第二章 直流電機(jī)

杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動化學(xué)院第二章直流電機(jī)直流電能機(jī)械能直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)機(jī)械能直流電能直流電動機(jī)直流電能機(jī)械能直流發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場合：作為電解、電鍍、交流發(fā)電機(jī)的勵磁等電源，

轉(zhuǎn)速或位置的檢測。直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：較大的起動轉(zhuǎn)矩、過載能力強(qiáng)，調(diào)速方式簡單、性能好

應(yīng)用場合：電力機(jī)車、龍門刨床、造紙與印刷機(jī)械、電動自行車等2.1.1交流發(fā)電機(jī)原理C位置2.1直流電機(jī)的工作原理一個線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)所感應(yīng)的電動勢為交流電。B位置abdcD位置abdc*A*B*C*D*A電刷AB電壓UθOA位置abcdAB2.1.2

直流發(fā)電機(jī)的原理2.1.2直流發(fā)電機(jī)的原理通過換向器和電刷的配合，線圈內(nèi)交流感應(yīng)電動勢變?yōu)殡娝⒍嗣}動的直流電。A位置C位置B位置D位置*A*B*C*D*A電刷端電壓UθO2.1.3直流電動機(jī)的原理直流電動機(jī)換向器和電刷的作用：單方向的電磁轉(zhuǎn)矩；

將外部直流電變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流電。

D位置B位置A位置C位置在電力電子技術(shù)中：

將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程稱為整流；

將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為逆變。直流電機(jī)的電刷和換向器共同起到了機(jī)械式變流器的作用?？偨Y(jié)：（1）直流電機(jī)線圈內(nèi)部的感應(yīng)電動勢和電流為交流電，而電刷外部的電壓和電流為直流電。直流電機(jī)因此而得名。（2）直流電動機(jī)：電刷和換向器共同將電刷外部直流電轉(zhuǎn)換為線圈內(nèi)部交流電，即逆變。

直流發(fā)電機(jī)：電刷和換向器共同將線圈內(nèi)部交流電轉(zhuǎn)換為電刷外部直流電，即整流。（3）電刷和換向器起到了機(jī)械式變流器（整流器與逆變器的總稱）的作用。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動化學(xué)院2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子主磁極：永磁體0.5~1.5mm厚鋼板沖片疊壓+勵磁繞組電刷裝置換向極軸承機(jī)座、端蓋和接線盒軸承電刷裝置碳刷接線彈簧片主磁極勵磁繞組鐵心固定螺絲轉(zhuǎn)子電樞鐵心：不大于0.5mm厚硅鋼片沖片疊壓成電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸/dianjixilie022/3-kjdh-zhiliujijiegou/kjdh-zhiliujijiegou.html鵬芃科藝——直流電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電樞鐵心電樞繞組轉(zhuǎn)軸換向器換向片杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.3直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)額定數(shù)據(jù)即銘牌數(shù)據(jù)，是設(shè)計和使用電機(jī)的依據(jù)。額定功率PN電機(jī)在額定狀態(tài)時的輸出功率，單位W（或kW、MW）額定電壓UN（單位V或kV）額定電流IN（單位A或kA）額定轉(zhuǎn)速nN（單位r/min）額定電磁轉(zhuǎn)矩TN（單位N.m）額定輸出轉(zhuǎn)矩T2N（單位N.m）額定效率ηN直流發(fā)電機(jī)：PN指輸出的電功率，等于額定電壓和額定電流的乘積。直流電動機(jī)：PN指輸出的機(jī)械功率，等于輸入功率和效率ηN的乘積。額定功率PN直流電動機(jī)的額定功率與額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系為相應(yīng)地，由電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速也可求得額定輸出轉(zhuǎn)矩注意：功率的單位為W，轉(zhuǎn)速的單位為r/min。在額定狀態(tài)下，電機(jī)既能獲得最佳性能指標(biāo)，又能長期可靠地運(yùn)行。額定狀態(tài)運(yùn)行也稱滿載運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)不可能總是運(yùn)行在額定狀態(tài)。電機(jī)電流小于額定電流，稱欠載運(yùn)行。電機(jī)電流超過額定電流，稱過載運(yùn)行。長期過載或者欠載運(yùn)行都不好。長期過載運(yùn)行，電機(jī)可能因?yàn)檫^熱而損壞；長期欠載運(yùn)行，效率低，容易造成電能的浪費(fèi)。因此選擇電機(jī)時，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡量讓電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.4直流電機(jī)的電樞繞組直流電動機(jī)：線圈通入電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，于是線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，吸收電功率，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換。直流發(fā)電機(jī)：線圈在外力拖動下在磁場中旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并通過換向器及電刷將產(chǎn)生的電動勢輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換。

