第3章直流電機(jī)原理直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)基本原理直流電機(jī)主要工作特性3.1直流電機(jī)概述直流電機(jī)是電機(jī)的主要類(lèi)型之一。一臺(tái)直流電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)使用，也可作為電動(dòng)機(jī)使用。

用作發(fā)電機(jī)可以獲得直流電源，用作電動(dòng)機(jī)，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，得到廣泛使用。

直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

本章分析直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及換向等問(wèn)題，為電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)提供元件的基本知識(shí)。直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，受電磁干擾的影響小。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。電路結(jié)構(gòu)、磁路結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價(jià)格較高。3.2基本工作原理3.2.1交流發(fā)電機(jī)基本工作原理物理模型①磁極都是成對(duì)出現(xiàn)；②；電子式機(jī)械式③整流3.2.2直流發(fā)電機(jī)基本工作原理定子轉(zhuǎn)子3.2.2直流發(fā)電機(jī)基本工作原理①換向器（機(jī)械整流裝置）②內(nèi)部:交流外部:直流③實(shí)質(zhì):帶有換向器的交流電機(jī)④實(shí)際電機(jī):多個(gè)線圈有規(guī)律連接3.2.3直流電動(dòng)機(jī)基本工作原理①小結(jié)：1、直流電機(jī)僅是能量轉(zhuǎn)換工具；2、DMDG的可逆性；直流電機(jī)的可逆性：

一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是外界條件不同而已。這種同一臺(tái)電機(jī)能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理。3.3直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：P29直流電機(jī)由靜止的部分定子和旋轉(zhuǎn)的部分轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成：1、定子：機(jī)座、主磁極、換向極和電刷裝置等。1）主磁極：在大多數(shù)直流電機(jī)中，主磁極是電磁鐵，為了盡可能的減小渦流和磁滯損耗，主磁極鐵心用1～1.2mm厚的低碳鋼板疊壓而成。整個(gè)磁極用螺釘固定在機(jī)座上。主磁極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場(chǎng),使電樞繞組在此磁場(chǎng)的作用下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩.2）換向極：換向極又稱(chēng)附加極或間極,其作用是用以改善換向。換向極裝在相鄰兩主極之間，它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。3）機(jī)座：一是作為電機(jī)磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來(lái)固定主磁極、換向極及端蓋等，起機(jī)械支承的作用。因此要求機(jī)座有好的導(dǎo)磁性能及足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度。機(jī)座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。4）電刷裝置：電刷的作用是把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。2、轉(zhuǎn)子：包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、軸和軸承等。1）電樞鐵心：電機(jī)主磁路的一部分，用來(lái)嵌放電樞繞組的，為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。2）電樞繞組：電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，也是通過(guò)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵性部件。3.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)(額定值)為了使電機(jī)安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運(yùn)行性能，電機(jī)廠家根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)每臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值稱(chēng)為電機(jī)的額定值。1．額定容量(功率)PN（kW）；2．額定電壓UN（V）；3．額定電流IN（A）；4．額定轉(zhuǎn)速nN（r／min）；5．勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流IfN（A）。額定功率：額定輸出功率。

對(duì)直流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指輸出的電功率，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是指軸上輸出的機(jī)械功率。直流發(fā)電機(jī)的額定功率為：直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為：直流電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩：額定過(guò)載欠載運(yùn)行狀態(tài)額定效率3.5直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分，在電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要的作用。

因此，電樞繞組須滿(mǎn)足以下要求：在能通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動(dòng)勢(shì)前提下，盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料；并且要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等。

元件邊1、兩個(gè)有效邊組成一個(gè)元件;2、許多元件互聯(lián)組成一個(gè)繞組;3、元件組成的原則:兩個(gè)相鄰異性極相對(duì)應(yīng)的位置.NSS(元件數(shù))=K(換向片數(shù))=Ze(虛槽數(shù))極軸線：磁極的中心線；

幾何中性線：磁極之間的平分線；

P：極對(duì)數(shù)；元件節(jié)距（第一節(jié)距）：元件兩條邊的距離，以槽數(shù)計(jì)，總是整數(shù)

