第三部分直流電機

第三部分直流電機第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）直流電機的工作原理1.直流發(fā)電機工作原理兩極直流發(fā)電機原理如圖3-l所示。

一、直流電機的基本原理與結構第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.直流電動機工作原理直流電動機的作用：將電能轉(zhuǎn)化成機械能

工作原理：當直流電動機電樞繞組接至電源上時，根據(jù)電磁力定律，載流導體在磁場中受電磁力的作用，產(chǎn)生了一個轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩的作用下，電樞便按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）直流電機的基本結構

直流電機的結構:它由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成。

主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、直流電機的定子部分基本結構（1)主磁極

包括：①主磁極鐵心：導磁，固定繞組②主磁極繞組（勵磁繞組）：通入直流勵磁電流產(chǎn)生主磁場

(2)換向磁極：作用：其作用是產(chǎn)生換向磁場，以改善電機的換向，消除電刷與換向器間的火花。包括：換向極鐵心、換向極繞組。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)連接。第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)電刷及換向器的作用：①把旋轉(zhuǎn)電路與外電路聯(lián)系起來②把電樞繞組中的交流電整流為外電路中的直流電

注意：直流電機電樞導體中的電勢為交變電勢。經(jīng)換向器和電刷的整流作用后，電刷引出的電勢為直流電勢。(4)機座：磁路的一部分；起機械支撐作用。第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、直流電機的電樞部分由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風扇等組成。(1)電樞鐵心：用于嵌放電樞繞組，電機磁路的一部分。(2)電樞繞組：是產(chǎn)生感應電動勢，并形成感應電流，使電樞得到電磁轉(zhuǎn)矩作用而旋轉(zhuǎn)，從而使電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)換向器：其作用是將電樞繞組中的交流電動勢和電流轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢和電流。(4)轉(zhuǎn)軸：是電樞主要支撐件，用于傳遞轉(zhuǎn)矩。(5)風扇：用于降低電機運行中的溫升。第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）直流電機的分類1．勵磁方式：直流電機的勵磁繞組的供電方式。2．直流電機按勵磁方式分為有：（1）他勵直流電機；（2）并勵直流電機；（3）串勵直流電機；（4）復勵直流電機等四種，如圖3－7所示。并勵繞組匝數(shù)多，導線細；串勵繞組匝數(shù)少，導線粗。第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月復勵直流電機有：并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月直流電樞繞組是雙層繞組。按照連接方式的不同，主要分為疊繞組和波繞組兩大類型(見圖25—1)。二、直流電機的電樞繞組繞組元件可以是單匝也可以是多匝。元件的兩個端點，即首端和尾端，分別連接到兩換向片上。元件嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)，它的一邊放在某一槽的上層，另一邊放在另一槽的下層。上層邊用實線表示，下層邊用虛線表示。第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)距y1：同一元件的上層邊和下層邊之間的距離。一般用槽數(shù)來表示。為了使元件獲得最大電動勢，第一節(jié)距y1

應等于或接近于一個極距，即如果τ是整數(shù)，則繞組元件的第一節(jié)距y1稱為整距繞組；當τ不是整數(shù)時，ε使y1湊成整數(shù)的一分數(shù)值。y1<τ的繞組元件稱為短距繞組元件第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)距y2：前一元件的下層與緊接串聯(lián)的后一元件的上層邊之間的距離，稱為第二節(jié)距y2。以槽數(shù)表示之。合成節(jié)距y：兩個相連的元件對應邊之間的距離，稱為合成節(jié)距y，以槽數(shù)表示之。繞組元件之間的關系式可以寫為疊繞組：y=y1-y2波繞組：y=y1+y2第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)Q向器節(jié)距yk：每個元件的兩端所接的兩個換向片之間的距離，稱為換向器節(jié)距yk，以換向片數(shù)表示之。從圖25—1還可以看出，合成節(jié)距和換向器節(jié)距總是相等的，即y=yk

。繞組元件數(shù)S一定等于換向片數(shù)K，即S=K。如果在各個槽內(nèi)，槽的每一層只放一個元件邊，則電樞的槽數(shù)Z，也一定等于繞組元件數(shù)S，即Z=S=K第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月實際生產(chǎn)的電機，為了提高槽的利用率和制造工藝簡單起見，常在每槽上、下層嵌放兩個、三個或更多的元件邊。如果將每一上層和下層的元件看作一個“虛槽”，則虛槽數(shù)Zv=2Z、3Z或更多。如圖25—2所示，每一個實槽包含兩個虛槽，即Zv=2。由此可見，當一個實槽包含u個虛槽時，則虛槽數(shù)與實槽數(shù)的關系可表示為Zv=uZ第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月單疊繞組:磁極對數(shù)=支路對數(shù)=電刷對數(shù),反映了單疊繞組的重要特性。α=p=b第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月單波繞組不論其極數(shù)為多少，所得的并聯(lián)支路數(shù)總等于2，即支路對數(shù)α=1,反映了單波繞組的重要特性。

