電機學直流電機1

ELECTRICALMACHINERY電機學(ElectricalMachinery)變壓器

(Transformers)

交流繞組（ACWinding）直流電機（DCElectricMachines）電機學I和電機學II感應電機（InductionMachines）同步電機（SynchronousMachines）《電機學》(ElectricalMachinery)課程的特點研究的對象是實物，是一個電的、磁的、機械的綜合體，與工程實踐聯(lián)系非常緊密。課程前后的連貫性強課程以定性分析為主，概念多，理論性強。時空觀強教材及參考書1．湯蘊璆等合編《電機學》普通高等教育“九五”國家重點教材機械工業(yè)出版社20002．顧繩谷主編，《電機及拖動基礎》（上、下冊），機械工業(yè)出版社，1998，第2版3．許實章主編，《電機學》（上、下冊），機械工業(yè)出版社，1994，修訂版4．張松林主編，《電機及拖動基礎習題集與實驗指導書》，機械工業(yè)出版社，19975．<ELECTRICMACHINERYFUNDAMENTALS>StephenJ.CapmanMcGraw-HillBookCompany一般分類：靜止電機——變壓器電機{

直流電機旋轉電機{同步電機交流電機{

異步電機（感應電機）電機是一種機電能量轉換的裝置變壓器是一種電能傳遞裝置專業(yè)基礎課一座橋梁：工科大學公共基礎課和專業(yè)技術課之間。作業(yè)、實驗：

一定數(shù)量的作業(yè)和4個設計型實驗：變壓器綜合實驗三相異步電動機綜合實驗同步發(fā)電機的綜合實驗直流電機綜合實驗任務：掌握變壓器和交、直流電機的基本結構、工作原理和運行性能，并對電機的運行進行初步的分析提供基礎知識：《自動控制系統(tǒng)》、《計算機控制技術》、《控制電機》、《變頻調速》及電力系統(tǒng)相關課程。課程性質、任務：本學期教學內容：

第一部分

直流電機及拖動

第二部分

感應電機的拖動

第一部分：直流電機及拖動第一章直流電機第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎第三章直流電動機的電力拖動

該部分以直流電動機為主分析直流電機的工作原理、結構、電路、磁路、運行原理及換向問題，在講述電力拖動的動力學基礎后，以他勵直流電動機為例，重點講述他勵直流電動機的機械特性、各種運轉狀態(tài)及調速。第一章直流電機

（第三章直流電機的穩(wěn)態(tài)分析）

第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎（第七章）

第三章直流電動機的電力拖動

（第八章）

第一章直流電機

本章主要分析直流電機的工作原理、結構、電路、磁路、運行原理及換向。直流電動機優(yōu)點：過載、起動、制動轉矩大；調速范圍廣，且易于平滑調節(jié)；易于控制，可靠性高；調速時損耗小，經濟性好。因此被廣泛地應用在電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和起動設備中。直流發(fā)電機則作為各種直流電源。第一章直流電機第一節(jié)直流電機的工作原理和基本結構第二節(jié)直流電機的繞組第三節(jié)直流電機的磁場第四節(jié)直流電機的感應電動勢和電磁轉矩第五節(jié)直流電機的基本方程第六節(jié)直流發(fā)電機的運行原理第七節(jié)直流電動機的運行特性第八節(jié)直流電機的換向直流電機小結第一節(jié)直流電機的工作原理基本和結構工作原理(principles)結構(construction)勵磁方式額定值一、直流電機的工作原理1、直流電機的構成2、直流發(fā)電機的工作原理：(rotor)

N

b

f2

aA、B為電刷

A(正)

c(brusher)

f1

B(負)d

S2、直流發(fā)電機的工作原理：

在圖中，線圈連著換向片(commutatorsegment)，換向片固定于轉軸上，隨電機軸一起旋轉，換向片之間及換向片與轉軸之間均互相絕緣，它們構成的整體稱為換向器。電刷A、B在空間上固定不動。

當用原動機拖動電樞逆時針方向旋轉，線圈邊將切割磁力線感應出電勢，電勢方向可據(jù)右手定則確定。由于電樞連續(xù)旋轉，線圈邊ab、cd將交替地切割N極、S極下的磁力線，每個線圈邊和整個線圈中的感應電勢的方向是交變的。線圈內的感應電勢是交變電勢，但由于電刷和換向器的作用，使流過負載的電流是單方向的直流電流，這一直流電流一般是脈動的。

