電工機械 第2章 直流電機 2-1直流電機的基本原理 2-2直流電機的構造 2-3直流電機的一般性質 2-4直流電機的分類、特性及運用 2-5直流電動機特性及運用 2-6直流電機之耗損與效率 2-7特殊直流電機

直流電機的基本原理 2-1 直流發電機原理 直流發電機原理說明圖

直流電機的基本原理 2-1 佛來銘右手定則 佛來銘右手定則說明圖

直流電機的基本原理 2-1 交流電的產生 (a)一線圈在磁場中運動

交流電的產生（線圈在磁場中轉一圈之感應電勢波形） 直流電機的基本原理 2-1 (b)線圈在磁場中轉一圈之感應電勢波形 交流電的產生（線圈在磁場中轉一圈之感應電勢波形）

直流電的產生（以換向器將交流電變換成直流電之情形） 直流電機的基本原理 2-1 轉換成直流電―換向 直流電的產生（以換向器將交流電變換成直流電之情形）

直流電機的基本原理 2-1 (a)兩組線圈（脈動比較大）

直流電機的基本原理 2-1 直流發電機電樞產生之感應電勢

直流電機的基本原理 2-1 直流發電機電樞產生之感應電勢

直流電機的基本原理 2-1 直流電動機原理 載流導體在磁場中所受之方向 (a)主磁極所生磁通 (b)載流導體所生磁通 (c)導體上方磁力線減弱 (d)導體下方磁力線增強 (e)綜合上述，導體產生向上運動之力

直流電機的基本原理 2-1 佛來銘左手定則 　佛來銘左手定則說明圖

直流電機的基本原理 2-1 載流線圈在磁場中所受力的轉矩 一線圈在磁場中受力情形

直流電機的基本原理 2-1 直流電動機的換向 換向的過程 當線圈因旋轉而經過磁中性面時，藉由電刷及換向片改變該線圈的電流方向。 經過換向以後的線圈邊得以產生同一方向的轉矩，使之繼續旋轉。 換向的過程 (a)起始位置（0度）

2-1 直流電機的基本原理 (b)旋轉90度

直流電機的基本原理 2-1 (c)旋轉180度

直流電機的基本原理 2-1 (d)旋轉270度 直流電動機線圈旋轉一圈的換向過程

直流電機的基本原理 2-1 直流電動機的總轉矩 　四極電動機

直流電機的基本原理 2-1

(a)主磁極所產生的磁場分布 (b)等效向量圖 直流電機的一般性質 2-3 電樞反應 電樞反應的形成 1.主磁場 (a)主磁極所產生的磁場分布　　　　　　　 　　(b)等效向量圖 　電機中主磁極所產生之磁通

(a)只有電樞導體通有電流時產生的磁場分布 直流電機的一般性質 2-3 2.電樞磁場 (b)等效向量圖 (a)只有電樞導體通有電流時產生的磁場分布 　電樞導體通電後所產生之磁通

(a)電樞及磁極產生的合成磁場 (b)綜合向量圖 直流電機的一般性質 2-3 3.合成磁場 (a)電樞及磁極產生的合成磁場　　　　　　　　　　　(b)綜合向量圖 將圖5-1、5-2合併之結果

直流電機的一般性質 2-3 電樞反應的影響 對發電機而言 對電動機而言 電樞反應將造成發電機的前極尖(m、n)磁通減少，後極尖(k、l)磁通增加，新磁中性面會 順著轉向向右偏移 對電動機而言 電樞反應將造成電動機的後極尖(m、n)磁通減少，前極尖(k、l)磁通增加，新磁中性面會 逆著轉向向右偏移

直流電機的一般性質 2-3 電樞反應的去磁及交磁部分 (a)移至新中性面的磁場分布 (b)磁動勢的x、y分量 圖5-4　新的中性面，電樞磁通分布情形（發電機）

直流電機的一般性質 2-3

直流電機的一般性質 2-3

(a)削角極尖 (b)交錯極尖 (c)楞德爾磁極 直流電機的一般性質 2-3 電樞反應的補償方法 1.改良主磁極的結構，增加電樞磁路之磁阻。 (a)削角極尖 (b)交錯極尖 (c)楞德爾磁極 改良磁極補償電樞反應之方法

(a)補償繞組所生磁場(藍色)，可以抵消部分電樞磁場(紅色) (b)接線圖 直流電機的一般性質 2-3 2.增加主磁極的數目，減少電樞反應之安匝數 3.增設繞組，以反向磁通勢抵消電樞磁通 補償繞組 湯姆生-雷恩法 (a)補償繞組所生磁場(藍色)，可以抵消部分電樞磁場(紅色) (b)接線圖 圖5-7　補償繞組

(a)發電機之接法（） (b)電動機之接法（） (c)接線圖 直流電機的一般性質 2-3 (a)發電機之接法（） (b)電動機之接法（） (c)接線圖 圖5-8　中間極（換向磁極）

