直流電機工作原理和結構

一、直流電機的基本工作原理直流電機可分為直流電動機和直流發(fā)電機兩大類，其工作原理可通過模型加以說明。直流發(fā)電機的工作原理圖1—1所示為直流發(fā)電機的物理模型。在圖1—1中N、S為磁場，磁極固定不動，稱為直流電機的定子。abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體是直流電機可轉動部分，稱為電機轉子(又稱電樞)。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可以隨線圈一同轉動的導電片上，該導電片稱為換向片。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。在定子與轉子間有間隙存在，稱為空氣隙，簡稱氣隙。在直流發(fā)電機的模型中，當有原動機拖動轉子以一定的轉速逆時針旋轉時，根據電磁感應定律可知，在線圈abcd中將產生感應電動勢。設每邊導體中的感應電勢為e，則線圈電勢為2e，電勢e的瞬時值為：式中，e為導體感應電動勢，單位為V;BX為導體所在處的磁通密度，單位為Wb/m;l為導體ab或cd的有效長度，單位為m;v為導體ab或cd與BX間的相對線速度，單位為m/s。導體中感應電動勢的方向可用右手定則確定。在逆時針旋轉情況下，如圖1—1(a)所示導體ab在N極下，感應電動勢的極性為a點高電位，b點低電位;導體cd在S極下，感應電動勢的極性為c點高電位，d點低電位，在此狀態(tài)下電刷A的極性為正，電刷B的極性為負。當線圈旋轉1800后，如圖1—1(b)，導體ab在S極下，導體ab則在N極下，此時導體中的感應電動勢方向已改變，但由于原來與電刷A接觸的換向片已經與電刷B接觸，而與電刷B接觸的換向片時換到與電刷入接觸，因此電刷入的極性仍為正，電刷B的極性仍為負。密1—1直流發(fā)電機模型從圖1—1中可以看出，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，因此電刷A的極性總為正，而電刷B的極性總為負，在電刷兩端可獲得直流電動勢。實際直流發(fā)電機的電樞是根據實際應用情況需要有多個線圈。線圈分布于電樞鐵心表面的不同位置上，并按照一定的規(guī)定連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據需要N、S極交替放置多處。直流電動機的工作原理把電刷入、B接到一直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負極，根據電樞線圈中將有電流流過。如圖1—2(a)所示，設線圈的ab邊位于N極下，線圈的cd邊位于S極下，載流導體在磁場中受到電磁力的作用，其大小為：式中，f為電磁力，單位為N;BX為導體所在處的磁通密度，單位為Wb/m;l為導體ab或cd的有效長度，單位m;i為導體中流過的電流，單位為A。導體受力方向由左手定則確定。在圖1—2(a)的情況下，位于N極下的導體ab受力方向為從右向左，而位于S極下的導體cd受力方向為從左到右。導體所受電磁力對軸產生一轉矩，這種由于電磁作用產生的轉矩稱為電磁轉矩，電磁轉矩的方向為逆時針。當電磁轉矩大于阻力矩時，線圈按逆時針方向變?yōu)閺挠蚁蜃?而原位于N極下的導體ab轉到S極下，導體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，該轉矩的方向仍為逆時針方向，線圈在此轉矩作用下繼續(xù)按逆時針方向旋轉。這樣雖然導體中流通的電流為交變的，但N極下的導體受力方向和S極下導體受力的方向并未發(fā)生變化，電動機在此方向不變的轉矩作用下轉動。同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。二、電機的可逆原理任何一臺電機既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，這一性質稱為電機的可逆原理。電機的可逆原理不僅適用于直流電機，也適用于交流電機。