直流电机基本构造详解.docx
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直流电机基本构造详解
第二章文獻探討1
第一節直流電基本構造1
第二節基本公式2
第三節線圈連接方式2
第三節電刷的種類及特性2
第四節電樞反應及換向3
第五節、各種直流發電機之特性曲線4
第六節、直流電動機特性曲線5
第七節電機三大並聯運用之條件6
第八節交直流電動機起動規定7
第九節感應電動機之啟動7
第十節損失8
第十一節交流電機之實驗9
第十二節二瓦特量三相功率10
第十三節絕緣10
第十四節變壓器構造10
第十五節三相感應電動機14
第十六節單相交流電動機16
第十七節三相同步機17
第十八節特殊電機20
第一節直流電機基本構造
結構
功能
備註
直流機殼採用疊片式矽鋼片
減少過流損
矽含量5%以下
極掌面積大於極心
減低空氣隙的碳通密度
分激場繞導線細
匝數多電阻大.電流小
與電樞繞組並聯
串激場繞導線粗
匝數少電阻小.電流大
Rf（分）>>Ra>>Rfs（串）
中間極→改善換向
補償繞組→抵銷電樞反應
與電樞繞組串聯
斜形槽
減少噪音
換向器與電刷
內部交流電AC
外部直流電DC
第二節基本公式
發電機
電動機
備註
（nt-m）
△φ=BA（wb）
Wm=2πS
第三節線圈連接方式
壘繞
波繞
適用電機
低電壓、大電流
大電壓、低電流
電流路徑數
a=m（重入數）*p（極數）
a=2m（重入數）
電刷數
p（極數）
2只或p只
均壓線
p>2時需均壓線
不需均壓線
換向片距
±m
（C±m）/（P/2）
公式
Ys=S（槽數）/P（極數）
Yb=Cs*Ys+1
Yf=Yb±Cs*m
N=S*Cs/2
Yav=（Z±2*m）/P
Yav奇數Yb=Yf=Yav
Yav偶數Yb=Yav+1
Yf=Yb-2*m
蛙腿繞=單式跌繞+複分波繞（不需均壓線）
註：
C（換向片數）=N（線圈數）=S（槽數）*Cs（每槽元件數）/2
第三節電刷的種類及特性
種類
特性
用途
碳質
接觸電阻高、摩擦係數大
高壓、小容量、低速
石墨
接觸電阻低小、摩擦係數小
中低壓、高速、大容量
電氣石墨
接觸電阻適中、摩擦係數小
一般直流機
金屬石墨
接觸電阻小、摩擦係數小
低壓、大電流
第四節電樞反應及換向
壹、電樞反應：
負載電流產生電樞磁場對主磁場之干擾
發電機
電動機
前極尖
減少
增加
後極尖
增加
減少
效應
去磁及交磁
去磁及交磁
磁中性面
順向移位
逆向移位
電刷
順向移位
逆向移位
效果
應電勢下降（E=Kψn）
轉矩下降（T=KψI）
轉速上升（n=E/Kψ）
貳、換向
低速換向
過速換向
定義
換向初期（△i/△t）較小
換向末期（△i/△t）較大
換向初期（△i/△t）較大
換向末期（△i/△t）較小
發電機
電刷超過新中性面（之後）
移位不足
負載增加
電刷不到新中性面（之前）
移位過度
負載減少
電動機
移位過度
負載減少
移位不足
負載增加
結果
後端（（跟）部分過熱
前端（趾）部分過熱
電抗電壓E=（L+ΣM）*（2Ic/Tc）
參、改善換向之方法
1.延長換向期間
2.減少電感量
3.提高電刷接觸電阻
4.設置補償繞組
5.移電刷法
6.增設中間極（發電機依轉動方向NsSn）
肆、去磁安匝與交磁安匝
去磁安匝：
F（去磁）=（Z/360°）*2α*（1/2）*（Ia/a）=N*I
