第5章 直流電機的基本原理和電磁關(guān)系

直流電機

DCMachines結(jié)構(gòu)基本原理電磁關(guān)系直流電機的用途

一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)風扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋直流電機的物理模型圖

上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

1.1定子轉(zhuǎn)子

（固定部分）（轉(zhuǎn)動部分）主磁極換向極機座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場、電機的機械支撐

電樞鐵心電樞繞組換向器軸風扇感應電勢，而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

1.2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,將轉(zhuǎn)動的電樞與外電路相連,與換向器配合作用而獲得直流電壓.

電刷組數(shù)一般等于電機極對數(shù)

復勵式(圖)：裝有兩個勵磁繞組，一為與電1、他勵式

其勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。2、自勵式發(fā)電機：利用自身發(fā)出的電流勵磁；

電動機：勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。并勵式：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；串勵式(圖)：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；樞并聯(lián)的并勵繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。1.3直流電機的勵磁方式+-串勵式+-復勵式二、直流電機電樞繞組作用：電樞繞組——功率繞組。當電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)時將感應電勢，當電樞繞組中流通電流時，電流和氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組直流電機進行電功率和機械功率的轉(zhuǎn)換。特點：直流繞組是閉合繞組。每個元件的兩端點分別連接在兩換向片上，每個換向片連接兩個元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。2.1雙層繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場而產(chǎn)生感應電勢。兩邊電勢相加：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極距。線圈對稱排列：當一線圈的一個邊在某槽中占有上層位置時，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中、每層可能有N個并列圈邊 為了改善電機的性能，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個圈邊實槽虛槽每一元件有兩個圈邊，每一換向片上接有兩個圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個圈邊，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)，兩個圈邊之間的距離第二節(jié)距y2

聯(lián)至同一換向片的兩個圈邊之間的距離合成節(jié)距y

緊相串聯(lián)的兩個元件的對應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單疊繞組每個元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個繞組元件相對前一個繞組元件僅移過一個槽。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電勢為0為獲得對稱的繞組，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=2p

N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元件被電刷短路，處于換向狀態(tài)中在整個閉合回路中，感應電勢總和為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“極”電刷之間的引出電勢為每一支路個元件的電勢和電刷放置法使電刷間導出的電勢有最大值使與電勢為零的元件所連接的換向片相連接

當導體轉(zhuǎn)至交軸時，感應電勢為零，電刷應與處于交軸位置的導體相連如導體對稱，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)點和終端不在相鄰的兩換向片上，而相隔近似為一個極距相鄰兩元件相隔近似一對極距連接p個元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個槽例：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：應與電勢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

電刷間電勢較大，電樞電流較下，稱串聯(lián)繞組。NNSS疊繞波繞三、直流電機的簡單工作原理旋轉(zhuǎn)電樞式的直流電機電樞旋轉(zhuǎn)、磁極固定，帶有換向器磁極——定子電樞線圈——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)換向片靜止電刷通過換向片，電刷1總與位于N極下的導體相連，極性為正；電刷2與位于S極下的導體相連，極性為負四、空載時直流電機的磁場由磁極的直流勵磁電流產(chǎn)生，空氣隙磁場不隨時間變化，是恒定磁場；空間上，忽略極面下的齒槽效應，沿極面均勻分布。邊緣磁通空間上，非正弦分布，在導體中感應電勢將包括有高次諧波。主磁通與磁極漏磁通主磁通：產(chǎn)生感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩的有效磁通，通過空氣隙，同時交鏈電樞繞組和勵磁繞組。磁極漏磁通：從磁極的側(cè)面逸出，只和勵磁繞組交鏈。磁極磁通：包括主磁通和漏磁通，k=+電樞磁通：主磁通的一半定子磁軛磁通：磁極磁通的一半換向極主磁極磁軛五、負載時電樞電流產(chǎn)生的磁勢電樞磁勢的存在使空氣隙磁勢的分布情況改變，從而使空氣隙磁場分布情況改變。

對于一定的電樞電流，空氣隙磁場仍然是一恒定磁場，即不隨時間變化由于靜止的電刷和運動的換向器的共同作用，電刷間連接的導體時刻在變化，但電刷間導體電流產(chǎn)生的磁勢不變。電樞磁勢和主磁極的相對位置一定。同步電機的電樞磁勢和主磁極也相對靜止，但其相對位置隨負載功率因數(shù)而變化5.1直流電機電樞繞組磁勢波形

直流電機的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)

