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直流电机培训
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直流电机培训
关注微信公众号1.1直流电机的工作原理及结构一、直流电机特点 ? 直流电机优点 C 易于控制，可靠性高 C 调速范围广，平滑。 C 过载、起动、制动转矩大。 C 调速时能量损耗小? 直流电机缺点 C 换向困难 C 结构复杂 C 价格高目 录 退 出 下 页 上 页1、直流电机的工作原理?直流发电机的工作原理目 录 退 出 下 页 上 页?直流电动机的工作原理目 录b 电刷 a ＋ U － N c Nc d a S b换向片退 出dS＋ U －下 页上 页直流电机的可逆性? 从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋 转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作 为电源，将机械能变为电能而成为发电机。这种一台电机 既能作电动机又能作发电机运行的原理，在电机理论中称下 页 退 出 上 页为电机的可逆原理。目 录1.1直流电机的工作原理与结构1.1.1直流电机的主要结构目 录 退 出 直流电机剖面图 下 页 上 页主磁极 定子 电刷装置 换向磁极 机座 端盖 电枢铁心 转子 电枢绕组 换向器 转轴 风扇1-换向器 2-电刷装置 3-机座4主磁极5-换向极6-端盖7-风扇8电枢绕组9-电枢铁心1.1、 直流电机的结构目 录 退 出 下 页 上 页? 定子①主磁极②换向磁极③机座 ④电刷上 页 退 出 下 页目 录?主磁极构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。退 出下 页上 页目 录作用：建立主磁场。?换向极:作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时减少有 害的火花。 构成：由铁心和绕组组成换向磁极主磁极退 出下 页上 页目 录?机座作用：1)作为磁路的一部分； 2)固定主磁极、换向极和端盖。 构成:通常由铸钢或厚钢板焊成机座退 出下 页上 页目 录?电刷目 录 退 出 下 页 上 页作用：把直流电压、直流电流引入或引出构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。?转子（电枢）① 电枢铁心 ② 电枢绕组 ③ 换向器 ④ 转轴与风扇目 录 退 出 下 页 上 页?电枢铁心电枢铁心硅钢片(0.5mm)退 出下 页上 页2、电枢绕组的支撑部件。 作用：1、主磁路的一部分； 构成：一般用厚0.5L且冲有齿、槽的DR530或DR510的 硅钢片叠压夹紧而成。目 录?电枢绕组目 录 退 出 下 页 上 页作用：直流电机的电路部分。 构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用 槽楔压紧。?换向器作用：和电刷配合将直流电引入或引出的装置。 构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片 间用V形云母绝缘。目 录 退 出 下 页 上 页1.2直流电机的铭牌数据及主要系列1.2.1直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据， 规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情 况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额 定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它 是正确合理使用电机的依据。目 录 退 出 下 页 上 页直流电机的额定值主要有下列四项：1）额定容量（额定功率）PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率， 以 “W” 为量纲单位。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电 压和额定电流的乘积。 PN＝UNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PN＝UNINηN2）额定电压UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3）额定电流IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 4）额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。退 出下 页上 页目 录1.2.2 直流电机系列所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水 平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增， 并成批生产的一系列电机，我国目前生产的直流电机的 主要系列有： ? Z3系列: 为一般用途的小型直流电机系列，是一种基本 系列。“Z”表示直流，“3”表示第三次改型设计。 ? ZF和ZD系列 : 为一般用途的中型直流电机系列。“F” 表示发电机，“D”表示电动机。? ZZJ系列: 为起重、冶金用直流电动机系列。此时还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机 和发电机系列等。退 出下 页上 页目 录励磁方式目 录 退 出 下 页 上 页励磁绕组的供电方式称为励磁方式。他励 直流电机按励磁方式可分： 自励 1、他励式（图a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不 相连。2、自励式 并励式(图b) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；目 录 退 出 下 页 上 页串励式(图c) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；复励式(图d) ： 装有两个励磁绕组，一为与电 枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。+他 励IaMIf + Uf+IIaMIf并 励UaU+串 励IIaM+IIaMIf复励 退 出UU－－下 页－－－上 页目 录直流电动机按励磁方式分类1.3 直流电机的电枢绕组(1)产生足够的感生电势； (2)允许一定的电流； (3)节省有色金属和绝缘材料； (4)结构简单，运行可靠。上 页 退 出 下 页 目 录?直流电枢绕组的构成原则：1.3 直流电机的电枢绕组1.3.1直流电机电枢绕组的一般介绍绕组元件在槽中的位置 1-上元件边 2-后端接线 3-下元件边 4-前端接线目 录 退 出 下 页 上 页一 、元件 组成电枢绕组的基本 单元称为“元件”， 一个元件由两条元件 边和端接线组成。二、虚槽 ? 为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽” 的概念。