第6章直流電機(2)

1、第六章第六章直流電機直流電機6.1概述概述一、直流電機的工作原理一、直流電機的工作原理1 1、直流發(fā)電機的工作原理、直流發(fā)電機的工作原理直流電機的物理模型直流電機的物理模型 右圖為直流發(fā)電機的物右圖為直流發(fā)電機的物理模型，理模型，N、S為定子磁極，為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首末端電樞。線圈的首末端a、d連連接到兩個相互絕緣并可隨線接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通子線圈與外電路的連接是通過放置

2、在換向片上固定不動過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。的電刷進行的。 導體導體abab在在S S極下，極下，根據(jù)右手定則，此時根據(jù)右手定則，此時a a點為低電位，點為低電位，b b點高電點高電位；導體位；導體cdcd在在N N極下，極下，c c點低電位，點低電位，d d點高電點高電位；電刷位；電刷A A極性仍為正，極性仍為正，電刷電刷B B極性仍為負。極性仍為負。 當原動機驅動電機轉當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉子逆時針旋轉 180180后，后，如右圖。如右圖。 可見，和電刷可見，和電刷A A接觸的導體總是位于接觸的導體總是位于N N極下，和電刷極下，和電刷B B接觸的導體總是位于接觸的導體

3、總是位于S S極下，因此電刷極下，因此電刷A A的極性總是正的，電刷的極性總是正的，電刷B B的極性總是負的，在電刷的極性總是負的，在電刷A A、B B兩端可獲得直流電動勢。兩端可獲得直流電動勢。如氣隙磁場沿氣隙的分布為平頂如氣隙磁場沿氣隙的分布為平頂波，如圖所示，根據(jù)電動勢的計波，如圖所示，根據(jù)電動勢的計算公式算公式Blve可知感應電動勢與氣隙磁密成正可知感應電動勢與氣隙磁密成正比。導體和電刷比。導體和電刷ABAB間的電動勢間的電動勢e e和和e eABAB如右圖所示。如右圖所示。線圈線圈abcdabcd中的電動勢是交流中的電動勢是交流的，通過電刷和換向器機械整流的，通過電刷和換向器機械整流

4、作用，將線圈中的交變電動勢整作用，將線圈中的交變電動勢整流為電刷流為電刷A A和電刷和電刷B B之間的直流電之間的直流電動勢。動勢。增加導體數(shù)目可以減小感應電動勢脈動。當每極下導體數(shù)增加導體數(shù)目可以減小感應電動勢脈動。當每極下導體數(shù)大于大于8 8時，脈動可小于時，脈動可小于1%1%。二、直流電動機工作原理二、直流電動機工作原理 直流電動機的基本結構與發(fā)電機完全相同。電動機是直流電動機的基本結構與發(fā)電機完全相同。電動機是將直流電能轉化為機械功率，因此，電刷接至直流電源，如圖將直流電能轉化為機械功率，因此，電刷接至直流電源，如圖所示。所示。當導體當導體abab在在N N極下時，根據(jù)左手定極下時，根

5、據(jù)左手定則，則，N N極性下導體極性下導體abab受力方向從右向左，受力方向從右向左，S S 極下導體極下導體cdcd受力方受力方向從左向右。該電磁向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋機轉子逆時針方向旋轉。轉。原原N N極性下導體極性下導體abab轉到轉到S S極下，受力極下，受力方向從左向右，原方向從左向右，原S S 極下導體極下導體cdcd轉到轉到N N極下，受力方向極下，受力方向從右向左。該電磁從右向左。該電磁力形成逆時針方向力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈的電磁轉矩。線圈在該電磁

