第5章 直流電機(jī)基本原理和電磁關(guān)系

1、直直 流流 電電 機(jī)機(jī)DC Machinesl結(jié)構(gòu)l基本原理l電磁關(guān)系直流電機(jī)的用途直流電機(jī)的用途 一、一、 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)扇風(fēng)扇機(jī)座機(jī)座電樞電樞鐵心和繞組主磁極主磁極電刷電刷換向器換向器接線板接線板接線盒接線盒勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組端蓋端蓋直流電機(jī)的物理模型圖直流電機(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

2、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 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 （固定部分）（固定部分） （轉(zhuǎn)動(dòng)部分）（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）l主磁極l換向極l機(jī)座l端蓋l軸承l(wèi)電刷裝置 電樞鐵心 電樞繞組 換向器 軸 風(fēng)扇 1.2 電刷裝置電刷裝置l電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（固定在定子上）接通外電（固定在定子上）接通外電路路,將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路相連相連,與換向器配合作用而與換向器配合作用而獲得直

3、流電壓獲得直流電壓. 復(fù)勵(lì)式復(fù)勵(lì)式( (圖圖) ) ： 裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一為與電1 1、他勵(lì)式、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 2、自勵(lì)式、自勵(lì)式發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) ：利用自身發(fā)出的電流勵(lì)磁； 電動(dòng)機(jī)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)式并勵(lì)式 ：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；串勵(lì)式串勵(lì)式( (圖圖) ) ： 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)磁方式直流電機(jī)的勵(lì)磁方式aEaIUI+-串勵(lì)式串勵(lì)式aEaIUI+-fI復(fù)勵(lì)式復(fù)勵(lì)式二、直流電機(jī)電樞繞組二、直流電機(jī)電樞繞組l作用：電樞繞組。當(dāng)電樞繞組在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)將

4、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(chǎng)相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組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)換直流電機(jī)進(jìn)行電功率和機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換。l特點(diǎn)：。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 雙層繞組雙層繞組l線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。l兩邊電勢(shì)相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，線圈的跨距線圈的跨距約約等于一個(gè)極距等于一個(gè)極距。l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。虛槽概念虛槽概念l在大型電機(jī)中、每層

5、可能有每層可能有N個(gè)并列圈邊個(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CZZeZeKS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)NNcZeCNcZN22ZeKS2.2 直流繞組的節(jié)距直流繞組的節(jié)距l(xiāng)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l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l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l(xiāng)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

6、面的跨距，用換向片數(shù)表示pZye21保證繞組能循序串聯(lián)021yyyyyk2.3 單疊繞組單疊繞組l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1kyy1kyy例：繞組例：繞組20虛槽，四極，雙層虛槽，四極，雙層415542021121yyypZeyyyk第二節(jié)距第一節(jié)距單疊右行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：繞組例：繞組20虛槽，四極，雙層虛槽，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=

7、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)和電刷放置法電刷放置法l使電刷間導(dǎo)出的電勢(shì)有最大值l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 單波繞組單波繞組l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l(xiāng)相

8、鄰兩元件相隔近似一對(duì)極距l(xiāng)連接p個(gè)元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個(gè)槽pky1例：電樞繞組例：電樞繞組19槽，四極槽，四極454192921191221yyypZypkye第二節(jié)距第一節(jié)距單波左行例：電樞繞組例：電樞繞組19槽，四極槽，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和單波繞組的差別l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l單波繞組：N

9、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)的簡單工作原理三、直流電機(jī)的簡單工作原理l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(chǎng)四、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)邊緣磁通主磁通與磁極漏磁通主磁通與磁極漏磁通l主磁通主磁通 ：通過空氣隙，同通過空氣隙，同時(shí)交鏈電樞繞組和勵(lì)磁繞組。時(shí)交鏈電樞繞組和勵(lì)磁繞組。l磁極漏磁通磁極漏磁通 ：從磁極的側(cè)面逸出，只和勵(lì)磁繞組交鏈從磁極的側(cè)面逸出，只和

10、勵(lì)磁繞組交鏈。l磁極磁通：包括主磁通和漏磁通，磁極磁通：包括主磁通和漏磁通， k = + l電樞磁通：主磁通的一半電樞磁通：主磁通的一半l定子磁軛磁通：磁極磁通的一半定子磁軛磁通：磁極磁通的一半25. 115. 11一般為場(chǎng)漏系數(shù)K換向極換向極主主磁磁極極磁軛磁軛五、負(fù)載時(shí)電樞電流產(chǎn)生的磁勢(shì)五、負(fù)載時(shí)電樞電流產(chǎn)生的磁勢(shì)l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(chǎng)分布情況改變場(chǎng)分布情況改變。ll對(duì)于一定的電樞電流，空氣隙磁場(chǎng)仍然是一恒定磁場(chǎng)，即不隨時(shí)對(duì)于一定的電樞電流，空氣隙磁場(chǎng)仍然是一恒定磁場(chǎng)，即不隨時(shí)間變化間變化由于靜止

