直流電機的基本原理和電磁關(guān)系

關(guān)于直流電機的基本原理和電磁關(guān)系第1頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五直流電機的用途

第2頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋第3頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五直流電機的物理模型圖

上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

第4頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五1.1定子轉(zhuǎn)子

（固定部分）（轉(zhuǎn)動部分）主磁極換向極機座端蓋軸承電刷裝置產(chǎn)生磁場、電機的機械支撐

電樞鐵心電樞繞組換向器軸風(fēng)扇感應(yīng)電勢，而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分

第5頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五第6頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五第7頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五1.2電刷裝置電樞電流能經(jīng)旋轉(zhuǎn)的換向器（隨轉(zhuǎn)子）通過靜止的電刷（固定在定子上）接通外電路,將轉(zhuǎn)動的電樞與外電路相連,與換向器配合作用而獲得直流電壓.

電刷組數(shù)一般等于電機極對數(shù)

第8頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五復(fù)勵式(圖)：裝有兩個勵磁繞組，一為與電1、他勵式

其勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。2、自勵式發(fā)電機：利用自身發(fā)出的電流勵磁；

電動機：勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。并勵式：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；串勵式(圖)：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；樞并聯(lián)的并勵繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。1.3直流電機的勵磁方式第9頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五+-串勵式第10頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五+-復(fù)勵式第11頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五二、直流電機電樞繞組作用：電樞繞組——功率繞組。當(dāng)電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)時將感應(yīng)電勢，當(dāng)電樞繞組中流通電流時，電流和氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組直流電機進行電功率和機械功率的轉(zhuǎn)換。特點：直流繞組是閉合繞組。每個元件的兩端點分別連接在兩換向片上，每個換向片連接兩個元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。第12頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五2.1雙層繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。兩邊電勢相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個極距。線圈對稱排列：當(dāng)一線圈的一個邊在某槽中占有上層位置時，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。第13頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五虛槽概念在大型電機中、每層可能有N個并列圈邊 為了改善電機的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。每層有3個圈邊實槽虛槽每一元件有兩個圈邊，每一換向片上接有兩個圈邊，每一虛槽內(nèi)放置有兩個圈邊，元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，也等于虛槽數(shù)

每線圈有Nc匝，則總導(dǎo)體數(shù)N第14頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五2.2直流繞組的節(jié)距第一節(jié)距y1

元件的寬度，虛槽數(shù)，兩個圈邊之間的距離第二節(jié)距y2

聯(lián)至同一換向片的兩個圈邊之間的距離合成節(jié)距y

緊相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)圈邊在電樞表面的跨距換向器節(jié)距yk

每一線圈兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示第15頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五2.3單疊繞組每個元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個繞組元件相對前一個繞組元件僅移過一個槽。右行左行第16頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五例：繞組20虛槽，四極，雙層由右手定則判電流方向在電樞幾何中心線上的元件邊感應(yīng)電勢為0為獲得對稱的繞組，每元件連接的兩換向片的分界線與元件軸線重合第17頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五例：繞組20虛槽，四極，雙層電刷被電刷短路，處于換向狀態(tài)并聯(lián)支路數(shù)2a=2p

N極

S極

S極

N極直流繞組是閉合繞組每一極面下的元件串聯(lián)成一支路每支路中一個元件被電刷短路，處于換向狀態(tài)中在整個閉合回路中，感應(yīng)電勢總和為0，繞組內(nèi)部無環(huán)流電刷數(shù)等于極數(shù)。同極性的電刷連接形成一個“極”電刷之間的引出電勢為每一支路個元件的電勢和第18頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五電刷放置法使電刷間導(dǎo)出的電勢有最大值使與電勢為零的元件所連接的換向片相連接

當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)至交軸時，感應(yīng)電勢為零，電刷應(yīng)與處于交軸位置的導(dǎo)體相連如導(dǎo)體對稱，則磁極的幾何中心線處為電刷位置換向繞組的繞組軸線、磁極軸線和電刷位置在同一位置上。