電機的實際運行方式由外施條件決定：如果電機轉子輸入機械能，而電樞繞組輸出電能，電機作為發(fā)電機運行;如果在電樞繞組中輸入電能，轉子輸出機械能，則電機作為電動機運行。直流電機的結構直流電動機和直流發(fā)電機的結構基本是相同的，即都有可旋轉部分和靜止部分?？尚D部分稱為轉子，靜止部分稱為定子，在定子和轉子之間存在著空氣隙。小型直流電動機結構如圖1—3所示，其剖面結構如圖1—4所示。圖1—3小型直流電動機的結構圖1—4小型直流電動機的剖面結構一、定子部分定子的作用，在電磁方面是產生磁場和構成磁路，在機械方面是整個電機的支撐，定子由磁極、機座、換向極、電刷裝置、端蓋和軸承組成。（一）主磁極主磁極的作用是產生恒定、有一定的空間分布形狀的氣隙磁通密度。主磁極由主磁極鐵心和放置在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心分成極身和極靴，極靴的作用是使氣隙磁通密度的空間分布均勻并減小氣隙磁阻，同時極靴對勵磁繞組也起支撐作用。為減小渦流損耗，主磁極鐵心是用1.0?1.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，用鉚釘把沖片鉚緊，然后再固定在機座上。主磁極上的線圈是用來產生主磁通的，稱為勵磁繞組。主磁極的結構如圖1—5a所示。當給勵磁繞組通入直流電時，各主磁極均產生一定極性，相鄰兩主磁極的極性是N、S交替出現的。（二）機座直流電機的機座有兩種形式，一種為整體機座，另一種為疊片機座。整體機座是用導磁率效果較好的鑄鋼材料制成的，該種機座能同時起到導磁和機械支撐作用。由于機座起導磁作用，因此機座是主磁路的一部分，成為定子鐵軛。主磁極、換向極及端蓋均固定在機座上，機座起支撐作用。一般直流電機均采用整體機座。疊片機座是用薄鋼板沖片疊壓成定子鐵軛，再把定子鐵軛固定在一個專起支撐作用的機座里，這樣定子鐵軛和機座是分開的，機座只起支撐作用，可用普通鋼板制成。疊片機座主要用于主磁通變化快，調速范圍較高的場合。（三）換向極換向極又稱為附加極，其結構如圖1—5b所示，換向極安裝在相鄰的兩主磁極之間，用螺釘固定在機座上，用來改善直流電機的換向，一般電機容量超過1kW時均應安裝換向極。換向極是由換向極鐵心和換向極線圈組成。換向極鐵心可根據換向要求用整塊鋼制成，也可用厚1?1.5mm厚鋼板或硅鋼片疊成，所有的換向極線圈串聯(lián)后稱換向繞組，換向繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極數目一般與主極數目相同，但在功率很小的直流電機中，只裝主極數一半的換向極或不裝換向極。換向極極性根據換向要求確定。（四）電刷電刷裝置的作用是通過電刷和旋轉的換向器表面的滑動接觸，把轉動的電樞繞組與外電路連接起來。電刷裝置一般由電刷、刷握、刷桿、刷桿座和匯流條組成，電刷的結構如圖1—6所示。電刷是用石墨制成的導電塊，放在刷握內，用彈簧以一定的壓力將它壓在換向器的表面上。刷握用螺釘夾緊在刷桿上，刷桿裝在一個可以轉動的刷桿座上，成為一個整體部件。刷桿與刷桿座之間是絕緣的，以免正、負電刷短路。（五）端蓋電機中的端蓋主要起支撐作用。端蓋固定在機座上，其上放置軸承支撐直流電機的轉軸，使直流電機能夠旋轉。圖1—5直流電機主破極和換向租結構SJ1—6電刷的結相FI圖1—5直流電機主磁極和換向極結構圖1—6電刷的結構a）主磁極結構;b）換向極結構二、轉子部分轉子又稱電樞，是電機的轉動部分，其作用是感應電勢和產生電磁轉矩，從而實現能量的轉換，轉子由電樞鐵心、換向器、電機轉軸、電樞繞組、軸承和風扇組成。（一）電樞鐵心電樞鐵心的作用是通過磁通（電機磁路的一部分）和嵌放電樞繞組。為減小當電機旋轉時鐵心中的磁通方向發(fā)生變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片疊成，疊片兩面涂有絕緣漆。鐵心疊片沿軸向疊裝，中小型電機的電樞鐵心通常直接壓裝在軸上;在大型電機中，由于轉子直徑較大，電樞鐵心壓裝在套于軸上的轉子支架上。電樞鐵心沖片上沖有放置電樞繞組的電樞槽、軸孔和通風孔。圖1—7所示為小型直流電機的電樞沖片形狀和電樞鐵心裝配圖。圖1—7電樞沖片疆挪溪?