直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行分析

第二章直流電機(jī)的?基本結(jié)構(gòu)和?運(yùn)行分析直流電機(jī)是?電能和機(jī)械?能相互轉(zhuǎn)換?的旋轉(zhuǎn)電機(jī)?之一。將機(jī)械能轉(zhuǎn)?換為直流電?能的電機(jī)稱?為直流發(fā)電?機(jī)；將直流電能?轉(zhuǎn)換為機(jī)械?能的電機(jī)稱?為直流電動(dòng)?機(jī)。直流發(fā)電機(jī)?可作為各種?直流電源；直流電動(dòng)機(jī)?具有寬廣的?調(diào)速范圍，較強(qiáng)的過(guò)載?能力和較大?的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于?對(duì)起動(dòng)和調(diào)?速要求較高?的生產(chǎn)機(jī)械?，如電力機(jī)車?、內(nèi)燃機(jī)車、工礦機(jī)車、城市電車、電梯、軋鋼機(jī)等的?拖動(dòng)電機(jī)。本章介紹直?流電機(jī)的工?作原理和基?本結(jié)構(gòu)；分析直流電?機(jī)的磁路系?統(tǒng)、電路系統(tǒng)和?電磁過(guò)程；導(dǎo)出感應(yīng)電?勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)?矩的一般計(jì)?算方法；得出直流電?機(jī)在不同運(yùn)?行狀態(tài)的各?種平衡方程?式和運(yùn)行特?性。第一節(jié)直流電機(jī)基?本工作原理?直流電機(jī)是?直流發(fā)電機(jī)?和直流電動(dòng)?機(jī)的總稱。直流電機(jī)具?有可逆性，既可作直流?發(fā)電機(jī)使用?，也可作直流?電動(dòng)機(jī)使用?。作直流發(fā)電?機(jī)使用時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)?換成直流電?能輸出；作直流電動(dòng)?機(jī)使用時(shí)，則將直流電?能轉(zhuǎn)換成機(jī)?械能輸出。一、直流電機(jī)的?模型結(jié)構(gòu)圖2—1所示為一?臺(tái)直流電機(jī)?簡(jiǎn)單模型圖?。N、S為定子上?固定不動(dòng)的?兩個(gè)主磁極?，主磁極可以?采用永久磁?鐵，也可以采用?電磁鐵，在電磁鐵的?勵(lì)磁線圈上?通以方向不?變的直流電?流，便形成一定?極性的磁極?。圖2-1直流發(fā)電機(jī)?工作原理在兩個(gè)主磁?極N、S之間裝有?一個(gè)可以轉(zhuǎn)?動(dòng)的、由鐵磁材料?制成的圓柱?體，圓柱體表面?嵌有一線圈?（稱為電樞繞?組），線圈首末兩?端分別連接?到兩個(gè)弧形?鋼片（稱為換向片?）上。換向片之間?用絕緣材料?構(gòu)成一整體?，稱為換向器?，它固定在轉(zhuǎn)?軸上（但與轉(zhuǎn)軸絕?緣），隨轉(zhuǎn)軸一起?轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部?分稱為電樞?。為了接通電?樞內(nèi)電路和?外電路，在定子上裝?有兩個(gè)固定?不動(dòng)的電刷?A和B，并壓在換向?器上，與其滑動(dòng)接?觸。二、直流發(fā)電機(jī)?的工作原理?1.感應(yīng)電勢(shì)的?產(chǎn)生當(dāng)直流發(fā)電?機(jī)的電樞被?原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)?，并以恒速ｖ?逆時(shí)針?lè)较?旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖2－2(a)所示，線圈兩個(gè)有?效邊ab和?cd將切割?磁力線，而感應(yīng)產(chǎn)生?電勢(shì)ｅ。其方向用右?手定則確定?，導(dǎo)體ab位?于N極下，導(dǎo)體cd位?于S極下，產(chǎn)生電勢(shì)方?向分別為b?→a，d→c。若接通外電?路，電流從換向?片1→A→負(fù)載→B→換向片2。電流從電刷?A流出，具有正極性?，用“＋”表示；從電刷B流?入，具有負(fù)極性?，用“一”表示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到?90o時(shí)，線圈有效邊?ab和cd?轉(zhuǎn)到N、S極之間的?幾何中心線?上，此處磁密為?零，故這一瞬時(shí)?感應(yīng)電勢(shì)為?零。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到?180o時(shí)?，導(dǎo)體ab和?cd及換向?片1、2位置互換?，如圖2-1(b)所示。導(dǎo)體加位于?S極下，導(dǎo)體cd位?于Ｎ極下，線圈兩個(gè)有?效邊產(chǎn)生的?感應(yīng)電勢(shì)方?向分別為a?→b，c→d，電勢(shì)方向恰?與開始瞬時(shí)?相反。外電路中流?過(guò)的電流從?換向片2→A→負(fù)載→B→換向片1。由此可見(jiàn)，電刷A(B)始終與轉(zhuǎn)到?N(S)極下的有效?邊所連接的?換向片接觸?，故電刷極性?始終不變A?為“＋”，B為“―”。由以上分析?可知，線圈內(nèi)部為?一交變電勢(shì)?，但電刷引出?的電勢(shì)方向?始終不變，為一單方向?的直流電勢(shì)?。2.電勢(shì)的波形?根據(jù)電磁感?應(yīng)定律，每根導(dǎo)體產(chǎn)?生的感應(yīng)電?勢(shì)ｅ為：

（V）（2-1）式中——導(dǎo)體所在位?置的磁通密?度（T）；L——導(dǎo)體切割磁?力線的有效?長(zhǎng)度（ｍ）；v——導(dǎo)體切割磁?力線的線速?度（ｍ/ｓ）。要想知道電?勢(shì)的波形，先得找出磁?密的波形，前已設(shè)電樞?以恒速v旋?轉(zhuǎn)，v=常數(shù)，L在電機(jī)中?不變，則，即導(dǎo)體電勢(shì)?隨時(shí)間的變?化規(guī)律與氣?隙磁密的分?布規(guī)律相同?。設(shè)想將電樞?從外圓某一?點(diǎn)沿軸切開?，把圓周拉成?一直線作為?橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示?磁密，而繪出的幾?分布曲線如?圖2-2所示，為一梯形波?。由于，電勢(shì)波形與?磁密波形可?用同一曲線?表示，只需換一坐?標(biāo)即可得到?線圈內(nèi)部交?變電勢(shì)波形?，如圖2-2所示。通過(guò)電刷和?換向器的作?用，及時(shí)地將線?圈內(nèi)的交變?電勢(shì)轉(zhuǎn)換成?電刷兩端單?方向的直流?電勢(shì)，如圖2-3所示，但它是一個(gè)?大小在零和?最大值之間?變化的脈振?電勢(shì)。對(duì)于圖2-1所示的直?流電機(jī)簡(jiǎn)單?模型圖，由于電樞上?只嵌放了一?個(gè)線圈，所以感應(yīng)電?勢(shì)數(shù)值小，波動(dòng)大。為了減小電?勢(shì)的脈動(dòng)，實(shí)際電機(jī)中?，電樞上放置?許多線圈組?成電樞繞組?，這些線圈均?勻分布在電?樞表面，并按一定規(guī)?律連接起來(lái)?。圖2-4表示一臺(tái)?兩極直流電?機(jī)，電樞上嵌有?在空間互差?90o的兩?個(gè)線圈產(chǎn)生?的電勢(shì)波形?，由圖可見(jiàn)，其脈動(dòng)程度?大大減小了?。實(shí)踐證明，若每極下的?線圈邊數(shù)大?于8，電勢(shì)脈動(dòng)的?幅值將小于?1%，基本是一直?流電勢(shì)，如圖1-5所示。圖2-2線圈內(nèi)電勢(shì)?波形圖2-3電刷兩端的?電勢(shì)波形圖2-4兩個(gè)線圈換?向后的電勢(shì)?波形圖2-5多個(gè)線圈電?刷兩端的電?勢(shì)波形3.直流發(fā)電機(jī)?產(chǎn)生的電磁?轉(zhuǎn)矩當(dāng)直流發(fā)電?機(jī)電刷兩端?獲得直流電?勢(shì)后，若接上負(fù)載?，便有一電流?流過(guò)線圈，電流i與電?勢(shì)ｅ的方向?相同。同時(shí)，載流導(dǎo)體在?磁場(chǎng)中必然?產(chǎn)生一電磁?力f，其方向用左?手定則確定?。電磁力對(duì)轉(zhuǎn)?軸形成一電?磁轉(zhuǎn)矩T，T與電樞旋?轉(zhuǎn)的方向相?反，起到了阻礙?作用，故稱為阻轉(zhuǎn)?矩。直流電機(jī)要?維持發(fā)電狀?態(tài)，原動(dòng)機(jī)就必?須輸入機(jī)械?能克服電磁?轉(zhuǎn)矩T，正是這種不?斷的克服，實(shí)現(xiàn)了將機(jī)?械能轉(zhuǎn)換成?為電能。三、直流電動(dòng)機(jī)?的工作原理?圖2-6所示為兩?極直流電動(dòng)?機(jī)工作原理?圖。直流電動(dòng)機(jī)?結(jié)構(gòu)與直流?發(fā)電機(jī)相同?，不同的是電?刷A、B外接一直?流電源。圖示瞬時(shí)電?流的流向?yàn)?＋→A換向片→1→a→b→c→d→換向片2→B→－。根據(jù)電磁力?定律，載流導(dǎo)體a?b、cd都將受?到電磁力f?的作用，其大小為：（N）（2-2）式中i——導(dǎo)體中流過(guò)?的電流（A）。圖2-6直流電動(dòng)機(jī)?工作原理圖?導(dǎo)體所受電?磁力的方向?用左手定則?確定，在此瞬時(shí)，ab位于N?極下，受力方向從?右向左，cd位于S?極下，受力方向從?左向右，電磁力對(duì)轉(zhuǎn)?軸便形成一?電磁轉(zhuǎn)矩T?。在T的作用?下，電樞逆時(shí)針?旋轉(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到?90°，電刷不與換?向片接觸，而與換向片?間的絕緣片?相接觸，此時(shí)線圈中?沒(méi)有電流流?過(guò)，i=0，故電磁轉(zhuǎn)矩?T=0。但由于機(jī)械?慣性的作用?，電樞仍能轉(zhuǎn)?過(guò)一個(gè)角度?，電刷A、B又將分別?與換向片2?、1接觸。線圈中又有?電流i流過(guò)?，此時(shí)，導(dǎo)體ab、cd中電流?改變了方向?，即為b→a，d→c，，且導(dǎo)體ab?轉(zhuǎn)到S極下?，ab所受的?電磁力f方?向從左向右?，cd轉(zhuǎn)到N?極下，cd所受的?電磁力方向?從右向左。因此，線圈仍然受?到逆時(shí)針?lè)?向電磁轉(zhuǎn)矩?的作用，電樞始終保?持同一方向?旋轉(zhuǎn)。在直流電動(dòng)?機(jī)中，電刷兩端雖?然加的是直?流電源，但在電刷和?換向器的作?用下，線圈內(nèi)部卻?變成了交流?