直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

7/7直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)直流發(fā)電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)

電機(jī)的可逆運(yùn)行原理

兩個(gè)定理與兩個(gè)定則

1、電磁感應(yīng)定理

在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)感應(yīng)電勢(shì)，若磁場(chǎng)、導(dǎo)體和導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向三者互相垂直，則作用導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)大小為：e=B·l·v

符號(hào)物理量單位

B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Wb/m2

v導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度米/秒

l導(dǎo)體有效長(zhǎng)度m

e感應(yīng)電勢(shì)V

電勢(shì)的方向用右手定則

2.電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，若磁場(chǎng)與載流導(dǎo)體互相垂直(見(jiàn)下圖)，作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為：f=B·l·i

符號(hào)物理量單位

i導(dǎo)體中的電流A

l導(dǎo)體有效長(zhǎng)度m

f電磁力N

力的方向用左手定則

（一）直流發(fā)電機(jī)的工作原理

1.直流發(fā)電機(jī)的原理模型

2.發(fā)電機(jī)工作原理

a、直流電勢(shì)產(chǎn)生

用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞使之逆時(shí)針?lè)较蚝闼俎D(zhuǎn)動(dòng)，線圈邊ab和cd分別切割不同極性磁極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)因?yàn)殡娝通過(guò)換向片所引出的電動(dòng)勢(shì)始終是切割N極磁力線的線圈邊中的電動(dòng)勢(shì)。所以電刷A始終有正極性，同樣道理，電刷B始終有負(fù)極性。所以電刷端能引出方向不變但大小變化的脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)

b、結(jié)論

線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一種交變電動(dòng)勢(shì)，而在電刷AB端的電動(dòng)勢(shì)卻是直流電動(dòng)勢(shì)。

直流發(fā)電機(jī)[瀏覽次數(shù)：約145次]

?直流發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電輸出的電機(jī)，流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和調(diào)速性能，因此廣泛應(yīng)用于要求調(diào)速平滑，調(diào)速圍廣等對(duì)調(diào)速要求較高的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，如電力機(jī)車、無(wú)軌電車、軋鋼機(jī)起重設(shè)備等。

目錄

?直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

?直流發(fā)電機(jī)的部件功能

?直流發(fā)電機(jī)的工作原理

?直流發(fā)電機(jī)的額定值

直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

?直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，靜止部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子（也稱電樞）。

圖1與圖2分別為直流電機(jī)的縱剖面示意圖和橫剖面示意圖。

直流電機(jī)縱剖面示意圖

直流電機(jī)橫剖面示意圖

直流電機(jī)定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇和轉(zhuǎn)軸等。

直流發(fā)電機(jī)的部件功能

?1、主磁極

主磁極用來(lái)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組。主磁極鐵芯由１mm～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。勵(lì)磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成。各磁極的勵(lì)磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主極勵(lì)磁繞組的電流相等。

大的直流電機(jī)在極靴上開(kāi)槽,槽嵌放補(bǔ)償繞組，與電樞繞組串聯(lián)，用以抵消極靴圍的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)，從而減少氣隙磁場(chǎng)的畸變，改善換向，提高電機(jī)運(yùn)行可靠性。

2、換向極

也稱附加極，用于改善直流電機(jī)的換向性能。換向極由換向極鐵芯和換向極繞組組成。其鐵心一般也用１mm～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。換向極繞組必須和電樞繞組相串聯(lián)，由于要通過(guò)的電樞電流較大，通常采用較粗的矩形截面導(dǎo)體繞制而成。換向極安裝在兩相鄰主極之間，其數(shù)目一般與主極數(shù)相等。小功率直流電機(jī)可不裝換向極。

3、機(jī)座

直流電機(jī)的機(jī)座用來(lái)固定主極、換向極、端蓋等，并借助底腳將電機(jī)固定在基礎(chǔ)上。

同時(shí)，直流電機(jī)的機(jī)座是磁極間的磁通路徑(稱為磁軛)，所以用導(dǎo)磁性好、機(jī)械強(qiáng)度較高的鑄鋼或厚鋼板制成，不能采用鑄鐵。

