chpt直流電機原理

1、 HELLO EVERY ONE1十三朝的千年帝都，著名的古絲綢之路的起點，人類文明和中華民族的發(fā)祥地之一。這座永恒的城市，就像一部活的史書，一幕幕、一頁頁都記錄著中華民族的滄桑巨變。她是中國歷史的永恒坐標，也是國際的、市場的、人文的、生態(tài)的城市代表。這就是古都-西安2第3章 直流電機原理和工作特性 3.1直流電機原理 3.1.1 直流電機的用途和主要結(jié)構(gòu) 3.1.2 直流電機的基本工作原理 3.1.3 直流電機的磁路和電樞繞組 3.1.4 電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 3.1.5 *有關直流電機更多的基本知識3.2 電動機與拖動負載（用于本書其他各章）3.3 他勵直流電機穩(wěn)態(tài)方程和外特性 3.4 他

2、勵直流電動機的運行特性 直流電機原理33.1直流電機原理3.1.1 直流電機的用途和主要結(jié)構(gòu)1直流電機主要用途： 特點：具有調(diào)速范圍寬，平滑調(diào)速，起、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，易于控制的優(yōu)點；但有結(jié)構(gòu)較復雜，成本較高，維護不便等缺點。 用途：常用于對調(diào)速有較高要求的場合。如在機器人、軋機、精密機床和以蓄電磁為電源的小型起重運輸機械等設備中應用較多；直流電機結(jié)構(gòu)42 基本結(jié)構(gòu)：直流電機主要由定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）兩大部分組成。 定子的作用是用來產(chǎn)生磁場和作電機的機械支撐。轉(zhuǎn)子用來感應電勢而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。直流電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)5轉(zhuǎn)子：電樞鐵心，槽內(nèi)嵌入線圈 線圈的首末端分別連接到兩片相鄰且相互

3、絕緣的圓弧形銅片，即換向片上。與一個線圈的末端相聯(lián)的換向片同時與下一個線圈的首端連接，于是，各線圈通過換向片連接起來構(gòu)成電樞繞組。各換向片固定于轉(zhuǎn)軸上且與轉(zhuǎn)軸絕緣。這種由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。 直流電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)6直流電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)72.1.2 直流電機的結(jié)構(gòu)定子解剖8（一）直流電機的靜止部分（定子部分 ）詳見后頁定子解剖91、主磁極2、換向極1主磁極鐵心2勵磁繞組3機座1換向極鐵心2換向極繞組用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。 作用是產(chǎn)生氣隙磁場。鐵心用0.51.5mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊而成，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴。既可使氣隙中磁場分布

4、比較理想。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成。3、機座兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極，也叫附加極或間極。作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花。換向極由換向極鐵心和換向極繞組組成。電刷104、電刷裝置電刷裝置用以引入或引出直流電壓和直流電流1刷握2電刷3壓緊彈簧4銅絲辮圖2-8電刷裝置轉(zhuǎn)動部分11（二）直流電機的轉(zhuǎn)動部分（電樞）主要由電樞鐵心和電樞繞組1、電樞鐵心：是主磁通磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。 a)電樞鐵心 沖片 b)電樞鐵心圖2-9電樞鐵心 轉(zhuǎn)動部分122、電樞繞組由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1槽楔2線圈絕緣3導體4層間絕緣5槽絕緣6槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕

5、緣圖2-10電樞繞組 轉(zhuǎn)動部分133.換向器由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向 4.轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。氣隙14（三）氣隙定子和轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，稱為氣隙。氣隙是直流電機結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因為直流電機工作時，會在氣隙中形成氣隙磁場，直流電機在此進行積淀能量轉(zhuǎn)換。氣隙既不能過大也不能過小。氣隙過大，會產(chǎn)生很大的磁阻力，使得能量交換中產(chǎn)生不必要的損耗；如果氣隙過小，又會使機械部件產(chǎn)生靜電摩擦，導致電機不能正常運行。直流電機名牌數(shù)據(jù)15直流電機外形16一臺直流電機

6、？在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞 旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn) ，輸出機械能；作為電動機運行用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。作為發(fā)動機運行173. 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)直流電機的額定值有：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、額定勵磁電壓UfN(V)6、 電機的效率： N PN /P1各量的物理意義？名牌數(shù)據(jù)具體含義18在額定工況下，電機出線端的平均電壓發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。（電刷間測得的電壓）；在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下

