第2章直流电机
2.1 概 述用作发电机,可以获得直流电源用作电动机,由于其具有良好的调速性能,在许多调速性能要求较高的场合,得到广泛使用。
直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用,也可作为电动机使用。
信号传递,直流测速发电机将机械信号转换为电信号信号传递,直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。
直流电机的优缺点直流发电机的电势波形较好,受电磁干扰的影响小。
直流电动机的调速范围宽广,调速特性平滑。
直流电动机过载能力较强,起动和制动转矩较大。
由于存在换向器,其制造复杂,价格较高。
2.1.1 直流电机的工作原理
1、直流电动机的工作原理物理模型图
1、直流发电机的工作原理问题2:直流电机通过电刷引出的感应电势的性质?
问题3:直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流电势?
为了得到稳定的直流电势,直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置,并通过多个换向片联接成电枢绕组。
问题1:直流电机电枢单个导体中感应电势的性质?
换向器的作用
2、直流电动机的工作原理换向器由互相绝缘的换向片构成,装在轴上与电枢一同旋转,换向器又与两个固定不动的电刷A、B 相接触,这样当直流电压加于电刷时,
换向器的作用使外电路的直流电流改为线圈内的交变电流,以保证每极下导体中所流过的电流方向不变,从而使电机连续的旋转。
每极下导体电流方向不变产生恒定方向的电磁转矩
3、直流电机的可逆性一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,只是外界条件不同而已 。如果用原动机拖动电枢恒速旋转,就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电;如果在电刷端外加直流电压,则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转,从而把电能转变成机械能。 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理,在电机理论中称为可逆原理。
2.1.2 直流电机的主要结构部件旋转电机都是由定子和转子两大部分组成一、定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。
1)主磁极,在大多数直流电机中,主磁极是电磁铁,
为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗,主磁极铁心用1~
1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。
主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.
2)换向极:换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间,它也是由铁心和绕组构成。
4)电刷装置:电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接,并与换向器相配合,起到整流或逆变器的作用。
3)机座:一是作为电机磁路系统中的一部分,二是用来固定主磁极、换向极及端盖等,起机械支承的作用。
因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。
转子又称为电枢,包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。
1)电枢铁心:示电机主磁路的一部分,用来嵌放电枢绕组的,为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗,电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。
二、转子部分
2)电枢绕组,电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧。
电枢绕组 通过电流和感应电动势,是实现机电能量转换的关键性部件。
(3)换向器 换向器也是直流电机的重要部件,在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流,起整流作用,而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流,即起逆变作用。换向器由许多换向片组成,片间 用云母绝缘,电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上。
2.1.3 直流电机的额定值为使电机安全可靠地工作,且保持优良的运行性能,电机厂家根据国家标准及电机设计数据,对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值,这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有:
N
P
1.额定容量 (功率)(kW)
N
U
2.额定电压 (V);
N
I3.额定电流 (A);
N
n
4.额定转速 (r/min);
fN
I5.励磁方式和额定励磁电流 (A)
注意,额定容量,对直流发电机来说,是指电刷端输出的电功率,对直流电动机来说,是指轴上输出的机械功率 。
NNN
IUP =
直流发电机的额定容量为:
NNNN
IUP η=
直流电动机的额定功率为:
2.2 直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的核心部分,在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。
因此,电枢绕组须满足以下要求:
a) 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下,
尽可能节省有色金属和绝缘材料;
b) 结构简单,运行可靠。
电枢绕组分,1.叠绕组 2.波绕组 3.混和绕组
2.2.1 名词术语介绍
( 1)磁极轴线:磁极的中心线;
( 2)几何中性线:磁极之间的平分线,
( 3)极对数 p
( 4)极距 τ:在电枢铁心表面上,一个极所占的距离。
可用槽数表示,τ = Z /(2 p ) (槽),式中 Z为电枢总槽数;
( 5)元件(线圈):是绕组的一个基本单元,可为单匝,也可为多匝,
1
y
( 6)元件节距 (第一节距):元件两条边的距离,
以槽数计,总是整数,
ε
:是使凑成整数的分数。
=±= ε
p
Z
y
2
1
整数
1
1
1
y
y
y
τ
τ
τ
=?
<
>
整距绕组短距绕组长距绕组
(7) 第二节距 y
2
相串连的两个元件中,第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离,称为第二节距。
用 y2表示,也用虚槽数计算,
k
y
8)换向器节距 通常用换向片数 K来表示。
y
7)合成节距
2.2.2 单叠绕组元件依次相连,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。
下面通过例子说明单叠绕组如何连接,有何特点。
例,已知某直流电机的极对数 p=2,槽数 Z,件数 S及换向片数为 Z=S=K=16,试画出单叠绕组展开图。
解:1.计算绕组数据因为是单叠,所以
4
22
16
2
1
=
×
=±= ε
p
Z
y
1==
k
yy
y
1
=4
y=1
2.画绕组展开图
16151413121110987654321
( 1)先画 16根等长、等距的实线,代表各槽上层元件边,再画 16根等长等距的虚线,代表各槽下层元件边。
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415
1
y
( 2)根据,画出第一个元件的上下层边( 1~ 5槽),
令上层边所在的槽号为元件号;
( 3)画出第二个元件,上层边在第 2槽,与第一个元件的下层边联接;下层边在第 6槽与 3号换向联接。按此规律,一直把 16个元件全部联起来。
( 5)放磁极:磁极宽度约为均匀分布在圆周上,N极磁力线垂直向里(进入纸面),S极向外(从纸面穿出);
16151413121110987654321
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415
SN NS
( 6)电刷的放置:
a) 正、负电刷间引出的电动势最大;
b) 被电刷所短路的元件电动势为零。
在元件端接线对称的情况下,电刷的实际位置应在磁极中性线下,所以习惯上称为,电刷放在几何中性线位置,
16151413121110987654321
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415
SN NS
A + B -
3.单叠绕组电路图为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接次序及其电动势分布情况,
按图将各元件的联接顺序,可得到如图所示的绕组电路图。
单叠绕组的特点
a) 元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上;
b) 并联支路数等于磁极数,2a= 2p ;
c) 整个电枢绕组的闭合回路中,感应电动势的总和为零,绕组内部无,环流,;
d) 每条支路由不相同的电刷引出,所以电刷不能少,电刷数等于磁极数;
e) 电刷间引出的电势为每一支路电势,正、负电刷间引出的电流为各支路电流之和。
2.2.3 单波绕组单波绕组的连接规律是,从某一换向片出发把相隔约为两个极距的同极性磁场中对应位置的所有元件串连起来。这种绕组连接的特点是元件两出线端所连换向片相隔较远,相串连的两元件也相隔较远,形状如波浪一样向前延伸,所以称为波绕组,
1
K
K
yy
P
±
==
“+”表示右行
“-”表示左行每个元件在换向器上跨过 yc换向片,绕一周后需接到起始换向片的左边( k-1),
或右边( k+1)一个换向片上例,已知某直流电机的极对数 p=2,槽数 Z,件数 S及换向片数为 Z=S=K=15,试画出单叠绕组展开图。
15 1
7
2
K
yy
== =
1
15 3
3
244
i
Z
y
p
ε=±=?=
437
12
=?=?= yyy
y
1
=3 y
2
=4
y=7
2.画绕组展开图
1151413121110987654321
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 33
7y =
1
3y =
4
2
=y
2.画绕组展开图
1151413121110987654321
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 33
A + B -
电枢电路图单波绕组的特点
1,同极性下各元件串连起来组成一条之路
a=1
2,几何形状对称时电刷应放在主磁极中心线上
3,电刷数也应等于极数,可减小每组电刷上的电流,改善换向
2.3 直流电机的磁场
2.3.1 直流电机的励磁方式,
他他他积积他差积他
1.串他他
2.并他他
3.积他他自他他直直直直直他直直他励磁电流由其他直流电原单独供给,励磁绕组和电枢绕组相互独立。
1.他励
2 并励式
af
UU =
fa
III +=
电枢绕组和励磁绕组相并联,满足自励式:顾名思义,励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同,自励式又分为串励式、并励式和复励式:
3 串励
fa
III ==
电枢绕组和励磁绕组相串联,满足:
4 复励式:
fS
FFF +=