Cf.交流電機的電樞磁勢是幅值隨時間按正弦規(guī)律脈動的空間分布波

如沿電樞分布的線圈無限增多，則級形波將趨近于三角形波

5.2電刷位置對電樞磁勢的影響電樞磁勢幅值的位置恰在導體中的電流改變方向處，亦即在導體通過電刷處。如電刷和位于交軸的導體相接觸，則電樞磁勢的軸線也在交軸；如電刷移動，則電樞磁勢的軸線也就跟著移動。直流電機的電樞磁勢軸線水遠位于導體中的電流改變方向處（電刷位置），且在空間是靜止不動的。5.3任意點電樞磁勢的計算條件：設(shè)電樞繞組的導體數(shù)為W，極數(shù)為2p，則一個極距內(nèi)的導體數(shù)為W／2p。電刷電流為Ia，并聯(lián)支路數(shù)為2a，則流過每一導體的電流為Ia／2a

線負載A：沿著電樞圓周每單位長度內(nèi)的電流安培數(shù)交軸直軸電樞磁勢位置取決于電刷位置，電刷位于交軸，電樞磁勢軸線也在交軸，為（交軸）電樞反應。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，呈去磁作用六、負載時的氣隙磁勢和磁場交軸直軸（交軸）電樞反應對氣隙磁場的影響：使氣隙磁場發(fā)生畸變使物理中心線偏移幾何中心線一個角度（對發(fā)電機：順著旋轉(zhuǎn)方向）磁路未飽和時，每極磁通不變?nèi)缈紤]磁路飽和的影響，則交軸電樞反應有去磁作用直軸電樞反應如電刷順著發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)方向或逆著電動機的旋轉(zhuǎn)方向移過一個角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢的軸線也隨著電刷移動。

在角度2β范圍內(nèi)的導體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，稱為直軸電樞反應，其方向與主磁極極性相反，使主磁通減弱，呈現(xiàn)去磁作用。將使電樞電勢減??；在角度2β范圍以外的導體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應。

在角度2β范圍內(nèi)的導體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，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范圍以外的導體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應。削弱電樞反應負作用的措施

由于電樞反應使氣隙磁場畸變而形成環(huán)火的可能性較大，須將電樞反應盡可能地予以補償，以防止發(fā)生環(huán)火。在電機中裝置有補償繞組，使其產(chǎn)生的磁勢適能抵消電樞反應電勢；補償繞組的電流分布和電樞繞組各對應點的電流分布大小相等、方向相反；交軸附近的電樞磁勢將由換向極磁勢來補償。補償繞組和換向極繞組應和電樞繞組串聯(lián)。簡單分析設(shè)電樞磁勢的每極安匝數(shù)為Fa則直軸電樞磁勢的幅值為交軸電樞磁勢的幅值為交軸電樞磁勢的去磁作用，用等效直軸去磁安匝Faqd表示，它與磁路的飽和程度有關(guān)，可近似與電樞電流成正比有效的勵磁磁勢為七、電樞繞組的感應電勢電樞繞組的感應電勢——電機正、負電刷之間的電勢，即每一并聯(lián)支路的電勢。位于電刷之間固定位置的各個導體的感應電勢之和假設(shè)電樞導體是連續(xù)均勻分布的，則電勢為恒定的直流電勢

7.1電樞繞組的感應電勢設(shè)電樞總導體數(shù)為W，有2a條并聯(lián)支路，則每一支路中的串聯(lián)導體為W／2a電刷間的感應電勢為每一支路中的串聯(lián)導體的感應電勢之和

直流電機的感應電勢與每極磁通量及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如將每極磁通量保持不變，直流電機的感應電勢將和轉(zhuǎn)速成正比。如將轉(zhuǎn)速保持不變，直流電機的感應電勢將和每極磁通量成正比。電刷間的感應電勢僅和極面下的總磁通量有關(guān)，而和極面下磁通密度的分布情況無關(guān)7.2

直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機ΔU——每一電刷的接觸電壓降電刷接觸電阻隨電流的增大而減小，通常假定為常數(shù)，當用石墨電刷或碳石墨電刷時，取為1V電壓平衡式IaIL

If并勵發(fā)電機功率平衡式電磁功率輸入功率空載損耗負載損耗ra:串接在電樞回路中各種繞組的總電阻，如電樞繞組、串勵繞組和換向極繞組等。附加損耗產(chǎn)生P的原因電樞存在齒槽，使氣隙磁通發(fā)生脈動，在電樞鐵心、主極鐵心和極靴表面中產(chǎn)生脈動損耗電樞反應使磁場畸變產(chǎn)生的額外電樞損耗電樞拉緊螺栓在磁場中旋轉(zhuǎn)引起的鐵耗由換向電流產(chǎn)生的損耗IaIL

If7.3

直流電動機的平衡方程式

IIa