1、 直流發電機的電路 5-1 5-2 直流電動機的電路 直流電機的電樞反應 5-3 5-4 直流電機的換向 本章彙總5-1.1他激式直流發電機他激式直流發電機主磁極磁通主磁極磁通m電樞應電勢電樞應電勢Ea電樞電阻電樞電阻Ra場繞組磁通場繞組磁通f轉速轉速n電刷壓降電刷壓降Vb激磁電流激磁電流If電樞電流電樞電流Ia輸出功率輸出功率Po場繞組電壓場繞組電壓Ef負載電流負載電流IL內生功率內生功率Pm磁場繞組內阻磁場繞組內阻Rf負載端電壓負載端電壓VL節目次節目次內生功率:發電機內部產生的功率，為應電勢Ea與電樞電流Ia的乘積。1有一部 4 極他激式直流發電機，電樞應電勢為 100 伏特，電樞電阻為
2、 0.04 歐姆，當電樞電流為 100 安培時，電刷壓降為 1 伏特，試求：(1)發電機的端電壓 VL；(2)發電機輸出功率 Po。(1)e100 伏特，IaIL100 安培，Ra0.04 歐 姆，Vb1 伏特 VLEaIaRaVb 1001000.4195（伏特）(2)PoVLIL951009500（瓦特）9.5（仟瓦）5-1.2分激式直流發電機分激式直流發電機主磁極磁通主磁極磁通m負載電流負載電流IL電樞電阻電樞電阻Ra分激場磁通分激場磁通f電樞電流電樞電流Ia電刷壓降電刷壓降Vb分激場電流分激場電流If電樞應電勢電樞應電勢Ea輸出功率輸出功率Po負載端電壓負載端電壓VL轉速轉速n內生功率
3、內生功率Pm分激場電阻分激場電阻Rf2有一部 4 極直流分激式直流發電機，電樞繞組總導體數 ZA1200 根，繞成單分疊繞，每一個主磁極磁通量 m 為 0.005 韋伯，每分鐘轉速 n 為 2100 轉，電樞電阻 Ra 為 0.05 歐姆，當電樞電流 Ia 為 100 安培，分激場電阻 Rf20 歐姆，電刷壓降為 5 伏特，試求：(1)負載端電壓 VL；(2)負載電流 IL；(3)負載輸出功率 Po。P4 極，ZA1200 根，n2100 轉分，m0.005 韋伯，Ia100 安培，Ra0.05 歐姆，Vb5 伏特，Rf 20 歐姆，m1分LW(1)amP144 條並聯路徑 VLEaIaRaV
4、b2101000.055 200（伏特）210（伏特）4 12002100 0.00560460AamPZEna ILIaIf1001090（安培）(2)10（安培）20020LffVIR(3)PoVLIL2009018000（瓦特）18（仟瓦）5-1.3串激式直流發電機串激式直流發電機主磁極磁通主磁極磁通m電樞應電勢電樞應電勢Ea串激場電阻串激場電阻Rs串激場磁通串激場磁通s轉速轉速n電刷壓降電刷壓降Vb串激場電流串激場電流Is負載端電壓負載端電壓VL輸出功率輸出功率Po電樞電流電樞電流Ia電樞電阻電樞電阻Ra內生功率內生功率Pm負載電流負載電流IL3有一部 4 極串激式直流發電機，其負載端
5、連接 10 個額定為 10 安培、200 瓦特的放電弧燈，設電樞電阻為 0.6 歐姆，串激場電阻為0.4歐姆，試求：(1)發電機應電勢 Ea；(2)內生功率 Pm。(1)IaIsIL100 安培，Ra0.65 歐姆，Rs0.4 歐姆，n10 個放電弧燈，每個燈額定電壓 Vi20 伏特 20010iiPI VLnVi1020200（伏特）EaVLIa(RaRs)21010(0.60.4)210（伏特）(2)PmEaIa210102100（瓦特）5-1.4長並聯複激式直流發電機長並聯複激式直流發電機串激場磁通串激場磁通s分激場電阻分激場電阻Rf串激場電阻串激場電阻Rs串激場電流串激場電流Is主磁極
6、磁通主磁極磁通m電刷壓降電刷壓降Vb電樞電流電樞電流Ia電樞應電勢電樞應電勢Ea負載電流負載電流IL分激場磁通分激場磁通f轉速轉速n輸出功率輸出功率Po分激場電流分激場電流If電樞電阻電樞電阻Ra內生功率內生功率Pm負載端電壓負載端電壓VL4一部長並聯複激式直流發電機，其應電勢 Ea212 伏特，電樞電阻 Ra0.06 歐姆，串激場電阻 Rs0.04 歐姆，當電樞電流 Ia100 安培，其電刷壓降 Vb2 伏特，分激場電阻 Rf20 歐姆，試求：(1)負載端電壓 VL；(2)輸出功率 Po。Ea212 伏特，IaIs100 安培，Ra0.06 歐姆，Rs 0.04 歐姆，Rf20 歐姆(1)V
