船舶电气设备及系统课件 第五章

1、L/O/G/O集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统第五章小结第五章小结5-1 直流直流电机的工作原理和结构特点电机的工作原理和结构特点5-2 直流电机的励磁方式和直流电机的励磁方式和运行特性运行特性5-3 无刷直流无刷直流电动机电动机集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统概概 述述 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好

2、和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。驱动。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统直流电机的优点：直流电机的优点： (1) 调速性能好调速性能好, 调速范围广调速范围广, 易于平滑调节。易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。易于控制。应用：应用： (1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床

3、、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 (2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 本节的主要内容有三部分本节的主要内容有三部分：l 构造构造：主要点：主要组成及作用，如换相器等。主要点：主要组成及作用，如换相器等。l 铭牌数据铭牌数据：参数个数、数据含义。参数个数、数据含义。l 励磁方式励磁方式：种类。种类。集美大学轮机工程学院集美大学轮机

4、工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 直流电机模型：直流电机模型：磁极、线圈、电刷和换向片。磁极、线圈、电刷和换向片。5.1.1 直流电机直流电机(direct current motor)的工作原理的工作原理集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢转子感应电动势：电枢转子感应电动势：电枢转子由原动机拖动旋电枢转子由原动机拖动旋转，电枢线圈切割转，电枢线圈切割N、S极磁场，线圈每个边导体中极磁场，线圈每个边导体中产生感应电动势（方向根据右手定则判断）。产生感应电动势（方向根据右手定则判断）。 换向：换向：转子转过转子转过180后，线圈边接触的电

5、刷更换后，线圈边接触的电刷更换而线圈边所处位置的磁极极性也变了。因此，线圈而线圈边所处位置的磁极极性也变了。因此，线圈边感应的电动势方向变反，但电刷极性却不变。边感应的电动势方向变反，但电刷极性却不变。 结论：结论：线圈感应电动势和流过电流都是交流，而线圈感应电动势和流过电流都是交流，而电刷两端电压和电刷导出电流却都是直流的。电刷两端电压和电刷导出电流却都是直流的。 电刷与换向器配合是起电刷与换向器配合是起“机械整流器机械整流器”作用。作用。电磁力电磁力F=BlI 电磁转矩电磁转矩 反转矩反转矩 直流发电机直流发电机(direct current generator)工作原理工作原理集美大学轮

6、机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 转子的转动：转子的转动：电枢绕组通入直流电流在定子磁场电枢绕组通入直流电流在定子磁场的作用下，受力产生转矩，转子转动。转动方向由的作用下，受力产生转矩，转子转动。转动方向由左手定则判断。左手定则判断。 换向：换向：转子转过转子转过180后，线圈边接触电刷更换而后，线圈边接触电刷更换而线圈边所处位置磁极极性也变了。因此，线圈流过线圈边所处位置磁极极性也变了。因此，线圈流过电流方向变反，线圈边产生的转矩方向也变反。电流方向变反，线圈边产生的转矩方向也变反。 转子转动后线圈感应电动势与电源电压平衡。转子转动后线圈感应电动势与电源电压

7、平衡。 结论：结论：电源电压是直流的，线圈感应电动势和流电源电压是直流的，线圈感应电动势和流过电流却都是交流，而产生电磁转矩方向不变。过电流却都是交流，而产生电磁转矩方向不变。 直流发电机直流发电机(direct current generator)工作原理工作原理集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统IU+SbNacd 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样如图所示。由于换向片和电源

8、固定联接，无论线圈怎样转动，总是转动，总是S极有效边的电流方向向里极有效边的电流方向向里, N极有效边的极有效边的电流方向向外。电动机电电流方向向外。电动机电枢枢绕组通电后中受力绕组通电后中受力（左手定（左手定则）则）按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转。U+U+电刷电刷换向片换向片IFFTn换向器作用：换向器作用：将外部直流电转将外部直流电转换成内部的交流换成内部的交流电，以保持转矩电，以保持转矩方向不变。方向不变。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统IU+SbNacdU+U+IFFTnEE 线圈线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电在磁场中旋转，将在线圈

