第1章-直流電機的基本原理

了解直流電機的的基本結構掌握直流電機的基本工作原理直流電機的額定值本節(jié)基本要求概述直流電機的基本結構直流電機的基本工作原理直流電機的型號和額定值主要內容1.1概述直流電機是根據(jù)電磁感應定律和電磁力定律實現(xiàn)機械能與直流電能轉換的機器分類：直流電機直流發(fā)電機：直流電動機：機械能電能電能機械能用途：直流發(fā)電機：電源勵磁機信號傳遞測速發(fā)電機1.1概述用途：直流電動機：動力用-直流電動機信號傳遞直流伺服電動機優(yōu)點：直流發(fā)電機：波形平滑性好，電磁干擾小直流電動機：①調速范圍寬，平滑性好；②起動、過載、制動轉矩大；③易于控制，可靠性高；④調速時能量損耗小，經濟，系統(tǒng)成本低。1.1概述缺點：應用實例：直流發(fā)電機：直流電動機的電源、同步機的勵磁、電鍍、電解、電冶煉等的直流電源直流電動機：給粉系統(tǒng)、卷揚機、大型機床、電力機車、電車、電氣機車牽引、造紙、紡織拖動、吊車、挖掘機械、軋鋼機、船舶推進等成本高、結構和工藝復雜、維修困難、安全可靠性差。發(fā)展趨勢：直流發(fā)電機逐步被電力電子整流電源所取代；直流電動機逐步被交流電動機所取代；1.2直流電機的基本結構主要由定子、轉子兩部分組成直流電機定子轉子電樞鐵心軸承換向器風扇轉軸電樞繞組機座換向極主磁極電刷裝置端蓋主極鐵心勵磁繞組刷桿電刷刷握刷桿座(產生勵磁磁場)(產生電動勢，流過電流，產生電磁轉矩)1.2直流電機的基本結構機械結構定子部分轉子部分主磁極換向極機座電刷裝置電樞鐵心電樞繞組換向器電氣結構勵磁回路電樞回路主磁極換向極電刷裝置電樞繞組換向器三、直流電機結構2-1工作原理及結構電樞（繞組）電刷換向器電源接線端機械連結軸主磁極，勵磁繞組2-1工作原理及結構1.3直流電機的基本結構NSNS1.3直流電機的基本結構N極和S極成對出現(xiàn)且沿圓周均勻交替分布；極對數(shù)：N極或S極的個數(shù)，通常用p表示；極數(shù)：主磁極的個數(shù)，等于2p。p=2即4極電機1.3直流電機的基本結構1.3直流電機的基本結構一、主磁極作用：產生主磁場構成：⑴主極鐵心：1~1.5mm厚的鋼板⑵勵磁繞組：用絕緣銅線構成主磁極鋼板沖片（1-1.5mm厚）主磁極由鋼板沖片疊壓而成勵磁繞組套在主磁極極身上1.3直流電機的基本結構二、換向極（附加極）作用：改善換向構成：鐵心：整塊鋼或鋼板繞組：和電樞繞組串聯(lián)位置：兩個主磁極的中心線上→幾何中心線個數(shù)：一般和主極個數(shù)一樣。也有是主極個數(shù)的一半。三、機座作用：①固定主磁極、換向極和端蓋等②主磁路的一部分（磁軛）構成：鑄鋼或厚鋼板焊接1.3直流電機的基本結構四、電樞鐵心作用：①主磁路②安放電樞繞組構成：硅鋼片迭成電樞鐵心沖片(0.35-0.5mm厚)（硅鋼片）涂絕緣漆沖片疊壓而成均勻開槽三維圖示+_2-1工作原理及結構外電源固定極性電流換向片一個電樞繞組電機旋轉體電樞換向電刷電樞結構示意1.3直流電機的基本結構五、電樞繞組六、換向器作用：將線圈里的交流電勢變?yōu)殡娝⒍说闹绷麟妱??；虬淹饧拥闹绷麟娏髯優(yōu)榫€圈中的交流電流。構成：銅片組成，用云母絕緣作用：感應電動勢和通過電流，實現(xiàn)能量轉換構成：按一定規(guī)律連接的絕緣銅線構成1.3直流電機的基本結構換向器1.3直流電機的基本結構七、電刷裝置作用：保持和換向器的滑動接觸，與換向器配合，將線圈中的交流電勢變?yōu)殡娝⑸系闹绷麟妱輼嫵桑弘娝?、刷握、刷桿、刷桿座個數(shù)：與磁極個數(shù)相同。1.4直流電機的基本工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理1.4直流電機的基本工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理通過換向片，電刷A總與位于N極下的導體相連，極性為正。電刷B總與位于S極下的導體相連，極性為負1.4直流電機的基本工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理線圈中的電動勢和電流均為交流通過換向片，電刷固定接于某一磁極下的導體換向器將電樞繞組中的交流電轉化為電刷兩端的直流電1.4直流電機的基本工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理增加導體可減小感應電動勢的脈動。當有足夠多的線圈和換向片時，可獲得穩(wěn)定直流電勢。當每極下導體數(shù)大于8時，脈動可小于1%。1.4直流電機的基本工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理結論：1）電樞繞組內電勢、電流為交流電；2）電刷間為直流電勢。繞組中感應電勢與電流方向一致；3）電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；4）產生的電磁轉矩與轉子轉向相反，為制動性質；5）原動機克服電磁制動轉矩作功，將機械能轉換為電能。1.4直流電機的基本工作原理二、直流電動機的工作原理在直流電動機中，雖然外加電源為直流，但通過換向器的作用，導體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉矩的方向始終保持不變。即線圈中的電流是交變的，但產生的電磁轉矩方向是恒定的。1.4直流電機的基本工作原理二、直流電動機的工作原理1.4直流電機的基本工作原理二、直流電動機的工作原理1.4直流電機的基本工作原理結論：1）外施電壓、電流是直流，電樞繞組內電流是交流；2）電樞繞組中感應電勢與電流方向相反；3）線圈是旋轉的，電樞電流是交變的。電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的；4）產生的電磁轉矩與轉子轉向相同，為驅動性質；5）電磁轉矩克服負載轉矩作功，將電能轉換為機械能。二、直流電動機的工作原理1.4直流電機的基本工作原理三、直流電機的可逆原理同一臺直流電機，通過改變外界條件，既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行。在電機理論中稱為可逆原理。如果用原動機拖動電樞旋轉，可以從電刷端引出直流電動勢而作為直流電源對負載供電，此為發(fā)電機運行。如果在電刷端外加直流電壓，則可以帶動軸上的機械負載旋轉，從而把電能轉變成機械能，此為電動機運行。1.5直流電機的型號和額定值一、直流電機的型號（Z）型號表明電機的系列及主要特點。知道了電機的型號，便可從相關手冊及資料中查出該電機的有關技術數(shù)據(jù)。1.5直流電機的型號和額定值一、直流電機的型號（Z）1.5直流電機的型號和額定值額定值是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產品設計或試驗的依據(jù)。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。1.5直流電機的型號和額定值二、直流電機的額定值1．額定功率PN

