直流電機工作原理

1、第二章直流電機2. 1概述直流電機的工作原理首先，復(fù)習(xí)e=B slv公式，說明e正比于Bs 0結(jié)合圖2.1解釋v=2 n Rn/60 (m/s, n(r/min);機械角速度 Q =v/R=2 n n/60 ( r/s);電角速度 w =p Q =p2 n n/60 (rad/s)(記下來)；導(dǎo)體或線圈。將直流電機的簡單工作原理圖結(jié)構(gòu)介紹清楚。包括： N、S磁極和A、B電 刷靜止，換向片、線圈(導(dǎo)體)以及電樞逆時針旋轉(zhuǎn)。將其抽象成一個平面圖。假設(shè)磁力線進入磁極為正方向，離開磁極的磁通方向為負(fù)。得氣隙磁密在 空間得分布曲線Bs(9 )(0<9 =w t <2 n )。進而得到導(dǎo)體電勢

2、e( w t)和線圈電勢eA& wt)。經(jīng)過合理的多個線圈均勻分布設(shè)計，按照一定規(guī)律連接起來就組成電樞繞 組，便可以獲得近似直流電動勢。工作原理：(1) 發(fā)電機：電樞繞組中感應(yīng)的交變電勢，依靠換向器的換向作用，利用靜止 的電刷把同一磁極下導(dǎo)體電勢引出，變?yōu)橹绷麟妱葺敵觥?發(fā)電機慣例)(2) 電動機：通過電刷和換向器的共同作用，使得同磁極下的導(dǎo)體邊流過的電 流方向不變，導(dǎo)體受力方向不變，進而產(chǎn)生方向恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機連續(xù)轉(zhuǎn)動。結(jié)論：(1)電機內(nèi)部(電刷為界)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢、流過的電流是交流 量。(2) 電機外部(電刷兩端)，電動機運行外加直流電；發(fā)電機運行輸出直 流電(3)

3、從原理上講，同一臺電機既可以作電動機運行又可以作發(fā)電機運行， 是可逆的。(4)電動機慣例Motor發(fā)電機慣例主磁極、換向極'機座、端蓋、電刷、電樞鐵心和電樞繞組 換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇2. 1. 2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件"定子起機械支撐，產(chǎn)生磁場的作用軸承.直流電機結(jié)構(gòu)氣隙耦合磁場轉(zhuǎn)子一一產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩、產(chǎn)生感應(yīng)電勢部件名稱作用材料結(jié)構(gòu)主磁極勵磁繞組通入直流，建立氣隙 磁場11.5mm低碳鋼片 疊制，降低渦流損 耗P43 Fig. 2.8換向極改善換向整塊鋼或11.5mm鋼片疊制Fig 2.9機座機械支撐并構(gòu)成磁回路鑄鋼(小電機)，厚 鋼板焊接(大中型 電機)P43 Fig 2.1

4、0電樞鐵心構(gòu)成磁路、嵌放電樞繞組0.350 概述.5mm 硅鋼片疊制，降低渦 流損耗P44Fig.2.11電樞繞組感應(yīng)電勢，承載電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩圓截面銅線或扁導(dǎo) 線、空心導(dǎo)線Fig. 2.12換向器與電刷配合，用機械換接的方 法引入(出)直流電勢銅換向片和片間絕 緣云母構(gòu)成換向片F(xiàn)ig 2.13電刷裝置與換向器配合，實現(xiàn)直流量和 交流量之間的轉(zhuǎn)換石墨碳刷Fig. 2.14 2.152. 1. 3直流電機的額定值額定值：指電機正常運行時各物理量的數(shù)值。此時亦稱電機滿載運行。否那么為欠載或過載額定功率：指輸出功率 W, kWo 發(fā)電機Pn=UnIn電動機Pn= n UnIn額定電壓Un (V),額

5、定電流In (A),額定勵磁電壓UfN (V),額定勵磁電流IfN (A), 額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)2.2直流電機的電樞繞組2. 2. 1根本特點設(shè)計繞組線圈、電樞時，主要考慮產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢和通過一定大小的電 流。直流電機有五種：單疊、復(fù)疊、單波、復(fù)波、蛙繞組。2. 2. 2單疊繞組單疊繞組：繞制時，任何兩個串聯(lián)的元件都是后一個緊疊在前一個的上面。每繞一個元件便在電樞外表移過一個虛槽。例題2.3 p49電機極數(shù)2p=4,且Z=Zi=S=K=16。繞制一個單疊右行整距 繞組。1節(jié)距計算單疊右行，合成節(jié)距第一節(jié)距第二節(jié)距2繞組連接表：確定16個元件32個元件邊的串聯(lián)次序編號原那么. 連接方