7、LEaIa(RaRs)Vb 212100(0.060.04)2200（伏特）ILIaIf1001090（安培）(2)10（安培）20020LffVIR PoVLIL200901800018（仟瓦）5-1.5短並聯複激式直流發電機短並聯複激式直流發電機串激場磁通串激場磁通s串激場電阻串激場電阻Rs電樞應電勢電樞應電勢Ea串激場電流串激場電流Is分激場磁通分激場磁通f轉速轉速n負載電流負載電流IL分激場電流分激場電流If電樞電阻電樞電阻Ra輸出功率輸出功率Po分激場電阻分激場電阻Rf電刷壓降電刷壓降Vb負載端電壓負載端電壓VL主磁極磁通主磁極磁通m內生功率內生功率Pm分激場端電壓分激場端電壓Vf電
8、樞電流電樞電流Ia5一部 4 極短並聯複激式直流發電機，其額定值為 100 伏特、10 仟瓦，設其串激場電阻 Rs0.05 歐姆，分激場電阻 Rf105 歐姆，電樞電阻 Ra0.05 歐姆，試求：(1)電樞電流 Ia；(2)電樞應電勢 Ea；(3)內生功率 Pm。(1)額定功率輸出功率 Po10 仟瓦，額定電壓 VL 100 伏特 IsIL 100（安培）310 10100oLPV IaILIf 101（安培）105100105fLfVIR VfVLIsRs1001000.05105（安培）(2)EaVfIaRa1051010.05110（伏特）(3)PmEaIa1101011111011.1
9、1（仟瓦）節目次節目次5-2.1他激式直流電動機他激式直流電動機電源電流電源電流IL場繞組電壓場繞組電壓Ef電樞電流電樞電流Ia輸出功率輸出功率Po磁場繞組內阻磁場繞組內阻Rf電樞電阻電樞電阻Ra效率效率hm反電勢反電勢Em電刷壓降電刷壓降Vb主磁極磁通主磁極磁通m轉速轉速n內生功率內生功率Pm場繞組磁通場繞組磁通f電源電壓電源電壓Vt旋轉損失旋轉損失PS激磁電流激磁電流If節目次節目次6有一部 100 伏特、10 馬力（hp）、74.6%效率的他激式直流電動機，其電樞電阻 Ra0.05 歐姆，電刷壓降 Vb2 伏特，試求其反電勢 Em。Po10 馬力，hm74.6%，Vt100 伏特，Ra
10、0.05 歐姆，Vb2 伏特 IaIL 100（安培）10 74674.6%100omtPVh EmVtIaRaVb1001000.052 93（伏特）5-2.2分激式直流電動機分激式直流電動機主磁極磁通主磁極磁通m電源電流電源電流IL轉速轉速n分激場磁通分激場磁通f輸出功率輸出功率Po電樞電阻電樞電阻Ra分激場電流分激場電流If效率效率hm電刷壓降電刷壓降Vb電源電壓電源電壓Vt電樞電流電樞電流Ia機械功率機械功率Pm分激場電阻分激場電阻Rf反電勢反電勢Em旋轉損失旋轉損失PS7一部 4 極分激式直流電動機，電樞電阻為 Ra0.2 歐姆，電樞導體 ZA 有1200 根，採用單分波繞，轉速 n
11、 為 1200 轉分，每極磁通量 m0.005 韋伯，分激場電流 If 為 2 安培，電源供應的電流 IL 為 52 安培，電刷壓降為 Vb2 伏特，試求：(1)反電勢 Em；(2)所需電源電壓 Vt；(3)機械功率 Pm。P4 極，ZA1200 根，n1200 轉分，m0.005 韋伯，m1分WW a2m212 條路徑4 12001200 0.00560260AmmPZEna(1)240（伏特）(2)電源取用電流 IL52 安培，激磁電流 If2 安 培，Vb2 伏特 IaILIf52250（安培）(3)PmEmIa2405012000（瓦特）12（仟瓦）VtEmIaRaVb 240500.