電，從而產(chǎn)生了?單方向的電?磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)持?續(xù)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的線圈?中也將感應(yīng)?產(chǎn)生電勢(shì)e?，其方向與線?圈中電流方?向相反，故稱為反電?勢(shì)。直流電動(dòng)機(jī)?若要維持繼?續(xù)旋轉(zhuǎn)，外加電壓就?必須高于反?電勢(shì)，才能不斷地?克服反電勢(shì)?而流人電流?，正是這種不?斷克服，實(shí)現(xiàn)了將電?能轉(zhuǎn)換成為?機(jī)械能。由此可見(jiàn)，直流電機(jī)具?有可逆性，即一臺(tái)直流?電機(jī)既可作?發(fā)電機(jī)運(yùn)行?，也可作電動(dòng)?機(jī)運(yùn)行。當(dāng)輸入機(jī)械?轉(zhuǎn)矩將機(jī)械?能轉(zhuǎn)換成電?能時(shí)，電機(jī)作發(fā)電?機(jī)運(yùn)行；當(dāng)輸入直流?電流產(chǎn)生電?磁轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)換?成機(jī)械能時(shí)?，電機(jī)作電動(dòng)?機(jī)運(yùn)行。例如電力機(jī)?車在牽引工?況時(shí)，牽引電機(jī)作?電動(dòng)機(jī)運(yùn)行?，產(chǎn)生牽引力?；在制動(dòng)工況?時(shí)，牽引電機(jī)作?發(fā)電機(jī)運(yùn)行?，將機(jī)車和列?車的動(dòng)能轉(zhuǎn)?換成電能，產(chǎn)生制動(dòng)力?對(duì)機(jī)車進(jìn)行?電氣制動(dòng)。第二節(jié)直流電機(jī)的?基本結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的?基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由?靜止的定子?和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)?子兩大部分?組成，在定子和轉(zhuǎn)?子之間有一?定大小的間?隙(稱氣隙)，如圖2-7所示。圖2-7直流電機(jī)結(jié)?構(gòu)圖1-直流電機(jī)總?成；2-后端蓋；3-通風(fēng)機(jī)；4-定子總成；5-轉(zhuǎn)子（電樞）總成；6-電刷裝置；7-前端蓋1.定子直流電機(jī)定?子的作用是?產(chǎn)生磁場(chǎng)和?作為電機(jī)的?機(jī)械支撐。主要由機(jī)座?、主磁極、換向極和電?刷裝置等組?成。（1）機(jī)座機(jī)座兼起機(jī)?械支撐和導(dǎo)?磁磁路兩個(gè)?作用。它既用來(lái)作?為安裝電機(jī)?所有零件的?外殼，又是聯(lián)系各?磁極的導(dǎo)磁?鐵軛。機(jī)座通常為?鑄鋼件，也有采用鋼?板焊接而成?的。（2）主磁極主磁極是一?個(gè)電磁鐵，如圖2-8所示，由主極鐵心?和主極線圈?兩部分組成?。主極鐵心一?般用1-1.5mm厚的?薄鋼板沖片?疊壓后再用?鉚釘鉚緊成?一個(gè)整體。小型電機(jī)的?主極線圈用?絕緣銅線（或鋁線）繞制而成，大中型電機(jī)?主極線圈用?扁銅線繞制?，并進(jìn)行絕緣?處理，然后套在主?極鐵心外面?。整個(gè)主磁極?用螺釘固定?在機(jī)座內(nèi)壁?。圖2-8主磁極1-機(jī)座；2-主極螺釘；3-主極鐵心；4-框架；5-主極繞組；6-絕緣墊襯（3）換向極換向極又稱?為附加極，它裝在兩個(gè)?主極之間，用來(lái)改善直?流電機(jī)的換?向。換向極由換?向極鐵心和?換向極線圈?構(gòu)成。換向極鐵心?大多用整塊?鋼加工而成?。但在整流電?源供電的功?率較大電機(jī)?中，為了更好地?改善電機(jī)換?向，換向極鐵心?也采用疊片?結(jié)構(gòu)。換向極線圈?與主極線圈?一樣也是用?圓銅線或扁?銅線繞制而?成，經(jīng)絕緣處理?后套在換向?極鐵心上，最后用螺釘?將換向極固?定在機(jī)座內(nèi)?壁。（4）電刷裝置電刷裝置的?作用是通過(guò)?電刷與換向?器表面的滑?動(dòng)接觸，把轉(zhuǎn)動(dòng)的電?樞繞組與外?電路相連。電刷裝置一?般由電刷、刷握、刷桿、刷桿座等部?分組成，如圖2-9所示。電刷一般用?石墨粉壓制?而成。電刷放在刷?握內(nèi)，用彈簧壓緊?在換向器上?，刷握固定在?刷桿上，刷桿裝在刷?桿座上，成為一個(gè)整?體部件。圖2-9電刷裝置1-刷桿座；2-彈簧；3-刷桿；4-電刷；5-刷握；6-絕緣桿2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子又稱電?樞，主要由轉(zhuǎn)軸?、電樞鐵心、電樞繞組和?換向器等組?成。（1）轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸的作用?是用來(lái)傳遞?轉(zhuǎn)矩，一般用合金?鋼鍛壓而成?。（2）電樞鐵心電樞鐵心是?電機(jī)磁路的?一部分，也是承受電?磁力作用的?部件。當(dāng)電樞在磁?場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)?，在電樞鐵心?中將產(chǎn)生渦?流和磁滯損?耗，為了減小這?些損耗的影?響，電樞鐵心通?常用0.5mm厚的?電工鋼片迭?壓而成，電樞鐵心固?定在轉(zhuǎn)子支?架或轉(zhuǎn)軸上?。電樞鐵心沖?片如圖2-10所示，沿鐵心外圈?均勻地分布?有槽，在槽內(nèi)嵌放?電樞繞組。圖2-10電樞鐵心沖?片和鐵心1-電樞鐵心；2-換向器；3-繞組元件；4-鐵心沖片（3）電樞繞組電樞繞組的?作用是產(chǎn)生?感應(yīng)電勢(shì)和?通過(guò)電流產(chǎn)?生電磁轉(zhuǎn)矩?，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能?量轉(zhuǎn)換。它是直流電?機(jī)的主要電?路部分。電樞繞組通?常都用圓形?或矩形截面?的導(dǎo)線繞制?而成，再按一定規(guī)?律嵌放在電?樞槽內(nèi)，上下層之間?以及電樞繞?組與鐵心之?間都要妥善?地絕緣。為了防止離?心力將繞組?甩出槽外，槽口處需用?槽楔將繞組?壓緊，伸出槽外的?繞組端接部?分用無(wú)緯玻?璃絲帶綁緊?。繞組端頭則?按一定規(guī)律?嵌放在換向?器鋼片的升?高片槽內(nèi)，并用錫焊或?氬弧焊焊牢?。（4）換向器換向器的作?里是機(jī)械整?流，即在直流電?動(dòng)機(jī)中，它將外加的?直流電流逆?變成繞組內(nèi)?的交流電流?；在直流發(fā)電?機(jī)中，它將繞組內(nèi)?的交流電勢(shì)?整流成電刷?兩端的直流?電勢(shì)。換向器的結(jié)?構(gòu)如圖2-11所示。換向器由許?多換向片組?成，換向片間用?云母片絕緣?。換向片凸起?的一端稱升?高片，用以與電樞?繞組端頭相?連，換向片下部?作成燕尾形?，利用換向器?套筒、V形壓圈及?螺旋壓圈將?換向片、云母片緊固?成一個(gè)整體?。在換向片與?換向器套筒?、壓圈之間用?V形云母環(huán)?絕緣，最后將換向?器壓裝在轉(zhuǎn)?軸上。圖2-11換向器1-螺旋壓圈；2-換向器套筒?；3-V形壓圈；4-V形云母環(huán)?；5-換向銅片；6-云母片。二、直流電機(jī)的?額定值每一臺(tái)電機(jī)?都有一塊銘?牌，上面標(biāo)注各?種額定數(shù)據(jù)?，簡(jiǎn)要介紹這?臺(tái)電機(jī)的型?號(hào)、規(guī)格、性能，是用戶合理?選擇和正確?使用電機(jī)的?依據(jù)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)?準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)?和試驗(yàn)所得?的一組反映?電機(jī)性能的?主要數(shù)據(jù)，稱為電機(jī)的?額定值。1.額定功率額定功率指?電機(jī)按規(guī)定?的工作方式?運(yùn)行時(shí)，所能提供的?輸出功率。作為發(fā)電機(jī)?額定功率是?指接線端子?處的輸出功?率；作為電動(dòng)機(jī)?額定功率是?指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)?軸的有效機(jī)?械功率。單位為千瓦?（kw）。額定功率、額定電壓和?額定電流的?關(guān)系為：發(fā)電機(jī)（2-3）電動(dòng)機(jī)（2-4）式中ηN——額定效率。2.額定電壓額定電壓指?在額定輸出?時(shí)電機(jī)接線?端子間的電?壓。單位為伏（V）。3.額定電流額定電流指?電機(jī)按照規(guī)?定的工作方?式運(yùn)行時(shí)，電機(jī)繞組允?許流過(guò)的最?大安全電流?。單位為安（A）。4.額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速指?電機(jī)在額定?電壓、額定電流和?額定輸出功?率時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)?速度。單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）。此外，還有工作方?式、勵(lì)磁方式、額定勵(lì)磁電?壓、額定溫升、額定效率等?。額定值是選?用或使用電?機(jī)的主要依?據(jù)，一般希望電?機(jī)按額定值?運(yùn)行。但實(shí)際上，電機(jī)運(yùn)行時(shí)?的各種數(shù)據(jù)?可能與額定?值不同，它們由負(fù)載?的大小來(lái)確?定。若電機(jī)的電?流正好等于?額定值，稱為滿載運(yùn)?行；若電機(jī)的電?流超過(guò)額定?值，稱為過(guò)載運(yùn)?行；若比額定值?小得多，稱為輕載運(yùn)?行。長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)?行將使電機(jī)?過(guò)熱，降低電機(jī)壽?命甚至損壞?；長(zhǎng)期輕載運(yùn)?行使電機(jī)的?容量不能充?分利用。兩種情況都?將降低電機(jī)?的效率，都是不經(jīng)濟(jì)?的。故在選擇電?機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載?的要求，盡可能使電?機(jī)運(yùn)行在額?定值附近。第三節(jié)直流電機(jī)的?電樞繞組（*）電樞繞組是?實(shí)現(xiàn)電能和?