第2章 直流電機(jī)-1

第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)2.1直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)2.2直流電機(jī)的名牌數(shù)據(jù)2.3直流電機(jī)的繞組2.4直流電機(jī)的勵磁方式及磁場2.6感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算2.7直流電機(jī)的運(yùn)行原理2.8直流電機(jī)的換向§2-1直流電機(jī)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)一、直流電動機(jī)的基本工作原理（一）直流電動機(jī)的工作原理載流導(dǎo)體在磁場中受到的力B

—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)i

—導(dǎo)體中的電流(A)l

—導(dǎo)體的有效長度(m)磁極電刷換向器電樞電樞鐵心電樞線圈電磁力定律（一）直流電動機(jī)的工作原理(二)直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理運(yùn)動導(dǎo)體在磁場中的感應(yīng)電動勢：B

—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)V—導(dǎo)體垂直切割磁力線的速度(m/s)l

—導(dǎo)體的有效長度(m)(三)電機(jī)的可逆運(yùn)行原理

從上述基本電磁情況來看，一臺直流電機(jī)原則上，既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子——電樞：轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、繞組、換向器、風(fēng)扇定子：機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承、電刷（一）直流電機(jī)的靜止部分1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—勵磁繞組3—機(jī)座1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機(jī)座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。4、電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮（二）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分1、電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心2、電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。2、電樞繞組1—槽楔2—線圈絕緣3—導(dǎo)體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片第二節(jié)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定值有：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、額定勵磁電壓UfN(V)6、勵磁方式和勵磁電流IfN(A)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)制造廠給每臺電機(jī)規(guī)定的主要性能指標(biāo)。額定條件下電機(jī)所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機(jī)指軸上輸出的機(jī)械功率電動機(jī)發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時對應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流指直流電機(jī)的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式

此外，電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機(jī)運(yùn)行時，所有物理量與額定值相同——電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流——欠載運(yùn)行；運(yùn)行電流大于額定電流——過載運(yùn)行。長期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長期過載運(yùn)行會縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分，在電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。因此，電樞繞組須滿足以下要求：（1）在能通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動勢前提下，盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料，（2）并且要結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等。

第三節(jié)直流電機(jī)的繞組第三節(jié)直流電機(jī)的繞組位于對稱位置的電刷將閉合的6個線圈分成兩個并聯(lián)支路。電刷將環(huán)形閉合電樞繞組分成兩條對稱的并聯(lián)支路。兩個電刷位于換向器內(nèi)圓對稱位置(實(shí)際放置在外圓上)。一、簡單的繞組二、繞組的基本形式直流電機(jī)電樞繞組的基本形式：（1）單疊繞組（2）單波繞組波繞組元件疊繞組元件波繞組示意圖疊繞組示意圖1.電樞繞組元件——線圈(1).2個元件邊：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分(3).上層元件邊、下層元件邊(4).首(出線)端、末(出線)端上層元件邊、下層元件邊處在不同極性的磁極下，即同一元件的上層元件邊、下層元件邊的距離約為一個磁極的距離。(一)、元件與節(jié)距*.本課程只討論：一個槽內(nèi)共放置2個元件邊*.元件數(shù)S=換向片數(shù)K，即S=K*.換向片數(shù)K=槽數(shù)Z*.S=K=Z1片換向片總接1個元件的上層元件邊和另1個元件的下層元件邊。1個元件有2個元件邊。1個槽放2個元件邊。2.節(jié)距：用來表征元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)節(jié)距第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yk第一節(jié)距y1——必須是整數(shù)（節(jié)距）用槽數(shù)來表示同一元件的2個元件邊在圓周上的距離。

極距τ：2個相鄰磁極在圓周上的距離。用槽數(shù)來表示

p為極對數(shù)第一節(jié)距y1=整數(shù)≈τy1=τ±ε=整數(shù)，ε為＜1的正分?jǐn)?shù)整距繞組：y1=τ短距繞組：y1＜τ長距繞組：y1＞τ(2)第二節(jié)距y2——必須是整數(shù)用槽數(shù)來表示第一個元件的下層元件邊與直接相連的第二個元件的上層元件邊之間在圓周上的距離。(3)合成節(jié)距y——必須是整數(shù)用槽數(shù)來表示直接相連的2個元件的對應(yīng)元件邊之間在圓周上的距離。(4)換向節(jié)距yk——必須是整數(shù)每個元件的首、末2端所接的換向片在圓周上的距離。用換向片數(shù)來表示。y=y1-y2y=y1+y2y=yk二、單疊繞組