设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽看作包含有u个 “虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表 示u=3时，元件边的布置情况。 若实槽数为Z，虚槽数为Zi， 则Zi=uZ? 因为每一个元件有两个元件边， 而每一换向片连接一个元件的 始端和另一个元件的末端；又 因为每一个虚槽包含着两个元 件边，所以绕组的元件数S、换 向片数K和虚槽数Zi三者应相等， 即S=K=Zi=uZ退 出下 页上 页目 录三、节距 一个元件的两个有效边之间的距离称为第一节距，用虚槽数表 示。 在电机中，若沿电枢圆周表面相邻两磁极的距离称为极距 , 则为了获得较大的线圈电动势，第一节距y1应等于或接近于一 ? 个极距，极距按下式计算： ? Da 式中 Da――电枢外径；P――磁极对数。 ? ?2p目 录 退 出 下 页 上 页若极距用虚槽数表示，则?Zi ? 2p上元件边y11后端接前端接1 2下元件边退 出2y2 56下 页一个元件的两条有效边在电枢表 面上所跨的虚槽数，称为第一节 距，用y1表示。上 页（1）第一节距y1目 录（2）第二节距y2 相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上 层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为第二节距，用y2表示， 也用虚槽数计算。y1 y2 5目 录12561NS1 2123退 出下 页26上 页3、合成节距y ? 相串联的两个元件的对应边之间的距离称为合成节距，用 虚槽数表示。 ? 合成节距表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或 后退了多少个虚槽，它是反映不同形式绕组的一个重要标 志。 y1 ? 单叠绕组 y=y1-y2 y2 5 1 6 2 ? 单波绕组 y=y1+y2目 录 退 出 下 页 上 页1 24、换向器节距yk向器节距，以换向片数表示。 ? 由于元件数等于换向片数，因此元件边在电枢表面前进 （或后退）多少个虚槽，其出线端在换向器上也必然前进 （或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成yk=y退 出节距，即：下 页上 页目 录? 一个元件的两个出线端所联接的换向片之间的距离称为换电枢绕组的常用术语叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在 前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串 联起来，象波浪式的前进。目 录 退 出 下 页 上 页叠绕组示意图波绕组示意图?单叠绕组 ?单叠绕组：是指相邻元件(线圈)相互叠压, 元件的出线 端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连 接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的 第二个槽内。上 页 退 出 下 页?单叠绕组的特点:合成节距与换向节距均为1，即y=yk=1。目 录例子1 直流电机的 2 p ? 4 , 1、单叠绕组的节距，试将其绕成单叠绕组。目 录11 12 13 14 15 16 1 2 3 4y ? yk ? 1＋yy2 ? y ? y1 ? ? 32、单叠绕组的元件联结次序上层元件边 下层元件边1＋y 15 6 ＋y＋y78910退 出23456789101112131415161 闭合2下 页上 页τ电枢转向τττ15161234567891011121314151614 15 16 12345678910 12 13 14 15退 出下 页上 页SNSNS目 录τ电枢转向τττ目 录15161234567891011121314151614 15 16 12345678910 12 13 14 15退 出下 页SNSNS上 页τ电枢转向τττ目 录15161234567891011 121314151614 15 16 12345678910 11 12 13 14退 出下 页SNSNS上 页τ电枢转向τττ15161234567891011 1213141516SNSNSB2 A1B1A2B2退 出14 15 16 12345678910 11 12 13 14下 页上 页目 录3、单叠绕组的元件联结次序＋y上层元件边 下层元件边1＋y 123456789101112131415161 闭合5 6 ＋y789101112131415161234单叠绕组并联支路对数等于电机的极对数，即： a ? p退 出下 页上 页4、单叠绕组的并联支路图目 录＋y2单叠绕组的的特点：?同一主磁极下的元件串联成一条支路，主 磁极数与支路数相同。?电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应 电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电 动势。 ?电枢电流等于各支路电流之和。退 出下 页上 页目 录单波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串 联起来，象波浪式的前进。目 录叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在 前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。叠绕组示意图波绕组示意图退 出下 页上 页单波绕组单波绕组:顺序相连的两元件处在相邻极对下相近位置。目 录1、单波绕组的节距y1 ? ?(2) 合成节距 y ? 2 ?(3) 第二节距 y 2 ? y ? y 1退 出(1) 第一节距 y 1 ? ?? ? Z 2p Z ?1 K ?1 y ? yk ? ? p py1 ? ? ? ?下 页上 页电枢绕组的常用术语目 录a)b)电枢绕组的节距 b)单波绕组a)单叠绕组退 出下 页上 页单波绕组讲述单波绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。以一台2 p ? 4, 的直流电机为例。Q? ? S ? K ? 151、单波绕组的节距15 1 y1 ? (Q? / 2 p ) ? ? ? ? ? 4 4 4K ? 1 15 ? 1 yk ? ? ?7 p 2（长距元件）（左行绕组）y ? yk ? 7y2 ? y ? y1 ? 7 ? 4 ? 