機(jī)械能相互?轉(zhuǎn)換的樞紐?，為直流電機(jī)?重要部件之?一，繞組的型式?與電機(jī)的性?能、壽命和效率?有很大的關(guān)?系。研究直流電?機(jī)電樞繞組?，主要是找出?繞組元件相?互之間和元?件與換向器?角司的連接?規(guī)律。不同類型的?電樞繞組，具有不同的?連接規(guī)律。直流電機(jī)的?電樞繞組分?為單疊繞組?、復(fù)疊繞組、單波繞組、復(fù)波繞組等?幾種類型。本節(jié)僅討論?應(yīng)用較廣泛?又具有代表?性的單疊和?單波繞組。一、電樞繞組概?述1.對(duì)電樞繞組?的要求電樞繞組是?由許多形狀?相同的線圈?，按一定規(guī)律?連接起來(lái)的?總稱。對(duì)于電樞繞?組，要求一定的?導(dǎo)體數(shù)，應(yīng)能產(chǎn)生較?大的電勢(shì)；通過(guò)一定大?小的電流能?產(chǎn)生足夠大?的電磁轉(zhuǎn)矩?。同時(shí)，應(yīng)盡量節(jié)省?有色金屬和?絕緣材料。并要求結(jié)構(gòu)?簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可?靠。2.繞組元件繞組元件是?用絕緣銅導(dǎo)?線繞制成的?線圈，這些線圈是?組成電樞繞?組的基本單?元，故稱為繞組?元件。一個(gè)元件有?兩個(gè)有效邊?，其中一個(gè)有?效邊嵌放在?某個(gè)槽的上?層（稱為上元件?邊），另一個(gè)有效?邊嵌放在另?一個(gè)槽的下?層（稱為下元件?邊），元件的首末?端分別接于?兩個(gè)換向片?上，如圖2-12所示。元件在鐵心?槽內(nèi)的部分?稱為有效部?分，槽外兩端僅?起連接作用?，稱為端接部?分。圖2-12線圈與換向?器3.元件數(shù)S、換向片數(shù)K?、虛槽數(shù)Zｕ?之間的關(guān)系?每個(gè)元件均?有首末兩端?，而每個(gè)換向?片總是焊接?著一個(gè)元件?的末端和另?一個(gè)元件的?首端．因此，元件數(shù)與換?向片數(shù)相等?，即：S＝K（2-5）若每一個(gè)實(shí)?槽內(nèi)嵌放上?、下兩個(gè)有效?邊，則稱為一個(gè)?單元槽或一?個(gè)虛槽。但有些電機(jī)?，一個(gè)實(shí)槽內(nèi)?上、下層常并列?嵌放多個(gè)元?件邊，如圖2-13所示。這時(shí)，電樞總的虛?槽數(shù)為：（2-6）式中Z——電樞鐵心實(shí)?槽數(shù)，ｕ——一個(gè)實(shí)槽內(nèi)?所包含的虛?槽數(shù)。圖2-13實(shí)槽與虛槽?(a)u=1;(b)u=2;(c)u=3于是，可得S、K、Zｕ的關(guān)系?為：S＝K＝（2-7）4.極距。電樞表面圓?周上相鄰兩?主磁極之間?的距離，以長(zhǎng)度表示?為：τ=πDa/2p(2-8)以虛槽表示?為：τ=Zu/2p（2-9）式中Da——電樞外徑；p——主磁極對(duì)數(shù)?。5.繞組的形式?和節(jié)距（1）繞組的基本?形式直流電機(jī)的?電樞繞組最?基本的有單?疊繞組和單?波繞組兩大?類，圖2-14所示為?單疊繞組的?連接規(guī)律示?意圖了由圖?可見(jiàn)，單疊繞組的?相鄰繞組元?件在電樞表?面僅差一個(gè)?槽，單個(gè)繞組元?件的首端和?末端之間相?鄰一個(gè)換向?片。例如圖中第?一繞組元件?從N極出發(fā)?，繞到相鄰的?S極，通過(guò)換向器?與N極下的?第二繞組元?件串聯(lián)，直到所有的?繞組元件都?串聯(lián)起來(lái)為?止。圖2-14單疊繞組連?接規(guī)律示意?圖圖2-15所示為?單波繞組的?連接規(guī)律示?意圖。由圖可見(jiàn)，單波繞組的?相鄰繞組元?件相隔約為?二個(gè)極距，第二繞組元?件與第一繞?組元件處在?相同極性的?兩個(gè)磁極下?，單個(gè)繞組元?件的首端與?末端相隔約?為兩個(gè)極距?。若電機(jī)有p?對(duì)磁極，則連接p個(gè)?元件后才回?到出發(fā)元件?的鄰近，并相隔一個(gè)?槽，以便第二周?繼續(xù)繞下去?，直到所有的?繞組元件都?串聯(lián)起來(lái)為?止。（2）繞組的節(jié)距?各種繞組在?電樞和換向?器上的連接?規(guī)律，由繞組的節(jié)?距來(lái)確定。直流電機(jī)的?節(jié)距有線圈?節(jié)距（又稱第一節(jié)?距）ｙ1，合成節(jié)距ｙ?，換向器節(jié)距?ｙk和后節(jié)?距（又稱第二節(jié)?距）ｙ2。①線圈節(jié)距ｙ?1圖2-15單波繞組連?接規(guī)律示意?圖線圈節(jié)距ｙ?1是指同元?件兩有效邊?在電樞表面?所跨過(guò)的距?離（見(jiàn)圖2-14），一般以虛槽?數(shù)表示。ｙ1=Zu/2p+=整數(shù)（2-10）式中，是用來(lái)把ｙ?1湊成整數(shù)?的一個(gè)小數(shù)?。當(dāng)=0時(shí)，ｙ1=τ，為整距繞組?；當(dāng)∈取“一”號(hào)時(shí)，ｙ1＜τ，為短距繞組?；當(dāng)取“＋”號(hào)時(shí)，ｙ1＞τ，為長(zhǎng)距繞組?。整距繞組可?獲得最大感?應(yīng)電勢(shì)，短距和長(zhǎng)距?繞組感應(yīng)電?勢(shì)略小。由于短距繞?組比長(zhǎng)距繞?組能節(jié)省端?部材料，同時(shí)短距繞?組對(duì)換向有?利，所以一般采?用短距繞組?。②合成節(jié)距ｙ?合成節(jié)距ｙ?是指相連接?的兩個(gè)繞組?元件的對(duì)應(yīng)?邊在電樞表?面所跨過(guò)的?距離（見(jiàn)圖2-14）。③換向器節(jié)距?ｙｋ換向器節(jié)距?ｙｋ是指同?一個(gè)繞組元?件首末端所?連接兩換向?片之間在換?向器表面所?跨過(guò)的距離?（見(jiàn)圖2-14）。以換向片數(shù)?表示：ｙk＝ｙ（2-11）④后節(jié)距ｙ2?后節(jié)距ｙ2?是指相串聯(lián)?的兩元件中?，第一元件的?下層有效邊?與所連接的?第二元件的?上層有效邊?之間在電樞?表面所跨過(guò)?的距離（見(jiàn)圖2-14）。其值取決于?ｙ1和ｙ，并與繞組的?類型有關(guān)。單疊繞組ｙ2＝ｙ1－ｙ（2-12）單波繞組ｙ2＝ｙ－ｙ1（2-13）二、單疊繞組單疊繞組的?同一元件首?末兩端分別?與相鄰兩換?向片相接，第一只元件?的末端與第?二只元件的?首端接在同?一換向片上?。兩只相互串?聯(lián)的元件總?是后一只緊?疊在前一只?上面，故稱為疊繞?組。其特征為：（2-14）式中，取“＋”為右行繞組?，取“一”為左行繞組?，左行繞組端?部交叉，一般不予采?用。為進(jìn)一步分?析單疊繞組?的連接方法?和特點(diǎn)，現(xiàn)以Z＝S＝K＝16，2P＝4為例，繞制一單疊?右行繞組。1.計(jì)算節(jié)距，為整距繞組?；，為單疊右行?繞組；2.繞組展開圖?根據(jù)求得的?各種節(jié)距，可畫出繞組?展開圖。先將電樞表?面展開成平?面，并將電樞槽?。電樞元件及?換向片編號(hào)?。其中元件及?換向片號(hào)與?其上層邊所?在槽號(hào)相同?，電樞槽號(hào)和?換向片號(hào)之?間的相對(duì)位?置，用如下方法?確定：為了使元件?的端接對(duì)稱?，應(yīng)使每一元?件所接的兩?個(gè)換向片的?分界線與其?軸線重合。圖2-16所示為?單疊右行繞?組展開圖，圖中元件上?層邊畫成實(shí)?線，下層邊畫成?虛線。第一元件的?首端接在換?向片1上，它的一邊放?在1號(hào)槽的?上層，另一邊放在?5號(hào)槽的下?層（ｙ1＝4），末端接在換?向片2上（ｙk＝1）；第二元件的?首端接到換?向片2上，它的一邊放?在2號(hào)槽的?上層，另一邊放在?6號(hào)槽的下?層，末端接到換?向片3上；依次連接第?三，四等，直到第十六?元件。第十六元件?的末端又接?到換向片1?上，組成一個(gè)閉?合回路。圖2-16單疊繞組展?開圖3.主極位置為了確定電?樞繞組中感?應(yīng)電勢(shì)的方?向，需假定電樞?的轉(zhuǎn)向，同時(shí)畫出主?極的位置和?極性。電機(jī)主極在?圓周上是對(duì)?稱均勻分布?的，極靴寬度一?般為0.6-0.7τ。在展開圖上?對(duì)稱均勻劃?分極距，并在每極距?內(nèi)畫上磁極?并假設(shè)極性?別極表示磁?力線方向進(jìn)?入紙面，S極表示磁?力線方向離?開紙面。根據(jù)右手定?則，可以確定各?導(dǎo)體中感應(yīng)?電勢(shì)的方向?，用元件邊上?的箭頭表示?，在N極下的?元件邊中電?勢(shì)方向均向?下；在S極下元?件邊中的電?勢(shì)方向均向?上。由于幾何中?心線處的磁?密為零，故此處元件?邊中電勢(shì)為?零，即1、5、9、13號(hào)元件中電?勢(shì)為零。因此，電樞電勢(shì)的?分界線是磁?場(chǎng)的分界線?。4.電刷位置和?極性電刷在換向?器上的位置?是根據(jù)空載?時(shí)在正負(fù)電?刷之間能獲?得最大電勢(shì)?這一原則來(lái)?確定的。為了獲得最?大電勢(shì)，電刷應(yīng)與電?勢(shì)為零的電?樞元件所連?接的換向片?相接觸。電勢(shì)為零的?元件所處的?位置，用下述方法?判斷：若是整距繞?組（ｙ1=τ），如圖2-17(a)所示，當(dāng)兩元件邊?位于幾何中?心線時(shí)，元件電勢(shì)為?零，此時(shí)，元件軸線與?主極軸線重?合。如果是短距?繞組（ｙ1＜τ＝，如圖2-17(b)所示，當(dāng)元件軸線?與主極軸線?重合時(shí)，兩元件邊不?在幾何中心?線上，而處在同一?極性下左右?對(duì)稱，此時(shí)，兩元件邊電?勢(shì)大小和方?向都相同，互相抵消，元件電勢(shì)也?為零。由此可見(jiàn)，只要元件的?軸線與主極?軸線重合，感應(yīng)電勢(shì)即?為零。此時(shí)，元件所接的?兩個(gè)換向片?的分界線與?主極軸線重?合，所以電刷必?須放在主極?軸線下的換?向片上。對(duì)應(yīng)一個(gè)主?極，便可放置一?組電刷。本例中2ｐ?=4，則應(yīng)有四組?電刷。電刷的寬度?通常等于換?向片寬度的?1.5-3倍。在分析電機(jī)?電樞繞組時(shí)?，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)?，電刷只畫成?一個(gè)換向片?寬。圖2-17電刷放置法?(a)整距繞組；(b)短距繞組電刷的極性?由線圈內(nèi)電?勢(shì)的方向來(lái)?確定，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)向?和主極極性?一定時(shí)，通過(guò)換向片?跨接在任何?兩相鄰電刷?間的元件中?電勢(shì)方向是?一定的，因此電刷的?極性固定不?變。圖2-18中A電?刷為正，B電刷為負(fù)?。