猷3成魏艮圖1—7電樞沖片和電樞鐵心裝配圖（二）換向器換向器又稱為整流子，對于發(fā)電機，換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動勢轉變?yōu)橹绷麟妱觿菹蛲獠枯敵鲋绷麟妷?，對于電動機，它是把外界供給的直流電流轉變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機旋轉。換向器結構如圖1—8所示。換向器是由換向片組合而成，是直流電機的關鍵部件，也是最薄弱的部分。換向器采用導電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成。換向片的底部做成燕尾形狀，換向片的燕尾部分嵌在含有云母絕緣的V型鋼環(huán)內，拼成圓筒形套入鋼套筒上，相鄰的兩換向片間以0.6?1.2mm的云母片作為絕緣，最后用螺旋壓圈壓緊。換向器固定在轉軸的一端。換向片靠近電樞繞組一段的部分與繞組引出線相焊接。叫g留壽iL我勾片圖1叫g留壽iL我勾片十帥fq呻囂蘑§或貌左圖1—8換向器結構（a）換向片；（b）換向器（三）轉軸轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。（四）電樞繞組電樞繞組安放在電樞鐵心槽內，隨著電樞旋轉，在電樞繞組中產生感應電勢；當電樞繞組中通過電流時，能與磁場作用產生電磁轉矩，使電樞向一定的方向旋轉。在電機中每一個線圈稱為一個元件，多個元件有規(guī)律地連接起來形成電樞繞組。繞制好的繞組放置在電樞鐵心上的槽內，放置在鐵心槽內的直線部分在電機運轉時將產生感應電動勢，稱為元件的有效部分；在電樞槽兩端把有效部分連接起來的部分稱為端接部分，端接部分僅起連接作用，在電機運行過程中不產生感應電動勢。電樞繞組用圓銅線或矩形截面銅導線制成，銅線的截面積決定于線圈中通過電流的大小。在直流電機電樞槽的剖面圖中，除導線本身包有絕緣外，上下層線圈間及線圈和鐵心之間都必須妥善絕緣。為了防止線圈在離心力作用下甩出，在槽口處用槽楔將線圈邊封在槽內，線圈伸出槽外的端接部分，用熱固性無緯玻璃絲帶或非磁性鋼絲扎緊。槽楔可用竹片或酚醛玻璃布板制成?；局R電樞繞組根據連接規(guī)律的不同，繞組可分為單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組及混合繞組等幾種型式。下面介紹繞組的基本知識。元件：線圈是構成繞組的基本單元，又稱繞組元件（線圈單元），元件分為單匝和多匝繞組兩種。元件的首末端：每一個元件不管是單匝還是多匝，均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一端稱為末端。實槽和虛槽：直流電機的電樞繞組放置在電樞鐵心上的槽內，通常采用雙層繞組，沿槽深方向每槽有兩個元件邊，為了避免各線圈互相交疊，每一元件有一個有效邊放在槽的上層，稱為上層邊;另一有效邊放在另一槽的下層，稱為下層邊。與上層邊相連的出線端稱為始端，與下層邊相連的出線端稱為末端。圖1-9表示元件在槽內的放置情況。為了改善電機性能，希望用較多的線圈來組成電樞繞組。由于工藝等原因，電樞鐵心上不便開太多的槽，只能使每個線圈內包含有若干個線圈單元，所以，每個槽內的上下層各放置若干個線圈單元邊，這時，為了確切的說明這些單元邊的具體位置，引入虛槽的概念。每一個虛槽由一個上層線圈單元邊和一個下層線圈單元邊組成。設電樞槽內每層有四個線圈單元邊，則把每一個實際的槽看作包含四個虛槽。圖1-10表示一個實槽內包含一個，兩個和三個虛槽的情況。實際槽數Z與虛槽數加的關系為：Z呻四Z上慌詁圖1-9線圈元件邊在槽內的放置情況圖1-10實槽與虛槽元件數S和換向片數K：每個元件有兩個出線端，每個換向片又與兩個不同元件的兩個出線端相連接，因而元件數等于換向片數，即S=K。當一個線圈只有一個元件（呻1）時，元件數等于槽數Z,這時，每槽上下層各放一個線圈單元邊，即S=Z=K;當一個線圈中有四個元件時，每槽上下層各放四個元件邊，此時，元件數和虛槽數相等，即S=K=Z呻四Z。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離稱為極距，用表示?？