電機(jī)6-2直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)(qing)

第二篇直流電機(jī)第六章直流電機(jī)的用途、工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機(jī)分為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)。

直流發(fā)電機(jī)①用于大型同步發(fā)電機(jī)的勵磁電源。

②化學(xué)工業(yè)中的電鍍、電解

③

直流發(fā)電（容量可比交流發(fā)電提高30％）

直流電動機(jī)①起動性能好，用于電力機(jī)車、重型機(jī)械。

②

調(diào)速性能好，高精度、高性能電力拖動，如驅(qū)動軋鋼機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。6-2直流電機(jī)的工作原理電動機(jī)原理直流電動機(jī)用來拖動生產(chǎn)機(jī)械，如拖動電力機(jī)車、吊車、機(jī)床等。輸入電功率輸出機(jī)械功率電流、電壓電磁轉(zhuǎn)矩怎樣使一臺直流電機(jī)通電后能轉(zhuǎn)動并輸出機(jī)械功率？先復(fù)習(xí)皮奧——薩伐——拉普拉斯定律。若磁場與載流導(dǎo)體互相垂直，作用在導(dǎo)體上的電磁力：f=BIL(N)NB

Sfif——電磁力，可使導(dǎo)體運(yùn)動，用左手定則確定B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(wb/m2)i——通電導(dǎo)體的電流（A）L——導(dǎo)體的有效長度（m）

圖1.載流導(dǎo)體在磁場內(nèi)受到電磁力

怎樣利用皮奧——薩伐定律制作一臺直流電動機(jī)？或怎樣使一臺電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)？圖1電機(jī)簡單結(jié)構(gòu)（剖面圖）磁極固定，電樞可以轉(zhuǎn)動。·×

磁極

NS電樞磁軛.圖2軸向看電機(jī)NS軸生產(chǎn)機(jī)械電樞槽中嵌入的線圈圖3軸向看電樞電動機(jī)轉(zhuǎn)動條件：B磁極和勵磁電流（或永久磁鐵）；i電樞開槽嵌入線圈，而且線圈通入電流；L

線圈有效長度。L圖4線圈

請判斷下圖說明電樞是否在擺動？為什么？NS×·abcdf逆時(shí)針轉(zhuǎn)動cdNS×·ab順時(shí)針轉(zhuǎn)動

上圖說明線圈中的電流不變，則出現(xiàn)電樞來回?cái)[動的現(xiàn)象。

abcd圖5

線圈中的兩個(gè)導(dǎo)體必須“隨機(jī)應(yīng)變”。

NS×·abcdcdNS×·ab電樞轉(zhuǎn)動時(shí)，線圈兩導(dǎo)體在N極和S極下電流應(yīng)該方向不同。

換句話說，N極下無論對應(yīng)哪一個(gè)根導(dǎo)體，其方向是正向電流；S極下對應(yīng)導(dǎo)體電流方向?yàn)榉聪颉?/p>

圖8電樞、線圈與換向片的關(guān)系示意圖

怎樣使線圈中的導(dǎo)體“隨機(jī)應(yīng)變”？

換向器中的電刷固定，正電刷A與N極對應(yīng)，負(fù)電刷B與S極對應(yīng)。

使用換向器，換向器中的換向片隨電樞同步轉(zhuǎn)動，而且與線圈焊接?！痢S+

-

A

B

-B+A

NS

1234

VV注意：A正向電刷位置對應(yīng)N磁極；B負(fù)向電刷位置對應(yīng)S磁極。電刷與磁極相對靜止。圖9換向器外觀圖圖10電流換向A

X

NSA

1

2+B-A

X

NS1

2-+AB

vINSnAB+

-電動機(jī)正常工作需要一個(gè)換向器。換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，與固定不動的電刷滑動接觸。換向器的作用：①使電機(jī)能連續(xù)的轉(zhuǎn)動。②使轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的電源滑動接觸。

直流電動機(jī)工作原理：

勵磁在電機(jī)中產(chǎn)生磁場，由換向器配合電刷向電動機(jī)輸入電功率，使電樞繞組通電，在磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，輸出機(jī)械功率。

磁極、勵磁繞組（靜止）直流電機(jī)結(jié)構(gòu)電樞、電樞繞組（可轉(zhuǎn)動）電刷（靜止）換向器（可轉(zhuǎn)動）U電樞電流Ia勵磁電流If