電機(jī)中將同?極性電刷相?連后引出正?負(fù)兩接線端?。圖2-18電刷極性5.并聯(lián)支路數(shù)?將圖2-16中的元?件依次連接?，可得單疊繞?組的瞬間電?路圖，如圖2-19所示。由圖可見(jiàn)，有4條支路?并聯(lián)于正負(fù)?電刷之間。每一支路都?是由上層邊?處在同一主?極下的元件?串聯(lián)而成，一個(gè)主極對(duì)?應(yīng)一條支路?，則單疊繞組?的并聯(lián)支路?數(shù)恒等于電?機(jī)的主極數(shù)?。所以支路對(duì)?數(shù)ａ等于主?極對(duì)數(shù)ｐ，即：ａ=p（2-15）圖2-19單疊繞組的?瞬間電路圖?電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)?，各元件的位?置隨著移動(dòng)?，構(gòu)成各支路?的元件在交?替更換，由于電刷位?置是固定的?，所以組成一?條支路的元?件數(shù)不變，感應(yīng)電勢(shì)大?小不變，從電刷外面?看繞組時(shí)，永遠(yuǎn)是一個(gè)?具有2ａ條?并聯(lián)支路的?電路。電刷兩端接?通負(fù)載或電?源時(shí)，產(chǎn)生電樞電?流，由于電刷兩?側(cè)的感應(yīng)電?勢(shì)方向相反?。則電刷兩側(cè)?的電流方向?相反，所以電樞電?流的分界線?是電刷。單疊繞組的?電樞電勢(shì)E?a等于一條?支路的電勢(shì)?，電樞電流入?等于各支路?電流ia之?和，即：Ｉa＝2a·ia（2-16）6.單疊繞組的?均壓線在多極（2p＞2）電機(jī)的單疊?繞組中，各支路的元?件邊處在不?同的磁極下?．如果各極下?的氣隙、磁通量都相?等，電機(jī)運(yùn)行正?常，這是理想的?情況。但實(shí)際上由?于磁性材料?不均勻，磁路的磁阻?可能有所不?同；或者由于制?造上的偏差?（如鑄件中的?氣孔，安裝時(shí)的誤?差）；或者由于運(yùn)?行造成的原?因（如軸承磨損?使氣隙不均?勻）等都會(huì)導(dǎo)致?各極磁通量?不相等。因此即使繞?組排列的完?全對(duì)稱（繞組每對(duì)支?路中的對(duì)應(yīng)?元件在磁場(chǎng)?中所處的位?置相同），也會(huì)使各支?路中感應(yīng)電?勢(shì)有所不同?，從而在繞組?中引起環(huán)流?。該環(huán)流的數(shù)?值僅受支路?電阻和接觸?電阻的限制?，而這些電阻?值都很小，所以較小的?電勢(shì)不平衡?就會(huì)產(chǎn)生相?當(dāng)大的環(huán)流?。當(dāng)電樞帶負(fù)?載后，各并聯(lián)支路?的電流也將?嚴(yán)重地不對(duì)?稱。環(huán)流的存在?使電機(jī)損耗?加大，更重要的是?環(huán)流加重了?某些電刷的?負(fù)載，惡化了換向?條件，很容易在電?刷下發(fā)生危?害電機(jī)運(yùn)行?的火花。為了在一定?程度上消除?環(huán)流的不良?影響，可將電樞繞?組中理論上?電位相等的?點(diǎn)用均壓線?連接起來(lái)，如圖2-20所示。實(shí)際電機(jī)的?均壓線（a－b）是連接在對(duì)?應(yīng)的換向片?上，所以均壓線?節(jié)距ｙp可?用一對(duì)極內(nèi)?的換向片數(shù)?表示，并且由于在?單疊繞組中?，ｐ＝ａ，所以：上例中即換?向片......間都可連接?均壓線。如每個(gè)換向?片上都連接?均壓線，共有其根，稱為全額均?壓線。一般電機(jī)，可以采用1?/2或1/3的全額均?壓線。均壓線可制?成與電樞繞?組端部同樣?形狀，包上與電樞?繞組同等級(jí)?的絕緣，然后按照均?壓線節(jié)距接?到換向片上?。均壓線放置?位置如圖2?-21所示，將均壓線接?在換向片上?后綁扎固定?，然后再嵌放?電樞繞組。三、單波繞組單波繞組每?一元件兩條?邊之間的距?離（ｙ1）與單疊繞組?一樣，即圖2-20單疊繞組的?均壓線圖2-21均壓線放置?位置1-換向片；2-電樞繞組；3-電樞鐵心；4-均壓線整數(shù)單波繞組每?一元件的首?末端要接到?相距約為兩?個(gè)極距的換?向片上，每嵌放一個(gè)?元件時(shí)，其相應(yīng)元件?邊在電樞表?面上移動(dòng)約?為兩個(gè)極距?的槽，所以。第二只元件?與第一只元?件處在相同?極性的兩個(gè)?磁極下，感應(yīng)電勢(shì)方?向相同。當(dāng)依次串聯(lián)?p個(gè)元件，在電樞表面?環(huán)繞一周后?，第p只元件?的末端要接?到第一只元?件的首端所?接的換向片?1相鄰換向?片上，以便第二周?繼續(xù)繞下去?，所以：（2-18）因此，單波繞組的?換向器節(jié)距?為：整數(shù)（2-19）當(dāng)采用K＋1時(shí)，p個(gè)元件串?聯(lián)后，接到換向片?2上，稱右行繞組?，此時(shí)端接交?叉，很少采用。一般采用K?－1，稱為左行繞?組。現(xiàn)以Z＝S＝K＝，為例，繞制一單波?左行繞組。1.計(jì)算節(jié)距、畫繞組展開?圖根據(jù)求得的?各種節(jié)距，可畫出單波?繞組的展開?圖，如圖2-22所示。從圖中可看?出元件連接?的順序是：1一8—15—7—14—6—13—5—12—4—11—3—10—2—9—1，也構(gòu)成一閉?合繞組。圖2-22單波繞組展?開圖確定主極位?置。電刷位置的?原則與單疊?繞組相同。2.單波繞組的?支路對(duì)數(shù)根據(jù)圖2-22可畫出?單波繞組的?瞬間電路圖?，如圖2-23所示。由圖可見(jiàn)，單波繞組是?將所有上層?邊在N極下?的元件串聯(lián)?成一條支路?（4、11、3、10、2），將上層邊在?S極下的元?件串聯(lián)成另?一條支路（15、7、14、6、13），其余元件被?電刷短路。顯然，單波繞組的?支路數(shù)2a?和主極數(shù)目?無(wú)關(guān)，即：ａ＝1（2-20）由于單波繞?組只有兩條?并聯(lián)支路，只要一正一?負(fù)兩組電刷?即可工作。但在極數(shù)較?多時(shí)，由于電刷的?載流量很大?，使換向器尺?寸加大，因此一般仍?采用與極數(shù)?相等的電刷?組數(shù)（全額電刷）。單波繞組的?電樞電勢(shì)仍?為一支路電?勢(shì)，電樞電流為?兩支路電流?之和。圖2-23單波繞組的?瞬間電路圖?四、單疊與單波?繞組的區(qū)別?單疊與單波?繞組是直流?電機(jī)基本的?繞組形式，其主要區(qū)別?是并聯(lián)支路?數(shù)不同。單疊繞組ａ?＝ｐ，可以通過(guò)增?加磁極對(duì)數(shù)?來(lái)增加并聯(lián)?支路數(shù)，適用于低電?壓。大電流的電?機(jī)。單波繞組ａ?1，在元件數(shù)相?同的情況下?，每條支路串?聯(lián)的元件較?多，適用于小電?流、較高電壓的?電機(jī)。第四節(jié)直流電機(jī)的?磁場(chǎng)從直流電機(jī)?基本工作原?理的分析可?知，發(fā)電機(jī)將機(jī)?械能轉(zhuǎn)換為?電能，電動(dòng)機(jī)將電?能轉(zhuǎn)換為機(jī)?械能，其必要條件?之一是必須?具有氣隙磁?通。因此，必須在直流?電機(jī)主磁極?的勵(lì)磁繞組?中通以勵(lì)磁?電流來(lái)產(chǎn)生?磁勢(shì)，以產(chǎn)生氣隙?磁通。使電樞繞組?切割氣隙磁?通而感應(yīng)電?勢(shì)；或者由電樞?電流與氣隙?磁通相互作?用而產(chǎn)生電?磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)?電能量的轉(zhuǎn)?換。圖2-24直流電機(jī)的?勵(lì)磁方式(a)他勵(lì)；(b)并勵(lì)；(c)串勵(lì)；(d)復(fù)勵(lì)一、直流電機(jī)的?勵(lì)磁方式直流電機(jī)的?勵(lì)磁方式是?指直流電機(jī)?勵(lì)磁繞組和?電樞繞組之?間的連接方?式。不同勵(lì)磁方?式的直流電?機(jī)，其特性有很?大差異，因此，勵(lì)磁方式是?選擇直流電?機(jī)的重要依?據(jù)。直流電機(jī)的?勵(lì)磁方式可?分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)4類，如圖2-24所示。1.他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組與?電樞繞組各?自分開，勵(lì)磁繞組由?獨(dú)立的直流?電源供電，如圖2-24(a)所示。勵(lì)磁電流Ｉ?f的大小只?取決于勵(lì)磁?電源的電壓?和勵(lì)磁回路?的電阻，而與電機(jī)的?電樞電壓大?小及負(fù)載無(wú)?關(guān)。用永久磁鐵?作主磁極的?電機(jī)可當(dāng)作?他勵(lì)電機(jī)。2.并勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組與?電樞繞組相?并聯(lián)，如圖2-24(b)所示。勵(lì)磁電流一?般為額定電?流的5%，要產(chǎn)生足夠?大的磁通，需要有較多?的匝數(shù)。所以并勵(lì)繞?組匝數(shù)多，導(dǎo)線較細(xì)。3.串勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組與?電樞繞組相?串聯(lián)，如圖2-24(c)所示。勵(lì)磁電流與?電樞電流相?同，數(shù)值較大，因此，串勵(lì)繞組匝?數(shù)很少，導(dǎo)線較粗。4.復(fù)勵(lì)電機(jī)電機(jī)至少有?兩個(gè)勵(lì)磁繞?組，其中之一是?串勵(lì)繞組，其他為并勵(lì)?（或他勵(lì)）繞組，如圖2-24(d）所示。通常并項(xiàng)組?起主測(cè)用，串勵(lì)繞組起?輔助作用。若串勵(lì)繞組?和并勵(lì)繞組?所產(chǎn)生的磁?勢(shì)方向相同?，稱為積復(fù)勵(lì)?；若串勵(lì)繞組?和并勵(lì)繞組?所產(chǎn)生的磁?勢(shì)方向相反?，稱為差復(fù)勵(lì)?。并勵(lì)繞組匝?數(shù)多，導(dǎo)線細(xì)；串勵(lì)繞組匝?數(shù)少，導(dǎo)線粗，外觀上有明?顯的區(qū)別。直流電機(jī)各?類繞組接線?后，其引出線的?端頭要加以?標(biāo)記，根據(jù)IEC?國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)?定的各繞組?線端符號(hào)見(jiàn)?表2-1。表2-1直流電機(jī)各?繞組線端符?號(hào)二、直流電機(jī)的?空載磁場(chǎng)直流電機(jī)空?載時(shí)，電樞電流為?零，只有勵(lì)磁繞?組中存在電?流。因此，空載時(shí)電機(jī)?的氣隙磁場(chǎng)?完全由勵(lì)磁?繞組的電流?所產(chǎn)生。