直流電機基本基本原理和電磁關(guān)系

直流電機基本基本原理和電磁關(guān)系直流電機概述一、直流電機的用途信號傳遞：測速發(fā)電機、伺服電動機做電源用：發(fā)電機；做動力用：電動機；二、直流電機的優(yōu)缺點

1、直流發(fā)電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。

2、直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。

3、直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。

4、由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價格較高。直流發(fā)電機的原理（機械能-----直流電能）定子上的勵磁繞組通過直流電流（勵磁電流）時產(chǎn)生恒定磁場（勵磁磁場、主磁場）原動機帶動電樞線圈旋轉(zhuǎn)，切割主磁場B；轉(zhuǎn)速n(r/min)。電樞線圈的導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢E=Blv;通過換向器與電刷的作用，可以引出直流的端電勢EAB，以輸出直流電能直流發(fā)電機的原理直流電動機的原理將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流Ia通過。電機內(nèi)部有磁場存在。載流的轉(zhuǎn)子（電樞）導(dǎo)體將受到電磁力F的作用，f=Blia所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以便拖動機械負載以n(r/min)旋轉(zhuǎn)。一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋1.1定子轉(zhuǎn)子

（固定部分）（轉(zhuǎn)動部分）主磁極換向極機座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場、電機的機械支撐電樞鐵心電樞繞組換向器軸風(fēng)扇感應(yīng)電勢，而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

1.3直流電機的電路勵磁繞組 套在磁極鐵芯上。 并勵繞組——和電樞繞組并聯(lián)，匝數(shù)較多、截面積較小 串勵繞組——和電樞繞組串聯(lián)，匝數(shù)較少，截面積較大 從電阻和能量消耗的角度考慮電樞繞組 嵌在電樞鐵芯槽中 疊繞組和波繞組換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，激勵換向極磁通。

換向器 將電樞繞組內(nèi)部的交流電勢用機械換接的方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電勢。1.4電刷裝置電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（固定在定子上）接通外電路1.將轉(zhuǎn)動的電樞與外電路相連2.與換向器配合作用而獲得直流電壓電刷組數(shù)一般等于電機極對數(shù)1.5直流電機的勵磁方式直流電機勵磁方式，即勵磁繞組與電樞繞組的連接方式，對電機的運行特性有大的影響他勵——勵磁由另外獨立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接自勵——勵磁繞組與電樞繞組相連接，勵磁電流由發(fā)電機本身供給

自勵的形式勵磁回路的功率占總功率的1-5%。二、直流電機電樞繞組一般來說直流電機中至少應(yīng)該有兩套繞組：勵磁繞組和電樞繞組。二者功能不同。勵磁繞組用來產(chǎn)生主磁場，為集中繞組。電樞繞組實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，稱為功率繞組，是分布繞組。繞組宏觀分為環(huán)形和鼓形。環(huán)形繞組只在原始電機中用過，在原理上易于理解。鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導(dǎo)線，運行較可靠，經(jīng)濟性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。鼓形繞組又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。環(huán)形電樞繞組鼓形電樞繞組二、直流電機電樞繞組作用：電樞繞組——功率繞組。當電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)時將感應(yīng)電勢，當電樞繞組中流通電流時，電流和氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組直流電機進行電功率和機械功率的轉(zhuǎn)換。特點：直流繞組是閉合繞組。每個元件的兩端點分別連接在兩換向片上，每個換向片連接兩個元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。用環(huán)型繞組說明直流繞組的閉合情況電樞旋轉(zhuǎn)時，各線圈依次通過電刷作為引出端

2.1雙層繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。兩邊電勢相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個極距。線圈對稱排列：當一線圈的一個邊在某槽中占有上層位置時，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。虛槽概念在大型電機中、每層可能有N個并列圈邊 為了改善電機的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。每層有3個圈邊實槽虛槽每一元件有兩個圈邊，每一換向片上接有兩個圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個圈邊，元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，也等于虛槽數(shù)每線圈有Nc匝，則總導(dǎo)體數(shù)N2.2直流繞組的節(jié)距第一節(jié)距y1

