直流電機(jī)基本基本原理和電磁關(guān)系

直流電機(jī)基本基本原理和電磁關(guān)系直流電機(jī)概述一、直流電機(jī)的用途信號(hào)傳遞：測(cè)速發(fā)電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)做電源用：發(fā)電機(jī)；做動(dòng)力用：電動(dòng)機(jī)；二、直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

1、直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，受電磁干擾的影響小。

2、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。

3、直流電動(dòng)機(jī)過載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。

4、由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價(jià)格較高。直流發(fā)電機(jī)的原理（機(jī)械能-----直流電能）定子上的勵(lì)磁繞組通過直流電流（勵(lì)磁電流）時(shí)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)（勵(lì)磁磁場(chǎng)、主磁場(chǎng)）原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞線圈旋轉(zhuǎn)，切割主磁場(chǎng)B；轉(zhuǎn)速n(r/min)。電樞線圈的導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E=Blv;通過換向器與電刷的作用，可以引出直流的端電勢(shì)EAB，以輸出直流電能直流發(fā)電機(jī)的原理直流電動(dòng)機(jī)的原理將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流Ia通過。電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。載流的轉(zhuǎn)子（電樞）導(dǎo)體將受到電磁力F的作用，f=Blia所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載以n(r/min)旋轉(zhuǎn)。一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)扇機(jī)座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵(lì)磁繞組端蓋1.1定子轉(zhuǎn)子

（固定部分）（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）主磁極換向極機(jī)座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)、電機(jī)的機(jī)械支撐電樞鐵心電樞繞組換向器軸風(fēng)扇感應(yīng)電勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

1.3直流電機(jī)的電路勵(lì)磁繞組 套在磁極鐵芯上。 并勵(lì)繞組——和電樞繞組并聯(lián)，匝數(shù)較多、截面積較小 串勵(lì)繞組——和電樞繞組串聯(lián)，匝數(shù)較少，截面積較大 從電阻和能量消耗的角度考慮電樞繞組 嵌在電樞鐵芯槽中 疊繞組和波繞組換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，激勵(lì)換向極磁通。

換向器 將電樞繞組內(nèi)部的交流電勢(shì)用機(jī)械換接的方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電勢(shì)。1.4電刷裝置電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（固定在定子上）接通外電路1.將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路相連2.與換向器配合作用而獲得直流電壓電刷組數(shù)一般等于電機(jī)極對(duì)數(shù)1.5直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)勵(lì)磁方式，即勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接方式，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性有大的影響他勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁由另外獨(dú)立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接自勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁繞組與電樞繞組相連接，勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)本身供給

自勵(lì)的形式勵(lì)磁回路的功率占總功率的1-5%。二、直流電機(jī)電樞繞組一般來說直流電機(jī)中至少應(yīng)該有兩套繞組：勵(lì)磁繞組和電樞繞組。二者功能不同。勵(lì)磁繞組用來產(chǎn)生主磁場(chǎng)，為集中繞組。電樞繞組實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，稱為功率繞組，是分布繞組。繞組宏觀分為環(huán)形和鼓形。環(huán)形繞組只在原始電機(jī)中用過，在原理上易于理解。鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導(dǎo)線，運(yùn)行較可靠，經(jīng)濟(jì)性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。鼓形繞組又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。環(huán)形電樞繞組鼓形電樞繞組二、直流電機(jī)電樞繞組作用：電樞繞組——功率繞組。當(dāng)電樞繞組在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)將感應(yīng)電勢(shì)，當(dāng)電樞繞組中流通電流時(shí)，電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組直流電機(jī)進(jìn)行電功率和機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：直流繞組是閉合繞組。每個(gè)元件的兩端點(diǎn)分別連接在兩換向片上，每個(gè)換向片連接兩個(gè)元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。用環(huán)型繞組說明直流繞組的閉合情況電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，各線圈依次通過電刷作為引出端

2.1雙層繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。兩邊電勢(shì)相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個(gè)極距。線圈對(duì)稱排列：當(dāng)一線圈的一個(gè)邊在某槽中占有上層位置時(shí)，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。虛槽概念在大型電機(jī)中、每層可能有N個(gè)并列圈邊 為了改善電機(jī)的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。每層有3個(gè)圈邊實(shí)槽虛槽每一元件有兩個(gè)圈邊，每一換向片上接有兩個(gè)圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個(gè)圈邊，元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，也等于虛槽數(shù)每線圈有Nc匝，則總導(dǎo)體數(shù)N2.2直流繞組的節(jié)距第一節(jié)距y1