（每ㄧ機械角內之導體數Z/360°，每極去磁安匝之角度為2α）
交磁安匝：
F（交磁）=（Z/2）*（Ia/a）-F（去磁）
伍、減少電樞反應之方法
方式
功能
備註
採用高磁阻極尖左右疊成
增加磁阻
楞德爾磁極法
主磁極上刻空心長槽增加磁阻
補償繞阻法（湯姆生-雷恩）
置於主磁極極面上，與電樞串聯
抵銷電樞磁動勢
Fa=（Z/2）*0.7*（1/P）*（Ia/a）
[0.7=極面弧度/極距]
Fc=（Zc/2）*Ia=Fa
Zc=0.7*[Z/（P*a）]
中間極
移動電刷
第五節、各種直流發電機之特性曲線
種類
電路圖
曲線
他激式
E=V+Ia*Ra+Vb
Vb電刷壓降
分激式
IL=Ia+If
E=V+Ia*Ra+Vb
串激式
E=V+Is*（Ra+Rs）
複激式
E=V+Is*（Ra+Rs）
IL=Is+If
發電機外部特性曲線
分激式E=Knψ，V=E-Ia*Ra
串激式E=Knψ
積複激式E=Kn（ψf+ψs）
差複激式E=Kn（ψf-ψs）
第六節、直流電動機特性曲線
轉速曲線
分激式n=（V-Ia*Ra）/K*ψ
串激式n=V/K*ψ
積複激式n=V/K*（ψf+ψs）
差複激式n=V/K*（ψf-ψs）
壹、分激式與串激式之比較
分激式
串激式
發電機與電動機轉向
相同
相反
電源互換
轉向改變
轉向不變
使用交流電
不轉動
轉向不變
轉子飛脫
場電阻斷線
無載時（不可使用皮帶）
貳、直流電動機之應用
特性
用途
分激式
定速、調速
車床
串激式
變速
吊車、起重機、果汁機
積複激式
定速、調速間
電梯
參、直流電動機速率控制
公式
控制法
特性
n=
E/Kψ
場電阻控制法
Rf↑，If↓，ψ↓，n↑
轉矩隨速度上升而下降又稱定馬力控制
簡單、方便、有效
電樞電阻控制法
E=V-Ia*Rn
Rn↑，E↓，n↓
轉矩不隨速度上升而下降又稱定轉矩控制
電壓控制法
E=V-Ia*Rn
V↓，E↓，n↓
可得寬廣速度控制，但價格昂貴
第七節電機三大並聯運用之條件
1.直流發電機條件:
2.變壓器條件:
3.同步發電機之條件:
（1）電壓定額須相同
（2）端子極性需相同
（3）V-IL曲線有下垂特性
（1）端子極性必須正確
（2）電壓定額及匝數必須相同
（3）電阻與漏電抗比相同（阻抗角相等）
（4）容量與阻抗成正比
（1）電壓大小相同
（2）電壓相位相同
（3）頻率相同
（4）相序相同
（5）電勢波形相同
（6）適當下垂之速率負載特性
（7）若相位相同,電壓大小不同則產生無效環流IC
I1+I2=IL
V=E1-I1R1=E2-I2R2
P1+P2=PL
過複激並聯時應有均壓線
S1+S2=SL
二明一滅大小→看暗
相位→看OR閘
頻率→看輪流
相序→看皆
不可並聯
1.△-△對△-Y2.△-△對Y-△
3.Y-Y對△-Y4.Y-Y對Y-△
第八節交直流電動機起動規定
目的
a.增加起動轉距b.減少啟動電流
啟動電流限制
a.直流機2倍以下b.感應機3.5倍以下
直流機
a.直接啟動1/3馬力以下
b.在電樞電路串一起動電阻
啟動DC.G時,將Rf置於最大處
啟動DC.M時,將Rf置於最小處
啟動差複激M時,需將串激繞組短路
第九節感應電動機之啟動
壹、鼠龍式
直接啟動
Y-Δ啟動
補償繞組降壓啟動
採Δ-Δ
3HP以下
IS為5-8倍
每相電壓=（1/√3）全電壓
每相電流=（1/√3）全電壓相電流
