電機6-2直流電機的工作原理與基本結(jié)構(gòu)(qing)

1、第二篇第二篇 直直 流流 電電 機機第六章第六章 直流電機的用途、工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機的用途、工作原理與結(jié)構(gòu) 直流電機分為電動機和發(fā)電機。 直流發(fā)電機直流發(fā)電機 用于大型同步發(fā)電機的勵磁電源勵磁電源。 化學工業(yè)中的電鍍、電解電鍍、電解 直流發(fā)電直流發(fā)電（ 容量可比交流發(fā)電提高30） 直流電動機直流電動機 起動性能好起動性能好，用于電力機車、重型機械。 調(diào)速性能好調(diào)速性能好，高精度、高性能電力拖動， 如驅(qū)動軋鋼機，可以實現(xiàn)無級調(diào)速。 6-2 6-2 直流電機的工作原理直流電機的工作原理 電動機原理電動機原理 直流電動機用來拖動生產(chǎn)機械，如拖動電力機車、吊車、機床等。輸入電功率輸入電功率輸出機械

2、功率輸出機械功率 電流、電壓電流、電壓電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩怎樣使一臺直流電機通電后能轉(zhuǎn)動并輸出機械功率？先復習皮奧先復習皮奧薩伐薩伐拉普拉斯定律拉普拉斯定律。 若磁場與載流導體互相垂直，作用在導體上的電磁力：f=BIL (N)N NB B S f if 電磁力，可使導體運動， 用左手定則確定B磁場的磁感應強度(wb/m2) i通電導體的電流（A）L導體的有效長度（m） 圖1. 載流導體在磁場內(nèi)受到電磁力電磁力 怎樣利用皮奧怎樣利用皮奧薩伐定律制作一臺直流薩伐定律制作一臺直流電動機？或怎樣使一臺電動機運轉(zhuǎn)？電動機？或怎樣使一臺電動機運轉(zhuǎn)？圖圖1 電機簡單結(jié)構(gòu)（剖面圖）電機簡單結(jié)構(gòu)（剖面圖）磁極固定，

3、電樞可磁極固定，電樞可以轉(zhuǎn)動。以轉(zhuǎn)動。 磁極 NS電樞磁軛.圖圖2 軸向看電機軸向看電機NS軸軸生生產(chǎn)產(chǎn)機機械械電樞槽中嵌入的線圈圖 3 軸向看電樞電動機轉(zhuǎn)動條件：電動機轉(zhuǎn)動條件：B 磁極和勵磁電流（或永久磁鐵）；i 電樞開槽嵌入線圈，而且線圈通入電流；L 線圈有效長度。L L圖 4 線圈 請判斷下圖說明電樞是否在擺動？為什么？請判斷下圖說明電樞是否在擺動？為什么？NSabcdcdf f逆時針轉(zhuǎn)動cdNSab順時針轉(zhuǎn)動 上圖說明線圈中的電流不變，則出現(xiàn)電樞來回上圖說明線圈中的電流不變，則出現(xiàn)電樞來回擺動的現(xiàn)象。擺動的現(xiàn)象。 a abcd圖 5 線圈中的兩個導體必須線圈中的兩個導體必須“隨機應變

4、隨機應變”。 NSabcdcdcdNSab 電樞轉(zhuǎn)動時，線圈兩導體在電樞轉(zhuǎn)動時，線圈兩導體在N N極和極和S S極下電流應該方向不同。極下電流應該方向不同。 換句話換句話 說，說， N N極下無論對應哪極下無論對應哪一個根導體，其方向是正向電流；一個根導體，其方向是正向電流；S S極下對應導體電流方向為反向。極下對應導體電流方向為反向。 圖 8 電樞、線圈與換向片的關系示意圖 怎樣使線圈中的導體“隨機應變隨機應變”？ 換向器中的電刷固定換向器中的電刷固定 ，正電刷，正電刷 A與與N極對應，極對應，負電刷負電刷B與與S極對應。極對應。 使用換向器，換向器中的使用換向器，換向器中的 換向片隨電樞同

