直流電機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)、勵(lì)磁方式、額定值

1、直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)直流電機(jī)是本課程學(xué)習(xí)的最后一種機(jī)種，在前面講述變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī) 的過程中，我們不斷地采用了歸納、類比、找出異同點(diǎn)的講授方法，是希望大家通過這 樣的學(xué)習(xí)，能逐步訓(xùn)練自己掌握一種善于不斷歸納、總結(jié)；善于采用類比、比較、找出 異同點(diǎn)的學(xué)習(xí)方法，這種分析問題、解決問題的方法不但對(duì)學(xué)習(xí)電機(jī)、對(duì)學(xué)習(xí)其他課程、 甚至對(duì)將來參加工作都是十分有用的，這是一種良好的學(xué)習(xí)、工作、生活方法和習(xí)慣。 在學(xué)習(xí)直流電機(jī)過程中，我們繼續(xù)嘗試采用這樣的方法。直流電機(jī)分直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)，其中：直流發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?能、直流電動(dòng)機(jī)是把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。與前面介紹過的各種電機(jī)比

2、較，它們各有異同之處：1 .由于發(fā)電機(jī)都是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?因此機(jī)械轉(zhuǎn)矩都是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩都是制動(dòng) 轉(zhuǎn)矩，因此直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式將與交流 （同步）發(fā)電機(jī)相同，均為：=t +t。; 所對(duì)應(yīng)的功率平衡方程式也將相同：pi = pm + p。；其中：=尺=95502；t= = 9550色；n n丁。=典=9550也；n是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，對(duì)同步機(jī)n=q。相異的只是pm的表達(dá)式有所不同。 1.1n同理，由于電動(dòng)機(jī)都是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，因此電磁轉(zhuǎn)矩都是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn) 矩都是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式應(yīng)與異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)相同， 均為：t = t2+t0；其中：t2= p2=

3、9550% ； t0=也=9550也；n 是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；t=仄=9550反， n11njnini是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，對(duì)直流機(jī)和同步機(jī)也是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，相異的同樣是三種機(jī)種的 pm表達(dá)式各有區(qū)別。比如：已學(xué)過的異步機(jī)pm = 3122 ；隱極同步機(jī)pm = 3 ui 11cos（|）=3©”5 ；而直流電動(dòng) s一機(jī)的將為：pm = eaia。2 .由于無論任何旋轉(zhuǎn)機(jī)種，電磁轉(zhuǎn)矩都是電磁力乘以半徑，電磁力就是載流導(dǎo)體在磁場i中所受的力，因此異步機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩物理表達(dá)式t=且=ct*i2 cos我與直流機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式t=也=白*ia也是極為相似。相異的只是交流電流只有其有功分量12 cos邛

4、2才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而直流電流ia并無有功、無功分量之分。3 .我們曾提到過異步機(jī)和變壓器都是屬單邊勵(lì)磁的，即只有原邊或定子接電源，副邊和 轉(zhuǎn)子都不接電源，因此它們之間從感應(yīng)電勢表達(dá)式到等值電路、方程式、相量圖都有很 多相似之處。而同步電機(jī)和直流電機(jī)都是雙邊勵(lì)磁的，即定子和轉(zhuǎn)子都接電源，因此它 們的磁場也有很相似之處。它們其中一邊都是電樞磁場、另一邊都是主極磁場，當(dāng)電機(jī) 空載時(shí)，都只有主極磁場；當(dāng)電機(jī)負(fù)載時(shí)，除了有主極磁場外還有電樞磁場，電樞磁場 對(duì)主極磁場的影響都稱之為電樞反應(yīng)，因此同步機(jī)有電樞反應(yīng)，直流機(jī)也將有電樞反應(yīng)。相異的是：同步機(jī)的電樞是交流的，直流機(jī)的電樞是直流的，交流磁場與直流磁場

5、的電樞反應(yīng)性質(zhì)是不同的。止匕外，同步機(jī)的定子是電樞、轉(zhuǎn)子是主磁極；直流電機(jī)剛好 相反：定子是主磁極、轉(zhuǎn)子是電樞。在學(xué)習(xí)直流電機(jī)的過程，提請大家注意上述歸納總結(jié)的異同點(diǎn)。一.直流電機(jī)的工作原理（一）直流發(fā)電機(jī)工作原理看如圖的電機(jī)模型：空間有一對(duì)固定不動(dòng)的磁極，中間有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鐵磁圓柱體，上 面敷設(shè)著一個(gè)線圈abcd發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)鐵磁圓柱體旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈導(dǎo)體就會(huì)切 割磁力線感生電勢。若圓柱體旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，當(dāng)ab邊在n極下時(shí)，據(jù)右手定則，感應(yīng)電勢方向從d -c-b-a;若帶上負(fù)載電阻rad,電阻的a端固定接線圈a端，d端固定接線圈d端， 則負(fù)載電流方向從ad,如圖藍(lán)色箭