3退 出下 页上 页目 录2、单波绕组的展开图τ电枢转向ττττ1213 141512345678910111213NSNS下 页14 1512345678910 11 12 13 14退 出上 页目 录τ电枢转向ττττ1213 141512345678910111213NSNS下 页14 1512345678910 11 12 13 14退 出上 页目 录τ电枢转向ττττ1213 141512345678910111213NSNS下 页14 1512345678910 11 12 13 14退 出上 页目 录τ电枢转向ττττ1213 141512345678910111213NSNS下 页14 1512345678910 11 12 13 14退 出上 页目 录τ电枢转向ττττ1213 141512345678910111213NSNSB1A2B2退 出14 1512345678910 11 12 13 14下 页上 页目 录3、单波绕组的元件联结次序＋y上层元件边 下层元件边1815714613512411310291闭合5 ＋y1241131029181571461315 8714613A11 15 91 28 9A21255 4B1103114B2单波叠绕组并联支路对数与电机极对数无关，a ? 1退 出12下 页上 页4、单波绕组的并联支路图目 录＋y2＋y 1单波绕组退 出下 页上 页目 录单波绕组 单波绕组的特点：1）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支 路，并联支路对数恒等于1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对 准主磁极中心线时，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数（全额电刷）。 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。 单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低 电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数a=1，但每条支路 串联的元件数较多，适用于小电流较高电压的电机。退 出 下 页 目 录上 页单叠绕组和单波绕组的区别目 录 退 出 下 页 上 页第四节 直流电机的磁场退 出 下 页 上 页 目 录退 出直流电机中除主极磁场外，当电枢绕 组中有电流流过时，还将会产生电枢磁 场。电枢磁场与主磁场的合成便形成了 电机中的气隙磁场，它直接影响电枢电 动势和电磁转矩的大小。要了解气隙磁 场的情况，就要先分析清楚主磁场和电 枢磁场的特性。下 页上 页目 录一、直流电机的空载磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者 很小，电枢磁动势也很小，且可以不计其影响 的一种运行状态，此时电机无负载，发电机不 输出电功率，电动机不输出机械功率。 所以直流电机空载时的气隙磁场可认为就 是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。目 录 退 出 下 页 上 页此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻 的磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁 绕组相匝链，称为漏磁通，用φσ表示。退 出电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电 磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用Φ表示。下 页上 页SN目 录空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽 略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分 布就取决于气隙的大小和形状。退 出下 页直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕 组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通不与电 枢绕组相匝链，没有这个作用，它只是增加主磁极 磁路的饱和程度。因此，可只分析主磁通。上 页目 录漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通 的（15～20）%左右。极身极靴 几何中性线空载时的气隙磁通密度 为一平顶波。目 录 退 出 下 页 上 页?气隙形状 图1-24（a）若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气 隙小且均匀，气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较 大且基本为常数；在极靴范围外，气隙明显增大， 磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处， 气隙磁通密度为零。0I fN为了经济、合理地利用材料，一般 I f 0 I f 直流电机额定运行时，额定磁通? N 设 定在图中A点（膝部），即在磁化特性 F IN 曲线开始进入饱和区的位置。f0图1-25 直流电机的磁化曲线退 出下 页在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有 一定数量的主磁通Φ，也就是需要有一定的励磁磁动势Ff。励磁磁 动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通Φ与励磁磁 动势Ff或励磁电流If的关系曲线称为直流电机的磁化曲线，它表明 了电机磁路的特性。 当磁通较小时，铁磁部分没有饱和， ?0 磁压降很小，整个磁路的磁动势几乎全 部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是 一个常数，因此曲线近似为一直线（图 ?N A 中0A段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯 曲，很大时，呈饱和特性。上 页目 录二、直流电机负载时的磁场及电枢反应 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢 电流产生的磁动势称为电枢磁动势。从对电枢绕组的分析可知，在 同一电刷两侧的元件中，电流方向 总是相反的。因此，电刷是电枢表 面导体中电流方向的分界线。 图1-26为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布情 况。 假设励磁电流为零，只有电枢电 流。由图可见电枢磁动势产生的气隙 磁场在空间的分布情况，电枢磁动势 为交轴磁动势。直轴交轴退 出下 页上 页目 录由于主磁极下气隙长度基 本不变，而两个主磁极之间， 气隙长度增加得很快，致使电 枢磁动势产生的气隙磁通密度 为对称的马鞍型，如图中 B ax 所示。图1-26（b）电枢磁动势和磁场的分布退 出FaxBax下 页上 页如果认为直流电机电枢上 有无穷多整距元件分布，则电 枢磁动势在气隙圆周方向空间 分布呈三角波，如右图 F 所 ax 示。目 录退 出当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负 载后，电枢绕组中就有电流流过，它将产生 一个电枢磁动势。因此，气隙中的磁场是励 磁磁动势和电枢磁动势共同作用的结果。