5、步換向片隨電樞同步轉(zhuǎn)動，而且與線圈焊接。轉(zhuǎn)動，而且與線圈焊接。NS+ - A B B -B+A NS 1 2 3 4 VV注意：注意：A A正向電刷位置對應正向電刷位置對應N N磁極；磁極；B B負向電刷位置對應負向電刷位置對應S S磁極。磁極。電刷與磁極相對靜止。電刷與磁極相對靜止。圖 9 換向器外觀圖圖10 電流換向A X NSA 1 2+B-A X NS1 2-+ AB vINSnAB + - 電動機正常工作需要一個換向器。電動機正常工作需要一個換向器。 換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片換向片構(gòu)成，與構(gòu)成，與固定不動的電刷滑動接觸。固定不動的電刷滑動接觸。換向器的作用：

6、換向器的作用： 使電機能連續(xù)的轉(zhuǎn)動。使電機能連續(xù)的轉(zhuǎn)動。 使轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的電源滑動接觸。使轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的電源滑動接觸。 直流電動機工作原理：直流電動機工作原理： 勵磁在電機中產(chǎn)生磁場，由換勵磁在電機中產(chǎn)生磁場，由換向器配合電刷向電動機輸入電功率，向器配合電刷向電動機輸入電功率，使電樞繞組通電，在磁場作用下產(chǎn)使電樞繞組通電，在磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，輸出機械功率。生電磁轉(zhuǎn)矩，輸出機械功率。 磁極、勵磁繞組（靜止）磁極、勵磁繞組（靜止）直流電機結(jié)構(gòu)直流電機結(jié)構(gòu) 電樞、電樞繞組（可轉(zhuǎn)動）電樞、電樞繞組（可轉(zhuǎn)動） 電刷（靜止）電刷（靜止） 換向器（可轉(zhuǎn)動）換向器（可轉(zhuǎn)動）U U電樞電流

7、電樞電流I Ia a勵磁電流勵磁電流I If f 發(fā)電機工作原理發(fā)電機工作原理 輸入機械功率輸入機械功率 輸出電功率輸出電功率 原動機拖原動機拖動電樞轉(zhuǎn)動電樞轉(zhuǎn)動動 E = BLVBLV（感應電動勢（感應電動勢) )換向器在直流發(fā)電機中的作用：使交變感應電動勢變?yōu)橹绷麟妱觿荨?由于電刷僅接觸同一磁極下的導體，所以導體雖然在N、S極下感應電動勢方向不同，但一經(jīng)電刷就變?yōu)榉较虿蛔兊闹绷麟妱觿?。ANSX n n圖 11 右手判斷感應電動勢I II If f Ea+-A A電刷與電刷與N N磁極下導線接觸，磁極下導線接觸，B B電刷與電刷與S S磁極下導線接觸。磁極下導線接觸。 問問：輸出的是直流電還

8、是輸出的是直流電還是交流？交流？NSAB+ - 答答：直流直流直流發(fā)電機工作原理直流發(fā)電機工作原理： 靠換向器配合電刷產(chǎn)生換向作用，靠換向器配合電刷產(chǎn)生換向作用，把電樞中感應產(chǎn)生的把電樞中感應產(chǎn)生的交變交變電動勢從電電動勢從電刷端引出，變成刷端引出，變成直流直流電動勢電動勢。輸入機輸入機械功率械功率 發(fā)電機發(fā)電機原原動動機機換向器換向器E Ea a=BLV=BLV輸出電功率輸出電功率電電 負負 載載圖18 發(fā)電機換向器作用示意圖直流發(fā)電機的工作原理直流發(fā)電機的工作原理 在電動機中將電刷上所通過的直流在電動機中將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。 在直流發(fā)

9、電機中將電樞線圈的交流在直流發(fā)電機中將電樞線圈的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢；電動勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢；換向器的作用換向器的作用：動動生產(chǎn)機械生產(chǎn)機械（被拖動的負載）（被拖動的負載）輸出機輸出機械功率械功率 電動電動機機換向器換向器nf = BiLf = BiL 圖圖 17 電動機換向器作用示意圖電動機換向器作用示意圖輸入電輸入電功率功率靜靜I 同一臺電機，能作電動機或發(fā)電同一臺電機，能作電動機或發(fā)電機運行的原理，稱為可逆原理。機運行的原理，稱為可逆原理。2、為什么叫直流發(fā)電機，直流電動機？為什么叫直流發(fā)電機，直流電動機？1、發(fā)電機與電動機結(jié)構(gòu)是否相同？、發(fā)電機與電動機結(jié)構(gòu)是否相同

