電機(jī)學(xué)辜承林(第三版)第二章1-2+直流電機(jī)

1、第二章第二章 直流電機(jī)直流電機(jī) 直流電機(jī)的用途直流電機(jī)的用途電源電源勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁機(jī)測(cè)速測(cè)速伺服伺服 與異步電動(dòng)機(jī)相比，與異步電動(dòng)機(jī)相比，由于存在換向器，其制造由于存在換向器，其制造復(fù)雜，復(fù)雜，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便，而且要使用直流電源，異步機(jī)方便，而且要使用直流電源，價(jià)格較高價(jià)格較高。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，對(duì)電磁干擾的影響直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，對(duì)電磁干擾的影響小。小。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力較強(qiáng)，熱動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。直流電

2、動(dòng)機(jī)過(guò)載能力較強(qiáng)，熱動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。 易于快速起動(dòng)、停車，易于控制。易于快速起動(dòng)、停車，易于控制。直流電機(jī)的特點(diǎn)直流電機(jī)的特點(diǎn)直流電機(jī)的應(yīng)用直流電機(jī)的應(yīng)用（1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、無(wú)軌電車、中大型龍門）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、無(wú)軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。（3）家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)玩具。）家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)玩具。直流電機(jī)的物理模型直流電機(jī)的物理模型2 21 1 直流電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)一、一、 直流電機(jī)原理直流電機(jī)原理 1

3、、直流發(fā)電機(jī)重要公式及特性：、直流發(fā)電機(jī)重要公式及特性： 1.1 法拉第電磁感應(yīng)定律發(fā)電機(jī)原理：法拉第電磁感應(yīng)定律發(fā)電機(jī)原理：用右手定則判用右手定則判感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea的方向的方向U+NSEEIanKEE感應(yīng)電動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勢(shì)aaRIEU輸出電壓輸出電壓直流電機(jī)原理直流電機(jī)原理直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的幾點(diǎn)結(jié)論直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的幾點(diǎn)結(jié)論1.1.在相同極性磁極下的導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在相同極性磁極下的導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e 方向相同，固方向相同，固定不變；定不變；電刷間為直流電勢(shì)。線圈中感應(yīng)電勢(shì)與電電刷間為直流電勢(shì)。線圈中感應(yīng)電勢(shì)與電流方向一致；流方向一致； 2.2.在不同極性磁極下的導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在不同極

4、性磁極下的導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e 方向相反；方向相反；電電樞線圈內(nèi)電勢(shì)、電流方向是交流電；樞線圈內(nèi)電勢(shì)、電流方向是交流電；3. “外穩(wěn)內(nèi)變外穩(wěn)內(nèi)變”電樞繞組電壓為交流電樞繞組電壓為交流, ,電刷上的電壓為電刷上的電壓為恒定直流。恒定直流。從空間看，從空間看， 電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上是恒定不變的磁場(chǎng)；上是恒定不變的磁場(chǎng)；4.產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反， 是制動(dòng)性質(zhì)。是制動(dòng)性質(zhì)。2、 直流電動(dòng)機(jī)重要公式及特性直流電動(dòng)機(jī)重要公式及特性 安培力定律安培力定律 電動(dòng)機(jī)原理：電動(dòng)機(jī)原理： FB li (符合左手定則符合左手定則)U+NS電刷電刷換

5、向片換向片直流電源直流電源電刷電刷換向器換向器線圈線圈II直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的幾點(diǎn)結(jié)論直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的幾點(diǎn)結(jié)論1. 外施電壓、電流是直流，外施電壓、電流是直流， 電樞線圈內(nèi)電流是交流；電樞線圈內(nèi)電流是交流；2. 線圈中感應(yīng)電勢(shì)與電流方向相反；線圈中感應(yīng)電勢(shì)與電流方向相反；3. 線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的。線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的。 電樞電流產(chǎn)生電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上是恒定不變的；的磁場(chǎng)在空間上是恒定不變的；4. 產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同， 是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)； 與直流發(fā)電機(jī)相同；直流電機(jī)即可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可與直流發(fā)電機(jī)相同；直流電機(jī)即可作發(fā)

