2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com22024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com32024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com42024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com52024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com6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!優點調速范圍寬廣、平滑、經濟；過載、起動、制動轉矩大。缺點結構復雜、成本高；可靠性較差。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com73.1直流電機的工作原理和基本結構（基礎）3.2直流電樞繞組（難點）3.3空載和負載時直流電機的磁場（難點+重點）3.4電樞的感應電動勢和電磁轉矩（重點）3.5直流電機的基本方程（重點）3.6直流發電機的運行特性（重點）3.7直流電動機的運行特性（重點）3.8

直流電動機的起動、調速和制動

（提高）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com8了解直流電機的基本結構和基本工作原理。學會分析直流電機空載和負載時的磁場以及負載時的電樞反應。掌握直流電機的感應電動勢、電磁轉矩和基本方程。掌握直流發電機和直流電動機的運行特性。了解直流電動機的起動、調速和制動。本章要求2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com9直流電機的基本結構直流電機的工作原理直流電機的勵磁方式直流電機的額定值2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com101直流電機的基本結構整體結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com111直流電機的基本結構整體結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com121直流電機的基本結構二維截面2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com13定子結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com14轉子結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com15轉子結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com16直流電機定子機座端蓋定子主磁極勵磁繞組定子鐵軛電刷轉子電樞鐵心電樞繞組換向器轉軸1直流電機的基本結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com17直流電機電路系統電樞繞組勵磁繞組換向器電刷磁路系統定子鐵軛定子主磁極轉子鐵軛結構系統機座端蓋轉軸1直流電機的基本結構2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com18機座和端蓋機座：支撐定子端蓋：支撐轉子2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com19定子主磁極和勵磁繞組2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com20定子主磁極和勵磁繞組定子主磁極用于安裝勵磁繞組，是主磁路的一部分極身極靴主磁極由鋼板沖片疊壓而成勵磁繞組套在主磁極極身上2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com21定子主磁極和勵磁繞組2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com22電樞鐵心和電樞繞組電樞繞組2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com23電樞鐵心和電樞繞組電樞鐵心沖片(0.35-0.5mm厚)（硅鋼片）涂絕緣漆沖片疊壓而成均勻開槽2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com24電樞鐵心和電樞繞組槽展開繞組放置安放磁極、電刷334567891110121314152145678910111213141512SNNSττττ2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com25換向器為什么需要換向器？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com26換向器2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com27電刷固定部分與運動部分間滑動接觸直流電機繞線式異步電機同步電機為什么需要電刷？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com28電刷為什么需要換向器和電刷？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com29磁極建立磁場外加直流電壓在線圈中產生電流載流導體在磁場中產生電磁力克服阻力旋轉對外輸出機械能(1)狀態一為什么需要換向器和電刷？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com30(2)狀態二（相對一旋轉180°）直流電源供電電流方向不變旋轉180電角度后電磁力方向反向平均電磁轉矩為0為什么需要換向器和電刷？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com31(3)兩種轉子受力狀態對比若要維持電磁力方向不變，必須:改變磁極極性改變電流方向二者改變且僅改變一個為什么需要換向器和電刷？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com32(4)兩種狀態電樞感應電動勢對比若要維持電磁力方向不變，必須:改變磁極極性改變電流方向二者改變且僅改變一個2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com332直流電機的工作原理直流發電機和電動機都滿足電磁感應定律和電磁力定律兩個基本定律。分析發電機時以電磁感應定律為主（轉速n已知條件），分析電動機時以電磁力定律為主（電流i為已知）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com342直流電機的工作原理B0π2π3πθ首先分析氣隙中磁場的分布和波形四極直流電機簡化示意圖θ2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com35如右圖所示為一臺兩極直流發電機的簡化示意圖，其轉子與原動機同軸相連接。根據右手定則，在圖中所示的旋轉方向下，在N極下的導體感應電動勢向外，而在S極下的導體感應電動勢向里。通過端部連接，最終形成線圈中的感應電動勢方向為d—c—b—a。通過換向器與電刷的變換作用，最終輸出A為正，B為負直流電。2.1直流發電機的工作原理（機械能電能）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com36如右圖所示為一臺兩極直流電動機的簡化示意圖，在其電刷AB間施加直流電壓（A正，B負）。由于電刷固定，所以電壓UAB始終為正。那么通過換向器和電刷的變換作用，始終形成N極下電流向里，S極下電流向外的電流。根據左手定則，電機轉子上得電樞繞組將形成如圖所示的受力，從而帶動轉子旋轉，輸出機械功率。2.2直流電動機的工作原理（電能機械能）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com37結論（1）電機內部（電刷為界）線圈中產生的感應電勢、流過的電流是交流量。（2）電機外部（電刷兩端）電動機運行外加直流電；發電機運行輸出直流電發電機電動機交流內電路直流外電路（旋轉電路）（靜止電路）因此說，直流電機實質上是一臺帶有換向裝置的交流電機2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com382.3直流電動機和發電機的可逆性一臺直流電機，既可作發電機運行也可作電動機運行結構一樣所處狀態，由運行環境決定輸出電能為發電機，輸出機械能為電動機如何判斷直流電機的運行狀態？2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com392.3直流電動機和發電機的可逆性電網容量無限大網壓U=常數外轉矩T1