如圖中所示，電刷A所引出的電勢始終是切割N極磁力線的線圈邊中的電勢，它始終具有正極性；電刷B始終具有負極性。這就是直流發(fā)電機的工作原理。

3、直流電動機的工作原理：

在電機的兩電刷端加上直流電壓，由于電刷和換向器的作用將電能引入電樞線圈中，并保證了同一個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，繼而保證了該極下線圈邊所受的電磁力方向不變，保證了電動機能連續(xù)地旋轉，以實現(xiàn)將電能轉換成機械能以拖動生產機械，這就是直流電動機的工作原理。注意：每個線圈邊中的電流方向是交變的。4、電機理論的可逆性原理：從基本電磁過程看，一臺直流電機既可作為電動機運行，也可作為發(fā)電機運行，只是外界條件不同而已。當外加直流電壓，可作為拖動生產機械的電動機運行，將電能變換為機械能。若用原動機拖動電樞旋轉，可輸出電能，為發(fā)電機運行，將機械能變換為電能。二、直流電機的結構(construction)：

旋轉電機是由定子和轉子的兩大部分組成。定子(stator)和轉子(rotator)之間有間隙，稱為氣隙(airgap)。

定子(stator)的作用是產生磁場和作為電機的機械支撐。包括主磁極、換向極、機座、端蓋、軸承、電刷裝置等。

轉子或電樞(rotororarmature)的作用是感應電勢實現(xiàn)能量轉換。包括電樞鐵心，電樞繞組，換向器、軸和風扇等。（一）、定子部分：1、主磁極(pole)：由主極鐵心和勵磁繞組組成。

也稱為主極。作用是產生氣隙磁場。2、換向極(interpole)：由換向極鐵心和換向繞組組成。

也稱為附加極或間極。作用是改善換向。裝在主極之間。3、機座(yoke)：

由鑄鋼或厚鋼板焊成。是電機的機械支撐。4、電刷裝置(brush)：

將直流電壓、電流引入或引出的裝置。其組數(shù)與主極極數(shù)相等。（二）、轉子部分(rotor)：（轉子部分或電樞部分）1、電樞鐵心(armature

core)：

主磁路的主要部分及嵌放電樞繞組，由硅鋼片迭壓而成。2、電樞繞組(armaturewinding)：

由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。用來感應電勢和通過電流，是電路的主要部分。3、換向器(commutator)：

由許多彼此絕緣的換向片構成。三、勵磁方式：勵磁繞組的供電方式。1、他勵式：勵磁回路的電流由外電源供給，與電樞回路沒有電的聯(lián)系。2、自勵式：

并勵式：勵磁回路與電樞回路是并聯(lián)的。勵磁回路兩端的電壓就是電樞回路兩端的電壓。串勵式：勵磁回路與電樞回路是串聯(lián)的。勵磁回路的電流與電樞回路的電流相等。復勵式：主極有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)，另一個和電樞繞組串聯(lián)。＋－＋－＋－

他勵+_并勵+_

串勵

*P983-1

復勵四、直流電機的銘牌數(shù)據(jù)(Nameplateratings)1、額定功率：

瓦，千瓦。電動機：指軸上輸出的機械功率：發(fā)電機：指電樞出線端電功率：2、額定電流：安3、額定電壓：伏4、額定轉速：轉/分5、額定勵磁電流：安6、額定勵磁電壓：伏7、勵磁方式。8、極對數(shù)：第二節(jié)直流電機的繞組

(ArmatureWinding)直流繞組的基本特點繞組的基本型式（迭繞組、波繞組）直流繞組連接規(guī)律小結繞組是電機的主要電路，是電機實現(xiàn)機電能量變換的樞紐。它的制造工藝比較復雜，在運行中易發(fā)生故障，因此，設計繞組時要求：能通過規(guī)定的電流和產生足夠大的電勢。盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料。保證換向良好。一、直流電機繞組的特點：單匝多匝單匝多匝迭繞組波繞組基本術語：元件：兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件邊：每一元件在槽內能切割磁場、感應電勢的邊，也稱為有效邊。端接：元件在槽外的部分。一般為了工藝要求，元件的一元件邊放某一槽的上層，另一元件邊放另一槽的下層。直流電機的繞組是由結構、形狀相同的繞組元件構成的。其常用參數(shù)有：槽數(shù)：Q，元件數(shù)：S，換向片數(shù)：K，第一節(jié)距：y1，第二節(jié)距：y2，合成節(jié)距：y，換向器節(jié)距：yk短距（－）

