電機基本理論、直流發(fā)電機

4.2電機基本理論4.2.1直流電機基本理論4.2.2交流電機基本理論4.2.3電機在飛機上的應用和發(fā)展電機是一種與電能密切相關的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以實現(xiàn)電能和機械能、電能和電能之間的轉(zhuǎn)換；機械能

電能發(fā)電機電能

機械能電動機電能分直流、交流。電機也分直流與交流。發(fā)電機電動機（一）按照能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞所起的作用分類1.發(fā)電機

將機械能轉(zhuǎn)換為電能。2.電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能。3.變壓器、變流器、變頻機、移相器

變換電壓、電流、頻率、相位。4.控制電機

作為自動控制系統(tǒng)的控制元件，起檢測、放大、執(zhí)行和校正作用。分類（二）按運動方式及電源性質(zhì)分類電機靜止電機-----------------變壓器旋轉(zhuǎn)電機直流電機交流電機異步電機

同步電機控制電機直流發(fā)電機直流電動機異步發(fā)電機異步電動機同步發(fā)電機同步電動機

直流電機的用途作電源用：發(fā)電機作動力用：電動機信號的傳遞：:測速發(fā)電機，伺服電動機

直流電機的優(yōu)缺點

直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。存在換向器直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機既可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用。觀看視頻直流電動機的機構直流電機的基本結(jié)構

根據(jù)電機的工作原理，直流電機的組成可分為定子、轉(zhuǎn)子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩部分組成。

轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。

換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。把復雜的直流電機結(jié)構簡化為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和B。1—主磁極：勵磁繞組上加上直流電壓，勵磁繞組上有勵磁電流通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場。

2—電樞繞組：在固定的磁場中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應電動勢或產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。3、4—換向器：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，主要作用對發(fā)電機而言是將電樞繞組內(nèi)感應的交流電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。對電動機而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。3—電刷4—換向片一、直流發(fā)電機的工作原理

上圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。導體ab處于N極下方時直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機械。當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時同，線圈abcd將感應電動勢。如右圖，導體ab在N極下方：a點高電位，b點低電位；導體cd在S極下，c點高電位，d點低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負。I導體cd處于N極下方時dcab當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)180度后，如左圖。

導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。

可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，導體ab處于N極下方時二、直流電動機的工作原理直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。如左圖。I在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。導體cd處于N極下方時dcab當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)180度后，如左圖。

導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。

可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，三、直流電機的額定值型號ZXX-XXX額定功率PN(kw)，發(fā)電機：輸出電功率電動機：輸出的機械功率額定電壓UN(v)，發(fā)電機：額定狀態(tài)下的輸出電壓電動機：額定狀態(tài)下的輸入電壓額定電流IN(A)，發(fā)電機：供給負載的電流電動機：從電源輸入的電流額定轉(zhuǎn)速ne(rpm)，額定運轉(zhuǎn)情況下的轉(zhuǎn)速。勵磁方式，工作方式：長時、短時、短時重復工作額定溫升（相對于環(huán)境溫度升高多少）備注：長時工作的電機：(1)以額定數(shù)據(jù)長時工作時，實際溫升可接近穩(wěn)定溫升；(2)作短時工作時，可在許可范圍內(nèi)過載(3)短時重復工作，允許過載，但不能超過允許溫升。短時工作電機：不宜長時工作4.2電機基本理論4.2.1直流電機基本理論4.2.2交流電機基本理論4.2.3電機在飛機上的應用和發(fā)展一、交流發(fā)電機的工作原理在交流電機中，一般電樞是定子，磁極裝在轉(zhuǎn)子上。勵磁繞組上通直流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子上的三相繞組A1A2、B1B2、C1C2產(chǎn)生穩(wěn)定的三相感應電動勢。二、交流電動機的工作原理（以三相異步電動機為例）1.定子A----XB----YC----Z三相繞組2.轉(zhuǎn)子鼠籠式：如鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組繞線式定子三相繞組通入三相交流電AXBYCZAYCBZX4.2電機基本理論4.2.1直流電機基本理論4.2.2交流電機基本理論4.2.3電機在飛機上的應用和發(fā)展電機按飛機上的應用分類有：