捎孟率接嬎鉫ipcfcinscom也物甄摭亂式中，D為點數鐵心外直徑，p為直流電機磁極對數。疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件端接部分緊貼在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式進行。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，像波浪似的前進。直流電機的繞組如圖1—11所示。璋案單嗷羅延心隆單質甲雙璋案單嗷羅延心隆單質甲雙鑒賽電波圖1—11直流電機的繞組第一節(jié)距：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的元件邊數稱為第一節(jié)距，第一節(jié)距用表示。第二節(jié)距：連全同一換向片上的兩個元件中的第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。第二節(jié)距用表示。合成節(jié)距：連全同一換向片上兩個元件對應邊之間的距離，即第一個元件的上層邊與第二個元件的上層邊間的距離或第一個元件的下層邊與第二個元件的下層邊間的距離。合成節(jié)距用y表示，合成節(jié)距與第一節(jié)距、第二節(jié)距的關系為單器魂組y=y2換向節(jié)距：同一元件首、末端連接的換向片之間的距離。換向節(jié)距用表示。單疊繞組和單波繞組的節(jié)距如圖1-12所示。圖1一頂提絹節(jié)距示意圖折)單普!蜒眼R琴使豌繼8圖1—12繞組節(jié)距示意圖(a)單疊繞組；(b)單波繞組單疊繞組單疊繞組的特點是相鄰元件相互疊壓，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即:單疊繞組的節(jié)距計算第一節(jié)距計算公式如下無=勇土'elecfons^com迦a舟增瓦式中，Z為電機槽數；為使為整數而加的一個小數。當前面為負號時，線圈為短距線圈；當前面為正號時，線圈為長距線圈。長短距線圈的有效邊是一樣的，但由于長距線圈連接部分比短距線圈要長，使用銅導線較多，因此通常是用短距線圈。單疊繞組的合成節(jié)距和換向節(jié)距相同，即，一般取，此時的單疊繞組稱為右行繞組，元件的連接順序為從左向右進行。單疊繞組的第二節(jié)距由第一節(jié)距和合成節(jié)距之差計算到，第二節(jié)距計算公式如下：(1—5)單疊繞組的展開圖電機的繞組展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組的所有元件均取出來，畫在同一展開圖里，其作用是展示元件相互間的電氣連接關系。除元件外，展開圖中還包括主磁極、換向片及電刷以表示元件間、電刷與主磁極間的相對位置關系。在畫展開圖前應根據所給定的電機極對數P、槽數Z、元件數S和換向片K，算出各節(jié)距值，然后根據計算值畫出單疊繞組的展開圖。下面通過一個具體的例子說明繞組展開圖的畫法。［例1］已知一臺直流電機的極對數p=2，Z=S=K=16,試畫出其右行單疊繞組展開圖。［解］第一步：計算繞組的各節(jié)距y=乳=±1勤=為-y=4-1=3第二步：畫元件，用實線代表上層元件，虛線代表下層元件，虛線靠近實線，實線根數等于元件數S，從左向右為實線編號，分別為1至16。第三步：放置主磁極。為了確定電樞繞組中感應電勢的方向，需假定電樞的轉向，同時畫出主極的位置和極性。電機主極在圓周上是對稱均勻、NS極交替分布的，每個磁極的寬度約為(0.6?0.7)。在展開圖上對稱均勻的劃分極距并在每一極距內畫上磁極并假設極性，N極表示磁力線方向進入紙面，S極表示磁力線方向離開紙面。根據右手定則，可以確定各導體中感應電勢的方向，用單元邊上的箭頭表示，在N極下的單元邊中電勢方向均向下;在S極下單元邊中的電勢均向上，由于幾何中心線處的磁密為零，故此處單元邊中電勢為零，即1、5、9、13號線圈單元中電勢為零。因此，電樞電勢的分界線是磁場的分界線。第四步：放置換向片，用帶有編號的小方塊代表各換向片，換向片的編號也是從左向右順序編排并以第一元件上層邊所連接的換向片為第一換向片號。第五步:根據計算所的各節(jié)距值連接繞組，第一元件上層邊連接第一換向片，根據第一節(jié)距找到第一元件的下層邊，下層邊的一端連接上層邊未連換向片的那一端，另一端根據換向節(jié)距連接到第二換向片上。根據合成節(jié)距第二元件的上層邊連接到第二換向片，其下層邊連接第三換向片。其余元件與換向片的連接關系類推。