通 常把负载时电枢磁动势对主磁场的影响称为 电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能 影响很大。下 页上 页目 录1、交轴电枢反应 若电枢上半部分电 流方向为流出纸面，则 电枢下半部分电流方向 为流入纸面，其电枢磁 场磁力线分布如图示。图1-27交轴电枢反应磁场分布 目 录 退 出 下 页 上 页如果主极极性如图所示， 把主磁场与电枢磁场 合成，将合成磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动 势将对主磁场产生很大的影响，即电枢反应。下面通过磁通密度分布曲线说明电枢反应的作用 如图1-27（b）所示:目 录主磁场的 磁通密度 分布曲线 Box两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场 的磁通密度分布曲线 BδxB?xBaxB0 x图1-27（b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线退 出下 页上 页电枢磁场磁通 密度分布曲线 Bax比较Bδ x 和Box 两条曲线，得出电枢反应的性质：B?xBaxαB0 x磁场为零的位 置由空载时在几何 中性线逆转向移动 了一个角度α。 说明物理中性 线与几何中性线不 再重合。几何中性线物理中性线图1-27（b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线退 出下 页上 页每一磁极下， 主磁场一半被削弱， 另一半被加强。目 录（1）使气隙磁场发 生畸变图1-27（a） 交轴电枢反应磁场分布退 出下 页物理中性线是指 电机中N极与S极的分 界线，此处磁场为零。上 页几何中性线是指 电气结构上两磁极的 中线。目 录（2）对主磁场起去磁作用B?xBaxB0 x图1-27（b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线退 出磁路不饱和时，主磁 场被削弱的数量等于加强 的数量。但是电机正常运 行于磁化曲线的膝部，主 磁极增磁部分因磁密增加 使饱和程度提高，铁心磁 阻增大，增加的磁通会少 些，因此负载时合成磁场 每极磁通比空载时每极磁 通略有减少，这就是电枢 反应的去磁作用。下 页上 页目 录1.5 直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算1.5.1电磁转矩的计算目 录 退 出 下 页 上 页产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作 用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。pN ?I a ? CT ?I a 大小: Tem ? 2? a pN 其中CT ? 为电机的转矩常数 2? a可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流 成正比。性质: 发电机――制动(与转速方向相反)； 电动机――驱动(与转速方向相同)。1、直流电机的电磁转矩(1) 产生 电枢电流 i F →T 磁 场 Φ (2) 大小 ? 电磁力： F = B l i Φ ? 平均磁密：B = ?l ? 每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩： FR?B?极距l退 出R下 页上 页目 录?电枢绕组总导体数:N ?电枢绕组串联支路总导体数： N1=N/ 2a ? 电枢绕组并联支路数：2a ?电枢的周长： 2?R = 2p? ? 电磁转矩： T = N? FR p? = N?? ? Bl i p? Φ =N? li ? ?l ? p =N ? ?Φ i ? 电枢电流 Ia pN = ?Φ ?2ai 2a??下 页R退 出上 页目 录(2) 大小 CT 转矩常数：T = CTΦ Ia (N? m)单位：ACT =(3) 方向 由Φ 和 Ia 共同决定。退 出下 页pN 2a?上 页目 录单位：Wb1.5.2 电枢感应电动势的计算产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为 电枢电动势。 大小:pN 其中 Ce ? 为电机的结构常数 60a(电动势常数 )可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速 有关。性质:发电机――电源电势(与电枢电流同方向);电动机――反电势(与电枢电流反方向).退 出下 页上 页pN Ea ? ?n ? Ce ?n 60a目 录(1) 产生 电枢旋转 n e →∑e →E 磁 场 Φ (2) 大小 ? 每个导体：e = B l v 2?R 2p? ? 导体切割磁场的线速度： v= n = n 60 60 ? 电动势： E = N1e=N1B l v 2p? 2pN Φ = N1? ? l? n= Φn 60 60*2a ?l 注意：N1为串联支路的总导体数，而电枢总导体数 N=N1*2a退 出下 页上 页目 录单位：WbE = CEΦ n (V)单位：r/minpN CE = CE 电动势常数： 60a (3) 方向： 由Φ 和 n 共同决定。退 出下 页上 页目 录退 出CT = 9.55 CE下 页pN CT = 2a? pN CE = 60aCT 60 = = 9.55 2? CE上 页目 录第六节 直流电机的换向退 出下 页上 页目 录直流电机的换向由电机绕组连接分析可知，直流电机的电 枢绕组是一闭合绕组，电刷把这一闭合电路分成 几个支路，每个支路的元件数相等。一个电刷两 边所连接的两条支路中电流方向相反，电枢旋转 时，绕组元件从一个支路经电刷，进入另一个支 路时，电流方向改变。绕组元件中电流改变方向 的过程称为换向。 换向是直流电机中十分重要的问题，换向会 使电刷和换向器之间产生火花，严重时会烧坏换 向器与电刷，使电机不能正常工作和寿命缩短。 我国对电机换向时产生的火花等级与允许的运行 状态有相应的规定。目 录 退 出 下 页 上 页1、直流电机的工作原理?直流发电机的工作原理目 录 退 出 下 页 上 页1.6.1 换向过程退 出下 页上 页从换向开始到换向结束的过程就称为换向过程。电枢绕 组中每个元件都要经过换向过程，所有元件在换向过程中的 情况一样，只需讨论一个元件的换向过程就可以了。图1.31 表示1号元件的换向过程。设电刷的宽度等于一个换向片的 宽度，电刷不动，元件和换向器以v的速度自右向左运动。 图1.31 元件1中的电流换向过程目 录电刷只与换向片1接触，如图1.31（a）所示，此 时元件1处于电刷右边的支路，元件中的电流等于支 路电流+i，电流方向如图，1号元件即将开始换向。 元件移动，电刷同时与换向片l和2接触，如图 1.31（b）所示，此时1号元件被电刷短接，表明该 元件正在换向，其电流从+i逐渐减小到零。 元件继续移动， 电刷只与换向片 2 接触，如图 l.31（c）所示，此时元件1属于电刷左边的支路，元 件中的电流方向改变且从零逐渐增大到-i，则1号元 件结束换向。 换向过程所需的时间称为换向周期TK，通常只有 千分之几秒。退 出下 页上 页目 录1.6.2 换向元件中的感应电动势和电流变化的特点 1．