啟動電流IY=（1/3）IΔ
啟動轉矩TY=（1/3）TΔ
電動機側IS=（1/n）全電壓電流
電源側IS=（1/n）2全電壓電流
轉矩TS=（1/n）2直接啟動
貳、繞線式感應電動機之啟動
在轉部加入電阻
a.增加啟動轉矩b.限制啟動電流c.提高啟動功因d.速度控制
參、單相感應電動機
a.主繞組匝數多線徑粗置於內層R小X大
b.輔助繞組匝數少線徑細置於外層R大X小電流超前
轉速達額定速度之75%離心開關切斷輔助繞組
同步電動機利用組尼繞組啟動
肆、三相感應電動機速率控制
公式
控制法
特性
n=
（1-S）（120f/p）
定部
改變電源電壓→改變S→範圍不大
改變電源頻率→改變範圍大→價格高
改變磁極→改變接線→增加p，n減少
轉部
T=（kψSE2）/R2
轉部加電阻R2↑，T↓，n↓
轉部加電壓E與應電勢相同n加速
轉部加電壓E與應電勢不相同n減少
串並聯運用
同方向運轉n=120f/（p1+p2）
同方向運轉n=120f/（p1-p2）
（註：
轉子輸入功率Pg，轉子輸出功率Po，轉子銅損Pc）
（Pg/Ns=Po/Nr=Pc/SNs）
伍、三相同步電動機速率控制
N=120f/P
速度由頻率及磁極數決定
第十節損失
類別
損失項目
直流機
1.銅損Pc=I2*R（電樞電阻+磁場電阻）
2.鐵損Pi=Pe+Ph
Pe=Ke*f2*Bm2*t2（當Bm固定，Pe正比於n）
Ph=Kh*f*Bm1.6~2（當Bm固定，Ph正比於n）
3.機械損=摩擦損、風阻力損…等，轉速越快機械損越大
4.雜散損失=無法直接測得（大型機械大約1%）
5.
交流機
1.銅損Pc=I2*R（交流等效電阻）
2.鐵損Pi=Pe+Ph
Pe=Ke*f2*Bm2*t2（當Bm固定，Pe正比於n）
Ph=Kh*f*Bm1.6~2（當Bm固定，Ph正比於n）
3.機械損=摩擦損、風阻力損…等，轉速越快機械損越大
4.雜散損失=無法直接測得（大型機械大約1%）
變壓器
1.銅損Pc=I2*R（一、二次側等效電阻）
2.鐵損Pi=Pe+Ph
Pe=Ke*f2*Bm2*t2=Ke*V2
Ph=Kh*f*Bm1.6~2=Kh*V2/f
3.最大效率：
銅損＝鐵損
銅損＝m2*滿載銅損＝鐵損（m倍滿載）
第十一節交流電機之實驗
壹、開路及短路試驗
變壓器
三相感應電動機
開路試驗
目的
G0（激磁電導）,B0,Y0
I0（激磁）,Ie（鐵損）,Im（磁化）
G0,B0,Y0
I0,cosΘ0
方法
低壓側加額定電壓，高壓側開路
定子加入額定電壓
各表
之值
V→低壓側電源電壓V2
A→低壓側IO,P→Pn
轉子
旋轉
短路試驗
目的
Re1,X.e1,Ze1,Pc
反轉銅損
方法
高壓側加額定電流，低壓側短路
定子加入額定電流
各表
之值
V→高壓側額定電壓之3~10%
A→高壓側額定電流I1,P→滿載Pc
V→額定電壓之5~8%
轉子
堵住S=1
貳、變壓器
a.開路公式
b.短路公式
1.無載公因cosΘ0=Poc/VocIoc
2.Ic=I0cosΘ（A）
3.Im=I0sinΘ（A）
1.Ze1=Vsc/Isc,Ze2=Ze1/a2
2.Re1=Psc/Isc2,Re2=Re1/a2
3.Xe1=√Ze12-Re12,Xe2=Xe1/a2
參、三相感應電動機3φIM
開路公式
短路公式
無載功因cosΘ0=P/√3VI0
cosΘ=P/√3VIs
