直流電機工作原理、結構、勵磁方式、額定值.doc

直流電機的工作原理和結構直流電機是本課程學習的最后一種機種，在前面講述變壓器、異步電機、同步電機的過程中，我們不斷地采用了歸納、類比、找出異同點的講授方法，是希望大家通過這樣的學習，能逐步訓練自己掌握一種善于不斷歸納、總結；善于采用類比、比較、找出異同點的學習方法，這種分析問題、解決問題的方法不但對學習電機、對學習其他課程、甚至對將來參加工作都是十分有用的，這是一種良好的學習、工作、生活方法和習慣。在學習直流電機過程中，我們繼續(xù)嘗試采用這樣的方法。直流電機分直流發(fā)電機和直流電動機，其中：直流發(fā)電機是把機械能轉變?yōu)橹绷麟娔?、直流電動機是把直流電能轉變?yōu)闄C械能。與前面介紹過的各種電機比較，它們各有異同之處：1.由于發(fā)電機都是把機械能轉變?yōu)殡娔埽虼藱C械轉矩都是驅動轉矩、電磁轉矩都是制動轉矩，因此直流發(fā)電機的轉矩平衡方程式將與交流（同步）發(fā)電機相同，均為：T1T +T0；所對應的功率平衡方程式也將相同：P1PMP0；其中：T1；T； T0；n是轉子轉速，對同步機nn1。相異的只是PM的表達式有所不同。 同理，由于電動機都是把電能轉變?yōu)闄C械能，因此電磁轉矩都是驅動轉矩、機械轉矩都是制動轉矩，因此直流電動機的轉矩平衡方程式應與異步電動機、同步電動機相同，均為：TT2+T0；其中：T2；T0；n是轉子轉速；T，n1是轉子旋轉磁場的轉速，對直流機和同步機也是轉子轉速，相異的同樣是三種機種的PM表達式各有區(qū)別。比如：已學過的異步機PM；隱極同步機PM3 U1 I1cos3sin；而直流電動機的將為：PMEaIa。2由于無論任何旋轉機種，電磁轉矩都是電磁力乘以半徑，電磁力就是載流導體在磁場中所受的力，因此異步機的電磁轉矩物理表達式與直流機的電磁轉矩表達式也是極為相似。相異的只是交流電流只有其有功分量才能產生轉矩，而直流電流Ia并無有功、無功分量之分。3我們曾提到過異步機和變壓器都是屬單邊勵磁的，即只有原邊或定子接電源，副邊和轉子都不接電源，因此它們之間從感應電勢表達式到等值電路、方程式、相量圖都有很多相似之處。而同步電機和直流電機都是雙邊勵磁的，即定子和轉子都接電源，因此它們的磁場也有很相似之處。它們其中一邊都是電樞磁場、另一邊都是主極磁場，當電機空載時，都只有主極磁場；當電機負載時，除了有主極磁場外還有電樞磁場，電樞磁場對主極磁場的影響都稱之為電樞反應，因此同步機有電樞反應，直流機也將有電樞反應。相異的是：同步機的電樞是交流的，直流機的電樞是直流的，交流磁場與直流磁場的電樞反應性質是不同的。此外，同步機的定子是電樞、轉子是主磁極；直流電機剛好相反：定子是主磁極、轉子是電樞。在學習直流電機的過程，提請大家注意上述歸納總結的異同點。一直流電機的工作原理 （一）直流發(fā)電機工作原理看如圖的電機模型：空間有一對固定不動的磁極，中間有一個旋轉的鐵磁圓柱體，上面敷設著一個線圈abcd。 發(fā)電機是把機械能轉變?yōu)殡娔埽斣瓌訖C拖動鐵磁圓柱體旋轉時，線圈導體就會切割磁力線感生電勢。若圓柱體旋轉的方向為逆時針，當ab邊在N極下時，據(jù)右手定則，感應電勢方向從dcba；若帶上負載電阻RAD，電阻的A端固定接線圈a端，D端固定接線圈d端，則負載電流方向從AD，如圖藍色箭頭方向。