1.空載磁場(chǎng)的?分布勵(lì)磁繞組中?通入勵(lì)磁電?流Ｉf后，各主磁極依?次為N極和?S極，由于電機(jī)磁?路對(duì)稱，不論極數(shù)多?少，每對(duì)極下的?磁通分布是?相同的，因此，可以討論一?對(duì)極下的情?況。圖2-25所示為?直流電機(jī)的?空載磁場(chǎng)，主磁通中由?N極出來(lái)，經(jīng)空氣隙和?電樞齒槽，便分左右兩?路經(jīng)過(guò)電樞?軛、電樞齒槽和?空氣隙進(jìn)人?相鄰的S極?，然后從定子?磁軛回到N?極而自成閉?路。主磁通中同?時(shí)匝鏈著勵(lì)?磁繞組和電?樞繞組，是實(shí)現(xiàn)能量?轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵?。從圖中還可?看出，在N極和S?極之間，還存在著一?小部分磁通?，它們不進(jìn)入?電樞鐵心，不與電樞繞?組匝鏈，稱為主極漏?磁通。主磁通磁路?的空氣隙較?小，磁阻較??；漏磁通磁路?的空氣隙較?大，磁阻較大，所以，在同樣的磁?勢(shì)作用下，漏磁通要比?主磁通小得?多。一般電機(jī)的?主極漏磁通?約為主磁通?的15%-20%。圖2-25直流電機(jī)的?磁路和磁分?布2.電機(jī)的磁化?曲線電機(jī)的磁化?曲線是指電?機(jī)主磁通與?勵(lì)磁磁勢(shì)的?關(guān)系曲線。電機(jī)運(yùn)行時(shí)?，要求每一個(gè)?磁極下應(yīng)具?有一定的磁?通量，這就要求有?一定的勵(lì)磁?磁勢(shì),而在實(shí)際電?機(jī)中，勵(lì)孩繞組匝?數(shù)常數(shù)，則,即勵(lì)磁磁勢(shì)?與勵(lì)磁電流?成正比。故磁化曲線?又可表示。而電機(jī)中主?磁通所經(jīng)過(guò)?的路徑絕大?部分由鐵磁?材料構(gòu)成，當(dāng)鐵磁材料?磁化時(shí)具有?飽和現(xiàn)象，導(dǎo)磁系數(shù)不?為常數(shù)，磁阻是非線?性的。所以，曲線與鐵磁?材料的B—H曲線相似?，如圖2-26所示。磁化曲線起?始一段是直?線，因?yàn)樵诓淮?時(shí)，鐵磁材料的?磁路未飽和?，磁阻數(shù)值很?小，磁通與磁勢(shì)?成正比，即（或）。當(dāng)逐漸增加?時(shí)，磁路逐漸飽?和，磁阻增加，則使通過(guò)這?部分磁阻所?需的磁勢(shì)（或If）也隨之增加?，曲線逐漸彎?曲變平。當(dāng)磁路飽和?以后，磁阻很大，為了增加很?少一點(diǎn)磁通?，就必須增加?很大的磁勢(shì)?，即增加很大?的勵(lì)磁電流?。因此，為了最經(jīng)濟(jì)?的利用材料?，設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)?，一般使額定?工作點(diǎn)位于?曲線開始彎?曲的所謂“膝點(diǎn)”附近。圖2-26電機(jī)的磁化?曲線3.氣隙磁密分?布曲線在電機(jī)中，電樞導(dǎo)體切?割氣隙磁通?而產(chǎn)生感應(yīng)?電勢(shì)。，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定?時(shí)，。因此，在研究電機(jī)?時(shí)，不但要知道?每極磁通的?大小，還需要知道?主極下氣隙?中每一點(diǎn)磁?密的大小，即氣隙磁密?的分布情況?。根據(jù)磁路歐?姆定律，氣隙某處磁?通或磁密的?大小，取決于該處?的磁勢(shì)和磁?路磁阻的大?小。忽略鐵心材?料磁阻，可認(rèn)為磁勢(shì)?全部消耗在?氣隙中，直流電機(jī)的?主極氣隙是?不均勻的，極下部分氣?隙大小相等?且數(shù)值很小?，因此在極下?部分磁密的?大小相等且?數(shù)值較大。靠近極尖處?氣隙逐漸增?加，磁密明顯減?小，在兩極之間?的幾何中心?線上，磁密等于零?。若不考慮電?樞表面齒和?糟的影響，在一個(gè)極距?范圍內(nèi)，電樞各點(diǎn)垂?直分量的磁?密分布為近?似梯形，如圖2-27所示。主極磁場(chǎng)在?主極軸線兩?側(cè)對(duì)稱分布?，因此主極磁?場(chǎng)的軸線為?主極軸線。圖2-27氣隙磁密的?分布磁密Bx曲?線所包圍的?面積，即為主極磁?通。由于磁通是?有方向的，所以Bx也?有正、負(fù)，一般定為S?極下磁密為?正,N極下磁密?為負(fù)。三、電樞磁場(chǎng)直流電機(jī)負(fù)?載運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中?通過(guò)電流，所產(chǎn)生的磁?場(chǎng)稱為電樞?磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)沿?電樞表面的?分布情況、與電樞電流?的分布情況?有關(guān)。在直流電機(jī)?中，電樞電流方?向的分界線?是電刷，在電刷軸線?兩側(cè)對(duì)稱分?布，所以電樞磁?場(chǎng)的分布情?況與電刷的?位置有關(guān)。電刷的正常?位置，應(yīng)在主極軸?線下的換向?片上，這時(shí)與電刷?相連接的電?樞元件位于?幾何中心線?上或附近。在分析電樞?磁場(chǎng)示意圖?時(shí)，常省去換向?器，把電刷畫成?與線圈的導(dǎo)?體直接相連?，所以在正常?情況下，電刷直接畫?在幾何中心?線上。下面分析電?刷在幾何中?心線上和偏?離幾何中心?線兩種情況?下的電樞磁?場(chǎng)分布。1.電刷在幾何?中心線上此時(shí)，電樞電流的?方向以電刷?為分界線，相鄰兩電刷?間的電樞圓?周上的導(dǎo)體?電流方向都?相同，而每一電刷?兩側(cè)的導(dǎo)體?電流方向相?反。因此，只要電刷不?動(dòng)，不論電樞是?靜止或者旋?轉(zhuǎn)，電樞表面電?流分布總是?不變的，所以電樞電?流產(chǎn)生的電?樞磁場(chǎng)在空?間總是靜止?的。圖2-28所示為?兩極電機(jī)的?電樞電流方?向和電樞磁?場(chǎng)分布情況?。圖2-28兩極電機(jī)的?電樞磁場(chǎng)電樞磁通的?方向與電樞?導(dǎo)體電流方?向間符合右?手螺旋定則?，這時(shí)電樞可?以看成是一?個(gè)電磁鐵，它的N極和?S極位于電?刷軸線上，因此電樞磁?場(chǎng)的軸線為?電刷軸線。與主極磁場(chǎng)?軸線在空間?垂直的稱為?交軸電樞磁?場(chǎng)。主極磁場(chǎng)軸?線稱為d軸?，電樞磁場(chǎng)軸?線稱為q軸?。電樞磁勢(shì)在?空間分布情?況，可應(yīng)用全電?流定律進(jìn)行?分析。將圖2-28展開成?圖2-29，圖2-29(a)表示電樞電?流和磁通的?分布。由圖可見(jiàn)，電樞支路的?中點(diǎn)對(duì)應(yīng)在?主極軸線上?，電樞磁通環(huán)?繞支路中點(diǎn)?向兩邊對(duì)稱?分布。以支路中點(diǎn)?為基準(zhǔn)，任取一磁通?管，通過(guò)磁通管?所形成的回?路磁勢(shì)Fａ?等于此回路?中所包含的?全電流。因此，對(duì)應(yīng)主極中?心點(diǎn)，回路磁勢(shì)為?零；而通過(guò)電刷?軸線的回路?磁勢(shì)最大。假定電樞表?面導(dǎo)體均勻?而又連續(xù)分?布，則電樞磁勢(shì)?的分布為一?三角形，如圖2-29(b)所示。圖2-29電樞磁勢(shì)和?磁密分布電樞電流和?磁通的分布?(b)電樞磁勢(shì)和?磁密的分布?三角形分布?的電樞磁勢(shì)?將產(chǎn)生怎樣?的磁密分布?呢？由圖2-29(a)可見(jiàn)，每一電樞磁?通都經(jīng)過(guò)電?樞鐵心、氣隙和主極?鐵心形成閉?合回路，由于鐵磁物?質(zhì)的磁阻相?對(duì)空氣磁阻?數(shù)值很小，所以，上述閉合磁?路中的磁勢(shì)?全部降在兩?個(gè)氣隙上。因此，電樞磁勢(shì)產(chǎn)?生磁場(chǎng)的磁?通密度Ｂa?為：（2-21）式中——空氣的磁導(dǎo)?率；——有效氣隙長(zhǎng)?度。在磁極下面?，氣隙的長(zhǎng)度?基本不變，可以認(rèn)為B?a隨Fａ的?增加而增加?；但在極間區(qū)?域，由于空氣隙?變得很大，雖然Fa繼?續(xù)增加，但Ba反而?減少，所以Ba的?分布曲線為?馬鞍形，如圖2-29(b)所示。綜上所述，當(dāng)電刷在幾?何中心線上?時(shí)，電樞磁有以?下特點(diǎn)：（1）在空間靜止?不動(dòng)；（2）電樞磁場(chǎng)軸?線與主極磁?場(chǎng)軸線垂直?，為交軸電樞?磁場(chǎng)；（3）電樞磁密B?a在空間分?布呈馬鞍形?。2.電刷偏離幾?何中心線圖2-30(a)所示為電刷?偏離幾何中?心線一個(gè)角?度時(shí)的情況?，相當(dāng)于電刷?在電樞表面?移動(dòng)一段距?離b。由于電樞導(dǎo)?體中電流的?分布仍以電?刷為界，故電樞磁勢(shì)?的軸線也將?隨之移動(dòng)，此時(shí)電樞磁?場(chǎng)軸線和主?極磁場(chǎng)中心?線不再是垂?直關(guān)系。為研究方便?，將電樞磁勢(shì)?分為兩部分?：一部分由—2b范圍內(nèi)?的電樞導(dǎo)體?電流形成，如圖1—30(b)所示，這部分磁勢(shì)?與主極磁勢(shì)?軸線在空間?垂直，稱為交軸電?樞磁勢(shì)Fa?q；另一部分由?2b范圍內(nèi)?的電樞導(dǎo)體?電流形成，如圖1—30(c)所示，這部分磁勢(shì)?與主極磁勢(shì)?的軸線重合?，稱為直軸電?樞磁勢(shì)Fa?d。圖2-30電刷不在幾?何中心線上?時(shí)的電樞磁?場(chǎng)(a)電樞磁勢(shì)F?a；(b)磁勢(shì)的交軸?分量Faq?；(c)磁勢(shì)的直軸?分量Fad?由上述分析?可知，電樞磁勢(shì)和?電刷位置的?關(guān)系是：電刷在幾何?中心線上時(shí)?，只有交軸電?樞磁勢(shì)；電刷不在幾?何中心線上?時(shí)，除交軸電樞?磁勢(shì)外，還有直軸電?樞磁勢(shì)。四、電樞反應(yīng)電機(jī)負(fù)載運(yùn)?行時(shí)，電樞磁場(chǎng)對(duì)?主極磁場(chǎng)的?影響稱為電?樞反應(yīng)。交軸電樞磁?勢(shì)對(duì)主極磁?場(chǎng)的影響稱?為交軸電樞?反應(yīng)；直軸電樞磁?勢(shì)對(duì)主極磁?場(chǎng)的影響稱?為直軸電樞?反應(yīng)。1.交軸電樞反?應(yīng)在一般情況?下，電刷總是位?于幾何中心?線上，電樞磁勢(shì)全?部為交軸電?樞磁勢(shì)，只有交軸電?樞反應(yīng)，此時(shí)電機(jī)的?磁場(chǎng)由主極?磁勢(shì)建立的?磁場(chǎng)和電樞?磁勢(shì)建立的?磁場(chǎng)疊加而?成。圖1—31(b)中B0表示?電機(jī)空載時(shí)?主磁場(chǎng)沿電?樞表面的分?