第3章直流電機(jī)原理

1、電源電源勵磁機(jī)勵磁機(jī)測速測速伺服伺服3.1.1 直流電機(jī)的用途直流電機(jī)的用途abcdNS1、直流發(fā)電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理電刷電刷換向片換向片轉(zhuǎn)子、繞組轉(zhuǎn)子、繞組定子定子f=Bli e=Blv1）電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電；）電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電；2）電刷間為直流電勢。線圈中感應(yīng)電勢與電）電刷間為直流電勢。線圈中感應(yīng)電勢與電流方向一致；流方向一致；3）從空間看，）從空間看， 電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；是恒定不變的磁場；4）產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩）產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反， 是制是制動性質(zhì)。動性質(zhì)。abcdNS

2、UIIffabcdNSUIIffeeeef=Bli e=Blv1）外施電壓、電流是直流，）外施電壓、電流是直流， 電樞線圈內(nèi)電流電樞線圈內(nèi)電流是交流；是交流；2）線圈中感應(yīng)電勢與電流方向相反；）線圈中感應(yīng)電勢與電流方向相反；3）線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的；）線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的；4）產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩）產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動性質(zhì)。性質(zhì)。主磁極主磁極換向磁極換向磁極電刷裝置電刷裝置機(jī)座機(jī)座端蓋端蓋定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞鐵心電樞繞組電樞繞組換向器換向器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸軸承軸承直流電機(jī)直流電機(jī)3.2.1 主要結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)（1）主磁極主磁極1主磁極鐵心主磁

3、極鐵心2勵磁繞組勵磁繞組3機(jī)座機(jī)座主磁極鐵心用主磁極鐵心用11.5mm厚的鋼板沖片疊壓而成。厚的鋼板沖片疊壓而成。4 444轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1換向極鐵心換向極鐵心2換向極繞組換向極繞組換向極鐵心一般用整塊鋼換向極鐵心一般用整塊鋼或鋼板板疊片加工而成?；蜾摪灏瀵B片加工而成。換向極繞組與電樞繞組串換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。聯(lián)。作用作用：改善換向。：改善換向。機(jī)座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。機(jī)座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。（4）電刷裝置）電刷裝置電刷的電刷的作用作用是把轉(zhuǎn)動的電樞是把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。流或逆

4、變器的作用。4刷握刷握3電電刷刷2壓緊彈簧壓緊彈簧1銅絲辮銅絲辮（1）電樞鐵心電樞鐵心 為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時電樞鐵心中因磁通變化而引起的為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。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(jī)的主要電路部分，是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動勢流電機(jī)的主要電路部分，是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動勢以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用帶絕緣的圓形或矩形線

5、圈用帶絕緣的圓形或矩形截面導(dǎo)線繞成，嵌放在電摳截面導(dǎo)線繞成，嵌放在電摳槽內(nèi)，上下層之間以及線圈槽內(nèi)，上下層之間以及線圈與鐵心之間都要妥善地絕緣。與鐵心之間都要妥善地絕緣。然后用槽楔壓緊，再用鋼絲然后用槽楔壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，以防止離或玻璃絲帶扎緊，以防止離心力將繞組甩出槽外。心力將繞組甩出槽外。作用：作用：是將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交是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，在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交變電動勢轉(zhuǎn)變電流，在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交變電動勢轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動勢。換為電刷端上的直流電動勢。換向器由許多換向換向器由許多換向片組成。換向片之片

6、組成。換向片之間用云母絕緣。電間用云母絕緣。電樞繞組的每一個線樞繞組的每一個線圈兩端分別焊接在圈兩端分別焊接在兩個換向片上。兩個換向片上。主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成直流電機(jī)直流電機(jī)定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子機(jī)座機(jī)座換向極換向極主磁極主磁極電刷裝置電刷裝置電樞鐵心電樞鐵心軸承軸承換向器換向器風(fēng)扇風(fēng)扇 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸電樞繞組電樞繞組額定容量額定容量PN： 輸出功率，單位輸出功率，單位kW額定電壓額定電壓UN：額定狀態(tài)下出線端電壓，單位：額定狀態(tài)下出線端電壓，單位V額定電流額定電流IN：額定狀態(tài)下出線端電流，單位：額定狀態(tài)下出線端電流，單位A額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN： 額定狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速，單