當圓柱體轉過1800以后，cd邊轉到N極下，則據(jù)右手定則，感應電勢方向從abcd，由于負載電阻的A端固定接線圈a端，D端固定接線圈d端，則負載電流方向從DA，如圖紅色箭頭方向?？梢姡韶撦d得到的是交流電流而不是直流電流。ab邊在N極下時線圈電勢dcba負載電流ADcd邊在N極下時線圈電勢abcd負載電流DA原因是：由于磁極的極性沒有變、原動機旋轉方向沒有變，由右手定則可知，N極下的導體電勢肯定都是指出來、S極下的電勢肯定都是指進去的。因此，在電機旋轉過程中，每條線圈邊在轉過N極和S極時電勢都要交變一次，即線圈中的電流其實是交流電流。故若把電阻負載的兩端固定接線圈的兩端，負載所得到的自然同樣是交流電流。為了使流經負載的電流為直流，唯有令負載的一端固定接N極下的導體，負載的另一端固定接S極下的導體，即無論哪根導體轉到N極下，這根導體就接到負載A端，無論哪根導體轉到S極下，這根導體就接到負載的D端。要實現(xiàn)這個目的必須借助電刷和換向器，如圖：線圈a端和d端分別接到兩片相互絕緣的銅片上，稱之為換向片，所有換向片隨電機軸旋轉稱為換向器。電刷是固定不動的，令負載電阻的A端固定接電刷A，負載電阻的D端固定接電刷D。則加上電刷和換向器后，ab邊在N極下時線圈電勢dcba負載電流ADcd邊在N極下時線圈電勢abcd負載電流AD可見：雖然線圈的電流仍為交流，負載的電流卻是直流。 因此，直流發(fā)電機的工作原理是：導體切割磁力線感生電勢，通過電刷和換向器的作用，使負載的一端固定接N極下的導體，而負載的另一端固定接S極下的導體，從而使電機雖然線圈中的電流是交流，在負載卻得到了直流電。（二）直流電動機工作原理仍然是上圖的電機模型，電動機是把電能轉變?yōu)闄C械能。若直流電源的正極固定接線圈的a端，負極固定接線圈的d端，當ab邊在N極下時，線圈通入如藍色箭頭方向的直流電流abcd，根據(jù)載流導體在磁場中受電磁力的作用，方向符合左手定則，則電磁力為逆時針方向； 當線圈逆時針轉過1800以后，cd邊轉到N極下，由于a端固定接正極，d端固定接負極，故線圈的電流方向如紅色箭頭示abcd，由左手定則可知，線圈所受的電磁力為順時針方向；即線圈所受的電磁力方向是交變的，故線圈只能來回晃動，不能單方向旋轉。ab邊在N極下時線圈電流abcd電磁力逆時針cd邊在N極下時線圈電流abcd電磁力順時針原因是：磁極的極性沒有變，要想產生單方向的電磁力，同一極性下導體的電流一定要是單方向的。如今由于線圈a端固定接電源正極、d端固定接負極，則ab邊轉到N極下時，電流是從N極流進S極流出，但當ab邊轉到S極下時，電流又變成從S極流進N極流出，因而產生的電磁力就是交變的了。解決辦法也是采用電刷與換向器。同樣是線圈a端和d端分別接到兩片相互絕緣換向片上，換向器隨電機軸旋轉。電刷固定不動，電源正極固定接電刷A，電源的負極固定接電刷D。則加上電刷和換向器后，ab邊在N極下時線圈電流abcd電磁力逆時針cd邊在N極下時線圈電勢dcba電磁力逆時針可見：線圈的電流是交流，但產生的電磁力是單方向的。因此，直流電動機的工作原理是：載流導體在直流磁場中受電磁力的作用，通過電刷和換向器，使得同一極性下的導體電流為單方向，從而產生單方向的電磁力， 通過上面的討論，還可以得出這樣的結論：1直流電機線圈中的電勢、電流是交流，只有電刷兩端的電勢、電流才是直流，因此直流電機實質上是帶電刷和換向器的交流電機。