7、，運行于額定功率時對應的轉(zhuǎn)速指軸上輸出的機械功率指電刷間輸出的額定電功率電動機發(fā)電機額定條件下電機所能提供的功率額定功率幾個概念19對應于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式 此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，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。是直流電動機的額定效率。它是直流電

8、動機額定運行時輸出機械功率與電源輸入電功率之比。 表示電動機軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩其大小應該是輸出的機械功率額定值除以轉(zhuǎn)子角速度的額定值 直流電機的基本原理203.1.2直流電機的基本原理 1直流發(fā)電機(1) 輸出開路（發(fā)電機電樞回路無電流）單匝(動畫), 由許多線圈組成電樞繞組，使脈動大大降低。 (2) 輸出帶負載（發(fā)電機電樞回路有電流） 由左手定則可知電流所受到的電磁力是反對電樞旋轉(zhuǎn)的。原動機為了保持電機以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，就必須克服此電磁力而做功。發(fā)電機如何發(fā)電21發(fā)電機如何發(fā)電？用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交變的電動勢。由于換

9、向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢確是直流電動勢。有關發(fā)電機結(jié)論22(1)在電樞線圈內(nèi)感應電動勢ea及電流ia都是交流電，通過換向片及電刷的整流作用才變成外部兩電刷間的直流電動勢，使外部電路得到方向不變的直流電流；(3)電樞線圈是旋轉(zhuǎn)的且電樞線圈中的電流是交變的，從空間上看，N極與S極下的電樞電流方向不變，因此，由電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是一個恒定不變的磁場；根據(jù)分析，可以得出直流發(fā)電機以下結(jié)論：(2)發(fā)電機電樞線圈中的感應電動勢ea（稱為電樞電動勢）與其電流ia（稱為電樞電流）的方向始終一致；(4)電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力f。據(jù)左手定則可以得出f的方向。此電磁力f

10、使轉(zhuǎn)軸受到一個力矩T=f.R(R為導體對轉(zhuǎn)軸中心的半徑)，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是制動性質(zhì)。為此原動機須輸入機械功率克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)恒速旋轉(zhuǎn)，才能繼續(xù)不斷地發(fā)出電能輸給負載，這就使機械能通過電磁感應作用變成了電能。直流電動機原理232 直流電動機(動畫2.1.2) 由外電源從電刷A、B引入直流電流，使電流從正電刷A流入，而由負電刷B流出。此時，由于電流總是經(jīng)過N極下的導體流進去，而經(jīng)過S極下的導體流出來，所以上、下兩根導體分別受到的電磁力的方向是始終不變的，它們產(chǎn)生的力矩方向永遠是反時針方向，因此這臺電機可以帶動別的機械旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)換為機械能，成為一臺直流電動機

11、。電動機如何轉(zhuǎn)起來24B 磁場的磁感應強度(Wb/m2)i 導體中的電流(A)l 導體的有效長度(m)（一）直流電動機的工作原理（電動機如何轉(zhuǎn)起來？）載流導體在磁場中受到的力用左手定則幾個專業(yè)術語25當線圈ax中通入直流電流時線圈邊a和x上均受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩。當安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時，總是從電刷B流出的方向，就使電動機能

12、夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。注意專業(yè)術語的掌握！有關電動機結(jié)論26根據(jù)分析，得出直流電動機以下結(jié)論：(1)在直流電動機中，外施電壓u及電流I是直流，但電樞繞組內(nèi)部電流ia是交流。這是靠換向片及電刷的逆變作用，將外部直流變成內(nèi)部的交流。(2)從空間上看，由電樞電流所產(chǎn)生的磁場也是一個恒定磁場。(3)當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞導體切割磁力線也會感應電動勢且是交變的，其方向與電樞電流ia的方向始終相反，稱之為反電勢。(4)直流電動機中電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致，是驅(qū)動性質(zhì)的。直流電機的磁路和電樞繞組273.1.3 直流電機的磁路和電樞繞組1 電機的磁路幾個專業(yè)術語282 極對數(shù)、電角度、機械角度、極距：極對數(shù) nP機械

13、角度； 電角度np機械角度 極距: 用定子內(nèi)圓弧長表示相鄰兩磁極軸線間距離 關于電樞繞組293 電樞繞組電樞繞組連接例302 個實例:換向片元件首端末端形成一對磁極電樞繞組連接例31注意電樞電流和導體電流的區(qū)別：電樞電流為流經(jīng)電刷的電流（方向不變），而導體電流為一條支路的電流（方向變化）導體電動勢323.1.4 電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩一根導體 一根導體的平均電動勢（右手定則）：1 電動勢： 電樞電動勢是指直流電機正、負電刷之間的感應電勢。 直流發(fā)電機運行時，電樞元件在磁場中運動，產(chǎn)生切割電動勢；直流電動機運行時，由于元件中有電流，會受到電磁力（轉(zhuǎn)矩） 。（為了簡化分析，以下考察的電樞繞組的線速度