4、電樞鐵芯

電樞鐵心用來(lái)通過(guò)磁通并嵌放電樞繞組，是主磁路的一部分。由于轉(zhuǎn)子在定子主磁極產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，因此電樞鐵芯的磁通是交變的，為減少渦流和磁滯損耗，通常用兩面涂絕緣漆的0.5mm硅鋼片疊壓而成。沖片上有均勻分布的嵌放電樞繞組的槽和軸向通風(fēng)孔。

5、電樞繞組

電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。容量較小的直流電機(jī)的電樞繞組用圓形電磁線繞制而成，而大多數(shù)直流電機(jī)的電樞繞組均用矩形絕緣導(dǎo)線繞制成定形線圈，然后嵌入電樞鐵心的槽中，線圈與鐵心之間以及上、下層線圈之間都必須妥善絕緣。為了防止電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用，繞組在槽部分用絕緣槽楔固定，而伸到槽外的端接部分則用非磁性鋼絲扎緊在線圈支架上。

6、換向器

換向器是直流電機(jī)特有的關(guān)鍵部件，將電樞繞組部的交流電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢(shì)。換向器的質(zhì)量好壞將直接影響直流電機(jī)的運(yùn)行可靠性。換向器由許多稱為換向片的、彼此互相絕緣的銅片組合而成，有多種結(jié)構(gòu)形式，換12向器由V型套筒、換向片、云母片（換向片間的絕緣）和壓緊圈等組成緊密整體。小型換向器用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂熱壓成整體。電樞繞組端部嵌放在換向片端部槽，并焊接在一起。

7、電刷裝置

電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握上的刷盒，用彈簧將電刷壓緊與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電刷與換向器表面有良好的接觸。電刷裝置與換向器配合將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組和靜止的外電路聯(lián)通。

8、氣隙

定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是主磁路一部分，其大小直接影響運(yùn)行性能。由于氣隙磁場(chǎng)由直流勵(lì)磁產(chǎn)生，因此直流電機(jī)的氣隙可比異步電動(dòng)機(jī)大得多，小型直流電機(jī)為1～3mm，大型直流電機(jī)可達(dá)12mm。

直流發(fā)電機(jī)的工作原理

?發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的直流電機(jī)工作模型如圖所示，圖中的電刷Ａ和Ｂ間外接的是直流負(fù)載，電機(jī)由一原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在圖示瞬間，元件邊ab的感應(yīng)電勢(shì)方向?yàn)閎端到a端，元件邊cd的感應(yīng)電勢(shì)方向?yàn)閐端到c端，元件中的電流ia的方向?yàn)锽刷→d→c→b→a→Ａ刷，元件邊ab、cd產(chǎn)生電磁力f，作用在電樞圓周切線方向的電磁力f將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Ｔem，方向?yàn)轫槙r(shí)針，與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反。轉(zhuǎn)過(guò)180°的位置后，元件的電流ia的方向?yàn)閺模滤ⅰ鷄→b→c→d→Ａ刷，外電路中的電流I的方向仍不變，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Ｔem方向仍為順時(shí)針。

直流發(fā)電機(jī)的工作模型

由上面分析可見(jiàn)，直流電機(jī)在作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）在每個(gè)電樞線圈流動(dòng)的電流ia為交流，同時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e亦為交流。

（2）電刷間為直流電勢(shì)，而元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和電流ia的方向相同。

（3）由電樞電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上也是固定不變的。

（4）n與電磁轉(zhuǎn)矩Ｔem反方向，電磁轉(zhuǎn)矩Ｔem起制動(dòng)作用。

直流發(fā)電機(jī)的額定值

?額定值是電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電機(jī)產(chǎn)品在指定工作條件下（即額定工作條件）所規(guī)定的一些量值。主要額定值通常標(biāo)在電機(jī)的銘牌上。直流電動(dòng)機(jī)的主要額定值有：

?直流電機(jī)有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種狀態(tài)，分別對(duì)這兩種狀態(tài)的原理進(jìn)行分析。

?一、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

?

?圖2-1-1-1直流電動(dòng)機(jī)模型

?直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的。

?