→轉速n旋轉感應電勢E>U→輸出電能,電樞電流Ia

穩定運行（1）發電機運行狀態2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com402.3直流電動機和發電機的可逆性（2）電動機運行狀態電網容量無限大網壓U=常數→Ia

產生電磁轉矩感應電勢E<U→從電網吸收電能克服阻力T2旋轉,輸出機械功率穩定運行2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com412.3直流電動機和發電機的可逆性（3）發電機調節到電動機運行初始發電機狀態理想空載狀態電動機狀態2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com422.3直流電動機和發電機的可逆性保持磁場不變，不計電機損耗減小機械輸入轉矩T1→轉速n下降→感應電勢E減小→Ia減小/輸出電功率減小→電磁轉矩減小重新穩定后T1=Tem

，達到新平衡結果輸入機械功率減小輸出電功率減小初始發電機狀態2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com432.3直流電動機和發電機的可逆性理想空載狀態減小T1到T1=0，達到新平衡后輸入機械功率＝0，電機轉速n≠0感應電勢E＝U，電樞電流Ia＝0輸出電功率＝0結果不將機械能轉換成電能也不將電能轉換成2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com442.3直流電動機和發電機的可逆性電動機狀態在T1=0，再減小T1（T1<0)

→轉速n下降→感應電勢E減小(E<U)→Ia減小(Ia<0)/輸出電功率減小(<0)→電磁轉矩減小(<0)輸入機械功率<0，輸出機械能輸出電功率<0，從電網吸收電能結果：電機進入電動機運行狀態2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com453直流電機的勵磁方式定義：勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按照勵磁繞組與電樞繞組的連接關系勵磁方式主要包括他勵，并勵，串勵和復勵四種類型。Ia=IUfIfEaUIIaIa=I=IfUIIfIaIa=I+IfUIIfIaIa=I+IfIfUIIa他勵并勵串勵復勵2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com463直流電機的額定值（1）額定功率PN：指電機在銘牌規定的額定狀態下運行下的輸出功率，以kW表示。對電動機，額定功率是指輸出的機械功率；對發電機，額定功率是指輸出的電功率。（2）額定電壓UN：指額定狀態下電樞出線端的電壓，以V表示。（3）額定電流IN：指額定狀態下電樞出線端的電流，以A表示。（4）額定轉速nN