N第19頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五2.4單波繞組每一繞組元件的出發(fā)點和終端不在相鄰的兩換向片上，而相隔近似為一個極距相鄰兩元件相隔近似一對極距連接p個元件后回到出發(fā)元件的附近，相隔一個槽第20頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五例：電樞繞組19槽，四極第21頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五例：電樞繞組19槽，四極只有兩條并聯(lián)支路：所有N極下的導(dǎo)體并聯(lián)為一支路，所有S極下的并聯(lián)為另一支路。2a=2電刷數(shù)原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷電刷位置：應(yīng)與電勢為零的元件所連接的換向片相連第22頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五2.5單疊繞組和單波繞組的差別單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構(gòu)成一支路，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù) 電樞間電勢較下，電樞電流較大，稱并聯(lián)繞組單波繞組：N極下上層的繞組元件串聯(lián)為一支路，S極下的串聯(lián)為另一支路，并連支路數(shù)恒等于2

電刷間電勢較大，電樞電流較下，稱串聯(lián)繞組。NNSS疊繞波繞第23頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五三、直流電機的簡單工作原理旋轉(zhuǎn)電樞式的直流電機電樞旋轉(zhuǎn)、磁極固定，帶有換向器磁極——定子電樞線圈——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)換向片靜止電刷通過換向片，電刷1總與位于N極下的導(dǎo)體相連，極性為正；電刷2與位于S極下的導(dǎo)體相連，極性為負(fù)第24頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五四、空載時直流電機的磁場由磁極的直流勵磁電流產(chǎn)生，空氣隙磁場不隨時間變化，是恒定磁場；空間上，忽略極面下的齒槽效應(yīng)，沿極面均勻分布。邊緣磁通空間上，非正弦分布，在導(dǎo)體中感應(yīng)電勢將包括有高次諧波。第25頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五主磁通與磁極漏磁通主磁通：產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩的有效磁通，通過空氣隙，同時交鏈電樞繞組和勵磁繞組。磁極漏磁通：從磁極的側(cè)面逸出，只和勵磁繞組交鏈。磁極磁通：包括主磁通和漏磁通，k=+電樞磁通：主磁通的一半定子磁軛磁通：磁極磁通的一半第26頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五換向極主磁極磁軛第27頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五五、負(fù)載時電樞電流產(chǎn)生的磁勢電樞磁勢的存在使空氣隙磁勢的分布情況改變，從而使空氣隙磁場分布情況改變。

對于一定的電樞電流，空氣隙磁場仍然是一恒定磁場，即不隨時間變化由于靜止的電刷和運動的換向器的共同作用，電刷間連接的導(dǎo)體時刻在變化，但電刷間導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁勢不變。電樞磁勢和主磁極的相對位置一定。同步電機的電樞磁勢和主磁極也相對靜止，但其相對位置隨負(fù)載功率因數(shù)而變化第28頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五5.1直流電機電樞繞組磁勢波形

直流電機的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù)

Cf.交流電機的電樞磁勢是幅值隨時間按正弦規(guī)律脈動的空間分布波

如沿電樞分布的線圈無限增多，則級形波將趨近于三角形波

第29頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五5.2電刷位置對電樞磁勢的影響電樞磁勢幅值的位置恰在導(dǎo)體中的電流改變方向處，亦即在導(dǎo)體通過電刷處。如電刷和位于交軸的導(dǎo)體相接觸，則電樞磁勢的軸線也在交軸；如電刷移動，則電樞磁勢的軸線也就跟著移動。直流電機的電樞磁勢軸線水遠(yuǎn)位于導(dǎo)體中的電流改變方向處（電刷位置），且在空間是靜止不動的。第30頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五5.3任意點電樞磁勢的計算條件：設(shè)電樞繞組的導(dǎo)體數(shù)為W，極數(shù)為2p，則一個極距內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)為W／2p。電刷電流為Ia，并聯(lián)支路數(shù)為2a，則流過每一導(dǎo)體的電流為Ia／2a

