第5章 直流電機(jī)的基本原理和電磁關(guān)系

直流電機(jī)

DCMachines結(jié)構(gòu)基本原理電磁關(guān)系直流電機(jī)的用途

一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)扇機(jī)座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵(lì)磁繞組端蓋直流電機(jī)的物理模型圖

上圖表示一臺(tái)最簡單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

1.1定子轉(zhuǎn)子

（固定部分）（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）主磁極換向極機(jī)座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場、電機(jī)的機(jī)械支撐

電樞鐵心電樞繞組換向器軸風(fēng)扇感應(yīng)電勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

1.2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,將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路相連,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(jī)極對(duì)數(shù)

復(fù)勵(lì)式(圖)：裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一為與電1、他勵(lì)式

其勵(lì)磁繞組由其他電源供電，勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連。2、自勵(lì)式發(fā)電機(jī)：利用自身發(fā)出的電流勵(lì)磁；

電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。并勵(lì)式：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；串勵(lì)式(圖)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；樞并聯(lián)的并勵(lì)繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵(lì)繞組。1.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式+-串勵(lì)式+-復(fù)勵(lì)式二、直流電機(jī)電樞繞組作用：電樞繞組——功率繞組。當(dāng)電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)將感應(yīng)電勢(shì)，當(dāng)電樞繞組中流通電流時(shí)，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(jī)進(jìn)行電功率和機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：直流繞組是閉合繞組。每個(gè)元件的兩端點(diǎn)分別連接在兩換向片上，每個(gè)換向片連接兩個(gè)元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。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(shì)。兩邊電勢(shì)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(gè)極距。線圈對(duì)稱排列：當(dāng)一線圈的一個(gè)邊在某槽中占有上層位置時(shí)，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(jī)中、每層可能有N個(gè)并列圈邊 為了改善電機(jī)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(gè)圈邊實(shí)槽虛槽每一元件有兩個(gè)圈邊，每一換向片上接有兩個(gè)圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個(gè)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(gè)圈邊之間的距離第二節(jié)距y2

聯(lián)至同一換向片的兩個(gè)圈邊之間的距離合成節(jié)距y

緊相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)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(gè)元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個(gè)繞組元件相對(duì)前一個(gè)繞組元件僅移過一個(gè)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(shì)為0為獲得對(duì)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=2p

N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(gè)元件被電刷短路，處于換向狀態(tài)中在整個(gè)閉合回路中，感應(yīng)電勢(shì)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(gè)“極”電刷之間的引出電勢(shì)為每一支路個(gè)元件的電勢(shì)和電刷放置法使電刷間導(dǎo)出的電勢(shì)有最大值使與電勢(shì)為零的元件所連接的換向片相連接

當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)至交軸時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)為零，電刷應(yīng)與處于交軸位置的導(dǎo)體相連如導(dǎo)體對(duì)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(diǎn)和終端不在相鄰的兩換向片上，而相隔近似為一個(gè)極距相鄰兩元件相隔近似一對(duì)極距連接p個(gè)元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個(gè)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(shì)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(gè)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(shì)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(shì)較大，電樞電流較下，稱串聯(lián)繞組。NNSS疊繞波繞三、直流電機(jī)的簡單工作原理旋轉(zhuǎn)電樞式的直流電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)、磁極固定，帶有換向器磁極——定子電樞線圈——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)換向片靜止電刷通過換向片，電刷1總與位于N極下的導(dǎo)體相連，極性為正；電刷2與位于S極下的導(dǎo)體相連，極性為負(fù)四、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場由磁極的直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生，空氣隙磁場不隨時(shí)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(shì)將包括有高次諧波。主磁通與磁極漏磁通主磁通：產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的有效磁通，通過空氣隙，同時(shí)交鏈電樞繞組和勵(lì)磁繞組。磁極漏磁通：從磁極的側(cè)面逸出，只和勵(lì)磁繞組交鏈。磁極磁通：包括主磁通和漏磁通，k=+電樞磁通：主磁通的一半定子磁軛磁通：磁極磁通的一半換向極主磁極磁軛五、負(fù)載時(shí)電樞電流產(chǎn)生的磁勢(shì)電樞磁勢(shì)的存在使空氣隙磁勢(shì)的分布情況改變，從而使空氣隙磁場分布情況改變。

對(duì)于一定的電樞電流，空氣隙磁場仍然是一恒定磁場，即不隨時(shí)間變化由于靜止的電刷和運(yùn)動(dòng)的換向器的共同作用，電刷間連接的導(dǎo)體時(shí)刻在變化，但電刷間導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁勢(shì)不變。電樞磁勢(shì)和主磁極的相對(duì)位置一定。同步電機(jī)的電樞磁勢(shì)和主磁極也相對(duì)靜止，但其相對(duì)位置隨負(fù)載功率因數(shù)而變化5.1直流電機(jī)電樞繞組磁勢(shì)波形

