第三章 直流電機

第三章直流電機第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四直流發(fā)電機的作用：直流電源。直流電動機的作用：用在調(diào)速要求高的場所。直流電動機優(yōu)點：（1）調(diào)速范圍廣，且易于平滑調(diào)節(jié)；（2）過載、啟動、制動轉(zhuǎn)矩大；（3）易于控制，可靠性高；（4）調(diào)速時的能量損耗較小。直流電機缺點：換向困難；造價高；故障頻繁，壽命短。第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3.1.1直流電機的主要結(jié)構(gòu)

直流電機由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子（又稱電樞）兩大部分組成；

定、轉(zhuǎn)子之間有一間隙，稱為氣隙。

一、定子部分

定子的主要部件有主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四勵磁繞組和串換向極后的電樞繞組出線定子機座換向極鐵心換向極繞組主磁極鐵心主磁極繞組（勵磁繞組）換向極繞組與勵磁的串聯(lián)接線直流電機定子

第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（1）主磁極（N、S交替排列）

主磁極的作用是建立主磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主磁極結(jié)構(gòu)a.

主極鐵心——磁路，通常由0.5~3mm厚低碳鋼板構(gòu)成；b.

勵磁繞組——電路，由導線繞制。

主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（2）機座

機座有兩個作用：一是作為主磁極的一部分，

二是作為電機的結(jié)構(gòu)框架。

機座作為磁通通路部分稱為磁軛。

機座有兩種類型：整體機座和疊片機座。

機座的兩端裝有端蓋。（3）端蓋端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。

同時端蓋對電機內(nèi)部還起防護作用。

第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（4）換向極

（附加極）

安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善換向情況；

由鐵心、繞組構(gòu)成；其繞組與電樞繞組串聯(lián)。第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（5）電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置；它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成；電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時與換向器表面形成滑動接觸。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。電刷組的數(shù)目可以用電刷桿數(shù)表示，電刷桿數(shù)與電機的主磁極數(shù)相等。第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四刷辮電刷刷握匯流條第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四二、轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)軸端蓋電樞鐵心電樞繞組電樞繞組端部換向器軸承直流電機的轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子，又稱電樞。第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（1）電樞鐵心電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。（2）電樞繞組

一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成；

直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生

電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四電樞鐵心電樞繞組電樞鐵心沖片(0.35-0.5mm厚)（硅鋼片）涂絕緣漆沖片疊壓而成均勻開槽直流電樞的鐵心模型第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四換向器由許多具有燕尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊接在相應換向片的聯(lián)接片（或升高片）上。（3）換向器第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四一、直流發(fā)電機工作原理

右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。（動畫）3.1.2直流電機的工作原理第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四

當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)后，如右圖。

可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下。

導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四

可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。

實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對。第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四二、直流電動機工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。

在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四原N極性下導體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。（動畫）

當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3.1.3直流電機的銘牌數(shù)據(jù)

額定值是制造廠對各種電氣設(shè)備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產(chǎn)品設(shè)計或試驗的依據(jù)。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌數(shù)據(jù)。

1、額定功率PN

指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以“W”為量綱單位。若大于1kW或1MW時，則用kW或MW表示。

對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。即：PN＝UNIN

對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以：PN＝UNINηN

第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四⒌額定勵磁電流If

指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。⒉額定電壓UN

指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以“V”為單位。⒊額定電流IN

指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以“A”為單位。

⒋額定轉(zhuǎn)速nN

指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為單位。第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3.3.1直流電機的電樞電動勢3.3直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞旋轉(zhuǎn)時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。性質(zhì):發(fā)電機——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機——反電勢(與電樞電流反方向).，稱為電動勢常數(shù)為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)式中：可見，直流電機的感應電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3.3.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。性質(zhì):發(fā)電機——制動(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動機——驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同)。

可見，制造好的直流電機其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3.4直流電動機直流電動機能把直流電能轉(zhuǎn)換為機械能。(原理)直流電機按勵磁方式分為他勵電機;自勵電機（并勵電機、串勵電機和復勵電動機三種方式）。主要內(nèi)容:直流電動機的運行原理、工作特性、機械特性及起動、調(diào)速和制動運行直流電動機的作用：用在調(diào)速要求高的場所。第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。