6、電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)鍵在輸入功率的性質(zhì)；發(fā)電機(jī)原理作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)鍵在輸入功率的性質(zhì)；發(fā)電機(jī)原理和電動(dòng)機(jī)原理總是同時(shí)出現(xiàn)的。和電動(dòng)機(jī)原理總是同時(shí)出現(xiàn)的。二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成。直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成。機(jī)座機(jī)座磁極磁極勵(lì)磁勵(lì)磁繞組繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子定子和轉(zhuǎn)子直流電機(jī)電樞繞組結(jié)構(gòu)直流電機(jī)電樞繞組結(jié)構(gòu)直流電機(jī)電刷和換向器結(jié)構(gòu)直流電機(jī)電刷和換向器結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)總結(jié)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)總結(jié)主要由定子

7、、轉(zhuǎn)子兩部分組成主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成直流電機(jī)直流電機(jī)定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子機(jī)座機(jī)座換向極換向極主磁極主磁極電刷裝置電刷裝置電樞鐵心電樞鐵心軸承軸承換向器換向器風(fēng)扇風(fēng)扇 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸電樞繞組電樞繞組根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：直流電機(jī)又可細(xì)分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開(kāi)。勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開(kāi)。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)

8、電動(dòng)機(jī)：復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在 同一電源上。同一電源上。M他勵(lì)他勵(lì)UfIfIaUM并勵(lì)并勵(lì)UIfM串勵(lì)串勵(lì)UM復(fù)勵(lì)復(fù)勵(lì)U三、直流電機(jī)的額定值三、直流電機(jī)的額定值額定容量額定容量PN： 輸出功率輸出功率額定電壓額定電壓UN：額定狀態(tài)下出線端電壓；：額定狀態(tài)下出線端電壓；額定電流額定電流IN：額定狀態(tài)下出線端電流；：額定狀態(tài)下出線端電流；額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n： 額定狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速額定狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速直流發(fā)電機(jī)：直流發(fā)電機(jī)： PNUN IN直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)： PNUN IN 2-22-2 直流電機(jī)電樞繞組直流電機(jī)電樞繞組對(duì)電樞繞

9、組的要求：對(duì)電樞繞組的要求： 在通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生在通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩足夠的電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩前提下，所消耗的有效材料最省，前提下，所消耗的有效材料最省， 強(qiáng)度高（機(jī)械、強(qiáng)度高（機(jī)械、電氣、熱），電氣、熱）， 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。 電樞繞組：電樞繞組：直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一, , 是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。樞紐。繞組圖繞組圖電樞繞組的形式電樞繞組的形式環(huán)形繞組環(huán)形繞組鼓形繞組鼓形繞組疊繞組疊繞組波繞組波繞組y=y1-y2有關(guān)電樞繞組有關(guān)電樞繞

10、組名詞、術(shù)語(yǔ)名詞、術(shù)語(yǔ)元件：元件：第一節(jié)距第一節(jié)距y1極距：極距：鐵心表面，鐵心表面， 一個(gè)極所占的距離。一個(gè)極所占的距離。第二節(jié)距第二節(jié)距y2合成節(jié)距合成節(jié)距y：換向器節(jié)距換向器節(jié)距yk：極軸線：極軸線：磁極中心線磁極中心線幾何中心線：幾何中心線：磁極之間的平分線磁極之間的平分線 為使元件感應(yīng)電勢(shì)最大：為使元件感應(yīng)電勢(shì)最大：y1 = （使（使y1為整數(shù)）為整數(shù)） = Zi/2p y1= 整距繞組（電勢(shì)最大）；整距繞組（電勢(shì)最大）；y1 長(zhǎng)距繞組。長(zhǎng)距繞組。說(shuō)明：說(shuō)明：一、一、 單迭繞組：?jiǎn)蔚@組：迭：迭： 兩個(gè)相鄰聯(lián)接的元件，兩個(gè)相鄰聯(lián)接的元件， 后一元后一元件的端部緊迭在前一元件的端部。件

