第一章 直流電機(jī)原理

電機(jī)原理及拖動(dòng)主講人：方煒安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院第一章直流電機(jī)原理直流電機(jī)的用途、結(jié)構(gòu)及基本工作原理1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)的電樞繞組234直流電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及直流電機(jī)的換向56直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)可分為直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的直流電機(jī)是直流發(fā)電機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的直流電機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力，一般應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)和調(diào)速要求較高的場(chǎng)合。另外，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維護(hù)較困難是直流電機(jī)的不足之處。1.1直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

N、S為一對(duì)固定的磁極，稱為直流電機(jī)的定子。ab,cd是固定在可旋轉(zhuǎn)鐵質(zhì)圓柱體上的線圈，線圈連同鐵質(zhì)圓柱體是直流電機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子（或電樞）。圖1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型

1.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)線圈的末端a、d聯(lián)結(jié)到兩個(gè)相互絕緣并可以隨線圈一同轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電片上，該導(dǎo)電片稱為換向片。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的聯(lián)結(jié)是通過(guò)放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。在定子與轉(zhuǎn)子間有間隙存在，稱為氣隙。圖1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型

1.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)圖1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型

1.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)當(dāng)有原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在線圈ab,cd中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則確定。在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)情況下，導(dǎo)體ab在N極下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體cd則在S極下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)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(fù)。圖1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型

1.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)180°后，導(dǎo)體ab在S極下，導(dǎo)體cd則在N極下，此時(shí)導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向已改變，但由于原來(lái)與電刷A接觸的換向片已經(jīng)與電刷B接觸，而與電刷B接觸的換向片同時(shí)換到與電刷A接觸，因此電刷A的極性仍為正，電刷B的極性仍為負(fù)。圖1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型

1.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)1.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)圖1.2直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型

可以看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)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(fù)，使電刷獲得直流電動(dòng)勢(shì)。圖1.3直流電動(dòng)機(jī)的工作原理模型

1.1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)電刷A、B接直流電源，此時(shí)電樞線圈中有電流流過(guò)，線圈邊ab,cd在磁場(chǎng)中受到電磁力作用。圖1.3直流電動(dòng)機(jī)的工作原理模型

1.1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)導(dǎo)體受力方向由左手定則確定。位于N極下的導(dǎo)體ab受力方向?yàn)閺挠蚁蜃?，而位于S極下的導(dǎo)體cd受力方向從左到右。導(dǎo)體所受電磁力對(duì)軸產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，這種由于電磁作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時(shí)，線圈按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖1.3直流電動(dòng)機(jī)的工作原理模型

1.1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)180°后，原位于S極下的導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，其受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?；而原位于N極下的導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，導(dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴遥撧D(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较?，線圈在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖1.4直流電動(dòng)機(jī)的工作模型

1.1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)雖然導(dǎo)體中流通的電流為交變的，但N極下的導(dǎo)體受力方向和S極下導(dǎo)體的受力方向并未發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)?？偨Y(jié)：實(shí)際上直流電機(jī)的電樞是根據(jù)具體應(yīng)用情況需要有多個(gè)線圈。線圈分布于電樞表面的不同位置上，并按照一定的規(guī)定聯(lián)結(jié)起來(lái)，構(gòu)成直流電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要,N、S極交替放置多對(duì)。任何一臺(tái)電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這一性質(zhì)稱為電機(jī)的可逆原理。電機(jī)的可逆原理不僅適用于直流電機(jī)，也適用于交流電機(jī)。電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式由外施條件決定，如果電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械能，而電樞繞組輸出電能，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能，則電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本是相同的，即都有可旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分。可旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子，靜止部分稱為定子，在定子和轉(zhuǎn)子之間存在著氣隙。圖1.5小型直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——定子定子定子的作用，在電磁方面是產(chǎn)生磁場(chǎng)和構(gòu)成磁路，在機(jī)械方面是整個(gè)電機(jī)的支撐。定子由磁極、機(jī)座、換向極、電刷裝置、端蓋和軸承等組成。圖1.6直流電機(jī)剖面