换向元件中的电动势 （1）电抗电动势ex 在换向过程中，由于换向元件中电流从 +i到-i的 变化，在换向元件中产生自感电动势，其方向由楞次 定律可知它总是阻碍原电流的变化，即方向应与换向 前电流+i方向相同。 （2）旋转电动势er 由于电枢反应使几何中性线上电刷处的磁场并不 为零，换向元件旋转移动到此处时切割磁场产生的感 应电动势，其方向可用右手定则判断，也是与绕组元 件中原来电流方向相同。 总的感应电动势为 ?e ? ex ? er退 出下 页上 页目 录实际上由于有?e的存在， 使得电流变化受到阻碍而延迟， 电刷后刷边电流密度大，更易 损坏，称延迟换向。当电刷滑 离换向片1时，很大的电流突 然突然断路，换向回路中贮存 的电磁能量通过空气释放，便 导致火花产生。退 出下 页上 页2．换向元件中电流变化的特点 如果没有感应电动势产生，图1.31 中换向片 1 逐渐离开电刷时，元件 1 中的电流从 +i 逐渐减小到 零，电刷上电流密度是均匀的，称为直线换向。直 线换向是理想换向，电机不会出现火花。目 录1.6.3 改善换向的方法退 出如果换向不理想，在电刷处会产生火花。产 生火花的原因除了电磁原因外，还可能因为换向 器表面不平整、不清洁、换向片间有绝缘突出， 电刷与换向器接触压力不适当等，这里主要从电 磁原因入手，介绍一些改善换向的方法。 要减小火花就要减小附加电流，即要减小换 向元件的合成电势?e，或增大电刷接触电阻。常 用以下的方法。下 页上 页目 录退 出下 页1．装配换向极 由换向元件的感应电动势可知，当电刷放在几 何中心线上时，换向元件只切割电枢磁场，如果在 该处用换向磁极产生一个与电枢磁场反方向的换向 磁场，使换向元件切割换向极磁场产生的旋转电动 势，正好可以抵消换向元件切割电枢磁场产生的旋 转电动势er和换向元件的电抗电动势 e x ，则 ?e ? 0 。上 页目 录1．装配换向极减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效 地改善换向。最有效的办法：装换向极。抵消电枢反应磁势，使ea＝0 n 换向极磁势Nk 目 录 Sk 退 出 下 页 上 页NΦ ea aer建立Bk，产生ek，使?e ? eSr? ek ? 0加换向极后的结构图退 出下 页上 页目 录2．正确选用电刷 增加电刷接触电阻可以减少附加电流。电刷 的接触电阻主要与电刷材料有关，目前常用的电刷 有石墨电刷、电化石墨电刷和金属石墨电刷等。石 墨电刷的接触电阻较大，金属石墨电刷的接触电阻 最小。从改善换向的角度来看似乎应该采用接触电 阻大的电刷，但接触电阻大，则接触压降也增大， 使能量损耗和换向器发热加剧，对换向也不利，所 以合理选用电刷是一个重要的问题。根据长期运行 经验，对于换向并不困难，负载均匀，电压在 80V ～ 120V 的中小型电机通常采用石墨电刷，一般正 常使用的中小型电机和电压在 220V 以上或换向较 困难的电机采用电化石墨电刷，而对于低压大电流 的电机则采用金属石墨电刷。退 出下 页上 页目 录3．装配补偿绕组 补偿绕组嵌放在主磁极极靴上专门冲出 的槽内或励磁绕组外面，该绕组与电枢绕组 串联，产生的磁场方向与电枢反应的磁通方 向相反，用以抵消电枢反应的磁通。装配补 偿绕组使电机结构复杂，成本增加。因此， 只有在负载变化很大的大、中型直流电机中 使用。 注:直流电机的换向过程是一个复杂而又抽象的 问题，要求学生做一般的了解，关键是掌握 改善换向的方法。退 出下 页上 页目 录第七节 直流发电机退 出下 页上 页目 录1.7 直流发电机1.7.1 直流发电机的励磁方式目 录 退 出 下 页 上 页直流发电机的励磁方式是指电机励磁电流的供给方式，分为他 励和自励两大类。 他励――励磁电流由另外的电源供给。励磁电路与电枢无电的 联系。 自励――励磁电流由发电机本身供给。自励电动按励磁绕组与 电枢的联接方式不同，又可分为并励、串励和复励三种串励 他励 并励实线接法称为短复励 虚线接法称为长复励复励1)他励：他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同 I a ? I目 录2)并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。满足 I a ? I ? I f 。 通常If 仅为电视额定电流IN的1%-5%。3)串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足4)复励:发电机既有并励绕组，也有串励绕组。串励绕组磁动 势可以与并励绕组磁动势方向相同（称为积复励），也可以 相反（称为差复励）。并励绕组与电枢并联，流过的电流小，故并励绕组匝数多、 导线细；串励绕组与电枢串联，流过的电流大，故串励绕组 匝数少、导线粗。不同的励磁方式，将使电机的运行性能发生很大的差异退 出下 页上 页Ia ? I ? I f 。1.7.2 直流发电机的基本方程式退 出电动势平衡方程式 转矩平衡方程式 功率平衡方程式下 页上 页直流发电机的基本方程式包括：目 录一、电动势平衡方程式式中Ra为电枢的总电阻，包括电枢 绕阻本身的电阻和串励绕组、换向 极绕组和补偿绕组的电阻。2△Ub为 一对电刷的接触压降，不同牌号的 电刷其值也不同，一般为0.6-1.2V。在一般定性的分析讨论中，也可把电 刷接触压降归并到电枢回路的压降中 去，电动势平衡方程式可写成 Ea=U+IaRa 此时Ra中应包括电刷接触 电阻。从方程式可见，直流发电机满足IaT1T0EaTem??Φ?Ea ? U退 出下 页? If Uf上 页n目 录Ea ? U ? Ia Ra ? 2 ΔUb ? U ? Ia Ra? U ?二、转矩平衡方程式 直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转 矩 T 、电磁转矩 Tem 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩T0 。 发电机空载时，为了使发电机能维持恒速运转，则原动机的 输出转矩T（即驱动转矩）必须克服由于机械摩擦等引起的制 动转矩T0， T0也称为空载转矩。目 录 退 出 下 页 上 页当发电机有负载时，电枢电流Ia与气隙磁场相互作用产生电 磁转矩Tem。在发电机中，电磁转矩Tem是制动转矩，所以为 了使电机恒速旋转，驱动转矩T除了克服空载转矩T0外，还 必须克服电磁转矩Tem 的制动作用转矩平衡方程式: 发电机中T＞Tem T=Tem+TO三、功率平衡方程式以下对电磁功率pem和空载功率po作进一步分析。 1) 电磁功率pem 负载时电枢有电动势Ea，在Ea作用下产生电流Ia，显然发电机 中的电磁功率 pem = EaIapN ?nI a 60a p N 2? n ? ?I a 2? a 60 ? Tem? Pem ? Ea I a ?式中物理意义：Tem?是原动机为克服电磁转矩所需输入的机械功 率， EaIa则为电枢发出的电磁功率，两者相等，所以电磁功 率就是机械功率转换为电功率的部分，它是从机械量计算电 磁量的一个桥梁退 出ω ――电枢旋转的机械角速度 2? n ?? 60下 页上 页目 录发电机工作时，原动机向发电机输入机械功率P1。 P1中因机械 摩擦等消耗的一部分称为空载功率Po，其余部分便转化为电功率 Pem， Pem也称为电磁功率，功率平衡方程式: p1= pem+ po机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定子与转子和 空气的摩擦损耗（也称为通风损耗）等部分。 