疊繞組：后1元件的端接部分緊疊在前1元件的端接部分上;yk=1的疊繞組稱為單疊繞組。例：Z=S=K=16，2p=4，接成單疊繞組1.計(jì)算節(jié)距yk=y=1y1=4y2=32.畫繞組展開圖(1).畫Z個槽yk=y=1y1=4y2=3(2).畫一個元件：對稱(3).畫換向片(4).畫其他元件(5).換向片編號(6).畫磁極，一般認(rèn)為在繞組的上方,寬度≈0.75τ(7).畫電刷：均布，與磁極同中心1、單疊繞組的展開圖2.單疊繞組連接順序表yk=y=1y1=4y2=3下層上層3.單疊繞組的并聯(lián)支路圖NNN4.單疊繞組的特點(diǎn)(1).同一磁極下各元件串聯(lián)成1支路；共2p條支路，并聯(lián)2a=2pa并聯(lián)支路對數(shù)p極對數(shù)(3).當(dāng)元件左右對稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對準(zhǔn)磁極的中心線時，正負(fù)電刷間的感應(yīng)電動勢最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動勢最小。(2).電刷的對數(shù)必須=極對數(shù)；電刷刷桿數(shù)=極數(shù)

2b=2pb電刷對數(shù)三、單波繞組單波繞組：合成節(jié)距(換向節(jié)距)≈2個極距、前后2元件串聯(lián)起來像波浪形。單波繞組的條件：pyk=K±1例：Z=S=K=15，2p=4，接成單波繞組1.計(jì)算節(jié)距2.畫繞組展開圖(1).畫Z個槽(2).畫一個元件(3).畫換向片(4).畫其他元件(5).換向片編號(6).畫磁極(7).畫電刷3、單波繞組的展開圖3.單波繞組連接順序表4.單波繞組的并聯(lián)支路圖5.單波繞組的特點(diǎn)(1).上層邊在同一極性磁極下所有元件串聯(lián)成1支路；共2條支路，并聯(lián)

a=1(2).當(dāng)元件左右對稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對準(zhǔn)磁極的中心線時，正負(fù)電刷間的感應(yīng)電動勢最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動勢最小。(3).電刷的對數(shù)=1；電刷刷桿數(shù)=2；可采用全額電刷，即用P對電刷電樞電流Ia=2aia其中ia為每條支路的電流，共2a條支路單疊繞組和單波繞組的區(qū)別：并聯(lián)支路對數(shù)的多少**單疊繞組：低電壓、大電流**單波繞組：高電壓、小電流直流電機(jī)的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等?！?-4直流電機(jī)的勵磁方式及磁場直流電機(jī)的勵磁方式他勵直流電機(jī)并勵直流電機(jī)串勵直流電機(jī)復(fù)勵直流電機(jī)1.他勵直流電機(jī)勵磁繞組由其他電源提供與電樞繞組沒有電的聯(lián)系永磁直流電機(jī)屬他勵電機(jī)永磁直流由永磁體產(chǎn)生磁場If只有額定電流的5%以內(nèi)2.并勵直流電機(jī)勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)勵磁電壓=電樞端電壓If只有額定電流的5%以內(nèi)3.串勵直流電機(jī)勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)勵磁電流=電樞電流4.復(fù)勵直流電機(jī)有2個勵磁繞組1個與電樞繞組并聯(lián)

——并勵繞組1個與電樞繞組串聯(lián)

——串勵繞組積復(fù)勵差復(fù)勵二.直流電機(jī)的空載磁場空載磁場——主磁場主磁極勵磁磁動勢單獨(dú)產(chǎn)生的勵磁磁場（只有勵磁繞組通過電流產(chǎn)生的氣隙磁場）空載運(yùn)行直流電機(jī)不帶負(fù)載(不輸出功率)時的運(yùn)行狀態(tài)空載電流相對額定電流而言，很小、常認(rèn)為=01.直流電機(jī)空載時磁通的分布和主磁路磁通：由勵磁繞組通電產(chǎn)生**主磁通Φ0－－與電樞繞組鉸鏈的磁通;**主磁路－－主磁極、氣隙、電樞齒、電樞磁軛、定子軛**漏磁通Φσ

－－只與勵磁繞組匝鏈的磁通；Φσ/2Φσ/22.空載磁場氣隙磁密分布曲線氣隙δ極距τ=πD/(2p)磁極極靴的寬度≈75%τ氣隙磁密平均氣隙磁密空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。（b）氣隙磁密分布3.直流電機(jī)的空載磁化特性Φ0=f（If0）Φ0=f（Ff0）飽和：**磁阻非線性**磁阻變大**電機(jī)工作點(diǎn)選在磁路開始飽和的A點(diǎn)F=NfIf0=HLΦ=BAB-HIleΦ0e二.電流電機(jī)的電樞反應(yīng)及負(fù)載磁場1.直流電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時，電樞繞組通有負(fù)載電流，由此產(chǎn)生電樞磁動勢Fa，F(xiàn)a與勵磁磁動勢Ff共同合成負(fù)載時的氣隙磁密，它與空載氣隙磁密分布不同。電樞磁動勢對氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。2、直流電機(jī)負(fù)載時的負(fù)載磁場直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場發(fā)生變化。右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場分布情況。假設(shè)勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。Fa先分析只有1個整距元件Ny匝，電流ia，磁動勢為iaNy設(shè)從電樞出、進(jìn)定子的磁動勢為+可得1個繞組元件的磁動勢如圖iaNy3個元件——3階梯波形很多個元件三角波形iaNyF主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)勵磁繞組中有勵磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結(jié)果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負(fù)載后電機(jī)的磁場分布情況，如圖（a）所示。4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變

空載時電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強(qiáng)，一半被削弱，