6、頭方向。當(dāng)圓柱體轉(zhuǎn)過1800以后，cd邊轉(zhuǎn)到n極下，則據(jù)右手定則，感應(yīng)電勢方向從 a-b cd,由于負(fù)載電阻的a端固定接線圈a端，d端固定接線圈d端，則負(fù)載電流方向 從d-a,如圖紅色箭頭方向?？梢?，由負(fù)載得到的是交流電流而不是直流電流。ab邊在n極下時(shí)線圈電勢 dcbta 負(fù)載電流 adcd邊在n極下時(shí)一一線圈電勢 a-b-cfd負(fù)載電流 d-a原因是：由于磁極的極性沒有變、原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向沒有變，由右手定則可知，n極下的導(dǎo)體電勢肯定都是指出來、s極下的電勢肯定都是指進(jìn)去的。因此，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中， 每條線圈邊在轉(zhuǎn)過n極和s極時(shí)電勢都要交變一次，即線圈中的電流其實(shí)是交流電流故若把電阻負(fù)載的兩端

7、固定接線圈的兩端，負(fù)載所得到的自然同樣是交流電流。為了使流經(jīng)負(fù)載的電流為直流，唯有令負(fù)載的一端固定接n極下的導(dǎo)體，負(fù)載的另一端固定接s極下的導(dǎo)體，即無論哪根導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 n極下，這根導(dǎo)體就接到負(fù)載 a端，無 論哪根導(dǎo)體轉(zhuǎn)到s極下，這根導(dǎo)體就接到負(fù)載的 d端。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的必須借助電刷和換向器，如圖：線圈a端和d端分別接到兩片相互絕緣的銅片上，稱之為換向片，所有換向片隨電機(jī) 軸旋轉(zhuǎn)稱為換向器。電刷是固定不動(dòng)的，令負(fù)載電阻的a端固定接電刷a,負(fù)載電阻的d端固定接電刷d:nu iland則加上電刷和換向器后，ab邊在n極下時(shí)線圈電勢 dcbta負(fù)載電流 adcd邊在n極下時(shí)一一線圈電勢 a-b-cfd負(fù)

8、載電流 2d可見：雖然線圈的電流仍為交流，負(fù)載的電流卻是直流。因此，直流發(fā)電機(jī)的工作原理是：導(dǎo)體切割磁力線感生電勢，通過電刷和換向器的作用，使負(fù)載的一端固定接n 極下的導(dǎo)體，而負(fù)載的另一端固定接s 極下的導(dǎo)體，從而使電機(jī)雖然線圈中的電流是交流，在負(fù)載卻得到了直流電。（二） 直流電動(dòng)機(jī)工作原理仍然是上圖的電機(jī)模型，電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。若直流電源的正極固定接線圈的 a 端，負(fù)極固定接線圈的 d 端，當(dāng) ab 邊在 n 極下時(shí)，線圈通入如藍(lán)色箭頭方向的直流電流a-b-c-d,根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場中受電磁力的作用，方向符合左手定則，則電磁力為逆時(shí)針方向；當(dāng)線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)過1800 以后， cd 邊

9、轉(zhuǎn)到 n 極下，由于 a 端固定接正極， d 端固定接負(fù)極，故線圈的電流方向如紅色箭頭示尹b-c-d,由左手定則可知，線圈所受的電磁力為順時(shí)針方向；即線圈所受的電磁力方向是交變的，故線圈只能來回晃動(dòng)，不能單方向 旋轉(zhuǎn)。ab邊在n極下時(shí)一一線圈電流a-b-c-d電磁力逆時(shí)針cd邊在n極下時(shí)一一線圈電流a-b-c-d電磁力順時(shí)針原因是：磁極的極性沒有變，要想產(chǎn)生單方向的電磁力，同一極性下導(dǎo)體的電流一定要是單方向的。如今由于線圈a端固定接電源正極、d端固定接負(fù)極，則ab邊轉(zhuǎn)到n極下 時(shí)，電流是從n 極流進(jìn) s 極流出，但當(dāng) ab 邊轉(zhuǎn)到 s 極下時(shí)，電流又變成從s 極流進(jìn) n極流出，因而產(chǎn)生的電磁力

10、就是交變的了。解決辦法也是采用電刷與換向器。同樣是線圈a端和d端分別接到兩片相互絕緣換向片上， 換向器隨電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。電刷固定不動(dòng)，電源正極固定接電刷 a,電源的負(fù)極固定接電刷 do則加上電刷和換向器后，ab邊在n極下時(shí)一一線圈電流a-b-c-d電磁力逆時(shí)針cd邊在n極下時(shí)線圈電勢dcba電磁力逆時(shí)針可見：線圈的電流是交流，但產(chǎn)生的電磁力是單方向的。因此，直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是：載流導(dǎo)體在直流磁場中受電磁力的作用，通過電刷和換向器，使得同一極性下的導(dǎo)體電流為單方向，從而產(chǎn)生單方向的電磁力，通過上面的討論，還可以得出這樣的結(jié)論：1 直流電機(jī)線圈中的電勢、電流是交流，只有電刷兩端的電勢、電流才是直流