第六步：放置電刷。在展開圖中，直流電機的電刷與換向片的大小相同，電刷數與主磁極數相同，放置電刷時應使正負電刷間的感應電動勢最大，或被電刷短路的元件感應電動勢最小。當把電刷放置在主磁極的中心線處，被電刷短路元件的感應電動勢為零，同時正負電刷間的電動勢也最大。電樞按圖示方向轉動，電刷間的電動勢方向根據右手定則可判定為為正，為負。單疊繞組的完整展開圖如圖1—13所示。圖1-13單疊繞組展開圖圖1-14單疊繞組元件連接順序在實際生產過程中，直流電機電刷的實際位置是電機制造好后通過實驗的方法確定的。單疊繞組的元件連接順序及并聯(lián)支路圖根據圖1—13可以直接看出繞組中各元件之間連接規(guī)律。在圖1—13中，根據第一節(jié)距值可知第一槽元件1的上層邊，連接到第5槽的元件1的下層邊，構成了第1個元件;根據換向節(jié)距，第一元件的首、末端分別接到第1、2兩個換向片上;根據合成節(jié)距求得，第5槽的元件1的下層邊連接到第2槽元件2的上層邊，這樣就把第1、2兩個元件連接起來。其余元件的連接依此類推，如圖1—14所小。從圖中可看出，從第一元件開始，繞電樞一周，把全部元件邊都串聯(lián)起來之后，又回到第一元件的起始點1?？梢?，整個繞組是一個閉路繞組。根據圖1—13和圖1—14可得到繞組的并聯(lián)支路電路圖，見圖1—15。電刷短接元件為元件1、5、9和13，并聯(lián)支路對數a與主磁極對數相同，即a=p。由此可見，單疊繞組具有以下特點：同一磁極下的元件串聯(lián)在一起組成一個支路，這樣有幾個主磁極就有幾條支路。電刷數等于主磁極數，電刷位置應使支路感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。電樞電流等于各并聯(lián)支路電流之和。應當指出，單疊繞組為保證兩電刷間感應電動勢為最大，被電刷所短路的元件里感應電動勢最小，電刷應放置在換向器表面主磁極的中心線位置上，雖然對準主磁極的中心線，但被電刷所短路的元件邊仍然位于幾何中心線處(所謂幾何中心線是指電機空載時磁感應強度為零的線，即兩個主磁極之間的極間中心線)。為了簡單，今后稱電刷放在幾何中心線上，就是指被電刷所短路的元件，它的元件邊位于幾何中心線處。電樞轉間臺箜絲墮-育圖斯聞s櫥戢球崖圖1—15單疊繞組并聯(lián)支路圖單波繞組單波繞組的節(jié)距計算第一節(jié)距計算單波繞組的第一節(jié)距的計算方法與單疊繞組的計算相同。合成節(jié)距y和換向器節(jié)距計算選擇時，應使串聯(lián)的元件感應電動勢同方向。為此，得把兩個串聯(lián)的元件放在同極性磁極的下面，此時他們在空間位置上相距約為兩個極距。其次，當沿周圍向一個方向繞了一周，經過p個串聯(lián)的元件后，其末尾所連的換向片必須落在與起始的換向片相鄰的位置，這樣才能是第二周元件繼續(xù)往下連，此時換向總節(jié)距數為，即:pyh+1(1一命式中，K為換向片數。由上式可得換向節(jié)距為:K+1裁3敏點？在上式中，正負號的選擇首先應滿足使為整數，其次考慮選擇符號。選擇負號時的單波繞組稱為左行繞組，左行繞組端部疊壓少。單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相同，即。第二節(jié)距計算y2=Wi□一的單波繞組的展開圖單波繞組的展開圖見下例。［例2］已知主磁極極對數p=2，Z=S=K=15,繪制單波左行繞組展開圖。［解］首先計算各節(jié)距?五153=71=—+s=—--=32p44K-l15-1y=Vk=7-2=y-y!=7-3=4參照單疊繞組的展開圖畫法、可畫出單波繞組的展開圖如圖1-16所示。———日七嶇瞄由圖1一康