（W或kW）：電機在額定運行時的輸出功率。發(fā)電機：電刷間輸出的電功率。PN＝UNIN

電動機：軸上輸出的機械功率。PN＝UNINηN

2．額定電壓UN

（V）：額定運行狀況下，直流發(fā)電機的輸出電壓或直流電動機的輸入電壓。

3．額定電流IN

（A）：額定電壓和額定功率時允許電機長期輸入（電動機）或輸出（發(fā)電機）的線端電流。1.5直流電機的型號和額定值二、直流電機的額定值3．額定電流IN

（A）直流發(fā)電機：IN

＝PN×103/UNA

直流電動機：IN

＝PN×103/(UNηN

)A4．額定轉速nN

（r／min）：在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉子轉速。5．額定效率ηN

：直流電動機額定輸出功率與電動機額定輸人功率比值的百分數(shù)。1.了解直流電機電樞繞組的構成及其連接2.掌握直流電機電樞繞組的特點本節(jié)基本要求1.2直流電機的電樞繞組直流電機電樞繞組的一般知識單疊繞組單波繞組主要內容1.2.1直流電機電樞繞組的一般知識作用：電樞繞組是直流電機的關鍵部件之一，構成直流電機的電路部分，在機電能量轉換中起著重要的作用，運行時電樞繞組產生電動勢，流過電流并產生電磁轉矩，是實現(xiàn)機電能量轉換的樞紐。電樞繞組的基本要求：(1)能產生盡可能大的電動勢，并有良好的波形。(2)能通過足夠大的電流，以產生并承受所需的電磁力和電磁轉矩。(3)節(jié)省材料（有色金屬和絕緣材料），結構簡單，連接可靠。(4)便于維護和檢修。(5)對直流電機，應保證換向良好。分類特點：閉合繞組(1)疊繞組：單疊和復疊繞組。(2)波繞組：單波和復波繞組。(3)蛙繞組：疊繞和波繞混合的繞組。電樞繞組的演變環(huán)形電樞繞組鼓形電樞繞組環(huán)形電樞繞組：只有一半的導體產生感應電動勢，導體利用率低。鼓形電樞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生感應電勢。有關電樞繞組名詞、術語極軸線：磁極中心線幾何中心線：磁極之間的平分線