1—電樞繞組；2—電樞鐵芯；3—機(jī)座；4—主磁極鐵芯；5—?jiǎng)?lì)磁繞組；6—換向繞組；7—換向極鐵芯；8—主磁極極靴；9—機(jī)座底腳1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——定子主磁極

主磁極的作用是在定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵芯和放置在鐵芯上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵芯分成極身和極靴兩部分，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(shí)極靴對(duì)勵(lì)磁繞組也起支撐作用。為減小渦流損耗，主磁極鐵芯是用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(jī)座上。主磁極上的線圈是用來(lái)產(chǎn)生主磁通的，稱為勵(lì)磁繞組。圖1.7直流電機(jī)主磁極的結(jié)構(gòu)

1—機(jī)座；2—主磁極鐵芯；3—?jiǎng)?lì)磁繞組1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——定子換向極

換向極安裝在相鄰的兩個(gè)主磁極之間，固定在機(jī)座上，用來(lái)改善直流電機(jī)的換向，消除或減小電刷與換向器之間的火花。換向極是由換向極鐵芯和換向極繞組組成。換向極鐵芯可根據(jù)要求用整塊鋼制成，也可用1.0～1.5mm厚的鋼板疊成，所有的換向極線圈串聯(lián)后稱為換向極繞組，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極繞組數(shù)目一般與主磁極數(shù)目相同。圖1.8直流電動(dòng)機(jī)換向極結(jié)構(gòu)1—換向極鐵芯；2—換向極繞組1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——定子機(jī)座機(jī)座直流電機(jī)的機(jī)座有兩種形式：(1)整體機(jī)座。整體機(jī)座是用導(dǎo)磁性能較好的鑄鋼材料制成的，該種機(jī)座能同時(shí)起到導(dǎo)磁和機(jī)械支撐的作用。由于機(jī)座起導(dǎo)磁作用，因此機(jī)座是主磁路的一部分，稱為定子鐵軛。主磁極、換向極及端蓋均固定在機(jī)座上，因此，機(jī)座起到了支撐的作用。一般直流電機(jī)均采用整體機(jī)座。(2)疊片機(jī)座。疊片機(jī)座是用薄鋼沖片疊壓成定子鐵軛，再把定子鐵軛固定在一個(gè)專門(mén)起支撐作用的機(jī)座里，這樣定子鐵軛和機(jī)座是分開(kāi)的，機(jī)座只起支撐作用，可用普通鋼板制成。疊片機(jī)座主要用于主磁通變化快、調(diào)速范圍較高的場(chǎng)合。1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——定子電刷電刷裝置的作用是通過(guò)電刷和旋轉(zhuǎn)的換向器表面的滑動(dòng)接觸，把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組與外電路聯(lián)結(jié)起來(lái)，并與換向器配合，起到整流或逆變的作用。電刷裝置一般由電刷、刷握、刷桿座和壓緊彈簧組成圖1.9電刷的結(jié)構(gòu)1—刷握；2—電刷；3—壓緊彈簧；4—銅絲辮

1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。它包括電樞鐵芯、換向器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、電樞繞組、軸承和風(fēng)扇等。圖1.10直流電機(jī)轉(zhuǎn)子橫截面圖電樞槽電樞繞組電樞齒電樞磁軛1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——轉(zhuǎn)子電樞鐵芯電樞鐵芯是主磁路的一部分，同時(shí)用來(lái)嵌放電樞繞組。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，為減小電樞鐵芯中的磁通變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵芯用涂有絕緣漆的0.5mm厚的硅鋼片疊成。電樞鐵芯沖片上沖有放置電樞繞組的電樞槽、軸孔和通風(fēng)口圖1.11電樞沖片形狀1—齒；2—槽；3—軸向通風(fēng)孔1.1.3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)——轉(zhuǎn)子換向器換向器又稱整流子。對(duì)于發(fā)電機(jī)，換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)向外部輸出直流電壓；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，它是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。換向器是由換向片組合而成的，是直流機(jī)的關(guān)鍵部件，也是最薄弱的部分圖1.11換向器結(jié)構(gòu)1—V形套筒；2—云母片；3—換向片；4—聯(lián)結(jié)片1.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)稱為額定值。額定值一般標(biāo)注在電機(jī)的銘牌上，所以又稱為銘牌數(shù)據(jù)。它是正確合理使用電機(jī)的依據(jù)。銘牌數(shù)據(jù)主要包括電機(jī)型號(hào)、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和額定勵(lì)磁電流及勵(lì)磁方式等，此外還有電機(jī)的出廠數(shù)據(jù)，如出廠編號(hào)、出廠日期等。在選擇電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡可能使電機(jī)運(yùn)行在額定值附近1.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)國(guó)產(chǎn)電機(jī)型號(hào)一般采用大寫(xiě)的漢語(yǔ)拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，其格式為：第一部分用大寫(xiě)的拼音表示產(chǎn)品代號(hào)，第二部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號(hào)，第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機(jī)座代號(hào)，第四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵芯長(zhǎng)度代號(hào)。

