第6章 直流電機(jī)(2)

1、第六章第六章 直流電機(jī)直流電機(jī) 6.1概述概述 一、直流電機(jī)的工作原理一、直流電機(jī)的工作原理 1 1、直流發(fā)電機(jī)的工作原理、直流發(fā)電機(jī)的工作原理 直流電機(jī)的物理模型直流電機(jī)的物理模型 右圖為直流發(fā)電機(jī)的物右圖為直流發(fā)電機(jī)的物 理模型，理模型，N、S為定子磁極，為定子磁極， abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓 柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo) 磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或 電樞。線圈的首末端電樞。線圈的首末端a、d連連 接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線 圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)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子線

2、圈與外電路的連接是通 過放置在換向片上固定不動(dòng)過放置在換向片上固定不動(dòng) 的電刷進(jìn)行的。的電刷進(jìn)行的。 導(dǎo)體導(dǎo)體abab在在S S極下，極下， 根據(jù)右手定則，此時(shí)根據(jù)右手定則，此時(shí)a a 點(diǎn)為低電位，點(diǎn)為低電位，b b點(diǎn)高電點(diǎn)高電 位；導(dǎo)體位；導(dǎo)體cdcd在在N N極下，極下， c c點(diǎn)低電位，點(diǎn)低電位，d d點(diǎn)高電點(diǎn)高電 位；電刷位；電刷A A極性仍為正，極性仍為正， 電刷電刷B B極性仍為負(fù)。極性仍為負(fù)。 當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn) 子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180180后，后， 如右圖。如右圖。 可見，和電刷可見，和電刷A A接觸的導(dǎo)體總是位于接觸的導(dǎo)體總是位于N N極下，和電刷

3、極下，和電刷B B 接觸的導(dǎo)體總是位于接觸的導(dǎo)體總是位于S S極下，因此電刷極下，因此電刷A A的極性總是正的，電刷的極性總是正的，電刷 B B的極性總是負(fù)的，在電刷的極性總是負(fù)的，在電刷A A、B B兩端可獲得直流電動(dòng)勢。兩端可獲得直流電動(dòng)勢。 如氣隙磁場沿氣隙的分布為平頂如氣隙磁場沿氣隙的分布為平頂 波，如圖所示，根據(jù)電動(dòng)勢的計(jì)波，如圖所示，根據(jù)電動(dòng)勢的計(jì) 算公式算公式 Blve 可知感應(yīng)電動(dòng)勢與氣隙磁密成正可知感應(yīng)電動(dòng)勢與氣隙磁密成正 比。導(dǎo)體和電刷比。導(dǎo)體和電刷ABAB間的電動(dòng)勢間的電動(dòng)勢e e和和 e eAB AB如右圖所示。 如右圖所示。 線圈線圈abcdabcd中的電動(dòng)勢是交流中

4、的電動(dòng)勢是交流 的，通過電刷和換向器機(jī)械整流的，通過電刷和換向器機(jī)械整流 作用，將線圈中的交變電動(dòng)勢整作用，將線圈中的交變電動(dòng)勢整 流為電刷流為電刷A A和電刷和電刷B B之間的直流電之間的直流電 動(dòng)勢。動(dòng)勢。 增加導(dǎo)體數(shù)目可以減小感應(yīng)電動(dòng)勢脈動(dòng)。當(dāng)每極下導(dǎo)體數(shù)增加導(dǎo)體數(shù)目可以減小感應(yīng)電動(dòng)勢脈動(dòng)。當(dāng)每極下導(dǎo)體數(shù) 大于大于8 8時(shí)，脈動(dòng)可小于時(shí)，脈動(dòng)可小于1%1%。 二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)電機(jī)完全相同。電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)電機(jī)完全相同。電動(dòng)機(jī)是 將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，因此，電刷接至直流電源，如圖將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，因此，電刷接

5、至直流電源，如圖 所示。所示。 當(dāng)導(dǎo)體當(dāng)導(dǎo)體abab在在N N 極下時(shí)，根據(jù)左手定極下時(shí)，根據(jù)左手定 則，則，N N極性下導(dǎo)體極性下導(dǎo)體abab 受力方向從右向左，受力方向從右向左， S S 極下導(dǎo)體極下導(dǎo)體cdcd受力方受力方 向從左向右。該電磁向從左向右。該電磁 力形成逆時(shí)針方向的力形成逆時(shí)針方向的 電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn) 矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電 機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋 轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。 原原N N極性下導(dǎo)體極性下導(dǎo)體abab 轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到S S極下，受力極下，受力 方向從左向右，原方向從左向右，原 S S 極下導(dǎo)體極下導(dǎo)體cdcd轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到 N N極下，受力方

