交直流電機(jī)工作原理

直流電機(jī)的基本工作原理直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的換向問(wèn)題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過(guò)，近年來(lái)在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。包括直流電機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，任何電機(jī)都包括磁場(chǎng)部分和電路部分。從上述原理可見(jiàn)，任何電機(jī)都體現(xiàn)著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個(gè)矛盾著的對(duì)立面的統(tǒng)一。我們?cè)谶@一章里討論直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的“磁”和“電”如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是直流發(fā)電機(jī)是由原動(dòng)機(jī)（一般是交流電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電?？梢?jiàn)，它是把機(jī)械能變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)則接在直流電源上，拖動(dòng)各種工作機(jī)械（機(jī)床、泵、電車、電纜設(shè)備等）工作，它是把電能變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備。但是，當(dāng)前已經(jīng)有可控硅整流裝置替代了直流發(fā)電機(jī)，為了能使大家更好的理解直流電動(dòng)機(jī)，有必要同時(shí)講述一下直流發(fā)電機(jī)的原理。我們首先來(lái)觀察直流發(fā)電機(jī)是怎樣工作的。如圖1所示，電刷A、B分別與兩個(gè)半園環(huán)接觸，這時(shí)A、B兩電刷之間輸出的是直流電。我們?cè)賮?lái)看看這時(shí)線圈在磁極之間運(yùn)動(dòng)的情況。從圖1（a）可以看出，當(dāng)線圈的ab邊在N極范圍內(nèi)按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用發(fā)電機(jī)右手定則，這時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是從b指向a。這時(shí)線圈的cd邊則是在S極范圍內(nèi)按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，依據(jù)發(fā)電機(jī)右手定則可以判斷，cd邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向是從d指向c。從整個(gè)線圈來(lái)看，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是d-c-b-a。因此，和線圈a端連接的銅片1和電刷A是處于正電位；而和線圈的d端連接的銅片2和電刷B是處于負(fù)電位。如果接通外電路，那么電流就從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。當(dāng)線圈的ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)時(shí)，cd邊就轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)（圖1,b），用右手定則判斷可以知道，這時(shí)線圈cd邊中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向是從c到d，而ab邊轉(zhuǎn)到了S極范圍內(nèi)，其中電動(dòng)勢(shì)的方向則是有a到b。由于電刷在空間是不動(dòng)的，因此和線圈d端連接的銅片2和電刷A接觸，它的電位仍然是正。而與線圈a端連接的銅片1則和電刷B接觸，它的電位仍然是負(fù)。接通外電路時(shí)，電流仍然是從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。不過(guò)，要注意到這時(shí)線圈內(nèi)的電流已經(jīng)反向了。由此可知，當(dāng)線圈不停地旋轉(zhuǎn)時(shí)，雖然與兩個(gè)電刷接觸的線圈邊不停的變化，但是，電刷A始終是正電位，電刷B始終是負(fù)電位。因此，有兩電刷引出的是具有恒定方向的電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載上得到的是恒定方向的電壓和電流。也就是說(shuō)，盡管線圈abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向不斷交變，但是電刷A總是和處在N極范圍內(nèi)的線圈邊接觸，電刷B總是和處在S極范圍內(nèi)的線圈邊相接觸，它們的極性始終不變。于是，線圈中的交流電經(jīng)過(guò)銅片和電刷整流后，便成為外電路中的直流電了。這兩個(gè)半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理上面已經(jīng)討論了直流發(fā)電機(jī)的工作原理，現(xiàn)在再來(lái)討論直流電動(dòng)機(jī)是怎樣工作的。如果直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，而把它的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上（如圖2所示），那么會(huì)發(fā)生什么樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷入是正電位，B是負(fù)電位，在N極范圍內(nèi)的導(dǎo)體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體cd中的電流是從c流向d。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導(dǎo)體都要受到電磁力Fde的作用。根據(jù)磁場(chǎng)方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場(chǎng)是均勻的，導(dǎo)體中流過(guò)的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時(shí)，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過(guò)半州之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c,在S極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)?？梢?jiàn)，分別處在N、S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個(gè)邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，通過(guò)齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，便可以帶動(dòng)其它工作機(jī)械。從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問(wèn)題是當(dāng)導(dǎo)體從一個(gè)磁極范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個(gè)異性磁極范圍內(nèi)時(shí)（也就是導(dǎo)體經(jīng)過(guò)中性面后），導(dǎo)體中電流的方向也要同時(shí)改變。換向器和電刷就是完成這個(gè)任務(wù)的裝置。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的任務(wù)是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵?；而在直流電?dòng)機(jī)中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電?？梢?jiàn)，換向器和電刷是直流電機(jī)中不可缺少的關(guān)鍵性部件。當(dāng)然，在實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)中，也不只有一個(gè)線圈，而是有許多個(gè)線圈牢固地嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，當(dāng)導(dǎo)體中通過(guò)電流、在磁場(chǎng)中因受力而轉(zhuǎn)動(dòng)，就帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形式不同的。正如前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，輸入的是機(jī)械能，輸出的是電能；直流電動(dòng)機(jī)則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能異步電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)）的工作原理是通過(guò)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場(chǎng).因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的（沒(méi)有這個(gè)差值，即轉(zhuǎn)差率，就沒(méi)有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流），也因此叫做異步電機(jī).而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)（用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生），定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速，也因此叫做同步電機(jī).作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，大部分是用異步機(jī);發(fā)電機(jī)都是同步機(jī)。同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別三相交流電通過(guò)一定結(jié)構(gòu)的繞組時(shí)，要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn).如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速完全一致，就是同步電機(jī);如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，也就是說(shuō)兩者不同步,就是異步電機(jī).異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛.同步電機(jī)要求轉(zhuǎn)子有固定的磁極（永磁或電磁），如交流發(fā)電機(jī)和同步交流電動(dòng)機(jī).電機(jī)的轉(zhuǎn)速（定子轉(zhuǎn)速）小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，從而叫為異步電機(jī)。它和感應(yīng)電機(jī)基本上是相同的。s=（ns-n）/ns。s為轉(zhuǎn)差率，ns為磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?；驹恚海?）當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源時(shí)，三相定子繞組流過(guò)三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。（2）該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。（3）根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格便宜，運(yùn)行方便。缺點(diǎn)：功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差。主要做電動(dòng)機(jī)用，一般不做發(fā)電機(jī)！異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，其負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。普通異步電機(jī)的定子繞組接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源連接。因此，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。異步電機(jī)還便于派生成各種防護(hù)型式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)吸取無(wú)功勵(lì)磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)、壓縮機(jī)等大功率、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，常采用同步電機(jī)。由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速有一定的轉(zhuǎn)差關(guān)系，其調(diào)速性能較差（交流換向器電動(dòng)機(jī)除外）。對(duì)要求較寬廣和平滑調(diào)速范圍的交通運(yùn)輸機(jī)械、軋機(jī)、大型機(jī)床、印染及造紙機(jī)械等，采用直流電機(jī)較經(jīng)濟(jì)、方便。但隨著大功率電子器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前適用于寬調(diào)速的異步電機(jī)的調(diào)速性能及經(jīng)濟(jì)性已可與直流電機(jī)的相媲美。同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī)。特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，ns稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。同步電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機(jī)以同步電機(jī)為主。工作原理?主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。?載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。?切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。?交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過(guò)引出線，即可提供交流電源。?交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)稱性。運(yùn)行方式?同步電機(jī)的主要運(yùn)