直流電機的一般性質 2-3 換向作用 換向過程 (a)換向前

直流電機的一般性質 2-3 (b)換向中

直流電機的一般性質 2-3 (c)換向後 圖5-9　換向過程說明（線圈c）

直流電機的一般性質 2-3 換向期間 換向曲線 1.直線換向 2.正弦波換向 3.欠速換向 4.過速換向 圖5-10　各種換向曲線

直流電機的一般性質 2-3 換向作用的改善 裝置補償繞組 裝置換向磁極 延長換向期間 減少電樞線圈的電感量 提高電刷的接觸電阻 移動電刷法

直流電機的分類、特性及運用 2-4 直流發電機的分類 1.永久磁鐵型 2.電磁鐵型

直流電機的分類、特性及運用 2-4 1.外激式發電機 (a)接線圖 　　　　　　　　　　　 (b)等效電路圖 他激發電機

直流電機的分類、特性及運用 2-4 2.自激式發電機 自激式發電機依其電樞電路和磁場電路之接法不同，又可分為分激式、串激式及複激式 等三種 (a)接線圖 　　　　　　　　 (b)等效電路圖 分激發電機

直流電機的分類、特性及運用 2-4 (a)接線圖　　　　　　　　　　　　　　　 　　(b)等效電路圖 串激式發電機

(a)短並激式（先並後串） (b)長並激式（先串後並） 直流電機的分類、特性及運用 2-4 　 (a)短並激式（先並後串） 　　　　　　 (b)長並激式（先串後並） 複激式發電機

直流電機的分類、特性及運用 2-4 複激式直流發電機之分類

2-4 直流電機的分類、特性及運用

2-4 直流電機的分類、特性及運用

直流電機的分類、特性及運用 2-4 外激式發電機之特性及用途 無載特性曲線（ ） (a)實驗接線圖 (b)無載特性曲線（） 無載特性曲線（ ） 　(a)實驗接線圖 　　　　　　 　　　　 (b)無載特性曲線（） 圖6-7　外激式發電機無載飽和曲線實驗

2-4 直流電機的分類、特性及運用 (a)實驗接線圖

2-4 直流電機的分類、特性及運用 (b)負載特性曲線 外激式發電機負載（外部）特性實驗

2-4 直流電機的分類、特性及運用

2-4 直流電機的分類、特性及運用 分激式發電機之特性及用途 (a)簡化電路圖 　　　　　　　 (b)場電阻線 圖6-9　分激發電機之電壓及電流關係圖

分激式發電機電壓建立之過程(以為場電阻線) 2-4 直流電機的分類、特性及運用 分激發電機電壓建立的情形 分激式發電機電壓建立之過程(以為場電阻線)

直流電機的分類、特性及運用 2-4 能產生感應電勢情形下之最高場電阻稱為臨界場電阻（Critical field resistance） ，此時的轉速就稱為臨界轉速 分激發電機產生感應電勢的條件有四： 1.磁極中必須有足夠的剩磁，用以產生。 2.由電樞電勢所生之場繞組磁通，必須和 剩磁磁通方向相同。 3.在一定轉速下，場電阻必須小於臨界電阻。 4.在一定磁場電阻下，轉速必須高於臨界轉速。 以增加速率來提升感應電勢的情形

2-4 直流電機的分類、特性及運用 分激發電機的負載（外部）特性曲線 (a)實驗接線圖 (b)負載特性曲線 分激發電機負載(外部)特性實驗

2-4 直流電機的分類、特性及運用 串激式發電機之特性及用途 (a)無載開路狀態 串激發電機 (c)負載（外部）特性曲線圖

2-4 直流電機的分類、特性及運用 串激式發電機之端電壓

2-4 直流電機的分類、特性及運用

(a)和複激式（短並激）接線圖 (b)和複激式（短並激）等效電路圖 2-4 直流電機的分類、特性及運用 複激式發電機之特性及用途 (a)和複激式（短並激）接線圖　　　　　　　(b)和複激式（短並激）等效電路圖 (c)差複激式（短並激）接線圖 複激式發電機

直流電機的分類、特性及運用 2-4 過複激式（串激繞組的磁場太大者） 平複激式（串激繞組的磁場適當者） 欠複激式（串激繞組的磁場過小者） 各種直流發電機負載（外部）特性曲線比較

直流電機的分類、特性及運用 2-4 過複激式（串激繞組的磁場太大者） 平複激式（串激繞組的磁場適當者） 欠複激式（串激繞組的磁場過小者） 各種直流發電機負載（外部）特性曲線比較

直流電機的分類、特性及運用 2-4 過複激式（串激繞組的磁場太大者） 平複激式（串激繞組的磁場適當者） 欠複激式（串激繞組的磁場過小者） 1.運轉效率提高 2.突破單機容量之限制 各種直流發電機負載（外部）特性曲線比較