6、向極下，受力方向 從右向左。該電磁從右向左。該電磁 力形成逆時(shí)針方向力形成逆時(shí)針方向 的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈 在該電磁力形成的在該電磁力形成的 電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼 續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180180后，如下圖所示后，如下圖所示 直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組通過電刷與直流電源相聯(lián)接，通過直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組通過電刷與直流電源相聯(lián)接，通過 電刷和換向器的逆變作用，將外電源的直流變?yōu)榫€圈中的交電刷和換向器的逆變作用，將外電源的直流變?yōu)榫€圈中的交 流，使流，使N N極下的導(dǎo)體中的電流方向不變，極下的導(dǎo)體中的電流方向不變，S S極下的導(dǎo)體電流方極下的導(dǎo)體電

7、流方 向不變，而向不變，而N N、S S極下導(dǎo)體中的電流方向始終相反，以保證電極下導(dǎo)體中的電流方向始終相反，以保證電 磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。 同直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)的電樞并非單一同直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)的電樞并非單一 線圈，磁極也并非一對(duì)。線圈，磁極也并非一對(duì)。 二、直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件二、直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件 1 1、主磁極、主磁極 主磁極鐵心：主磁極鐵心：1mm1mm1.5mm1.5mm厚的厚的 低碳鋼板低碳鋼板 勵(lì)磁繞組：銅導(dǎo)線勵(lì)磁繞組：銅導(dǎo)線 產(chǎn)生氣隙磁場產(chǎn)生氣隙磁場 主磁極主磁極 勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組 主磁極鋼板沖片主磁極鋼板沖片 （1-1.5mm

8、厚）厚） 主磁極由鋼板主磁極由鋼板 沖片疊壓而成沖片疊壓而成 勵(lì)磁繞組套在勵(lì)磁繞組套在 主磁極極身上主磁極極身上 換向極鐵心：換向極鐵心：1mm 1.5mm厚的低碳鋼板 厚的低碳鋼板 作用：改善換向作用：改善換向 換向極繞組：與電樞繞組串聯(lián)換向極繞組：與電樞繞組串聯(lián) 2、換向極、換向極 p=2 即即4極電機(jī)極電機(jī) N SN S 3 3、機(jī)座、機(jī)座 作用：固定主磁極和換向極；作用：固定主磁極和換向極； 主磁路的一部分。主磁路的一部分。 鑄鋼或薄鋼板鑄鋼或薄鋼板 電樞鐵心沖片電樞鐵心沖片 (0.35-0.5mm厚厚) （硅鋼片（硅鋼片） 涂絕緣漆沖涂絕緣漆沖 片疊壓而成片疊壓而成 4 4、電樞鐵心

9、、電樞鐵心 作用：構(gòu)成主磁路以及嵌放電作用：構(gòu)成主磁路以及嵌放電 樞繞組樞繞組 5 5、電樞繞組、電樞繞組 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩 6 6、換向器、換向器 將電樞繞組內(nèi)的交流電動(dòng)勢用機(jī)械換向的方法轉(zhuǎn)換為將電樞繞組內(nèi)的交流電動(dòng)勢用機(jī)械換向的方法轉(zhuǎn)換為 電刷間的直流電動(dòng)勢。電刷間的直流電動(dòng)勢。 7、電刷裝置、電刷裝置 把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路 相連接；相連接； 與換向器配合作用獲得與換向器配合作用獲得 直流電壓。直流電壓。 銅絲辨銅絲辨 壓緊彈簧壓緊彈簧 電刷電刷 刷盒刷盒 普遍刷握和刷桿如右普遍刷握和刷桿如右 圖所示。圖所示。 三、直流電機(jī)的額定值三、直

10、流電機(jī)的額定值 1、額定功率、額定功率 PN 指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率， 以以 “W”為單位。若大于為單位。若大于 1kW 或或 1MW 時(shí)時(shí),則用則用 kW 或或 MW 表示。表示。 2、額定電壓、額定電壓 UN 指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為單位。為單位。 3、額定電流、額定電流 IN 指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的負(fù)載電流值，以指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的負(fù)載電流值，以 “A” 為單位。為單位。 4、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速 nN 指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以指額定