6、法：槽號代表兀件號也代表上兀件邊號某號元件 m，上元件邊號m，嵌放在m槽內(nèi)，上元件邊 接在m號換向片上；該兀件的下兀件邊嵌放在編號 m+y1 槽的下面，下兀件邊接在 m+yk號換向片上。而 m+y1槽 接另一個兀件的上層邊，編號為 m+y+y2。以下類推。連接規(guī)律：頭線表示一個兀件的上、下兀件邊；虛線表示不同兀件的 兩個元件邊接在同一個換向片上。m+yi "m+yi+y2* m+yk3繞組展開圖：首先進行槽編號按照連接規(guī)律把各元件邊嵌入槽內(nèi)f所有元件串聯(lián)自行閉合判斷電動勢方向，可見1、5、9、13元件被短路了。4電路圖：5電刷放置：a電樞繞組形成一個閉合回路，繞組產(chǎn)生的電動勢要靠電刷

7、引出入b電刷放在換向器上的位置是根據(jù)電機空載時，在正、負(fù)電刷之間獲得最 大電動勢為原那么。c電刷與感應(yīng)電動勢為零的元件邊連接的換向片接觸，否那么不能保證 b的 要求，并且如果感應(yīng)電動勢不為零的話，還會產(chǎn)生短路電流。d只要元件軸線與主磁極軸線重合，元件中的電動勢就是零。e電刷必須放在換向器的幾何中性線上。元件端接對稱時，主磁極軸線、元件軸線、換向器的幾何中性線重合元件端接不對稱時，主磁極軸線、元件軸線重合，但與換向器的幾何中 性線不重合，電刷必須放在換向器的幾何中性線上。注意：它與電樞上 得幾何中性線無關(guān)。f疊繞組的電刷數(shù)=極數(shù)g根據(jù)電路圖，將同極性端接在一起，得電樞電動勢。6繞組并聯(lián)支路數(shù)：單

8、疊繞組 a=p or 2a=2p 雙疊繞組 a=m*p m=2 or 2a=2mp單疊繞組特點：1電樞繞組是一個自行閉合繞組2單疊繞組并聯(lián)支路數(shù)二極數(shù)=電刷數(shù)雙疊繞組極數(shù)=電刷數(shù)=并聯(lián)支路數(shù)/23電樞電勢就是支路電勢，電樞電流是 2p個支路電流的和。4電刷放在換向器上的幾何中性線上。5電刷和磁極是靜止的，必須把它們的相對位置合理對稱的分布在圓周上。電 樞和換向器旋轉(zhuǎn)。6適合于大電流的電機2. 2. 3單波繞組單波繞組特點:1電樞繞組是一個自行閉合繞組2電刷放在主磁極軸線下的換向片上3單波繞組的支路數(shù)與極數(shù)無關(guān)，總有兩個支路，即a=1 or 2a=24電刷數(shù)等于極數(shù)是為了減低電刷下的電流密度5電

9、樞電勢就是支路電勢，電樞電流是 2個支路電流的和。6因為每條支路元件數(shù)多，可以獲得高電勢，適合于小電流高電壓的電機。7單波繞組連接規(guī)律* m+ykZ' m+yi * m+yi+y2繞組總結(jié)：1要根據(jù)電機額定電壓或電流要求選擇繞組形式。疊-大電流，波-高電壓，蛙 繞組-大型電機2電樞閉合3電樞電勢就是支路電勢4電樞電流是各支路電流的總和。5電刷放在換向器上的幾何中性線上電刷放在主磁極軸線下的換向片上-對端接對稱的繞組6單疊繞組將每個極下的所有元件串聯(lián)形成一個支路，2p=2a7單波繞組將所有同極性磁極下的所有元件串聯(lián)形成一個支路，2a=22. 2. 4電樞繞組的均壓線為了防止由于電、 磁不