2-4 直流電機的分類、特性及運用 過複激式（串激繞組的磁場太大者） 平複激式（串激繞組的磁場適當者） 欠複激式（串激繞組的磁場過小者）

2-5 直流電動機特性及運用 直流電動機之各種性質 直流電動機之分類

2-5 直流電動機特性及運用 直流電動機的特性

2-5 直流電動機特性及運用 直流電動機之反電勢

2-5 直流電動機特性及運用 直流電動機之旋轉速率 直流電動機之速率調整率

2-5 直流電動機特性及運用 電動機的轉矩公式 直流電動機的內生機械功率(PM)

2-5 直流電動機特性及運用 外激式電動機之特性及用途 　(a)接線圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)轉速 外激式電動轉速及轉距特性曲線

2-5 直流電動機特性及運用 轉矩特性 分激式電動機之特性及用途 轉速特性 (a)接線圖 (b)轉速特性 分激電動機轉速特性曲線

2-5 直流電動機特性及運用 轉矩特性 分激電動機之轉矩特性曲線

2-5 直流電動機特性及運用 串激電動機之特性及用途 轉速特性 (a)電路圖 (b)轉速特性 串激電動機之轉速特性

2-5 直流電動機特性及運用 轉矩特性 串激電動機之轉矩特性

2-5 直流電動機特性及運用 各種直流電動機轉矩特性曲線比較

2-5 直流電動機特性及運用 差複激式的轉矩特性曲線 直流電動機之啟動法

直流電動機特性及運用 2-5 電動機啟動時，應具有兩個條件： 1.避免產生過大的啟動電流。 2.必須產生最大的啟動轉矩。 1.三點式啟動器(又稱為弱磁釋放啟動器)

2-5 直流電動機特性及運用 (a)原理圖　　 　　　　　　　　　　　　　　(b)實際接線圖

2-5 直流電動機特性及運用 (c)簡化電路圖 三點式啟動器和分激式電動之接線圖

2-5 直流電動機特性及運用 四點式啟動器（無電壓釋放的啟動器） (a)接線圖

2-5 直流電動機特性及運用 (b)簡化電路圖

直流電動機特性及運用 2-5 2.自動啟動器 (1)反電勢型自動啟動器 (2)限流型自動啟動器 (3)限時型自動啟動器 直流電動機速率控制法 影響直流電動機轉速之因素有三點：

2-5 直流電動機特性及運用 阻式速率控制 電阻法速率控制電路圖（分激電動機）

2-5 直流電動機特性及運用 磁通式速率控制 磁場法速率控制電路圖（分激電動機）

2-5 直流電動機特性及運用 電壓式速率控制（改變電樞電壓） 電壓法速率控制

(a)分激式（改變磁場方向） (b)複激式（改變電樞電流方向） 2-5 直流電動機特性及運用 直流電動機之轉向控制及制動 轉向控制 (a)分激式（改變磁場方向） 　 (b)複激式（改變電樞電流方向） 　直流電動機之轉向控制

直流電動機特性及運用 2-5 制動控制（煞車控制） 1.機械制動 2.空、油壓制動 3.電磁制動 4.電氣制動 ：又分為動力制動、逆轉制動及再生制動三種

(a)直流複激發電機的電路圖 (b)為其能量轉換過程圖 2-6 直流電機之耗損及效率 直流電機的功率轉換 直流發電機之功率轉換 (a)直流複激發電機的電路圖　　　　　　　 (b)為其能量轉換過程圖 直流發電機的能量轉換及損失

2-6 直流電機之耗損及效率

圖8-3 電樞鐵心中磁通之方向 圖8-4 磁滯損失循環圖 2-6 直流電機之耗損及效率 直流電機之損失 旋轉損失 機械損 鐵損：包括磁滯損失及渦流損失。 (1)磁滯損失（hysteresis loss） 圖8-3　電樞鐵心中磁通之方向　　　　　　　 圖8-4　磁滯損失循環圖

2-6 直流電機之耗損及效率 2.渦流損失

2-6 直流電機之耗損及效率 整塊形電樞鐵心產生之渦流

2-6 直流電機之耗損及效率 電路損失

直流電機之耗損及效率 2-6 4.中間極、補償繞組銅損 5.電刷與換向器間之接觸電阻損失 雜散負載損失 1.電樞導體及換向器之集膚作用引起之渦流損失。 負載電流引起磁場扭轉所產生之損失。 換向時，短路電流流經換向器及電刷間之損失。 各磁極磁通量不相等所引起之循環電流，在電樞繞組造成之損失。 綜合上述各類損失，依其性質可歸納成固定損失及變動損失。 1.固定損失：和負載變動無關之損失，包括無負載鐵損、機械損、分激及 外激繞組之銅損等等。2.變動損失：會隨負載變動之損失。諸如電刷換向 片接觸損失、電樞、串激場、中間極及補償等繞組銅損均是。

2-6 直流電機之耗損及效率 效　率

2-7 特殊直流電機 電動發電機 電動發電機之結構圖

2-7 特殊直流電機 直流動力計 　 (a)結構圖 (b)側視圖 直流動力計

2-7 特殊直流電機 　直流動力計原理圖

2-7 特殊直流電機