發(fā)電機(jī)工作原理

輸入機(jī)械功率

輸出電功率

原動機(jī)拖動電樞轉(zhuǎn)動

E=BLV（感應(yīng)電動勢)換向器在直流發(fā)電機(jī)中的作用：使交變感應(yīng)電動勢變?yōu)橹绷麟妱觿?。由于電刷僅接觸同一磁極下的導(dǎo)體，所以導(dǎo)體雖然在N、S極下感應(yīng)電動勢方向不同，但一經(jīng)電刷就變?yōu)榉较虿蛔兊闹绷麟妱觿?。ANS·X

n×圖11右手判斷感應(yīng)電動勢×IIf

Ea+-A電刷與N磁極下導(dǎo)線接觸，B電刷與S磁極下導(dǎo)線接觸。

問：輸出的是直流電還是交流？NSAB+

-

×答：直流直流發(fā)電機(jī)工作原理：靠換向器配合電刷產(chǎn)生換向作用，把電樞中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動勢從電刷端引出，變成直流電動勢。輸入機(jī)械功率

發(fā)電機(jī)原動機(jī)換向器Ea=BLV輸出電功率電負(fù)載圖18發(fā)電機(jī)換向器作用示意圖直流發(fā)電機(jī)的工作原理在電動機(jī)中將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。

在直流發(fā)電機(jī)中將電樞線圈的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢；換向器的作用：動生產(chǎn)機(jī)械（被拖動的負(fù)載）×輸出機(jī)械功率

電動機(jī)換向器nf=BiL

圖17電動機(jī)換向器作用示意圖輸入電功率靜I

同一臺電機(jī)，能作電動機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，稱為可逆原理。2、為什么叫直流發(fā)電機(jī)，直流電動機(jī)？？1、發(fā)電機(jī)與電動機(jī)結(jié)構(gòu)是否相同？3、電機(jī)被原動機(jī)拖動，勵磁供電產(chǎn)生磁場，電機(jī)將處什么工作狀態(tài)？答：發(fā)電機(jī)狀態(tài)（E=BVL）4、電樞輸入直流電，勵磁供電產(chǎn)生磁場，電機(jī)何狀態(tài)？答：電動機(jī)狀態(tài)(f=BiL)

？6-3直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)靜止部分主磁極機(jī)座

端蓋

軸承電刷裝置轉(zhuǎn)動部分電樞鐵芯電樞繞組換向器風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸勵磁繞組

①軸的作用？固定電樞，又可使電樞隨軸旋轉(zhuǎn)。

②電樞的作用？電樞槽中可嵌入線圈的導(dǎo)體，可作為磁路的一部分。

③端蓋：可支承軸。

④軸承：套在端蓋中，使軸與端蓋之間滾動摩擦，可減少摩擦，避免磨損、發(fā)熱、燒壞軸承。6-3直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)軸承結(jié)構(gòu)

外環(huán)，嵌入端蓋靜止內(nèi)環(huán)，與軸相聯(lián)，隨軸轉(zhuǎn)動滾子，內(nèi)外環(huán)滾動摩擦，減小摩擦⑦換向器及電刷：

發(fā)電機(jī):輸出電樞直流電動勢。 電動機(jī):使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動，輸入電樞直流電流。

⑤機(jī)座：固定端蓋、磁極，是一部分磁路，有底腳將整個(gè)電機(jī)固定與基礎(chǔ)上。⑥磁極：固定于機(jī)座上，N、S交替，磁極上繞勵磁線圈，是電磁機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生磁的重要部分。極靴作用：卡住勵磁繞組，使主磁通在氣隙中分布合理。一、主磁極思考：①主磁極為何用沖片疊裝②極靴有何作用主磁極作用：產(chǎn)生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度B按方波沿空間分布。機(jī)座極身極靴勵磁繞組圖13主磁極結(jié)構(gòu)圖14主磁極疊片有極靴氣隙磁通分布合理無極靴氣隙磁通分布不合理NNSS無磁場區(qū)域大

主磁通交變產(chǎn)生鐵耗，為減少鐵耗，采用疊片結(jié)構(gòu)。鐵芯用0.5~1.5mm的鋼板沖片疊壓緊，然后再套上勵磁繞組。②主磁極鐵芯NSSN1、磁極表面對應(yīng)電樞齒槽，齒槽單復(fù)數(shù)不同，磁極表面對應(yīng)槽時(shí)氣隙大，磁通???；磁極對應(yīng)齒時(shí)氣隙小，磁通?大。電樞移動時(shí)，?脈振，產(chǎn)生少許鐵耗。磁通交變的原因：N?S

?