11、的端部緊迭在前一元件的端部。單：?jiǎn)危?首末端相聯(lián)的兩換向片相隔首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個(gè)換向片的寬度。一個(gè)換向片的寬度。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 槽數(shù)槽數(shù)Z、元件數(shù)、元件數(shù)S和換向片數(shù)和換向片數(shù)K三者相同。三者相同。y=yk=1特點(diǎn)：特點(diǎn)： y = y1-y2 = yc = +1 (-1) “+1” 為右行繞組為右行繞組 如左圖；如左圖； “ “-1” -1” 為左行繞組為左行繞組 如右圖。如右圖。單迭繞組單迭繞組單迭繞組分析實(shí)例單迭繞組分析實(shí)例1、 數(shù)據(jù)計(jì)算：數(shù)據(jù)計(jì)算：yyk1計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)y和和y1畫繞組展開(kāi)圖畫繞組展開(kāi)圖安放電刷和磁極安放電刷和磁極實(shí)例：實(shí)例： P2， ZSK164221621p

12、Zy繞組放置繞組放置 元件元件1 1： 上元件邊在上元件邊在1 1槽上層，槽上層， 下元件邊放在相距下元件邊放在相距y1=4y1=4即即5 5槽下層。槽下層。 元件元件2 2： 上元件邊在上元件邊在2 2槽上層，槽上層， 下元件邊放在相距下元件邊放在相距y1=4y1=4即即6 6槽下層。槽下層。 依此類推。依此類推。1單迭繞組展開(kāi)圖單迭繞組展開(kāi)圖1.槽展開(kāi)2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開(kāi)槽展開(kāi)繞組放置繞組放置安放磁極、電刷安放磁極、電刷NSNS+某一瞬間電刷、磁極放置某一瞬間電刷、磁極放置 磁極：磁極：

13、磁極寬度約磁極寬度約0.7 , 0.7 , 均勻分布，均勻分布，N N、S S極交替安排。極交替安排。 電刷：電刷：連接內(nèi)、外電路。為了在正負(fù)電刷間獲得最大直連接內(nèi)、外電路。為了在正負(fù)電刷間獲得最大直流電勢(shì)以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，流電勢(shì)以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩， 電刷放在被電刷短電刷放在被電刷短路的元件電勢(shì)為零的位置。路的元件電勢(shì)為零的位置。 電勢(shì)為零的元件：在磁極的幾何中心線上電勢(shì)為零。電勢(shì)為零的元件：在磁極的幾何中心線上電勢(shì)為零。（在一個(gè)主極下的元件邊電勢(shì)具有相同的方向。）（在一個(gè)主極下的元件邊電勢(shì)具有相同的方向。） 電刷放置：電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主磁極軸線對(duì)電刷放置在使電刷

14、的中心線與主磁極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。準(zhǔn)的換向片上。 元件連接順序圖元件連接順序圖繞電樞一周，繞電樞一周， 所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。結(jié)合電刷的放置，結(jié)合電刷的放置， 得到該瞬時(shí)的電路圖得到該瞬時(shí)的電路圖每個(gè)極下的元件組成一條支路。每個(gè)極下的元件組成一條支路。 即單迭即單迭繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機(jī)的極數(shù)。繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機(jī)的極數(shù)。 這是單迭繞組的重要特點(diǎn)之一。這是單迭繞組的重要特點(diǎn)之一。 元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰兩個(gè)換向片上。元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰兩個(gè)換向片上。 并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)， 2a=2p;2a=2p; 整個(gè)

15、電樞繞組的閉合回路中，整個(gè)電樞繞組的閉合回路中， 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為零， 繞組內(nèi)部無(wú)換流；繞組內(nèi)部無(wú)換流； 每條支路由不相同的電刷引出，每條支路由不相同的電刷引出， 電刷不能少，電刷不能少， 電刷電刷數(shù)等于磁極數(shù)數(shù)等于磁極數(shù); ; 正負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)，正負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)， 電樞電樞電壓等于支路電壓電壓等于支路電壓; ; 由正負(fù)電刷引出的電樞電流由正負(fù)電刷引出的電樞電流IaIa為各支路電流之和，為各支路電流之和， 即即aaaiI2 二、單波繞組二、單波繞組波繞組：波繞組：首末端所接的兩換向片相隔很遠(yuǎn)，首末端所接的兩換向片相隔很遠(yuǎn)，