Sf
FFF?=

在整个励磁回路中,有两套励磁绕组,一套和电枢绕组相并联,一套和电枢绕组相串联,
根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系,又可分为积复励和差复励:
积复励:串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致,互相叠加,
反之,叫做差复励:
2.3.2 空载时直流电机的磁场分布空载,发电机出线端没有电流输出,电动机轴上不带机械负载,即电枢电流为零的状态。 那么,这时的气隙磁场,只由主极的励磁电流所建立,所以直流电机空载时的气隙磁场,又称励磁磁场。
主磁通,经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链,能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩,称为主磁通Φ
0
.
漏磁通,仅交链励磁绕组本身,不进入电枢铁心,不和电枢绕组相交链,不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩,称为漏磁通Φ
σ
xlB
xx
dd =Φ
空载时每极主磁通设电枢圆周为 x 轴而磁极轴线处为纵轴,又设电枢长度为 l,则离开坐标原点为 x 的 dx 范围内的气隙主磁通为:



+
+
=
=
Φ=Φ
2
2
2
2
0
τ
τ
τ
τ
dxBl
ldxB
d
x
x
x
则,
空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。
电机的磁化曲线:
气隙线
0
()
f
FI
0
Φ
磁化曲线
F‘
0
在额定状态下,电机往往工作在饱和点附近,这样即可以获得较大的磁通,又不致需要太大的励磁磁动势,从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。
2.3.3 负载时的电枢磁动势显然,由于电枢磁动势的出现,气隙磁场将会发生变化。
电枢反应,电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。
而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同,分为交轴电枢反应和直轴电枢反应,下面我们就来具体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到底会有怎样的影响,而这个影响又和电刷在电机上位置的摆放密切相关:
一、电刷在几何中性线上省去换向器,电流的换向在电刷处沿电枢表面展开交轴电枢磁动势
D
ixZ
aa
π
2
22
)
2
(
2
1
)(
ττ
π
≤≤?
==
x
Ax
D
ixZ
xf
aa
a
D
iZ
A
aa
π
=
设主极中心取为原点O,取一经过距原点+x及-x的闭合回路,设Z
a
为电枢绕组总导体数,D为电枢直径,
根据安培环路定律,此回路所含的安培导体数为:
在 x 处气隙的磁势为
2
τ
AF
aq
=
A为电枢表面单位长度上的安培导体数称为线负荷。
交轴电枢磁势达到最大值
D
iZ
A
aa
π
=
2
τ
=x
在几何中性线处,即 处,
磁密的空间分布式:
)()(
)(
)()(
00
0
x
Ax
x
xF
xHxB
a
aa
δ
μ
δ
μ
μ
==
=
二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势交轴电枢磁动势的分布直轴电枢磁动势的分布电枢磁动势的分布
2.3.4 电枢反应负载时电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。
如果电枢磁动势有交轴和直轴分量,则电枢反应就相应的称为交轴电枢反应或直轴电枢反应。
1.交轴电枢反应电枢磁密的空间分布式:
)()(
)(
)()(
00
0
x
Ax
x
xF
xHxB
a
aa
δ
μ
δ
μ
μ
==
=
交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用,
在另半个极内则起增磁作用,引起气隙磁场畸变使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线,新的等于零的我们称之为物理中性线不计饱和,交轴电枢反应即无增磁,亦无去磁作用。
考虑饱和时,起到去磁作用交轴电枢反应性质
a) 交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用,
在另半个极内则起增磁作用,引起气隙磁场畸变,
使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线,新的等于零的我们称之为物理中性线。
b) 不计饱和,交轴电枢反应即无增磁,亦无去磁作用。
考虑饱和时,起到去磁作用。
2,直轴电枢反应发电机,电刷 顺 着旋转的方向移动一个夹角,对主极磁场而言,直轴起 去磁 反应发电机,电刷 逆 着旋转的方向移动一个夹角,对主极磁场而言,直轴起 助磁 反应
2.3.5 电枢电动势和电磁转矩一、电枢电动势电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势,也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以,我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势,再求一条支路的。
一个磁极极距范围内,平均磁密用 B
av
