第3章直流電機(jī)

第三章直流電機(jī)

本章概述實現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為電機(jī)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)叫旋轉(zhuǎn)電機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱作發(fā)電機(jī)，根據(jù)電磁原理把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱為電動機(jī)。船用電機(jī)在船舶的整個電器設(shè)備中占有很大的比例。一般幾千噸位以上的船舶，電機(jī)的總數(shù)量可超過百臺以上，若為電力推動船舶，電機(jī)數(shù)量更多。根據(jù)電流種類電機(jī)分交流電機(jī)和直流電機(jī)。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng)

2023/2/4課件直流電機(jī)是實現(xiàn)機(jī)械能和直流電能相互轉(zhuǎn)換的一種旋轉(zhuǎn)電器裝置。直流電機(jī)是可逆的。一臺直流電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)使用，也可以作為電動機(jī)使用。在作為電動機(jī)使用時，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并且具有良好調(diào)速性能，調(diào)速設(shè)備簡單，有較大的起動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，在現(xiàn)代船舶上有時被用在要求起動轉(zhuǎn)矩大調(diào)速性能好和有較大的過載能力的起貨機(jī)或電動舵機(jī)的電力拖動上。在作為發(fā)電機(jī)使用時，它把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流發(fā)電機(jī)早期作為主電源在船舶上普遍應(yīng)用，與交流發(fā)電機(jī)比較，存在的主要缺點是：電壓不能變換以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高和維護(hù)工作量大等?，F(xiàn)在大多數(shù)船舶采用交流發(fā)電機(jī)替代直流發(fā)電機(jī)，但有些船舶仍用直流發(fā)電機(jī)作為變流機(jī)組向直流電力拖動系統(tǒng)提供直流電能。有些船舶主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)也是直流發(fā)電機(jī)，如遠(yuǎn)洋捕撈船的拖網(wǎng)機(jī)。所以直流電機(jī)仍然是船舶電氣設(shè)備的主要類型之一。本章主要介紹，直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、勵磁方式和直流發(fā)電機(jī)、直流電動機(jī)的基本運行特性等。第三章直流電機(jī)本章主要講解內(nèi)容

第一節(jié)直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

第二節(jié)

電樞繞組的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩

第三節(jié)

直流發(fā)電機(jī)的運行特性

第四節(jié)直流電動機(jī)的運行特性

第五節(jié)

無刷直流電動機(jī)第一節(jié)直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的工作原理1.直流電機(jī)工作原理

1）圖3-1直流發(fā)電機(jī)的原理圖

2）圖3-2電刷間的電勢2.直流電機(jī)的電樞繞組

1）圖3-2電刷間的電勢

2）圖3-3直流電機(jī)繞組示意圖

3）圖3-4電樞繞組的連接電路圖返回(a)導(dǎo)體ab處于N極下(b)導(dǎo)體ab處于S極下圖3-1直流發(fā)電機(jī)的原理圖返回圖3-2電刷間的電勢返回圖3-3直流電機(jī)繞組示意圖返回B-10991011121234567834A+圖3-4電樞繞組的連接電路圖圖3-5電刷偏離幾何中性線示意圖二、直流電動機(jī)的工作原理(a)導(dǎo)體ab處于N極下(b)導(dǎo)體ab處于S極下圖3-6直流電動機(jī)原理圖三、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。圖3-7是直流電機(jī)的解體圖。定子由主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋和電刷裝置等組成，轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。圖3-7直流電機(jī)解體圖返回圖3-8換向器的結(jié)構(gòu)四、直流電機(jī)的額定值