14、v 方向與磁密B 的方向及導體成直交 。）電樞電動勢33電樞電動勢:直流電機制成后，其電樞電勢的大小正比于每極磁通和機械轉(zhuǎn)速。 一根導體的平均電動勢乘上串聯(lián)支路的總導體數(shù)稱為電動勢常數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩342電磁轉(zhuǎn)矩: 一根導體電磁力和轉(zhuǎn)矩直流電機制成后，其電磁轉(zhuǎn)矩的大小 正比于每極磁通和電樞電流。 電樞繞組的運動方向與磁密的方向成直交，根據(jù)載流導體在磁場里受力的左手原理:N根導體的總電磁轉(zhuǎn)矩稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)其他知識351直流電機的勵磁方式2電樞反應3換向問題3.1.5 *有關直流電機更多的基本知識勵磁方式361直流電機的勵磁勵磁：在直流電機中，由定子勵磁線圈通電產(chǎn)生磁場。所產(chǎn)生的主磁場也稱為勵磁磁場。 直

15、流電機的突出優(yōu)點是，通過選擇不同的勵磁繞組勵磁方式，可以獲得多種不同的運行特性。在控制系統(tǒng)中，勵磁方式不論對電機穩(wěn)態(tài)特性還是動態(tài)性能都會產(chǎn)生很大的影響。什么是勵磁？勵磁方式:勵磁繞組的供電方式。直流電機按勵磁方式可分為他勵和自勵兩大類. 他勵:是指If 由另外的電源供給，與電樞電路沒有電的連接； 自勵:是指發(fā)電機勵磁所需的If 由該電機本身電樞供給。按勵磁繞組與電樞連接方式的不同分為串勵、并勵和復勵。勵磁種類37勵磁方式種類： 按勵磁繞組的電方式的不同，可把直流電機分成下列四種：1、他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而是由其他直流電源對勵磁繞組供電。優(yōu)點是兩個電源獨立。2、并勵直流電機

16、勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。轉(zhuǎn)速易于控制。 3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。起動特性好。 4、復勵直流電機兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)， 另一個與電樞繞組串聯(lián)。具有并勵和串勵優(yōu)點。勵磁種類38電樞反應392電樞反應 電樞電流也產(chǎn)生磁場，它的出現(xiàn)必然會影響空載時只有勵磁磁動勢單獨作用的磁場、改變氣隙磁密分布情況及每極磁通量的大小，這種現(xiàn)象稱為電樞反應 。 實際上空載工作點通常取在磁化特性的拐彎處，磁動勢增加，磁密增加得很少，磁動勢減少，磁密跟著減少。因此造成了 半個磁極范圍內(nèi)合成磁密增加得很少， 半個磁極范圍內(nèi)合成磁密減少得較多, 一個磁極下平均磁密減少。 與空載的主極磁場相比，電樞反應

17、使合成磁場每極總磁通減少，這就是電樞反應的去磁效應。 通過增加“補償繞組”等方法可以消除電樞反應對主磁通的影響(略)。 電樞反應示意圖40換向問題413 換向問題 在3.1.3節(jié)已經(jīng)指出，電樞旋轉(zhuǎn)時，組成電樞繞組的元件將從一條支路轉(zhuǎn)入另一條支路，此時元件內(nèi)的電流要改變方向。元件電流改變方向的過程，稱為換向過程。 導體1 中的電流 ia: “+0-”。由于導體中有漏電感，電流變化時引起反電勢，電流反向的時間滯后，在電刷后端出現(xiàn)火花，使換向器受損。換向問題改進方法42改善換向的方法(1)加換向磁極從產(chǎn)生火花的電磁原因出發(fā)，減少換向元件的自感（或互感）電動勢及電樞電動勢，就可以有效的改善換向。在主磁極的幾何中性線處加一換向磁極。換向磁極的極性應與電樞磁場的極性相反。換向磁極的勵磁繞組應與電樞繞組串聯(lián)。 加 換向極, 加補償繞組 換向問題改進方法43移動電刷改善換向 在小容量電機中無換向磁極，常用移動電刷的辦法改善換向。在直流發(fā)電機中將電刷順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向移動