第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、直流電機的電樞反應

當主極繞組中通入勵磁電流后，電機中便建立起主磁場；當電機運行時，電樞繞組中有電流通過，就會產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場對主磁場的影響叫電樞反應。

電樞反應有的影響：其一是使主磁場發(fā)生扭轉(zhuǎn)畸變，使合成磁場的物理中性線m-m與幾何中性線n-n不相重合。其二是使主磁場被削弱。這兩方面的影響將使電機的換向火花增大，使發(fā)電機輸出的電壓降低，使電動機輸出的轉(zhuǎn)矩減小。第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月在發(fā)電機中，物理中性線沿電機旋轉(zhuǎn)方向偏移角β，而在電動機中則與此相反。如圖2-6所示；第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、直流電機的換向1．換向過程當直流電機旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷進入另一條支路時，元件中電流的方向發(fā)生改變，這種電流方向的改變稱為換向。正在換向的元件，稱為換向元件。元件中電流方向的改變過程，稱為換向過程。換向過程十分復雜。換向不良將產(chǎn)生火花，而火花嚴重時則會使換向器表面損壞，使電機不能工作。

第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2．換向時產(chǎn)生火花的原因產(chǎn)生換向火花的原因有電磁方面的也有機械和電化學等方面的。

（1）電磁方面的原因：是指在換向過程中，換向元件中的電抗電動勢ex(包括自感電動勢和互感電動勢)和旋轉(zhuǎn)電動勢ea(電樞反應電動勢)兩者的合成電動勢ex+ea，將在換向元件回路中產(chǎn)生附加電流，而引起換向火花。對有換向極(換向極電動勢ek)的直流電機而言，該合成電動勢為ex+ea-ek，故采用換向極可以改善直流電機的換向。第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2．換向時產(chǎn)生火花的原因（2）機械方面的原因：主要有換向器偏心、換向片凸出、電刷壓力不合適和電刷跳動等。3．改善換向的方法（1）加裝換向極(對無換向極的直流電機而言)（2）合理選用電刷和移動電刷位置

第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月五、直流電動機的基本特性（一）基本公式1．直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TT=CTφIa

（3－1）可知T∝Iaφ式中CT—與電動機結構有關的常數(shù)；φ—每極磁通（Wb）Ia—電樞電流（A）；T—電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）。2.直流電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n及軸上輸出功率P的關系式為

：

T=9550P/n（3－2）

式中n一電動機轉(zhuǎn)速（r／min）；T—電動機電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）。P一電動機軸上輸出功率（kw）；第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3.直流電動機電樞電動勢Ea=Ceφn（3－3）式中Ce—與電動機結構有關的另一常數(shù)；φ—每極磁通（Wb）；n—電動機轉(zhuǎn)速（r／min）；Ea—電樞電動勢（V）。Ea∝φnEa與Ia方向相反，在電路中起著限制電流的作用。

第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）基本方程式U=Ea+IaRa

反電勢Ea與電樞電流Ia方向相反Ea=Ceφn電動機啟動時n=o，Ea=0，Ia很大第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）他勵直流電動機的機械特性

直流電動機的機械特性：是在穩(wěn)定運行情況下，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關系，即n=f(T)。1.他勵直流電動機機械特性方程式還可以寫成n=n0－βT=n0－Δnn=U=Ea+IaRa=Ceφn+IaRa

一般并勵電動機的△n為3％～8％。因此，并勵電動機適用于要求轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定的場合，如金屬切削機床、造紙機械等。

第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.他勵直流電動機的固有機械特性當他勵直流電動機的電源電壓、磁通為額定值，電樞回路未接附加電阻Rpa時的機械特性稱為固有機械特性，其特性方程為

固有機械特性為硬特性。

第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3.他勵直流電動機的人為機械特性

人為地改變電動機氣隙磁通φ、電源電壓U和電樞回路串聯(lián)電阻Rpa等參數(shù)，獲得的機械特性為人為機械特性。(1)．電樞回路串接電阻Rpa時的人為特性特性方程為：因此：改變電阻Rpa大小，可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)．改變電源電壓時的人為機械特性特性方程為：