16、 兩個(gè)元件緊相串聯(lián)后形似波浪。兩個(gè)元件緊相串聯(lián)后形似波浪。為了使緊相串聯(lián)的元件所生的電勢(shì)同向相加，為了使緊相串聯(lián)的元件所生的電勢(shì)同向相加， 元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下，元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下， 即合成節(jié)距即合成節(jié)距2,2yy1kyPk單波繞組單波繞組節(jié)距特點(diǎn)：節(jié)距特點(diǎn)： y1 等于或約等于等于或約等于 （常采用短距）；（常采用短距）； y 約等于約等于 2 。 為了使繞組從某一換向片出發(fā)，為了使繞組從某一換向片出發(fā)， 沿電樞鐵心一周后沿電樞鐵心一周后回到原來(lái)出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上，回到原來(lái)出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。則可由此再繞下去。換向片極距換向片極距y yk k必須符合必須符合

17、 即即 y2 = y y1 （-1，左行繞組；，左行繞組；+1，右行繞組，因端接部，右行繞組，因端接部分交叉，少用。）分交叉，少用。）CPkyk1單波繞組單波繞組實(shí)例：實(shí)例：P P2 2， Z=SZ=SK K1515 左單波繞組左單波繞組計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)y和和y1畫繞組展開(kāi)圖畫繞組展開(kāi)圖安放電刷和磁極安放電刷和磁極1、繞組數(shù)據(jù)計(jì)算、繞組數(shù)據(jù)計(jì)算34341521pzy721151pKyyk43721yyy元件、磁極、電刷放置原則元件、磁極、電刷放置原則 元件、換向片的放置：元件、換向片的放置：1 1元件上層邊元件上層邊1 1槽，槽， 下層邊下層邊4 4槽槽; ;首末端所連的換向片首末端所連的換向

18、片相距相距y yk k7 7；為了端部對(duì)稱，為了端部對(duì)稱， 首末端所連的兩換向片之間的中心線與首末端所連的兩換向片之間的中心線與1 1元件的軸線重合。元件的軸線重合。 1 1元件上層邊所連的換向片定為元件上層邊所連的換向片定為1 1。 依次聯(lián)接。依次聯(lián)接。 磁極放置：磁極放置： N N、S S極磁極均勻交替的排列。極磁極均勻交替的排列。電刷的放置電刷的放置：放在與主極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。：放在與主極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。 3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展開(kāi)槽展開(kāi)繞組放置繞組放置安放磁極、電刷安放磁極、電刷從繞組展開(kāi)圖可以看出

19、，從繞組展開(kāi)圖可以看出， 全部全部15個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)閉合回路的順序是：個(gè)閉合回路的順序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用聯(lián)接順序圖表示為：用聯(lián)接順序圖表示為：1815 714 6 13 5 124 11 310 2914 11 310 2918 15 7 14 6 13 5 12上層邊上層邊下層邊下層邊 單波繞組把單波繞組把相同極性下相同極性下的全部元件串聯(lián)起來(lái)組成的全部元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路。一條支路。 由于磁極只有由于磁極只有N、S之分，之分， 所以單波繞所以單波繞組的支路對(duì)數(shù)組的支路對(duì)數(shù)a與極對(duì)數(shù)多少無(wú)關(guān)，與極對(duì)數(shù)多少無(wú)關(guān)， 永遠(yuǎn)為永遠(yuǎn)為1，即，即a1。 714613151031142512891125415189單波繞組的特點(diǎn)單波繞組的特點(diǎn)同極性下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，同極性下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路， 支路對(duì)數(shù)支路對(duì)數(shù)a1， 與磁極對(duì)數(shù)與磁極對(duì)數(shù)p無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。當(dāng)元件的幾何尺寸對(duì)稱時(shí)，當(dāng)元件的幾何尺寸對(duì)稱時(shí)， 電刷在換向器電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線， 支路電支路電動(dòng)勢(shì)最大。動(dòng)勢(shì)最大。電刷組數(shù)應(yīng)等于極數(shù)（采用全額電刷