如Z292中的Z表示一般用途直流電機(jī)；2表示設(shè)計(jì)序號(hào)，第二次改型設(shè)計(jì)；9表示機(jī)座代號(hào)；2表示電樞鐵芯長(zhǎng)度代號(hào)。1.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定功率PN是指在額定條件下電機(jī)所能供給的功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，額定功率是指電動(dòng)機(jī)軸上輸出的最大機(jī)械功率；對(duì)于發(fā)電機(jī)，額定功率是指電刷間輸出的最大電功率。額定功率的單位為kW。額定電壓UN是指額定工作條件下電機(jī)出線端的平均電壓。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，額定電壓是指輸入額定電壓；對(duì)于發(fā)電機(jī)，額定電壓是指輸出額定電壓。額定電壓的單位為V。1.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定電流IN是指電機(jī)在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值。額定電流的單位為A。額定功率、額定電壓和額定電流的關(guān)系為：發(fā)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)：1.1.4直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定轉(zhuǎn)速nN是指對(duì)應(yīng)于額定電流、額定電壓，電機(jī)運(yùn)行于額定功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速的單位為

r/min。額定勵(lì)磁電流IfN是指對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流。額定勵(lì)磁電流的單位為A。勵(lì)磁方式是指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與其電樞線圈的聯(lián)結(jié)方式。根據(jù)電樞線圈與勵(lì)磁線圈的聯(lián)結(jié)方式不同，直流電機(jī)勵(lì)磁有并勵(lì)、串勵(lì)、他勵(lì)和復(fù)勵(lì)等方式。1.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)由直流電機(jī)的基本工作原理可知，電樞旋轉(zhuǎn)切割氣隙中的磁力線而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(發(fā)電機(jī))，電樞電流與氣隙中的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩(電動(dòng)機(jī))，因而氣隙磁場(chǎng)是電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是在主磁極的勵(lì)磁繞組中通以直流電流建立的。

所以直流電機(jī)有兩種基本繞組，即勵(lì)磁繞組和電樞繞組。勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的聯(lián)結(jié)方式稱為勵(lì)磁方式。勵(lì)磁方式不同，電機(jī)的運(yùn)行特性有很大的差異。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四類(lèi)。1.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流為零。這時(shí)的氣隙磁場(chǎng)是由勵(lì)磁電流If通過(guò)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Ff所建立。所以，直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)又稱勵(lì)磁磁場(chǎng)。

1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)1.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)絕大部分的磁通是從N極出來(lái)，經(jīng)過(guò)氣隙進(jìn)入電樞的齒槽，再經(jīng)過(guò)電樞的鐵軛到電樞的另一邊齒槽，又通過(guò)氣隙進(jìn)入S極，通過(guò)定子鐵軛回到N極。這部分磁通同時(shí)交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組，能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主磁通圖1.11四極電機(jī)空載磁場(chǎng)示意圖1.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)

一小部分磁通不進(jìn)入電樞鐵芯，直接經(jīng)過(guò)氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路，這部分稱為漏磁通。漏磁通只是增加主磁極磁路的飽和程度，使電機(jī)的損耗加大，效率降低。一般情況下，漏磁通為主磁通的15%～20%。圖1.11四極電機(jī)空載磁場(chǎng)示意圖1.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)主磁通Φ所經(jīng)磁路:兩個(gè)氣隙、兩個(gè)電樞齒、一個(gè)電樞軛、兩個(gè)主磁極鐵心和一個(gè)主磁極軛等五段。由磁路中的歐姆定律，各段上的磁壓降可以表示為：