表示,极距为 τ,电枢的轴向有效长度为 l,每极磁通为Ф,则
l
B
av
τ
Φ
=
lvBe
avav
=
一根导体的平均电动势为:
60
2
n
pv τ=
又因为
60
2
n
pe
av
Φ=
所以
a
N
2
一条支路里的串联总导体数 ( N 为电枢总导体数)
电枢电动势
nCn
a
pN
n
p
a
N
e
a
N
E
E
ava
Φ=Φ=
Φ×==
60
60
2
22
称为电动势常数
a
pN
C
E
60
=
二、电磁转矩
2
D
fT
avx
=
aavav
ilBf?=
1)一个导体的平均电磁力
2)平均电磁力乘以电枢的半径,即得到一根导体所受的平均转矩
3)总的电磁转矩
22
em
D
N
a
I
lBT
a
av
=
为转矩系数
a
pN
C
T
π2
=
为电枢总电流
aa
aiI 2=
π
τ
τ 2
2
2
p
N
a
I
l
l
a
Φ
=
a
I
a
pN
Φ=
π2
aT
IC Φ=
三、电动势常数和转矩常数四、直流电机的电磁功率
55.9
2
60
==
π
E
T
C
C
eT
CC 55.9=
Ω=ΩΦ=
Ω
Φ=Φ==
em
em
2
2
60
60
TI
a
pN
I
a
pN
nICIEP
a
aaeaa
π
π
C
E
,C
T
对于一个具体的电机而言,是一个常数,
并且通过换算,两者之间有一固定的关系,
2.4 直流发电机的基本特性
2.4.1 直流发电机的基本方程式直流发电机在拖动系统中大都作为电源使用,目前直流发电机有被大功率可控硅整流电源取代的趋势,但有些系统中还要使用。
基本方程式,1、电端口的电压平衡方程式
2、机械端口的转矩平衡方程式
1 电压方程
I
+
-
Rf
直流发电机稳态电路
+
-
U
Ea
aa
baaa
RIU
UrIUE
+=
Δ++=
2
a
II =他励磁电机
fff
RIU =对励磁回路:
对电枢回路:
式中 r
a
:电枢绕组电阻,
R
a
:电枢回路总电阻,包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻。
b
UΔ2,正、负一对电刷上的接触电压降,Ea>U,输出电流作为电枢电流的正方向
UU
f
=并励磁直流电机
fa
III +=对发电机
sa
III ==串励直流电机
I
S
:串励绕组中励磁电流励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励磁相同输入功率:P
1
=P
em
+p
mec
+p
Fe
+p
ad
电磁功率:P
em
=p
cuf
+p
cua
+P
2
功率平衡,P
1
=p
mec
+p
Fe
+p
ad
+p
cua
+p
cuf
+P
2
P
2
=UI
2,功率平衡方程式电磁功率
Ω=ΩΦ=
Ω
Φ=Φ==
em
em
2
2
60
60
TI
a
pN
I
a
pN
nICIEP
a
aaeaa
π
π
输入功率
1
P
电磁功率
em
P
输出功率
2
P
定子铜耗
cu
p
附加损耗
ad
p
铁心损耗
Fe
p
机械损耗
mec
p
直流发电机有功功率的流程图


+
==
pP
p
P
P
21
2

发电机的效率额定负载时,直流发电机的效率与电机的容量有关。
10kW以下的小电机,效率约为75%~88.5%;
10~100kW的,效率约为85%~90%;
100~1000kW的电机,效率约为88%~93%。
3 转矩方程原动机以 T
1
的转矩拖动转子沿逆时针方向旋转,则
E
a
,I
a
,T
em
的方向如图所示,T
e
的方向与 T
1
相反,为制动性质的转矩,T
e
为拖动转矩。则:
01
TTRTT
emem
+=Ω+=
Ο
其物理意义为:当电机作为发电机运行时,拖动转矩
T
1
与发电机内部产生的制动性质转矩 T
em
和电机本身的机械阻力转矩 T
0
相平衡。
一台并励直流发电机,P
N
=35kW,U
N
=115V,n
N
=1450 r/min,
电枢回路电阻 R
a
=0.0243Ω,一对电刷压降 2ΔU
b
=2V,励磁回路电阻
R
f
=20.1Ω,求额定时的电磁功率和电磁转矩?
例题 2-1
A
R
U
I
f
f
72.5
1.20
115
===
解:励磁电流
A
U
P
I
N
N
N
3.304
115
35000
===负载电流
AIII
fNa
31072.53.304 =+=+=电枢电流
V
URIUE
baaNa
533.12420243.0310115
2
=+×+=
Δ++=
电枢电动势
WIEP
aaem
23.38605310533.124 =×==
电磁功率
Nm
n
P
T
N
em
em
2.254
1450
605.38
95509550 =×==电磁转矩
2.4.2 他励直流发电机的运行特性所谓运行特性,就是要找出电机在工作的过程中所展现的某些特性,并将这些特性用曲线的形式进行表示,在直流电机中,我们要重点掌握的有:
(1)负载特性,指当n=常数且I=常数时,U=f(I
f
)的关系,其中当I=0时的特性U
0
=f(I
f
)称为发电机的空载特性
(2)外特性,指当n=常数,且I
f
=常数或R
f
=常数时,
U=f(I)
(3)调节特性,指当n=常数且U=常数时,I
f
=f(I)
1.空载特性
)( 0
0 fN
IfUICnn =?===
+
-
Rf
直流发电机空载试验
+
-
U
Ea
A
V
f
I
0
U
n
=
n
N
E
0
正比于 Φ
0
,I
f
正比于 F
f
空载特性 U
0
=f(I
f
)等价于电机的磁化特性 Φ
0
= f(F
f
)
由于剩磁的存在,励磁电流为零时,空载电压不为零
2.负载特性
)(
0 fN
IfUCICnn =?

