直流電機的基本工作原理及結構

1、1.1 直流電機的基本工作原理和結構,1.1.2 直流電機的工作原理,1.1 直流電機的基本工作原理和結構,一、直流發(fā)電機工作原理,右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。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的換向片上。轉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,直流發(fā)電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械,當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉時同，線圈abcd將感應電動勢。如右圖，導體ab在N極下，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

2、，電刷B極性為負,當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉 后，如右圖,與電刷A接觸的導體總是位于N極下，與電刷B接觸的導體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢,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,實際直流發(fā)電機的電樞是根據實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據需要N、S極交替旋轉多對,二、直流電動機工作原理,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,直流

3、電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械,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矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉,原N極性下導體ab轉到S極下，受力方向從左向右，原S 極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉,與直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對,當電樞旋轉到右圖所示位置時,直流電動機的工作原理示意圖,1.1.3 直流電機的銘牌數據,電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號

4、等,此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等,電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運行電流大于額定電流過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好,1.2.1 直流樞繞組基本知識,1.2 直流電機的電樞繞組簡介,元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種,元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端,極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示,疊繞組：指串聯

5、的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進,波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯起來，象波浪式的前進,第一節(jié)距 ：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離,合成節(jié)距 ：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離,第二節(jié)距 ：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,單疊繞組,單波繞組,換向節(jié)距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離,1.2.2. 單疊繞組,單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即：,單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展

6、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,單疊繞組的展開圖,根據單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯支路電路圖,單疊繞組的的特點,1）同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極數與支路數相同,2）電刷數等于主磁極數，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯支路電動勢,3）電樞電流等于各支路電流之和,單波繞組,單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下圖所示,兩個串聯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,單波繞組的并聯支路圖,單波繞組的特點,1）同極下各元件串聯起來組成一條支路，支

7、路對數為1，與磁極對數無關,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）電刷數等于磁極數,4）電樞電動勢等于支路感應電動勢,5）電樞電流等于兩條支路電流之和,1.3.1直流電機的空載磁場,1.3 直流電機的電樞反應,直流電機工作中，主磁極產生主磁極磁動勢，電樞電流產生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為 電樞反應,右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖,當勵磁繞組的串聯匝數為 ，流過電流 ，每極的勵磁磁動勢為,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。在數量

8、上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20,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，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小；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,空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b) 所示,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

9、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,1.3.2 直流電機負載時的負載磁場,直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現使電機的磁場發(fā)生變化,右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況,假設勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢,如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 所示,由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增

10、加得很快，致使電樞磁動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中 所示,1.3.3 直流電機的電樞反應,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,1、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,幾何中性線：兩相鄰主磁極的軸線對稱分布，此處B=0； 物理中性線：B=0處的直線位置,主磁場的磁通密度分布曲線,電樞磁場磁通密度分布曲線,兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線,由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應

11、的特點,2)、對主磁場起去磁作用,1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變,空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時不同,磁路不飽和時，主磁場被削弱的數量等于加強的數量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質,2、當電刷不在幾何中性線上時,電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線也隨之移動 角，如圖(a)(b)所示,電樞磁動勢可

12、以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢 和直軸電樞磁動勢,1.4.1 直流電機的電樞電動勢,1.4 直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩,產生:電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢,大小,性質: 發(fā)電機電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機反電勢(與電樞電流反方向,可見,直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關,1.4.2 直流電機的電磁轉矩,產生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩,大小,性質: 發(fā)電機制動(與轉速方向相反)； 電動機驅動(與轉速方向相同,可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電流成正比,1

13、.5.1 換向概述,1.5 直流電機的換向,為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度,直流電機的某一個元件經過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向,電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流,電刷與換向片1接觸時，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為,電刷僅與換向片2接觸時，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為,換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作,產生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現象,元件從開始換向到換向終了所經歷

14、的時間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經過電刷時都要經歷換向過程,1.5.2 換向的電磁理論,換向元件中的電動勢,自感電動勢 和互感電動勢 ：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產生的,切割電動勢 ：在幾何中性線處，由于電樞反應在存在，電樞反應磁密不為零，在換向元件中感應切割電動勢,換向元件中的合成電動勢為,根據楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總是阻礙換向的,換向電動勢 ：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應的電動勢。換向電動勢是幫助換向的,換向元件中的電流,設兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是 和 ，元件自身的電阻為 ,流過

15、的電流為 ,元件與換向片間的連線電阻為 ,元件在換向時的回路方程,忽略元件電阻和元件與換向片間的連線電阻，并設電刷與換向片的接觸總電阻為 ，則可推導出換向元件中的電流變化規(guī)律為,1.5.3 改善換向的方法,除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，換向元件中產生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電刷下產生火花。還有機械和化學方面的因素也能引起換向不良產生火花,改善換向一般采用以下方法,1.6.1 直流發(fā)電機的勵磁方式,1.6 直流發(fā)電機,供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復勵三種方式,1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供