9、中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。向相反。 由图可知，由图可知，电枢感应电动势电枢感应电动势E与电枢电流或外与电枢电流或外加电压方向总是加电压方向总是相反，所以称相反，所以称反反电势电势。电刷电刷换向片换向片集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置 直流电机的电枢绕组：直流电机的电枢绕组： 电刷的正确位置：电刷的正确位置： 这两点与电机结构有关，放在下一小节中介绍。这两点与电机结构有关，放在下一小节中介绍。集美大学轮

10、机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5.1.2 直流电机的构造直流电机的构造 基本组成：基本组成：定子和转子两大部分。定子和转子两大部分。 定子：定子：主磁极、换向极、电刷装置和机座等。主磁极、换向极、电刷装置和机座等。 转子：转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器等。电枢铁心、电枢绕组、换向器等。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统极掌极掌极心极心励磁绕组励磁绕组机座机座转子转子直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定直流电机由定子子(磁极磁极)、转子、转子(电枢电枢)和机座等和机座等部分构成。部分构成。SN+

11、N+S+集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统2. 转子转子(电枢，电枢，armature ) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1. 磁磁极极永磁式：永磁式：由永久磁铁做成。由永久磁铁做成。励磁式：励磁式：磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。形成电磁铁。励磁：励磁：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：单个绕组元件组成。电枢绕组：单个绕组元件组成。用来在电机中产生磁场

12、。用来在电机中产生磁场。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 解剖示意图解剖示意图 ( (自画自画) )集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统风叶风叶磁极磁极电刷电刷电枢转子电枢转子转轴转轴换向器换向器换向片换向片压紧环压紧环电枢绕组电枢绕组绕组端部绕组端部结构结构细说细说注：书注：书P.69. 图图5-5的电机的电机是较大型的电机，其电枢是较大型的电机，其电枢绕组中间开有通风槽。绕组中间开有通风槽。换向器换向器集美大学轮机工程学院集美大学轮

13、机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 定子结构（主要掌握作用）定子结构（主要掌握作用） 主磁极：主磁极：主极铁心由薄钢板冲片叠成，用螺栓固主极铁心由薄钢板冲片叠成，用螺栓固定在机座上，其上套有励磁绕组。励磁绕组中通入定在机座上，其上套有励磁绕组。励磁绕组中通入直流励磁电流产生主磁场。直流励磁电流产生主磁场。 参见参见“示意图示意图”。 换向极：换向极：其铁心尺寸比主极小，也用螺钉固定在其铁心尺寸比主极小，也用螺钉固定在机座上；在定子机座圆周上的安装位置与主磁极相机座上；在定子机座圆周上的安装位置与主磁极相间分布。换向极用于改善换向，减少因电磁原因而间分布。换向极用于改善换向，减少因电

14、磁原因而引起的电刷火花。引起的电刷火花。 机座：机座：是直流电机的固定支撑和防护部件，又是是直流电机的固定支撑和防护部件，又是磁路的一部分。机座通常是由铸钢制成。磁路的一部分。机座通常是由铸钢制成。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 主磁极主磁极 结构示意图结构示意图 截面图截面图集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 定子结构（续）（主要掌握作用）定子结构（续）（主要掌握作用） 电刷装置组成：电刷装置组成：刷架、刷杆、刷握、炭刷及压紧刷架、刷杆、刷握、炭刷及压紧弹簧等。弹簧等。 安装位置：安装位置：中小型电机刷架

15、装在端盖，或轴承内中小型电机刷架装在端盖，或轴承内盖上，大中型电机刷杆座固定在机座上。电刷装置盖上，大中型电机刷杆座固定在机座上。电刷装置则装在刷架的刷杆上。则装在刷架的刷杆上。 接线：接线：多对磁极、多对电刷的直流电机，正、负多对磁极、多对电刷的直流电机，正、负电刷分别并联在一起，然后只引出两个接线端到接电刷分别并联在一起，然后只引出两个接线端到接线盒上。线盒上。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统定定子子结结构构集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 两种刷握结构两种刷握结构集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学