?圖2-1-1-2一對(duì)主磁極下氣隙磁場(chǎng)的分布

?在圖2-1-1-1a）中，當(dāng)在線圈上加上直流電壓，就有直流電流通過(guò)，上圈邊中電流由a→b，根據(jù)左手定則，ab線圈受到電磁力f=Bli的作用，方向向左，下圈邊中電流由c→d，同樣受到電磁力

的作用，方向向右，這樣作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩為T=bliD，其中D為圓柱體直徑。在該電磁

轉(zhuǎn)矩作用下，電樞將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

?但是當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)過(guò)幾何中性線之后，到達(dá)如圖b）所在位置時(shí)，此時(shí)由于線圈電流方向未變，但所處磁場(chǎng)方向發(fā)生改變，因此根據(jù)左手定則，ab線圈所受電磁力方向變?yōu)橄蛴?，cd線圈所受電磁

力方向變?yōu)橄蜃螅藭r(shí)作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩和圖a)中相反，電樞將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從圖a)和圖

b）兩種不同狀態(tài)的分析中可知，由于線圈中電流保持不變，在不同磁極下磁密b的方向正負(fù)交替，

因此線圈所受電磁轉(zhuǎn)矩為交變的，電樞無(wú)法持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

?為了讓電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)，就必須維持電磁轉(zhuǎn)矩和電磁力方向

?

?圖2-1-1-3一對(duì)主磁極下氣隙磁場(chǎng)的分布

?不變，這就需要在線圈轉(zhuǎn)過(guò)幾何中性線后，同時(shí)改變線圈的電流。為此，在原有的基礎(chǔ)上，增加電刷和換向器裝置，外加電壓并非直接加在線圈上，而是通過(guò)電刷A、B和換向器再加到線圈上，電刷是固定不動(dòng)的，而換向器是隨線圈旋轉(zhuǎn)的，如圖2-1-1-3所示。有了這樣的裝置，電流i總是從正極性電刷A流入，經(jīng)過(guò)處在N極下的圈邊，再?gòu)奶幵赟極下的圈邊，由負(fù)極性電刷B流出；

固當(dāng)圈邊輪流交替處于N極和S極下時(shí)，圈邊中的電流隨其所處磁極極性的改變而改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向一致保持不變，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

?此時(shí)的換向器起到將外電路的直流電流改變?yōu)榫€圈的交變電流的“逆變”的作用。

?二、直流發(fā)電機(jī)的工作原理

?

?圖2-1-1-4直流發(fā)電機(jī)模型

?直流發(fā)電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上的。如圖2-1-1-4(a)，電樞由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下以轉(zhuǎn)速n恒速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由電磁感應(yīng)定律，上下圈邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為e=Bδlv，Bδ為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度；l為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，即導(dǎo)體切割磁力線部分的長(zhǎng)度；v為導(dǎo)體切割磁力線的線速度，故e正比于Bδ，即導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化規(guī)律與氣隙磁場(chǎng)沿氣隙的分布規(guī)律相同，直流電機(jī)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的。

?為了產(chǎn)生直流電動(dòng)勢(shì)，我們?cè)趫D2-1-1-4(a)的基礎(chǔ)上，也增加電刷和換向器，如圖(b)。由于電刷與磁極保持相對(duì)靜止，即電刷A只與處于N極下的導(dǎo)體相接觸，則當(dāng)導(dǎo)體ab在N極下時(shí)，電動(dòng)勢(shì)方向由b到a引到A,電刷A的極性為“+”；乃至導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)至N極下，電刷A與導(dǎo)體cd接觸，

電動(dòng)勢(shì)改由c到d引到A，A的極性依然為“+”。由此可見(jiàn)，電刷A的極性永遠(yuǎn)為“+”。同理，電刷B的極性永遠(yuǎn)為“-”。故得電刷A、B間的電動(dòng)勢(shì)為直流電動(dòng)勢(shì)。

?直流電機(jī)電樞繞組所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)是極性交替變化的交流電動(dòng)勢(shì)，只是由于換向器配合電刷的作用才把交流電動(dòng)勢(shì)“換向”成為極性恒定的直流電動(dòng)勢(shì)。正因?yàn)槿绱?，通常把這種類型的電機(jī)稱之為換向器式直流電機(jī)。此時(shí)的換向器起到將電樞的交流電動(dòng)勢(shì)改變?yōu)橥怆娐分绷麟妱?dòng)勢(shì)的“整流”

的作用。

?