第十二節二瓦特量三相功率
PT3φ=W1+W2（w）
QT3φ=√3（W1-W2）（VAR）
ST3φ=√PT3φ2+QT3φ2（VA）
cosΘ=W1+W2/2√W12+W22-W1．W2
W1=W2→cosΘ=1
W1=-W2→cosΘ=0
W1=0,W2≠0→cosΘ=1/2
W1=2W2→cosΘ=√3/2
第十三節絕緣
級別
Y
A
E
B
F
H
C
最高容許威度
90度
105度
120度
130度
155度
180度
180度以上
直流機採用A和B級
第十四節變壓器構造
1.矽鋼片條件
a.鐵損小，b.導磁細數大
c.飽和磁通密度高，d.機械強度大，e.含矽量4%
2.儲油器
a.改善絕原油劣化
3.外型
a.內鐵式高壓小電流，b.外鐵式低壓大電流
4.理想Tr
a.η=100%，b.E=4.44fNφ（φ=BmA）
c.能量守恒S=E1*I1=E2I2
d.a=N1/N2=E1/E2=I2/I1=√Z1/Z2
壹、等效圖
換算至一次側時
R01=R1+a2X2X01=X1+a2X2
Z01=√（R01）2+（X01）2
Ie=Io*cosθ
Im=Io*sinθ
貳、標么值
阻抗標么值Zpu
Sbase=Vbase*IbaseZbase=Vbase/Ibase（base基本值）
標么值與額定容量成正比與額定電壓成平方反比
參、電壓調整率
VR%=（E2-V2）/V2
肆、Tr之測試
（1）溫升試驗
（2）絕緣電阻測試
又稱背向試驗
需使用高阻計
高壓側瓦特表=>Pn
L－＞線路（先實施）
低壓側瓦特表=>Pc
E－＞接地（後實施）
G－＞保護
伍、極性試驗
a.DC法
S閉合瞬間
伏特計往正向偏轉－＞減極性
伏特計往負向偏轉－＞加極性
b.AC法
V3=V1-V2－＞減極性
V3=V1+V2－＞加極性
c.比較法
一次側看接線，二次側跑回路
陸、Tr之三相連接
Y聯結
△聯結
VL=√3Vp
VL=VP
IL＝IP
IL=√3IP
VLleadVP30°
ILLagIp30°
產生諧波干擾
可免去諧波之害
i.Y接→”－”接地，拉出”＋”為該相
ii.△接→依序將”－”接”＋”，拉出”+”為該相
（4）三相口訣
1+1=1
110√3=190
3.3K√3=57K
1-1=√3
120√3=208
6.6K√3=11.4K
1+1-1=2
220√3=380
√3/3=0.577
1+1+1=0
√3/2=0.866
Sin75°=0.966
（5）公式
單相視在功率S1ψ=VP1IP1=VP2IP2（VA）,
單相有效功率P1ψ=S1ψcosΘ（W）
三相視在功率S3ψ=√3VL1IL1=√3VL2IL2=>3VPIP=3S1ψ（VA）
三相有效功率P3ψ=3P1ψ=3VPIPcosΘ（W）
各種接法
Y-Y
Δ-Δ
Δ-Y發電廠
Y-Δ二次變電所
θ=0°
θ=0°
θ=-30°
θ=+30°
V-V
T-T
VL=VP，IL=IP
V主=VP=VL，V支=（√3/2）VL
利用率=輸出容量/設備容量
=√3S1ψ/2S1ψ
=0.866
相同容量=輸出容量/設備容量
=√3S1ψ/2S1ψ=0.866
1大1小容量=輸出容量/設備容量
=√3S1ψ/（S1ψ+2/√3S1ψ）
=0.928
√3SV-V=SΔ-Δ
捌、特殊變壓器
（a）自耦變壓器
SA=（1+a）a=（共用/非共用）