在直流電機(jī)中，在磁場中轉(zhuǎn)動的線圈是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以直流電機(jī)的線圈被稱為電樞繞組。元件：單匝元件、多匝元件元件的首端和尾端同一個元件的首端和尾端分別接到不同的換向片上，而各個元件之間又通過換向片彼此連接起來。電樞的換向片數(shù)K等于元件數(shù)S和虛槽數(shù)Ze，是實(shí)槽數(shù)Z的k倍。直流電機(jī)的線圈是以什么樣的方式進(jìn)行分布的呢？實(shí)槽虛槽2.4.1單層電樞繞組四個線圈：1-2,3-4,5-6,7-8

若作為直流電動機(jī)運(yùn)行，則無法產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩。若作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，則無法產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電動勢。因此，必須按照一定的規(guī)律將所有的線圈連起來，盡可能使所有的線圈都起作用。單層布置的多線圈繞組單層繞組位置一的情況單層繞組位置一時的展開圖在單層繞組位置一時：1、2、3和4是一條支路，8、7、6和5形成一條支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，所有的線圈都在發(fā)揮作用。每個線圈的兩個邊分別在不同的主磁極下，這時產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。單層繞組位置二的情況單層繞組位置二時的展開圖在單層繞組位置二時：3和4是一條有效支路，8和7形成一條有效支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，只有兩個線圈在發(fā)揮作用。只有兩個線圈的不同邊分別在不同的主磁極下，這時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩最小。雙層繞組位置一的情況雙層繞組位置一時的展開圖在雙層繞組位置一時：1、2、3和4是一條支路，8、7、6和5形成一條支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，所有的線圈都在發(fā)揮作用。每個線圈的兩個邊分別在不同的主磁極下，這時產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。雙層繞組位置二的情況雙層繞組位置二時的展開圖在雙層繞組位置二的情況下：3和4是一條有效支路，8和7形成一條有效支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，只有兩個線圈在發(fā)揮作用。只有兩個線圈的不同邊分別在不同的主磁極下，這時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩最小。結(jié)論：將線圈嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，并通過一定的規(guī)律連接起來。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，從電刷看進(jìn)去，電樞繞組上每條支路串聯(lián)的線圈和線圈數(shù)量在發(fā)生變化，但是由元件邊構(gòu)成的并聯(lián)支路數(shù)保持不變。

電樞繞組的所有元件邊幾乎都得到了充分的利用，這樣就可以最大程度上發(fā)揮直流電機(jī)發(fā)電或者電動的性能。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》直流電機(jī)電樞繞組最基本的連接型式有兩種：單疊繞組和單波繞組。單疊繞組第一節(jié)距換向器節(jié)距2.4.2繞組的基本型式單疊繞組的特點(diǎn)：每個元件的首、尾端連接在相鄰的兩個換向片上。實(shí)線表示上層邊，虛線表示下層邊。1.單疊繞組舉例：已知一臺直流電機(jī)的極數(shù)為2p=4,Z=S=K=16，畫出它的右行單疊繞組的展開圖。首先計算第一節(jié)距：換向器節(jié)距：16151413121110987654321線圈n+-+-根據(jù)電刷位置和元件的連接順序，可以畫出電樞繞組的電路圖。電機(jī)運(yùn)行時，電刷是固定不動的，而繞組是在旋轉(zhuǎn)的。各元件組成支路的情況也在發(fā)生變化，而電路的連接模式是固定不變的。單疊繞組的特點(diǎn)：(1)位于同一磁極下的各個元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路數(shù)等于極數(shù)；(2)當(dāng)元件的幾何形狀對稱、電刷放在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時，電機(jī)能夠產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動勢或者電磁轉(zhuǎn)矩；(3)電刷數(shù)目等于主磁極的極數(shù)。2.單波繞組單波繞組單波繞組的特點(diǎn)：(1)單波繞組把所有N極下的全部元件串聯(lián)起來形成一條支路，把所有S極下的全部元件串聯(lián)起來形成另一條支路。由于主磁極只有N、S極之分，因此單波繞組的支路數(shù)與極數(shù)無關(guān)，支路數(shù)永遠(yuǎn)是2。(2)當(dāng)元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器上的位置對準(zhǔn)主磁極的中軸線，支路的電動勢最大。(3)電刷的數(shù)目和極數(shù)相等。在極對數(shù)都大于1，且極對數(shù)和元件數(shù)相同的情況下：（1）單疊繞組：并聯(lián)支路數(shù)多，每個支路的元件數(shù)少，適用于較低電壓、較大電流的電機(jī)；（2）單波繞組：支路數(shù)永遠(yuǎn)等于2，每個支路的元件數(shù)較多，適合于較高電壓、較小電流的電機(jī)。