11、，因此直流電機(jī)實(shí)質(zhì)上是帶電刷和換向器的交流電機(jī)。電刷與換向器配合，在直流發(fā)電機(jī)中相當(dāng)于整流器的作用：把線圈的交流電整流為電刷兩端的直流電；在直流電動(dòng)機(jī)中相當(dāng)于逆變器的作用：把電刷兩端的直流電逆變成線圈中的交流電。2直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的模型完全相同，從原理上來說，一臺(tái)直流電機(jī)既可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只是能量傳遞的方向不同。如果由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出直流電，輸出到直流電網(wǎng)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這時(shí)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)；如果降低原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直至電機(jī)電流反向，變成直流電網(wǎng)向電機(jī)供電，電機(jī)反要拖動(dòng)原來的原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)。這種同一臺(tái)電機(jī)既可作

12、發(fā)電機(jī)運(yùn)行也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆性原理。二直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由直流電機(jī)的模型可看到，它跟其它旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣分定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，定、轉(zhuǎn)子之間是氣隙。（1） .定子1 主磁極直流電機(jī)的主磁極既可以是永久磁鐵也可以是直流電勵(lì)磁，為了使主磁通在氣隙中分布更合理，極靴部分比極身部分要寬些，如圖。2 .換向極由直流機(jī)的工作原理可知。電機(jī)線圈里的電流是交流，通過電刷和換向器才把之變?yōu)?電刷兩端的直流。因此每根導(dǎo)體在經(jīng)過電刷前和經(jīng)過電刷后電流要反一次向，我們把這 個(gè)過程稱之為換向。電流的交變會(huì)在線圈電感中感生電勢 l5,由此產(chǎn)生的換向電流會(huì)建dt立電磁能量1li2,在換向結(jié)束時(shí)這些能量會(huì)以火花的形

13、式從電刷后放出來，火花會(huì)使電 2刷和換向器表面損壞，嚴(yán)重時(shí)將使電機(jī)不能正常工作。裝置換向極的目的就是為了減少火花，改善換向。換向極裝在兩個(gè)磁極中間，即幾何中性線處，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。3 .機(jī)座機(jī)座一方面起支承定子的作用，另方面是電機(jī)主磁路的一部分。4 .電刷裝置（2） .轉(zhuǎn)子（稱為電樞）1 .電樞鐵心電樞鐵心是電機(jī)主磁路的一部分，用來嵌放電樞繞組。由于直流電機(jī)線圈中的電流是交流，為了減少交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的鐵耗，與其它機(jī)種一樣，電樞鐵心采用0.5mm厚的相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。2 .電樞繞組實(shí)際的電樞繞組由很多線圈按一定規(guī)律繞成。3 .換向器實(shí)際的換向器由很多換向片構(gòu)成，每片之間互

14、相絕緣。根據(jù)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，直流機(jī)的線路圖如圖所示：三.直流電機(jī)的勵(lì)磁方式與同步電機(jī)不同，由于直流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子、即主磁極和電樞（電樞繞組是各線圈通過換向片串聯(lián)起來的，是一個(gè)閉合繞組）流經(jīng)的都是直流電流，因此主磁極勵(lì)磁繞組既可與電樞繞組并聯(lián)、也可與電樞繞組串聯(lián)、也可單獨(dú)由其它直流電源供電。根據(jù)主磁極勵(lì)磁電流的獲得方式不同，稱之為不同的勵(lì)磁方式。直流電機(jī)有4 種不同的勵(lì)磁方式：4 .他勵(lì)：勵(lì)磁繞組由其它獨(dú)立電源供電特點(diǎn)：電網(wǎng)電流=電樞電流，即 i = ia。如圖分別為他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的線路圖：5 并勵(lì)：勵(lì)磁繞組并在電樞繞組兩端,注意并勵(lì)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的電流關(guān)系是不同的。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)：電機(jī)發(fā)出的電樞電流ia須提供一小部分給勵(lì)磁繞組作勵(lì)磁電流if,其余 的輸出到電網(wǎng)：ia= i + if并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：電網(wǎng)提供的電流小部分供給勵(lì)磁繞組，其余的送入電樞繞組：i = ia + if3串勵(lì)：勵(lì)磁繞組串在電樞回路特點(diǎn)：不論電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)： i= ia = if4復(fù)勵(lì)：有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)串在電樞回路、一個(gè)并在電樞繞組兩端。如果串勵(lì)繞組與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的