元件的寬度，虛槽數(shù)，兩個圈邊之間的距離第二節(jié)距y2

聯(lián)至同一換向片的兩個圈邊之間的距離合成節(jié)距y

緊相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)圈邊在電樞表面的跨距換向器節(jié)距yk

每一線圈兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示2.3單疊繞組每個元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個繞組元件相對前一個繞組元件僅移過一個槽。右行左行例：繞組20虛槽，四極，雙層由右手定則判電流方向在電樞幾何中心線上的元件邊感應(yīng)電勢為0為獲得對稱的繞組，每元件連接的兩換向片的分界線與元件軸線重合例：繞組20虛槽，四極，雙層電刷被電刷短路，處于換向狀態(tài)并聯(lián)支路數(shù)2a=2pN極S極S極N極直流繞組是閉合繞組每一極面下的元件串聯(lián)成一支路每支路中一個元件被電刷短路，處于換向狀態(tài)中在整個閉合回路中，感應(yīng)電勢總和為0，繞組內(nèi)部無環(huán)流電刷數(shù)等于極數(shù)。同極性的電刷連接形成一個“極”電刷之間的引出電勢為每一支路個元件的電勢和電刷放置法使電刷間導(dǎo)出的電勢有最大值使與電勢為零的元件所連接的換向片相連接

當導(dǎo)體轉(zhuǎn)至交軸時，感應(yīng)電勢為零，電刷應(yīng)與處于交軸位置的導(dǎo)體相連如導(dǎo)體對稱，則磁極的幾何中心線處為電刷位置換向繞組的繞組軸線、磁極軸線和電刷位置在同一位置上。

N2.4單波繞組每一繞組元件的出發(fā)點和終端不在相鄰的兩換向片上，而相隔近似為一個極距相鄰兩元件相隔近似一對極距連接p個元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個槽例：電樞繞組19槽，四極例：電樞繞組19槽，四極只有兩條并聯(lián)支路：所有N極下的導(dǎo)體并聯(lián)為一支路，所有S極下的并聯(lián)為另一支路。2a=2電刷數(shù)原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷電刷位置：應(yīng)與電勢為零的元件所連接的換向片相連2.5單疊繞組和單波繞組的差別單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構(gòu)成一支路，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù) 電樞間電勢較下，電樞電流較大，稱并聯(lián)繞組單波繞組：N極下上層的繞組元件串聯(lián)為一支路，S極下的串聯(lián)為另一支路，并連支路數(shù)恒等于2

電刷間電勢較大，電樞電流較下，稱串聯(lián)繞組。NNSS疊繞波繞直流電機的額定值直流電機的額定值（Rating）主要有：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，以W為量綱單位。額定電壓UN：指額定狀態(tài)下電樞出線短的電壓，以V為量綱單位。額定電流IN：指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以A為量綱單位。額定轉(zhuǎn)速nN：指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。額定勵磁電流If：指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。對直流發(fā)電機PN是指輸出的電功率。直流電動機PN是指輸出的機械功率（與電功率相差一個效率）直流電機的基本理論直流電機的磁場：勵磁方式、磁場分布、電樞反應(yīng)直流感應(yīng)電勢：電勢公式、電勢方程式電磁轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式功率與損耗：損耗分析、功率平衡方程式1.5直流電機的勵磁方式直流電機勵磁方式，即勵磁繞組與電樞繞組的連接方式，對電機的運行特性有大的影響他勵——勵磁由另外獨立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接自勵——勵磁繞組與電樞繞組相連接，勵磁電流由發(fā)電機本身供給