===
去磁的电枢反应所增加的励磁
f
I
U
1f
I

1f
I
O
E
U
+
-
Rf
直流发电机负载试验
+
-
R
L
Ea
A
V
A
电枢回路电阻的压降
3.外特性的关系常值 )( IfUICnn
N
====
)(IfU =
Cnn
N
==
f
I
fNfNN
IIIIUU === 此时
,
,
用实验方法测取外特性时,发电机电枢加入负载电阻 R
L
,当 时,调 R

和使
N
f
I
然后保持 不变,变 R
L
使 I逐渐减小测取 U,I,
即得
I
U
N
U
N
I
aaeaaa
RInCRIEU?Φ=?=
↓→Φ?→ UEI
a
↓→↑→ URII
aaa
%100
)(
0
×

=
Nf
IIN
N
U
UU
U
由电压方程随着负载的增加,电压U下降的原因发电机端电压随负载而变化的程度用电压调整律来衡量,发电机从额定负载过渡到空载时,端电压变化的数值与额定电压的比值,称为额定电压调整率。
1)去磁作用
2)电枢电阻的压降
4.调节特性
)( IfICUUCnn
fNN
=?====
N
I
I
f
I
0f
I
N
I
曲线为什么是一条上翘的曲线
1)补偿去磁的电枢反应
2) 电枢回路电阻压降
2.4.3 并励发电机的自励和运行特性
1.并励发电机的自励并励和复励都是一种自励发电机,即不需要外部电源供给励磁电流,这种自励发电机首先是在空载时建立电压即所谓,自励,,然后再加负载。
由于电机磁路中总有一定剩磁,当发电机由原动机推动至额定转速时,发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。
励磁绕组又是接到电枢两端的,在剩磁电压的作用下,励磁绕组将流过一个不大的电流,并产生一个不大的励磁磁动势。
如果励磁绕组接法正确,即这个励磁磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同,使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所增加。
在比较高的励磁电压作用下,励磁电流又进一步加大,
导致磁通的进一步增加,继而电枢端电压又进一步加大。
从图可以清楚地看出,当发电机的电压上升到 P点所对应的电压时,恰好等于励磁电流通过励磁回路所需的电阻压降,因此电枢电压和励磁电流都不会再增加,
自励过程达到了稳定状态。
在自励过程中,发电机的电压是否会无限制地增长下去呢?
并励发电机的自励条件:
1)电机必须有剩磁。
2)励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合,以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。
3)励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。
必须明确


,发电机的转速不同时,空载特性也不同。因此,对应于不同的转速便有不同的临界电阻。
如果励磁绕组本身的电阻即已超过所对应的临界电阻值,电机是不可能自励的,这时唯一的办法是提高电机的转速,从而提高其临界电阻值。
气隙线的斜率
2.并励发电机的运行特性与他励相同,也有外特性,调整特性和效率特性。
调整特性和效率特性与他励十分相近,仅说明其外特性。
外特性:
的关系常值 )( IfURCnn
fN
====
与他励外特性比较,并励的外特性有三个特点:
1)同一附载电流下,端电压较低。
2)外特性有,拐弯,现象。
3)稳定短路电流小为什么外特性会出现,拐弯,现象??
在磁路比较饱和的区域中(图中 AP段),
随,由于磁路比较饱和,所以由于 If的减少而引起 Ea 和 U的减少不大。即负载电阻减小,负载电流增大,一直到外特性,拐弯,点,该点电流称为临界电流约为( 2~3) I
N

L
RUI /=
↓↓→↑→↓→
fL
IUIR
若 R
L
进一步减小,U和 I
f
进一步减小,此时磁路饱和度降低(图中 A’A段),I
f
的稍微减小,将引起 Ea的很大下降,致使端电压 U下降的幅度大于 R
L
减小的幅度。
于是外特性出现,拐弯,现象,即 R
L
减小时,U减小,负载电流反而下降。
2.4.4 复励发电机的运行特性复励发电机有并励绕组和串励绕组两个励磁绕组,而串励绕组的作用是随着负载电流的增加增磁,补偿了并励绕组的去磁作用。所以复励发电机的外特性较平直。
2.5 直流电动机的基本特性
2.5.1 直流电动机的基本方程式直流电动机是直流发电机的一种逆运行状态,将电能变为机械能。所以直流电动机稳定运行特性最主要的就是转矩 ——转速特性即机械特性。。
基本方程式,1、电端口的电压平衡方程式
2、机械端口的转矩平衡方程式
1.电压方程
I
+
-
Rf
直流电动机稳态电路
+
-
U
Ea
aaa
baaa
RIE
UrIEU
+=
Δ++=
2
a
II =他励磁电机
fff
RIU =对励磁回路:
对电枢回路:
式中 r
a
:电枢绕组电阻,
R
a
:电枢回路总电阻,包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻。
b
UΔ2,正、负一对电刷上的接触电压降,
U>Ea,输入电流作为电枢电流的正方向
UU
f
=并励磁直流电机
fa
III +=对电动机
sa
III ==串励直流电机
I
S
:串励绕组中励磁电流励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励磁相同
2.功率平衡方程式电磁功率
Ω=ΩΦ=
Ω
Φ=Φ==
em
em
2
2
60
60
TI
a
pN
I
a
pN
nICIEP
a
aaeaa
π
π
cufcuaemffaaaa
ffaaaafafa
PPPIURIIE
IUIRIEUIUIIIUUIP
++=++=
++=+=+==
2
1
)()(
输入功率,P
1
=UI(电功率)
020202
)( PPTTTTTP
emem
+=Ω+Ω=Ω+=Ω=
电磁功率:
功率平衡:
cufcuacufcuae
PPPPPPPP +++=++=
021
输入功率
1
P
电磁功率
em
P
输出功率
2
P
铜耗
cu
p
附加损耗
ad
p
铁心损耗
Fe
p
机械损耗
mec
p
直流电动机功率的流程图


