直流電機(jī)基本知識(shí)

電機(jī)一、機(jī)車驅(qū)動(dòng)原理:由牽引電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過電機(jī)齒輪帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。二、牽引電動(dòng)機(jī)通常是指用來驅(qū)動(dòng)機(jī)車車輛的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行性能直接影響著機(jī)車車輛的牽引性能。牽引電機(jī)分類;直流、脈流、單向整流子、交流異步、交流同步、直線異步與同步電機(jī)等。機(jī)車廣泛采用直流牽引電動(dòng)機(jī)，具有優(yōu)良的牽引和制動(dòng)性能，通過調(diào)節(jié)端電壓和勵(lì)磁電流，就可方便地進(jìn)行調(diào)速，但是在高電壓大功率時(shí)電位條件惡化，換向變得困難，工作可靠性降低，維修麻煩。隨著大功率晶閘管的研發(fā)成功，解決了交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題，交流電動(dòng)機(jī)沒有換向器，消除了直流電動(dòng)機(jī)換向引起的一系列問題，具有體積小轉(zhuǎn)速高，重量輕，維修方便的特點(diǎn)。牽引電機(jī)安裝在車底轉(zhuǎn)向架上，通過傳動(dòng)裝置與輪對相連，機(jī)車在牽引狀態(tài)時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過輪對與鋼軌產(chǎn)生牽引力，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)車進(jìn)行電制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，通過鋼軌產(chǎn)生制動(dòng)力。第一章直流電機(jī)的基本知識(shí)

直流電機(jī)是電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)之一。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電機(jī)稱為直流發(fā)電機(jī)，將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能，調(diào)速性能，被廣泛地用于鐵路機(jī)車、無軌電車、地鐵輕軌電車組中。如:地鐵門控制系統(tǒng)、刮雨器控制系統(tǒng)第一節(jié)電機(jī)基礎(chǔ)一、電機(jī)的基本功能與分類電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換和信號轉(zhuǎn)換的電磁裝置。控制電機(jī)用來實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于能量轉(zhuǎn)換。一般用于城軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)與直線電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)按工作電源分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)可分為單相和三相交流電動(dòng)機(jī)；按機(jī)構(gòu)原理可分為異步電機(jī)和同步電機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)可分為感應(yīng)和交流換向器電動(dòng)機(jī)；按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分為籠型感應(yīng)和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。直線電機(jī)也有同步與異步之分。二、電機(jī)的原理是通過電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的，電和磁是構(gòu)成電機(jī)的兩大要素。電機(jī)中由導(dǎo)體、線圈、繞組構(gòu)成的電路，可以是直流電路也可以是單相、兩相或三相交流電路。電機(jī)內(nèi)部件固定不動(dòng)的部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子，二者之間必須有氣隙才能工作。三、基本定律1.全電流定律:解釋為進(jìn)入某個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流與流出節(jié)點(diǎn)的電流相等。2.電磁感應(yīng)定律:變化的電場(電流)產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場(電流)。3.電磁力定律:通電導(dǎo)體在磁場中要受到力的作用。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，作用在轉(zhuǎn)子通電導(dǎo)體上的電磁力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生力矩-電磁力矩，產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換。第二節(jié)直流電機(jī)基工作原理什么是直流電機(jī)？定義：將直流電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它可用作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。什么是直流電機(jī)？直流電機(jī)的用途1.作電源用——直流發(fā)電機(jī)2.作動(dòng)力用——直流電動(dòng)機(jī)

3.信號的傳遞作為測量元件——直流測速發(fā)電機(jī)作為執(zhí)行元件——直流伺服電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：直流發(fā)電機(jī)的電勢波形較好，電磁干擾較小。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。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。缺點(diǎn)：由于存在換向器，其制造、維護(hù)復(fù)雜，價(jià)格較高。主要內(nèi)容1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值2直流電機(jī)的電樞繞組3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)4電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩5直流電機(jī)換向U+–NS轉(zhuǎn)動(dòng)：繞組線圈、換向器；靜止：主磁極、電刷電樞1.1直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)右手定則的內(nèi)容是：伸開右手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則其余四指指向感應(yīng)電流的方向。1.2直流電機(jī)的工作原理（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理右手定則A+B-A+B-（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理右手定則注意：電刷與負(fù)載連接固定不動(dòng)，電刷壓在換向片上。換向器和線圈連接并轉(zhuǎn)動(dòng)，無論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是上半邊A的電流向外，下半邊B的電流向里。（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理