ΣФRm

=NfIf

Nf——一個(gè)主磁極上激磁繞組的匝數(shù)；

If——激磁繞組中的激磁電流；

Rm——該段的磁組；Ф——磁通量說(shuō)明:當(dāng)I較小時(shí)磁路的磁阻為氣隙磁阻且為常數(shù),故If與Φ是線性的

If較大時(shí)鐵心飽和,磁阻加大Φ增加變慢If與Φ為非線性關(guān)系.

電機(jī)的飽和程度對(duì)電機(jī)的性能有很

大的影響.ΦIf0211.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)因?yàn)殡姌欣@組是在氣隙磁場(chǎng)下進(jìn)行電磁感應(yīng)的，所以氣隙磁通密度的分布是我們分析的主要對(duì)象。當(dāng)忽略主磁路中鐵磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。

2氣隙磁通密度分布磁極中心及附近的氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數(shù)；接近極尖處氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小，因此，空載時(shí)的氣隙磁通密度分布為一平頂波。圖1.12氣隙磁密分布圖1.3直流電機(jī)的電樞繞組由直流電機(jī)的基本工作原理可知，電樞旋轉(zhuǎn)切割氣隙中的磁力線而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(發(fā)電機(jī))，電樞電流與氣隙中的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩(電動(dòng)機(jī))，因此電機(jī)的電樞繞組是電機(jī)的主要組成部件。電機(jī)必須通過(guò)電樞繞組與氣隙磁場(chǎng)相互作用才能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

所以繞組類(lèi)型：（1）單迭繞組；（2）復(fù)迭繞組；（3）單波繞組；（4）復(fù)波繞組；（5）混合繞組。其中，單迭和單波繞組是最基本的直流電樞繞組，是了解其他繞組的基礎(chǔ)。（2）極距：它是相鄰兩主磁極極軸線之間的距離，在相鄰主磁極之間，與上述距離大小相等的距離，也叫極距。1.3直流電機(jī)的電樞繞組1有關(guān)技術(shù)名詞NN極軸線nNS.nτNS極距（1）極軸線：它是將主磁極平分為左右兩部分的直線。

（3）幾何中線：是在相鄰兩極軸線之間并且與這兩極軸線等距離的直線，兩相鄰主磁極以幾何中線為軸作位置上的對(duì)稱分布。以n—n表示。單疊繞組由疊繞組元件按一定規(guī)律排列聯(lián)接而成.繞組元件實(shí)際上是一個(gè)線圈,可以是多匝,也可以的單匝的。2單疊繞組繞組元件結(jié)構(gòu)原理:a1b1及a2b2部分稱為元件邊,

用后端匝a(bǔ)1ma2及前端匝b1nb2

將元件邊聯(lián)結(jié)起來(lái),使兩元件邊中電勢(shì)在元件中迭加.

端線c1d1及c2d2稱為引線,d1為元件的首端,d2為末端.元件的首端和末端分別焊接在不同的換向上.a1b1稱為第一元件邊,右邊a2b2稱為第二元件邊.mnd2a1b1a2b2c1d1VNS1234567891011121314161512345678910111213141516N1N2S1S2A1A2B1B2__+++_++ττττn圖1.13單迭繞組展開(kāi)圖圖中四個(gè)方框代表四個(gè)主磁極,相同極性的兩個(gè)電刷均用導(dǎo)線并聯(lián)后引往出線端.四個(gè)電刷均安放在相應(yīng)的四個(gè)主磁極的極軸線處的換向片上,電刷寬度等于一個(gè)換向片寬.電樞鐵心槽數(shù)、元件數(shù)以及換向片數(shù)均相等且為16。元件的第一元件邊嵌在槽的上層——上層邊；而元件的第二元件邊總是嵌在槽的下層——下層邊。上層邊用實(shí)線表示，下層邊用虛線表示。以元件上層邊所在槽的號(hào)碼作為該元件的號(hào)碼。元件聯(lián)接次序表：

123456789101112131415161

號(hào)碼上打“.”的,表示被電刷短路的元件.當(dāng)元件的兩元件邊的距離恰是一個(gè)極距時(shí),由于電刷放在極軸線處的換向片上,故被電刷短接的元件的兩個(gè)元件邊正處在兩相鄰幾何中線上.