整數(shù)NS極距：在電樞鐵心表面上，一個(gè)極所占的距離，可用槽數(shù)表示合成節(jié)距、第二節(jié)距

單疊繞組展開(kāi)圖P39～40元件依次相連，元件的出線端接到相鄰的換向片上，第一個(gè)元件的下層邊連接著第二個(gè)元件的上層邊，它放在第一元件上層邊相鄰的第二個(gè)槽內(nèi)。已知某直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)P=2,Ze=K=S=16,試畫(huà)出單疊繞組展開(kāi)圖。1．計(jì)算繞組數(shù)據(jù)2．畫(huà)繞組展開(kāi)圖P40（1）先畫(huà)16根等長(zhǎng)、等距的實(shí)線（虛線）;（2）放磁極:N.S(0.7);（3）換向片;（4）聯(lián)繞組;（5）確定感應(yīng)電勢(shì)方向;（6）放電刷.單疊繞組并聯(lián)支路圖:單疊繞組的特點(diǎn)元件的兩個(gè)出線端聯(lián)接于相鄰兩個(gè)換向片上；并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p；每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù)；正負(fù)電刷之間引出的電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)，電樞電壓等于支路電壓；由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即Ia=2aia（式中ia為每一條支路的電流，即繞組元件中流過(guò)的電流）。從上面的分析可知，相同元件數(shù)時(shí)，單疊繞組并聯(lián)支路數(shù)多，每條支路里串聯(lián)元件數(shù)少，適用于較低電壓、較大電流的電機(jī)。對(duì)于單波繞組，支路對(duì)數(shù)永遠(yuǎn)等于1，每條支路里所包含的元件數(shù)較多，所以這種繞組適應(yīng)于較高電壓、較小電流的電機(jī)。至于大容量的電機(jī)，可以采用混合繞組。3.6直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電樞反應(yīng)一、直流電機(jī)的磁路和勵(lì)磁方式：1.磁路2.直流電機(jī)的磁勢(shì)主極磁勢(shì):Ff=IfWf電樞磁勢(shì):Fa=IaWa換向極磁勢(shì):FK=IKWK(

IK=Ia)3.直流電機(jī)的勵(lì)磁方式：主極勵(lì)磁線圈的供電方式直流電機(jī)的勵(lì)磁方式他勵(lì)式自勵(lì)式并勵(lì)式串勵(lì)式復(fù)勵(lì)式(不同勵(lì)磁方式電機(jī)的特性不同)二、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)分布空載：發(fā)電機(jī)出線端沒(méi)有電流輸出，電動(dòng)機(jī)軸上不帶機(jī)械負(fù)載，即電樞電流為零的狀態(tài)。那么，這時(shí)的氣隙磁場(chǎng)，只由主極的勵(lì)磁電流所建立，又稱(chēng)勵(lì)磁磁場(chǎng)。主磁通：經(jīng)過(guò)主磁極、氣隙、電樞鐵心及機(jī)座構(gòu)成磁回路。它同時(shí)與勵(lì)磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩.漏磁通：僅交鏈勵(lì)磁繞組本身，不進(jìn)入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，極靴下氣隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極靴之外的氣隙，顯然，極靴下沿電樞圓周各點(diǎn)的主磁場(chǎng)將明顯大于極靴范圍以外，在兩極之間的幾何中心線處，磁場(chǎng)等于零。磁管應(yīng)用磁路歐姆定律求出P35如上圖示:磁管寬為氣隙磁阻磁極內(nèi)表面與電樞外表面之間氣隙長(zhǎng)度氣隙磁導(dǎo)率電樞軸向有效長(zhǎng)度磁極中心及附近處:靠近極尖處:極靴以外:兩極之間的幾何中心線處:磁極內(nèi)表面與電樞外表面之間氣隙長(zhǎng)度三直流電機(jī)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng):電樞磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響.電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極氣隙磁場(chǎng)的影響:電樞反應(yīng)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響A:電樞磁場(chǎng)在半個(gè)極內(nèi)對(duì)主極磁場(chǎng)起去磁作用，在另半個(gè)極內(nèi)則起增磁作用，引起氣隙磁場(chǎng)畸變;B:使電樞表面磁通密度等于零的位置偏移幾何中性線，新的等于零的位置我們稱(chēng)之為物理中性線,物理中性線偏移;C:考慮飽和時(shí)，起到去磁作用。問(wèn)題:1.如何抑制電樞反應(yīng)?2.電樞磁場(chǎng)是靜止的嗎?3.7直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩一、電樞電動(dòng)勢(shì)E：電樞電動(dòng)勢(shì)是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。所以，我們可以先求一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)所產(chǎn)生的平均電動(dòng)勢(shì)，再求一條支路的。一個(gè)磁極極距范圍內(nèi)，平均磁密用表示，極距為，電樞的軸向有效長(zhǎng)度為，每極磁通為，則一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為：所以：其中：式中，

是一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)