+
==
pP
p
P
P
21
2

电动机的效率
3.转矩方程电动机 T
em
的转矩拖动负载(转矩为 T
2
)旋转,考虑到空载制动转矩的存在,T
2
+T
0
为制动性质的转矩,T
em
为拖动转矩,则:
02
TTT
em
+=
其物理意义为:当电机作为电动机运行时,拖动转矩
T
em
与负载的制动性质转矩 T
2
和电机本身的机械阻力转矩 T
0
相平衡。
2.5.2 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性,是指 U=U
N
,I
f
=I
fN
时,转速
n、电磁转矩 T
em
和效率 η随输出功率 P
2
而变化的关系。
R
j
并励电动机试验接线图
+
-
Ea
A
V
R
st
A
I
起动时接入起动电阻,起动完毕后将电阻切除。
Φ
=
Φ
Φ
=
Ce
IR
n
I
Ce
R
Ce
U
n
aa
a
aN
0
N
UU =
fNf
II =0=
c
R
()
2
Pfn =当,,时,的关系,
叫做转速特性。
P2增加转速 n下降
Ia增加一、他励(并励)直流电动机的工作特性
1,转速特性
2
P
,,nTη
N
P
O
n
2.转矩特性
3.效率特性
2
P
,,nTη
N
P
O
n
2
T
2
2
P
T =
Ω
随负载的增加,转速略有下降,则该曲线为过原点,上翘的曲线电磁转矩 T
em
=T
2
+T
0
0
T
em
T
η
典型的效率曲线二、串励直流电动机的工作特性:
由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联,所以励磁电流就是电枢电流,即它是随负载的变化而变化的。因此,其工作特性将与他(并)励直流电机的工作特性有所不同。
R
st
串励电动机试验接线图
+
-
Ea
A
V
I
1.转速特性
)(,
aSN
IfnRUU === 常值
Φ

=∴

+=++Φ=
e
aa
aSeSae
C
RIU
nRIInKCRRInCU )(∵
%100
4/1
×

N
N
n
nn
n
串励的转速特性与并励截然不同,它随负载增加迅速降低,变化很大。
当空载时,I
a
→ 0,Φ→0,n→∞转速达到危险的高速,
称“飞车”现象,因此串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。转速特性与纵轴无交点。其转速调整率定义为:
4/1
n为输出功率等于1/4P
N
时的转速。
2
P
,,nTη
N
P
O
n
em
T
η
串励电动机的效率特性,和他(并)
励电动机相似。
2.转矩特性
3.效率特性
2
2
P
T =
Ω
随负载的增加,转速略有下降,则该曲线为一上翘的曲线三、复励直流电动机的工作特性如果并励磁动势起主要作用,其工作特性就接近并励电动机;若串励磁动势起主要作用,其工作特性就接近串励电动机。
因为有并励磁动势,空载时没有飞车的危险。
2
P
,,nTη
N
P
O
并励串励复励复励电动机通常接成积复励,它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。
2.5.3 直流电动机的机械特性定义,在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下,电机的转速与电磁转矩之间的关系,
nn
Tn
T
CC
R
C
U
n
em
em
Te
e
Δ?=
=
Φ
Φ
=
0
0
2
β
)(
em
Tfn =
由电机的电路原理图可得机械特性的表达式,
一、并励电动机的机械特性机械特性的曲线:
T
em
T
N
T
0
0
'n
0
n
N
n
n
通常称β大的机械特性为软特性,β小的机械特性为硬特性。
二、固有机械特性和人为机械特性
1.固有机械特性当 时的机械特性称为固有机械特性:
aNN
RRUU =Φ=Φ=,,
em
NTe
a
Ne
N
T
CC
R
C
U
n
2
Φ
Φ
=
2.人为机械特性当改变 或 或 得到的机械特性称为人为机械特性
U
a
R
Φ
1)电枢串电阻时的人为特性保持 不变,只在电枢回路中串入电阻 的人为特性:
NN
UU Φ=Φ=,
S
R
em
NTe
Sa
Ne
N
T
CC
RR
C
U
n
2
Φ
+
Φ
=
特点:(1)n
0
不变,β变大;
(2)R
S
越大,特性越软。
T
em
0
n
n
a
R
Sa
RR +
2)降低电枢电压时的人为特性保持 不变,只改变电枢电压 的人为特性:
Na
RR Φ=Φ=,U
em
NTe
a
Ne
T
CC
R
C
U
n
2
Φ
Φ
=
特点:(1)n
0
随 U 变化;
(2)U 不同,曲线是一组平行线。
T
em
0
n
n
N
U
1
U
N
UU <
1
01
n
3)减弱励磁磁通时的人为特性保持 不变,只改变励磁回路调节电阻 的人为特性:
Na
UURR ==,
Sf
R
em
Te
a
e
N
T
CC
R
C
U
n
2
Φ
Φ
=
特点:(1)弱磁,n
0
增大;
(2)弱磁,β增大
01
n
T
K1
1
Φ
2
Φ
02
n
T
K2
N
Φ
T
em
n
T
K
0
n
三、机械特性的求取求两点:1)理想空载点:
2)额定运行点:
),0(
0
nnT
em
==
),(
NNem
nnTT ==
1.固有机械特性 (已知,)
NNNN
nIUP,,
,
步骤,
1)估算
:
a
R
2
)
3
2
~
2
1
(
N
NNN
a
I
PIU
R
=
2)计算,
NTNe
CC ΦΦ 和
N
NNN
Ne
n
PIU
C