因此，降低電源電壓也可用于調(diào)速，U越低，轉(zhuǎn)速越低。第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）改變磁通時的人為機械特性隨著φ減弱，n0升高，曲線斜率變大。若用于調(diào)速，則φ越小，轉(zhuǎn)速越高。特性方程式：第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月六、他勵直流電動機的起動、反轉(zhuǎn)、制動及調(diào)速在起動瞬間，電動機的轉(zhuǎn)速n=0，反電動勢Ea=0，起動電流Ist>>IN（約為10～20倍的IN）。直流電動機的起動方法有：

電樞串電阻起動和降壓起動兩種。

1.全壓啟動電樞電流Ia為（一）他勵直流電動機的啟動第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.減壓起動（降壓起動）當直流電源電壓可調(diào)時，可以采用降壓方法起動。在起動瞬間，n=0，反電動勢Ea=0，降低電源電壓U，將起動電流限制在允許的范圍內(nèi)。起動電流通常限制在(1.5~2)IN內(nèi)，則起動電壓應為

Ust=IstRa=(1.5~2)INRa第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電樞回路串電阻起動在額定電源電壓下，電樞回路串入分級起動電阻Rst，在起動過程中將起動電阻逐步切除。下圖為他勵直流電動機三級起動時的電氣原理圖。第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）他勵直流電動機反轉(zhuǎn)直流電動機反轉(zhuǎn)的方法有以下兩種：1.改變勵磁電流方向?qū)畲爬@組反接，使勵磁電流反向。2.改變電樞電壓極性將電樞繞組反接，Ia即改變方向。第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）他勵直流電動機的制動包括：機械制動和電氣制動1．電氣制動：是使電動機產(chǎn)生一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，阻礙電動機轉(zhuǎn)動。2．常用的電氣制動方法有：能耗制動：用于準確停車電樞反接制動：用于快速停車倒拉反接制動：用于起重機低速下放重物反接制動：發(fā)電回饋制動：用于高速下放重物第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.能耗制動（1）制動原理：能耗制動是把正處于電動機運行狀態(tài)的他勵直流電動機的電樞從電網(wǎng)上切除，并接到一個外加的制動電阻Rbk上構成閉合回路?？刂齐娐啡鐖D3-18a所示。能耗制動開始瞬間電動機電樞電流為

第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.反接制動反接制動有1）電樞反接制動2）倒拉反接制動兩種方式。（1）電樞反接制動1）制動原理：電樞反接制動是將電樞反接在電源上，同時電樞回路要串接制動電阻Rbk。控制電路如圖3-21所示。第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）倒拉反接制動控制電路如圖3-22a所示。

n=第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）發(fā)電回饋制動

1）直流電動機拖動的電車下坡時：電磁轉(zhuǎn)矩T與負載轉(zhuǎn)矩TL共同作用，使電動機轉(zhuǎn)速上升，當n＞no時，Ea＞U，Ia反向，T反向成為制動轉(zhuǎn)矩，電動機運行在發(fā)電回饋制動狀態(tài)。第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2）降低電樞電壓調(diào)速時的發(fā)電回饋制動制動原理：當電動機電樞電壓突然降低時，因慣性電動機轉(zhuǎn)速不能突變，使na＞n01，Ea＞Ul，致使電動機電樞電流Ia和電磁轉(zhuǎn)矩T變?yōu)樨撝?，電動機轉(zhuǎn)速迅速下降。從特性b點至n01點之間電動機處于發(fā)電回饋制動狀態(tài)。第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）他勵直流電動機的調(diào)速調(diào)速方法有：（1）降壓調(diào)速；（2）電樞回路串電阻調(diào)速；（3）減弱磁通調(diào)速三種。1.電樞電路串聯(lián)電阻的調(diào)速電樞回路串接電阻Rpa時的人為機械特性曲線如圖3－25所示。第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）電樞串電阻的特點：l）是基速以下調(diào)速，且串入電阻越大特性越軟。2）是有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差。3）調(diào)速電阻消耗的能量大，不經(jīng)濟。4）電樞串電阻調(diào)速方法簡單，設備投資少。（2）適用范圍：適用于小容量電動機調(diào)速。但調(diào)速電阻不能用起動變阻器代替。因為啟動電阻是按短時設計的，而調(diào)速電阻是連續(xù)工作的。第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.降低電樞電壓調(diào)速降低電樞電壓后的人為機械特性曲線如圖3－26