10、？3、電機被原動機拖動，勵磁供電產(chǎn)生磁電機被原動機拖動，勵磁供電產(chǎn)生磁 場，電場，電 機將處什么工作狀態(tài)？機將處什么工作狀態(tài)？ 答：發(fā)電機狀態(tài)（答：發(fā)電機狀態(tài)（E = BVLE = BVL）4、電樞輸入直流電，勵磁供電產(chǎn)生磁場，電樞輸入直流電，勵磁供電產(chǎn)生磁場， 電電 機何狀態(tài)？機何狀態(tài)？答：電動機狀態(tài)答：電動機狀態(tài) (f = BiL)(f = BiL) ？6-3 6-3 直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)靜靜止止部部分分主磁極主磁極機座機座 端蓋端蓋 軸承軸承 電刷裝置電刷裝置轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動部部分分電樞鐵芯電樞鐵芯電樞繞組電樞繞組 換向器換向器風扇風扇 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 勵磁繞組勵磁繞組 軸的作用？軸的

11、作用？ 固定電樞，又可使電樞隨軸旋轉(zhuǎn)。 電樞的作用？電樞的作用？ 電樞槽中可嵌入線圈的導體，可作為磁路 的一部分。 端蓋端蓋：可支承軸。：可支承軸。 軸承軸承： 套在端蓋中，使軸與端蓋之間滾動摩擦 ， 可減少摩擦，避免磨損、發(fā)熱、燒壞軸承。6-3 6-3 直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)軸承結(jié)構(gòu) 外環(huán)，嵌入端蓋靜止內(nèi)環(huán)，與軸相聯(lián)，隨軸轉(zhuǎn)動滾子，內(nèi)外環(huán)滾動摩擦，減小摩擦 換向器及電刷：換向器及電刷： 發(fā)電機: 輸出電樞直流電動勢。 電動機: 使電機連續(xù)轉(zhuǎn)動， 輸入電樞直流電流。 機座機座：固定端蓋、磁極，是一部分磁路，有底腳 將整個電機固定與基礎上。 磁極磁極：固定于機座上，N、S交替，磁極

12、上繞勵磁 線圈，是電磁機構(gòu)中產(chǎn)生磁的重要部分。極靴作用極靴作用：卡住卡住 勵磁繞組，使主勵磁繞組，使主 磁通在氣隙中分磁通在氣隙中分 布合理。布合理。一、主磁極一、主磁極思考思考： 主磁極為何用沖片疊裝主磁極為何用沖片疊裝 極靴有何作用極靴有何作用主磁極作用主磁極作用：產(chǎn)生氣隙磁場，并使電樞表面的產(chǎn)生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度氣隙磁通密度B B按方波沿空間分布按方波沿空間分布。 機座極身極靴勵磁繞組圖13 主磁極結(jié)構(gòu)圖14 主磁極疊片有極靴氣隙磁通分布合理無極靴氣隙磁通分布不合理NNSS無磁場區(qū)域大 主磁通交變產(chǎn)生鐵耗，為減少鐵耗，采用疊主磁通交變產(chǎn)生鐵耗，為減少鐵耗，采用疊片結(jié)構(gòu)。

13、鐵芯用片結(jié)構(gòu)。鐵芯用0.50.5 1.5mm1.5mm的鋼板沖片疊壓緊，然的鋼板沖片疊壓緊，然后再套上勵磁繞組。后再套上勵磁繞組。 主磁極鐵芯主磁極鐵芯NSSN1、磁極磁極表面對應電樞齒槽，齒槽表面對應電樞齒槽，齒槽單復數(shù)不同，磁極表面對應槽時氣單復數(shù)不同，磁極表面對應槽時氣隙大，磁通隙大，磁通??；??； 磁極對應齒時磁極對應齒時氣氣隙小隙小 ，磁通，磁通大。大。電樞移動時，電樞移動時，脈振，產(chǎn)生少許鐵耗。脈振，產(chǎn)生少許鐵耗。磁通交變的原因：磁通交變的原因： NS v v2、電樞電樞旋轉(zhuǎn)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)經(jīng)過N、S極，如右圖極，如右圖所示，電樞中有交變磁通。所示，電樞中有交變磁通。S N 繞制好的勵磁繞組