自有容量=感應傳送的伏安功率
=e*I2
傳導容量=全部容量-自有容量
特點：
1.電壓調整率小，效率低
2.需高度絕緣
3.電壓比小1.05~1.25到1
（b）儀表變壓器
PT比壓器（降壓Tr）
CT比流器（升壓Tr）
二次側
額定電壓110V
額定電流5A
不可短路
不可開路
ㄧ定要接地
ㄧ定要接地
使用2.0mm2紅線
使用2.0mm2黑線
（c）感應電壓調整器
ㄧ次繞組P
轉部
導線細，匝數多
並聯電源
二次繞組S
定部
導線粗，匝數少
串聯負載
短路線圈T
轉部
與P垂直90度
無法成為抗流線圈
VO=（1+1/a*cosθ）V1（a=p/s）
θ=0
VO=（1+1/a）V1
θ=90
VO=V1
θ=180
VO=（1-1/a）V1
第十五節三相感應電動機
壹、三相感應電動機構造
轉子
鼠籠式
繞線式
優點
構造簡單堅牢
啟動轉矩Ts大，
恆速，轉差率小
啟動電流Is小
缺點
無法加Rx，Ts↓，Is↑
構造複雜，成本高
貳、轉差率S
（1）、S=（Ns－Nr）/Ns×100%
a.啟動（靜止，堵住）
Nr=0，S=1
b.同步
Nr=Ns，S=0
c.反同步
Nr=-Ns，S=2
d.超同步
Nr=2Ns，S=-1
鼠籠式S=3~5%
繞線式S=1~10%
※S跟負載成正比
（2）、公式（運轉時）
a.轉子轉速Nr=（1-S）Nsb.轉子頻率fr=Sfc.轉子電壓E2r=SE2
d.轉子電流I2=（S*E2）/（√R2+SX2）
e.轉子Cosθ=R/Z
（3）、解題步驟
1.求轉子電壓E2
a.E1=VP1b.靜止時E2=E1/匝數比c.轉動時S=（Ns－Nr）/Ns，E2r=SE2
1.求轉子電流I2
a.Z=（√R2+SX2）b.I2=（S*E2）/（√R2+SX2）
二、轉矩
（1）電動機轉子輸出功率P2=T*w=T*2πNr，T=9.55*P2/Nr（NT-m）=0.973*P2/Nr（Kg-m）
（2）轉子每相轉矩T=Kψ1I2cosθ（I2=（S*E2）/（√R2+SX2）），（cosθ=R/（√R2+SX2））
T=P2/WS=（q*I2*R2/S）
（3）S=1時T與電壓平方成正比，與R2成正比
（4）定電壓下T與R2/S成正比，繞線型外加電阻時S將改變但轉矩不變
比例推移r2/S=（R+r2）S’最大轉矩時轉差率Sm=r2/（x1’+x2）
參、雙鼠籠式
（1）上層－＞導體細，電阻大，電感小，啟動轉矩大，啟動電流小－＞啟動時流過大部分電流
（2）下層－＞導體粗，電阻小，電感大－＞運轉時流過大部分電流
（3）規格
CNS
IEC
NEMA
VDE
=台灣（中國）
=國際
=美國
=德國
肆、制動
a.再生制動==使Nr＞Ns產生反轉矩並回收電力於電源
b.發電制動（動力）（直流）==當I.M切離A.C時，在轉子上加D.C，使旋轉磁場變為固定
c.逆轉制動==將電源線任意換兩條，使之產生反轉矩，為了防止逆轉－＞插入柱塞電驛
d.單相制動==將一相切離，使之成為單相運轉
伍、試驗
繞組電阻測定
負載實驗
Y形接線Ry=e/i=2r
Δ形接線RΔ=e/i=2r/3
a.方法－＞動力計
b.目的－＞測量T及Pm
T=F×r（kg-m）=9.8F×r（Nt-m）
Pm=1.026×F×r×Nr
第十六節單相交流電動機
壹、分類
（1）感應
（2）換向
a.分相式
a.推斥式
b.電容式