NeNT
CC Φ=Φ 55.9
3)计算理想空载点:
Ne
N
em
C
U
nT
Φ
==
0
,0
4)计算额定工作点:
NNNTN
nnICT =Φ=,
2、人为机械特性的求取在固有机械特性方程 的基础上,
根据人为特性所对应的参数 或 或 变化,
重新计算 和,然后得( )、( )。
em
Tnn β?=
0
S
R
U
Φ
o
n
β
0
,0 n
nT
N
,
四、串励直流电动机的机械特性
aj
a
ee
RR
U
nI
CC
+
=?
ΦΦ
1
2
()
aj
a j
ef
fem
eem
T
RR
CUU
nCR
Ck
kT
CT
C
+
=?=?+
2
/
em T f
TC k=Φ
f a
kIΦ=
f
em
T
k
T
C
Φ=
T
em
n
0=
j
R
1j
R
12 jj
RR >
2.6 直流电机的起动、制动与调速
2.6.1 直流电动机的起动起动:电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行,这就是电动机的起动过程。
起动条件:1、起动转矩要足够大,
2、起动电流不要太大,
注意:因为在起动时,n=0,反电动势 E
a
=0
a
N
st
R
U
I =
直接起动 起动电流为:
可见,这种方法下的起动电流很大,因此,除了小容量的电动机可采用直接加电压起动的方法外,一般直流电动机都不采用这种方法。
1.直接起动
2.电枢回路串电阻起动
sta
aN
st
RR
EU
I
+
=
sta
N
st
RR
U
I
+
=
st
R
0≠
a
E
我们在电枢回路中串入电阻,可减小起动电流,当起动转矩大于负载转矩,电动机开始转动,此时,则随着转速的升高,反电动势不断增大,起动电流继续减小,
但是,同时起动转矩也在减小,
所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩,加速电动机的起动过程,采用将起动电阻一段一段逐步切除。
I
n
maxst
I
O
minst
I
N
I
1
A
2
A
3
A
4
A
A
1
B
2
B
3
B
3.降低电枢电压起动
a
st
R
U
I =
这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。串励与复励直流电动机的起动方法基本上与并励直流电动机一样,采用串电阻的方法以减小起动电流。 但特别值得注意的是串励电动机绝对不允许在空载下起动,否则电机的转速将达到危险的高速,电机会因此而损坏。
2.6.2 直流电动机的制动
1.能耗制动:
在生产过程中,经常需要采取一些措施使电动机尽快停转,或者限制势能性负载在某一转速下稳定运转,
这就是电动机的制动问题。实现制动既可采用机械的方法或电气的方法。
R
j
电动机的能耗制动
+
-
Ea
R
st
I
R
L
电枢回路接至负载电阻 R
L
N
U Φ=Φ=,0
2
NTe
a
CC
RR
n
Φ
+
=
制动时,电动机的电能不在供向电网,而是在电阻上以电阻压降的形式进行消耗,这样一来使的电机的转速迅速下降。这时电机实际处于发电机运行状态,将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻和电枢回路的电阻上,所以称为能耗制动。
n
z
I
O
N
I
I
1
A
2
A
机械特性方程式为机械特性分析:
a
a
a
R
I
E
R?=
max
min
结果分析:这种方法所串入的电阻越小,耗制动开始瞬间的制动转矩和电枢电流就越大,而电流太大,会造成换向上的困难,因此能耗制动过程中电枢电流有个上限,即电动机允许的最大电流。由可以计算出能耗制动过程电枢回路中串入制动电阻的最小值:
这种制动方法在转速较高时制动作用较大,随着转速下降,制动作用也随之减小,在低速时可配合使用机械制动装置,使系统迅速停转。
TIE
aa
,,
能耗制动运行:
他励直流电动机拖动势能性负载运行,在达到上述零点时(电磁转矩为零),由于负载转矩不为零,结果,在负载转矩的作用下,电机开始反转,
如图随着转速的升高,
均逐渐增大,最后和负载转矩相等时稳定运行,这种过程叫做能耗制动运行。
n
z
I
O
N
I
I
1
A
2
A
3
A
2.电压反接制动
a
aN
a
R
EU
I
=
反接制动过程分析,
如图所示,电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接,电枢电流也将反向,主磁通不变,则电磁转矩反向,产生制动转矩。
机械特性分析 ;
反接前
R
j
电动机的反接制动
+
-
Ea
R
st
I
R
Z
a
a
aN
R
I
EU
R?
+
=
max
min
N
UU?=
a
aN
a
R
EU
I
+
=
'
反接后:
因此反接后电流的数值将非常大,为了限制电枢电流,所以反接时必须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。
n
z
I
O
N
I
I
1
A
2
A
3
A
0
n
0
n?
N
UU?=
N
Φ=Φ
RR
a
+
T
CC
RR
C
U
n
NTe
a
Ne
N
2
Φ
+
Φ
=
0
n?
2
NTe
a
CC
RR
Φ
+
电压反接制动时,
电枢回路的电阻为:
电动机的机械特性方程式为:
其对应的曲线为过 点,
斜率为的直线。
n
z
I
O
N
I
I
1
A
2
A
3
A
0
n
0
n?
3.到拉反转制动运行他励直流电动机 拖动位能性恒转矩负载 运行,电枢回路串入电阻,将引起转速下降,串的电阻越大,转速下降越多。如果电阻大到一定程度,将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第Ⅳ象限,如图所示,
这时电动机接线未变,转速反向。
是一种制动运行状态,称为倒拉反转制动运行。
n
O
N
I
I
1
A
2
A
3
A
0
n
倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放重物的场合。在这种运行方式中,
电动机的电磁转矩起了制动作用,限制了重物下降的速度。改变的大小,即可改变机械特性的交点,使重物以不同的稳定速度下降。
n
O
N
I
I
1
A
2
A
3
A
0
n
4.回馈制动
n
z
I
O
N
I
I
1
A
2
A
0
n
正向回馈制动,他励直流电动机拖动负载运行,电机将系统具有的动能反馈回电网,且电机仍为正向转动,称之为正向回馈制动。如图A

