第16章(2)直流電機(jī)的基本作用原理

第16章直流電機(jī)的作用原理三、直流電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)電樞式的直流電機(jī)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(dǎo)體相連，極性為正電刷2與位于S極下的導(dǎo)體相連，極性為負(fù)3.1單線圈導(dǎo)體的感應(yīng)電勢電刷l、2間的電勢e12為一含有很大脈動分量的直流電勢，如單相全波整流一樣。電勢和電流脈動的很大

3.2兩線圈串聯(lián)后的合成電勢與原有線圈相距90電角度再設(shè)置一個線圈，其兩端各接有換向片，并與原有換向片A、B相距90電角度，換向器包含4片換向片，相鄰換向片間各相距90電角度。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，兩個線圈的感應(yīng)電勢在時間相位上相距90電角度當(dāng)有足夠多的線圈和換向片時，可獲得穩(wěn)定直流電勢。若電機(jī)每極下的導(dǎo)體數(shù)大于8，電勢脈動幅度可小于1%

直流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)是帶換向器的交流發(fā)電機(jī)四、直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)4.1 空載時直流電機(jī)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(yīng)，沿極面均勻分布。邊緣磁通空間上，非正弦分布，在導(dǎo)體中感應(yīng)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(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩的有效磁通，通過空氣隙，同時鍵鏈電樞繞組和勵磁繞組。磁極漏磁通：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附：主磁路計算的基本原理實(shí)驗(yàn)方法——通過空載特性或磁化曲線計算勵磁電流和主磁通的關(guān)系計算方法——磁路計算。假設(shè)全部磁通集中在一定路徑上流通，則可以用路代替場。一臺電機(jī)的磁化曲線僅和電機(jī)的幾何尺寸以及所用的材料有關(guān)，而和電機(jī)的勵磁方式無關(guān)電機(jī)的運(yùn)行性能，與磁化曲線密切相關(guān)附.1直流電機(jī)的主磁路主磁路包括下列部分：磁軛、極芯、極靴、空氣隙、齒和電樞鐵芯將磁路分成若干段計算。假設(shè)：每段的材料相同，每段的幾何形狀規(guī)則，有相同的磁通密度；每段的平均磁場強(qiáng)度Hx和每段的平均長度方向lx相一致，各段磁勢為Hxlx及總磁勢為ΣHxlx

附.2主磁通的計算求電機(jī)磁化曲線上的點(diǎn)

n

設(shè)定一個主磁通

n

算出流經(jīng)各段磁路的磁通

n

由各段尺寸及磁通算出各段的磁通密度

n

根據(jù)各段磁路的磁通密度和相應(yīng)材料的磁化曲線查取各段的磁場強(qiáng)度，計算各段磁路消耗的磁勢

n各段磁勢的總和即為主磁通對應(yīng)的勵磁磁勢

2.用該磁化曲線，由主磁極磁勢F0查出所產(chǎn)生的空載主磁通計算出電機(jī)的磁化曲線，對應(yīng)出相應(yīng)磁勢的磁通

附.3各段磁勢的簡單分析把直流電機(jī)的磁路分成五段：①空氣隙，F(xiàn)δ代表兩空氣隙段所需磁勢的安匝數(shù)；②電樞齒，F(xiàn)t代表該段兩個齒高h(yuǎn)t所需的安匝數(shù)；③電樞鐵芯，F(xiàn)a④主磁極鐵芯(包括極靴)，F(xiàn)m代表兩個磁極段需安匝數(shù)；

⑤定子磁軛，F(xiàn)y代表磁軛段所需安匝?？諝庀叮洪L度δ很短，但磁阻很大，總磁勢的絕大部分將消耗于空氣隙中。（65%以上） 由于電樞齒槽的影響，需進(jìn)行修正，取 電樞齒：截面小，齒中磁密在整個磁路中最高，飽和現(xiàn)象最顯著，消耗磁勢較大。4.2負(fù)載時電樞電流產(chǎn)生的磁勢電樞反應(yīng)：電樞磁勢的存在使空氣隙磁勢的分布情況改變，使空氣隙磁場分布改變。特點(diǎn)：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(yùn)動的換向器的共同作用，電刷間連接的導(dǎo)體時刻在變化，但電刷間導(dǎo)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。比較：同步電機(jī)的電樞磁勢和主磁極也相對靜止，但其相對位置隨負(fù)載功率因數(shù)而變化4.2.1直流電機(jī)電樞繞組磁勢波形

直流電機(jī)的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)

交流電機(jī)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，則階梯形波將趨近于三角形波

4.2.2電刷位置對電樞磁勢的影響電樞磁勢幅值的位置恰在導(dǎo)體中的電流改變方向處——導(dǎo)體通過電刷處。如電刷和位于交軸的導(dǎo)體相接觸，則電樞磁勢的軸線也在交軸；如電刷移動，電樞磁勢的軸線跟著移動。直流電機(jī)的電樞磁勢軸線水遠(yuǎn)位于導(dǎo)體中的電流改變方向處（電刷位置），且在空間是靜止不動的。4.2.3任意點(diǎn)電樞磁勢的計算條件：設(shè)電樞繞組的導(dǎo)體數(shù)為W，極數(shù)為2p，則一個極距內(nèi)的導(dǎo)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(dǎo)體的電流為Ia／2a線負(fù)載A：沿著電樞圓周每單位長度內(nèi)的電流安培數(shù)4.3負(fù)載時的

氣隙磁勢和磁場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(yīng)。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，呈現(xiàn)去磁作用4.3負(fù)載時的