.....1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)電機(jī)負(fù)載后，電樞繞組流過(guò)電流，出現(xiàn)了電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞反應(yīng):電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁極所建立的氣隙磁場(chǎng)的影響。電樞磁動(dòng)勢(shì)不僅與電樞電流大小有關(guān)，它還受電刷位置的影響。

1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)1電樞磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁場(chǎng)二極直流電機(jī)電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞磁場(chǎng)分布圖：1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)把電樞圓周從電刷處切開(kāi)展成直線并以主磁極軸線與電樞表面的交點(diǎn)為空間坐標(biāo)的起點(diǎn),電樞磁動(dòng)勢(shì)沿空間的分布：⊕nNSFax0x⊙⊙⊙⊙⊕⊕⊕xxxxnxBax圖1.14電樞磁動(dòng)勢(shì)、磁通密度空間分布圖1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)2電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)(a)所示為空載磁場(chǎng)分布情況。在電樞表面上磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的地方是物理中性線m-m。空載時(shí)物理中性線與幾何中性線重合。1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)2電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)(b)所示為電樞磁場(chǎng)，它的方向由電樞電流確定，電樞電流的分界線是電刷，在電刷軸線兩側(cè)對(duì)稱分布。1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)2電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)(c)所示為合成磁場(chǎng)，它是主磁極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)合在一起產(chǎn)生的?？梢钥闯觯捎陔姌写艌?chǎng)的出現(xiàn)，對(duì)主磁極磁場(chǎng)的分布有明顯的影響，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)2電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)(1)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。在每一磁極下，主磁極磁場(chǎng)的一半被削弱，另一半被加強(qiáng)。這時(shí)物理中性線與幾何中性線不再重合。(2)對(duì)主磁極磁場(chǎng)有去磁作用。⊙⊕⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊕⊕⊕⊕⊕⊕NSnnn幾何中線發(fā)電機(jī)⊕⊕⊙nnn電動(dòng)機(jī)mm物理中線B0xBaxBδx圖1.15交軸電樞反應(yīng)的磁通密度分布曲線1.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)3電刷偏離幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)(1)電樞磁勢(shì)分為兩部分：交軸磁勢(shì)和順軸磁勢(shì)。Fa=Faq+Fad(2)當(dāng)發(fā)電機(jī)順旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷或電動(dòng)機(jī)逆移時(shí)順軸電勢(shì)Fad去磁，反之順軸電勢(shì)助磁⊙⊙⊙⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕Fa⊙⊙⊙⊙⊙⊕FadFaqNSACBDnfnd1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其電樞中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的軸帶動(dòng)負(fù)載；電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為反向電動(dòng)勢(shì)，與電樞所加外電壓相平衡。1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩1電樞電動(dòng)勢(shì)電樞電勢(shì)是指電機(jī)正常工作時(shí)電樞繞組切割氣隙磁通產(chǎn)生的刷間電動(dòng)勢(shì)。刷間電動(dòng)勢(shì)等于其中一條支路的電動(dòng)勢(shì)。(1)設(shè)繞組為整距元件,電刷在幾何中線上。如電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)為N,并聯(lián)電路數(shù)為2a，則繞組每條支路的導(dǎo)體數(shù)為N/(2a)。(2)如每根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)eav,則支路電動(dòng)勢(shì)即刷間電動(dòng)勢(shì)1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩1電樞電動(dòng)勢(shì)(3)一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為eav=Bavlv,Bav為一個(gè)極下的平均磁密,