6、力形成的在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼電磁轉矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉。續(xù)逆時針方向旋轉。當轉子旋轉當轉子旋轉180180后，如下圖所示后，如下圖所示 直流電動機電樞繞組通過電刷與直流電源相聯(lián)接，通過直流電動機電樞繞組通過電刷與直流電源相聯(lián)接，通過電刷和換向器的逆變作用，將外電源的直流變?yōu)榫€圈中的交電刷和換向器的逆變作用，將外電源的直流變?yōu)榫€圈中的交流，使流，使N N極下的導體中的電流方向不變，極下的導體中的電流方向不變，S S極下的導體電流方極下的導體電流方向不變，而向不變，而N N、S S極下導體中的電流方向始終相反，以保證電極下導體中的電流方向始終相反，以保證電磁轉矩的方向不變。磁轉矩

7、的方向不變。 同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。線圈，磁極也并非一對。二、直流電機的主要結構部件二、直流電機的主要結構部件1 1、主磁極、主磁極主磁極鐵心：主磁極鐵心：1mm1mm1.5mm1.5mm厚的厚的 低碳鋼板低碳鋼板勵磁繞組：銅導線勵磁繞組：銅導線產生氣隙磁場產生氣隙磁場 主磁極主磁極 勵磁繞組勵磁繞組主磁極鋼板沖片主磁極鋼板沖片（1-1.5mm厚）厚）主磁極由鋼板主磁極由鋼板沖片疊壓而成沖片疊壓而成勵磁繞組套在勵磁繞組套在主磁極極身上主磁極極身上換向極鐵心：換向極鐵心：1mm1.5mm厚的低碳鋼板厚

8、的低碳鋼板作用：改善換向作用：改善換向換向極繞組：與電樞繞組串聯(lián)換向極繞組：與電樞繞組串聯(lián)2、換向極、換向極p=2 即即4極電機極電機NSNS3 3、機座、機座作用：固定主磁極和換向極；作用：固定主磁極和換向極；主磁路的一部分。主磁路的一部分。鑄鋼或薄鋼板鑄鋼或薄鋼板電樞鐵心沖片電樞鐵心沖片 (0.35-0.5mm厚厚) （硅鋼片（硅鋼片）涂絕緣漆沖涂絕緣漆沖片疊壓而成片疊壓而成4 4、電樞鐵心、電樞鐵心作用：構成主磁路以及嵌放電作用：構成主磁路以及嵌放電樞繞組樞繞組5 5、電樞繞組、電樞繞組產生感應電動勢和電磁轉矩產生感應電動勢和電磁轉矩6 6、換向器、換向器將電樞繞組內的交流電動勢用機械換

9、向的方法轉換為將電樞繞組內的交流電動勢用機械換向的方法轉換為電刷間的直流電動勢。電刷間的直流電動勢。7、電刷裝置、電刷裝置把轉動的電樞與外電路把轉動的電樞與外電路相連接；相連接；與換向器配合作用獲得與換向器配合作用獲得直流電壓。直流電壓。銅絲辨銅絲辨壓緊彈簧壓緊彈簧電刷電刷刷盒刷盒普遍刷握和刷桿如右普遍刷握和刷桿如右圖所示。圖所示。三、直流電機的額定值三、直流電機的額定值1、額定功率、額定功率 PN指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以以 “W”為單位。若大于為單位。若大于 1kW 或或 1MW 時時,則用則用 kW 或或 M

10、W 表示。表示。2、額定電壓、額定電壓 UN指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為單位。為單位。3、額定電流、額定電流 IN指電機在額定電壓、額定功率時的負載電流值，以指電機在額定電壓、額定功率時的負載電流值，以 “A” 為單位。為單位。4、額定轉速、額定轉速 nN指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以r/min為單位為單位5、額定勵磁電流、額定勵磁電流 IfN 指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值，以指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值，以“A”為單位。為單位。 對于直流發(fā)電機，對于直流發(fā)電機，PN 是指輸出的電功率。是指輸出的電功率。NN