10、平衡、不對稱導(dǎo)致支路間的環(huán)流，將理論上電位相等的點用均壓線連接起來。2 . 3直流電機的磁場2. 3. 1直流電機按勵磁方式分類給勵磁繞組的供電方式，即勵磁方式，有四種：他勵、并勵、串勵、復(fù)勵2. 3. 2直流電機的空載磁場空載磁場也叫主磁場，是當(dāng)電樞電流為零，僅由勵磁電流建立的磁場。掛圖1磁通與磁動勢主磁通：經(jīng)過氣隙，且同時與勵磁繞組和電樞繞組交鏈的磁通，亦稱為工作磁通。漏磁通：不經(jīng)過氣隙，僅與繞組自身交鏈的磁通，其不參與機電能量轉(zhuǎn)換。 那么每極總磁通為：© m= © 0+ © ° = © 01+ ©昇© 0=k M 0k

11、°為主磁極漏磁系數(shù)，其值范圍：1.151.25假設(shè)每極磁通為© o,那么每對極所需要的磁勢為Fo : H dl 2I f Nf 2F Fj 2Fm Fa 2Fz式中各量依次為：氣隙磁勢、定子軛、定子齒、轉(zhuǎn)子軛、轉(zhuǎn)子齒。見圖2. 282主磁場分布I根據(jù)B°x0H0x0旦 知 氣隙磁密與氣隙長度成反比。根據(jù)磁極形X狀可以知道磁場分布。氣隙磁密在一個極下分布規(guī)律為平頂波。3磁化曲線：指電機的主磁通 © 0與勵磁磁動勢F0的關(guān)系曲線。它與鐵磁材料 的磁化曲線形狀相類似。主磁通© 0與氣隙磁動勢 巳的關(guān)系曲線 稱為氣隙線性磁化曲線。電機磁路的飽和程度用飽

12、和系數(shù)反映。它是空載額定轉(zhuǎn)速下運行產(chǎn)生額定電 樞電壓時所需要的磁動勢與氣隙磁動勢之比。Ik 電數(shù)值范圍1.11.35F過飽和，浪費銅節(jié)省鐵磁材料，電阻損耗增加；飽和系數(shù)小，浪費鐵省銅材料，鐵耗增加。適宜的額定工作點應(yīng)該設(shè)計在“膝點附近 例題 2.5(p59) 2. 3. 3直流電機的電樞磁場當(dāng)電樞電流la不是零時，繞組中的電流也會產(chǎn)生磁場，稱其為電樞磁場1. 電刷在幾何中性線上圖2.33電樞磁勢Fa(x)22xAAxFa xA-稱其為交軸電樞磁勢，另記為Faq=A T /22 2電樞磁場產(chǎn)生的磁通密度沿著氣隙的分布為:Ba(x)oHa(X)Fa(x)(X)AxB與x成反比2.電刷偏離幾何中性線

13、，電樞電流除了產(chǎn)生交軸電樞磁動勢外，同時還出現(xiàn)了 直軸電樞磁動勢。2. 3. 4電樞反響電機負(fù)載后，電樞電流不是零，產(chǎn)生電樞磁場。此時氣隙磁場由直流勵磁磁 場和電樞磁場共同建立。并且把電樞磁場對勵磁磁場的作用稱為電樞反響。 電樞磁場的交軸分量對勵磁磁場的作用與影響稱為交軸電樞反響。 電樞磁場的直軸分量對勵磁磁場的作用與影響稱為直軸電樞反響。1. 交軸電樞反響結(jié)合空載時的磁場分布幾何中性線和負(fù)載時的磁場分布物理中性 線，交軸電樞反響對氣隙磁場的影響：1使物理中性線偏離幾何中性線一個角度見筆記上的圖2不考慮飽和影響時，每個主極下的磁場一半被削弱，另一半被加強， 每極下總磁通不變。3考慮飽和時，由于

14、交軸電樞反響的作用，對被削弱的一半磁場影響 不大，而被加強的另一半的磁場出現(xiàn)了飽和的情況，曲線的尖頂部 分被削弱了，使得每個磁極下的磁通減少了，并且磁場波形發(fā)生畸 變。即飽和時，磁場畸變，且有去磁作用。4通過增加主極磁勢補償電樞反響的去磁影響。2. 直軸電樞反響以電動機為例1電動機時，電刷逆著電樞轉(zhuǎn)向移動，直軸電樞反響磁勢與主極磁 勢相反，是去磁的；順轉(zhuǎn)向移動助磁。2) 發(fā)電機時，電刷逆著電樞轉(zhuǎn)向移動一個角度，助磁的電樞反響; 逆轉(zhuǎn)那么去磁。2. 3. 5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1. 感應(yīng)電動勢設(shè)電樞繞組在電樞外表連續(xù)分布， 路有導(dǎo)體個數(shù)為Na/2a。圖中某點 應(yīng)電動勢為：ek= B s(x)lv