(4)如導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的速度v用每分鐘轉(zhuǎn)速表示有(5)則電樞電動(dòng)勢(shì)為：1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩1電樞電動(dòng)勢(shì)這是一個(gè)十分重要的公式,式中為電動(dòng)勢(shì)常數(shù),是一個(gè)決定于電機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù).電樞電動(dòng)勢(shì)與每極磁通成正比,與轉(zhuǎn)速正比1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩2電磁轉(zhuǎn)矩在直流電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的電磁力所形成的。根據(jù)電磁力定律，當(dāng)電樞繞組有電樞電流流過(guò)時(shí)，在磁場(chǎng)內(nèi)將受到電磁力的作用，該力與電機(jī)電樞鐵芯半徑的乘積為電磁轉(zhuǎn)矩。1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩2電磁轉(zhuǎn)矩(1)先求每根導(dǎo)體平均受力(2)直流電機(jī)電樞直徑為D，每根導(dǎo)體平均轉(zhuǎn)矩為(3)電樞總轉(zhuǎn)矩為1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩2電磁轉(zhuǎn)矩這是一個(gè)十分重要的公式,式中為轉(zhuǎn)矩常數(shù),是一個(gè)決定于電機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù).電動(dòng)勢(shì)常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)有著如下重要關(guān)系式

1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī):勵(lì)磁電流由另外的獨(dú)立直流電源供給.2.自勵(lì)直流發(fā)電機(jī):用自已發(fā)出的電給自已的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁.

GIaUEa⌒⌒IfUfG他勵(lì)GUIaIfI⌒⌒并勵(lì)GGUIf⌒⌒⌒串勵(lì)1.6直流發(fā)電機(jī)1直流發(fā)電機(jī)的分類(lèi)串勵(lì)式電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流1.電壓平衡方程式:1.6直流發(fā)電機(jī)2基本方程式電樞電壓,電動(dòng)勢(shì)，電樞回路總電阻。

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式:拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩，空載轉(zhuǎn)矩。

3.功率平衡方程式:1.6直流發(fā)電機(jī)2基本方程式原動(dòng)機(jī)從軸上送入直流發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率為機(jī)械摩擦損耗為空載損耗功率為鐵損耗

為附加損耗，常按額定功率的0.5%-1%計(jì)算為電磁功率1.6直流發(fā)電機(jī)鐵損耗:電機(jī)旋轉(zhuǎn)后，電樞鐵心反復(fù)磁化產(chǎn)生的損耗包括渦流損耗：變化磁通在鐵心感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生渦流引起的損耗；磁滯損耗：鐵心反復(fù)磁化過(guò)程中，磁畸摩擦消耗的能量；2基本方程式1.6直流發(fā)電機(jī)2基本方程式電磁功率多數(shù)轉(zhuǎn)為電功率電磁功率是轉(zhuǎn)換出的總電功率，與輸出功率還差一個(gè)電樞回路的電阻銅損耗，銅耗是可變損耗1.6直流發(fā)電機(jī)銅損耗:電流在繞組電阻上產(chǎn)生的損耗包括電樞繞組損耗；與電樞繞組串聯(lián)的串勵(lì)繞組、換向繞組及補(bǔ)償繞組的銅耗；電刷換向器的接觸電阻產(chǎn)生損耗；2基本方程式1.6直流發(fā)電機(jī)2基本方程式總結(jié)：

P2=UIa

P1

PM=

EaIapm+pFe+pspCu=I2aRa圖1.16直流發(fā)電機(jī)功率流程圖1.空載特性：1.6直流發(fā)電機(jī)3他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)特性研究條件：保持轉(zhuǎn)速n不變且等于額定轉(zhuǎn)速nN。因，和為常數(shù)，所以和成正比IfUNIfNc發(fā)電機(jī)的額定電壓工作點(diǎn)一般選在開(kāi)始飽和的彎曲處C點(diǎn)，當(dāng)If=0時(shí)，U≠0，這是剩磁所致稱為剩磁電壓Us=2%-4%UN2.外特性：1.6直流發(fā)電機(jī)3他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)特性調(diào)勵(lì)磁If和負(fù)載Ia,使U=UN，電機(jī)工作在額定狀態(tài),調(diào)Ia測(cè)U得外特性U=f(Ia)曲線IaUNIN0U0一條略微向下傾斜的曲線2.外特性：1.6直流發(fā)電機(jī)3他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)特性IaUNIN0U0國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：用發(fā)電機(jī)由額定狀態(tài)過(guò)渡到空載時(shí)的電壓升高對(duì)額定電壓的比率表示電壓變化率他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率約為5%~10%，近似常數(shù)。一臺(tái)直流電機(jī)，在滿足一定條件下它可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。稱為可逆性原理。

