電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)

第二章直流電機(jī)重點(diǎn)/難點(diǎn)：1.電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)2.單疊繞組3.單波繞組第二章直流電機(jī)第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)一、直流發(fā)電機(jī)工作原理

右圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。第二章直流電機(jī)當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)同，線圈abcd將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如右圖，導(dǎo)體ab在N極下，a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體cd在S極下，c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。第二章直流電機(jī)

實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際需要有多個(gè)線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對(duì)。與電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負(fù)的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，如右圖。

導(dǎo)體ab在S極下，a點(diǎn)低電位，b點(diǎn)高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點(diǎn)低電位，d點(diǎn)高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。第二章直流電機(jī)若把電刷A,B接到一直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負(fù)極，此時(shí)在電樞線圈中將有電流流過。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。無論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上都是具有換向裝置的交流電機(jī)。第二章直流電機(jī)二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子（固定不動(dòng)）與轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)）兩大部分組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙,稱為氣隙。定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝置；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件。下面介紹直流電機(jī)主要部件的作用與基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示。第二章直流電機(jī)1—風(fēng)扇；2—機(jī)座；3—電樞；4—主磁極；5—刷架；6—換向器；7—接線板；8—出線盒；9—換向極；10—端蓋圖3直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖第二章直流電機(jī)1．定子部分（1）機(jī)座機(jī)座既可以固定主磁極、換向極、端蓋等，又是電機(jī)磁路的一部分（稱為磁軛）。機(jī)座一般用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，具有良好的導(dǎo)磁性能和機(jī)械強(qiáng)度。（2）主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵(lì)磁繞組）構(gòu)成，如圖4所示。主磁極鐵心一般由1.0mm～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，包括極身和極靴兩部分。極靴做成圓弧形，以使磁極下氣隙磁通較均勻。極身上面套有勵(lì)磁繞組，繞組中通入直流電流。整個(gè)磁極用螺釘固定在機(jī)座上。第二章直流電機(jī)圖4直流電機(jī)的主磁極1—固定主磁極的螺釘；2—主磁極鐵心；3—?jiǎng)?lì)磁繞組第二章直流電機(jī)（3）換向極換向極用來改善換向，由鐵心和套在鐵心上的繞組構(gòu)成，如圖5所示。換向極鐵心一般用整塊鋼制成，如換向要求較高，則用1.0mm～1.5mm厚的鋼板疊壓而成，其繞組中流過的是電樞電流。換向極裝在相鄰兩主極之間，用螺釘固定在機(jī)座上。圖5直流電機(jī)的換向極

1—換向極鐵心；2—換向極繞組

第二章直流電機(jī)（4）電刷裝置電刷與換向器配合可以把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組電路和外電路連接并把電樞繞組中的交流量轉(zhuǎn)變成電刷端的直流量。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿架、彈簧、銅辮構(gòu)成，如圖6所示。電刷組的個(gè)數(shù)，一般等于主磁極的個(gè)數(shù)。第二章直流電機(jī)圖6直流電機(jī)的電刷裝置

1—電刷；2—刷握；3—彈簧壓板；4—座圈；5—刷桿（4）電刷裝置電刷與換向器配合可以把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組電路和外電路連接并把電樞繞組中的交流量轉(zhuǎn)變成電刷端的直流量。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿架、彈簧、銅辮構(gòu)成，如圖6所示。電刷組的個(gè)數(shù)，一般等于主磁極的個(gè)數(shù)。第二章直流電機(jī)圖7電樞鐵心

2．轉(zhuǎn)子部分（1）電樞鐵心電樞鐵心是電機(jī)磁路的一部分，其外圓周開槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心一般用0.5mm厚、兩邊涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成，如圖7所示。電樞鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心較長時(shí)，為加強(qiáng)冷卻，可把電樞鐵心沿軸向分成數(shù)段，段與段之間留有通風(fēng)孔。第二章直流電機(jī)（2）電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)的主要組成部分，其作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、通過電樞電流，它是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。通常用絕緣導(dǎo)線繞成的線圈（或稱元件），按一定規(guī)律連接而成。第二章直流電機(jī)