铁耗PFe是由于电枢转动时，主磁通在电枢铁心内交变而引起的 机械损耗和铁耗与负载大小无关，电机空载时即存在，而且 在运行过程中数值几乎不变，所以空载损耗也称作不变损耗。 空载功率也可表示Po=Toω ,To为空载转矩退 出下 页Po主要包括机械损耗功率PΩ和铁耗功率PFe，空载功率也称作 空载损耗。上 页电磁功率pem除去电枢回路电阻上的损耗pcua=I2aRa和电刷接触 损耗pcua= 2△UbIa外，其余的便是对负载输出的功率p2和励磁 回路的损耗pcuf（对他励机， pcuf 不包括在电磁功率中）。 EaIa=UIa+UIf+ I2aRa+2Ia △Ub =U（Ia+If）+I2aRa+2Ia △Ub 2) 空载功率Po目 录3) 附加损耗Ps 附加损耗又称做杂散损耗包括： ?结构部件在磁场内旋转而产生的损耗； ?因电枢齿槽影响，当电枢旋转时，气隙磁通发生脉动而在主 极铁心中和电枢铁心中产生的脉动损耗; ?因电枢反应使磁场畸变而在电枢铁心中产生的损耗； ?由于电流分布不均匀而增加的电刷接触损耗； ?换向电流所产生的损耗。 产生的原因很复杂，也很难精确计算，通常采用估算的办法 确定。国家标准规定直流电机的附加损耗为额定功率的 0.5%-1%。 综合上述分析，可写出功率平衡方程式，即 p1=pem+po =（P2+pcua+pcub+pcuf）+（pΩ+pFe）+ps退 出下 页上 页目 录直流发电机的功率图退 出若是他励电机，则励磁回路功率由外电源供 给，而不包括在输入的机械功率之中。下 页上 页目 录1.7.3 他励发电机的特性直流发电机运行时，可以测得的物理量有发电机的端电压 U、负载电流I、励磁电流If和转速n。一般发电机都应在额定 转速nN下运行，则其它三个物理量之间的关系就用来表征发电 机的特性。? 空载特性 I为常数的条件下，U=f（If）。其中I=0时 称为空载特性，这一条很重要的特性。 ? ? ? 外特性 调节特性 If为常数的条件下，U=f（I）。 U为常数的条件下，If=f（I）。下面对他励发电机的各种特性进行分析。退 出效率特性，即η =f（P2）下 页上 页目 录一、 空载特性U ? f (I f ) 定义：当 n ? n N 、 Ia ? 0 时，目 录Uf+ -UIf G + V K空载特性曲线下降分支A平均空载特性曲线nARL退 出If下 页上 页-Rr空载特性曲线上升分支剩磁感应 电动势Er O空载特性 IfIf空载特性曲线下降分支退 出下 页U0平均空载特性曲线上 页空载时，U ? Ea 。由于 Ea ? Ce?n， 因此空载特性实质上就是 Ea ? f ( I f ) 。由 空载特性曲线上升分支 于 Ea 正比于 ? ，所以空载特性曲线的形 U 状与空载磁化特性曲线相同。目 录二、外特性 定义：当n=nN、If=IfN时U=f（I）的关系曲线特性曲线可用试验方法求得 试验方法及接线图如下按右图接线，并将开关S1合 上，保持n=nN，调节负载电阻R 和磁场调节电阻Rpf,使U=UN时 I=IN，此时的励磁电流即为额定 励磁电流IfN。在试验过程中，保 持If=IfN值不变，此后逐步增大 负载电阻R，负载电流I就逐步减 小，电枢电压则逐步增加，直到 I=0，测得一系列I和对应的U值， 即得到发电机的外特性曲线目 录 退 出 下 页 上 页外特性曲线如图: 他励发电机的外特性是条略微下 垂的曲线，即随着负载的增加， 电机的端电压将有所下降。引起 端电压下降的因素有两个： 1）电机有负载后，电枢反应的 去磁作用，使电枢电动势Ea比空 载时小。 2）电区回路的压降IaRa。 这两个因素都随负载的增加而增大，由电动势方程U=Ea-IaRa 可知，端电压就随负载的增大而减小。退 出下 页上 页目 录退 出一般他励发电机的△U约为（5-10）%，可认为它是一个恒压 电源。下 页UO ? U N ?U N ? ?100% UN上 页国家标准规定:他励发电机的额定电压调整率是指在 n=nN，If=IfN时发电机从额定负载过渡到空载时，端电压 升高的数值与额定电压的百分比。即目 录三、调节特性定义：调节特性是在n=nN、U=UN时If= f（I）的关系曲线。从外特性可知，当负载增大时，端电压下降，若要维持U=UN 不变，则随着负载的增大，必须增大励磁电流，所以他励发 电机的调节特性是一条上升的曲线目 录 退 出调节特性曲线下 页上 页四、效率特性 定义：在n=nN、U=UN时发电机的效率与负载的关系曲线（实际 上电压U将随负载变化而变化，因变化不大，可近似认为U=UN）目 录 退 出效率是指输出功率与 输入功率之比:P2 ? ? ?100% P 1p2 p2 p2 ?? ? ? 将式对I求导而得 p1 p 2 ? ? p p2 ? pFe ? p? ? pCua ? pCub ? pS 效率特性关系式: p2 ? dn 令 ? 0即可 UI ? pFe ? p? ? pCua ? pCub ? pSdI式中∑p为全部损耗，其中有一部分是不随负载变化的，称 为不变损耗，如PFe、PΩ 、Ps中也有一部分是不变损耗；有一 部分是随负载变化而变化的，称为可变损耗，如Pcua、Pcub和 一部分附加损耗，一般与负载电流的二次方成正比。下 页上 页根据他励发电机的功率关系，可得当发电机空载时，P2=0，所以η =0。 当负载较小时，由于可变损耗小，总损耗中以不变损耗为主， 此时增加负载，总损耗增加不多，输出P2=UI则与电流成 正比增加，所以效率随负载增加 而上升很快。继续增加负载，当 可变损耗与不变损耗相等时，效 率达到最大值。若再继续增加负 载，则因可变损耗在总损耗中占 主要地位，且与Ia的二次方成正 比，而输出功率仅与I成正比， 因此效率反而下降。 通常在设计电机时，需要将各种损耗作适当的分配，使最大 效率出现在（3/4-1）PN范围内，这样电机在实际使用时， 能够处在较高的效率下运行，比较经济。这种要求同样适用 于其它各种类型电机（包括交流电机和变压器）目 录退 出下 页上 页1.7.4 并励发电机并励发电机是一种自励电机，它的励磁电流不需要由外电源 供给，而是取自发电机本身，所以称“自励”。 并励发电机的励磁绕组是与电枢并联的，要产生励磁电流If， 电枢两端必须要有电压，而在电压建立起来之前，If=0,没 有励磁电流，电枢两端又不可能建立起电压，因此有必要在 分析并励发电机的运行特性前，先讨论一下它的电压建立过 程，也称为“自励过程”。 一、自励过程 设发电机已由原动机拖动至额定转速，由于电机磁路中有一 定的剩磁，在发电机的端点将会有一个不大的剩磁电压。这 时把并励绕组并接到电枢上去，便有电流流过励磁绕组，产 生一个励磁磁动势。励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向， 使电机内的磁场得到加强，从而使电机的端电压升高。在这 一较高端电压的作用下，励磁电流又进一步升高，如此反复 作用，发电机的端电压便“自励”起来。目 录 退 出 下 页 上 页发电机的电压能否稳定在某一数值，需作进一步的分析。 由于并励发电机的励磁电流以If仅为额定电流IN的（1-5）%， 因此发电机空载时的电压UO可近似看作等于Ea，所以从电枢回 路来看，If与UO的关系也可以用空载特性表示。另一方面，若 从励磁回路来看，If与UO的关系又必须满足欧姆定律，即 UO If ? 