11、NIUP對于直流電動機，對于直流電動機，PN 是指輸出的機械功率。是指輸出的機械功率。NNNNIUP7-1，7-2直流電機的磁路和磁化特性直流電機的磁路和磁化特性 直流電機工作時首先需要建立一個磁場，它可以直流電機工作時首先需要建立一個磁場，它可以由永久磁鐵或由直流勵磁的勵磁繞組來產生，現(xiàn)今由永久磁鐵或由直流勵磁的勵磁繞組來產生，現(xiàn)今絕大多數(shù)直流電機都是由勵磁繞組勵磁的。絕大多數(shù)直流電機都是由勵磁繞組勵磁的。附加繞組附加繞組第七章直流電機的磁路和電樞繞組第七章直流電機的磁路和電樞繞組一、直流電機的勵磁磁場一、直流電機的勵磁磁場 (空載磁場空載磁場) 下下 圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖

12、。圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。1、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通 直流電機中，主磁通直流電機中，主磁通 是主要的，它能在電樞繞組中感應是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多。加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多。0主極漏磁系數(shù)主極漏磁系數(shù)01k2 2、主磁場分布、主磁場分布 空載時，勵磁磁動勢主空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通

13、密度的分布就取決氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。于氣隙的大小和形狀。)()(00 xFxB氣隙磁密氣隙磁密氣隙磁密在一個極下的分布氣隙磁密在一個極下的分布如圖所示，為一平頂波。如圖所示，為一平頂波。xB氣隙磁密分布氣隙磁密分布磁動勢或磁密正方向規(guī)定：當磁力線由電樞出來而進入定子磁極時為正，磁動勢或磁密正方向規(guī)定：當磁力線由電樞出來而進入定子磁極時為正，相反相反。220 xxardBl dxBl 221arxBBdxxxdBl dx S3、磁化特性曲線、磁化特性曲線磁化特性指電機主磁通與勵磁磁動勢的關系磁化特性指電機主磁通與勵磁磁動勢的關系飽和系數(shù)飽和系數(shù)01FFFFkFe35. 1

14、1 . 1k0(2)ffF 電機一般工作在磁化曲線開始彎電機一般工作在磁化曲線開始彎曲處，曲處，C點，此時點，此時7-3電樞繞組的一般知識電樞繞組的一般知識一、基本特點一、基本特點1 1、基本要求、基本要求（1 1）能產生盡可能大的電動勢，并具有良好的波形；）能產生盡可能大的電動勢，并具有良好的波形；（2 2）能通過盡可能大的電流，并承受由此產生的電磁力和）能通過盡可能大的電流，并承受由此產生的電磁力和電磁轉矩；電磁轉矩；（3 3）結構簡單，連接可靠；）結構簡單，連接可靠；（4 4）便于維護和檢修；）便于維護和檢修；（5 5）換向良好。）換向良好。2 2、電樞繞組的類型、電樞繞組的類型（1）單

15、疊繞組）單疊繞組（2）單波繞組）單波繞組（3）蛙形（混合）繞組）蛙形（混合）繞組元件邊元件邊元件邊元件邊后端接后端接后端接后端接前端接前端接前端接前端接換向片換向片換向片換向片3、有關直流電樞繞組的術語、有關直流電樞繞組的術語 （1）元件和元件邊）元件和元件邊元件：單匝或多匝線圈。每一元件有兩個放在在槽中能切割磁元件：單匝或多匝線圈。每一元件有兩個放在在槽中能切割磁通感生電動勢的有效邊稱元件邊通感生電動勢的有效邊稱元件邊(2)實槽數(shù)實槽數(shù)Q、虛槽數(shù)、虛槽數(shù)Qu、元件數(shù)、元件數(shù)S和換向片數(shù)和換向片數(shù)K為了改善電機的性能，一個槽中一般放置不止一條上層邊為了改善電機的性能，一個槽中一般放置不止一條上

