第3章 直流電機(jī)原理

第三章直流電機(jī)原理陳小要內(nèi)容3.1直流電機(jī)的用途及基本工作原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與額定值、型號(hào)和勵(lì)磁方式3.3直流電機(jī)電樞繞組3.4直流電機(jī)的磁路與電樞反應(yīng)3.5電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩和平衡關(guān)系3.6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性3.7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性3.8直流電機(jī)的換向與改善方法直流電機(jī)概述直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一。一臺(tái)直流電機(jī)要既可作為發(fā)電機(jī)使用，也可作為電動(dòng)機(jī)使用。用作發(fā)電機(jī)可以獲得直流電源，用作電動(dòng)機(jī)，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，得到廣泛使用。直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，受電磁干擾的影響小。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。由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價(jià)格較高。3.1直流電機(jī)直流電機(jī)的用途及基本工作原理一、直流電機(jī)的用途作電源用:發(fā)電機(jī)作動(dòng)力用:電動(dòng)機(jī)信號(hào)的傳遞:測(cè)速發(fā)電機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)做勵(lì)磁機(jī)用：一般小于10萬kW即100MW的單機(jī)同步發(fā)電機(jī)要用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)工作原理：建立主極磁場(chǎng)→外加直流電壓→在線圈中產(chǎn)生電流→載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到力的作用F=BIL→克服阻力轉(zhuǎn)動(dòng)→對(duì)外輸出機(jī)械能二、直流電機(jī)的基本工作原理轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180電角度：直流電源供電，電流方向不變→旋轉(zhuǎn)180度后電磁力方向反向→平均電磁力矩為零→若要保持電磁力方向不變，則：改變磁極極性或改變電流方向兩種位置電磁力對(duì)比直流電動(dòng)機(jī)原理—換向幾何中心線：磁極的幾何分界線電刷和換向器配合電流換向=電流逆變：導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)經(jīng)過磁極的幾何中心線期間→交換線圈電源極性→交換線圈電流方向→電磁力方向維持不變直流電發(fā)機(jī)工作原理：建立主極磁場(chǎng)→外加機(jī)械轉(zhuǎn)矩→線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)→運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=Blv→帶電負(fù)載→對(duì)外輸出電能換向：線圈旋轉(zhuǎn)方向不變→導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（在不同極下感應(yīng)電勢(shì)方向不同，導(dǎo)體感應(yīng)電勢(shì)交變）→感應(yīng)電勢(shì)換向=整流：經(jīng)過磁極的幾何中心線，交換線圈輸出極性，輸出直流，否則輸出交流線圈電動(dòng)勢(shì)的波形電刷間的電動(dòng)勢(shì)波形脈動(dòng)減小，實(shí)現(xiàn)方法：電樞繞組由多個(gè)線圈串聯(lián)而構(gòu)成的。直流電動(dòng)機(jī)：

建立磁場(chǎng)→產(chǎn)生電磁力的條件載流導(dǎo)體→產(chǎn)生電磁力線圈運(yùn)動(dòng)→對(duì)外輸出機(jī)械功換向器和電刷→換流，產(chǎn)生持續(xù)電磁力直流發(fā)電機(jī)建立磁場(chǎng)→產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)負(fù)載→對(duì)外輸出電能換向器和電刷→整流，產(chǎn)生直流電，方向不變直流電機(jī)原理要求結(jié)構(gòu)組成直流電機(jī)模型3.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及額定值和勵(lì)磁方式風(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)磁繞組端蓋定子與轉(zhuǎn)子之間為氣隙。定子轉(zhuǎn)子NS············NS直流電機(jī)剖面圖極掌/極靴極心勵(lì)磁繞組機(jī)座轉(zhuǎn)子基本構(gòu)造：——