1、主電源發(fā)電機：包括直流發(fā)電機和交流發(fā)電機，功能是向飛機的主電源網(wǎng)絡供電，也向相應設備用和專用的交流、直流電源轉(zhuǎn)換裝置（二次電源）供電。隨著飛機用電量的增加，現(xiàn)代大，中型飛機都采用交流無刷同步發(fā)電機作為主電源。2、變壓器:一般屬于靜止式的電機。目的是轉(zhuǎn)換主電源交流電壓給用電設備所需。當配備了整流設備，則可組合成變壓整流器，提供恰當?shù)闹绷麟?。特殊的變壓器可作為傳遞電信號的測量裝置，又稱作互感器。3、驅(qū)動電機：提供機械動力的電機裝置，也分為直流電動機和交流電動機。用于飛機的各種電動活門，通風或冷卻通風用，操縱系統(tǒng)舵面機構動力等。

4、控制電機：包括交、直流伺服電動機，直流、異步測速發(fā)電機等。用在飛機控制、導航、航空儀表等系統(tǒng)設備及解算裝置中，還可作為伺服控制動力或轉(zhuǎn)換傳遞系統(tǒng)信號的用途。5、旋轉(zhuǎn)變流機:將直流電變換為交流電，在以直流供電為主的飛機上,是提供交流電源的二次電源設備,為雷達,陀螺儀表及其他系統(tǒng)的交流設備供電。應用現(xiàn)代變流技術的靜止變流器已經(jīng)取代了這旋轉(zhuǎn)變流機成為飛機上將直流電轉(zhuǎn)化成交流電的重要設備。4.3直流發(fā)電機4.3.1直流發(fā)電機的結(jié)構4.3.2直流發(fā)電機的工作原理4.3.3直流發(fā)電機的工作特性直流發(fā)電機：機械能->直流電能電樞導體在磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應電動勢驅(qū)動電樞旋轉(zhuǎn)的機械能稱為原動力。（蒸汽渦輪機、柴油機、汽油機、蒸汽機等）一個直流發(fā)電機主要由下列部件組成：1.磁軛（鋼框架）：包括極心、極掌和勵磁線圈2.電樞：電樞鐵芯是圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中安放銅線繞組3.換向器：用于將電樞繞組中產(chǎn)生的交流電變直流電4.電刷：用于將換向器來的電流傳送到外電路大容量直流發(fā)電機、較重小飛機上的直流發(fā)電機直流發(fā)動機的結(jié)構1、定子部分1）磁軛直流發(fā)電機的框架，由鑄鋼制成。作用一，在兩個磁極間形成完整磁路；作用二，對其他部件起支撐作用。2）極心與極掌（極靴）磁極分為極心和極掌。極心上繞勵磁繞組。極掌使電機內(nèi)氣隙中的磁場分布均勻，并擋住勵磁繞組。3）勵磁繞組用于產(chǎn)生恒定磁場。在磁場中，每個S極都對應一個N極，所以任何發(fā)電機的極心數(shù)總是偶數(shù)。直流發(fā)動機的結(jié)構1、定子部分4）電刷與電刷架電刷架安裝在定子上，電刷與換向器接觸，將轉(zhuǎn)子電樞繞組中產(chǎn)生的電流通過換向器傳送到外電路。多極發(fā)電機的電刷數(shù)與磁極數(shù)一樣多，極性相同的電刷握連接在一起。直流發(fā)動機的結(jié)構2、轉(zhuǎn)子部分1）電樞電機中產(chǎn)生感應電動勢的部件，由電樞鐵芯和電樞繞組組成。直流發(fā)動機的結(jié)構2、轉(zhuǎn)子部分2）換向器由大量的楔形銅片組成，用V環(huán)將楔形銅片固定在一起，銅片之間用云母片隔開。電樞繞組的首末端接到換向片上。4.3直流發(fā)電機4.3.1直流發(fā)電機的結(jié)構4.3.2直流發(fā)電機的工作原理4.3.3直流發(fā)電機的工作特性直流發(fā)動機的工作原理1.單線圈電樞換向器的換向過程也稱為整流，換向器又稱為整流子。在A、C、E位置，線圈兩端被電刷短路。此時如果產(chǎn)生感應電動勢會在換向器上產(chǎn)生電弧從而損壞換向器。因此，電刷必須被安裝在中性面。直流發(fā)動機的工作原理2.多線圈的效應直流發(fā)電機一般采用鼓形電樞。直流發(fā)電機輸出電壓由電樞線圈的匝數(shù)、勵磁磁場的總磁通量及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速決定。