11、狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為單位為單位 5、額定勵(lì)磁電流、額定勵(lì)磁電流 IfN 指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值，以指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值，以“A”為單位。為單位。 對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，PN 是指輸出的電功率。是指輸出的電功率。 NNN IUP 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，PN 是指輸出的機(jī)械功率。是指輸出的機(jī)械功率。 NNNN IUP 一、直流電機(jī)的勵(lì)磁磁場一、直流電機(jī)的勵(lì)磁磁場 (空載磁場空載磁場) 下下 圖為一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場示意圖。圖為一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場示意圖。 1、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通 直流電機(jī)中，主磁通直流電機(jī)中，主磁通

12、 是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng) 電動(dòng)勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個(gè)作用，它只是增電動(dòng)勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個(gè)作用，它只是增 加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多。加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多。 0 主極漏磁系數(shù)主極漏磁系數(shù) 0 1 k 2 2、主磁場分布、主磁場分布 空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢主空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢主 要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵 磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下 氣隙磁通密度的分布就取決氣隙磁通密度的分布就取決 于氣隙的大小和形狀。于氣隙的大小和形狀。 )()(

13、 00 xFxB 氣隙磁密氣隙磁密 氣隙磁密在一個(gè)極下的分布?xì)庀洞琶茉谝粋€(gè)極下的分布 如圖所示，為一平頂波。如圖所示，為一平頂波。 x B 氣隙磁密分布?xì)庀洞琶芊植?2 2 0 xxar dBl dxBl 2 2 1 arx BBdx xx dBl dx S 3、磁化特性曲線、磁化特性曲線 磁化特性指電機(jī)主磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢的關(guān)系磁化特性指電機(jī)主磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢的關(guān)系 飽和系數(shù)飽和系數(shù) 0 1 FFFFk Fe 35. 11 . 1 k 0 (2) f fF 電機(jī)一般工作在磁化曲線開始彎電機(jī)一般工作在磁化曲線開始彎 曲處，曲處，C點(diǎn)，此時(shí)點(diǎn)，此時(shí) 7-3電樞繞組的一般知識(shí)電樞繞組的一般知識(shí) 一、

14、基本特點(diǎn)一、基本特點(diǎn) 1 1、基本要求、基本要求 （1 1）能產(chǎn)生盡可能大的電動(dòng)勢，并具有良好的波形；）能產(chǎn)生盡可能大的電動(dòng)勢，并具有良好的波形； （2 2）能通過盡可能大的電流，并承受由此產(chǎn)生的電磁力和）能通過盡可能大的電流，并承受由此產(chǎn)生的電磁力和 電磁轉(zhuǎn)矩；電磁轉(zhuǎn)矩； （3 3）結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠；）結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠； （4 4）便于維護(hù)和檢修；）便于維護(hù)和檢修； （5 5）換向良好。）換向良好。 2 2、電樞繞組的類型、電樞繞組的類型 （1）單疊繞組）單疊繞組 （2）單波繞組）單波繞組 （3）蛙形（混合）繞組）蛙形（混合）繞組 元件邊元件邊 元件邊元件邊 后端接后端接 后端接后端接

15、前端接前端接 前端接前端接 換向片換向片 換向片換向片 3、有關(guān)直流電樞繞組的術(shù)語、有關(guān)直流電樞繞組的術(shù)語 （1）元件和元件邊）元件和元件邊 元件：單匝或多匝線圈。每一元件有兩個(gè)放在在槽中能切割磁元件：單匝或多匝線圈。每一元件有兩個(gè)放在在槽中能切割磁 通感生電動(dòng)勢的有效邊稱元件邊通感生電動(dòng)勢的有效邊稱元件邊 (2)實(shí)槽數(shù)實(shí)槽數(shù)Q、虛槽數(shù)、虛槽數(shù)Qu、元件數(shù)、元件數(shù)S和換向片數(shù)和換向片數(shù)K 為了改善電機(jī)的性能，一個(gè)槽中一般放置不止一條上層邊為了改善電機(jī)的性能，一個(gè)槽中一般放置不止一條上層邊 和一條下層邊，如圖所示（引入虛槽概念）。和一條下層邊，如圖所示（引入虛槽概念）。 如果槽內(nèi)上層有如果槽內(nèi)上

16、層有u個(gè)元件邊，每個(gè)實(shí)槽就包含個(gè)元件邊，每個(gè)實(shí)槽就包含u個(gè)個(gè)虛槽，因此虛槽，因此 u QuQ 3u 一個(gè)元件有兩條邊，而一個(gè)虛槽中放置兩一個(gè)元件有兩條邊，而一個(gè)虛槽中放置兩 條邊，因此條邊，因此 u SQ 每個(gè)換向片聯(lián)接兩條不同的元件邊，每個(gè)換向片聯(lián)接兩條不同的元件邊， 因此因此 KS u QuQSK （3）極距）極距 每個(gè)主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或相鄰兩主磁距離，每個(gè)主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或相鄰兩主磁距離， 用所跨弧長或該弧長所對(duì)應(yīng)的虛槽表示。用所跨弧長或該弧長所對(duì)應(yīng)的虛槽表示。 2 2 a u D p Q p 或 （4）第一節(jié)距）第一節(jié)距y1 同一元件的兩個(gè)邊之間的距離，用虛槽數(shù)表示