定、轉(zhuǎn)子。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)電樞繞組繞組端部結(jié)構(gòu)細(xì)說換向器直流電機(jī)的電樞電樞鐵心沖片直流電機(jī)換向器結(jié)構(gòu)換向器圖換向器拼裝二、電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)（額定值）為了使電機(jī)安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運(yùn)行性能，電機(jī)廠家根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)每臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值稱為電機(jī)的額定值。直流電機(jī)的額定值有：

1．額定容量（功率）（kW）：PN

2．額定電壓（V）：UN3．額定電流（A）：IN4．額定轉(zhuǎn)速（r／min）：nN5．勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流IfN

（A）

另外：還有額定轉(zhuǎn)矩TN和額定效率ηN注意：額定容量，對(duì)直流發(fā)電機(jī)來說，是指電刷端輸出的電功率，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來說，是指軸上輸出的機(jī)械功率。所以，直流發(fā)電機(jī)：的額定容量為：而直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為P32：國產(chǎn)直流電機(jī)的型號(hào)（略）一、直流電機(jī)的工作原理從一個(gè)簡單的直流發(fā)電機(jī)模型（一個(gè)電樞線圈）開始，根據(jù)可逆原理，該電機(jī)也可作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。實(shí)際直流電機(jī)，是由很多電樞線圈敷設(shè)在電樞鐵心表面上，從而形成電樞繞組，其基本構(gòu)成原則和繞組形式---------單疊和單波繞組。還有復(fù)疊、復(fù)波和混合繞組。3.3直流電樞繞組二、直流電樞繞組的基本特點(diǎn)三、單疊繞組（單波繞組略）201234567891011121314151617181920-+1234567891011121314151617181920NSNSn①畫20個(gè)槽→②放磁極→③畫換向片→④連繞組→⑤定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向→⑥放電刷元件連接次序繞組展開圖和并聯(lián)支路圖從以上分析可以總結(jié)出，單疊繞組具有以下特點(diǎn)：元件的兩個(gè)出線端聯(lián)接于相鄰兩個(gè)換向片上；并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)（2a=2P），整個(gè)電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為零，繞組內(nèi)部無“環(huán)流”；每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù)；正負(fù)電刷之間引出的電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)，電樞電壓等于支路電壓；由正負(fù)電刷引出的電樞電流為各支路電流之和，即Ia=2aia.說明：在元件端接線對(duì)稱的情況下，電刷的實(shí)際位置應(yīng)在磁極中心線下，此時(shí)，正負(fù)電刷間引出的電動(dòng)勢(shì)亦為最大，此時(shí)電刷的位置，習(xí)慣上稱為“電刷放在幾何中性線位置”。P67：3-23.4直流磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。忽略鐵磁材料磁阻時(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。幾何中性線極靴極身氣隙空載時(shí)主磁極磁通分布空載時(shí)，氣隙磁通Φ0與空載磁動(dòng)勢(shì)Ff0或空載勵(lì)磁電流If0的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。如下圖所示。一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，額定磁通ΦN

設(shè)定在圖中A點(diǎn)幾何中心線o空載氣隙磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)負(fù)載時(shí)合成磁場(chǎng)Fad去磁作用Fad磁化作用NSNS繞組展開圖和并聯(lián)支路圖3.5電樞感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓平衡方程和功率方程3.5電樞感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓平衡方程和功率方程例

已知一臺(tái)四極直流電動(dòng)機(jī)額定功率為100kW，額定電壓為330V，額定轉(zhuǎn)速為720r/min，額定效率為0.915，單波繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)為186，額定每極磁通為6.98×10-2Wb，求額定電磁轉(zhuǎn)矩是多少？ee他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率流程并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率流程他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率流程他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程+-P67：3-4，3-5一．他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的特性注意：無論是并勵(lì)還是串勵(lì)發(fā)電機(jī)的都要改為他勵(lì)來測(cè)取，否則無法實(shí)現(xiàn)空載。3.6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性隨著I的增加，為了抵消電樞反應(yīng)的去磁作用需增加If.并勵(lì)：勵(lì)磁繞組兩端與電樞繞組兩端并聯(lián)，勵(lì)磁電流取自發(fā)電機(jī)本身，不需要其他直流電源供電。二、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程及特性1.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)電壓建立的物理過程2.建立電壓的條件3.不能建立電壓的原因和解決辦法4.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性他勵(lì)并勵(lì)5.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性由于并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)負(fù)載電流增大時(shí)電壓下降較多，為維持電壓恒定所需增加的勵(lì)磁電流也就較大，所以調(diào)節(jié)特性上翹程度超過他勵(lì)，