12、22252（伏特）5-2.3串激式直流電動機串激式直流電動機主磁極磁通主磁極磁通m輸出功率輸出功率Po電樞電阻電樞電阻Ra串激場磁通串激場磁通s效率效率hm串激場電阻串激場電阻Rs串激場電流串激場電流Is電源電壓電源電壓Vt電刷壓降電刷壓降Vb電樞電流電樞電流Ia反電勢反電勢Em機械功率機械功率Pm電源電流電源電流IL轉速轉速n旋轉損失旋轉損失PS8一部串激式直流電動機，電源電壓 Vt100 伏特，電樞電阻 Ra0.08 歐姆，串激場電阻 Rs0.06 歐姆，當由電源取用電流 IL50 安培時，電刷壓降 Vb3 伏特，試求其反電勢 Em 及機械功率 Pm。Vt100 伏特，ILIaIs100
13、安培，Ra0.08 歐 姆，Rs0.06 歐姆，Vb3 伏特(1)EmVtIa(RaRs)Vb 10050(0.080.06)390（伏特）(2)PmEmIa90504500（瓦特）5-2.4長並聯複激式直流電動機長並聯複激式直流電動機分激場磁通分激場磁通f電樞電流電樞電流Ia串激場電阻串激場電阻Rs分激場電流分激場電流If電源電流電源電流IL電刷壓降電刷壓降Vb電源電壓電源電壓Vt主磁極磁通主磁極磁通m機械功率機械功率Pm分激場電阻分激場電阻Rf反電勢反電勢Em輸出功率輸出功率Po串激場磁通串激場磁通s轉速轉速n旋轉損失旋轉損失PS串激場電流串激場電流Is電樞電阻電樞電阻Ra9有一部長並聯複
14、激式直流電動機，電樞電阻 Ra0.06 歐姆，串激場電阻 Rs0.04 歐姆，分激場電阻 Rf50 歐姆，接於 200 伏特直流電源，當滿載時取用電流 54 安培，電刷電壓降 Vb2 伏特，試求其反電勢 Em。Vt200 伏特，Rf50 歐姆，IL54 安培，Ra 0.06 歐姆，Rs0.04 歐姆，Vb2 伏特 4（安培）20050tffVIR IaILIf54450（安培）EmVtIa(RaRs)Vb 20050(0.060.04)2193（伏特）5-2.5短並聯複激式直流電動機短並聯複激式直流電動機串激場磁通串激場磁通s串激場電阻串激場電阻Rs主磁極磁通主磁極磁通m串激場電流串激場電流I
15、s分激場磁通分激場磁通f電樞電流電樞電流Ia電源電流電源電流IL分激場電流分激場電流If電樞電阻電樞電阻Ra輸出功率輸出功率Po分激場電阻分激場電阻Rf電刷壓降電刷壓降Vb效率效率hm反電勢反電勢Em機械功率機械功率Pm電源電壓電源電壓Vt轉速轉速n旋轉損失旋轉損失PS分激場端電壓分激場端電壓Vf10有一部短並複激式直流電動機，電樞電阻Ra 0.05 歐姆，串激場電阻Rs 0.04歐姆，分激場電阻Rf 50 歐姆，接於Vt204 伏直流電源，當滿載時取用100安培，電刷壓降Vb2 伏特，試求其反電勢Em。結論結論直流發電機與直流電動機因構造完全相同，故可互換使用，且內部接線不需改接，惟應注意：