1.7直流電動(dòng)機(jī)1直流電機(jī)的可逆原理T1【【⊙⊙eiIaEaNSnTT0假設(shè)一臺(tái)發(fā)電機(jī)向直流電網(wǎng)供電，電網(wǎng)電壓U恒定不變。1.7直流電動(dòng)機(jī)1直流電機(jī)的可逆原理T1【【⊙⊙eiIaEaNSnTT0發(fā)電機(jī)中電流與電勢(shì)方向一致，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為順時(shí)針?lè)较?。與原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1方向相反。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),電流順電動(dòng)勢(shì)方向流向電網(wǎng)能量關(guān)系：T1ΩEaIaUia

機(jī)械功率電功率輸出電功率1.7直流電動(dòng)機(jī)1直流電機(jī)的可逆原理撤掉原動(dòng)機(jī)后【【NSEaIaTnT0Tm⊙⊕eiUU>EaIa變向T變逆時(shí)針電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)能量關(guān)系IaUEaIaT2Ω

電機(jī)從電網(wǎng)電磁功率輸出機(jī)械功率吸收電功率1.電壓平衡方程式:1.7直流電動(dòng)機(jī)2基本方程式電樞電壓,反電動(dòng)勢(shì)，電樞回路總電阻。

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式:電磁轉(zhuǎn)矩,拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

為電磁功率，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換出來(lái)的總機(jī)械功率3.功率平衡方程式:1.7直流電動(dòng)機(jī)2基本方程式電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電功率

為機(jī)械摩擦損耗為電樞繞組銅損其中

為附加損耗，常按額定功率的0.5%-1%計(jì)算為鐵損耗1.6直流發(fā)電機(jī)2基本方程式總結(jié)：圖1.17直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖PM=EaIa=TΩP1=UIaP2=T2ΩP0=pm+pFe+psPcu=I2aRaPf(勵(lì)磁功率)1.轉(zhuǎn)速特性：1.7直流電動(dòng)機(jī)3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性研究目的：為正確使用電動(dòng)機(jī)。電樞回路無(wú)外串電阻因nn0Ia0IaNη、T2.轉(zhuǎn)矩特性：1.7直流電動(dòng)機(jī)電樞回路無(wú)外串電阻nn0Ia0IaNη、T轉(zhuǎn)矩特性為通過(guò)原點(diǎn)的直線3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性3.效率特性：1.7直流電動(dòng)機(jī)電樞回路無(wú)外串電阻nn0Ia0IaNη、T當(dāng)電動(dòng)機(jī)中不變損耗等于可變損耗時(shí)，效率最高。且通常出現(xiàn)在Ia=75%~100%區(qū)域內(nèi)3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性4.機(jī)械特性：1.7直流電動(dòng)機(jī)nn0TTaΔnN03他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性4.機(jī)械特性：1.7直流電動(dòng)機(jī)nn0TTaΔnN0機(jī)械特性上的兩個(gè)特殊點(diǎn):(1)理想空載點(diǎn)T=0,n=n0;(2)額定工作點(diǎn)T=TN,n=nN.

電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)速降為與轉(zhuǎn)速特性一樣，約占的3%~8%3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組中一些元件從一條支路經(jīng)過(guò)電刷進(jìn)入另一條支路，在這一過(guò)程中，元件電流改變方向，這一過(guò)程稱為換向。換向的過(guò)程正是元件被電刷短路的過(guò)程，元件短路過(guò)程結(jié)束就是換向結(jié)束，這時(shí)元件完全進(jìn)入另一條支路。1.8直流電機(jī)的換向1.8直流電機(jī)的換向1換向過(guò)程122iaiaiava

1232ia11612階段一：電刷與1號(hào)換向片完全接觸,元件1和元件2屬右面支路,電流為+ia.1.8直流電機(jī)的換向1換向過(guò)程iava

1232ia12ia1621212ia1