并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性他勵(lì)

并勵(lì)結(jié)論：并勵(lì)不需要?jiǎng)e的勵(lì)磁電流用途更廣一些。三、串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性結(jié)論：串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的端電壓隨負(fù)載變化很大，不適于恒壓系統(tǒng)。實(shí)用價(jià)值小，有時(shí)用于特殊線路中作升壓機(jī)。積復(fù)勵(lì)=并勵(lì)+串勵(lì)①平復(fù)勵(lì)——在額定負(fù)載時(shí)，串勵(lì)補(bǔ)償了因負(fù)載引起的電壓降

∴U0=滿載電壓②過復(fù)勵(lì)——串場(chǎng)太強(qiáng)，使U0＞滿載電壓③欠復(fù)勵(lì)——串場(chǎng)太弱，使U0＜滿載電壓差復(fù)勵(lì)=并勵(lì)—串勵(lì)，即：串勵(lì)起去磁作用，使端電壓隨I增大而急劇下降（少用）。可用于直流電焊機(jī)四、復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性3.7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性一、他（并）勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性一、他（并）勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性由電機(jī)的電路原理圖可得機(jī)械特性的表達(dá)式：稱為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際空載轉(zhuǎn)速（1）固有機(jī)械特性當(dāng)時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性：由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機(jī)械特性是硬特性。當(dāng)T=TN時(shí)，n=nN，此點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)額定工作點(diǎn)，轉(zhuǎn)速差Δn=n0-nN，為額定轉(zhuǎn)速差。當(dāng)n=0時(shí)，即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T=Tst，稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。a.電樞串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點(diǎn)：1）不變，變大；

2）越大，特性越軟。（2）人為機(jī)械特性當(dāng)改變或或得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。故電樞串電阻的人為機(jī)械特性是通過理想空載點(diǎn)的一簇放射性直線。b.降低電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性保持不變，只改變電樞電壓時(shí)的人為特性：特點(diǎn)：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。

因此降低電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性曲線是一組平行于固有機(jī)械特性的直線。c.減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性保持不變，只改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點(diǎn)：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大注：他（并）勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過程中，絕不允許勵(lì)磁回路斷開。3.機(jī)械特性求?。?）固有特性的求取已知，求兩點(diǎn):1）理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行。具體步驟：1）估算2）計(jì)算3）計(jì)算理想空載點(diǎn)：4）計(jì)算額定工作點(diǎn)：（2）人為特性的求取在固有機(jī)械特性方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性所對(duì)應(yīng)的參數(shù)或或變化，重新計(jì)算和，然后得到人為機(jī)械特性方程式。二、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的效率特性，和他（并）勵(lì)電動(dòng)機(jī)相似。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不能空載，否則“飛速”特點(diǎn)：1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大與過載能力強(qiáng)；2）恒功率特性，充分利用電動(dòng)機(jī)和電源。3）牛馬特性：適用于牽引，如電力機(jī)車、電車等一類牽引機(jī)械。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

三、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)通常接成積復(fù)勵(lì)，它的工作特性介乎并勵(lì)與串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性之間。如果并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)起主要作用，它的工作特性就接近并勵(lì)電動(dòng)機(jī)；如果串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)起主要作用，它的工作特性就接近串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橛胁?lì)磁動(dòng)勢(shì)的存在，空載時(shí)沒有飛車的危險(xiǎn)，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性如