電樞中各部件的關系如下：正負電刷之間產(chǎn)生的感應電壓如下：3.換向理論直流電機的換向是指單匝電樞線圈中的電流經(jīng)過電刷時改變方向，并通過電刷把電樞繞組中產(chǎn)生的感應電流導引到外電路。每一個換向片在一定時間間隔內(nèi)與電刷接觸，通過電刷將電流送到外電路。4.發(fā)電機中的電樞反應發(fā)電機不接負載時的勵磁磁場形狀。發(fā)電機接負載后，電流在電樞線圈中流動，電樞上也產(chǎn)生磁場，方向與勵磁磁場垂直。這種磁化作用稱為正交磁化。幾何中性面偏移電樞磁場與勵磁磁場相互疊加，使電機內(nèi)部磁場產(chǎn)生畸變，這種現(xiàn)象稱為電樞反應。5.電樞反應的補償1）增加補償繞組補償繞組嵌入主磁極極掌中，與電樞導體并行放置，并與電樞繞組串聯(lián)。產(chǎn)生與電樞大小相等方向相反的磁場，抵消電樞反應。2）使用換向磁極換向磁極上繞有換向繞組，與電樞繞組串聯(lián)。換向極磁勢與在換向區(qū)內(nèi)電樞反應產(chǎn)生的磁勢相抵消。4.3直流發(fā)電機4.3.1直流發(fā)電機的結(jié)構4.3.2直流發(fā)電機的工作原理4.3.3直流發(fā)電機的工作特性1.勵磁繞組的連接方式直流發(fā)電機類型他勵式自勵式串勵并勵復勵勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電并勵直流發(fā)電機的勵磁線圈與電樞線圈、負載以并聯(lián)方式連接，廣泛應用于工業(yè)中。串勵直流發(fā)電機的勵磁線圈與電樞線圈、負載以串聯(lián)方式連接，很少使用。復勵直流發(fā)電機的勵磁線圈有兩個，串勵線圈與電樞線圈串聯(lián)，并勵線圈與電樞線圈、負載相并聯(lián)。應用廣泛。2.空載特性和負載特性勵磁電流為0，感應電壓不為0。發(fā)電機內(nèi)部有剩磁，自勵式發(fā)電機靠內(nèi)部剩磁建立輸出電壓。并勵式直流發(fā)電機工作點設計在拐點之上，輸出電壓波動較小。復勵式直流發(fā)電機工作點設計在拐點之下，避免使用大串勵繞組。串勵式直流發(fā)電機輸出電流、電樞電流、勵磁電流是一個電流，在負載變化時，串勵式直流發(fā)電機的輸出電壓很不穩(wěn)定，因此用的較少。3.并勵式直流發(fā)電機并勵式電樞電流=勵磁電流+負載電流較小，近似看成恒定，產(chǎn)生磁通基本不變，感應電動勢基本恒定。1）電壓的建立6V左右剩磁電壓在勵磁線圈上產(chǎn)生電流，電流又引起勵磁磁場增強。A點之后，勵磁磁場飽和，磁場強度不再增強。勵磁磁場飽和，回路電阻為90/0.6=150想增加并勵直流發(fā)電機的輸出端電壓，就要減小勵磁回路的電阻。電機的主磁極通常總有剩磁存在。

原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割剩磁場φr，產(chǎn)生一個不大的剩磁感應電勢Er。

這一電勢加到勵磁繞組將產(chǎn)生一個不大的勵磁電流If。

該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢φ1如果和剩磁φr同方向，將相互加強，會建立起穩(wěn)定電壓。

該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢φ1如果和剩磁φr反方向，將相互減弱，無法建立穩(wěn)定電壓。

自勵過程

自勵條件：

電機主磁路有剩磁φr；勵磁繞組極性正確；勵磁回路總電阻小于建壓臨界電阻。1）外特性并勵U=Ea-IaRa=Ceφn-（I+If)RaU為端電壓，Ea為感應電壓，Ia為電樞電流，Ra為電樞電阻曲線A：負載電流過大。若超過兩倍額定電流則有過熱危險。曲線B：負載從空載到額定負載的125%，有電樞反應的情況。曲線C：負載從空載到額定負載的125%，無電樞反應的情況。并勵

U=Ea-IaRa=Ceφn-（I+If

)Ra;I增大，導致：電阻Ra上的壓降增大，導致端電壓U下降；U下降，導致If下降，

φ下降，進一步降低U。4.復勵式直流發(fā)電機復勵發(fā)電機