圖8換向器

（3）換向器換向器是由多個(gè)緊壓在一起的梯形銅片構(gòu)成的一個(gè)圓筒，片與片之間用一層薄云母絕緣，電樞繞組各元件的始端和末端與換向片按一定規(guī)律連接，如圖8所示。換向器與轉(zhuǎn)軸固定在一起。第二章直流電機(jī)三、直流電機(jī)的型號(hào)和額定值（銘牌）Z2、Z3、Z4系列－一般用途的中小型電機(jī)，Z3、Z4和Z2比較在于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，調(diào)速范圍寬、體積小、重量輕等特點(diǎn)；Z和ZF－一般用途的大中型直流電機(jī)，Z為電動(dòng)機(jī)系列，ZF為發(fā)動(dòng)機(jī)系列；ZZJ－冶金輔助拖動(dòng)機(jī)械用的起重直流電動(dòng)機(jī)。ZBF和ZBD系列－用于龍門刨床的直流電機(jī)。第二章直流電機(jī)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)制造廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)定了電機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件，通常稱之為額定運(yùn)行情況。凡表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)，稱為額定值。額定值一般都標(biāo)注在電機(jī)的銘牌上，所以也稱為銘牌數(shù)據(jù)，它是正確合理使用電機(jī)的依據(jù)。第二章直流電機(jī)電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動(dòng)機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流額定條件下電機(jī)所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機(jī)指軸上輸出的機(jī)械功率電動(dòng)機(jī)第二章直流電機(jī)波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進(jìn)。疊繞組：指串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。一、直流樞繞組基本知識(shí)元件的首末端：每一個(gè)元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。第二章直流電機(jī)換向節(jié)距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。單波繞組單疊繞組合成節(jié)距：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離。第一節(jié)距y1：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離。第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。環(huán)形繞組鼓形繞組疊繞組波繞組第二章直流電機(jī)二、單疊繞組特點(diǎn)：槽數(shù)Ze、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同y=yk=1單疊繞組的連接規(guī)律是：所有的相鄰元件依次串聯(lián)（即后一元件的首端與前一元件的尾端相連），同時(shí)每個(gè)元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個(gè)閉合回路。單疊繞組的合成節(jié)距等于一個(gè)槽，換向節(jié)距等于一個(gè)換向片。第二章直流電機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)y和y1畫繞組展開圖安放電刷和磁極y＝y(tǒng)k＝11.數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)例：p＝2，Ze＝S＝K＝16第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)3.繞組放置元件1：上元件邊在1槽，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。元件2：上元件邊在2槽，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)磁極：磁極寬度約0.7τ,均勻分布，N、S極交替安排。電刷：連接內(nèi)、外電路。為了在正負(fù)電刷間獲得最大直流電勢(shì)以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢(shì)為零的位置。電勢(shì)為零的元件：在一個(gè)主極下的元件邊電勢(shì)具有相同的方向。在磁極的幾何中心線上電勢(shì)為零。電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主磁極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)3）電樞電流等于各支路電流之和。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電刷間電動(dòng)勢(shì)等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢(shì)。1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p;根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖:單疊繞組的的特點(diǎn)：繞組的并聯(lián)支路電路圖第二章直流電機(jī)單波繞組：換向極距yc必須符合即為了使繞組從某一換向片出發(fā)，沿電樞鐵心一周后回到原來出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上，則可由此再繞下去。為了使緊相串聯(lián)的元件所生的電勢(shì)同向相加，元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距3.4.2單波繞組單波繞組的連接規(guī)律是：把相隔大約兩個(gè)極距，即在磁場(chǎng)中位置差不多相對(duì)應(yīng)的元件連接起來。第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)從繞組展開圖可以看出，全部15個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)閉合回路的順序是：1815714613512411310291用聯(lián)接順序圖表示為：1815714613512411310291411310291815714613512上層邊下層邊第二章直流電機(jī)單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對(duì)數(shù)a與極對(duì)數(shù)多少無關(guān)，永遠(yuǎn)為1，即a≡1。5）電樞電流等于兩條支路電流之和。4）電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢(shì)最大；1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一