?圖2-1-1-5每極多線圈串聯(lián)時(shí)電刷電動(dòng)勢(shì)波形

?對(duì)于上圖所示簡(jiǎn)單模型，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)線圈，其供電電壓和電流波形的脈動(dòng)都會(huì)比較大一些。為使電刷端電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)程度降低，實(shí)際電機(jī)中的電樞上就不只是敷設(shè)一個(gè)線圈，而是由合理設(shè)計(jì)的多個(gè)線圈均勻分布，并按一定規(guī)律連接起來(lái)組成電樞繞組。當(dāng)每個(gè)磁極下均勻分布的導(dǎo)體數(shù)為3時(shí)，電動(dòng)勢(shì)波形將如圖2-1-1-5所示。

?直流電機(jī)總體上由定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（運(yùn)動(dòng)部分）兩大部分組成。直流電機(jī)的定子用于安放磁極和電刷，并作為機(jī)械支撐，它包括主磁極、換向極、電刷裝置、機(jī)座等。轉(zhuǎn)子一般稱為電樞，主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。

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?圖2-1-2-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

?一、直流電機(jī)定子

?1.主磁極

?主磁極簡(jiǎn)稱主極，用于產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。絕大部分直流電機(jī)的主極都不用永久磁鐵，而是采用電磁鐵，采用主極鐵心外套勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組通以直流電流來(lái)建立磁場(chǎng)。主極鐵心一般用1mm～

1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。為了使主磁通在氣隙中分布更合理，同時(shí)也使勵(lì)磁繞組固定

更牢固，極靴要比極身寬些。電機(jī)中各主磁極要以N極和S極交替極性方式沿機(jī)座圓均勻排列。

?

?圖2-1-2-2主磁極

?

?圖2-1-2-3多邊形機(jī)座

?2.換向極

?換向極也叫間極或附加極，專用于改善電機(jī)換向。換向極也由鐵心和套在上面的繞組構(gòu)成，鐵心一般采用鋼片疊壓或整塊鋼制成。換向極裝在兩相鄰主極之間，其數(shù)目一般與主極數(shù)相等，小功率直流電機(jī)換向極數(shù)可為主極數(shù)的一半，也可不裝。換向極繞組一般與電樞繞組串聯(lián)。

?3.機(jī)座

?機(jī)座一般用鑄鋼或用薄鋼板焊接而成，形狀有圓型或多邊形。機(jī)座起固定作用，可固定主極、換向器和端蓋，機(jī)座底腳部分與基礎(chǔ)固定，另外機(jī)座是電機(jī)磁路的一部分，稱為磁軛。

?4.電刷

?電刷的作用之一是把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路相連接，使電流經(jīng)電刷進(jìn)入或離開(kāi)電樞；其二是與換向器配合作用而獲得直流電壓。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和匯流條等零件構(gòu)成。

?

?圖2-1-2-4電刷和電刷裝置

?二、直流電機(jī)轉(zhuǎn)子

?1.電樞鐵心

?電樞鐵心是用來(lái)構(gòu)成磁通路徑并嵌放電樞繞組的。為了減少渦流損耗，電樞鐵心一般用厚

0.35mm～0.5mm的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。嵌放繞組的槽型通常有矩形和梨形兩種。對(duì)于

小容量電機(jī)，鐵心疊片(也叫沖片)盡可能采用整形圓片；而大容量電機(jī)則可能要多片拼接，并且還要沿軸向方向分段，段與段之間再設(shè)置徑向通風(fēng)道，以加強(qiáng)冷卻。

?2.電樞繞組

?

?圖2-1-2-5電樞繞組在槽中的絕緣情況

?電樞繞組是用來(lái)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、通過(guò)電流并產(chǎn)生電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心構(gòu)件。電樞繞組由多個(gè)用絕緣導(dǎo)線繞制的線圈連接而成。小型電機(jī)的線圈用圓銅線繞制，較大容量時(shí)用矩形截面銅材繞制，各線圈以一定規(guī)律與換向器焊連。導(dǎo)體與導(dǎo)體之間，線圈與線圈之間以及線圈與鐵心之間都要求可靠絕緣。為防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈受離心力作用而甩出，槽口要加槽楔固定。唯一例外的是無(wú)槽電機(jī)，此時(shí)電樞繞組均勻敷設(shè)在電樞表面，但依然需要牢固綁扎，并且只可能在小容量直流電機(jī)中采用。

?3.換向器

?

?圖2-1-2-6換向器

?換向器的作用是把電樞繞組的交流電動(dòng)勢(shì)用機(jī)械換接的方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電