁極的極一般在負載變化較大的中、大型電機中。在主磁極的極面下開槽嵌放補償繞組也是用于改善換向的一種方法，補面下開槽嵌放補償繞組也是用于改善換向的一種方法，補償繞組與電樞繞組串聯，其作用原理與換向極相同。償繞組與電樞繞組串聯，其作用原理與換

42、向極相同。 此外，正確選用不同材料的電刷以及適當調整電刷位置此外，正確選用不同材料的電刷以及適當調整電刷位置等也可在一定程度上減小電刷下的火花。等也可在一定程度上減小電刷下的火花。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3-22 3-22 無刷直流電動機原理框圖無刷直流電動機原理框圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第五節第五節 無刷直流電動機無刷直流電動機 無刷直流電動機是隨著電子技術迅速發展而出現的一無刷直流電動機是隨著電子技術迅速發展而出現的一種新型微特電機，它以電子換向裝置代替了一般直流電動種新型

43、微特電機，它以電子換向裝置代替了一般直流電動機的機械換向裝置，因此保持了有刷直流電動機的優良控機的機械換向裝置，因此保持了有刷直流電動機的優良控制特性，又克服了電刷機械摩擦引起的噪聲、火花、無線制特性，又克服了電刷機械摩擦引起的噪聲、火花、無線電干擾和壽命短的致命弱點。電干擾和壽命短的致命弱點。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系一、無刷直流電動機的基本結構一、無刷直流電動機的基本結構 o無刷直流電動機的基本結構框圖無刷直流電動機的基本結構框圖如圖如圖3-23所示，是一所示，是一臺由電子開關電路、永磁式同步電動機以及位置傳感器臺由電子開關電路、永磁式

44、同步電動機以及位置傳感器三者組成的三者組成的“電動機系統電動機系統”，直流電源經由開關線路向，直流電源經由開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置經由位置傳感器電動機定子繞組供電，電動機轉子位置經由位置傳感器檢測，產生信號觸發開關電路中的電力電子元件使之導檢測，產生信號觸發開關電路中的電力電子元件使之導通或截止。電動機定子各相逐次通電產生電流，并和轉通或截止。電動機定子各相逐次通電產生電流，并和轉子磁極主磁場相互作用產生轉矩，從而控制電動機的轉子磁極主磁場相互作用產生轉矩，從而控制電動機的轉動。動。o如圖如圖3-23所示，無刷直流電動機一般由下列幾個部分所示，無刷直流電動機一般由下列幾個部

45、分組成。組成。課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖3-23 3-23 無刷直流電動機的組成框圖無刷直流電動機的組成框圖課 件船舶電氣設備與系統 2022-3-17輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系1電動機本體電動機本體 無刷直流電動機基本結構無刷直流電動機基本結構如圖如圖3-24所示。電動機本體所示。電動機本體與永磁式同步電動機（或永磁步進電動機）相似，轉子是與永磁式同步電動機（或永磁步進電動機）相似，轉子是由永磁材料制成一定極對數的永磁體，但不帶鼠籠繞組或由永磁材料制成一定極對數的永磁體，但不帶鼠籠繞組或其他啟動裝置，主要結構形式有兩種，如圖其他啟動裝置，主要結構形式有兩種，如圖3-25（a）和）和（b）所示。第一種結構是轉子鐵心外表面粘貼瓦片形磁所示。第一種結構是轉子鐵心外表面粘貼瓦片形磁鋼