16、院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 转子结构（主要掌握作用）转子结构（主要掌握作用） 电枢铁心：电枢铁心：电枢铁心是磁路的一部分，由固定在电枢铁心是磁路的一部分，由固定在转轴上的硅钢片叠成。铁心圆周上有均匀分布的槽，转轴上的硅钢片叠成。铁心圆周上有均匀分布的槽，槽内用于嵌放电枢绕组。槽内用于嵌放电枢绕组。 电枢绕组：电枢绕组：电枢绕组由绝缘铜线绕制而成，用以电枢绕组由绝缘铜线绕制而成，用以产生电动势和通过电流，是实现机电能量转换的重产生电动势和通过电流，是实现机电能量转换的重要部件。各绕组线圈的两个出线端按一定的规律焊要部件。各绕组线圈的两个出线端按一定的规律焊接到换向器片上，形成一闭合回

17、路。接到换向器片上，形成一闭合回路。 换向器：换向器：又称为又称为“铜头铜头”，主要由铜质换向片组，主要由铜质换向片组成其作用是与电刷配合起成其作用是与电刷配合起“机械整流器机械整流器”的作用。的作用。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统转转子子结结构构集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统转子剖面图转子剖面图集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 换向器换向器集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢绕组电枢绕组集美大学轮机工程学院集美大

18、学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢绕组的实质电枢绕组的实质 直流电机的电枢绕组是一个闭合回路：直流电机的电枢绕组是一个闭合回路： 见书见书P.67，“实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构成一个闭合回路。向片依次串联构成一个闭合回路。” 被电刷分割成几个支路并联，引接到外部电路。被电刷分割成几个支路并联，引接到外部电路。 随着转子的转动，电

19、刷接触不同的换向片，每个绕随着转子的转动，电刷接触不同的换向片，每个绕组元件将从一个支路换接到其它支路去（即换向）。组元件将从一个支路换接到其它支路去（即换向）。但某个磁极作用下的元件，固定与一对电刷连接。但某个磁极作用下的元件，固定与一对电刷连接。 参见下页的参见下页的“电枢绕组并联支路图电枢绕组并联支路图”。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢绕组支路图电枢绕组支路图集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢绕组（展开图）电枢绕组（展开图）另一半电枢绕组也构成另外一条支路。另一半电枢绕组也构成另外一条支路

20、。不管电枢如何转动，一条支路中绕组感不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应总电势大小基本不变（微小脉动）。应总电势大小基本不变（微小脉动）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电刷的正确位置电刷的正确位置 原则：原则：电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势。得最大电动势。 即，应将位于磁场几何中心线的即，应将位于磁场几何中心线的元件短接。元件短接。 参见参见“展开图展开图”。 展开图的画法：展开图的画法：元件几何形状对称时，电刷与磁极元件几何形状对称时，电刷与磁极的轴线重合。的轴线重合。 原理示意图的画法

21、：原理示意图的画法：原理示意图的绘制原则是尽量原理示意图的绘制原则是尽量简单，每个元件只画出上层边，用一个简单，每个元件只画出上层边，用一个“”表示。表示。此时的电刷就与此时的电刷就与“位于磁场几何中心线位于磁场几何中心线”的元件直接的元件直接接触（画在其旁边）。也就是电刷就不能再画在磁极接触（画在其旁边）。也就是电刷就不能再画在磁极的轴线上了。的轴线上了。 书书P.68，图，图5-4。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电刷位置电刷位置在展开图上的位置在展开图上的位置在原理示意图上的位置在原理示意图上的位置 原则：原则：都是将几中线上的元件短接。若不