点反向回馈制动,他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行,采用电压反接制动,电机将系统具有的动能反馈回电网,电机为反向转动,
称之为反向回馈制动。
如图 A
2
点。
n
O
N
I
I
1
A
2
A
0
n
0
n?
2.6.3 他励直流电动机的调速
T
CC
RR
C
U
n
Te
a
e
2
Φ
+
Φ
=由机械特性方程:
可知,他励直流 电动机有 3种方法可以调速:
( 1)改变电枢电压;
( 2)改变励磁电流,即改变磁通;
( 3)电枢回路串入调节电阻。
1.电枢回路串电阻调速电枢回路串联电阻越大,机械特性的斜率越大,因此在负载转矩恒定时,即为常数,增大电阻,
可以降低电动机的转速
n
O
N
T
em
T
1
A
2
A
3
A
0
n
1
B
直至稳定运行在 A2点。
调速过程:
原来未串阻时,工作在 A1点电枢串入电阻时,n来不及突变,由 A1点到 B1点电枢电流下降,电磁转矩下降,使转速 n下降优点,设备简单,操作方便。
缺点,属有级调速,轻载几乎没有调节作用,低速时电能损耗大,接入电阻后特性变软,负载变化时转速变化大(动态精度差)只能下调。
若是位能性负载,串入较大的电阻,可以让电动机反转(倒拉反转)。此种调速方法一般用于调速性能要求不高的设备上,如电车,
吊车,起重机等。
n
O
N
T
em
T
1
A
2
A
3
A
0
n
1
B
2,弱磁调速改变Φ的调速,增大Φ可能性不大,因电机磁路设计在饱和段。所以只有减弱磁通。可在励磁回路中串阻或降低励磁电压来实现。
O
N
T
em
T
n
1
A
2
A
3
A
0
n
1
B
fN
I
1f
I
12fN ff
I II>>
2f
I
eme
Te
a
e
TnT
CC
R
C
U
n β?=
Φ
Φ
=
0
2

Φ
=↑
Φ
=?↓Φ
2
0
,
Te
a
e
CC
R
C
U
n β
但 n
0
比β T
em
增加快,
一般情况下Φ下调,
转速上升。
缺点,调速范围小,只能上调,磁通越弱,I
a
越大,使换向变坏。
优点,设备简单,控制方便。
调速平滑,效率几乎不变,调节电阻上功率损耗不大。
O
N
T
em
T
n
1
A
2
A
3
A
0
n
1
B
fN
I
1f
I
12fN ff
I II>>
2f
I
3,降低电枢电压调速因为电机在正常工作时,电枢电压不能超过额定电压,所以,采用向下调速。
很显然,在这里,只改变了
n
0
,所以我们将得到一系列平行与固有特性的曲线。
O
N
T
em
T
n
0
n
0
n

0
n
′′
1
A
1
B
2
A
O
N
T
em
T
n
0
n
0
n

0
n
′′
1
A
1
B
2
A
直至稳定运行在 A2点。
调速过程:
原来未串阻时,工作在 A1点电枢电压下降时,n来不及突变,由 A1点到 B1点电枢电流下降,电磁转矩下降,使转速 n下降特点,改变电枢电压调节转速的方法具有较好的调速性能。由于调电压后,机械特性的“硬度”不变,因此有较好的转速稳定性,调速范围较大,同时便于控制,可以做到无级平滑调速,损耗较小。在实际工程当中,常常采用这种方法。
缺点,转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外,
应用这种方法时,电枢回路需要一个专门的可调压电源,过去用直流发电机-直流电动机系统实现,由于电力电子技术的发展,目前一般均采用可控硅调压设备—
直流电动机系统来实现。
直流电动机上述三种调速方法中,改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩调速,而弱磁调速属于恒功率调速。
一台并励直流电动机,P
N
=17kW,U
N
=220V,n
N
=3000r/min,电枢回路总电阻 Ra=0.114Ω,励磁回路电阻 R
f
=181.5Ω,忽略电枢反应的影响,求:
( 1)电动机的额定输出转矩;( 2)额定负载时的电磁转矩;
( 3)额定负载时的效率; ( 4)在理想空载时 (I
a
= 0)的转速;
( 5)当电枢回路中串入一电阻 R=0.15Ω时,在额定转矩下的转速。
例题 2-
Nm1.54
3000
17
95509550 =×==
N
N
N
n
P
T
A
R
U
I
f
N
f
21.1
5.181
220
===
AIII
fNa
7.8721.19.88 =?=?=
07.0
3000
114.07.87220
=
×?
=

N
aaN
Ne
n
RIU
C
NmICICT
aNeaNTemN
63.587.8707.055.955.9 =××=Φ=Φ=
解,①额定输出转矩
②额定负载时电磁转矩:
励磁电流电枢电流例题 2- 一台并励直流电动机,P
N
=17kW,U
N
=220V,n
N
=3000r/min,电枢回路总电阻 Ra=0.114Ω,励磁回路电阻 R
f
=181.5Ω,忽略电枢反应的影响,求:
( 1)电动机的额定输出转矩;( 2)额定负载时的电磁转矩;
( 3)额定负载时的效率; ( 4)在理想空载时 (I
a
= 0)的转速;
( 5)当电枢回路中串入一电阻 R=0.15Ω时,在额定转矩下的转速。
869.0
9.88220
17000
1
=
×
===
NN
NN
IU
P
P
P
η
min/3143
07.0
220
0
r
C
U
n
Ne
N
==
Φ
=
min/r2812
07.0
)15.0114.0(7.87220)(
=
+?
=
Φ
+?
=
Ne
aaN
C
RRIU
n
③额定负载时效率
④理想空载时的转速
⑤当电枢回路串入R=0.15 Ω,在 T
N
时转速一台并励直流电动机,P
N
=10kW,U
N
=220V,n
N
=1000r/min,电枢回路电阻 r
a
=0.283Ω,2ΔUb=2V,η
N
=83%,I
fN
=1.7A,带恒转矩负载,现采用电枢回路串电阻的调速方式,将转速降到500r/min,求:
1)电枢电流 I
a; 2)电枢回路调节电阻 R
j; 3)调速后电机的效率;
例题 2-11
AIII
fNNa
07.537.177.54 =?=?=
20298.0
1000
2283.007.532202
=
×?
=
Δ?