：指額定運行時轉子的轉速，以r/min表示。（5）額定勵磁電壓UfN

（僅對他勵電機）：額定狀態時施加的勵磁電壓2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com47電樞繞組的作用電樞繞組的構成原則直流電樞繞組的分類直流電樞繞組的相關基本概念單疊繞組2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com481電樞繞組的作用及構成原則繞組由一系列元件邊和端接線按一定規律排列構成的感應電勢和產生電磁力的導體集合作用將導體感應電勢有效組織起來將電樞電流有效分布旋轉電機實現機電能量轉換的樞紐要求產生盡可能大的感應電動勢，并且波形良好能通過足夠大的電流用以產生并承受足夠的電磁力結構簡單、連接可靠，制造維護方便2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com491電樞繞組的分類單疊繞組復疊繞組單波繞組復波繞組波繞組疊繞組混合繞組電樞繞組元件2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com502直流電樞繞組的相關基本概念元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。上元件邊前端接前端接下元件邊首端末端端接有效部分有效部分：置于槽內的直線部分，用以切割主磁極，產生感應電動勢的部分。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com512直流電樞繞組的相關基本概念虛槽Qu

：通常把一個上層和一個下層元件邊在槽內所占的空間稱為一個虛槽。虛槽數Qu=u×Q，u為每個槽上下層各有元件邊數若每個槽上下層只有一個元件邊，則u=1。

槽數Q：位于電樞鐵心中，用來放置電樞繞組繞組元件數S:S=Qu=uQ=K換向片數K一般情況下，u=1則Qu=K=S=QNSy1yyky22024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com522直流電樞繞組的相關基本概念第一節距y1：元件兩有效邊在電樞表面所跨的距離。y1=τ為

整距繞組（常用）；y1<τ

短距繞組（常用）；y1>τ

為長距繞組。第二節距y2：相串聯的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離。合成節距y：相串聯的兩個元件對應邊在電樞表面所跨的距離。疊繞組y=y1-y2；波繞組y=y1+y2換向（器）節距yK：在換向器表面上，同一個元件的出線端所接的兩個換向片之間所跨的距離。yK=y2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com532直流電樞繞組的相關基本概念第一節距y1：元件兩有效邊在電樞表面所跨的距離。y1=τ為

整距繞組（常用）；y1<τ

短距繞組（常用）；y1>τ

為長距繞組。單疊繞組元件

右行

左行

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com542直流電樞繞組的相關基本概念第二節距y2：相串聯的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離。單疊繞組元件

右行

左行

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com552直流電樞繞組的相關基本概念合成節距y：相串聯的兩個元件對應邊在電樞表面所跨的距離。疊繞組y=y1-y2；波繞組y=y1+y2單疊繞組元件

右行

左行

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com562直流電樞繞組的相關基本概念換向（器）節距yK：在換向器表面上，同一個元件的出線端所接的兩個換向片之間所跨的距離。yK=y單疊繞組元件

右行

左行

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com57單疊繞組元件

右行

左行

單波繞組元件

右行

極距τ第一節距y1第二節距y2合成節距y換向節距yK

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com583單疊繞組的畫法及連接規律單疊繞組：所有相鄰元件依次串聯，同時每個元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個閉合回路。y=1，右行；y=-1，左行所有元件電勢全部串聯成一環狀，由電刷分割電刷放在(感應電勢為零的元件上)幾何中心線上支路為2p偶數，對稱單疊繞組元件

右行

左行

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com593單疊繞組的畫法及連接規律第一節距y1合成節距y和換向器節距yk第二節距y2

某直流電機，極數2p=4，虛槽數Qu，元件數S，換向片數K均為16。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com603單疊繞組的畫法及連接規律(1)畫槽(實質是元件的有效邊)2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com613單疊繞組的畫法及連接規律(1)畫槽(實質是元件的有效邊)2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com623單疊繞組的畫法及連接規律(2)放磁極2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com633單疊繞組的畫法及連接規律(2)放磁極電樞的幾何中心線主磁極軸線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com643單疊繞組的畫法及連接規律(3)畫換向片2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com653單疊繞組的畫法及連接規律(4)連接繞組元件軸線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com663單疊繞組的畫法及連接規律(4)連接繞組2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com673單疊繞組的畫法及連接規律(5)電動勢方向換向器的幾何中心線2024/3/13683單疊繞組的畫法及連接規律(6)放電刷2024/3/13693單疊繞組的畫法及連接規律(6)放電刷2024/3/13703單疊繞組的畫法及連接規律(6)放電刷綜上可知，電刷應固定放置在換向器上的幾何中性線上。對于端接對稱的元件，元件軸線、主極軸線和換向器上的幾何中性線三線合一，故電刷也就放置在主極軸線下的換向片上。若端接不對稱，則電刷應移過與換向器軸線偏離主極軸線相同的角度，即電刷與換向器上的幾何中性線總是保持重合。2024/3/13713單疊繞組的畫法及連接規律(6)繞組展開圖沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com2024/3/13723單疊繞組的畫法及連接規律(7)繞組瞬間電路圖next圖示瞬間電樞繞組的電路圖沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com圖示下一瞬間電樞繞組的電路圖4極電機，Qu=S=K=16單疊右行整距繞組并聯支路對數a=2=p