式中 Rf――励磁回路总电阻 Rf UO 当Rf一定时，If与UO成线性关系，该直线的斜率为 a ? ? R f If 故称直线2为磁场电阻线，简称场阻线。可见，If与UO的关系既要满足空载特性，又要满足场阻线， 则最后稳定点必然是场阻线与空载特性的交点A，A点所对应 的电压即是空载时建立的稳定电压。从物理过程来看，在自励过程中励磁电流是变化的，这时励 磁回路的电动势方程： di f U f ? if Rf ? Lf dt 式中 Lf――励磁绕组的电感。退 出下 页上 页目 录综上所述：并励发电机的空载稳定电压UO的大小决定于空载特性 与场阻线的交点。因此调节励磁回路中的电阻，也就是改变 的场阻线斜率，即可调节空载电压 的稳定点。如果逐步增大电阻Rf （即增大磁场调节电阻Rpf），场 阻线斜率增大，空载电压稳定点就 沿空载特性向原点移动，空载电压 减小；当场阻线与空载特性的直线 部分相切时，两线无固定的交点或 交点很低，空载电压为不稳定，如 图中的直线3，这时对应的励磁回 1-空载特性 2-场阻线 3-临界场阻线 路的总电阻称为临界电阻。退 出下 页上 页目 录Lf 空载特性与场阻线之间的阴影部分表示了 dt 的值，当电机 di f 进入空载稳定状态时，励磁电流不再变化，dif=0, Lf ? 0 即最 dt 后的稳定点必定是空载特性与场阻线的交点。di f自励条 件 并励发电机的自励过程可以看出，要使发电机能够自励，必须 满足下述三个条件，称为自励条件。 1）发电机的主磁极必须要有一定的剩磁。 电机自励的必要条件 2）励磁绕组与电枢的联接要正确，使励磁电流产生的磁场 与剩磁同方向。 若在某一转向下，励磁绕组与电枢的联接能使电机自励，则改 变转向后，电机便不能自励。这是因为发电机的转向改变后， 剩磁电压的方向也随之改变，由此产生的励磁电流对剩磁起去 磁作用。所以，所谓励磁绕组与电枢的连接正确是对某一旋转 方向而言的。发电机应按制造厂规定的旋转方向运行。 3）励磁回路的总电阻要小于临界电阻。 由于对应于不同的转速，电机的空载特性位置也不同，因此 对应于不同的转速便有不同的临界电阻。如果保持励磁回路 的总电阻不变，发电机在高速时能自励，而在低转速时也许 就不能自励。一般发电机应保持在额定转速nN下运行。目 录 退 出 下 页 上 页二、运行特性 并励发电机的空载特性和调节特性与他励发电机无多大差别。 只分析并励发电机的外特性。 定义：在n=nN、Rf=RfN=常数（注意：不是If=常数）时，U=f（I） 的关系曲线。 特性曲线可用试验方法求得 试验方法如下 先将电机拖到额定转速n=nN，使 电机自励建立电压，然后调节励 磁电流和负载电流，使电机达到 额定运行状态，即U=UN、I=IN, 此时励磁回路的总电阻即为RfN。 保持RfN不变，求取不同负载时 的端电压，就可得到图中曲线1 所示的外特性曲线，图中曲线2 表示接成他励时的外特性。目 录退 出下 页上 页比较两条曲线，可以看出并励发电机的外特性有两个特点2）稳态短路电流小 ，当负载 电阻短路时（R=0），电枢端 电压U=0，励磁电流If也为零。 这时电枢绕组中的电流由剩磁 电动势所产生。由于剩磁电动 势不大，所以稳态短路电流也 不大。退 出下 页上 页1）并励发电机的电压调整率较他励时大，这时因为他励发电 机的励磁电流If=IfN=常数，它不受端电压变化的影响；而并励 发电机的励磁电流却随电枢端电压的降低而减小，这就使电枢 电动势进一步下降。因此并励发电机的外特性比他励时要下降 得快一些。并励发电机的电压调整一般在20%左右。目 录强 调目 录并励发电机的稳态短路电流虽然不大，若发生突然短路，则因为励磁绕组有很大的电感，励磁电流及其所建立的磁通不能立即消失，因此短路电流的最大值仍可达到额定电流的812倍，还是有损坏电机的危险。退 出下 页上 页1.7.5 复励发电机复励发电机分积复励和差复励两类。在积复励发电机中，并 励绕组起主要作用，它使发电机空载时产生额定电压。串励绕 组的作用只是用来补偿负载时电枢电阻压降和电枢反应的去磁 作用，使电机在一定的负载范围内保持端电压的恒定，这就克 服了他励和并励发电机的电压随负载增加而下降的缺点。 根据串励绕组的补偿程度，积复励电机又可分为平复励、 过复励和欠复励三种。若发电机在 额定负载时的端电压等于空载电压， 就称为平复励，它说明这时串励绕 组磁动势恰好能补偿电枢反应的去 磁作用和电枢的电阻压降。若补偿 有余，则额定负载时的端电压将高 于空载电压，称为过复励。反之， 复励发电机的外特性 补偿宵足就称为欠复励。退 出下 页上 页目 录1.8 直流电动机1.8.1直流电动机按励磁方式分类目 录直流电动机的励磁电流都是由外电源供给的，和直流发电机相似， 励磁方式不同也会使直流电动机的运行性能产生很大差异。上 页 退 出 下 页按照励磁方式的不同，直流电动机可分为他励、并励、串励、 复励电动机。 一、他励电动机 电枢绕组和励磁 绕组分别由两个 独立的直流电源 供电，电枢电压 U与励磁电压Uf彼 此无关，如图所 示。 二、并励电动机 励磁绕组和电枢 并联，由同一电 源供电，励磁电 压Uf等于电枢电 压U，从性能上 讲与他励电动机 相同。三、串励电动机 励磁绕组与电枢串联后 再接于直流电源，这时 I=Ia=If。如图所示四、复励电动机 有并励和串励两个励磁绕组，它也 分积复励和差复励两类，因为差复 励电动机运行时转速不稳定，实际 上不采用。退 出下 页上 页目 录1.8.2直流电动机的基本方程式一、电动势平衡方程式 直流电动机稳定运行时，设电枢两端外加电压为U，电枢电流 为Ia，电枢电动势为Ea，则从电动机的工作原理可以知道， 这时Ea与Ia是反向的，即Ea是个反电动势。 若以U、Ea、Ia的实际方向为正方向，则可列出直流电动机的电 动势平衡方程式： U=Ea+IaR+2△Rb目 录 退 出 下 页 上 页式中 R――电枢电路总电阻，R=Ra+Rpa，包括电枢电阻Ra和 与电枢串联的附加电阻Rpa。二、转矩平衡方程式电动机的电磁转矩是个驱动转矩。当电动机以恒定的转速稳相平衡，即 Tem=TZ+TO目 录 退 出 下 页 上 页定运行时，电磁转矩Tem与负载转矩Tz及空载转矩TO可见，电动机轴上的输出转矩Td只是电磁转矩的一部分，它与负载转矩相平衡，即：Td=Tem-TO=TZ当电机转速发生变化时，因为电机转子和被它拖动的生产机械 d? 都具有转动惯量，就会产生一个惯性转矩Tj= J 。根据力学知识，在一个机械系统中，任何瞬间都必须保持转矩平衡，于是电动机的转矩方程式：Tem ? Tz ? T0 ? T jdtd? ? Tz ? T0 ? J dt拖动中也称运 动方程式二、功率平衡方程式 直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1，除去电枢回路的 铜损耗pcua，电刷接触损耗pcua及励磁回路铜耗pcuf，其余部分 便是转变为机械功率的电磁功率Pem，所以直流电动机的电磁 功率Pem也就是电枢所发出的全部机械功率Temω 。 从电的观点来看，由于电动机的电枢电动势是个反电动势，它 与Ia反向，所以EaIa表示电枢所吸收的电功率。