氣隙磁勢和磁場交軸直軸交軸電樞反應(yīng)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(jī)：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(yīng)有去磁作用空載氣隙磁場電樞磁場負(fù)載時合成磁場定義：前極尖——電樞進(jìn)入極面處的磁極極尖，后極尖——電樞離開極面處的極尖發(fā)電機(jī)的后極尖下磁通密度增強(qiáng)，電動機(jī)前極尖下磁通密度增強(qiáng)4.4直軸電樞反應(yīng)如電刷順著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向或逆著電動機(jī)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(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，稱為直軸電樞反應(yīng)，其方向與主磁極極性相反，使主磁通減弱，呈現(xiàn)去磁作用。將使電樞電勢減小在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。4.4直軸電樞反應(yīng)如電刷逆著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向或順著電動機(jī)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(dǎo)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(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。削弱電樞反應(yīng)負(fù)作用的措施由于電樞反應(yīng)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(yīng)盡可能地予以補(bǔ)償，以防止發(fā)生環(huán)火。裝置補(bǔ)償繞組，使其產(chǎn)生的磁勢適能抵消電樞反應(yīng)電勢補(bǔ)償繞組的電流分布和電樞繞組各對應(yīng)點(diǎn)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(bǔ)償。補(bǔ)償繞組和換向極繞組應(yīng)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，與磁路的飽和程度有關(guān)，近似與電樞電流成正比。有效的勵磁磁勢為例16-1：分析電樞反應(yīng)的等效去磁由電樞回路電壓方程，求得利用插值法，在空載特性上，求得對應(yīng)的有效激磁電流為已知實(shí)際的額定勵磁電流為2.85則交軸電樞反應(yīng)的等效激磁電流為思考題為什么說直流電機(jī)的空氣隙磁場是恒定磁場？設(shè)電刷位于交軸，試默繪直流電機(jī)的空載磁勢分布曲線B0(x)、空載磁場分布曲線Fa(x)、電樞磁勢分布曲線Fa(x)、電樞磁場分布曲線Ba(x)和合成磁場分布曲線B(x)五、電樞繞組的感應(yīng)電動勢五、電樞繞組的感應(yīng)電勢電樞繞組的感應(yīng)電勢——每一并聯(lián)支路的電勢，電機(jī)正、負(fù)電刷之間的電勢。大?。何挥陔娝⒅g固定位置的各個導(dǎo)體的感應(yīng)電勢之和假設(shè)電樞導(dǎo)體是連續(xù)均勻分布的，則電勢為恒定的直流電勢5.1電樞繞組的感應(yīng)電勢設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為N，有2a條并聯(lián)支路，則每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體為N／2a電刷間的感應(yīng)電勢為每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢之和

5.1電樞繞組的感應(yīng)電勢直流電機(jī)的感應(yīng)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(jī)的感應(yīng)電勢將和轉(zhuǎn)速成正比。如將轉(zhuǎn)速保持不變，直流電機(jī)的感應(yīng)電勢將和每極磁通量成正比。電刷間的感應(yīng)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)n

電刷在交軸，如果移動電刷位置，則支路中一部分導(dǎo)體的感應(yīng)電勢將因方向相反而互相抵消，導(dǎo)致電刷間電勢Ea的減小。n根據(jù)負(fù)載時的每極磁通，計算負(fù)載時感應(yīng)電勢Ea。n當(dāng)負(fù)載時，由于電樞回路的電阻電壓降，直流發(fā)電機(jī)電刷間的端電壓U比負(fù)載時的電刷電勢Ea小解釋電刷位置偏移對電勢的影響電刷偏移后，極面下電刷間包含的磁通量減小5.2直流發(fā)電機(jī)的平衡方程式并勵發(fā)電機(jī)IaILΔU——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(dāng)用石墨電刷或碳石墨電刷時，取為1V電壓平衡式5.2直流發(fā)電機(jī)的平衡方程式并勵發(fā)電機(jī)IaIL功率平衡式電磁功率輸入功率空載損耗負(fù)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(yīng)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5.3直流電動機(jī)的平衡方程式IaIIa電壓平衡式電流平衡式（并勵時）5.3直流電動機(jī)的平衡方程式IaIIa功率平衡式（并勵時）并勵回路損耗電樞回路銅損電刷接觸電損耗機(jī)械損耗鐵損耗雜散損耗六、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩六、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)流過電刷的電流為Ia電樞導(dǎo)體中的電流是Ia／2a設(shè)電樞直徑為Da，電樞導(dǎo)體的有效長度為l電樞總的電磁轉(zhuǎn)矩6.1直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡并勵發(fā)電機(jī)IaIL轉(zhuǎn)矩平衡式輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩6.2直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡IaIIa轉(zhuǎn)矩平衡式思考題16-12電刷之間的感應(yīng)電勢與某一導(dǎo)體的感應(yīng)電勢有什么不同各種數(shù)量之間的相互關(guān)系：導(dǎo)體總數(shù)、換向片數(shù)、元件數(shù)、圈邊數(shù)、槽數(shù)、每元件匝數(shù)、每一槽中并列圈邊數(shù)思考題16-6一臺六極電機(jī)原為單波繞組，加改繞成單疊繞組，并保持元件數(shù)、導(dǎo)體數(shù)、每元件匝數(shù)、每槽并列圈邊數(shù)不變，問該電機(jī)的額定容量要不要改變?其它額定量要不要改變

答：單波時，并聯(lián)支路數(shù)恒為2，設(shè)導(dǎo)體額定電流為I，則電刷的電流為2I；電刷間感應(yīng)