單疊繞組是把一個主極下的元件串聯成一條支路，并聯支路數等于極數

2024/3/1373沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.comA1B1A2B2負載AB123456789101213141516Iiaiaiaia1234567891011111213141516++--電動機狀態發電機狀態A1B1A2B2電源AB123456789101213141516Iiaiaiaia1234567891011111213141516--++4極電機，Qu=S=K=16單疊右行整距繞組并聯支路對數a=2=p

單疊繞組是把一個主極下的元件串聯成一條支路，并聯支路數等于極數

2024/3/13743單疊繞組的畫法及連接規律(8)單疊繞組總結沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節距與換向節距均為1，即：1）同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極數與支路數相同，2a=2p。2）電刷數等于主磁極數，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯支路電動勢。3）電樞電流等于各支路電流之和。2024/3/13754單波繞組的畫法及連接規律(1)單波繞組介紹沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com單波繞組：同一極性下對應位置的所有元件串聯起來，直到沿電樞和換向器繞過一周后，恰好回到出發換向片的相鄰一片上；然后在從此換向片出發，繼續繞連，一直到把全部元件連完，最后回到開始出發的換向片，構成一個閉合電路為止。2024/3/13764單波繞組的畫法及連接規律(1)單波繞組介紹沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com334567891110121314152145678910111213141512SNNSττττ槽展開磁極、電刷放置安放磁極、電刷2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com774極電機，Q=Qu=S=K=15單波左行短整距繞組并聯支路對數a=1單波繞組是把所有處于相同極性下的元件都串聯起來構成一條支路并聯支路數等于2單波繞組展開圖2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com782024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com794單波繞組小結單波繞組特點1）同極下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數為1，與磁極對數無關；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數等于磁極數；4）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。單疊繞組與單波繞組比較并聯支路對數不同每條并聯支路所串聯的繞組不同2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com805直流電樞繞組總結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至少有2條并聯支路單疊繞組a=p即并聯支路對數恒等于電機極對數單波繞組a=1即并聯支路對數恒等于1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的電動勢為零。對于端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com812024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com82直流電機的磁場空載磁場（Ia=0）主磁場漏磁場負載磁場（電樞反應）直軸電樞反應交軸電樞反應2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com831直流的空載磁場4極直流電機空載磁場分布電樞繞組電樞鐵心定子磁軛主極鐵心勵磁繞組主磁通：經過氣隙，同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組的磁通，用

表示，它是機電能量轉換的橋梁。漏磁通：不經過氣隙，不與電樞繞組交鏈，用表示，它不參與機電能量轉換。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com841直流的空載磁場4極直流電機空載磁場分布電樞繞組電樞鐵心定子磁軛主極鐵心勵磁繞組2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com851直流的空載磁場4極直流電機主磁路當勵磁繞組的串聯匝數為，流過電流為，每極的勵磁磁動勢為：氣隙線磁化曲線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com861直流的空載磁場根據磁路歐姆定律：氣隙磁密在一個極下按平頂波規律分布B0NSNS平頂波2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com872直流的負載磁場直流電機的磁場空載磁場（Ia=0）主磁場漏磁場負載磁場（電樞反應）直軸電樞反應交軸電樞反應2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com882直流的負載磁場電樞磁動勢：電樞電流產生的磁動勢。電樞反應：電樞磁場對主磁場的影響。直軸（d軸）：主極軸線。交軸（q軸）：與直軸正交的軸線。幾何中性線：相鄰兩主極之間的中心線，也就是交軸。物理中性線：電樞圓周上通過圓心和磁通密度為0點的直線。dq幾何中性線物理中性線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com89負載磁場：電樞繞組中有電流通過，產生電樞磁場，電機磁場由勵磁繞組主磁場和電樞磁場共同合成建立。疊加原理勵磁電流形成的主磁場負載磁場電樞電流形成的電樞磁場2直流的負載磁場2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com902直流的負載磁場（1）