17、。同一元件的兩個(gè)邊之間的距離，用虛槽數(shù)表示。 1 2 u Q y p 小于小于1的分?jǐn)?shù)。的分?jǐn)?shù)。 1 y 整距繞組；整距繞組； 1 y短距繞組；短距繞組； 1 y 長距繞組；長距繞組； （5）第二節(jié)距）第二節(jié)距y2 同一片換向片上相聯(lián)的兩個(gè)元件中的第一個(gè)元件的下元件邊同一片換向片上相聯(lián)的兩個(gè)元件中的第一個(gè)元件的下元件邊 到第二個(gè)元件的上元件邊在電樞表面的跨距，以虛槽數(shù)計(jì)。到第二個(gè)元件的上元件邊在電樞表面的跨距，以虛槽數(shù)計(jì)。 對(duì)于單疊繞組，對(duì)于單波繞組。對(duì)于單疊繞組，對(duì)于單波繞組。 0 2 y 0 2 y （6）合成節(jié)距）合成節(jié)距y和換向器節(jié)距和換向器節(jié)距yK 合成節(jié)距：相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)元

18、件邊在電樞表面的合成節(jié)距：相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)元件邊在電樞表面的 跨距?？缇?。 21 yyy 換向器節(jié)距：與每元件的兩個(gè)端相聯(lián)的兩個(gè)換向片在換向器換向器節(jié)距：與每元件的兩個(gè)端相聯(lián)的兩個(gè)換向片在換向器 表面的跨距，用表面的跨距，用 換向片數(shù)表示。換向片數(shù)表示。 k yy 0 k y右行繞組右行繞組 0 k y 左行繞組左行繞組 7-47-4、單疊繞組、單疊繞組 任何兩個(gè)串聯(lián)元件都是后一個(gè)元件疊在前一個(gè)的上面。任何兩個(gè)串聯(lián)元件都是后一個(gè)元件疊在前一個(gè)的上面。 1 k yy 單疊繞組一般為右行繞組，單疊繞組一般為右行繞組，y= =yk=1=1。 例：已知電機(jī)的極數(shù)例：已知電機(jī)的極數(shù)2 2p4 4，

19、且，且QuSK1616。試?yán)@制一。試?yán)@制一 單疊右行整距繞組。單疊右行整距繞組。 解：解：（1 1）計(jì)算繞組節(jié)距）計(jì)算繞組節(jié)距 +表示繞組右行，表示繞組右行，-表示繞組左行表示繞組左行 （3 3）繞組展開圖）繞組展開圖 1 k yy （槽）341 12 yyy 由于是右行繞組由于是右行繞組 1 16 4 24 u Q y p （槽） （2 2）繞組聯(lián)接次序表（自成閉合回路）繞組聯(lián)接次序表（自成閉合回路） “+”表示向右跨距表示向右跨距 “-”表示向左跨距表示向左跨距 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 91010111112 1213 1314141515 16

20、161 1 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 91010 11111212131314141515 16161616 NN S S A1A2B1B2 電刷放置的原則：電刷放置的原則： （1）空載時(shí)被電刷短）空載時(shí)被電刷短 路的元件的感應(yīng)電動(dòng)勢盡路的元件的感應(yīng)電動(dòng)勢盡 可能為零?？赡転榱?。 （2）并聯(lián)支路的電動(dòng)）并聯(lián)支路的電動(dòng) 勢盡可能大。勢盡可能大。 電刷應(yīng)放置在換向器上的幾何中性線上。電刷應(yīng)放置在換向器上的幾何中性線上。 換向器上的幾何中性線：軸線與主極軸線重合的元件的換向器上的幾何中性線：軸線與主極軸線重合的元件的 兩端所聯(lián)接的兩片換向片的中線。兩端所聯(lián)接的兩片換向片的中線。 對(duì)于端接對(duì)對(duì)于端接對(duì) 稱的元件來稱的元件來 說，元件軸說，元件軸 線、主極軸線、主極軸 線和換向器線和換向器 上的幾何中上的幾何中 性線重合。性線重合。 不論是整距