單疊繞組和單波繞組的對比杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.5直流電機(jī)的勵磁方式和磁場2.5.1直流電機(jī)的勵磁方式直流電機(jī)主磁極產(chǎn)生的磁場稱為主磁場，也稱為勵磁磁場。主磁場分為兩大類：（1）由永磁體形成主磁極（永磁直流電機(jī)）；（2）采用勵磁繞組產(chǎn)生主磁極。分為四種基本方式：他勵式、并勵式、串勵式和復(fù)勵式。2.5.2直流電機(jī)的空載磁場直流電機(jī)不帶負(fù)載時的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行。空載運(yùn)行時電樞電流近似為零。直流電機(jī)的空載磁化特性

氣隙里需要一定數(shù)量的每極磁通。（電磁轉(zhuǎn)矩、電動勢）設(shè)計電機(jī)時要先計算磁路，確定產(chǎn)生一定數(shù)量氣隙磁通所需的勵磁磁動勢，或者當(dāng)勵磁繞組匝數(shù)一定的情況下，需要的勵磁電流?？蛰d氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布2.5.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞磁通分布直流電機(jī)帶負(fù)載后，電樞磁動勢出現(xiàn)。電樞磁動勢必然會影響空載時僅有勵磁磁動勢單獨(dú)產(chǎn)生的磁場，從而影響氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。電樞磁動勢也稱為電樞反應(yīng)磁動勢。直流電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)，但電樞導(dǎo)體中電流分布的情況卻是不變的，因此電樞磁動勢的方向不變，相對靜止。電樞磁動勢產(chǎn)生的磁場的軸線與勵磁磁動勢產(chǎn)生的主磁場相互垂直。結(jié)論：在直流電機(jī)帶負(fù)載時，磁路飽和導(dǎo)致每極相對于空載時的磁通減少，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動化學(xué)院2.6直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

2.6.1電樞繞組的感應(yīng)電動勢氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值單根導(dǎo)體電動勢的平均值導(dǎo)體切割磁力線的線速度單根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動勢

電樞感應(yīng)電動勢的方向由電機(jī)的轉(zhuǎn)向和主磁場的方向決定，只要有一個量改變方向時，電動勢方向就隨之改變，但是當(dāng)兩個量的方向同時改變，電動勢的方向不變。電樞繞組的感應(yīng)電動勢直流電機(jī)的電動勢常數(shù)2.6.2電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩單根導(dǎo)體所受的平均電磁力單根導(dǎo)體的電流單根導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組總的電磁轉(zhuǎn)矩為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)直流電機(jī)的電動勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系

電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由電樞電流的方向和主磁場的方向決定的，其中只要有一個方向改變，則電磁轉(zhuǎn)矩將隨之改變，但是當(dāng)兩個方向同時改變時電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.7直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)：輸出電功率，其電氣輸出量為端部的電壓和電流；直流電動機(jī)：輸出機(jī)械功率，其機(jī)械量包括轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。2.7.1