電刷在幾何中心線上的電樞磁場及電樞反應Fa(x)Ba(x)A稱為線負荷：表示電樞圓周表面單位長度上的安培導體數。直軸交軸S電樞的幾何中心線直軸N交軸2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com912直流的負載磁場（1）

電刷在幾何中心線上的電樞磁場及電樞反應電樞幾何中心線物理中心線主磁場電樞磁場氣隙磁場負載磁場不計飽和計飽和2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com922直流的負載磁場（1）

電刷在幾何中心線上的電樞磁場及電樞反應主磁場電樞磁場氣隙磁場交軸電樞反應的性質：

氣隙磁場畸變，物理中心線偏離幾何中心線一個角度。對于發電機，偏移為順著電樞轉向；對于電動機，則是逆電樞轉向。不計飽和時每極磁通量不變。每個主極下一半去磁，另一半增磁；計飽和時每極磁通量減少。使得氣隙磁場畸變兼去磁2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com932直流的負載磁場（2）

電刷不在幾何中心線上的電樞磁場及電樞反應直軸交軸2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com942直流的負載磁場（2）

電刷放在幾何中心線上的電樞磁場及電樞反應交軸電樞磁場直軸電樞磁場電樞磁場交軸電樞磁場直軸電樞磁場2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com952直流的負載磁場（2）

電刷不在幾何中心線上的電樞磁場及電樞反應NS運行狀態電刷順旋轉方向偏移電刷逆旋轉方向偏移發電機電動機電樞反應的作用：交軸電樞反應具有使主磁場畸變和去磁的作用。直軸電樞反應具有增磁或者去磁的作用發電機電動機直軸交軸增磁效應增磁效應去磁效應去磁效應2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com96運行狀態交軸電樞磁場直軸電樞磁場發電機氣隙磁場畸變兼去磁無電動機氣隙磁場畸變兼去磁無運行狀態交軸電樞磁場直軸電樞磁場電刷順向偏移電刷逆向偏移發電機氣隙磁場畸變兼去磁去磁增磁電動機氣隙磁場畸變兼去磁增磁去磁負載：電刷在幾何中心線上負載：電刷不在幾何中心線上空載無交軸磁場，僅為直軸磁場（波形為平頂波）小結2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com972024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com982024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com991直流的感應電動勢設電樞繞組總導體數為N，有2a條并聯支路導體感應電勢每條支路串聯導體數支路感應電勢導體切割磁場速度2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1001直流的感應電動勢定義平均磁密電樞繞組感應電勢2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1011直流的感應電動勢大小: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).電動勢常數為電機的結構常數其中：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2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1021直流的感應電動勢其中，電動勢常數：n：r/min當n＝C1時：Ea∝Φ當Φ＝C2時：Ea∝n2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1032直流的電磁轉矩設電樞繞組總導體數為N，有2a條并聯支路電樞繞組總電流為Ia，電樞外徑為Da一根導體產生的電磁力每條支路電流一根導體產生的電磁轉矩2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com104定義平均磁密電樞繞組產生的電磁轉矩電磁轉矩2直流的電磁轉矩2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com105其中，轉矩常數：Te：N.m當Ia＝C1時：Te∝Φ當Φ＝C2時：Te∝Ia2直流的電磁轉矩2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1062直流的電動勢常數和轉矩常數轉速與旋轉角速度的關系2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com107電磁轉矩轉矩常數感應電勢電勢常數3小結2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1082024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com109直流電機感應電動勢和電磁轉矩方程直流電機機械運動方程直流電機電壓電流方程直流電機轉矩功率方程2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1101電壓方程參考方向的規定：發電機：電動機：