元件的寬度，虛槽數(shù)，兩個(gè)圈邊之間的距離第二節(jié)距y2

聯(lián)至同一換向片的兩個(gè)圈邊之間的距離合成節(jié)距y

緊相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)圈邊在電樞表面的跨距換向器節(jié)距yk

每一線圈兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示2.3單疊繞組每個(gè)元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個(gè)繞組元件相對(duì)前一個(gè)繞組元件僅移過一個(gè)槽。右行左行例：繞組20虛槽，四極，雙層由右手定則判電流方向在電樞幾何中心線上的元件邊感應(yīng)電勢(shì)為0為獲得對(duì)稱的繞組，每元件連接的兩換向片的分界線與元件軸線重合例：繞組20虛槽，四極，雙層電刷被電刷短路，處于換向狀態(tài)并聯(lián)支路數(shù)2a=2pN極S極S極N極直流繞組是閉合繞組每一極面下的元件串聯(lián)成一支路每支路中一個(gè)元件被電刷短路，處于換向狀態(tài)中在整個(gè)閉合回路中，感應(yīng)電勢(shì)總和為0，繞組內(nèi)部無環(huán)流電刷數(shù)等于極數(shù)。同極性的電刷連接形成一個(gè)“極”電刷之間的引出電勢(shì)為每一支路個(gè)元件的電勢(shì)和電刷放置法使電刷間導(dǎo)出的電勢(shì)有最大值使與電勢(shì)為零的元件所連接的換向片相連接

當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)至交軸時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)為零，電刷應(yīng)與處于交軸位置的導(dǎo)體相連如導(dǎo)體對(duì)稱，則磁極的幾何中心線處為電刷位置換向繞組的繞組軸線、磁極軸線和電刷位置在同一位置上。

N2.4單波繞組每一繞組元件的出發(fā)點(diǎn)和終端不在相鄰的兩換向片上，而相隔近似為一個(gè)極距相鄰兩元件相隔近似一對(duì)極距連接p個(gè)元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個(gè)槽例：電樞繞組19槽，四極例：電樞繞組19槽，四極只有兩條并聯(lián)支路：所有N極下的導(dǎo)體并聯(lián)為一支路，所有S極下的并聯(lián)為另一支路。2a=2電刷數(shù)原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷電刷位置：應(yīng)與電勢(shì)為零的元件所連接的換向片相連2.5單疊繞組和單波繞組的差別單疊繞組：各個(gè)極面下上層的繞組元件構(gòu)成一支路，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù) 電樞間電勢(shì)較下，電樞電流較大，稱并聯(lián)繞組單波繞組：N極下上層的繞組元件串聯(lián)為一支路，S極下的串聯(lián)為另一支路，并連支路數(shù)恒等于2

電刷間電勢(shì)較大，電樞電流較下，稱串聯(lián)繞組。NNSS疊繞波繞直流電機(jī)的額定值直流電機(jī)的額定值（Rating）主要有：額定功率PN：指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以W為量綱單位。額定電壓UN：指額定狀態(tài)下電樞出線短的電壓，以V為量綱單位。額定電流IN：指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以A為量綱單位。額定轉(zhuǎn)速nN：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。額定勵(lì)磁電流If：指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。對(duì)直流發(fā)電機(jī)PN是指輸出的電功率。直流電動(dòng)機(jī)PN是指輸出的機(jī)械功率（與電功率相差一個(gè)效率）直流電機(jī)的基本理論直流電機(jī)的磁場(chǎng)：勵(lì)磁方式、磁場(chǎng)分布、電樞反應(yīng)直流感應(yīng)電勢(shì)：電勢(shì)公式、電勢(shì)方程式電磁轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式功率與損耗：損耗分析、功率平衡方程式1.5直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)勵(lì)磁方式，即勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接方式，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性有大的影響他勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁由另外獨(dú)立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接自勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁繞組與電樞繞組相連接，勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)本身供給