7、位額定狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min直流發(fā)電機(jī)：直流發(fā)電機(jī)： PNUN IN直流電動機(jī)：直流電動機(jī)： PNUN IN 額定勵磁電壓、額定勵磁電流和勵磁方式等。額定勵磁電壓、額定勵磁電流和勵磁方式等。NNNNNNNnPnPPT55. 96022 電動機(jī)軸上輸出電動機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩：的額定轉(zhuǎn)矩：3.2.2 電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)3.3.1 直流電機(jī)的磁路直流電機(jī)的磁路直流電機(jī)空載時的磁場分布直流電機(jī)空載時的磁場分布磁路從磁路從氣隙氣隙1出發(fā)經(jīng)出發(fā)經(jīng)電樞電樞齒電樞軛電樞齒齒電樞軛電樞齒2氣氣隙隙2主磁極主磁極2定子軛主定子軛主磁極磁極1，最后又回到最后又回到氣隙氣隙1每極磁勢：每極磁勢：

8、ffNIF mfmmmamtmfRRRRRF2222ffNIF mtRmRmaRmmRmfR：氣隙磁阻：氣隙磁阻：電樞齒磁阻：電樞齒磁阻：電樞磁軛磁阻：電樞磁軛磁阻：主磁極磁阻：主磁極磁阻：定子磁軛極磁阻：定子磁軛極磁阻：主磁極磁通勢：主磁極磁通勢由上圖得：由上圖得：mfmfRFRF22imlR0而上式中分子為氣隙；分母為空氣導(dǎo)磁系數(shù)、磁管寬度和電機(jī)軸長li為面積整理可得：fixFlB0在一個磁極的范圍內(nèi)，勵磁磁勢大小一樣，在一個磁極的范圍內(nèi)，勵磁磁勢大小一樣，B大小完全與氣隙長度成反比。大小完全與氣隙長度成反比。在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻

9、小，即此位置的主磁場較強(qiáng)，在勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強(qiáng)，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于密等于0。Bl極距極距 為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一定量的每極磁通定量的每極磁通 ，空載時，氣，空載時，氣隙磁通隙磁通 與空載磁通勢與空載磁通勢 或空或空載勵磁電流載勵磁電流 的關(guān)系，稱為直流的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。電機(jī)的空載磁化特性。0 0 0fF0fI 為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材料，為了經(jīng)濟(jì)、合理

10、地利用材料，一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時，額定一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時，額定磁通磁通 設(shè)定在圖中設(shè)定在圖中A點(diǎn)，即在磁點(diǎn)，即在磁化特性曲線開始進(jìn)入飽和區(qū)的位化特性曲線開始進(jìn)入飽和區(qū)的位置。置。N fNI0fF0fIfFfIA0N 0 +Ua+Uf他他勵勵并并勵勵串串勵勵復(fù)復(fù)勵勵1. 直流電動機(jī)按勵磁方式分類直流電動機(jī)按勵磁方式分類MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流發(fā)電機(jī)按勵磁方式分類直流發(fā)電機(jī)按勵磁方式分類自自勵勵他他勵勵串串勵勵復(fù)復(fù)勵勵并并勵勵GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI對電樞繞組的要求：對電樞繞組的要求：在通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生

11、在通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電勢和電磁轉(zhuǎn)矩足夠的電勢和電磁轉(zhuǎn)矩前前提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有效材料最省， 強(qiáng)度高（機(jī)械、電強(qiáng)度高（機(jī)械、電氣、熱），氣、熱）， 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡單等。運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡單等。 電樞繞組：電樞繞組：直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一, , 是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。樞紐。 元件的首末端元件的首末端：每一個元件均引出兩每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。端，另一根稱為末端。元元件件邊邊 極

12、距極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用面之間的距離，用表示。表示。首端首端末端末端pD2 端端部部第二節(jié)距第二節(jié)距y2：連至同一換向片上連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間層邊與第二個元件的上層邊間的距離。的距離。第一節(jié)距第一節(jié)距y1：一個元件的兩條有一個元件的兩條有效邊在電樞表面跨過的距離。效邊在電樞表面跨過的距離。y1y2y合成節(jié)距合成節(jié)距y ：連接同一換向片上連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。換向節(jié)距換向節(jié)距yk：同一元件首末端連同一元件首末端連接的換向片

13、之間的距離。接的換向片之間的距離。K：換向片個數(shù)：換向片個數(shù)S：元件數(shù)：元件數(shù)Z：實(shí)槽，實(shí)際槽：實(shí)槽，實(shí)際槽u：虛槽，實(shí)槽中一層并列放置的元件邊數(shù)：虛槽，實(shí)槽中一層并列放置的元件邊數(shù)Ze：虛槽數(shù)，：虛槽數(shù)，Ze=uZ=S=kz：電樞繞組全部導(dǎo)體數(shù)：電樞繞組全部導(dǎo)體數(shù)總導(dǎo)體數(shù)：總導(dǎo)體數(shù)：z=2uZNy=2NyZeNy：每元件串聯(lián)匝數(shù)每元件串聯(lián)匝數(shù)單疊繞組的單疊繞組的連接規(guī)律連接規(guī)律是：后一個元件緊接著前一個元件是：后一個元件緊接著前一個元件嵌放（相差一個槽，嵌放（相差一個槽，y=1），同時每個元件的出線端依），同時每個元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個閉合回路。次連接到相鄰的換向