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com111電動勢平衡方程＋－＋－1電壓方程A.他勵直流發電機2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com112B.他勵直流電動機1電壓方程＋＋－－電動勢平衡方程2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1131電壓方程并勵電動機C.并勵直流電動機2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1141電壓方程串勵電動機D.串勵直流電動機2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1152轉矩方程NS發電機nT1TeT0Tem

-為電磁轉矩發電機情況下，電磁轉矩為制動轉矩，有T0-為電機本身的機械阻力轉矩T1-為原動機的驅動轉矩電磁轉矩方向和轉速方向相反2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com116NS電動機nTeT0T22轉矩方程Tem

-為電磁轉矩電動機情況下，電磁轉矩為驅動轉矩，有T0-為電機本身的機械阻力轉矩T2

-為電動機的輸出轉矩電磁轉矩方向和轉速方向一致2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1172024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1183功率和效率方程通過氣隙磁場進行機電能量轉換的功率(1)電磁功率=Pem=EaIa

TemΩ2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com119銅耗鐵耗機械損耗雜散（附加）損耗(2)損耗空載損耗3功率和效率方程2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1203功率和效率方程發電機：2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1213功率和效率方程電動機：2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com122小結能量關系:機械能轉變成電能電能轉變成機械能電樞電勢:電源電勢反電勢電磁轉矩:制動驅動電勢平衡方程:2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com123【例】一臺并勵直流發電機，電動機的額定數據為：額定功率25kW，額定電壓230V，額定轉速1455r/min，勵磁電阻130Ω，電樞電阻0.15Ω；帶額定負載時雜散損耗為3.8％PN，鐵耗582W，機械損耗305W，求發電機額定負載時：

（1）電磁功率與電磁轉矩；（2）輸入功率；（3）效率。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com124（1）解：

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com125（2）輸入功率：（3）效率：2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com126輸入機械能輸出直流電能2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com127直流發電機的運行特性：指發電機在轉速不變的情況下，發電機端電壓U、負載電流I和勵磁電流If三者之間的關系。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1281.1他勵直流發電機的空載特性Ea=CenNΦ=U+IaRa=U0U0∝Φ，Φ=f(If)空載特性實質上就是電機的磁化曲線。剩磁電壓U0r≈(2～4)%UN空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1291.2他勵直流發電機的外特性U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa隨著I的增加，有兩個因素使端電壓U下降：（1）I↗→IaRa↗→U↘（2）I↗→Ia↗→Fa↗→交軸電樞反應↗→去磁效應使Φ↘→U↘IUO2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1301.2他勵直流發電機的外特性（續）IUOU0UNIN基本上屬于恒壓源2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1311.3他勵直流發電機的調整特性If0U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa隨著電樞電流I的增加，端電壓U有下降的趨勢。為了維持U=UN，必須使：If↗→Φ

↗→Ea↗IIf0IfNIN2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1321.4他勵直流發電機的效率特性不變損耗p0＝機械損耗pΩ＋基本鐵耗pFe＋雜散損耗pΔ可變損耗pCu＝基本銅耗pCua＋電刷損耗psP2ηOPNηN2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1332.1并勵直流發電機的自勵并勵發電機并勵發電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRaUf

=U=Rf

IfΦ=f(If)2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1342.1并勵直流發電機的自勵（續）階段1階段2BA2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com135自勵產生過程剩磁2.1并勵直流發電機的自勵（續）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1362.1并勵直流發電機的自勵（續）AIf0U0O勵磁電阻線U0r磁化曲線臨界電阻線（1）電機必須有剩磁；（2）勵磁磁動勢的方向必須與剩磁的方向一致；（3）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。ΦrΦf并勵發電機的自勵條件：1.自勵發電機的電路結構特點：電樞繞組和勵磁繞組可以構成一個閉合回路；2.當轉子在原動機的拖動下，切割剩磁磁場，從而產生感應電動勢，并且在閉合回路當中產生電流Ia=If；3.分兩種情況，如果勵磁電流所產生的磁場與剩磁磁場方向相反，則使得磁通減小，導致電動勢下降，電流下降，最后整個電動勢為0，電流為0，自勵失敗4.反之，如果勵磁電流所產生的磁場與剩磁磁場方向相同，則使得磁通增加，導致電動勢增加，只要U0大于IfRf，則電流處于增加狀態，最后當線端電壓等于勵磁繞組電阻壓降的時候，完成自勵的狀態2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1382.2并勵直流發電機的外特性當n=nN，Rf