布曲線(梯形)，圖1—31(c)中Ba表示?電機(jī)負(fù)載時(shí)?由交軸電樞?磁勢(shì)單獨(dú)建?立的電樞磁?場(chǎng)沿電樞表?面的分布曲?線(馬鞍形)。當(dāng)電機(jī)磁路?不飽和時(shí)，磁路磁阻為?常值，將B0和B?a相加，即可得到負(fù)?載后合成磁?場(chǎng)沿電樞表?面分布曲線?Bδ，如圖1—31(c)中實(shí)線所示?。實(shí)際上電機(jī)?的磁路往往?是飽和的，由于合成磁?通在增加的?那一半極面?中飽和程度?的增加，使該部分的?磁阻增大，磁密減少，如圖1—31(c)中虛線所示?。圖2-31直流電機(jī)負(fù)?載時(shí)的合成?磁勢(shì)圖2-32電樞反應(yīng)使?片間電壓增?大綜上所述，交軸電樞反?應(yīng)的影響是?：(1)氣隙磁場(chǎng)發(fā)?生畸變。每個(gè)主極下?的磁場(chǎng)，一半被削弱?，另一半被加?強(qiáng)，使氣隙磁密?分布曲線由?平頂形變成?尖頂形。(2)氣隙磁場(chǎng)畸?變后，會(huì)使電樞繞?組一條支路?中各串聯(lián)線?圈間電勢(shì)分?布不均勻。如圖1—32所示，在極尖處的?磁密大大增?加，線圈處在這?個(gè)部位時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)很?大，使所接兩個(gè)?換向片間電?壓很大，可能超過(guò)換?向片間的安?全電壓，產(chǎn)生火花或?電弧，使電機(jī)損壞?。(3)每級(jí)磁通減?少和氣隙平?均磁密下降?。在磁路不飽?和時(shí)，因主磁場(chǎng)被?削弱的數(shù)量?等于被加強(qiáng)?的數(shù)量，所以氣隙磁?通量和平均?氣隙磁密沒(méi)?有變化。實(shí)際上，由于磁路飽?和的影響，一半極面下?磁通增加的?量小于另一?半極面下磁?通減少的量?，因此負(fù)載時(shí)?的每極磁通?量比空載時(shí)?每極磁通量?有所減少測(cè)?平均磁密有?所下降。即交軸電樞?磁場(chǎng)對(duì)主極?磁場(chǎng)起去磁?作用，這種去磁作?用是通過(guò)磁?路飽和作用?而產(chǎn)生的。2.直軸電樞反?應(yīng)電刷不在幾?何中心線時(shí)?，電樞磁勢(shì)中?包含有交軸?和直軸電樞?磁勢(shì)Fad?兩個(gè)分量，將同時(shí)出現(xiàn)?交軸電樞反?應(yīng)和直軸電?樞反應(yīng)。直軸電樞磁?勢(shì)與主極軸?線重合，若Fad與?主極磁勢(shì)方?向相同，起增磁作用?，增磁作用將?引起電機(jī)換?向惡化。若Fad與?主極磁勢(shì)方?向相反，起去磁作用?，去磁作用使?電機(jī)的每極?磁通量下降?，導(dǎo)致電樞電?勢(shì)降低。第五節(jié)直流電機(jī)的?感應(yīng)電勢(shì)和?電磁轉(zhuǎn)矩一、直流電機(jī)的?感應(yīng)電勢(shì)直流電機(jī)的?感應(yīng)電勢(shì)是?指電機(jī)正負(fù)?電刷間的電?勢(shì)。當(dāng)電機(jī)的氣?隙中有磁場(chǎng)?存在，且電樞旋轉(zhuǎn)?使電樞導(dǎo)體?切割磁力線?時(shí)，在電樞繞組?中會(huì)產(chǎn)生感?應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的?大小，不僅取決于?磁通量的大?小和轉(zhuǎn)速的?高低，還和繞組的?導(dǎo)體數(shù)和連?接方法有關(guān)?。從電刷看進(jìn)?去，電樞繞組由?2ａ條并聯(lián)?支路組成，電刷間電勢(shì)?即為一支路?電勢(shì)，而支路電勢(shì)?等于支路中?各串聯(lián)導(dǎo)體?的感應(yīng)電勢(shì)?之和，不同的繞組?形式，其連接方式?不同，支路數(shù)和串?聯(lián)導(dǎo)體數(shù)均?不同，則感應(yīng)電勢(shì)?大小也不同?。設(shè)電樞繞組?線圈數(shù)為，一個(gè)線圈的?匝數(shù)為，則電樞導(dǎo)體?總數(shù)為：（2-22）每一支路中?串聯(lián)的導(dǎo)體?數(shù)為電機(jī)空載運(yùn)?行時(shí)，氣隙磁密分?布如圖2-33所示。由圖中可見(jiàn)?，電樞表面各?點(diǎn)的磁密不?相等，則各導(dǎo)體中?感應(yīng)電勢(shì)的?數(shù)值也不相?等，使電樞電勢(shì)?公式的推導(dǎo)?變得復(fù)雜，為此引入磁?密和導(dǎo)體感?應(yīng)電勢(shì)的平?均值和進(jìn)行?分析。主極極距為?，導(dǎo)體在磁場(chǎng)?中軸向有效?長(zhǎng)度為L(zhǎng)，每極磁通為?，則平均氣隙?磁密為：(2-23)圖2-33支路內(nèi)各導(dǎo)?體在氣隙磁?場(chǎng)中的位置?(a)電刷在幾何?中心線時(shí)；(b)電刷移過(guò)角?時(shí)。導(dǎo)體的平均?電勢(shì)為：式中ｖ為電?樞表面線速?度，若電機(jī)轉(zhuǎn)速?為ｎ，電樞直徑為?Da，主極數(shù)為2?ｐ，電樞表面周?長(zhǎng)，則：因此，支路電勢(shì)即?電機(jī)的感應(yīng)?電勢(shì)為：（2-24）式中——每極磁通量?（Wb）；;.對(duì)于給定的?電機(jī)，p、N、ａ均為定值?，所以是一個(gè)?常數(shù)。從以上分析?可知：(1)直流電機(jī)的?感應(yīng)電勢(shì)，是指電樞表?面圓周上固?定位置（電刷間）的電樞線圈?中感應(yīng)電勢(shì)?之和，僅與電刷間?磁通的大小?，電樞轉(zhuǎn)速及?電機(jī)的結(jié)構(gòu)?有關(guān)。對(duì)于已給定?的電機(jī)，為常數(shù)，則感應(yīng)電勢(shì)?Ea的大小?隨著磁通和?轉(zhuǎn)速的變化?而不同。(2)感應(yīng)電勢(shì)的?大小，僅和磁通的?大小有關(guān)，而和磁密的?分布無(wú)關(guān)。分布形狀改?變，使每一導(dǎo)體?的感應(yīng)電勢(shì)?大小發(fā)生變?化，只要保持總?磁通量不變?，電刷間的電?勢(shì)不變。計(jì)算空載或?負(fù)載電勢(shì)時(shí)?，要分別代人?空載或負(fù)載?時(shí)的磁通值?。當(dāng)勵(lì)磁繞組?中無(wú)電流時(shí)?，氣隙磁場(chǎng)由?主極剩磁產(chǎn)?生，將剩磁磁通?量代人公式?可求出電機(jī)?的剩磁電勢(shì)?。(3)公式是在整?距繞組時(shí)導(dǎo)?出的，若為短距繞?組，在線圈的兩?邊都處在同?一磁極下的?瞬間，兩線圇邊中?感應(yīng)電勢(shì)方?向相反，互相抵消，使感應(yīng)電勢(shì)?減少。在直流電機(jī)?中，不允許將節(jié)?距短得過(guò)多?，可不考慮對(duì)?電勢(shì)的影響?。(4)如電刷偏離?幾何中心線?時(shí)，則電刷間所?包含的總磁?通量有所減?少，如圖2-33(b）所示，使感應(yīng)電勢(shì)?相應(yīng)減少。二、直流電機(jī)的?電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組通?過(guò)電流時(shí)，在磁場(chǎng)中將?受到電磁力?的作用，電磁力在電?樞軸上產(chǎn)生?的轉(zhuǎn)矩稱電?磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的?大小，可根據(jù)電磁?力定律求得?。電樞繞組的?支路電流為?ia時(shí)，作用在任一?根導(dǎo)體上的?平均電磁力?fav。為：（2-25）導(dǎo)體產(chǎn)生的?電磁轉(zhuǎn)矩為?：（2-26）由于每極下?導(dǎo)體的電流?方向相同，故同一極下?各導(dǎo)體產(chǎn)生?的電磁轉(zhuǎn)矩?方向相同，相鄰極下的?磁場(chǎng)和導(dǎo)體?電流方向同?時(shí)相反，轉(zhuǎn)矩方向保?持不變，如圖2-34所示。因此，電磁轉(zhuǎn)矩T?應(yīng)為電樞表?面所有導(dǎo)體?產(chǎn)生的之和?，即：（2-27）式中——電樞電流（A），；.圖2-34直流電機(jī)的?電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)于已制成?的電機(jī)，ｐ、N、ａ均為定值?，所以，CT也是一?個(gè)常數(shù)。感應(yīng)電勢(shì)和?電磁轉(zhuǎn)矩是?直流電機(jī)兩?個(gè)重要公式?。對(duì)同一臺(tái)直?流電機(jī)，電勢(shì)常數(shù)C?e和轉(zhuǎn)矩常?數(shù)CT有一?定的關(guān)系。因?yàn)樗裕?-28）第六節(jié)直流電機(jī)的?基本方程從直流電機(jī)?可逆原理可?知，無(wú)論是發(fā)電?機(jī)還是電動(dòng)?機(jī)，在實(shí)現(xiàn)能量?轉(zhuǎn)換過(guò)程中?，都伴有感應(yīng)?電勢(shì)、電流、電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)?生。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)?行時(shí)，即電機(jī)的負(fù)?載、勵(lì)磁電流以?及轉(zhuǎn)速達(dá)到?穩(wěn)定值時(shí)，各種電壓、轉(zhuǎn)矩和功率?之間存在的?平衡關(guān)系，稱為電機(jī)的?平衡方程式?。這些平衡關(guān)?系應(yīng)分別符?合電學(xué)、力學(xué)及能量?守恒定律。一、電勢(shì)平衡方?程式無(wú)論是發(fā)電?機(jī)還是電動(dòng)?機(jī)，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)?時(shí)，電樞繞組切?割磁力線都?產(chǎn)生感應(yīng)電?勢(shì)，其大小為，方向可用右?手定則判定?。在發(fā)電機(jī)里?，電樞繞組接?負(fù)載后，感應(yīng)電勢(shì)驅(qū)?動(dòng)電流流動(dòng)?，所以電樞電?流與感應(yīng)電?勢(shì)同方向，如圖2-35所示；在電動(dòng)機(jī)里?，電樞繞組經(jīng)?電刷接外電?源，外加電壓是?驅(qū)動(dòng)電流流?動(dòng)的原因，所以電樞電?流與電源電?壓同方向，此時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)與?電樞電流方?向相反，稱為反電勢(shì)?，如圖2-36所示。圖2-35直流發(fā)電機(jī)?