通過電刷和換向器將交流變成直流，其作用相當(dāng)于單相全波整流器。（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理增加導(dǎo)體數(shù)可減少感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。當(dāng)每極下導(dǎo)體數(shù)大于8時(shí)，脈動(dòng)可小于1%。

（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理提問哪些部件轉(zhuǎn)動(dòng)、哪些部件不動(dòng)？繞組線圈電流性質(zhì)、電刷端電流的性能？實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)要在物理模型上作哪些改動(dòng)？轉(zhuǎn)動(dòng)：繞組線圈、換向器；靜止：主磁極、電刷繞組線圈：交流；電刷端：直流增加鐵心、繞組線圈數(shù)、軸承、端蓋等1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理左手定則n逆時(shí)針轉(zhuǎn)向n逆時(shí)針轉(zhuǎn)向左手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，四指指向電流方向，則大拇指的方向就是導(dǎo)體受力的方向（二）直流電動(dòng)機(jī)工作原理電動(dòng)機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵：要使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，即當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下時(shí)受到的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變。換向器配合電刷可保證每個(gè)極下線圈邊中電流始終是一個(gè)方向，即電樞受到的電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終不變。這就可以使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。（三）直流電機(jī)的可逆性對于一匝線圈，電功率，機(jī)械功率。即電勢所形成的電功率等于電磁力所產(chǎn)生的機(jī)械功率。在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)中，不論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，這兩種功率是等量存在的，這兩種能量形式是可逆的。電功率機(jī)械功率

一臺(tái)電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是直流電機(jī)的可逆原理。（三）直流電機(jī)的可逆性一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只是其輸入輸出的條件不同而已。如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，將機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，而電刷上不加直流電壓，則從電刷端可以引出直流電動(dòng)勢作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)；如在電刷上加直流電壓，將電能輸入電樞，則從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)。這種同一臺(tái)電機(jī)，既能作發(fā)電機(jī)又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)學(xué)理論中稱為電機(jī)的可逆原理。1.3直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)風(fēng)葉磁極電刷電樞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸換向器換向片壓緊環(huán)電樞繞組繞組端部分解圖換向器1.3直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向極機(jī)座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場、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，而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

定子（固定部分）轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）1.3直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（一）定子各部件安裝結(jié)構(gòu)極數(shù)：主磁極的個(gè)數(shù)，等于2p二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（一）定子各部件安裝結(jié)構(gòu)（1）主磁極

構(gòu)成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組。作用：建立主磁場。二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（一）定子各部件安裝結(jié)構(gòu)（2）換向極

構(gòu)成：換向極常用整塊鋼或厚鋼板制成。換向極的數(shù)目一般與主磁極相等。在小功率直流電機(jī)中，換向極數(shù)量通常只有主磁極的一半，或不設(shè)置換向極作用：用于改善換向二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（一）定子各部件安裝結(jié)構(gòu)（3）機(jī)座構(gòu)成：用厚鋼板彎成筒形焊成或鑄鋼件制成。作用：1、主磁路的一部分；2、電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（一）定子各部件安裝結(jié)構(gòu)（4）電刷裝置作用：電樞電路的引出（或引入）裝置。構(gòu)成：電刷、刷盒、刷桿和連線等。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)極對數(shù)二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（一）定子各部件安裝結(jié)構(gòu)（4）電刷裝置二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（二）轉(zhuǎn)子各部件安裝結(jié)構(gòu)二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（二）轉(zhuǎn)子各部件安裝結(jié)構(gòu)（1）電樞鐵心作用：1、主磁路的一部分；2、電樞繞組的支撐部件。

構(gòu)成：一般用厚0.5㎜且沖有齒、槽的DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（二）轉(zhuǎn)子各部件安裝結(jié)構(gòu)（1）電樞鐵心二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（二）轉(zhuǎn)子各部件安裝結(jié)構(gòu)（2）電樞繞組作用：直流電機(jī)的電路部分。

構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，上下層以及線圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（二）轉(zhuǎn)子各部件安裝結(jié)構(gòu)（3）換向器

作用：整流（發(fā)電機(jī)）或逆變（電動(dòng)機(jī)）。構(gòu)成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個(gè)圓筒片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個(gè)形環(huán)夾緊而構(gòu)成。二、直流電機(jī)主要結(jié)構(gòu)15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值（二）轉(zhuǎn)子各部件安裝結(jié)構(gòu)（3）換向器三、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值直流電機(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)本身供給勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。直流電機(jī)按勵(lì)磁方式可分：他勵(lì)自勵(lì)三、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。直流電機(jī)按勵(lì)磁方式可分：他勵(lì)自勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)三、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。I=Ia+If