（1）額定功率（）

（2）額定電流

（3）額定電壓

（4）額定轉(zhuǎn)速

（5）額定勵磁電壓

（6）額定工作方式第二節(jié)電樞繞組的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩

一、電樞繞組的感應(yīng)電勢

無論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動機(jī)，當(dāng)它們運行時，

即電樞以一定的轉(zhuǎn)速向一個方向旋轉(zhuǎn)時，嵌在電樞鐵

心槽內(nèi)的電樞繞組便切割主磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電勢。

圖3-9表示直流電機(jī)在空載時，空氣隙磁密B沿電樞圓

周分布曲線及電樞繞組電勢。圖中只畫出繞組元件的

上層邊，而電刷通過換向片與幾何中性線的元件相連

返回

圖3-9主磁場磁密分布曲線及電樞繞組電勢當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，分布在電樞上的繞組元件便產(chǎn)生感應(yīng)電勢，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，距中性線x處導(dǎo)體的感應(yīng)電勢為：式中,Bx表示距離中性線x處的氣隙磁密；l表示電樞繞組導(dǎo)體的有效長度；v表示電樞旋轉(zhuǎn)的線速度。也是導(dǎo)體切割主磁場的線速度。正、負(fù)電刷間總的感應(yīng)電勢是由每個支路電勢決定的，因此必須把任一瞬間構(gòu)成一條支路的全部串聯(lián)導(dǎo)體所感應(yīng)的電勢相加起來。若以圖3-3環(huán)形繞組電機(jī)為例，設(shè)為電樞繞組總導(dǎo)體根數(shù)，則每條支路全部串勵導(dǎo)體根數(shù)為N/2?？傠妱轂?實際上，由于氣隙磁密沿電樞圓周分布是梯形的，因而在一條支路中，每根導(dǎo)體的感應(yīng)電勢也隨其所在位置的磁密不同而不同。為了簡化計算，我們將Bx等效為平均值B，其等效磁通為。經(jīng)過整理計算，其感應(yīng)電勢的計算公式可以表示為：二、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)電磁力定律，無論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動機(jī)，當(dāng)電樞繞組中流過電流時，導(dǎo)體便受到電磁力的作用，電磁力的方向根據(jù)左手定則確定。如圖3-10所示。電磁力對于電樞軸心又形成轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩即為電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩是由電磁力產(chǎn)生的，而電磁力與氣隙中的

磁密和電樞繞組電流成正比，所以電磁轉(zhuǎn)矩T正比

于電樞電流Ia及每極磁通φ，其計算公式為:三、直流電機(jī)的電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率稱為電磁功率Pm，根據(jù)功率的計算公式和電磁感應(yīng)的公式可以推導(dǎo)出電磁功率表達(dá)式。電磁功率Pm即可以由電磁轉(zhuǎn)矩T和角速度Ω相乘而得，也可以由感應(yīng)電勢Ea和電樞電流Ia的乘積來求得，所以電磁功率是機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。電磁功率的表達(dá)式為:在能量轉(zhuǎn)換的過程中必然有損耗。直流電機(jī)的損耗有以下幾種：機(jī)械損耗PM、鐵芯損耗PFe、勵磁和電樞繞組的銅損耗PCu和附加損耗(雜散損耗)PΔ等.附加損耗PΔ≈（0.5～1）％P2(P2為輸出功率)。當(dāng)直流發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時，原動機(jī)在轉(zhuǎn)軸上輸入的機(jī)械功率P1應(yīng)與輸出的電功率P2和電機(jī)內(nèi)部各種損相平衡.即：其功率可用流程圖表示。如圖3-11所示。T1為原動機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，U、I分別為發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流。由功率流程圖可見，電磁功率Pm為輸出功率P2和銅損PCu之和。當(dāng)直流電動機(jī)帶負(fù)載運行時，輸入的電功率P1應(yīng)與軸上輸出的機(jī)械功率P2和電機(jī)內(nèi)部的各種損耗相平衡。電磁功率為輸出功率和機(jī)械損耗功率、鐵損、附加損耗之和。直流電動機(jī)的功率流程圖如圖3-12所示圖3-11直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖返回圖3－12直流電動機(jī)的功率流程圖第三節(jié)直流發(fā)電機(jī)的運行特性

一、直流發(fā)電機(jī)的勵磁方式直流發(fā)電機(jī)的勵磁方式分他勵和自勵，自勵包括并勵、串勵和復(fù)勵。圖3-13為直流發(fā)電機(jī)4種勵磁方式的電路圖。（1）他勵發(fā)電機(jī)：勵磁繞組電路與電樞電路無關(guān)，勵磁電流取自其它的直流電源。其勵磁功率約為直流電機(jī)額定功率的1～3％。（2）并勵發(fā)電機(jī)：勵磁繞組電路與電樞電路并聯(lián)。并勵繞組導(dǎo)線細(xì)、匝數(shù)多、電阻大，勵磁電流小。并勵發(fā)電機(jī)的電流關(guān)系為。勵磁功率約為直流電機(jī)額定功率的2～10％。返回（3）串勵發(fā)電機(jī)：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，電樞電流即為勵磁電流。因此串勵繞組匝數(shù)少、導(dǎo)線粗、電阻極小。串勵發(fā)電機(jī)的電流關(guān)系為：。（4）復(fù)勵發(fā)電機(jī)：主磁極上有兩個勵磁繞組，其中一個和電樞回路并連（稱并勵繞組），另一個和電樞回路串連（稱串勵繞組）。當(dāng)串勵繞組產(chǎn)生的磁勢和并勵繞組產(chǎn)生的磁勢方向相同時，稱為積復(fù)勵；當(dāng)串勵繞組產(chǎn)生的磁勢和并勵繞組產(chǎn)生的磁勢方向相反時，稱為差復(fù)勵。復(fù)勵發(fā)電機(jī)還分長復(fù)勵和短復(fù)勵（長復(fù)勵：電樞繞組與串勵繞組串勵后再與并勵繞組并勵；短復(fù)勵：電樞繞組與并勵繞組并勵后再與串勵繞組串聯(lián)）。圖3-13發(fā)電機(jī)的勵磁方式二、直流發(fā)電機(jī)的空載特性

