直流電機(jī)的工作原理及特性

第三章

直流電機(jī)的工作原理及特性重點(diǎn)掌握：

?了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；

?掌握直流電動機(jī)的機(jī)械特性；

?掌握直流電動機(jī)啟動、調(diào)速和制動等各種特性；

?掌握實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)啟動、調(diào)速和制動的各種方法以及它們的使用場所。電機(jī)分交流和直流兩種。直流電機(jī)—工作電壓或輸出的電壓為直流；交流電機(jī)—工作電壓為交流。直流電機(jī)分直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩種。直流電動機(jī)—將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；直流發(fā)電機(jī)—將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比，具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動性能：直流發(fā)電機(jī)的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小。直流電動機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；直流電動機(jī)過載能力較強(qiáng)，啟動和制動轉(zhuǎn)矩較大；易于控制，可靠性較高。由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價(jià)格較高；運(yùn)行時(shí)由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，因而可靠性較差，維護(hù)比較困難。所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機(jī)的應(yīng)用目前仍占有較大的比重。直流電機(jī)的特點(diǎn)：由于直流電動機(jī)具有良好的啟動和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對啟動和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中，圖3-1所示是其應(yīng)用的幾種實(shí)例。

直流電機(jī)的用途：（a）地鐵列車

(b)城市電車（c）電動自行車（d）造紙機(jī)圖3-1直流電動機(jī)的用途直流發(fā)電機(jī)主要用作各種直流電源，如直流電動機(jī)電源、化學(xué)工業(yè)中所需的低電壓大電流的直流電源，直流電焊機(jī)電源等，如圖3-2所示。（a）電解鋁車間

(b)電鍍車間圖3-2直流發(fā)電機(jī)的用途3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示：根據(jù)電機(jī)的工作原理，直流電機(jī)的組成可分為定子、轉(zhuǎn)子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵(lì)磁繞組兩部分組成。它的作用是產(chǎn)生主磁場和在機(jī)械上支撐電機(jī)。

轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。它的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。對電動機(jī)而言，其作用是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，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩；對直流發(fā)電機(jī)而言，是將繞組內(nèi)的交變電動勢轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動勢。主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成直流電機(jī)定子轉(zhuǎn)子機(jī)座換向極主磁極電刷裝置電樞鐵心軸承換向器風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸電樞繞組直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)總結(jié)二、基本的工作原理為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化為電機(jī)具有一對主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和B。如圖所示：1—主磁極：勵(lì)磁繞組上加上直流電壓，勵(lì)磁繞組上有勵(lì)磁電流通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場。

2—電樞繞組：在固定的磁場中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

3、4—換向器：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，主要作用對發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。對電動機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。3—電刷4—換向片

1．發(fā)電機(jī)原理：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流發(fā)電機(jī)工作原理圖如圖所示：c3-1.swf電樞由原動機(jī)驅(qū)動而在磁場中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊ab和cd（切割磁力線的導(dǎo)體部分）中便感應(yīng)出電動勢e。（電磁感應(yīng)），電勢方程式：顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在N極下是一個(gè)方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到S極下時(shí)是另一個(gè)方向。但是，由于電刷A總是同與N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動勢或電壓，當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，在電動勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。

2．電動機(jī)原理：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。直流電動機(jī)工作原理圖如圖所示：C3-2.swf直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應(yīng)該是這樣的：N極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向，這樣才能使兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動。因此，當(dāng)線圈的有效邊從N（S）極下轉(zhuǎn)到S（N）極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，使電磁力的方向不變，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變而使轉(zhuǎn)子以n的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II電流方向：上半邊向里，下半邊向外。如圖所示。注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。FFU+–NS電刷換向片IIFFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。三、電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

1.電動勢E

根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的感應(yīng)電動勢為:式中：E——感應(yīng)電動勢（V）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；

Ke——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。直流發(fā)電機(jī)中，電動勢的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動勢。直流電動機(jī)中，電動勢的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動勢。

2．電磁轉(zhuǎn)矩TM

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，其大小可用如下公式表示：式中：TM——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Km——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Km=9.55

Ke直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用是不同的。

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向或原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的方向相反。因此，在等速轉(zhuǎn)動時(shí)，原動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。

電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動。因此，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。從以上分析可知，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動勢E和電磁轉(zhuǎn)矩T，但二者的作用正好相反，見下表：電機(jī)運(yùn)行方式E與I的方向E的作用TM的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機(jī)相同電源電動勢阻轉(zhuǎn)矩T1=TM+T0電動機(jī)相反反電動勢驅(qū)動轉(zhuǎn)矩TM=TL+T03.電壓平衡方程式：四、直流電動機(jī)的分類

勵(lì)磁方式：是指勵(lì)磁繞組如何供電，以產(chǎn)生勵(lì)磁磁場。直流電動機(jī)按定子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同可分為四類：

1．他勵(lì)電動機(jī)：勵(lì)磁繞組由外加電源單獨(dú)供電，勵(lì)磁電流的大小與電樞兩端電壓或電樞