22、在都是将几中线上的元件短接。若不在 反反电动势电动势 E下降下降 火花。火花。电枢反应电枢反应去磁或增磁去磁或增磁电压和转速电压和转速集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5.1.3 直流电机的额定值直流电机的额定值 在直流电机外壳的铭牌上，给出了直流电机的型号在直流电机外壳的铭牌上，给出了直流电机的型号和额定运行时各物理量的数值。额定值主要有：和额定运行时各物理量的数值。额定值主要有： 额定功率额定功率(kW) ：指额定状态下，发电机输出功率指额定状态下，发电机输出功率 Pn=UnIn或电动机轴上输出功率或电动机轴上输出功率 Pn=UnIn n ； 额定

23、电流额定电流(A)/额定电压额定电压(V) ：指额定状态下，发电指额定状态下，发电机输出的或电动机输入的额定电流机输出的或电动机输入的额定电流 I/ 额定电压额定电压U； 其它：其它：额定转速额定转速 (r/min)；励磁方式及额定励磁电；励磁方式及额定励磁电流流If (A)；绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。；绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1. 额定功率额定功率PN：电机轴上输出的机械功率。电机轴上输出的机械功率。2. 额定电压额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的直流电额定工作情况下的电枢上加的直流电压

24、。（例：压。（例：110V，220V，440V） 3. 额定电流额定电流IN ：额定电压下轴上输出额定功率时的电额定电压下轴上输出额定功率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。流（并励包括励磁和电枢电流）。 三者关系：三者关系：PN=UNIN （ ：效率）：效率）集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4. 额定转速额定转速nN：在在PN , UN , IN 时的转速。时的转速。 直流电机的转速一般在直流电机的转速一般在500r/min 以上。特殊的直以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（每分

25、钟每分钟3000转以上）。转以上）。注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过1.2nN 。直流电动机的额定值直流电动机的额定值集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统(3) 恒功率负载（恒功率负载（P 一定时，一定时，T和和n 成反比成反比) )，要选软特，要选软特性电机拖动。如：电气机车等。性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择：直流电动机特性类型的选择：(1) 恒转矩的生产机械（恒转矩的生产机械（TL一定，和转速无关一定，和转速无关）要选硬）要选硬特性的电动机，如：金属加工、

26、起重机械等。特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。(2) 通风机械负载，机械负载通风机械负载，机械负载 TL 和转速和转速 n 的平方成正的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。电动机的连接：电动机的连接：他励他励(并励并励)电机的励磁绕组电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。的阻值有几百欧姆。串励电机的励

27、磁绕组串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。的阻值与电枢绕组的相当。(1) 绕组的阻值范围绕组的阻值范围电枢绕组电枢绕组的阻值在零点几欧姆到的阻值在零点几欧姆到12欧姆。欧姆。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统（2）绕组的符号）绕组的符号S1T1B1C1H1 BC1Q1S2T2B2C2H2 BC2Q2电枢绕组电枢绕组他励绕组他励绕组并励绕组并励绕组串励绕组串励绕组 换向极绕组换向极绕组补偿绕组补偿绕组起动绕组起动绕组始端始端绕组名称绕组名称末端末端集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 直流电机工作原理（电枢两

28、端电压、电流和电直流电机工作原理（电枢两端电压、电流和电动势都是直流的，元件的电流与电动势则都是交动势都是直流的，元件的电流与电动势则都是交流的）；流的）； 组成结构（主要理解各个部件的作用）；组成结构（主要理解各个部件的作用）； 额定参数（额定功率是指输出功率）。额定参数（额定功率是指输出功率）。第一节要点第一节要点集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 本节的主要内容有五部分本节的主要内容有五部分 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 直流电机的基本理论直流电机的基本理论 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特

29、性 直流电机的电枢反应和换向直流电机的电枢反应和换向集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 复励：复励： 从磁通叠加效果看从磁通叠加效果看有：积复励、有：积复励、差复励；差复励；从绕组连接情况看从绕组连接情况看有：长有：长复励、短复励。复励、短复励。 积复励又分为：积复励又分为： 平复励、过复励、欠复励。平复励、过复励、欠复励。注意：注意：一般情况下，直流电动机不一般情况下，直流电动机不采用差复励，发电机不采用串励。采用差复励，发电机不采用串励。5.2.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式基本励磁方式：基本励磁方式：根据励磁绕组与电枢绕组连接情况分，根