16、1.特性會改變者特性會改變者：差複激式發電機變為積複激式電動機，或積複激式發電機變為差複激式電動機，因電樞電流電樞電流方向相反。2.轉向會改變者轉向會改變者：串激式電機串激式電機因電樞電流反向、場磁通反向及判別轉向的定則改變，故轉向轉向相反。節目次節目次直流電機在運轉時，電樞繞組會有電流流動，將產生磁通，稱為電樞磁通電樞磁通 a。而電樞磁通對主磁極磁主磁極磁通通 m 的大小及分布，造成抵消或干擾等影響，稱為電樞反應電樞反應（Armature reaction）。節目次節目次1.名詞解釋名詞解釋(1)極軸極軸：主磁極的軸心。(2)機械中性面機械中性面：主磁極極軸的垂直平面。(3)電刷中性面電刷中
17、性面：電刷放置的平面。可移可不移，視有無設置中間極中間極而定。有中間極：電刷置於機械中性面，不需移位。無中間極：DCG電刷順轉向移位。DCM電刷逆轉向移位。(4)磁中性面磁中性面：主磁極磁通 m 與電樞磁通 a 的合成磁通即為綜合磁通 T，而綜合磁通等於零的平面，稱為磁中性面。位置位置均不改變直流電機不運轉時，各中性面會在同一平面上極軸電刷中性面磁中性面機械中性面極軸電刷中性面磁中性面機械中性面直流電機運轉時，磁中性面必然會偏移maT2.電樞反應的種類及發生原因電樞反應的種類及發生原因(1)電刷位於機械中性面不移位時電刷位於機械中性面不移位時：直流發電機直流發電機或直流電動機直流電動機，均會產
18、生電樞磁通與主磁極磁通相互垂直的正交磁正交磁電樞反應。(2)電刷順轉向移位時電刷順轉向移位時：直流發電機直流發電機會產生與主磁極磁通反方向的去磁去磁（ad）及與主磁極磁通垂直的交磁交磁（ac）之電樞反應；而直流電動機直流電動機則會產生與主磁極磁通同方向的加磁加磁（aa）及與主磁極磁通垂直的交磁交磁（ac）之電樞反應。(3)電刷逆轉向移位時電刷逆轉向移位時：直流發電機直流發電機會產生與主磁極磁通同方向的加磁加磁及與主磁極磁通垂直的交磁交磁之電樞反應；而直流電直流電動機動機則會產生與主磁極磁通反方向的去磁去磁及與主磁極磁通垂直的交磁交磁之電樞反應。3.電樞反應的影響電樞反應的影響(1)正交磁電樞反
19、應正交磁電樞反應：換向時，電刷與換向片間易產生火花現象。(2)去磁電樞反應去磁電樞反應：直流發電機直流發電機應電勢減少，火花減弱。直流電動機直流電動機轉矩減小，轉速加快，火花減弱。(3)加磁電樞反應加磁電樞反應：直流發電機直流發電機應電勢增加，火花增強。直流電動機直流電動機轉矩增大，轉速減慢，火花增強。4.電樞反應的磁動勢計算電樞反應的磁動勢計算名稱代號名稱代號單位單位名稱代號名稱代號單位單位總交磁磁動勢總交磁磁動勢 A安匝（AT）每極交磁磁動勢每極交磁磁動勢 a安匝極（AT/pole）總正交磁磁動勢總正交磁磁動勢 AC每極正交磁磁動勢每極正交磁磁動勢 ac總去磁磁動勢總去磁磁動勢 AD每極去
20、磁磁動勢每極去磁磁動勢 ad 磁動勢計算的相關單位(1)電刷置於磁中性面時電刷置於磁中性面時：僅產生正交磁電樞反應。(2)電刷由機械中性面移位電刷由機械中性面移位 電機角時電機角時：同時產生正交磁及去磁電樞反應。2AaZIaA2AaZIP aa21802AaZ IaAD A218018021802AaZIaAC A18021802180 2AaZIP aad a218018021802AaZIP aac a18021805.減免電樞反應不良影響的方法減免電樞反應不良影響的方法(1)改良主磁極改良主磁極：a.原理：原理：電樞反應會使綜合磁通偏向極尖，若增加極尖磁阻及降低極尖磁飽和度，可使極尖處的