=C時：U=f(I)U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa與他勵發電機比較，隨著I的增加，還有第三個因素使端電壓U下降：U↘→If↘→Φ↘→Ea↘→U↘↘并勵直流發電機：ΔuN≈20％UNINIkIUOU0他勵并勵根據：I=U/RL≈Ea/(Ra+RL)(1)RL↘→I↗→U↘(2)RL↘↘→U↘↘→If↘↘→Ea↘↘→I↘→拐彎(3)當U=0時：I=Ik，穩態短路電流不大。IfUEaI+-IaRfRL2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1392.2并勵直流發電機的外特性UNINIkIUOU0他勵并勵特點1：負載增大時，端電壓下降厲害對并勵發電機，除了像他勵發電機存在的電樞反應去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓進一步下降特點2：發電機短路時，端電壓等于零，于是勵磁電流也等于零，電樞的短路電流僅由剩磁電動勢所引起的，所以穩態短路電流不大2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1403復勵直流發電機的外特性復勵：既有并勵繞組，又有串勵繞組的勵磁方式。積復勵：串勵磁動勢與并勵磁動勢的方向相同。差復勵：串勵磁動勢與并勵磁動勢的方向相反。IfEaI+-IaUUIOINUN差復勵欠復勵平復勵過復勵積復勵2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1413復勵直流發電機的外特性復勵發電機外特性一般采用積復勵并勵占主要作用串勵補償電樞反應的去磁作用電樞回路的電阻壓降①

平復勵發電機當I

=IN時的UN

=

U0。

②

過復勵發電機當I

=IN時的UN＞U0。③

欠復勵發電機當I

=IN時的UN

＜U0。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com142輸入直流電能輸出機械能2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com143工作特性機械特性（轉矩-轉速特性）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1441.1并勵直流電動機的工作特性—轉速特性前提：U=UN，If=IfN

(Rf

=C)電樞反應有去磁作用使轉速趨于上升總體作用使轉速略有下降勵磁回路不允許斷開！2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1451.2并勵直流電動機的工作特性—轉矩和效率特性轉矩特性效率特性并勵電動機的效率特性和其他電機相類似。并勵電動機的工作特性Te和P2之間近似線性，略微上翹2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1461.3并勵直流電動機的機械特性TeN前提：U=UN，Rf