直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)

Cf.交流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)的空間分布波

如沿電樞分布的線圈無限增多，則級(jí)形波將趨近于三角形波

5.2電刷位置對(duì)電樞磁勢(shì)的影響電樞磁勢(shì)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(shì)的軸線也在交軸；如電刷移動(dòng)，則電樞磁勢(shì)的軸線也就跟著移動(dòng)。直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)軸線水遠(yuǎn)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(dòng)的。5.3任意點(diǎn)電樞磁勢(shì)的計(jì)算條件：設(shè)電樞繞組的導(dǎo)體數(shù)為W，極數(shù)為2p，則一個(gè)極距內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)為W／2p。電刷電流為Ia，并聯(lián)支路數(shù)為2a，則流過每一導(dǎo)體的電流為Ia／2a

線負(fù)載A：沿著電樞圓周每單位長度內(nèi)的電流安培數(shù)交軸直軸電樞磁勢(shì)位置取決于電刷位置，電刷位于交軸，電樞磁勢(shì)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，呈去磁作用六、負(fù)載時(shí)的氣隙磁勢(shì)和磁場交軸直軸（交軸）電樞反應(yīng)對(duì)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(gè)角度（對(duì)發(fā)電機(jī)：順著旋轉(zhuǎn)方向）磁路未飽和時(shí)，每極磁通不變?nèi)缈紤]磁路飽和的影響，則交軸電樞反應(yīng)有去磁作用直軸電樞反應(yīng)如電刷順著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向或逆著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向移過一個(gè)角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢(shì)的軸線也隨著電刷移動(dòng)。

在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)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(shì)減?。辉诮嵌?β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。

在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)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(shì)作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。削弱電樞反應(yīng)負(fù)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(bǔ)償，以防止發(fā)生環(huán)火。在電機(jī)中裝置有補(bǔ)償繞組，使其產(chǎn)生的磁勢(shì)適能抵消電樞反應(yīng)電勢(shì)；補(bǔ)償繞組的電流分布和電樞繞組各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電流分布大小相等、方向相反；交軸附近的電樞磁勢(shì)將由換向極磁勢(shì)來補(bǔ)償。補(bǔ)償繞組和換向極繞組應(yīng)和電樞繞組串聯(lián)。簡單分析設(shè)電樞磁勢(shì)的每極安匝數(shù)為Fa則直軸電樞磁勢(shì)的幅值為交軸電樞磁勢(shì)的幅值為交軸電樞磁勢(shì)的去磁作用，用等效直軸去磁安匝Faqd表示，它與磁路的飽和程度有關(guān)，可近似與電樞電流成正比有效的勵(lì)磁磁勢(shì)為七、電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)——電機(jī)正、負(fù)電刷之間的電勢(shì)，即每一并聯(lián)支路的電勢(shì)。位于電刷之間固定位置的各個(gè)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)之和假設(shè)電樞導(dǎo)體是連續(xù)均勻分布的，則電勢(shì)為恒定的直流電勢(shì)

7.1電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為W，有2a條并聯(lián)支路，則每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體為W／2a電刷間的感應(yīng)電勢(shì)為每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)之和

直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)與每極磁通量及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如將每極磁通量保持不變，直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)將和轉(zhuǎn)速成正比。如將轉(zhuǎn)速保持不變，直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)將和每極磁通量成正比。電刷間的感應(yīng)電勢(shì)僅和極面下的總磁通量有關(guān)，而和極面下磁通密度的分布情況無關(guān)7.2

直流發(fā)電機(jī)的平衡方程式并勵(lì)發(fā)電機(jī)ΔU——每一電刷的接觸電壓降電刷接觸電阻隨電流的增大而減小，通常假定為常數(shù)，當(dāng)用石墨電刷或碳石墨電刷時(shí)，取為1V電壓平衡式IaIL

If并勵(lì)發(fā)電機(jī)功率平衡式電磁功率輸入功率空載損耗負(fù)載損耗ra:串接在電樞回路中各種繞組的總電阻，如電樞繞組、串勵(lì)繞組和換向極繞組等。附加損耗產(chǎn)生P的原因電樞存在齒槽，使氣隙磁通發(fā)生脈動(dòng)，在電樞鐵心、主極鐵心和極靴表面中產(chǎn)生脈動(dòng)損耗電樞反應(yīng)使磁場畸變產(chǎn)生的額外電樞損耗電樞拉緊螺栓在磁場中旋轉(zhuǎn)引起的鐵耗由換向電流產(chǎn)生的損耗IaIL

If7.3

直流電動(dòng)機(jī)的平衡方程式

IIa