在分析電樞繞組連接規(guī)律時，主要研究它的節(jié)距、展開圖、元件連接次序和并聯(lián)支路圖元件：構成繞組的線圈。電樞繞組的基本單元，單匝和多匝雙層繞組1）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。2）一個元件邊放在槽的上層，另一邊放在另一槽的下層，一個槽里總有上下層線圈邊。3）線圈的兩個元件處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個極距，兩個電勢相加。

進一步說明：為了增大電動機的電磁轉矩并減小轉矩的波動，為了增大發(fā)電機的電動勢并使輸出電動勢平穩(wěn),都必須在電樞表面均勻嵌放很多線圈,這些線圈按照一定的規(guī)律連接起來就構成了電樞繞組。疊繞組和波繞組疊繞組：一個元件的兩出線端接在兩相鄰換向片上（單疊繞組），或相隔數(shù)片的換向片上（復疊繞組）。折疊式前進波繞組疊繞組波繞組：一個元件的兩出線接在相隔約兩個極距的換向片上，繞它一周后回到與起始片相鄰的換向片上（單波繞組），或相隔數(shù)片的換向片上（復波繞組）。波浪式前進實槽和虛槽為改善電機的性能，希望用更多的元件組成電樞繞組。由于工藝等原因，電樞鐵心不能開太多的槽，故在每槽的上下層各放置若干元件邊。若每一實槽中一層并排放置u排元件邊，則一個實槽可以看成u個“虛槽”，每一個虛槽的上、下層各有一個元件邊。實槽與虛槽：u=3每一元件有兩個邊；每一換向片上接兩個邊；每一虛槽內放置有兩個邊；元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，等于虛槽數(shù)每線圈有Nc匝，則總導體數(shù)為N

三、節(jié)距第一節(jié)距y1：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。一般用所跨的虛槽數(shù)表示極距：在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。整數(shù)為湊整分數(shù)整距繞組短距繞組長距繞組短距繞組端部接線短、省銅，且利于換向，故常用換向器節(jié)距yk：每元件的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。第二節(jié)距y2：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。合成節(jié)距y第二節(jié)距y2換向器節(jié)距yk合成節(jié)距y：相串聯(lián)的兩元件對應有效邊在電樞表面上的跨距，其大小用虛槽數(shù)表示。y1＝y(tǒng)＋y22.2單疊繞組元件依次相連，元件的出線端接到相鄰的換向片上，第一個元件的下層邊（虛線）連接著第二個元件的上層邊，它放在第一元件上層邊相鄰的第二個槽內。相鄰元件(線圈)相互疊壓,后一元件的端部緊疊在前一元件的端部（疊）；首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1（單），即yK

＝y(tǒng)＝1槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同單疊繞組元件右行

左行

單疊左行繞組和單疊右行繞組舉例：2p＝4，u=1，Z＝Z

e＝S＝K＝16，單疊右行整距繞組節(jié)距計算y＝y(tǒng)k＝＋1節(jié)距計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極展開圖展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關系根據(jù)元件的節(jié)距畫繞組展開圖1單疊繞組展開圖1.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττA+B–++－－.swf布線單疊繞組展開圖單疊繞組展開圖同一極下導體電流方向相同（同一槽中上下層邊不屬于同一線圈，但電流的方向一致）；N、S極下導體電流方向相反。電路圖并聯(lián)支路單疊繞組的特點（1）元件的兩個出線端連接于相鄰的兩個換向片上；（2）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。2a=2p（3）整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，繞組內部無“環(huán)流”；（4）每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷數(shù)等于主磁極數(shù)；（5）電刷位置應使感應電動勢最大，正負電刷之間引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓；Ea=ea（6）由正負電刷引出的電樞電流為各支路電流之和，即Ia=2aia（式中ia為每一條支路的電流，即繞組元件中流過的電流）。2.3單波繞組首末端所連的兩換向片相隔很遠，兩個元件串聯(lián)后形似波浪。兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。合成節(jié)距與換向節(jié)距相等yK

＝y(tǒng)整數(shù)整數(shù)第一節(jié)距第二節(jié)距y2＝y(tǒng)–

y1單波左行繞組和單波右行繞組單波繞組元件右行極距：舉例：2p＝4，u=1，Z＝Z

e＝S＝K＝15，左行短距單波繞組一、節(jié)距計算節(jié)距計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極元件、換向片的放置：1＃元件上層邊1＃槽，下層邊4＃槽;首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對稱，首末端所連的兩換向片之間的中心線與1＃元件的軸線重合。1＃元件上層邊所連的換向片定為1＃。依次聯(lián)接。磁極放置：N、S極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：放在與主磁極軸線重合的換向片上。即幾何中心線上。