電刷與換向器配合，在直流發(fā)電機中相當于整流器的作用：把線圈的交流電整流為電刷兩端的直流電；在直流電動機中相當于逆變器的作用：把電刷兩端的直流電逆變成線圈中的交流電。2直流發(fā)電機和直流電動機的模型完全相同，從原理上來說，一臺直流電機既可以作發(fā)電機運行，也可以作電動機運行，只是能量傳遞的方向不同。如果由原動機帶動電機旋轉發(fā)出直流電，輸出到直流電網，把機械能轉變?yōu)殡娔?，這時電機運行在發(fā)電狀態(tài)；如果降低原動機的轉速，直至電機電流反向，變成直流電網向電機供電，電機反要拖動原來的原動機旋轉，把直流電能轉變?yōu)闄C械能，此時電機運行在電動狀態(tài)。這種同一臺電機既可作發(fā)電機運行也可作電動機運行的原理，稱為電機的可逆性原理。二直流電機的結構由直流電機的模型可看到，它跟其它旋轉電機一樣分定子和轉子兩大部分，定、轉子之間是氣隙。（一）.定子1主磁極直流電機的主磁極既可以是永久磁鐵也可以是直流電勵磁，為了使主磁通在氣隙中分布更合理，極靴部分比極身部分要寬些，如圖。2換向極 由直流機的工作原理可知。電機線圈里的電流是交流，通過電刷和換向器才把之變?yōu)殡娝啥说闹绷?。因此每根導體在經過電刷前和經過電刷后電流要反一次向，我們把這個過程稱之為換向。電流的交變會在線圈電感中感生電勢，由此產生的換向電流會建立電磁能量，在換向結束時這些能量會以火花的形式從電刷后放出來，火花會使電刷和換向器表面損壞，嚴重時將使電機不能正常工作。 裝置換向極的目的就是為了減少火花，改善換向。換向極裝在兩個磁極中間，即幾何中性線處，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。3機座 機座一方面起支承定子的作用，另方面是電機主磁路的一部分。4電刷裝置（二）.轉子（稱為電樞）1電樞鐵心 電樞鐵心是電機主磁路的一部分，用來嵌放電樞繞組。由于直流電機線圈中的電流是交流，為了減少交變磁通在鐵心中產生的鐵耗，與其它機種一樣，電樞鐵心采用0.5mm厚的相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。2電樞繞組 實際的電樞繞組由很多線圈按一定規(guī)律繞成。3換向器 實際的換向器由很多換向片構成，每片之間互相絕緣。根據(jù)直流電機的結構，直流機的線路圖如圖所示：三直流電機的勵磁方式 與同步電機不同，由于直流電機的定子和轉子、即主磁極和電樞流經的都是直流電流，因此主磁極勵磁繞組既可與電樞繞組并聯(lián)、也可與電樞繞組串聯(lián)、也可單獨由其它直流電源供電。根據(jù)主磁極勵磁電流的獲得方式不同，稱之為不同的勵磁方式。直流電機有4種不同的勵磁方式：1他勵：勵磁繞組由其它獨立電源供電特點：電網電流電樞電流，即IIa。如圖分別為他勵直流發(fā)電機和電動機的線路圖：2并勵：勵磁繞組并在電樞繞組兩端注意并勵發(fā)電機和電動機的電流關系是不同的。并勵直流發(fā)電機：電機發(fā)出的電樞電流Ia須提供一小部分給勵磁繞組作勵磁電流If，其余的輸出到電網：IaI+If并勵直流電動機：電網提供的電流一小部分供給勵磁繞組，其余的送入電樞繞組：IIa + If3串勵：勵磁繞組串在電樞回路特點：不論電動機還是發(fā)電機：I= Ia = If4復勵：有兩個勵磁繞組，一個串在電樞回路、一個并在電樞繞組兩端 如果串勵繞組與