11、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，但電電刷間導(dǎo)體電流產(chǎn)生的刷間導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁勢(shì)不變磁勢(shì)不變。電樞磁勢(shì)和主磁極的相對(duì)位置一定。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)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)電樞繞組磁勢(shì)波形 l直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值固直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值固定的空間分布波，只是空間的定的空間分布波，只是空間的函數(shù)函數(shù) Cf. 交流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值隨交流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)的空間分時(shí)間按正弦規(guī)律脈

12、動(dòng)的空間分布波布波 l如沿電樞分布的線圈無限增多，如沿電樞分布的線圈無限增多，則級(jí)形波將趨近于則級(jí)形波將趨近于三角形波三角形波 5.2 電刷位置對(duì)電樞磁勢(shì)的影響電刷位置對(duì)電樞磁勢(shì)的影響l電樞磁勢(shì)幅值的位置恰在導(dǎo)體中的，亦即在。l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)。l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)算任意點(diǎn)電樞磁勢(shì)的計(jì)算l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)

13、極距內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)為W2p。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Ia2aApaWIFpaWIaIpWFaaaaa21222182221線負(fù)載線負(fù)載A：沿著電樞圓周每單位長度內(nèi)的電流安培數(shù)AxxFFax2電樞磁勢(shì)位置取決于電刷電樞磁勢(shì)位置取決于電刷位置，位置，電刷位于交軸電刷位于交軸，電，電樞磁勢(shì)軸線也在交軸，為樞磁勢(shì)軸線也在交軸，為（交軸）電樞反應(yīng)。（交軸）電樞反應(yīng)。極尖處磁密最大極尖處磁密最大且由于其飽和程度的提高，且由于其飽和程度的提高，飽和影響使高峰略有下降，飽和影響使高峰略有下降，即極面下的總磁通略減小，即極面下的總磁通略減小，呈去磁作用呈去磁作用六、負(fù)載時(shí)的氣隙六、負(fù)

14、載時(shí)的氣隙磁勢(shì)和磁場(chǎng)磁勢(shì)和磁場(chǎng)：使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變使物理中心線偏移幾何中心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)：順線一個(gè)角度（對(duì)發(fā)電機(jī)：順著旋轉(zhuǎn)方向）著旋轉(zhuǎn)方向）磁路未飽和時(shí)，每極磁通磁路未飽和時(shí)，每極磁通 不變不變1.如考慮磁路飽和的影響，則如考慮磁路飽和的影響，則交軸電樞反應(yīng)有交軸電樞反應(yīng)有作用作用直軸電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)l如電刷如電刷順著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向順著發(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)角度或逆著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向移過一個(gè)角度，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)。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)。在角度在角

15、度2范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生范圍內(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)，其方向與主磁直軸電樞反應(yīng)，其方向與主磁極極性相反，極極性相反，使主磁通減弱，使主磁通減弱，呈現(xiàn)去磁作用呈現(xiàn)去磁作用。將使電樞電勢(shì)。將使電樞電勢(shì)減小；在角度減小；在角度2范圍以外的導(dǎo)范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)作用在交軸，體所產(chǎn)生的磁勢(shì)作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。為交軸電樞反應(yīng)。 在角度在角度2范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生范圍內(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，呈磁化向與主磁極極性相同，呈磁化作用。作用。將加劇換向的困難將加劇換向的困難；在；在角度角度2

16、范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)作用在交軸，為交軸電的磁勢(shì)作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。樞反應(yīng)。 削弱電樞反應(yīng)負(fù)作用的措施削弱電樞反應(yīng)負(fù)作用的措施由于電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)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。l在電機(jī)中裝置有補(bǔ)償繞組補(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)；l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F

17、aqd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AFFaad2212AFFaaqaqdadffFFFF0七、電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)七、電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)l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 7.1 電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)l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W2al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 avaWjjaeaWeE221nCnWapEnpnplBlvBe

18、npnDvvlBeaavavavaav6060260260260則，運(yùn)動(dòng)線速度為導(dǎo)體有效長度為，假設(shè)平均磁密為l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)。l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。l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。l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 7.2 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)的平衡方程式的平衡方程式并勵(lì)發(fā)電機(jī)fLaIIIUrIUEaaa2U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 IaIL If并勵(lì)發(fā)電機(jī)功率平衡式功率平衡式bafaaafLaaMpppPUIrIUIUIIEP222電磁功率輸入功率pppPPFemecM1空載損耗空載損耗負(fù)載損耗負(fù)載損耗ra:串接在電樞回