自勵(lì)的形式勵(lì)磁回路的功率占總功率的1-5%。二、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)一、直流電機(jī)的磁通路徑磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)過氣隙1---電樞齒1---電樞軛---電樞齒2---氣隙2---主磁極2---定子軛---主磁極1。由磁極的直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生，空氣隙磁場(chǎng)不隨時(shí)間變化，是恒定磁場(chǎng)；空間上，忽略極面下的齒槽效應(yīng)，沿極面均勻分布。邊緣磁通空間上，非正弦分布，在導(dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)將包括有高次諧波。負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)---電樞反應(yīng)電樞磁場(chǎng)會(huì)對(duì)主磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，這一影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)會(huì)使得每極磁通發(fā)生變化，也會(huì)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，從而影響電機(jī)的性能。一、電樞磁勢(shì)的分布電樞磁勢(shì)的分布與電樞電流的分布有關(guān)。電樞電流的方向由電刷來決定。電樞磁勢(shì)的軸線總是與和電刷接觸的導(dǎo)體的連線重合?；蛘哒f電刷位置決定了電樞磁勢(shì)的軸線。當(dāng)電刷與處于幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸時(shí)，電樞磁勢(shì)的軸線在交軸方向。并把這一磁勢(shì)稱為交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)。設(shè)直軸線與電樞外圓的交點(diǎn)為0點(diǎn)，在距0點(diǎn)為x處作一閉合磁力線回路。該閉路包圍的電流數(shù)即為總磁勢(shì)Fa。電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)A稱為電機(jī)的線負(fù)荷。線負(fù)荷距0點(diǎn)位x處，每個(gè)氣隙的電樞反應(yīng)磁勢(shì)為：上式為一個(gè)極距的電勢(shì)磁勢(shì)分布，將一對(duì)極的電勢(shì)磁勢(shì)波形畫出，將得到三角波。電樞電勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布：磁密由磁勢(shì)和氣隙磁阻共同決定。極面下氣隙基本不變，磁密正比于磁勢(shì)。兩極之間的區(qū)域內(nèi)，氣隙變大，磁密迅速見效。一個(gè)周期的磁密波形呈馬鞍形。在一個(gè)極距內(nèi)相加時(shí)，一半極距內(nèi)磁密加強(qiáng)，另一半極距內(nèi)磁密減弱。如果點(diǎn)擊的磁場(chǎng)不飽和，則半個(gè)極距內(nèi)增加的磁通量與另半個(gè)極距內(nèi)減少的磁通量相等。即每極總磁通與空載時(shí)一樣。實(shí)際上由于飽和，使得每極磁通總體上有所減少，磁場(chǎng)發(fā)生畸變，0點(diǎn)位置發(fā)生了位移。（交軸）電樞反應(yīng)：氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變（對(duì)發(fā)電機(jī)而言前極端去磁，后極端增磁。而對(duì)電動(dòng)機(jī)而言則是前極端增磁，后極端去磁）使每極磁通減少，此反應(yīng)會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生不良影響。直流電機(jī)電樞繞組磁勢(shì)波形直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)交流電機(jī)的電樞磁勢(shì)是幅值隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)的空間分布波

如沿電樞分布的線圈無限增多，則級(jí)形波將趨近于三角形波

電刷位置對(duì)電樞磁勢(shì)的影響電樞磁勢(shì)幅值的位置恰在導(dǎo)體中的電流改變方向處，亦即在導(dǎo)體通過電刷處。如電刷和位于交軸的導(dǎo)體相接觸，則電樞磁勢(shì)的軸線也在交軸；如電刷移動(dòng)，則電樞磁勢(shì)的軸線也就跟著移動(dòng)。直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)軸線水遠(yuǎn)位于導(dǎo)體中的電流改變方向處（電刷位置），且在空間是靜止不動(dòng)的。負(fù)載時(shí)的

氣隙磁勢(shì)和磁場(chǎng)交軸直軸電樞磁勢(shì)位置取決于電刷位置，電刷位于交軸，電樞磁勢(shì)軸線也在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。極尖處磁密最大且由于其飽和程度的提高，飽和影響使高峰略有下降，即極面下的總磁通略減小，呈現(xiàn)去磁作用負(fù)載時(shí)的

氣隙磁勢(shì)和磁場(chǎng)交軸直軸交軸電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響：使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變使物理中心線偏移幾何中心線一個(gè)角度（對(duì)發(fā)電機(jī)：順著旋轉(zhuǎn)方向）磁路未飽和時(shí)，每極磁通不變?nèi)缈紤]磁路飽和的影響，則交軸電樞反應(yīng)有去磁作用七、直軸電樞反應(yīng)如電刷順著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向或逆著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向移過一個(gè)角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢(shì)的軸線也隨著電刷移動(dòng)。在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)固定作用在直軸，稱為直軸電樞反應(yīng)，其方向與主磁極極性相反，使主磁通減弱，呈現(xiàn)去磁作用。將使電樞電勢(shì)減小在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。七、直軸電樞反應(yīng)如電刷逆著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向或順著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向移過一個(gè)角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢(shì)的軸線也隨著電刷移動(dòng)。在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)固定作用在直軸，其方向與主磁極極性相同，呈磁化作用。將加劇換向的困難在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢(shì)作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。削弱電樞反應(yīng)負(fù)作用的措施由于電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)畸變而形成環(huán)火的可能性較大，須將電樞反應(yīng)盡可能地予以補(bǔ)償，以防止發(fā)生環(huán)火。在電機(jī)中裝置有補(bǔ)償繞組，使其產(chǎn)生的磁勢(shì)適能抵消電樞反應(yīng)電勢(shì)補(bǔ)償繞組的電流分布和電樞繞組各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電流分布大小相等、方向相反；交軸附近的電樞磁勢(shì)將由換向極磁勢(shì)來補(bǔ)償。補(bǔ)償繞組和換向極繞組應(yīng)和電樞繞組串聯(lián)。八、電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)——電機(jī)正、負(fù)電刷之間的電勢(shì)，即每一并聯(lián)支路的電勢(shì)