線負(fù)載A：沿著電樞圓周每單位長度內(nèi)的電流安培數(shù)第31頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五交軸直軸電樞磁勢位置取決于電刷位置，電刷位于交軸，電樞磁勢軸線也在交軸，為（交軸）電樞反應(yīng)。極尖處磁密最大且由于其飽和程度的提高，飽和影響使高峰略有下降，即極面下的總磁通略減小，呈去磁作用六、負(fù)載時的氣隙磁勢和磁場第32頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五交軸直軸（交軸）電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響：使氣隙磁場發(fā)生畸變使物理中心線偏移幾何中心線一個角度（對發(fā)電機：順著旋轉(zhuǎn)方向）磁路未飽和時，每極磁通不變?nèi)缈紤]磁路飽和的影響，則交軸電樞反應(yīng)有去磁作用第33頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五直軸電樞反應(yīng)如電刷順著發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)方向或逆著電動機的旋轉(zhuǎn)方向移過一個角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢的軸線也隨著電刷移動。

在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，稱為直軸電樞反應(yīng)，其方向與主磁極極性相反，使主磁通減弱，呈現(xiàn)去磁作用。將使電樞電勢減小；在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。

第34頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五在角度2β范圍內(nèi)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢固定作用在直軸，其方向與主磁極極性相同，呈磁化作用。將加劇換向的困難；在角度2β范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁勢作用在交軸，為交軸電樞反應(yīng)。第35頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五削弱電樞反應(yīng)負(fù)作用的措施

由于電樞反應(yīng)使氣隙磁場畸變而形成環(huán)火的可能性較大，須將電樞反應(yīng)盡可能地予以補償，以防止發(fā)生環(huán)火。在電機中裝置有補償繞組，使其產(chǎn)生的磁勢適能抵消電樞反應(yīng)電勢；補償繞組的電流分布和電樞繞組各對應(yīng)點的電流分布大小相等、方向相反；交軸附近的電樞磁勢將由換向極磁勢來補償。補償繞組和換向極繞組應(yīng)和電樞繞組串聯(lián)。第36頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五簡單分析設(shè)電樞磁勢的每極安匝數(shù)為Fa則直軸電樞磁勢的幅值為交軸電樞磁勢的幅值為交軸電樞磁勢的去磁作用，用等效直軸去磁安匝Faqd表示，它與磁路的飽和程度有關(guān)，可近似與電樞電流成正比有效的勵磁磁勢為第37頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五七、電樞繞組的感應(yīng)電勢電樞繞組的感應(yīng)電勢——電機正、負(fù)電刷之間的電勢，即每一并聯(lián)支路的電勢。位于電刷之間固定位置的各個導(dǎo)體的感應(yīng)電勢之和假設(shè)電樞導(dǎo)體是連續(xù)均勻分布的，則電勢為恒定的直流電勢

第38頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五7.1電樞繞組的感應(yīng)電勢設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為W，有2a條并聯(lián)支路，則每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體為W／2a電刷間的感應(yīng)電勢為每一支路中的串聯(lián)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢之和

第39頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五直流電機的感應(yīng)電勢與每極磁通量及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如將每極磁通量保持不變，直流電機的感應(yīng)電勢將和轉(zhuǎn)速成正比。如將轉(zhuǎn)速保持不變，直流電機的感應(yīng)電勢將和每極磁通量成正比。電刷間的感應(yīng)電勢僅和極面下的總磁通量有關(guān)，而和極面下磁通密度的分布情況無關(guān)第40頁，共47頁，2022年，5月20日，13點17分，星期五7.2

直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機ΔU——每一電刷的接觸電壓降電刷接觸電阻隨電流的增大而減小，通常假定為常數(shù)，當(dāng)用石墨電刷或碳石墨電刷時，取為1V電壓平衡式IaIL

If第41頁，共47頁，2022年，5月20日，13