14、套在鐵芯外繞制好的勵磁繞組套在鐵芯外 勵磁繞組勵磁繞組 可用圓截面或矩形截面的絕緣導線繞在繞組可用圓截面或矩形截面的絕緣導線繞在繞組框架上，經(jīng)浸膠（漆）及烘干后一起套入主磁極框架上，經(jīng)浸膠（漆）及烘干后一起套入主磁極鐵芯。各主極上的勵磁繞組彼此間用串聯(lián)方式連鐵芯。各主極上的勵磁繞組彼此間用串聯(lián)方式連接，保證各磁極電流相等。線圈繞向不同，使磁接，保證各磁極電流相等。線圈繞向不同，使磁極極 N N、S S交替。交替。 機座固定主極及端蓋，借助底腳將整機座固定主極及端蓋，借助底腳將整個電機固定于基礎上個電機固定于基礎上 ， 也作為磁軛構(gòu)成也作為磁軛構(gòu)成一部分磁路（定子磁軛）。一部分磁路（定子磁軛）。

15、 由鑄鋼或鋼板焊接而成，使具有良好由鑄鋼或鋼板焊接而成，使具有良好的導磁性能和機械性能。的導磁性能和機械性能。二二 、機座、機座 電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座（搖電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座（搖環(huán)）組成。環(huán)）組成。 電刷（石墨）放在刷握上的刷盒內(nèi)，用彈簧電刷（石墨）放在刷握上的刷盒內(nèi)，用彈簧將它壓緊在換向器上，而刷握固定在刷桿上，刷將它壓緊在換向器上，而刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上（不止一個電刷），必須絕緣。桿裝在刷桿座上（不止一個電刷），必須絕緣。 刷桿座可轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)好與換向器的對應接觸刷桿座可轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)好與換向器的對應接觸位置后，固定在端蓋或機座上。位置后，固定在端蓋或機

16、座上。 銅絲辮是外部電源與電刷的連接線。銅絲辮是外部電源與電刷的連接線。三三 、電刷裝置、電刷裝置 四、電樞鐵芯四、電樞鐵芯 由電樞鐵心和主磁場間的相對運動，導致鐵耗，由電樞鐵心和主磁場間的相對運動，導致鐵耗，電樞鐵芯由電樞鐵芯由0.5mm0.5mm厚的電工硅鋼片沖疊，每張沖片厚的電工硅鋼片沖疊，每張沖片有嵌放繞組的槽。有嵌放繞組的槽。 電樞鐵芯固定在轉(zhuǎn)子支架上或直接固定在轉(zhuǎn)軸電樞鐵芯固定在轉(zhuǎn)子支架上或直接固定在轉(zhuǎn)軸上。上。 電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。它是直流電機的主要它是直流電機的主要電路部分電路部分。 電動機通電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，發(fā)電

17、機感應產(chǎn)生電動機通電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機感應產(chǎn)生電動勢都在電樞繞組中，它是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的電動勢都在電樞繞組中，它是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關鍵部件關鍵部件。 槽楔導體（線圈）層間絕緣槽底絕緣槽絕緣圖 16 電樞槽橫截面 線圈伸出槽外的端接部分，線圈伸出槽外的端接部分，用非磁性鋼絲或玻璃絲帶緊，用非磁性鋼絲或玻璃絲帶緊，防止離心力將繞組甩出槽內(nèi)。防止離心力將繞組甩出槽內(nèi)。 槽楔把繞組壓槽楔把繞組壓緊在槽內(nèi)，防止離緊在槽內(nèi)，防止離心力將繞組甩出槽心力將繞組甩出槽內(nèi)。內(nèi)。電刷 1 2槽內(nèi)部分換向片五、換向器五、換向器 換向器與電樞首尾相連，隨軸轉(zhuǎn)動。換向器與電樞首尾相連，隨軸轉(zhuǎn)動。換向器由換向片組成

