第一章直流電機(jī)學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1第一章直流電機(jī)第一章直流電機(jī)第一頁，共32頁。2）直流電動機(jī)(dngj)工作原理 直流電動機(jī)(dngj)與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)給電刷AB旋加一直流電壓，導(dǎo)體12中就有電流流過，由電磁力定律可知導(dǎo)體會受到電磁力作用。處于N極下的導(dǎo)體與電刷A接觸，電流總是向里流，產(chǎn)生電磁力矩為逆時(shí)針；處于S極下的導(dǎo)體與電刷B接觸，電流總是向外流，產(chǎn)生電磁力矩仍為逆時(shí)針。轉(zhuǎn)子在該電磁力矩作用下開始旋轉(zhuǎn)向外輸出機(jī)械功率。第1頁/共32頁第二頁，共32頁。3）工作原理總結(jié) 綜上可知，通過換向器配合電刷的機(jī)械換向作用將外部的直流電流變成直流電動機(jī)電樞繞組大小不變、極性交替變化的交變(jio bin)電流，這才使得

2、電樞繞組在穩(wěn)恒磁場中受到方向不變的轉(zhuǎn)矩作用，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。直流發(fā)電機(jī)原理 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。 當(dāng)原動機(jī)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)同，線圈12將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如下圖，導(dǎo)體1在N極下，高電位接電刷A ，；導(dǎo)體2在S極下，低電位接電刷B ；電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。導(dǎo)體轉(zhuǎn)過180度，導(dǎo)體2在N極下，高電位接電刷A ，；導(dǎo)體1在S極下，低電位接電刷B ；仍然是電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)，將內(nèi)部交變的感應(yīng)電動勢變成外部的直流電壓，向負(fù)載(fzi)供電。第2頁/共32頁第三頁，共32頁。 一臺直流電機(jī)，原則上既可以做直流電動機(jī)運(yùn)行(ynxng)，又

3、可以做直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行(ynxng)，這叫做直流電機(jī)的可逆原理。第3頁/共32頁第四頁，共32頁。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)(dngj)結(jié)構(gòu)：主要由定子、轉(zhuǎn)子（電樞）兩大部分組成第4頁/共32頁第五頁，共32頁。第5頁/共32頁第六頁，共32頁。一、直流電動機(jī)定子部分： 直流電機(jī)的定子由主磁極、機(jī)座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。 主磁極 ：主要作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易(r

4、ngy)固定。換向極：主要作用是改善換向，安裝在兩相鄰主磁極之間，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成。 機(jī)座 機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。 機(jī)座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機(jī)座的兩端裝有端蓋。端蓋 端蓋裝在機(jī)座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時(shí)端蓋對電機(jī)內(nèi)部還起防護(hù)作用。電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成。 第6頁/共32頁第七頁，共32頁。第7頁/共32頁第八頁，共32頁。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子部分(b fen)： 轉(zhuǎn)子部分(b fen)包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風(fēng)扇

5、等。電樞鐵心 電樞鐵心既是主磁路的組成部分(b fen)，又是電樞繞組支撐部分(b fen)；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽硅鋼片疊壓夾緊而成。電樞繞組電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，是直流電機(jī)的電路部分(b fen)，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分(b fen)。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。換向器在直流電動機(jī)中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多換向片排成

6、一個(gè)圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個(gè)V形環(huán)夾緊而構(gòu)成。第8頁/共32頁第九頁，共32頁。第9頁/共32頁第十頁，共32頁。第10頁/共32頁第十一頁，共32頁。三、銘牌數(shù)據(jù)： 額定值 是制造廠對各種電氣設(shè)備在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以保證(bozhng)各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)或試驗(yàn)的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。第11頁/共32頁第十二頁，共32頁。1、直流電動機(jī)的主要(zhyo)額定值主要(zhyo)有：額定功率 PN：對于直流電動機(jī)， PN是指電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率，所以公

7、式中還應(yīng)有效率N存在。 PN UNINN ，以“w”或馬力為單位。額定電壓 UN：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。額定電流 IN： 指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。額定轉(zhuǎn)速 nN：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。額定勵磁電流 If指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵磁電流值。第12頁/共32頁第十三頁，共32頁。1.2 直流電機(jī)的磁場直流電機(jī)的空載(kn zi)磁場右圖為一臺四極直流電機(jī)空載(kn zi)時(shí)的磁場示意圖。fffNIF 當(dāng)勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為 ，流過電流為 ，每極的勵磁磁動勢為：fNfI第13頁/共32頁第十四頁，共

8、32頁。磁力線不進(jìn)入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁通漏磁路磁力線由N極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進(jìn)入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極主磁通主磁通主磁路 直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個(gè)作用，它只是增加(zngji)主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。第14頁/共32頁第十五頁，共32頁。 空載(kn zi)時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b) 所示。 空載時(shí)主磁極(cj)磁通的分布情況，如右圖(c) 所示。xB（b）氣隙磁密分布第15頁/共3

9、2頁第十六頁，共32頁。直流電機(jī)負(fù)載(fzi)時(shí)的負(fù)載(fzi)磁場 直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為(chn wi)電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場發(fā)生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極(lingj)直流電機(jī)的電樞磁場分布情況。 假設(shè)勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。第16頁/共32頁第十七頁，共32頁。 如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 所示。axF 由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長度增加得很快

10、，致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中 所示。axBaxF第17頁/共32頁第十八頁，共32頁。直流電機(jī)的電樞(din sh)反應(yīng) 當(dāng)勵磁繞組中有勵磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結(jié)果(ji gu)。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負(fù)載(fzi)后電機(jī)的磁場分布情況，如圖（a）所示。第18頁/共32頁第十九頁，共32頁。xB0axB主磁場的磁通密度(md)分布曲線電樞(din sh)磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(c