自勵的形式勵磁回路的功率占總功率的1-5%。二、空載時直流電機的磁場一、直流電機的磁通路徑磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)過氣隙1---電樞齒1---電樞軛---電樞齒2---氣隙2---主磁極2---定子軛---主磁極1。由磁極的直流勵磁電流產(chǎn)生，空氣隙磁場不隨時間變化，是恒定磁場；空間上，忽略極面下的齒槽效應(yīng)，沿極面均勻分布。邊緣磁通空間上，非正弦分布，在導(dǎo)體中感應(yīng)電勢將包括有高次諧波。負載時直流電機的磁場---電樞反應(yīng)電樞磁場會對主磁場產(chǎn)生一定的影響，這一影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)會使得每極磁通發(fā)生變化，也會使氣隙磁場發(fā)生畸變，從而影響電機的性能。一、電樞磁勢的分布電樞磁勢的分布與電樞電流的分布有關(guān)。電樞電流的方向由電刷來決定。電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導(dǎo)體的連線重合。或者說電刷位置決定了電樞磁勢的軸線。當電刷與處于幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸時，電樞磁勢的軸線在交軸方向。并把這一磁勢稱為交軸電樞反應(yīng)磁勢。設(shè)直軸線與電樞外圓的交點為0點，在距0點為x處作一閉合磁力線回路。該閉路包圍的電流數(shù)即為總磁勢Fa。電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)A稱為電機的線負荷。線負荷距0點位x處，每個氣隙的電樞反應(yīng)磁勢為：上式為一個極距的電勢磁勢分布，將一對極的電勢磁勢波形畫出，將得到三角波。電樞電勢單獨產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的分布：磁密由磁勢和氣隙磁阻共同決定。極面下氣隙基本不變，磁密正比于磁勢。兩極之間的區(qū)域內(nèi)，氣隙變大，磁密迅速見效。一個周期的磁密波形呈馬鞍形。在一個極距內(nèi)相加時，一半極距內(nèi)磁密加強，另一半極距內(nèi)磁密減弱。如果點擊的磁場不飽和，則半個極距內(nèi)增加的磁通量與另半個極距內(nèi)減少的磁通量相等。即每極總磁通與空載時一樣。實際上由于飽和，使得每極磁通總體上有所減少，磁場發(fā)生畸變，0點位置發(fā)生了位移。（交軸）電樞反應(yīng)：氣隙磁場發(fā)生畸變（對發(fā)電機而言前極端去磁，后極端增磁。而對電動機而言則是前極端增磁，后極端去磁）使每極磁通減少，此反應(yīng)會對電機性能產(chǎn)生不良影響。直流電機電樞繞組磁勢波形直流電機的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)交流電機的電樞磁勢是幅值隨時間按正弦規(guī)律脈動的空間分布波

如沿電樞分布的線圈無限增多，則級形波將趨近于三角形波

電刷位置對電樞磁勢的影響電樞磁勢幅值的位置恰在導(dǎo)體中的電流改變方向處，亦即在導(dǎo)體通過電刷處。如電刷和位于交軸的導(dǎo)體相接觸，則電樞磁勢的軸線也在交軸；如電刷移動，則電樞磁勢的軸線也就跟著移動。直流電機的電樞磁勢軸線水遠位于導(dǎo)體中的電流改變方向處（電刷位置），且在空間是靜止不動的。負載時的

氣隙磁勢和磁場交軸直軸電樞磁勢位置取決于電刷位置，電刷位于交軸，電樞磁勢軸線也在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。極尖處磁密最大且由于其飽和程度的提高，飽和影響使高峰略有下降，即極面下的總磁通略減小，呈現(xiàn)去磁作用負載時的

氣隙磁勢和磁場交軸直軸交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響：使氣隙磁場發(fā)生畸變使物理中心線偏移幾何中心線一個角度（對發(fā)電機：順著旋轉(zhuǎn)方向）磁路未飽和時，每極磁通不變?nèi)缈紤]磁路飽和的影響，則交軸電樞反應(yīng)有去磁作用七、直軸電樞反應(yīng)如電刷順著發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)方向或逆著電動機的旋轉(zhuǎn)方向移過一個角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢的軸線也隨著電刷移動。在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，稱為直軸電樞反應(yīng)，其方向與主磁極極性相反，使主磁通減弱，呈現(xiàn)去磁作用。將使電樞電勢減小在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。七、直軸電樞反應(yīng)如電刷逆著發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)方向或順著電動機的旋轉(zhuǎn)方向移過一個角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢的軸線也隨著電刷移動。在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，其方向與主磁極極性相同，呈磁化作用。將加劇換向的困難在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。削弱電樞反應(yīng)負作用的措施由于電樞反應(yīng)使氣隙磁場畸變而形成環(huán)火的可能性較大，須將電樞反應(yīng)盡可能地予以補償，以防止發(fā)生環(huán)火。在電機中裝置有補償繞組，使其產(chǎn)生的磁勢適能抵消電樞反應(yīng)電勢補償繞組的電流分布和電樞繞組各對應(yīng)點的電流分布大小相等、方向相反；交軸附近的電樞磁勢將由換向極磁勢來補償。補償繞組和換向極繞組應(yīng)和電樞繞組串聯(lián)。八、電樞繞組的感應(yīng)電勢電樞繞組的感應(yīng)電勢——電機正、負電刷之間的電勢，即每一并聯(lián)支路的電勢