因此和发电机 一样，电动机的电磁功率： Pem=Temω =EaIa 电磁功率并不能全部用来输出，它必须补偿机械损耗pΩ 、铁 耗pFe和附加损耗ps，最后剩下的部分才是对外输出的机械功 率P2 Pem=PΩ +PFe+Ps+P2=PO+P2退 出下 页上 页目 录直流电动机的功率平衡方程式：P1=Pcua+Pcub+Pcuf+Pem =Pcua+Pcub+PCuf+PΩ +PFe+Ps+P2直流电动机的功率图退 出下 页上 页=Σ P+P2目 录1.8.3 他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性：指在U=UN、电枢回路的 附加电阻Rpa=0、励磁电流If=IfN时，电动机的转速n、电磁转 矩Tem和效率η 三者与输出功率P2之间的关系，即n、T、η =f （P2）。 实际应用中，由于电枢电流Ia轻易测量，且Ia随P2的增大而增 大，故也有将工作特性表示为n、T、η =f（Ia）的。 试验方法求取工作特性曲线 图中Rst为起动电阻，Rpf为磁场调节电阻。 在U=UN时，调节电动机的负载和励磁电 流，使输出功率为额定功率PN，转速为 额定转速nN，此时的励磁电流即为IfN。 保持U=UN、If=IfN不变，改变电动机的负 载，测得相应的转速n、负载转矩TZ和输 出功率P2，就可画工作特性。 接线图下如图所示退 出下 页上 页目 录工作特性曲线退 出下 页上 页目 录一、转速调整特性Ce ?1）电枢回路的电阻压降IaRa；2）磁通ф 。因为If=IfN=常数，因此磁通仅受电枢反应的影响。当负载增加 时，电枢电流Ia增大，电枢压降IaRa也随之增大，使转速下降； 而电枢反应的去磁作用却使转速上升，这两个因素的相反作用， 结果使电动机的转速变化很小，若IaRa的影响很大，则转速随 负载增大而下降；反之若电枢反应的去磁作用影响大，则转速 将随负载的增大而上升，这是一种不稳定的运行情况。退 出下 页上 页对于一定的电动机，Ce为一常数，则当U=UN时，影响转速的 因素有两个：目 录以Ea=Ceф n代入电动势平衡方程式U=Ea+IaRa，即可得到转速 公式 U N ? I a Ra 对各种励磁方式的电动机都适用 n?电动机从空载到满载转速变化的响度，用空载转速n0与额定 转速nN之差与额定转速的百分比表示，称为电动机的额定转 速调整率△n%。并励电动机的转速调整率很小，只有（2-8）%，基本上可以 认为是一种恒速电动机。退 出nO ? nN ?n% ? ? 100% nN下 页上 页实际上：在设计电动机时，同时考虑了上述两个因素的影响， 而使电动机具有略为下降的转速调整特性。某些并励电动机， 为了使之工作稳定，有时在主极铁心上加上一个匝数很少的串 励绕组，称为稳定绕组（串励磁动势仅占总磁动势的10%），以 补偿电枢反应的去磁作用，但仍然称作并励电动机。目 录二、转矩特性 输出功率P2=TZω ，所以 TZ ?P2 P2 ? 。由此可见，当转速不变 ? 2? n / 60?目 录 退 出 下 页 上 页能量动量张量，TZ=f（P2）为一通过原点的直线。实际上，当P2增加时转速n有所下降，因此TZ=f（P2）的关 系曲线将稍向上弯曲。而电磁转矩Tem=TZ+TO，因此只要在 TZ=f（P2）的曲线上加上空载转矩TO，便可得到Tem=f（P2） 的关系曲线，当P2=0时，TZ=0，这时Tem=TO。 三、效率特性 根据直流电动机的功率平衡方程式和能量图，可得：? ?P ? P2 ? ? ?100% ? ?1 ? ?100% ? P1 ? P1 ? ? PFe ? p? ? pS ? pCuf ? pCua ? pCub ? ? ?1 ? ? ?100% U ? Ia ? I f ? ? ? ? ? 效率特性的分析与发电机相同1.8.4 串励电动机的工作特性串励电动机励磁绕组与电枢串联，故励磁电流If=Ia与负载有关 串励电动机的特点：串励电动机的气隙磁通Ф 将随负载的变化 而变化 他励或并励电动机，若不计电枢反应，可认为Ф 与负载无关目 录 退 出 下 页 上 页串 励 作 电 特 动 性 机 的 工一、转速调整特性 串励电动机当输出功率P2增加时，电枢电流Ia随之增大，电 枢回路的电阻压降也增大，同时因为Ia=If，所以气隙磁通也必 然增大。从转速公式可知，这两个因素均使转速下降。因此转 速n随输出功率的增加而迅速下降。当负载很轻时，因为Ia很小， 磁通Ф 也很小，因此电枢必须以很高的转速旋转，才能产生足 够的电动势Ea与电网电压相平衡。所以串励电动机绝对不允许 在空载或负载很小的情况下起动或运行。 实际应用中，为了防止意外，规定串励电动机与生产机械之间 不准采用带或链条传动，而且在负载转矩不得小于额定转矩的 1/4。 串励电动机不允许空载运行，因此国家标准规定，串励电动 1 机的转速调整率定义为1 式中 n ―― P2 4?1 P 时的转速 N 4n ? nN ?n% ? 4 ?100% nN退 出下 页上 页目 录二、转矩特性 由于串励电动机的转速n随P2的增加而迅速下降，所以轴上的 输出转矩TZ将随P2的增加而迅速增加。也就是说，Tem=f（P2） 的曲线将随P2的增加而很快地向上弯曲，这也可以从串励电动 机If=Ia这一点来说明。 串励电动机常作为牵引电机应用在电力机车上因为Tem=CTФ Ia，当磁路未饱和时Ф ∝Ia，所以Tem∝I2a。当负 载较大时，因磁路饱和，Ф 近似于不变，Tem∝Ia。这就是说， 随着P2、Ia的增大，电磁转矩Tem将以高于电流一次方的比例 增加，这种转矩特性使串励电动机在同样大小的起动电流下 产生的起动转矩较他励电动机大。而当负载增大时，电动机 转速会自动下降，这对于某些生产机械是十分适宜的。退 出下 页上 页目 录三、效率特性 串励电动机的效率特性与他励电动机相仿，需要指出的是， 串励电动机的铁耗不是不变的，而是Ia的增大而增大。此 外因负载增加时转速降低很多，所以机械损耗随负载增加 而减小。退 出若不计附加损耗的话，PO=PFe+PΩ 基本上仍保持不变。而串 励电动机的励磁损耗Pcuf=I2aRf将与Ia的平方成正比，是一 可变损耗， 当PO=PFe+PΩ =I2a（Ra+Rf）时，串励电动机的 效率最高。下 页上 页目 录1.8.5 复励电动机的工作特性复励电动机的工作特性介于他励与串励电动机之间。目 录 退 出 下 页 上 页如果并励绕组的磁动势起主要作用，工作特性就接近于他励 （或并励）电动机和他励电动机相比，复励电动机有如下优点： 1）当负载转矩突然增大时，由于串励绕组中的电流加大， 磁通Ф 增大，促使电磁转矩很快增大，这就使电动机能迅速 适应负载的变化。 2）由于串励绕组的存在，即使当电枢反应的去磁作用较强 时，仍能使电动机具有下降的转速调整特性，从而保证电动 机能稳定运行。如果是串励绕组磁动势起主要作用，工作特性就接近于串励 电动机这时有并励磁动势存在，电动机空载时不会有发生高速的危险差复励电动机因为在运行中有可能发生运行不稳定的现象，极 少采用 下图表示不同励磁方式的转速调整特性目 录并励为主复励电动机串励为主复励电动机并励电动机 差复励电动机退 出下 页串励电动机上 页1.8.6 电动机的适用范围退 出串励电动用于要求很大的起动转矩、转速允许有较大变化的 负载，如各种类型的电车、起锚机等。下 页复励电动机则用于要求起动转矩较大、转速变化不大的负载， 如空气压缩机等。上 页一般他励或并励电动机适用于起动转矩稍大的恒定负载和要 求调整的传动系统，如离心泵、金属切削机床。目 录根据不同励磁方式，直流电动机的工作特性不同
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