21、磁通量減少且分布均勻，減免電樞反應的不良影響。b.改良方式：改良方式：單極尖磁極疊片疊製而成的主磁極。極掌弧心與電樞鐵心非同心圓的主磁極。挖空主磁極鐵心且與極軸平行的空槽之楞德爾磁極。單極尖的磁極疊片非同心圓的主磁極楞德爾磁極與極軸平行之空槽(2)設置補償繞組設置補償繞組：（湯姆生-雷恩法）a.原理：原理：補償繞組與電樞繞組串聯，故流過相同電流；補償繞組設置於主磁極表面槽中，且與相鄰的電樞繞組電流方向相反，因此在任意負載下，其磁通互相抵消。b.特點：特點：為抵消電樞反應的最佳方法最佳方法。c.計算方式：計算方式：極面弧長 c 占極距 YP 的百分比僅70%（即70%），故每極所需補償繞組的根數
22、 Zc 或匝數 Nc 分別為：cPYZc11AZP aNc2cZ裝置位置 主磁極表面槽中電路連接方式 串聯(3)設置中間極（換向磁極）設置中間極（換向磁極）：a.原理：原理：中間極是放置於主磁極機械中性面上的小磁極，繞組與電樞繞組串聯。中間極所產生的磁通須與電樞磁通相反，才可抵消電樞反應。b.特點：特點：（N、S 表主磁極極性，n、s 表中間極極性）直流發電機直流發電機中間極極性依轉向次序為 NsSn。直流電動機直流電動機中間極極性依轉向次序為 NnSs。c.計算方式：計算方式：中間極的鐵心較小，無法涵蓋整個電樞，故一般需取 1.25 倍以抵消電樞磁場。每極所需中間極繞組的根數 Zce 或匝數
23、 Nce 分別為：Zce514AZP aNce2ceZ發電機中間極極性 NsSn電動機中間極極性 NnSs 11有一部 4 極直流電機，其電樞繞組有 288 根導體，採用單分疊繞時，電樞電流為 120 安培，試求：(1)電刷置於機械中性面未移位時，總電樞反應磁動勢 A 為多少安匝？(2)電刷移位15機械角時，每極去磁磁動勢 ad 及每極正交磁磁動勢 ac 各為多少安匝？(3)若使用補償繞組，每極需要多少根導體？（70%）若使用中間極繞組，每極需要多少匝線圈？P4 極，ZA288 根，Ia120 安培，m1分LW amP144 條路徑cPY(1)電刷未移位時，電樞反應總磁動勢288212024A
24、aZ Ia A 4320（安匝）(2)電刷移位15機械角時，相當於移位 30電機角，故每極去磁磁動勢2P4152A ad a 360（安匝極）2 23043201804180P2180 每極交磁磁動勢 acaaad 360 720（安匝極）432041802180(3)使用補償繞組時，每極所需要補償繞組根數12881704411%AZP a Zc 26（根極）51242528814244ceAZZP a Nce 11（匝極）(4)使用中間極繞組時，每極所需要中間極繞組匝數節目次節目次直流電機的電樞繞組在運轉時，於通過電刷前後，其流過電樞繞組的電流方向改變之過程，稱為換向換向（Commutati