y1

整距（0）

y2

長距（＋）

y

極距1、第一節(jié)距：y1，每一元件的兩個元件邊在電樞表面所跨的距離，用槽數(shù)來表示。例：上元件邊在1槽，下元件邊在5槽，則y1=5－1＝4。為了使繞組感應電勢最大，應使y1接近于極距。（極距即相鄰兩主極間的距離，用槽數(shù)表示。）2、第二節(jié)距：y2，在由同一片換向片串聯(lián)起來的兩個元件中，前一元件的下邊與后一元件的上邊之間的距離，用槽數(shù)來表示。迭繞組的y2為負，波繞組的y2為正。3、合成節(jié)距：y，相串聯(lián)的兩個元件的對應邊之間的距離。y＝y(tǒng)1＋y2。4、換向器節(jié)距：yk，同一元件的兩端所接的兩換向片之間的距離，以換向片數(shù)表示。y=yk。二、繞組的基本型式：

迭繞組，波繞組。1、單迭繞組：元件的兩個出線端連接于相鄰的兩個換向片上；相鄰元件依次串聯(lián)，后一元件的首端與前一元件的尾端連在一起，并接到同一個換向片上，最后一個元件的尾端與第一個元件的首端連在一起，形成一個閉合回路。緊相串聯(lián)的兩個元件的端接部分緊“‘疊”在一起。舉例說明聯(lián)接特點和支路組成情況：例一極對數(shù)p=2，槽數(shù)Q＝16，元件數(shù)S＝K＝16，y1=4，yk=1，繪制一單迭繞組展開圖(右行)。繪制步驟：（一）、節(jié)距計算單迭：y=yk=1，整距：y1=16/4=4，y2=y－y1=1－4=－3。

1221

123

右行321左行（二）、繞組連接表上層元件邊所在槽數(shù)：

1+y

12345678910111213141516

1+y1456789101112131415161234下層元件邊所在槽數(shù)：（帶箭頭線表示元件本身的連接，紅線表示通過換向片的連接）（三）、繞組連接圖：1234567891011121314151612345678910111213141516極距極距極距極距（四）、安放主極和電刷：

(1)主極安放原則：均勻放置。(2)電刷安放原則：首先，正負電刷間引出的電動勢最大；其次，被電刷短接的元件電動勢最?。Y論：電刷的實際放置在磁極中心線下．但習慣稱“電刷放在幾何中性線位置”．幾何中性線－－兩個主磁極之間的中性線位置．N12345678910111213141516NSSA1B1A2B2+－極距極距極距極距12345678910111213141516（五）、單迭繞組的瞬間電路圖：A1A2B1B2234

87610111216151413591+－（六）、繞組的并聯(lián)支路數(shù)：單迭繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于電機極數(shù)。并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)，即：a=p。

電刷數(shù)目＝支路數(shù)＝極數(shù)作業(yè)：繪制一整距單迭繞組展開圖，

2p=4，Q＝S＝K＝24，計算各繞組節(jié)距y1，y2，y，yk，安放主極和電刷，求并聯(lián)支路對數(shù)。2、單波繞組：每元件的兩端所接兩換向片相隔較遠，yk>y1，元件串聯(lián)后形成波浪形。y1應接近于極距，yk滿足下式：繞行一周后，比出發(fā)時的換向片前進（＋，右行〕或退后（－，左行）一個換向片。例2、繪制一左行短距單波繞組展開圖，2p=4，Z＝S＝K＝15。繪制步驟：（一）、節(jié)距計算：左行：,短距：（二）、繞組連接表：上元件邊在槽數(shù)：

+y

1815714613512411310291

+y112411310291815714613512下元件邊在槽數(shù)：帶箭頭的連線表示元件本身的聯(lián)接，紅線表示不同元件經過換向片的連接。（三）、繞組連接圖：123456789101112131415極距極距極距極距１31415123456789101112（四）、安放主極和電刷：主極均勻放置。為獲得最大電勢，電刷應放置在元件幾何軸線與主極軸線重合的元件所接的兩換向片的分界線上。電刷的中心線與該分界線重合。電刷數(shù)目＝電機極數(shù)123456789101112131415極距極距極距極距131415123456789101112B2A1B1A2－＋NSNS（五）、單