v2、電樞旋轉(zhuǎn)經(jīng)過N、S極，如右圖所示，電樞中有交變磁通。?S

N

繞制好的勵磁繞組套在鐵芯外③勵磁繞組

可用圓截面或矩形截面的絕緣導(dǎo)線繞在繞組框架上，經(jīng)浸膠（漆）及烘干后一起套入主磁極鐵芯。各主極上的勵磁繞組彼此間用串聯(lián)方式連接，保證各磁極電流相等。線圈繞向不同，使磁極N、S交替。

機(jī)座固定主極及端蓋，借助底腳將整個(gè)電機(jī)固定于基礎(chǔ)上，也作為磁軛構(gòu)成一部分磁路（定子磁軛）。由鑄鋼或鋼板焊接而成，使具有良好的導(dǎo)磁性能和機(jī)械性能。二、機(jī)座

電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座（搖環(huán)）組成。電刷（石墨）放在刷握上的刷盒內(nèi)，用彈簧將它壓緊在換向器上，而刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上（不止一個(gè)電刷），必須絕緣。刷桿座可轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)好與換向器的對應(yīng)接觸位置后，固定在端蓋或機(jī)座上。銅絲辮是外部電源與電刷的連接線。三、電刷裝置四、電樞鐵芯由電樞鐵心和主磁場間的相對運(yùn)動，導(dǎo)致鐵耗，電樞鐵芯由0.5mm厚的電工硅鋼片沖疊，每張沖片有嵌放繞組的槽。電樞鐵芯固定在轉(zhuǎn)子支架上或直接固定在轉(zhuǎn)軸上。電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。它是直流電機(jī)的主要電路部分。電動機(jī)通電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)感應(yīng)產(chǎn)生電動勢都在電樞繞組中，它是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。

槽楔導(dǎo)體（線圈）層間絕緣槽底絕緣槽絕緣圖16電樞槽橫截面

線圈伸出槽外的端接部分，用非磁性鋼絲或玻璃絲帶緊，防止離心力將繞組甩出槽內(nèi)。

槽楔把繞組壓緊在槽內(nèi)，防止離心力將繞組甩出槽內(nèi)。電刷12槽內(nèi)部分換向片五、換向器

換向器與電樞首尾相連，隨軸轉(zhuǎn)動。換向器由換向片組成，電樞中每個(gè)線圈兩端分別焊接在兩個(gè)換向片上。

換向器的作用是與電刷裝置相配合，使電樞線圈中的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢。它是直流電機(jī)中最重要的部件之一，也是最薄弱的環(huán)節(jié)。換向片之間用0.4~1.2mm的云母片絕緣，換向片嵌入V形套筒，V形套筒又套在軸上，與電樞同軸轉(zhuǎn)動（相對靜止）。

換向片側(cè)面V形正好可以嵌入具有V形槽的套筒中。

問：20個(gè)線圈需要多少換向片？

換向器隨軸與電樞同步轉(zhuǎn)動，與固定的電刷滑動接觸，相當(dāng)于電樞線圈與電刷接觸或電源、負(fù)載與線圈接觸。答：20片合成一圓柱體，這個(gè)整體稱為換向器，它套在軸上，電樞也套在軸上，軸轉(zhuǎn)動，換向器與軸同步轉(zhuǎn)動。

直流電機(jī)按勵磁方式的分類1、他勵（電機(jī)需要兩套電源）他勵式的勵磁繞組由另外一個(gè)電源供電勵磁。永磁式直流電機(jī)因其主磁場由永久磁鐵建立，屬于他勵式。

各種直流電機(jī)采用不同勵磁方式時(shí)，它們的運(yùn)行性能差別很大，所以通常按勵磁方式分類直流電機(jī)。+-UE-IfUf圖19他勵式+-直流電機(jī)按勵磁方式的分類

2、自勵式（電機(jī)只需一個(gè)電源）

勵磁繞組與電樞繞組按一定的關(guān)系相連接，對直流電動機(jī)而言勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電；并勵串勵復(fù)勵按勵磁繞組與電樞繞組的連接方式分為：電動機(jī)電流關(guān)系：I=Ia+If發(fā)電機(jī)電流關(guān)系：Ia=I+If

自勵式①并勵圖20并勵直流電機(jī)+-If（勵磁電流）UE-+IaI對發(fā)電機(jī)而言，勵磁電流由該電機(jī)電樞供電。

Ia=I=If

串勵電機(jī)電流關(guān)系：圖21串勵直流電機(jī)+-E-+UI②串勵圖21