b.串激式
c.蔽極式
貳、單相感應電動機與3相電動機比較
a.體積大b.成本高c.效率和Cosθ差d.噪音與振動大
參、單相感應電動機構造
定部裝設行駛繞組，外加A.C，產生交變磁場，交變磁場分相為兩個大小相等，方向相反的磁場稱雙旋轉磁場。
※分相式反轉=>將啟動繞組或行駛繞組兩端反接
※轉矩由大至小排列：
推斥>雙值>電容>分相>永久>蔽極
肆、電容式
（1）電容啟動式
使用交流電解電容－＞體積小，容量大，耐壓低
輔助繞組電流Ia越前主繞組電流90°電機角
用途－＞電冰箱壓縮機
（2）永久電容式
使用浸油式電容－＞體積大，容量小，耐壓高
用途－＞洗衣機馬達
伍、蔽極式
a.方向由未蔽極向有蔽極處轉動
b.反轉必須把整個磁極反轉過來
c.蔽極線圈－＞幫助啟動
d.蔽極磁通滯後主磁通
e.構造簡單便宜
f.功因最低，效率最差，Ts最小，用途－＞吊扇
陸、交流單相串激
（1）DC－＞AC（直流串激電動機加交流電源）應修改部分
a.定部和轉部鐵心均採用矽鋼片
b.弱磁場減少Rf，漏磁電抗電壓影響功率因數
c.裝設補償繞組，減少電樞反應（電抗電壓影響功率因數）
d.減少電樞繞組，否則換向困難
（2）Cosθ隨負載增加而降低
柒、推斥式
構造最簡單，Ts最大，電刷需短路
（1）刷軸平行極軸
（2）刷軸垂直極軸
（3）轉向
磁通=0
磁通最大
a.電刷順極軸移動－＞順向方向
b.電刷逆極軸移動－＞逆向方向
Ia最大
Ia=0（刷軸短路線圈）
T=KψIa（方向相反合力=0）
T=0
e=BLVSin90°最大
第十七節三相同步機
壹、結構
a.定子繞置互隔120°θe三相電樞繞組
b.轉子通以低壓直流
貳、交流發電機之種類
凸極型
圓柱型
適於
低速800rpm以下
高速800rpm以上
轉子直徑
大
小
轉軸
短
長
直軸磁阻
小於交軸
等於交軸
直軸電抗
大於交軸
等於交軸
用途
水輪G
汽（渦）輪G
引擎G
參、交流發電機之種類及用途
水輪
汽輪
引擎
轉速
200~800
1500~3600
300~600
轉子
凸極型
圓柱型
凸極型
冷卻
水
氫氣
用途
水力發電廠
火力、核能
緊急備用
肆、同步電動機
阻尼繞組－＞裝於轉子磁極槽內，藉端環加以短路，形成鼠籠般的繞組，協助啟動
a.Nr=Ns不作用
b.Nr≠Ns，防止追逐現象，維持Ns
c.追逐現象:
由於負載急遽變化，造成同步機之負載角（應電勢E與端電壓V之相角）在同步速率上下作週期性變化
二.繞線方式
（1）理論上－＞全節矩、集中繞、但會有諧波干擾
（2）實際上－＞短節矩、分佈繞
（3）短節矩之優缺點
優點:
a.減少諧波、改善電勢波形、使其更接近正弦波
b.節省末端連線，減少Pc
c.減少電感量
缺點:
應電勢較全節矩低
（4）分佈繞
a.降低應電勢諧波成份
b.效率高
c.繞組較易散熱、應電勢較低
三.感應電勢計算
（1）理論Ep=4.44N=2.22Zfψ
（2）實際Ep=Kw4.44fNp
（3）Kw（繞組因數）=Kp×Kd
（4）Kp（節距因數）=短節距感應電勢/全節距感應電勢=sin（x/2）
（5）Kd（分佈因數）=分佈繞感應電勢/集中繞感應電勢
=sin（180/2*相數）/qsin（180/2*相數*q）
q（每相每極槽數）=槽/（相數*極數）
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