16、層邊和一條下層邊，如圖所示（引入虛槽概念）。和一條下層邊，如圖所示（引入虛槽概念）。如果槽內上層有如果槽內上層有u個元件邊，每個實槽就包含個元件邊，每個實槽就包含u個個虛槽，因此虛槽，因此uQuQ3u一個元件有兩條邊，而一個虛槽中放置兩一個元件有兩條邊，而一個虛槽中放置兩條邊，因此條邊，因此uSQ每個換向片聯(lián)接兩條不同的元件邊，每個換向片聯(lián)接兩條不同的元件邊，因此因此KS uQuQSK（3）極距）極距每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或相鄰兩主磁距離，每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或相鄰兩主磁距離，用所跨弧長或該弧長所對應的虛槽表示。用所跨弧長或該弧長所對應的虛槽表示。22auDpQp 或 （4）

17、第一節(jié)距）第一節(jié)距y1同一元件的兩個邊之間的距離，用虛槽數(shù)表示。同一元件的兩個邊之間的距離，用虛槽數(shù)表示。 12uQyp小于小于1的分數(shù)。的分數(shù)。1y整距繞組；整距繞組；1y短距繞組；短距繞組；1y長距繞組；長距繞組；（5）第二節(jié)距）第二節(jié)距y2同一片換向片上相聯(lián)的兩個元件中的第一個元件的下元件邊同一片換向片上相聯(lián)的兩個元件中的第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，以虛槽數(shù)計。到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，以虛槽數(shù)計。對于單疊繞組，對于單波繞組。對于單疊繞組，對于單波繞組。02y02y（6）合成節(jié)距）合成節(jié)距y和換向器節(jié)距和換向器節(jié)距yK合成節(jié)距：相串聯(lián)的兩個元

18、件的對應元件邊在電樞表面的合成節(jié)距：相串聯(lián)的兩個元件的對應元件邊在電樞表面的跨距?？缇?。 21yyy換向器節(jié)距：與每元件的兩個端相聯(lián)的兩個換向片在換向器換向器節(jié)距：與每元件的兩個端相聯(lián)的兩個換向片在換向器表面的跨距，用表面的跨距，用換向片數(shù)表示。換向片數(shù)表示。kyy 0ky右行繞組右行繞組0ky左行繞組左行繞組7-47-4、單疊繞組、單疊繞組任何兩個串聯(lián)元件都是后一個元件疊在前一個的上面。任何兩個串聯(lián)元件都是后一個元件疊在前一個的上面。1kyy單疊繞組一般為右行繞組，單疊繞組一般為右行繞組，y= =yk=1=1。例：已知電機的極數(shù)例：已知電機的極數(shù)2 2p4 4，且，且QuSK1616。試繞制

19、一。試繞制一單疊右行整距繞組。單疊右行整距繞組。解：解：（1 1）計算繞組節(jié)距）計算繞組節(jié)距+表示繞組右行，表示繞組右行，-表示繞組左行表示繞組左行（3 3）繞組展開圖）繞組展開圖1kyy（槽）34112yyy由于是右行繞組由于是右行繞組116424uQyp（槽）（2 2）繞組聯(lián)接次序表（自成閉合回路）繞組聯(lián)接次序表（自成閉合回路）“+”表示向右跨距表示向右跨距“-”表示向左跨距表示向左跨距1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9101011111212131314141515 16161 11 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 91

20、010 11111212131314141515 16161616NNSSA1A2B1B2電刷放置的原則：電刷放置的原則：（1）空載時被電刷短）空載時被電刷短路的元件的感應電動勢盡路的元件的感應電動勢盡可能為零。可能為零。（2）并聯(lián)支路的電動）并聯(lián)支路的電動勢盡可能大。勢盡可能大。電刷應放置在換向器上的幾何中性線上。電刷應放置在換向器上的幾何中性線上。換向器上的幾何中性線：軸線與主極軸線重合的元件的換向器上的幾何中性線：軸線與主極軸線重合的元件的兩端所聯(lián)接的兩片換向片的中線。兩端所聯(lián)接的兩片換向片的中線。對于端接對對于端接對稱的元件來稱的元件來說，元件軸說，元件軸線、主極軸線、主極軸線和換向器線和換向器上的幾何中上的幾何中性線重合。性