30、据励磁绕组与电枢绕组连接情况分，有他励、并励、串励和复励等有他励、并励、串励和复励等4 种。种。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1. 他励电动机他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。以电动机为例以电动机为例 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。励电动机、串励电动机和复励电动机。UUfIaM+_+_IffR stR他励他励IaUM+_IffR stR+_IE并励并励集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系

31、统船舶电气设备及系统2. 并励电动机并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。3. 串励电动机串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励串励UIa+_IfM复励复励U+_IMIa4. 复励电动机复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。有并，接在同一电源上。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5.2.2 直流电机的基本理论直流电机的基本理论 两种运行状态：发电机和电动机。两种运行状态：发电机和电动机。只要

32、转子转动，只要转子转动，电枢绕组都会感应电势；只要电枢绕组有电流流过。电枢绕组都会感应电势；只要电枢绕组有电流流过。都会产生电磁转矩。都会产生电磁转矩。 公式：公式：P.70-71，5-1/5-2。 发电机：发电机：Ia与与E0同向（同向（ Ia是是E0产生的），产生的），T与与n反反向（向（原动机要克服原动机要克服T 才有才有 n ）。）。 电动机：电动机：Ia与与E0反向（反向（ E0要平衡要平衡U，才不会使，才不会使Ia太大），太大）， T与与n同向（同向（有有 T 转子才动，才有转子才动，才有n）。）。 电磁功率：电磁功率：P=T =E0Ia ，T 是机械功率，是机械功率，E0Ia是是

33、电功率。电功率。机电转换前后功率相等。机电转换前后功率相等。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统IU+SbNacdU+U+电刷电刷换向片换向片IFFTnEE 线圈线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。（发电机不同）向相反。（发电机不同）CE: 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n: 电动机转速电动机转速 ：磁通磁通1. 电枢感应电动势电枢感应电动势 E=CE n集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船

34、舶电气设备及系统IU+SbNacdU+U+电刷电刷换向片换向片IFFTnEE 由图可知，由图可知，电枢感应电动势电枢感应电动势E与电枢电流或与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称外加电压方向总是相反，所以称反电势反电势。（发电机不同。（发电机不同） aaaaRInCRIEUE 式中：式中：U 外加电外加电压压 Ra 绕绕组电阻组电阻2. 电枢回路电压平衡式电枢回路电压平衡式RaIaE+UM集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统CT: 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 : 线圈所处位置的磁通线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流电枢绕组中的电流3

35、. 电磁转矩电磁转矩单位单位: (韦伯韦伯)，Ia (安安) ，T (牛顿牛顿米米) 直流电动机电枢绕组中的电流（电枢电流直流电动机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）与）与磁通磁通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为（的电磁转矩公式为（D-拖动转矩、拖动转矩、F-制动转矩）制动转矩）T=CT Ia集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4. 转矩平衡关系转矩平衡关系 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩T 为驱动转矩，它使电枢转为驱动转矩，它使电枢转动。动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩在电机

36、运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡及空载损耗转矩相平衡，即，即 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程：转矩平衡过程：02TTT T2: 机械负载转矩机械负载转矩T0: 空载转矩空载转矩 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=T2 (平衡平衡)，此时，此时，

37、若若T2突然增加，则调整过程为突然增加，则调整过程为达到新的平衡点（达到新的平衡点（Ia 、 P入入 ）。T2 n Ia T E nCEE aaaREUI aICTT 发电机：发电机：P1=P2+ P集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5.2.3 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 空载特性：空载特性：条件：条件：I=0，n=nN。特性：特性：E0=f（If）。）。 实质：实质：磁化曲线。磁化曲线。与同步发电机相似，也是电与同步发电机相似，也是电机磁路的磁化曲线。机磁路的磁化曲线。空载特性：空载特性：1、与励磁方式无关。、与励磁方式无关。 2、剩磁