N
aabN
Ne
n
RIUU
C
kW05.12
83.0
10
1
===
N
N
P
P
η
解,①额定负载时的输入功率
②电动机的额定电流电枢电流
A77.54
220
12050
1
===
N
N
U
P
I
稳定后电枢电流不变,
Ω=?
×
=?
Φ?Δ?
= 912.1283.0
07.53
50020298.022202
a
a
NebN
j
R
I
nCUU
R
负载转矩不变,则 %5.41
05.12
5
1
2
===
P
P
ηkW5
2
==
N
N
n
n
PP
一台并励直流电动机,P
N
=10kW,U
N
=220V,n
N
=1000r/min,电枢回路电阻 r
a
=0.283Ω,2ΔUb=2V,η
N
=83%,I
fN
=1.7A,带恒转矩负载,采用电枢回路串电阻的调速方式,设串入的电阻为1.0 Ω。
1)计算串入电阻瞬间的电枢电动势、电枢电流和电磁转矩;
2)电动机稳定后的转速;
例题 2-12
AIVEC
aNaNNe
07.53,98.202,20298.0 ===Φ
解,①由上例题可知:
串入电阻瞬间,转子转速不变,则电动机的电动势不变,
电枢电流
② 稳定后的转速:
电磁转矩:
VEE
aNa
98.202 ==
A
RR
EUU
I
ja
abN
a
71.11
283.1
98.20222202
=

=
+
Δ?
=
min/r55.738
20298.0
283.1*07.532220
)(2
=

=
Φ
+?Δ?
=
E
jaaNb
C
RRIUU
n
mN69.2271.1120298.055.955.9
em
=××=Φ=Φ=
aEaT
ICICT
一台并励直流电动机,P
N
=10kW,U
N
=220V,n
N
=1000r/min,电枢回路电阻 r
a
=0.283Ω,2ΔUb=2V,η
N
=83%,I
fN
=1.7A,带恒转矩负载,采用弱磁调速方式,设磁通减少20% 。
1)开始瞬间的电枢电流; 2)稳定后的电枢电流和转速;
例题 2-13
AIVEC
aNaNNe
07.53,98.202,20298.0 ===Φ
解,①由上例题可知:
开始瞬间,转子转速不变,则电枢电流
② 稳定后的转速:
T
L
恒定,则电磁转矩不变,稳定后的电枢电流:
A
R
nCUU
I
a
EbN
a
52.196
283.0
1000*8.0*20298.022202
=

=
Φ?Δ?
=
min/r9.1226
8.0*20298.0
283.0*34.6622202
=

=
Φ
Δ?
=
E
aab
C
RIUU
n
AII
aN
N
a
34.66
8.0
07.53
==
Φ
Φ
=
一台它励直流电动机,P
N
=10kW,U
N
=220V,n
N
=1000r/min,电枢回路电阻 r
a
=0.283Ω,2ΔUb=2V,η
N
=85.6%,I
fN
=1.7A,带恒转矩负载,现采用降低电枢电压的调速方式,将转速降到500r/min,求:
1)电枢电流 I
a; 2)电枢电压; 3)调速后电机的效率;
例题 2-14
AII
NaN
07.53==
20298.0
1000
2283.007.532202
=
×?
=
Δ?

N
aabN
Ne
n
RIUU
C
kW6754.11
856.0
10
1
===
N
N
P
P
η
解,①额定负载时的输入功率
②电动机的额定电流电枢电流
A07.53
220
4.11675
1
===
N
N
U
P
I
稳定后电枢电流不变,
VIRUnCU
aabNe
5.118283.0*07.53250020298.02 =++×=+Δ+Φ=
负载转矩不变,则
%5.79
289.6
5
1
2
===
P
P
η
kW5
2
==
N
N
n
n
PP
输入功率,P
1
=118.5*53.07=6.289kW
2.7 直流电机的换向一、换向的物理过程当电枢旋转时,元件从一条支路通过电刷进入另一条支路时,该元件中的电流就要改变一次方向,这种电流方向的改变称为换向。
二、换向元件中的感应电动势
1.电抗电动势
dt
di
Leee
rMLr
=+=
换向元件中,在电流变化时,必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势,称为电抗电动势。
ni
KL
e
a
r
r
30
=
可见电机的负载越重,转速越高,则 越大。根据楞次定律,漏感的作用总是阻碍电流变化的,因为电流是在减少,所以其方向必与 + i
a
方向相同。
2.旋转电动势
aaca
lvBNe 2=
虽然换向元件位于几何中性线处,主磁场的磁密等于零,但是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁场,而在其中产生一种旋转电动势,称为电枢反应电动势。为:
即当负载越重,转速越高时,e
a
越大。据右手定则可以判定,无论是发电机或电动机状态,e
a
的方向总是与换向前元件中电流方向相同,即与方向相同,也是阻碍换向的。
3 电刷下产生火花的电磁原因
∑∑

+
==
R
ee
R
e
i
ra
K
在换向元件中存在着两个方向相同的电动势 e
a
+e
r

因此在换向元件中,会产生附加的换向电流 i
k
由 i
k
所建立的电磁能量 要释放出来。当这部分能量足够大时,它将以火花的形式从后刷边放出,
使维持连续,这就是电刷下产生火花的电磁原因。此外还有机械及电化学方面的原因。
rk
Li
2
2
1
三、改善换向的方法从产生火花的电磁原因出发,减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势,就可以有效地改善换向。目前最有效的办法是装换向极。
对换向极的要求是
a) 换向极应装在几何中性线处;
b) 换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动势的方向相反。
c) 由于 e
r
∝ I
a
n是随负载的大小及转速而变化的,为使换向电动势 e
k
在任何负载下都能抵消 er,要求 e
k
∝ I
a
n。根据
e
k
=2N
c
B
a
lv
a
,需要 B
a
∝ I
a
,所以换向极绕组必须与电枢绕组串联,而且换向极磁路应不饱和。