單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷單波繞組展開圖單波繞組元件連接順序圖從繞組展開圖可以看出，全部15個元件串聯(lián)而構成一個閉合回路的順序是：1815714613512411310291用聯(lián)接順序圖表示為：1815714613512411310291411310291815714613512上層邊下層邊電路圖單波繞組的特點1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為1，即a＝1，與磁極對數(shù)無關；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）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，即電刷數(shù)等于磁極數(shù)（采用全額電刷）；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。即Ia=2ia4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；因只有兩條支路，元件一定時，可得到較高的電壓；單疊繞組和單波繞組的主要區(qū)別單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構成一支路，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。相同元件數(shù)時，疊繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，稱并聯(lián)繞組，適應于較大電流、較低電壓的電機。單波繞組：全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路，即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，整個繞組只有一對支路，極數(shù)的增減與支路數(shù)無關。2a＝2。相同元件數(shù)時，波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，稱串聯(lián)繞組，適用于較高電壓、較小電流的電機。大容量的電機，可以采用混合繞組。直流電機繞組歸納直流電機的電樞繞組總是自成閉路;電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠是成對出現(xiàn)，因為磁極數(shù)(2p)是一個偶數(shù)；且至少有2條并聯(lián)支路；

單疊繞組：a=p

即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機極對數(shù)單波繞組：a=1 即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1電刷放置的一般原則是空載時通過正、負電刷間的電動勢最大，或者說，被電刷短路的元件中的電動勢為零。對于端接對稱的元件，電刷也就放置在主極軸線下的換向片上，電刷總是與位于幾何中線上的導體相接觸。1.了解直流電機的磁路2.理解直流電機的磁動勢和磁場本節(jié)基本要求1.3直流電機的磁場1.3.1勵磁方式直流電機磁場由永久磁鐵或勵磁繞組通以直流電勵磁產生。勵磁繞組和電樞繞組不同的聯(lián)接，決定了不同的勵磁方式。不同的勵磁方式，電機的性能將不同。

圖1－15各種勵磁方式的直流發(fā)電機他勵：勵磁繞組與電樞繞組無關－－電樞電流－－額定電流（回路電流）－－勵磁電流

并勵：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)

短分接法長分接法復勵：既有并勵繞組又有串勵繞組1.3.2直流電機的空載磁場直流電機的空載是指勵磁繞組里有勵磁電流，電樞電流等于或近似為零的一種運行狀態(tài)。1、直流電機的磁路主磁通磁路：氣隙1－電樞齒－電樞軛－S極電樞齒2－S極氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1－氣隙1四極直流電機空載時的磁場示意圖

直流電機中，主磁通是主要的，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，大約是主磁通的20%。磁力線由N極出來，經氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為Nf

，流過電流If

，每極的勵磁磁動勢為：空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零?？蛰d時的氣隙磁通密度為平頂波，空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。

為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。

為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通設定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。1.3.3直流電機負載時的負載磁場1、電樞磁動勢：直流電機負載運行時，電樞繞組中有電流流過，電樞電流也產生磁動勢，稱為電樞磁動勢；由電樞磁動勢建立的磁場稱為電樞磁場。電樞磁場分布圖1.3.3直流電機負載時的負載磁場1、電樞磁動勢：直流電機負載運行時，電樞繞組中有電流流過，電樞電流也產生磁動勢，稱為電樞磁動勢；由電樞磁動勢建立的磁場稱為電樞磁場。

當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果(電樞磁動勢產生的磁場與勵磁磁動勢產生的主磁場相互垂直)。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。直流電機帶有負載時，電樞繞組中有電流通過，電樞繞組的電流也會產生磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主磁極磁場一起，在氣隙中建立一個合成磁場。下面以兩極電動機為例分析合成磁場分布情況。為了方便，換向器通常不畫出來，而把電刷畫在電樞圓周上，如圖1.13所示。圖中，電刷處在幾何中性線n-n上。圖1.13直流電動機氣隙磁場分布示意圖（a）主磁極磁場；（b）電樞磁場；（c）合成磁場圖1.13(a)所示為空載磁場分布情況。在電樞表面上磁感應強度為零的地方是物理中性線m-m?？蛰d時物理中性線與幾何中性線重合。圖1.13(b)所示為電樞磁場，它的方向由電樞電流確定，電樞電流的分界線是電刷，在電刷軸線兩側對稱分布。圖1.13(c)所示為合成磁場，它是主磁極磁場與電樞磁場合在一起產生的。可以看出，由于電樞磁場的出現(xiàn)，對主磁極磁場的分布有明顯的影響，這種現(xiàn)象稱為電樞反應。從圖1.13看出，當電刷在幾何中性線時，電樞反應表現(xiàn)如下：由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：

2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