38、电压、剩磁电压 2% 5%Ue。 3、改变励磁电流，可调发电机的电压。、改变励磁电流，可调发电机的电压。E=CE n集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 过程：过程：转子转动，依靠剩磁可产生很转子转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，电阻足够小，正反馈的作用将继续下去

39、，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的数值上。数值上。 自励起压过程自励起压过程以并激机为例：红线以并激机为例：红线 tiLRiuffffdd0 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统条件：条件：1. 有剩磁（若无，应可充磁）有剩磁（若无，应可充磁） 2. 接线正确（励磁与剩磁同向）接线正确（励磁与剩磁同向） 3. 场阻线与空载特性有一个确定的交场阻线与空载特性有一个确定的交点（励磁电路电阻适当点（励磁电路电阻适当 不太大）。不太大）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 外特性外特性

40、(external ) 他励和并励特性：他励和并励特性： 他励的励磁电流他励的励磁电流If 与与Ia 没有没有关系，并励则随端电压下降有所关系，并励则随端电压下降有所减小。减小。 P.73，图，图5-11。 复励特性：复励特性： 有复励绕组，根据两个磁有复励绕组，根据两个磁通方向是否相同及相同磁通时补通方向是否相同及相同磁通时补偿情况有所不同（差复励如直流偿情况有所不同（差复励如直流电焊机）电焊机） P.73，图，图5-12。重新解释：重新解释： 直流发电机不用串励的原因。直流发电机不用串励的原因。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5.2.4 直流电动

41、机的运行特性直流电动机的运行特性 励磁方式：直流电动机的励磁方式有励磁方式：直流电动机的励磁方式有并励并励(parallel excitation )、串励、串励(series excitation)、复励、复励(Phase compound excitation)三种。因为他励与并励没有什三种。因为他励与并励没有什么区别，都由外部电源提供，因此统统归为么区别，都由外部电源提供，因此统统归为“并并励励”。 书书P.74，图，图5-13。 直流电动机不采用差直流电动机不采用差复励的励磁方式。复励的励磁方式。 因为，从因为，从P.74，式，式5-6可见，可见，Ia=(U-E)/Ra，而由，而由P.

42、70，式式5-1可知，可知，E=Ce n，若接成差复励，则随着，若接成差复励，则随着IaE，这又引起：，这又引起：Ia，最终，最终， E0，电机将因电机将因为大电流而烧毁为大电流而烧毁(实际设有熔断器保护实际设有熔断器保护)。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性利用利用E0 = ce n、T=KT Ia 和电压平衡方程可得：和电压平衡方程可得：机械特性方程式：机械特性方程式：kTncRcUn02Tae特点：特点：并（他）励特性，并（他）励特性， 直线、硬特性；串励，直线、硬特性；串励，空空载时载时 0，无理想空载

43、转速，注意无理想空载转速，注意“飞车飞车”；（积）；（积）复励，介于并励和串励之间。复励，介于并励和串励之间。自然机械特性：自然机械特性：又称为又称为“固有机械特性固有机械特性”（无人为改变参数）；（无人为改变参数）；人工机械特性：人工机械特性：是人为改变参数（弱磁、是人为改变参数（弱磁、降压、串电阻）。降压、串电阻）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性（求解）（求解）aaRIEU 特点：特点：励磁绕组与电枢并联励磁绕组与电枢并联由图可求得由图可求得aaREUI ffRUI aafIIII 由上分析可知：由上分析

44、可知： 当电源电压当电源电压U和励磁回路的电阻和励磁回路的电阻Rf一定时一定时, 励励磁电流磁电流 If 和磁通和磁通 不变，即不变，即 = 常数常数。IaUM+_IffR stR+_IE集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性（求解）（求解）则则 T=KT Ia = KT Ia IaUM+_IffR stR+_IETKKRnET2a KUnE 0令：令：TKKRKUn2ETaE 即：并励电动机的磁通即：并励电动机的磁通 = 常数，常数，转矩与电枢电流成正比。转矩与电枢电流成正比。 aTEaaI IT TKnKERIE