=C；分析：n＝f(Te)TeOnn0RaR’aR”aRa<R’a<R”a硬特性軟特性2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1471.3并勵直流電動機的機械特性I’fTeNTeOnn0RaR’aR”aIf=CRa<R’a<R”an0IfI”fRa=CIf>I’f>I”fTeOnTeN結論：增加電樞回路電阻Ra，機械特性變軟，轉速下降。增加勵磁回路電阻Rf，機械特性變軟，轉速升高。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1482.1串勵直流電動機的工作特性前提：U=UN，Ia=Is=I；分析：n,Te,η=f(Ia)n=f(Ia)IaOTe=f(Ia)η=f(Ia)串勵電動機不允許空載運行！2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com149前提：U=UN，Ia=Is=I；分析：n=f(Te)n=f(Te)TeOn2.2串勵直流電動機的機械特性2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com150RsTeOnR’sR”sRs<R’s<R”s結論：隨著電磁轉矩Te的增加，串勵電動機的轉速n迅速下降，其機械特性為軟特性。串勵回路電阻Rs越大，機械特性越軟。2.2串勵直流電動機的機械特性1.串勵電動機不能運行在空載狀態，原因是：從特性曲線上可以看出空載時會造成飛車，所以不適合采用皮帶或鏈條拖動機械負載；2.適合做火車的牽引電機；2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1523他勵直流電動機的機械特性前提：If=C；分析：n＝f(Te)TeOnU1>UN>U2>U3UNTeNU1U2U3一組平行線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1534電力拖動系統穩定運行的條件拖動系統的穩態問題是指：由于某種擾動引起系統的轉速發生變化，當擾動消失后，系統能否回復到原先狀態下持續運行的穩態。能復原：穩定，否則不穩定。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1544電力拖動系統穩定運行的條件不穩定平衡穩定平衡平衡狀態平衡狀態2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1554電力拖動系統穩定運行的條件1.某種擾動使轉速增加(A點)2.對應的Tem下降，而TL卻增大，從而使系統的轉速趨于下降，一旦擾動消失，系統的轉速將回復到原先的轉速1.某種擾動使轉速增加(B點)2.對應的Tem增加，TL增加，當電磁轉矩增量超過負載制動轉矩的增量，使轉速進一步上升，最后引起飛車2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1564電力拖動系統穩定運行的條件下降的機械特性曲線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1571直流電動機的起動起動：通電后，轉速從零達到穩態轉速的過程。起動要求起動轉矩大起動電流小起動設備簡單可靠、經濟2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1581直流電動機的起動起動轉矩大起動電流小矛盾直接起動電樞回路串電阻起動降壓起動2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1591直流電動機的起動2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1601直流電動機的起動—注意事項分析：不限流電流沖擊機械沖擊起動時必須先保證有磁場(先加勵磁電流);保證必須的起動轉矩，起動時磁通為最大(滿勵磁);起動開始時應限流?？蛇_額定電流的10~20倍2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1611)改變電樞電壓調速2)電樞電路串附加電阻調速3)改變勵磁調速2直流電動機的調速2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1622直流電動機的調速(1)調速定義

根據工作機械的要求人為改變電動機的轉速。

(2)調速系統分類速度控制系統、位置控制系統、張力控制系統、多電機同步控制系統（控制的要求）有級調速與無級調速（調速的平滑性）向上調速和向下調速（調速的方向性）恒轉矩調速和恒功率調速（適應負載要求）2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1632.1他勵直流電動機的調速(1)基于電樞電壓調節的機械特性他勵直流電動機調壓調速機械特性是一族平行的曲線2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1640

n

n0

T

TL

n1

n2

n3

U=UN

U=U1<UNU=U2<U1

改變電樞電壓調速過程2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com165改變電樞電壓調速方法特點:1）調節平滑，可以實現無級調速。2）人為特性硬度大，穩定性好。3）可以調節至較低轉速，調速范圍大。4）屬于恒轉矩調速方式。5）工業中應用廣泛。6）調速只能在固有特性之下。

2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1662.1他勵直流電動機的調速(2)基于電樞回路串電阻的機械特性1)Rs越大特性越軟，靜差越大。2)所有串電阻的機械特性都在固有機械特性之下。電樞串調速只能在固有特性之下進行。2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com167OT

nn0

TL

M電樞回路串電阻調速的過程MMM2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com168電樞回路串電阻調速的優缺點優點方法簡單控制設備簡單缺點1）空載或輕載時調速范圍小，效果不明顯2）低速調速實現困難，越低特性越陡（特性軟，易出現波動）3）調速不平滑，只能有級調速4）電阻消耗大量電能2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com169兩種方法實際上都改變電樞電壓串聯電阻調速，將一部分電壓加在所串的電阻上，剩余部分加在電樞上改變電樞電壓調速，直接改變電樞上的電壓，沒有額外的能量損失串聯電阻調速方法簡單，成本低效率低，電阻上能量白白消耗改變電樞電壓調速可控性好，效率高需要增添設備，初期成本高改變電樞電壓與串聯電阻調速比較2024/3/13沈啟平，TelEmail:shenqp1983@163.com1702.1他勵直流電動機的調速(2)基于勵磁調節的機械特性磁場越弱，機械特性越軟。0

I