16、給,他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即,2、并勵： 發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯。且滿足,3、串勵： 勵磁繞組與電樞繞組串聯。滿足,4、復勵： 并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯，一個與電樞繞組并聯,1.6.2 直流發(fā)電機的基本方程,如圖規(guī)定各物理量的參考方向,一.電動勢平衡方程,從方程式可見，直流發(fā)電機滿足,二. 轉矩平衡方程,發(fā)電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給的驅動轉矩 、電磁轉矩 和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩 。轉矩平衡方程為,直流發(fā)電機的勵磁電流,三、勵磁特性公式,每極氣隙磁通,四.功率平衡方程,原動機輸入給發(fā)電機的機械功率,電磁功率,電磁

17、功率一方面代表電動勢為 的電源輸出電流 時發(fā)出的電功率，一方面又代表轉子旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機械功率,電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗,輸出的電功率,自勵發(fā)電機中還應減去勵磁損耗,1.6.3 他勵發(fā)電機的運行特性,一、空載特性,定義:當 、 時,直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線,空載時,空載特性實質上就是 。所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同,二、外特性,定義：當 、 時,由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降,根據 可知端電壓下降有兩個原因,一)在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反

18、應的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少,二)電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降,為什么低,三、調節(jié)特性,定義：當 、 時,由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響,1.6.4 并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,并勵發(fā)電機的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件,一、自勵條件,曲線1為空載特性曲線,曲線2為勵磁回路總電阻 特性曲線，也稱場阻線,原動機帶動發(fā)電機旋轉時，如果主磁極有剩磁，

19、則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產生,增大 ,場阻線變?yōu)榍€3時， 稱為臨界電阻,若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵,如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確， 勵磁電流產生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大， 增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端的電壓與 相等，達到穩(wěn)定的平衡工作點A,可見，并勵直流發(fā)電機的自勵條件有,二、空載特性,并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限,思考題 電機正轉能自勵,反轉能自勵嗎,三、外特性,四、調節(jié)特性,并勵發(fā)電機的電樞電流，比起他勵發(fā)電機僅僅多了一個勵磁

20、電流，所以調節(jié)特性與他勵發(fā)電機的相差不大,對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的電樞反應去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓進一步下降,并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似，也是一條下降曲線,1.7 直流電動機,1.7.1 直流電機的可逆原理,以他勵電機為例說明可逆原理：把一臺他勵直流發(fā)電機并聯于直流電網上運行保持電源電壓不變,一臺電機既可作為發(fā)電機運行，又可作為電動機運行，這就是直流電機的可逆原理,減少原動機的輸出功率，發(fā)電機的轉速下降。當轉速下降到一定程度時，使得 ，此時電樞電流為零，發(fā)電機輸出的電功率為零，原動機

21、輸入的機械功率僅用來補償電機的空載損耗,繼續(xù)降低原動機的轉速，將有 ，電樞電流反向，這時電網向電機輸入電功率，電機進入電動機狀態(tài)運行,同理，上述的物理過程也可以反過來，電機從電動機狀態(tài)轉變到發(fā)電機狀態(tài),第1章 直流電機,1.7.2 直流電動機的基本方程,規(guī)定各物理量的參考方向如圖,電動機的基本方程如下,1.7.3 直流電動機的工作特性,1、轉速特性,一、他勵（并勵）直流電動機的工作特性,定義：當 、 時,由方程式可得,忽略電樞反應的去磁作用，轉速與負載電流按線性關系變化,2、轉矩特性,轉矩表達式,考慮電樞反應的作用，轉矩上升的速度比電流上升的慢,定義：當 、 時,3、效率特性,由方程式可得,空

22、載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化，當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此時效率又變小,定義：當 、 時,二、串勵直流電動機的工作特性,當負載電流較小時，電機磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關系。即,轉速特性,轉矩特性,當負載電流較大時，磁路飽和，串勵電動機的工作特性與他勵電動機相同,當負載電流為零時，電機轉速趨于無窮大，所以串勵電動機不宜輕載或空載運行,1-7 直流電機的換向,1. 換向過程,假設電刷寬度等于換向片寬度,電樞旋轉時，被電刷短路的元件從短路開始到短路結束， 從一條支路轉換到另一條支路， 電流改變了方向。 換向元件中電流的這種變化過程，稱為換向過程。 從換向開始到換向結束所需時間，稱為換向周期,直線換向,如果換向元件中電勢為零， 則在被電刷短路的閉合回路中不會有環(huán)流。 換向元件中的電流由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定。變化曲線時一條直線， 稱為直線換向,但是換向過程中， 不可能沒有電勢,2. 換向元件中的感應電勢,1) 電抗電勢er,換向元件中由于換向電流的變化所引起的自