25、on）。直流發電機直流發電機：換向的目的在於將感應電勢外接使用，並轉變為直流電。直流電動機直流電動機：換向的功用在於改變線圈的電流方向，使線圈邊在磁場中可以產生同方向的轉矩，因而能繼續同方向旋轉。節目次節目次(1)定義定義：換向期間電流變化率 為定值，其換向 曲線為一直線，又稱為直線換向直線換向或線性換向線性換向，為最理想的換向。(2)現象現象：換向時，換向片與電刷間幾無火花產生。1.理想換向理想換向it2.低速換向低速換向(1)定義定義：換向初期 較小，換向末期 較大，又稱為欠換欠換向向。(2)原因原因：電刷位於磁中性面之後。直流發電機直流發電機：電刷移位不足或負載增加。直流電動機直流電動機
26、：電刷移位過度或負載減少。(3)現象現象：換向末期電流變化率較大，電刷後端易毀損。itit3.過速換向過速換向(1)定義定義：換向初期 較大，換向末期 較小，又稱為過換過換向向。(2)原因原因：電刷位於磁中性面之前。直流發電機直流發電機：電刷移位過度或負載減輕。直流電動機直流電動機：電刷移位不足或負載增加。(3)現象現象：換向初期電流變化率較大，電刷前端易毀損。itit1.裝置補償繞組裝置補償繞組：可抵消電樞反應，使主磁場不再發生偏移。2.裝置中間極裝置中間極：可產生換向電勢，抵消其電抗電壓，為改善換向的最佳方式。3.延長換向期間延長換向期間：可使 較小，降低電抗電壓。4.減少每個電樞繞組的電
27、感量減少每個電樞繞組的電感量：可降低電抗電壓，達改善換向之目的。it節目次節目次1.直流分激式發電機電路直流分激式發電機電路：mf IfIaILIf EaVLIaRaVb PmEaIa2.直流分激式電動機電路直流分激式電動機電路：mf IfIaILIf EmVtIaRaVb PmEmIaLfVRtfVR節目次節目次3.電樞反應電樞反應：電樞磁通 a 對主磁極磁通 m 的大小及分布，造成抵消或干擾等影響，稱為電樞反應。電刷位置電刷位置與電樞繞組連接方式與電樞繞組連接方式匝數匝數機械中性面機械中性面正交磁電樞反應電刷與換向片間有火花。順轉向移位順轉向移位DCG正交磁及去磁電樞反應應電勢減小，火花減
28、弱。DCM正交磁及加磁電樞反應轉矩加大，轉速減慢，火花增強。逆轉逆轉向移位向移位DCG正交磁及加磁電樞反應應電勢增加，火花增強。DCM正交磁及去磁電樞反應轉矩減小，轉速加快，火花減弱。節目次節目次4.電樞反應的磁動勢電樞反應的磁動勢：(1)電刷未移位時(2)電刷移位 機械角時，2P2AaZIaA2AaZIP aa2180 2AaZIP aad18021802AaZIP aac節目次節目次5.減免電樞反應不良影響的方法減免電樞反應不良影響的方法：(1)改良主磁極改良主磁極：高磁阻極尖。低磁飽和度極尖。楞德爾磁極。(2)設置補償繞組設置補償繞組：(3)設置中間極設置中間極：DCG NsSn。DCM NnSs。(4)移刷法移刷法：DCG 順轉向移位。DCM 逆轉向移位。Zce514AZP aZc11AZP a節目次節目次6.換向換向：節目次節目次7.改善換向的方法改善換向的方法：(1)裝置補償繞組。(2)裝置換向磁極。(3)延長換向時間。(4)減少電樞線圈電感量。(5)提高電刷的接觸電阻。(6)移刷法。節目次節目次回首頁回首頁