直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的基本方程式2.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的基本方程式2.7.2直流發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系輸出功率電樞回路銅損耗輸入功率電磁功率空載損耗鐵損耗機(jī)械損耗直流發(fā)電機(jī)的電磁功率機(jī)械功率電功率直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率？在直流發(fā)電機(jī)中,電磁功率PM

是機(jī)械功率和電功率之間的媒介，它的存在才使得發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械功率和電功率之間的直接轉(zhuǎn)換。他勵直流發(fā)電機(jī)的功率流圖為附加損耗或雜散損耗，不超過電機(jī)額定功率的1％。直流發(fā)電機(jī)的效率與其容量有關(guān)，容量越大的直流發(fā)電機(jī)效率越高。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動化學(xué)院2.8直流電動機(jī)的運(yùn)行特性電機(jī)可逆原理：一臺直流電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作為電動機(jī)運(yùn)行。2.8.1他勵直流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的基本方程式幾點(diǎn)結(jié)論：(1)直流電動機(jī)的輸入電壓大于電樞感應(yīng)電動勢，電機(jī)才能輸入電功率，

否則變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行模式。(2)直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算是一樣的。(3)直流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

T

需要克服空載轉(zhuǎn)矩

T0，剩余部分才是有效輸出

轉(zhuǎn)矩

T2。T0

和

T2

共同構(gòu)成電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。(4)若外部電壓和勵磁電流不變，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，直流電動機(jī)的電樞

電流、感應(yīng)電動勢和轉(zhuǎn)速都是固定不變的。直流電動機(jī)與直流發(fā)電機(jī)的對比直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)NSST

n

NNSTn SN(1)直流發(fā)電機(jī)：T

和

n方向相反，T

是制動性轉(zhuǎn)矩；

直流電動機(jī)：T

和

n方向相同，T

是拖動性轉(zhuǎn)矩。根據(jù)

T

和

n方向的異同判斷直流電機(jī)是運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)。(2)直流發(fā)電機(jī)：Ea

大于外部電壓

U；直流電動機(jī)：外部電壓

U大于

Ea

。由此也可判斷直流電機(jī)是運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)。2.8.2他勵直流電動機(jī)的功率關(guān)系其中， 為輸入電功率， 為輸出機(jī)械功率。

直流電動機(jī)的效率與其容量有關(guān)，容量越大的直流電動機(jī)效率越高。其中， 為總功率損耗，為機(jī)械摩擦損耗，為鐵損耗，為回路總的銅耗，為附加損耗。。2.8.3他勵直流電動機(jī)的工作特性1. 轉(zhuǎn)速特性當(dāng) ,時，的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)速特性。2.轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)

,3.效率特性當(dāng)

,時，的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)矩特性。時，的關(guān)系稱為效率特性。忽略電樞反應(yīng)的影響。當(dāng)

Ia

增大時，n下降，T

增大，

n、T

和

Ia

之間是線性關(guān)系。當(dāng)

Ia

增大時，η逐漸增大。當(dāng)

Ia

增大到一定程度后，

η減小。電樞反應(yīng)

去磁效應(yīng)nTη杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動化學(xué)院2.9他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性2.9.1機(jī)械特性的一般表達(dá)式他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性：U和If一定時，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。串入電樞回路的電阻理想空載轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的斜率機(jī)械特性的一般表達(dá)式2.9.2固有機(jī)械特性當(dāng)，，時的機(jī)械特性叫固有機(jī)械特性。固有機(jī)械特性的特點(diǎn)

T

越大，n

越低。(3)固有機(jī)械特性的斜率β

：較小時為硬特性，較大時為軟特性。(2)當(dāng)T

為0時，n

為理想空載轉(zhuǎn)速n0，Ia=0。(4)當(dāng)T=TN，n=nN時，轉(zhuǎn)速差Δn=n0–nN

為額定轉(zhuǎn)速差。

直流電動機(jī)硬特性一般要求Δn=0.05n0。直接起動時大電流和大轉(zhuǎn)矩，對電機(jī)非常不利，應(yīng)避免。(5)直流電動機(jī)直接起動時電流為(6)

第二象限：T<0，n>n0，正向回饋制動(發(fā)電狀態(tài))。直流電動機(jī)的運(yùn)行都是基于其機(jī)械特性進(jìn)行分析。(7)

第四象限：T>Ts