當(dāng)保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n不變，負(fù)載電流I=0時（發(fā)電機(jī)主開關(guān)處于斷開狀態(tài)），發(fā)電機(jī)的電樞電勢（或空載電壓U0）與勵磁電流If之間的關(guān)系，即曲線稱為空載特性。空載特性曲線如圖3-14所示?？蛰d特性曲線與磁化曲線相似，這時直流發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢為，與勵磁電流之間為磁化曲線關(guān)系。

圖3-14直流發(fā)電機(jī)空載特性三、自勵發(fā)電機(jī)建壓條件（1）發(fā)電機(jī)必須有剩磁。若剩磁消失可用外電源充磁。（2）勵磁電流產(chǎn)生的磁場要與剩磁磁場方向相同。這與

并勵繞組和電樞電路的連接極性及電樞的轉(zhuǎn)動方向

有關(guān)。在固定轉(zhuǎn)動方向下，主要決定于兩并聯(lián)電路

的連接極性。（3）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。勵磁電阻過

大或發(fā)生斷路時，不能自勵建立正常電壓。當(dāng)然轉(zhuǎn)

速過低，空載特性曲線變低也使兩曲線的交點變

低，而無法建立起正常的電壓。如果一臺并勵發(fā)電機(jī)有剩磁但不能自勵，可以用下列兩種方法改正：（1）改變電樞繞組與勵磁繞組的相對聯(lián)接；（2）改變電樞的旋轉(zhuǎn)方向。注意四、直流發(fā)電機(jī)的外特性

直流發(fā)電機(jī)的外特性是指在保持額定轉(zhuǎn)速和勵磁回路總電阻不變的條件下，改變負(fù)載大小時，發(fā)電機(jī)的端電壓隨負(fù)載電流而變化的關(guān)系。

圖3-16為他勵和并勵發(fā)電機(jī)的外特性曲線。曲線1為他勵發(fā)電機(jī)，曲線2為并勵發(fā)電機(jī)。

圖3-17是復(fù)勵發(fā)電機(jī)的外特性曲線。當(dāng)供電線路較長時通常采用過復(fù)勵發(fā)電機(jī)；而船舶主電源直流發(fā)電機(jī)多為平復(fù)勵發(fā)電機(jī)。

圖3-18給出三種勵磁方式的發(fā)電機(jī)的接線圖。

圖3-16他激、并激發(fā)電機(jī)的

外特性曲線

圖3-17復(fù)激發(fā)電機(jī)的外

特性曲線返回第四節(jié)直流電動機(jī)的運行特性按勵磁繞組和電樞繞組連接方式的不同，直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)一樣，也可分為四種：他勵電動機(jī)、并勵電動機(jī)、串勵電動機(jī)和復(fù)勵電動機(jī)。由于他勵和并勵電動機(jī)的勵磁電路都是接到外電源上，勵磁電流不受電樞電流變化的影響。因此，他勵和并勵電動機(jī)的特性基本相同。圖3-19（a）、（b）、（c）分別為并勵、串勵和復(fù)勵電動機(jī)的接線圖。圖中表示串入電樞電路的起動或調(diào)速用的電阻；表示調(diào)節(jié)勵磁電流的外串電阻。返回一、直流電動機(jī)的基本方程直流電動機(jī)的基本方程是指電動機(jī)穩(wěn)定運行時，電系統(tǒng)的電勢平衡方程；能量轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程；機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程。直流電動機(jī)接上直流電源時，電樞繞組中流過電流，電網(wǎng)便向電動機(jī)輸入電功率，電樞受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用而旋轉(zhuǎn)起來，電動機(jī)的軸上輸出機(jī)械功率。當(dāng)電動機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩T的作用下旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢E，其方向與電樞電流方向相反，因此電動機(jī)的感應(yīng)電勢稱為反電勢，它將抵制電流的流入。電網(wǎng)要向電樞流進(jìn)電路，必須克服反電勢的作用，即要求電源電壓,由于反電勢的作用，電動機(jī)便從電網(wǎng)吸收電功率，通過電磁感應(yīng)的作用，將一部分電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率。1.電勢平衡方程參照圖3-19，不考慮和，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，并勵電動機(jī)帶負(fù)載運行時的電勢平衡方程為：

其中，而,由于勵磁電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載電流，所以并勵發(fā)電機(jī)電樞電流近似等于負(fù)載電流，即。或2.功率平衡方程3.轉(zhuǎn)矩平衡方程

二、直流電動機(jī)的機(jī)械特性直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為直流電動機(jī)的機(jī)械特性，它表明了直流電動機(jī)在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩兩個機(jī)械量之間的對應(yīng)關(guān)系。直流電動機(jī)的自然機(jī)械特性關(guān)系式：