14、片上，最后形成一個閉合回路。特點(diǎn)：特點(diǎn)：虛虛槽數(shù)槽數(shù)Ze、元件數(shù)、元件數(shù)S和換向片數(shù)和換向片數(shù)K三者相同三者相同單疊繞組的合成節(jié)距等于一個槽，換向節(jié)距等于一個換單疊繞組的合成節(jié)距等于一個槽，換向節(jié)距等于一個換向片。向片。y=yk=1即：即： Z ZZeZeS SK K1616圖圖1-12 單疊繞組展開圖（單疊繞組展開圖（p p1 Z ZZeZeS S6 6 ） 直流電樞繞組直流電樞繞組A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB結(jié)論：結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成閉合回路。整個電樞繞組通過換向片連成閉合回路。A B123456781. 數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)

15、計算yyk1實(shí)例：極對數(shù)實(shí)例：極對數(shù) p2， 每槽兩層，每層一邊每槽兩層，每層一邊(u=1)， ZZeSK164221621pZypZ2有時有時，不是整數(shù)，但不是整數(shù)，但y1是整數(shù)是整數(shù)所以所以，pZy21夸一個極距是要夸一個極距是要得到最大轉(zhuǎn)矩得到最大轉(zhuǎn)矩11.槽展開槽展開2.繞組放置繞組放置3.安放磁極電刷安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開槽展開繞組放置繞組放置安放電刷、磁極安放電刷、磁極NSNS+結(jié)合電刷的放置，結(jié)合電刷的放置， 得到該瞬時的電路圖得到該瞬時的電路圖每個極下的元件組成一條支路。即單疊繞組的并聯(lián)支每個

16、極下的元件組成一條支路。即單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機(jī)的極數(shù)。路數(shù)正好等于電機(jī)的極數(shù)。 aaaiI2串聯(lián)的元件所生的電勢同向相加，串聯(lián)的元件所生的電勢同向相加， 合成節(jié)距合成節(jié)距 2y單波繞組：換向節(jié)距單波繞組：換向節(jié)距yk必須符合必須符合 即即 1KyPk pKyk1繞組從某一換向片出發(fā)，繞組從某一換向片出發(fā)， 沿電樞鐵心一周后回到原沿電樞鐵心一周后回到原來出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上，來出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。則可由此再繞下去。 單波繞組的單波繞組的連接規(guī)律連接規(guī)律是：把相同極性磁極下的元件連是：把相同極性磁極下的元件連接起來。接起來。1Kpyk（y yk k為整數(shù)）為整數(shù)）1.

17、繞組數(shù)據(jù)計算繞組數(shù)據(jù)計算44141521pZy721151pKyyk34712yyy元件、換向片的放置元件、換向片的放置：1 1元件上層邊元件上層邊1 1槽，下層邊槽，下層邊4 4槽槽; ;首末端所連的換向首末端所連的換向片相距片相距y yk k7 7；為了端部對稱，為了端部對稱， 首末端所連的兩換向片之間的中心線首末端所連的兩換向片之間的中心線與與1 1元件的軸線重合。元件的軸線重合。1 1元件上層邊所連的換向片元件上層邊所連的換向片定為定為1 1。 依次聯(lián)接依次聯(lián)接。 磁極放置：磁極放置： N、S極磁極均勻交替的排列。極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：電刷的放置：放在與主極軸線對準(zhǔn)的換向片

18、上。放在與主極軸線對準(zhǔn)的換向片上。 3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512SNNS槽展開槽展開繞組放置繞組放置安放磁極、電刷安放磁極、電刷從繞組展開圖可以看出，從繞組展開圖可以看出， 全部全部15個元件串聯(lián)而構(gòu)成一個元件串聯(lián)而構(gòu)成一個閉合環(huán)路的順序是：個閉合環(huán)路的順序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用聯(lián)接順序圖表示為：用聯(lián)接順序圖表示為：18 157 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2994 11 3 102 918 15 7 14 6 13 512上層邊上層邊下層邊下層邊槽號及元件號槽號及元件