11、chng)的磁通密度分布曲線第19頁/共32頁第二十頁，共32頁。由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞(din sh)反應(yīng)的特點(diǎn)： 2)、對主磁場(cchng)起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生(fshng)畸變 空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。 磁路不飽和時(shí)，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性

12、線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。第20頁/共32頁第二十一頁，共32頁。2、當(dāng)電刷不在幾何(j h)中性線上時(shí)電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線也隨之移動 角，如圖(a)(b)所示。adFaqF這時(shí)電樞磁動勢可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動勢 和直軸電樞磁動勢 。如圖(a)(b)所示。第21頁/共32頁第二十二頁，共32頁。直流電機(jī)的電樞(din sh)電動勢1.3 直流電機(jī)的電樞(din sh)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生產(chǎn)生(chnshng):(chnshng):電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí), ,主磁場在電樞繞組中主磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢簡稱為電樞電動勢。感應(yīng)的電動勢簡稱為電樞電動勢。大小:

13、nCnapNEea60性質(zhì)性質(zhì): : 發(fā)電機(jī)電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機(jī)反電勢(與電樞電流反方向).)(電動勢常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中apNCe60可見，直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。第22頁/共32頁第二十三頁，共32頁。直流電機(jī)的電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生產(chǎn)生(chnshng):(chnshng):電樞繞組中有電樞電流流過時(shí)電樞繞組中有電樞電流流過時(shí), ,在在磁場內(nèi)受電磁力的作用磁場內(nèi)受電磁力的作用, ,該力與電樞鐵心半徑之積稱該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:aTaemICIapNT2性質(zhì)性質(zhì): : 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)制動制動( (與轉(zhuǎn)速方向相

14、反與轉(zhuǎn)速方向相反) )； 電動機(jī)電動機(jī)驅(qū)動驅(qū)動(q dn(q dn)()(與轉(zhuǎn)速方向相與轉(zhuǎn)速方向相同同) )。可見，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中apNCT2eTCC55. 9第23頁/共32頁第二十四頁，共32頁。直流電動機(jī)(dngj)的基本方程aEMUaIemT0T2TnfIfU如圖規(guī)定各物理量的參考(cnko)方向電機(jī)的基本(jbn)方程如下：aTemICT02TTTem)(02adFemecememPPPPPPPaaemCuaemIETPPP1nCEeaaaabaaaRIEURIEU2UEa1.4 直流電動機(jī)的運(yùn)行原理第24頁/共32頁第

15、二十五頁，共32頁。1、轉(zhuǎn)速(zhun s)特性一、他勵（并勵）直流電動機(jī)(dngj)的工作特性NUU 定義：當(dāng) 、 時(shí)，fNII )(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流(dinli)按線性關(guān)系變化。如圖所示。2、轉(zhuǎn)矩特性NUU 定義：當(dāng) 、 時(shí)，fNII )(aemIfT轉(zhuǎn)矩表達(dá)式aNTemICT 考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。aIn0n2T0TemTT直流電動機(jī)的工作特性第25頁/共32頁第二十六頁，共32頁。3、效率(xio l)特性NUU 定義：當(dāng) 、 時(shí)，fNII )(aIf由方程式可得aNaaIUIRP

16、PPPn20111 空載損耗為不變損耗，不隨負(fù)載電流變化，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入(shr)功率大部分消耗在空載損耗上；負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入(shr)的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時(shí)銅損快速增大此時(shí)效率又變小。如圖所示。aI0第26頁/共32頁第二十七頁，共32頁。二、串勵直流電動機(jī)的工作(gngzu)特性 當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)(xiosh)，電機(jī)磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關(guān)系。即：afffIkIk轉(zhuǎn)速特性effaaefNeaaeNCkRRICkUCIRCUn轉(zhuǎn)矩特性2aTfaTemICkICTaI0nemTnemT 當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路飽

17、和，串勵電動機(jī)的工作特性(txng)與他勵電動機(jī)相同。曲線如圖所示。 當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵電動機(jī)不宜輕載或空載運(yùn)行。第27頁/共32頁第二十八頁，共32頁。換向概述(i sh)1.5 直流電機(jī)的換向 為了分析方便假定換向片的寬度(kund)等于電刷的寬度(kund)。 直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過電刷，從一條(y tio)支路換到另一條(y tio)支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。 電樞移到電刷與換向片2接觸時(shí)，元件1的被短路，電流被分流。如圖所示。 電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為 。aii 電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1 中的電流方向如

18、圖所示，大小為 。aii元件1av12aiiaii ai 2aiai2i1i第28頁/共32頁第二十九頁，共32頁。 換向問題很復(fù)雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花(huhu)。當(dāng)火花(huhu)大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。 產(chǎn)生火花(huhu)的原因很多，除了電磁原因外，還有機(jī)械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。 元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機(jī)在運(yùn)行中，電樞繞組每個(gè)元件在經(jīng)過電刷時(shí)都要經(jīng)歷換向過程。kT第29頁/共32頁第三十頁，共32頁。換向元件(yunjin)中的電動勢：自感電動勢 和互感電動勢 ：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的。LeMe切割電動勢 ：在幾何中性線處，由于電樞反應(yīng)在存在，電樞反應(yīng)磁密不為零，在換向元件中感應(yīng)切割電動勢。ae換向元件中的合成電動勢為：kaMLeeeee 根據(jù)(gnj)楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總是阻礙換向的。換向電動勢 ：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應(yīng)的電動勢。換向電動勢是幫助換向的。ke第30頁/