45、U 由以下公式由以下公式求得求得集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统KTnn0直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性（求解）（求解）转转速速降降:2aTKKRnET 理理想想空空载载转转速速:0KUnE 式中：式中：KTnTKKRKUn02ETaEIaUM+_IffR stR+_IE集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性（求解）（求解）n= f (T) 特性曲线特性曲线n0nNTN 并励电动机在负载变化并励电动机在负载变化时，时， 转速转速 n 的变化不大的变化不大硬机械特性

46、（自然特性）。硬机械特性（自然特性）。 改变电枢电压和电枢回路改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线。串电阻可得人工特性曲线。n0T n集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统例：例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。电源供电均可。电磁转矩：电磁转矩：T=CT Ia(1) 改变励磁电流的方向。改变励磁电流的方向。(2)

47、改变电枢电流的方向。改变电枢电流的方向。注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。的方向不能同时变。改变直流电机转向的方法有两种：改变直流电机转向的方法有两种：集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5.2.5 直流电机的电枢反应和换向直流电机的电枢反应和换向 发电机的电枢反应如右图，将发电机的电枢反应如右图，将其展开，则为下图。其展开，则为下图。 电动机若通入这样的电流，则电动机若通入这样的电流，则转向及前后极尖正好相反。转向及前后极尖正好相反。 电枢反应的波形见下页。电枢反应的波形见下页。集

48、美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢反应波形电枢反应波形（发电机）（发电机） 主磁通主磁通 f (磁密磁密Bf)波形是平波形是平顶波。电枢反应磁势顶波。电枢反应磁势Fa波形是波形是三角波。电枢反应磁通三角波。电枢反应磁通 a (磁密磁密Ba)波形是马鞍形波。波形是马鞍形波。 马鞍形波与平顶波叠加，气马鞍形波与平顶波叠加，气隙波形发生畸变。若磁路饱和隙波形发生畸变。若磁路饱和则后极尖增磁量小于前极尖的则后极尖增磁量小于前极尖的去磁量，每极总磁通减小，即去磁量，每极总磁通减小，即“电枢反应饱和时具有去磁效电枢反应饱和时具有去磁效应应”。 由图可见，物理中

49、性线偏离由图可见，物理中性线偏离几何中性线。几何中性线。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 换向过程换向过程 直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。流电机的换向。 绕组元件换向过程见下页。绕组元件换向过程见下页。 如果处于换向的元件，两个边所处的位置存在磁如果处于换向的元件，两个边所处的位置存在磁场场(不在几中线

50、上不在几中线上)，换向时间感应电动势，被电刷短，换向时间感应电动势，被电刷短接时，将产生电磁性换向火花，使电刷和换向器磨损接时，将产生电磁性换向火花，使电刷和换向器磨损加重，称为换向变坏（或换向恶劣）。加重，称为换向变坏（或换向恶劣）。 由于电枢磁场的存在，使几中线偏离物中线，则由于电枢磁场的存在，使几中线偏离物中线，则换向元件将感应电势，产生电磁火花。换向元件将感应电势，产生电磁火花。 直流电机换向器火花还可能由于其它原因造成。直流电机换向器火花还可能由于其它原因造成。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 绕组元件换向过程：绕组元件换向过程： 元件元件1-5 的换向过程。的换向过程。 绕组元件的换向过程绕组元件的换向过程集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 改善换向的方法说明改善换向的方法说明 改善换向的方法：改善换向的方法：.将电刷移到物中线；将电刷移到物中线；.设置换设置换向极，提供一个反向磁场，抵消电枢磁场。向极，提供一个反向磁场，抵消电枢磁场。 将电刷移到物中线：将电刷移到物中线：直流电机负载时常变化，即直流电机负载时常变化，即电枢反应大小变化，电枢反应大小变化，移动电刷难于完全改善换向。移动电刷难于完全改善换向。 设置换向极：设置换向极：这是最有效的方法，这是最有