18、，電樞中每個線圈兩換向器由換向片組成，電樞中每個線圈兩端分別焊接在兩個換向片上。端分別焊接在兩個換向片上。 換向器的作用是與電刷裝置相配合，換向器的作用是與電刷裝置相配合，使電樞線圈中的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷間使電樞線圈中的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢。它是直流電機中最重要的的直流電動勢。它是直流電機中最重要的部件之一，也是最薄弱的環(huán)節(jié)。部件之一，也是最薄弱的環(huán)節(jié)。 換向片之間用換向片之間用0.40.4 1.2mm1.2mm的云母片絕緣，的云母片絕緣，換向片嵌入換向片嵌入V V形套筒，形套筒，V V形套筒又套在軸上，形套筒又套在軸上，與電樞同軸轉(zhuǎn)動（相對靜止）。與電樞同軸轉(zhuǎn)動（相對靜止）。

19、 換向片側(cè)面換向片側(cè)面V形正好可以嵌入具有形正好可以嵌入具有V形槽的套筒中。形槽的套筒中。 問：問：20個線圈需要多少換向片？個線圈需要多少換向片？ 換向器隨軸與電樞同步轉(zhuǎn)動，與固定換向器隨軸與電樞同步轉(zhuǎn)動，與固定的電刷滑動接觸，相當于電樞線圈與電刷的電刷滑動接觸，相當于電樞線圈與電刷接觸或電源、負載與線圈接觸。接觸或電源、負載與線圈接觸。答答： 20片合成一圓柱體，這個整體稱為片合成一圓柱體，這個整體稱為換向器，它套在軸上，電樞也套在軸上，換向器，它套在軸上，電樞也套在軸上，軸轉(zhuǎn)動，換向器與軸同步轉(zhuǎn)動。軸轉(zhuǎn)動，換向器與軸同步轉(zhuǎn)動。 直流電機按勵磁方式的分類直流電機按勵磁方式的分類1 1、他勵

20、、他勵（電機需要兩套電源）（電機需要兩套電源） 他勵式的勵磁繞組由另外一個他勵式的勵磁繞組由另外一個電源供電勵磁。電源供電勵磁。 永磁式直流電機因其主磁場由永磁式直流電機因其主磁場由永久磁鐵建立，屬于他勵式。永久磁鐵建立，屬于他勵式。 各種直流電機采用不同勵磁各種直流電機采用不同勵磁方式時，它們的運行性能差別很方式時，它們的運行性能差別很大，所以通常按勵磁方式分類直大，所以通常按勵磁方式分類直流電機。流電機。+-UE-I If fU Uf f圖19 他勵式+- 直流電機按勵磁方式的分類直流電機按勵磁方式的分類 2、自勵式（電機只需一個電源）、自勵式（電機只需一個電源） 勵磁繞組與電樞繞組按一定

21、的關系相連接，勵磁繞組與電樞繞組按一定的關系相連接，對直流電動機而言勵磁繞組和電樞繞組由同一對直流電動機而言勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電；電源供電； 并并 勵勵 串串 勵勵 復復 勵勵按勵磁繞組與電樞繞組的連接方式分為：按勵磁繞組與電樞繞組的連接方式分為：電動機電流關系電動機電流關系： I = Ia + If發(fā)電機電流關系發(fā)電機電流關系： Ia= I + If 自勵式自勵式 并勵并勵圖 20 并勵直流電機+-I If f（勵磁電流）UE-+I Ia aI 對發(fā)電機而言，勵磁電流由該電機對發(fā)電機而言，勵磁電流由該電機電樞供電。電樞供電。 I Ia a= I = I= I = If f 串勵電機電流關系：串勵電機電流關系：圖 21 串勵直流電機+-E-+UI 串勵串勵圖 21 復勵直流電機EF1F2長復勵EF1F2短復勵 復勵復勵 有兩套勵磁繞組，一個與電樞繞組有兩套勵磁繞組，一個與電樞繞組 并聯(lián)，另一個與電樞繞組串聯(lián)。并聯(lián)，另一個與電樞繞組串聯(lián)。 當產(chǎn)生的磁動當產(chǎn)生的磁動勢勢F1和和F2方向相同方向相同時是時是積積復勵；復勵； 方向相反