圖3-20直流電動機(jī)的機(jī)械特性積復(fù)勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性與勵磁方式有關(guān)：

(1)并(或他)勵電動機(jī)：由于每極磁通、理想空載轉(zhuǎn)速和系數(shù)均為常數(shù)，故轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而降低，如圖3-20所示；但由于電樞電阻很小，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化不大，其轉(zhuǎn)速變化率僅為3％～8％，故為硬機(jī)械特性。適于要求恒轉(zhuǎn)速拖動的生產(chǎn)機(jī)械。

(2)串勵電動機(jī)：由于串勵磁通隨負(fù)載的增加而增知，從而使轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的增加而迅速下降，如圖3-20所示。該特性曲線的特點是：空載轉(zhuǎn)速非常高，機(jī)械特性比較軟。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小時，轉(zhuǎn)速將很高，甚至?xí)鲎罡呦薅鹊臄?shù)值，導(dǎo)致電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞。所以，串勵直流電動機(jī)絕對不允許空載起動及空載運行。它的軟特性、起動力矩比較大，適用于起動困難的場合。三、直流電機(jī)的電樞反應(yīng)和直流電機(jī)的換向1．直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)電機(jī)有負(fù)載后，便有電流流過電樞繞組，產(chǎn)生電樞磁場，此時電機(jī)的氣隙磁場由主磁場和電樞兩個磁場共同決定。電樞磁場對主磁極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。所示

如圖3-21（a）（b）、（c）所示(a)

(b)

(c)圖5-4電刷位置與電樞反應(yīng)2．直流電機(jī)的換向

圖3-22無刷直流電動機(jī)原理框圖直流電機(jī)在運行時，電樞繞組從定子主磁極的一個極面下方進(jìn)入另一個極面下方時，通過換向片與電刷連接，繞組中的電流將改變方向，這一過程稱為直流電機(jī)的換向。理想的換向條件是換向時繞組中的電流及電勢為零。而一般情況下，除了繞組本身原因換向繞組中感應(yīng)電抗電勢不為零外，電樞反應(yīng)引起的氣隙磁通的畸變，也使換向繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢。電抗電勢和電樞反應(yīng)電勢都會阻礙電樞繞組的換向性能，導(dǎo)致電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。為了改善換向性能，通常在定子主磁極之間放置換向極用于改善換向，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，由電樞電流所產(chǎn)生的換向極磁場與電樞繞組電流所產(chǎn)生的交軸電樞磁場方向相反。它不僅用來抵消或削弱電樞磁場，而且使處于換向的繞組切割換向極磁場以產(chǎn)生可抵消電流換向引起的感應(yīng)電動勢，達(dá)到減少換向火花的目的。一般在負(fù)載變化較大的中、大型電機(jī)中。在主磁極的極面下開槽嵌放補(bǔ)償繞組也是用于改善換向的一種方法，補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，其作用原理與換向極相同。此外，正確選用不同材料的電刷以及適當(dāng)調(diào)整電刷位置等也可在一定程度上減小電刷下的火花。圖3-22無刷直流電動機(jī)原理框圖返回第五節(jié)無刷直流電動機(jī)

無刷直流電動機(jī)是隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型微特電機(jī)，它以電子換向裝置代替了一般直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，因此保持了有刷直流電動機(jī)的優(yōu)良控制特性，又克服了電刷機(jī)械摩擦引起的噪聲、火花、無線電干擾和壽命短的致命弱點。返回一、無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3-23所示，是一臺由電子開關(guān)電路、永磁式同步電動機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動機(jī)系統(tǒng)”，直流電源經(jīng)由開關(guān)線路向電動機(jī)定子繞組供電，電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置經(jīng)由位置傳感器檢測，產(chǎn)生信號觸發(fā)開關(guān)電路中的電力電子元件使之導(dǎo)通或截止。電動機(jī)定子各相逐次通電產(chǎn)生電流，并和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。如圖3-23所示，無刷直流電動機(jī)一般由下列幾個部分組成。圖3-23無刷直流電動機(jī)的組成框圖1．電動機(jī)本體無刷直流電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖3-24所示。電動機(jī)本體與永磁式同步電動機(jī)（或永磁步進(jìn)電動機(jī)）相似，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成一定極對數(shù)的永磁體，但不帶鼠籠繞組或其他啟動裝置，主要結(jié)構(gòu)形式有兩種，如圖3-25（a）和（b）所示。第一種結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子鐵心外表面粘貼瓦片形磁鋼，稱為凸極式；第二種結(jié)構(gòu)是磁鋼插入轉(zhuǎn)子鐵心的溝槽中，稱為內(nèi)嵌式或隱極式。初期永磁材料多采用鐵氧體或鋁