他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：一、直流電機的勵磁方式供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四2、并勵：發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足。3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足。第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四4、復勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結(jié)合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四二、直流電動機的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向電機穩(wěn)態(tài)時的基本方程如下：第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四功率關(guān)系兩邊同乘以電樞電流電壓平衡等式電樞回路的銅損耗從電源輸入的電功率電樞吸收的電磁功率轉(zhuǎn)矩平衡等式兩邊同乘以機械角速度若考慮附加損耗和勵磁回路消耗的功率，則第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四三、直流電動機的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性1、他勵（并勵）直流電動機的工作特性定義：當、時，由方程式可得

忽略電樞反應的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負載電流按線性關(guān)系變化。（2）轉(zhuǎn)矩特性定義：當時，轉(zhuǎn)矩表達式

考慮電樞反應的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（3）、效率特性由方程式可得

空載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化，當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此時效率又變小。定義：當、時，第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四2.他勵直流電動機的機械特性定義:當電動機加上一定的電壓和一定的勵磁電流時,轉(zhuǎn)速與電動機電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,即理想空載轉(zhuǎn)速機械特性的斜率第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3、串勵直流電動機的工作特性

當負載電流較小時，電機磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關(guān)系。即：轉(zhuǎn)速特性因轉(zhuǎn)矩特性

當負載電流為零時，電機轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵電動機不宜輕載或空載運行。第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四

3.5直流電動機的起動、調(diào)速和制動

一、直流電動機的起動

起動：電機接上電源從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)動起來到達穩(wěn)態(tài)運行，這就是電動機的起動過程。1、起動轉(zhuǎn)矩要足夠大;2、起動電流不要太大（小于允許值）;3、起動過程消耗的能量要小;4、起動設(shè)備簡單,便于控制。對起動性能的要求：第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四降壓起動——起動時降低電樞繞組電壓。2、起動方法直接起動——直接將電機接到額定電壓的電源，進行起動。電樞回路串電阻起動——起動時在電樞回路串入起動電阻問題：為什么說直流電動機直接起動的起初起動電流很大？它會對電機產(chǎn)生什么影響？問題：起動直流電動機時，在電樞回路中串電阻的目的是什么？為什么要在起動過程切除電阻？注意：并勵直流電動機，由于勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，電樞電壓降低，勵磁電壓即降低，從而主磁通降低，影響到反電動勢的建立和起動轉(zhuǎn)矩的減少，所以并勵直流電動機如用降壓起動，勵磁繞組須采用他勵，使勵磁電壓不受電樞電壓的影響。第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四1．對調(diào)速性能的要求：（1）

調(diào)速范圍大（2）

調(diào)速平滑（3）

經(jīng)濟性好（4）

方法簡便可靠二、直流電動機的調(diào)速2．調(diào)速方法因為

所以（1）改變電樞回路的串聯(lián)電阻；（2）改變勵磁電流（勵磁回路串電阻），即改變氣隙磁通；（3）改變電樞電壓。第三十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四3.他勵直流電動機的調(diào)速（1）改變電樞回路的串聯(lián)電阻

特點：a.轉(zhuǎn)速只能在對應電樞繞組電阻的基本轉(zhuǎn)速往下調(diào)；b.電樞回路串入較大電阻后機械特性變軟，負載變化對轉(zhuǎn)速的影響較大，工作不穩(wěn)定；c.難以實現(xiàn)平滑調(diào)速；d.損耗大，經(jīng)濟性差e.屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。第三十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期四（2）減小氣隙磁通特點：a.轉(zhuǎn)速只能在對應額定勵磁電流的基本轉(zhuǎn)速往上調(diào),電動機最高轉(zhuǎn)速要受到電機本身的機械強度及換向的限制；b.可以實現(xiàn)平滑調(diào)速；c.損耗小，設(shè)備簡單，控制方便d.屬于恒功率調(diào)