15、電樞電動勢(電刷上引出(入)%E ekk 1總導(dǎo)體數(shù)為Na,支路數(shù)為2a,那么每個支 x處，氣隙磁密為Bs (x),單根導(dǎo)體感為:Na2alv B (x)k 1lvB av 也2al 2anl(2p )土匹 n Ce n60'丨 2a 60aCE=pNa/60a 電上式就是直流電機電樞繞組感應(yīng)電動勢的一般計算公式。 動勢常數(shù)。2. 電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)電樞電流為la,那么支路電流為ia=la/2a,第k根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 為：Tk= B s(x)lia(Da/2)= B 8 (x)l (la/2a) (p T /n )= B §(x)l p t Ia/2 n a 每極下導(dǎo)體產(chǎn)生的電

16、磁轉(zhuǎn)矩為：NaNa'即lp I a '即lp la NaTpTkB (x)k 12 a k 12 a 2p2p個磁極的合成電磁轉(zhuǎn)矩為：lp Ia NaTem 2pTp 2p號丄十2 a 2p lCT IaIVlp la Na2 a 2p lCT=pN a/2 n a轉(zhuǎn)矩常數(shù)，或上式就是直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的一般計算公式。 電機常數(shù)。3. 電動勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系Ce/Ct= n /30;and Q =2 n n/60= n n/30因此E=CtQ例題 2.6 (p68)2 . 5直流電動機的根本特性 2. 5. 1根本方程(并勵電動機為例)1 電動勢平衡方程式(電壓定律)1)穩(wěn)態(tài)

17、時I a Raa I fU EI I2暫態(tài)時difU Rflf Lf dt2.功率平衡方程式功率流程圖：±xi bj LPlPemP2 PlP2- PFepadpcufpmecpcua pcub電動機發(fā)電機圖中各項損耗有：1電樞銅耗2電刷銅耗3勵磁繞組銅耗4機械損耗pmec，包括軸承、電刷摩擦損耗，定轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗，通風(fēng)損耗。5鐵心損耗，主極磁通在轉(zhuǎn)動的電樞鐵心中交變，引起磁滯和渦流損 耗。6雜散損耗，附加損耗。估算為0.51%Pn其中，后三項損耗在電機空載時就已經(jīng)存在，且數(shù)值根本不變，稱為空載損耗或不變損耗。所以：RFempcuapcubp cufFemF2pmecpFepadP

18、2p0PR p結(jié)合等效原理圖分析知，電機輸入功率為：P仁UI將穩(wěn)態(tài)時的電壓電流帶入上式得：2Pl = EIa+Ia Ra+UIf=P em +p cua+p cuf=Pem+p cu其中，定義電磁功率為電樞繞組感應(yīng)電動勢E與電樞電流Ia的乘積。電動機效率：輸出與輸入功率的比值，即-P2 1100%PP1P13. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式穩(wěn)態(tài)Tem=T 2+T 04. 狀態(tài)方程略暫態(tài)：Tem=T 2+T o+J (d Q /dt)2. 5. 2工作特性工作特性：電源電壓一定，勵磁電阻一定時，(一) 并勵電動機 (Un |fN條件下)(并勵電動機勵磁繞組絕對不能斷開) 1. 速率特性n=f(P2)U IaR

19、anCe轉(zhuǎn)速調(diào)整率n也匹ioo%nN2 . 轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(P2)Tem T2 T0P2ToF2To603. 效率特性n =f(P2) (7595) %(二) 串勵電動機(Un條件下)(不允許空載運行，至少帶四分之一負(fù)載啟動) 特點：lf=|a © =klf=klaU IaRa nCeTemCT IaU IaRaCekIa速率特性n=f(P2)2CTkIaU IaRaCe轉(zhuǎn)速調(diào)整率n1 %4 100%1 .轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(P2) 優(yōu)點：起動轉(zhuǎn)矩大；輸出功率根本不變；電機不容易過載(三) 復(fù)勵電動機(略)2. 5. 3機械特性機械特性：n=f (Tem ) 當(dāng)U = Un, Rf, Ra時，n =f(Tem )稱為自然機械特性當(dāng)U為某值，Rf, Ra+Rj時，n =f(Tem )稱為人工機械特性U I a Ra R|URa Ri一般有：n a -ajU-