一條支路里的串聯(lián)總導(dǎo)體數(shù)為（為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，為電樞繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)），于是，電樞電動(dòng)勢(shì)為：一根導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)：二、電磁轉(zhuǎn)矩T(所有導(dǎo)體)：求解電磁轉(zhuǎn)矩的過(guò)程和求解電動(dòng)勢(shì)是一樣的：1）先求一個(gè)導(dǎo)體的平均電磁力：2）平均電磁力乘以電樞的半徑，即得到一根導(dǎo)體所受的平均轉(zhuǎn)矩：3）電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩則為：式中：是一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是電樞總電流。電磁轉(zhuǎn)矩的大小正比于每極磁通和電樞電流。

，，對(duì)于一個(gè)具體的電機(jī)而言，是一個(gè)常數(shù)，并且通過(guò)換算，兩者之間有一固定的關(guān)系：直流電機(jī)的電磁功率三幾點(diǎn)說(shuō)明1.大小及物理意義2.方向Ea:右手定則

T:左手定則3.穩(wěn)態(tài):問(wèn)題:如何改變電磁轉(zhuǎn)矩及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向大大（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）電樞電流負(fù)載電流3.8直流發(fā)電機(jī)一運(yùn)行原理發(fā)電機(jī)規(guī)定正方向:Ea、Ia同向UIaEa+-nTT1T0If他勵(lì)I(lǐng)2并勵(lì)I(lǐng)2電動(dòng)勢(shì)平衡方程式:根據(jù)基爾霍夫第二定律，對(duì)任一有源的閉合回路，所有電動(dòng)勢(shì)之和等于所有電壓降和（），

有：二基本關(guān)系其中：：電樞回路總電阻：勵(lì)磁回路總電阻UIaEa+-nTT1T0If他勵(lì)

轉(zhuǎn)矩平衡方程式：

直流發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，作用在電樞上的轉(zhuǎn)矩共有三個(gè)：一個(gè)是原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1；一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩T；還有一個(gè)是電機(jī)的機(jī)械摩擦、風(fēng)阻以及鐵損耗引起的轉(zhuǎn)矩，叫空載轉(zhuǎn)矩，用T0表示，空載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，永遠(yuǎn)與轉(zhuǎn)速n的方向相反。

UIaEa+-nTT1T0從原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率可用下式表示：并勵(lì)式中電磁功率PM為轉(zhuǎn)換成電樞回路的電功率：：銅耗他勵(lì)功率平衡方程式空載損耗為：：機(jī)械摩擦損耗：鐵損耗：雜散損耗因此：：總損耗

如此，則發(fā)電機(jī)的效率為：額定負(fù)載時(shí)，直流發(fā)電機(jī)的效率與電機(jī)的容量有關(guān)。10kW以下的小電機(jī)，效率約為75%~88.5%；10~100kW的，效率約為85%~90%;100~1000kW的電機(jī)，效率約為88%~93%。

P50三他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（1）負(fù)載特性指當(dāng)n=常數(shù)且Ia=常數(shù)時(shí)，U=f(If)的關(guān)系，其中當(dāng)Ia=0時(shí)的特性U0=f(If)稱(chēng)為發(fā)電機(jī)的空載特性。主要物理量:U，Ia，If，n；n＝常數(shù)(在發(fā)電機(jī)中)運(yùn)行特性:研究?jī)烧咧g的關(guān)系.（2）外特性指當(dāng)n=常數(shù)且If=常數(shù)或Rf=常數(shù)時(shí)，U=f(Ia)的關(guān)系（3）調(diào)節(jié)特性指當(dāng)n=常數(shù)且U=常數(shù)時(shí)，If=f(Ia)的關(guān)系（4）效率曲線他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性(n為常數(shù)Ia=0)與相似因此1）由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，使測(cè)得的曲線

是一閉合的回線。2）由于電機(jī)有剩磁，使得時(shí)仍有一個(gè)很低的電壓，稱(chēng)之為剩磁電壓，其值約為的２％~４%。實(shí)際使用時(shí)，一般取回線的平均值（如圖中的虛線所示）作為空載特性。3）空載特性與電機(jī)的磁化曲線形狀相似，只差一個(gè)比例常數(shù)。4）他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性是直流電機(jī)最基本的特性曲線。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性。分析特性：他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)外特性

(n為常數(shù)If=IfN)空載電壓：Ia=0U=Ea=

U0電流增大時(shí)，端電壓下降⑴負(fù)載增大時(shí)，電樞反應(yīng)的去磁作用增強(qiáng)，使每極磁通量減小，從而