19、號槽號槽號181571461351241131029換向片號換向片號短路的換向片短路的換向片在環(huán)路中相鄰在環(huán)路中相鄰單波繞組把單波繞組把相同極性下相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。路。 由于磁極只有由于磁極只有N、S之分，之分， 所以單波繞組的支路對所以單波繞組的支路對數(shù)數(shù)a與極對數(shù)多少無關(guān)，永遠(yuǎn)為與極對數(shù)多少無關(guān)，永遠(yuǎn)為1，即，即a1。 單疊繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件，單疊繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件， 形成一條支路。形成一條支路。 每增加一對主極就增加一對支路。每增加一對主極就增加一對支路。 2a2p。疊繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，疊繞

20、組并聯(lián)的支路數(shù)多， 每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適應(yīng)于較大電流、較低電壓的電機(jī)。適應(yīng)于較大電流、較低電壓的電機(jī)。 單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。相連，形成一條支路。 整個繞組只有一對支路，整個繞組只有一對支路， 極數(shù)的增減與支路數(shù)無關(guān)。極數(shù)的增減與支路數(shù)無關(guān)。 2a2。波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少， 每條支路中串聯(lián)元件數(shù)每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，多， 適用于較高電壓、較小電流的電機(jī)。適用于較高電壓、較小電流的電機(jī)。avBllBavlBavlvBeavav602npv602npeavnCna

21、pznpazeazEeava6060222apzCe60電樞感應(yīng)電勢為：為電動勢常數(shù)aavavilBf2DfTavxaTaaaavICIapzpzaIllDzaIlBT222222apzCT2aaaiI2合成磁場合成磁場（負(fù)載時的磁場）（負(fù)載時的磁場）NS幾何幾何中心線中心線 N S勵磁磁場勵磁磁場（空載磁場）（空載磁場）物理物理中心線中心線電樞磁場電樞磁場 電樞反應(yīng)：電樞反應(yīng)： 電樞磁通勢主極磁場產(chǎn)生變化。電樞磁通勢主極磁場產(chǎn)生變化。 他勵直流發(fā)電機(jī)慣例他勵直流發(fā)電機(jī)慣例01TTTdtdnGDdtdJTTT375201aaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022他勵直流發(fā)電機(jī)功

22、率流程圖他勵直流發(fā)電機(jī)功率流程圖SMpPpPpPPP211121pPp21)(75. 85 . 38 .22230ARRUIffNf)(52.35623010823AUPINNN)(27.36575. 852.356AIIIfNa)( 5 .2412029. 027.3652302VURIUEaaNa)(2 .8827.3655 .241kWIEPaaem)(9182005. 05 . 22 .881kWpppPPadmFeem)(4 .868970102 .8855. 955. 93mNnPTNem%1 .90%1009182%10012PP他勵（并勵）直流電動機(jī)慣例他勵（并勵）直流電動機(jī)慣

23、例3.73.7直流電動機(jī)直流電動機(jī)02TTTdtdnGDdtdJTTT3752023.7.2.3.7.2.他勵直流電動機(jī)的功率關(guān)系他勵直流電動機(jī)的功率關(guān)系aaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022 他勵直流電動機(jī)功率流程圖他勵直流電動機(jī)功率流程圖MaNeaaNeaNeNICRnICRCUn03.7.33.7.3他他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性aIUpPPN121aaFemcuaRIpppppp2s0另外，效率中另外，效率中p p0 0與與I Ia a無關(guān)，無關(guān)， I Ia a變大使銅耗加大變大使銅耗加大n，T，Ia(P2)0n=f(Ia)=f(I

24、a)T=f(Ia)圖136 他勵(并勵)直流電動機(jī)工作特性aTICTpPPPP2212aNeaICRnn0TnTCCRRCUnTeaeN022TeaCCRR在電源電壓在電源電壓U U = =U UN N，氣隙磁通，氣隙磁通 = =N N，電樞外串電，電樞外串電阻阻R R=0=0時，時，n n =(=(T T ) )的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：TnTCCRCUnNTeaNeN02NeNCUn0空載轉(zhuǎn)速：空載轉(zhuǎn)速：3.8.23.8.2固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性2NTeaCCR斜率：斜率：（特性的軟和硬）（特性的軟和硬）固有機(jī)械特性圖固有機(jī)械特性圖其他象限工作情況其他象限工作情況TnTCCRCUnNTeaNeN02nn0TTso注意：穩(wěn)定運(yùn)行注意：穩(wěn)定運(yùn)行即：即：T = TT = TL LnnTnTCCRRCUnNTeaNeN002TLTSTCUTCCRCUnNNeNTeaNe2TCC