的電勢(shì)、轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)?系設(shè)U為直流?電機(jī)的端電?壓，取的實(shí)際方?向作為正方?向，可得電樞回?路的電勢(shì)平?衡方程式為?；發(fā)電機(jī)（2-29）電動(dòng)機(jī)（2-30）圖2-36直流電動(dòng)機(jī)?的電勢(shì)、轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)?系式中為電樞?回路總電阻?，包括電樞回?路中各串聯(lián)?繞組的電阻?和電刷與換?向器之間的?接觸電阻。式（2-29）和式（2-30）適用于各種?勵(lì)磁方式的?直流電機(jī)，在計(jì)算時(shí)，要注意各種?勵(lì)磁方式中?所包含的內(nèi)?容不完全相?同。以上兩式表?明，直流發(fā)電機(jī)?和電動(dòng)機(jī)在?運(yùn)行時(shí)都存?在電樞電勢(shì)?Ea和端電?壓U，在發(fā)電機(jī)中?，Ea＞U，電樞電流Ｉ?a的方向與?Ea的方向?一致；在電動(dòng)機(jī)中?，U＞Ea，電樞電流I?的方向與U?的方向一致?,Ea表現(xiàn)為?反電勢(shì)。二、轉(zhuǎn)矩平衡方?程無(wú)論是發(fā)電?機(jī)還是電動(dòng)?機(jī)，當(dāng)電樞繞組?有電流流過(guò)?時(shí)，電樞電流和?磁場(chǎng)相互作?用都產(chǎn)生電?磁轉(zhuǎn)矩，其大小為，方向可用左?手定則判定?。在發(fā)電機(jī)（見(jiàn)圖2-35）里，外加轉(zhuǎn)矩T?；為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?使電樞旋轉(zhuǎn)?，電磁轉(zhuǎn)矩T?與T1轉(zhuǎn)向?相反為阻力?轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還存在?電機(jī)的空載?阻力轉(zhuǎn)矩T?0。在電動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖2-36）里，電磁轉(zhuǎn)矩T?使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)?為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?，與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)?向相同，此時(shí)軸上的?負(fù)載轉(zhuǎn)矩T?2和T。均為阻力轉(zhuǎn)?矩。電機(jī)的轉(zhuǎn)速?恒定時(shí)，加在電機(jī)軸?上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)?矩應(yīng)與阻力?轉(zhuǎn)矩相等，所得轉(zhuǎn)矩平?衡方程式為?：發(fā)電機(jī)T1=T+T0（2-31）電動(dòng)機(jī)T=T2+T0（2-32）以上兩式表?明，在電機(jī)穩(wěn)定?運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和?外轉(zhuǎn)矩都同?時(shí)存在并達(dá)?到平衡。在發(fā)電機(jī)里?，T1＞T，作為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)?矩的是外轉(zhuǎn)?矩T1，電機(jī)的轉(zhuǎn)向?取決于T1?的方向，電磁轉(zhuǎn)矩是?阻力轉(zhuǎn)矩，起平衡外轉(zhuǎn)?矩的作用；在電動(dòng)機(jī)里?，T＞T2，作為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)?矩的是電磁?轉(zhuǎn)矩T，電機(jī)的轉(zhuǎn)向?取決于Ｔ的?方向，電磁轉(zhuǎn)矩帶?動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)?而達(dá)到平衡?。三、功率平衡方?程電機(jī)是實(shí)現(xiàn)?機(jī)電能量轉(zhuǎn)?換的裝置，因而功率關(guān)?系是電機(jī)運(yùn)?行中最基本?的關(guān)系。電機(jī)運(yùn)行過(guò)?程中，存在輸人功?率、輸出功率和?各種損耗，它們之間應(yīng)?滿足能量守?恒定律。若將電機(jī)進(jìn)?行能量轉(zhuǎn)換?過(guò)程中的各?種損耗抽出?，則可用一耦?合磁場(chǎng)來(lái)表?述電機(jī)，如圖2-37所示。圖中機(jī)械系?統(tǒng)為原動(dòng)機(jī)?或機(jī)械負(fù)載?，電系統(tǒng)為電?源或電負(fù)載?，耦合磁場(chǎng)產(chǎn)?生T和Ea?，以實(shí)現(xiàn)能量?的轉(zhuǎn)換。PＣｕ、PS、PＦｅ分別?表示電機(jī)的?各種損耗。機(jī)械系統(tǒng)的?機(jī)械功率等?于轉(zhuǎn)矩乘以?旋轉(zhuǎn)角速度?；電系統(tǒng)的電?功率等于電?壓乘以電流?；經(jīng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換?的功率稱為?電磁功率。圖2-37電機(jī)中的能?量平衡圖1.電機(jī)的損耗?（1）銅耗PCu?銅損耗是由?于電機(jī)的各?種繞組中流?過(guò)電流而產(chǎn)?生的電阻損?耗，銅耗隨負(fù)載?而變化，又稱為可變?損耗。（2）鐵耗PFe?由于鐵心中?的磁滯、渦流而產(chǎn)生?的損耗。（3）機(jī)械損耗P?Ω由于各種機(jī)?械摩擦、通風(fēng)而產(chǎn)生?的損耗。鐵耗和機(jī)械?損耗在電機(jī)?空載時(shí)就存?在，其大小與電?機(jī)負(fù)載無(wú)關(guān)?，合稱為空載?損耗（又稱不變損?耗），用P。表示，即：（2-33）（4）附加損耗P?s產(chǎn)生附加損?耗的原因很?多，諸如：電樞反應(yīng)使?氣隙磁場(chǎng)畸?變而引起鐵?耗的增加；電樞表面電?流分布不均?而引起銅耗?的增加；均壓電流造?成的損耗等?。Ps中一部?分空載時(shí)已?存在，另一部分隨?負(fù)載而變化?。附加損耗一?般不易計(jì)算?，而估計(jì)為電?機(jī)輸出功率?的0.5%－1%。綜上所述，電機(jī)的總損?耗∑P為：（2-34）2.電磁功率在電機(jī)中，把通過(guò)電磁?作用傳遞的?功率稱為電?磁功率，用PM表示?。從圖2-37可以看?出電磁功率?的意義和計(jì)?算方法。對(duì)發(fā)電機(jī)而?言，輸入機(jī)械功?率，克服空載損?耗后，其余部分轉(zhuǎn)?變?yōu)殡姶殴?率，即：（2-35）轉(zhuǎn)換而來(lái)的?電功率不能?全部輸出，必須克服電?機(jī)的銅耗P?Cu后才能?供給負(fù)載，輸出給負(fù)載?的電功率P?2=UI，即：（2-36）對(duì)電動(dòng)機(jī)而?言，輸人的電功?率為P1＝UI，此功率不能?全部轉(zhuǎn)換為?機(jī)械功率，必須克服電?機(jī)本身的銅?耗PCu后?才能進(jìn)行電?磁轉(zhuǎn)換，即：（2-37）轉(zhuǎn)換而來(lái)的?機(jī)械功率不?能全部輸出?，必須克服電?機(jī)的空載損?耗P0后才?能輸出，其軸上的輸?出機(jī)械功率?P2=T2Ω，即：（2-38）電磁功率既?可看成機(jī)械?功率，又可看成電?功率。從機(jī)械功率?的角度看，PM是電磁?轉(zhuǎn)矩T和旋?轉(zhuǎn)角速度Ω?的乘積，即：（2-39）從電功率的?角度看,PM是電樞?電勢(shì)Ea和?電樞電流I?a的乘積，即：（2-40）根據(jù)能量守?恒定律，兩者相等，即：（2-41）因此，無(wú)論是發(fā)電?機(jī)還是電動(dòng)?機(jī)，電磁功率均?指電機(jī)能夠?利用電磁感?應(yīng)原理進(jìn)行?能量轉(zhuǎn)換的?這部分功率?，可以表示為?機(jī)械功率的?形式，也可以表示?為電功率的?形式。由于電磁功?率具有這樣?的物理意義?，所以在實(shí)際?計(jì)算中，經(jīng)常把它作?為從機(jī)械量?計(jì)算電量或?從電量計(jì)算?機(jī)械量的橋?梁。3.功率平衡方?程式電機(jī)的輸人?功率為P1?，輸出功率為?P2，總損耗為∑P時(shí)，根據(jù)能量守?恒定律，可得功率平?衡方程式：（2-42）四、電機(jī)的效率?電機(jī)輸出功?率P２輸人?功率P1之?比的百分?jǐn)?shù)?，稱為電機(jī)的?效率，即：100%（2-43）直流電機(jī)的?基本方程式?，把電機(jī)中電?、磁、機(jī)械等物理?量聯(lián)系起來(lái)?，是分析直流?電機(jī)運(yùn)行特?性的基礎(chǔ)。第七節(jié)直流發(fā)電機(jī)?的運(yùn)行特性?直流發(fā)電機(jī)?的運(yùn)行特性?是指發(fā)電機(jī)?在恒定轉(zhuǎn)速?運(yùn)行時(shí)，端電壓U、負(fù)載電流I?、勵(lì)磁電流I?L這3個(gè)基?本物理量之?間的關(guān)系，依次保持其?中一個(gè)量不?變，其余兩個(gè)量?就構(gòu)成一種?特性，因此有：空載特性U?0=f（If）、負(fù)載特性U?=f（If）、外特性U＝f（I）、調(diào)整特性I?f=f（I）。本節(jié)主要討?論各種勵(lì)磁?方式下直流?發(fā)電機(jī)的空?載特性U0?=f（If）和外特性U?＝f（I）。一、他勵(lì)發(fā)電機(jī)?他勵(lì)發(fā)電機(jī)?接線如圖2?-38所示。勵(lì)磁電流I?f由其他直?流電源供給?，其大小和方?向取決于勵(lì)?磁電壓Uf?和勵(lì)磁回路?總電阻Rf?。電樞電流I?a等于負(fù)載?電流I，其大小取決?于負(fù)載，并與感應(yīng)電?勢(shì)Ea同方?向。圖2-38他勵(lì)發(fā)電機(jī)?1.空載特性U?0=f（If）空載特性是?指負(fù)載開路?、電樞電流為?零、轉(zhuǎn)速為額定?轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的空?載電壓隨勵(lì)?磁電流變化?的關(guān)系。他勵(lì)發(fā)電機(jī)?空載時(shí)，I=Ia=0，電樞回路電?阻壓降Ia?Ra=0，發(fā)電機(jī)空載?端電壓U0?等于感應(yīng)電?勢(shì)Ea，即：由于ｎ為常?數(shù)，所以。同時(shí)，F(xiàn)f＝IfNf，IfFf則?空載特性曲?線U0=f（If）與電機(jī)的磁?