，Ia=If'

I=Ia=IfI=Ia+IfI=Ia，If與Ia無關(guān)

復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)四、直流電機(jī)的額定值15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值額定功率：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。若大于1kW或1MW時(shí),則用kW或MW表示。額定電壓：

指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以“V”為量綱單位。額定電流：

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：

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：

指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。四、直流電機(jī)的額定值15.1直流電機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、額定值

對于直流發(fā)電機(jī)，是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。

對于直流電動(dòng)機(jī)，是指輸出的機(jī)械功率，所以公式中還應(yīng)有效率存在。

（五）直流電機(jī)的可逆性一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只是其輸入輸出的條件不同而已。如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，將機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，而電刷上不加直流電壓，則從電刷端可以引出直流電動(dòng)勢作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)；如在電刷上加直流電壓，將電能輸入電樞，則從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)。這種同一臺(tái)電機(jī)，既能作發(fā)電機(jī)又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)學(xué)理論中稱為電機(jī)的可逆原理。直流電機(jī)的磁場和換向直流電機(jī)的磁場

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)除了主磁極外，若電樞繞組中有電流流過，還將產(chǎn)生電樞磁場。這兩個(gè)磁場在氣隙中相互影響，相互疊加，合成了氣隙磁場。它將直接影響電機(jī)的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的空載磁場直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

直流電機(jī)的換向換向是指電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組元件從一條支路，經(jīng)過電刷短路，進(jìn)入另一條支路，其電流方向改變的過程。換向的外觀表現(xiàn)是在電刷和換向器間常出現(xiàn)火花。若火花在電刷下的范圍很小，亮度很弱，呈現(xiàn)蘭色，對電機(jī)并無危害。若電刷下火花范圍較大、比較強(qiáng)烈，對電機(jī)會(huì)有危害。改善換向的方法安裝換向極正確選用電刷

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定義：

直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。

一.換向的電磁現(xiàn)象下圖是某一單疊繞組1號元件的換向過程，設(shè)圖中電刷寬度與換向片寬度相等，電樞以υa的速度從右向左旋轉(zhuǎn)。

1、換向之前：如圖（a）所示，電刷與換向片1接觸，1號元件中的電流ia從下層邊流向上層邊，設(shè)為+ia，元件處于右支路。

2、換向之中：如圖（b）所示，電刷與換向片1、2同時(shí)接觸，1號元件被短接，元件中的電流正從+ia向-ia變化。

3、換向之后：如圖（c）所示，電刷與換向片2接觸，1號元件中的電流ia從上層邊流向下層邊，電流為-ia，元件處于左支路。

4、電樞上的每個(gè)元件在經(jīng)過電刷時(shí)都要換向，元件的換向時(shí)間稱為換向周期，記作：Tk。說明實(shí)際電機(jī)換向時(shí)，換向元件中Σe≠0。換向元件中存在以下電動(dòng)勢：（1）自感電動(dòng)勢eL換向元件中電流變時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢（2）互感電動(dòng)勢eM同時(shí)換向的幾個(gè)元件中相互產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢，通常把自感電動(dòng)勢eL與互感電動(dòng)勢eM之和稱為電抗電動(dòng)勢eX，即：。電抗電動(dòng)勢總是阻礙換向元件中的電流變化的，eX方向應(yīng)與換向前元件的電流方向一致。1.換向元件的電抗電動(dòng)勢1、直線換向當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間線性變化。當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間不再是線性變化，出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象。2、延遲換向當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間不再是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。3、超前換向換向元件中的電流變化

二、改善換向的方法由于換向元件中的Σe=ea+ex≠0，則在被電刷短接的閉合回路中就有環(huán)流產(chǎn)生，設(shè)閉合回路的總電阻為ΣR，環(huán)流為：環(huán)流的存在使換向元件在換向過程中電流不隨時(shí)間直線變化，電流的變化比直線換向慢，如圖曲線2所示，這種換向稱為延遲換向。延遲換向使電刷電流密度不均勻，電刷后部電流密度比前部大，因此在電刷后部出現(xiàn)火花。方法

1、為了改善換向，應(yīng)使ik=0，想辦法產(chǎn)生ek，使ek大小等于ea+er，方向與ea+er的方向相反，則Σe=0。如果ek作用大于ea+er，則電流變化如圖曲線3所示，這種換向稱為超前換向，超前換向使電刷前部出現(xiàn)火花。

2、改善換