化曲線形狀?完全相同，兩曲線實(shí)際?上只差一個(gè)?比例常數(shù)，如圖2-39所示。發(fā)電機(jī)的空?載特性表示?給予一定I?f時(shí)，在電樞兩端?建立相應(yīng)空?載電壓U0?的數(shù)值。If較小時(shí)?，U0接近一?直線，當(dāng)If逐漸?增加時(shí)，磁路逐漸飽?和，呈現(xiàn)非線性?，曲線開始彎?曲變平，因此空載特?性也表征了?電機(jī)的飽和?程度。一般電機(jī)都?存在一些剩?磁，所以當(dāng)If?＝0時(shí)，電樞兩端仍?有不大的電?壓，稱為剩磁電?壓，通常比（2-4）%。額定電壓位?于空載特性?開始彎曲的?部位，若額定電壓?的工作電選?在直線部分?電機(jī)的磁路?不飽和，磁密太低，鐵心沒(méi)有充?分利用，不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，勵(lì)磁電流稍?有變化，就會(huì)引起電?壓的較大變?動(dòng)。反之，若工作點(diǎn)選?在平坦部分?，磁路較飽和?，要得到額定?電壓就需要?有較多的勵(lì)?磁安匝，用鋼量和銅?耗相應(yīng)增加?，亦不經(jīng)濟(jì)。圖2-39他（并）勵(lì)發(fā)電機(jī)空?載特性圖2-40他勵(lì)發(fā)電機(jī)?外特性2．外特性外特性是指?轉(zhuǎn)速為額定?轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流為?額定勵(lì)磁電?流時(shí)，發(fā)電機(jī)的負(fù)?載端電壓隨?負(fù)載電流變?化的關(guān)系。在圖l—38中，若將負(fù)載接?入，電樞回路就?有電流流過(guò)?。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定?、勵(lì)磁電流不?變時(shí)，負(fù)載RL的?變化使Ia?變化，引起端電壓?變化。隨著負(fù)載的?增加，發(fā)電機(jī)的端?電壓逐漸下?降，如圖2-40所示。曲線可根據(jù)?發(fā)電機(jī)電勢(shì)?平衡方程式?進(jìn)行分析。空載時(shí)，I=0，端電壓為。當(dāng)負(fù)載電流?增加時(shí)，電壓下降有?兩個(gè)原因：（1）由于Ia增?加，電樞電阻壓?降IaRa?隨之增大，使端電壓下?降；（2）Ia增大時(shí)?，引起電樞反?應(yīng)的去磁作?用，使每極磁通?減小，所以減小，而使端電壓?進(jìn)一步下降?。發(fā)電機(jī)的端?電壓隨負(fù)載?變化的程度?，可用電壓調(diào)?整率表示。電壓調(diào)整率?是指時(shí)，發(fā)電機(jī)從額?定負(fù)載（）到空載（U—UO，I—0）時(shí)，端電壓升高?的數(shù)值與額?定電壓比值?的百分?jǐn)?shù)，即：(2-44)一般的他勵(lì)?發(fā)電機(jī)約為?5％～10％，基本可看成?是恒壓電源?。從外特性可?見(jiàn)，他勵(lì)發(fā)電機(jī)?在額定勵(lì)磁?下若發(fā)生短?路時(shí)，由于，而電機(jī)的內(nèi)?阻很小，因此將產(chǎn)生?高達(dá)額定電?流十幾到幾?十倍的短路?電流。為保護(hù)電機(jī)?不受短路電?流的危害，必須在外電?路加裝短路?保護(hù)裝置，如熔斷器等?，當(dāng)電流超過(guò)?允許電流值?時(shí)，保護(hù)裝置立?即切斷外電?路。二、并勵(lì)發(fā)電機(jī)?并勵(lì)發(fā)電機(jī)?接線如圖2?－41所示。勵(lì)磁繞組并?聯(lián)在電樞的?兩端，勵(lì)磁電流I?f由發(fā)電機(jī)?本身供給，稱為“自勵(lì)電機(jī)”。If的大小?和方向由端?電壓U及勵(lì)?磁回路總電?阻Rf決定?。電樞電流人?等于負(fù)載電?流I和勵(lì)磁?電流If之?和，即Ia=I＋I(xiàn)f。圖2-41并勵(lì)發(fā)電機(jī)?1.空載特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)?空載時(shí)，I＝0，電樞電流I?a＝If，通常If只?有額定電流?的1％～3％，這樣微小電?流所產(chǎn)生的?電阻壓降和?電樞反應(yīng)可?以忽略不計(jì)?，故空載時(shí)端?電壓也等于?感應(yīng)電勢(shì)，因此，并勵(lì)發(fā)電機(jī)?的空載特性?和他勵(lì)發(fā)電?機(jī)相同，如圖2—39所示。2.自勵(lì)過(guò)程和?電壓建立的?條件由圖2—41可見(jiàn)，并勵(lì)發(fā)電機(jī)?建立主磁場(chǎng)?的勵(lì)磁電流?由電樞電勢(shì)?供給，而電樞電勢(shì)?又是由電樞?繞組切割主?磁場(chǎng)產(chǎn)生的?。當(dāng)并勵(lì)發(fā)電?機(jī)剛開始運(yùn)?行時(shí)，外界電源并?沒(méi)有提供勵(lì)?磁電流,那么，電樞電勢(shì)和?勵(lì)磁電流是?怎樣產(chǎn)生的?呢？從電工基礎(chǔ)?知識(shí)已知，任何磁性物?質(zhì)，一經(jīng)受到勵(lì)?磁，即使勵(lì)磁電?流下降為零?，仍然會(huì)留有?少量剩余磁?性，稱作“剩磁”。在直流電機(jī)?的鐵心中，當(dāng)勵(lì)磁電流?為零時(shí)，總有些剩磁?存在。并勵(lì)發(fā)電機(jī)?就是利用本?身的剩磁建?立穩(wěn)定電壓?的，這個(gè)過(guò)程稱?電壓建立過(guò)?程。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)?，電樞繞組切?割剩磁磁通?，感應(yīng)剩磁電?勢(shì)（約為額定電?壓的2％～4％），這個(gè)電勢(shì)加?到勵(lì)磁繞組?上使勵(lì)磁電?流從零開始?增加，產(chǎn)生一個(gè)微?小的勵(lì)磁磁?場(chǎng)。若新產(chǎn)生的?磁場(chǎng)與剩磁?方向相同，可使電勢(shì)繼?續(xù)上升；若方向相反?，則剩磁被削?弱，發(fā)電機(jī)電壓?將不能建立?。勵(lì)磁電流所?產(chǎn)生的磁場(chǎng)?是增強(qiáng)或削?弱剩磁，和電樞繞組?與勵(lì)磁繞組?的相對(duì)聯(lián)接?及電樞的旋?轉(zhuǎn)方向有關(guān)?。圖2－42（a）所示為勵(lì)磁?電流將增強(qiáng)?剩磁，發(fā)電機(jī)能建?立起電壓。若保持電樞?旋轉(zhuǎn)方向不?變，僅改變電樞?繞組和勵(lì)磁?繞組之間的?聯(lián)接，如圖2—42(b)所示，則勵(lì)磁電流?將削弱剩磁?，發(fā)電機(jī)的電?壓不能建立?。圖2一42?(c)和圖2—42(d)所示的狀況?，讀者可自行?分析。圖2－42并勵(lì)發(fā)電機(jī)?建壓條件滿足以上兩?個(gè)條件后，感應(yīng)電勢(shì)和?勵(lì)磁電流可?以相互促進(jìn)?不斷上升。但電勢(shì)是否?會(huì)無(wú)止境的?上，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)?定工作電壓?又取決于哪?些因素？要解決這兩?個(gè)問(wèn)題，必須對(duì)自勵(lì)?過(guò)程作進(jìn)一?步分析。并勵(lì)發(fā)電機(jī)?（見(jiàn)圖2一4?1）在建立電壓?的過(guò)程中，負(fù)載開關(guān)應(yīng)?打開，即發(fā)電機(jī)為?空載狀態(tài)。電壓建立過(guò)?程為過(guò)渡過(guò)?程，設(shè)u0為空?載電壓，if為勵(lì)磁?電流，為勵(lì)磁回路?總電阻。從電樞回路?看，u0為if?的函數(shù)，為發(fā)電機(jī)的?空載特性或?磁化曲線，如圖2－43曲線1?所示。從勵(lì)磁回路?看，當(dāng)電阻Rf?不變時(shí)，勵(lì)磁回路電?阻壓降if?RF隨if?正比變化，即的關(guān)系為?一通過(guò)原點(diǎn)?的直線，稱為場(chǎng)電阻?，如圖2－43中曲線?2所示。場(chǎng)電阻的率?為：tan（2－45）在圖2－43中，曲線1和曲?線2交于A?點(diǎn)。在A點(diǎn)的左?側(cè)，對(duì)應(yīng)某If?（自勵(lì)過(guò)程中?任瞬間），u0＞IfRf，即感應(yīng)電勢(shì)?產(chǎn)生的端電?壓大于磁場(chǎng)?電阻上所需?要的壓降，產(chǎn)生的剩余?電壓作用在?勵(lì)磁回路上?，使If上升?，u0隨之上?升。由于空載特?性具有飽和?特性，u0上升速?度逐漸緩慢?，到達(dá)A點(diǎn)時(shí)?，，即勵(lì)磁電流?產(chǎn)生的空載?電壓等于勵(lì)?磁回路的電?阻壓降。勵(lì)磁電流和?感應(yīng)電勢(shì)不?再增大，電機(jī)進(jìn)人空?載穩(wěn)定狀態(tài)?，端電壓便穩(wěn)?定在某一數(shù)?值上，自勵(lì)過(guò)程結(jié)?束，電壓不會(huì)無(wú)?止境上升。交點(diǎn)A的位?置并不是固?定的，它隨著勵(lì)磁?回路的電阻?值變化，若磁場(chǎng)電阻?增大，場(chǎng)阻線的斜?率增大，直線變陡，此時(shí)交點(diǎn)將?沿著曲線1?向原點(diǎn)移動(dòng)?，穩(wěn)定電壓的?數(shù)值降低，所以改變可?調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)?的空載電壓?。當(dāng)場(chǎng)阻線（見(jiàn)圖2—43中曲線?3）與空載特性?的直線部分?相切時(shí)，曲線1和曲?線3沒(méi)有固?定的交點(diǎn)，發(fā)電機(jī)的電?壓不穩(wěn)定，此種狀態(tài)稱?為臨界狀態(tài)?，對(duì)應(yīng)勵(lì)磁回?路電阻稱為?建壓臨界電?阻。當(dāng)勵(lì)磁回路?電阻大于建?壓臨界電阻?時(shí)，場(chǎng)阻線（見(jiàn)圖2-43中曲線?4）與空載特性?的交點(diǎn)很低?，此時(shí)空載電?壓約等于剩?磁電壓、發(fā)電機(jī)不能?自勵(lì)。圖2-43建壓過(guò)程分?析綜上所述，要使一臺(tái)并?勵(lì)發(fā)電機(jī)建?立穩(wěn)定的電?壓，必須滿足3?個(gè)條件：(1)電機(jī)有剩磁?并具有飽和?特性。有剩磁自勵(lì)?過(guò)程才能開?始，具有飽和特?性才能建立?穩(wěn)定電壓。若電機(jī)失去?剩磁，可用其他直?流電源向勵(lì)?磁繞組通電?以獲得剩磁?。(2)勵(lì)磁繞組與?電樞繞組的?連接正確，使勵(lì)磁電流?產(chǎn)生的磁通?與剩磁同方?向。(3)勵(lì)磁回路的?