第1章直流電機的工作原理、結(jié)構(gòu)及額定值

1.2直流電機的結(jié)構(gòu)1.1直流電機的工作原理1.3直流電機電樞繞組1.4直流電機的額定值直流電機(DCMachines)概述

直流電機是電機的主要類型之一。直流電機可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用。

用作發(fā)電機可以獲得直流電源，用作電動機，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。直流電機的用途:作電源用:發(fā)電機；作動力用:電動機；信號的傳遞:測速發(fā)電機,伺服電機

電動機的分類電動機

直流電動機交流電動機良好的啟動性能和調(diào)速性能結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護方便、運行可靠作電源用:直流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能

作動力用:直流電動機將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能

信號傳遞:直流測速發(fā)電機將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號

信號傳遞:直流伺服電動機將控制電信號轉(zhuǎn)換為機械信號

直流電機的優(yōu)缺點

1.直流發(fā)電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。2.直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑

3.直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。4.由于存在換向器，其制造復(fù)雜，成本較高

1.1直流電機的工作原理1.1.1、直流發(fā)電機工作原理

右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機械。當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時同，線圈abcd將感應(yīng)電動勢。如右圖，導(dǎo)體ab在N極下，a點高電位，b點低電位；導(dǎo)體cd在S極下，c點高電位，d點低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負。

當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)后，如右圖。與電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。

導(dǎo)體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。

實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對。環(huán)形繞組直流電機1.1.2、直流電動機工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。

在磁場作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

與直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。

當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時直流電動機的工作原理示意圖:1.2直流電機的結(jié)構(gòu)主磁極：產(chǎn)生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成換向磁極：改善換向。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機座和端蓋：起支撐和固定作用。定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導(dǎo)線繞制而成，是電路部分。換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換轉(zhuǎn)軸軸承軸承軸承定子轉(zhuǎn)子換向器電機剖面圖磁極數(shù)－主磁極的個數(shù)磁極對數(shù)=磁極數(shù)/2用來產(chǎn)生主磁場和在機械上支撐電機1.2.1定子1.主磁極---主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機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，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數(shù)一定是偶數(shù)，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按N，S極交替出現(xiàn)。

2.換向極——換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產(chǎn)生有害的火花。

注：換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機座上。換向極的個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導(dǎo)線有較大的截面。

3.機座——作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結(jié)構(gòu)框架。機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）制成。4.端蓋5.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，電刷是石墨或金屬石墨組成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調(diào)整電刷的位置。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖電樞繞組電樞鐵心產(chǎn)生感應(yīng)電勢或者產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩1.2.2轉(zhuǎn)子1.電樞鐵心——電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；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、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風(fēng)，沖片可沿軸向分成幾段，以構(gòu)成徑向通風(fēng)道

2.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，他是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。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并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。

換向器圖電刷換向片保持電樞繞組電流方向不變3.換向器：換向器起整流作用，在直流電動機中，換向器起逆變作用，關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖所示。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。小型電機常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。

1.3直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機的電路部分，亦是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。電樞繞組的構(gòu)成，應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動勢，并允許通過一定多電樞電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率。此外，還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。

分類

環(huán)形和鼓形；環(huán)形繞組只曾在原始電機用過，鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導(dǎo)線，運行較可靠，經(jīng)濟性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。鼓形繞組又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。

環(huán)形電樞繞組

鼓形電樞繞組

線圈在槽內(nèi)放置

電樞鐵心每個槽子上下層各放u個元件邊，槽為實槽，包含u個元件每一個為一個虛槽，實槽數(shù)Z，虛槽Zu＝u*Z，整個繞組元件數(shù)S＝Zu每個元件有兩個邊，換向片總接有兩個元件邊，元件數(shù)S＝換向片數(shù)K電樞繞組與換向片（器）通過換向片，6個元件依次串連構(gòu)成一個閉合回路。結(jié)論：電樞繞組與電刷連接位于對稱位置的電刷將閉合的6個線圈分成兩個并聯(lián)支路。電刷將環(huán)形閉合電樞繞組分成兩條對稱的并聯(lián)支路。兩個電刷位于換向器內(nèi)圓對稱位置(實際放置在外圓上)。電樞繞組感應(yīng)電動勢和電流方向根據(jù)主極磁場方向和電樞轉(zhuǎn)向，可知：上半電樞表面元件邊感應(yīng)電動勢和電流方向指向外；下半電樞表面元件邊感應(yīng)電動勢和電流方向指向內(nèi)。思考：N、P電刷放在換向器什么位置，可在兩個電刷間獲得最大的感應(yīng)電動勢？結(jié)論：只有把N、P電刷放在主磁極軸線對應(yīng)的換向器表面（如圖中時刻電刷和1、4換向器接觸），這樣通過電刷，1、2、3、4號換向片把1（紅）、2（湖蘭）、3（紫）號3個元件串聯(lián)組成的一條并聯(lián)支路感應(yīng)電動勢最大。對稱的關(guān)系，4、5、6、1號換向片把剩余3個元件串聯(lián)組成的另外一條并聯(lián)支路電動勢完全一樣。電樞元件感應(yīng)電動勢的方向，決定了元件中電流的方向。電樞繞組感應(yīng)電動勢方向和電流的方向直流電機電樞簡化模型

右圖的模型圖中不再畫出換向器和繞組端接線，直接將電刷移到幾何中心線位置處的元件邊相接觸。另外，在模型中，每個極下電樞表面均勻分布的導(dǎo)體表示繞組的一條支路，兩個極下的兩條支路通過電刷并聯(lián)，電刷外部電路中的電流為一條支路電流的2倍。電刷中心線也是電樞表面電流分布的分界線。直流樞繞組基本知識1.3直流電機的電樞繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。第一節(jié)距：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。合成節(jié)距：連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。第二節(jié)距：連至同一換向片上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的距離。單疊繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。單疊繞組

單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即：。

單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構(gòu)成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關(guān)系。單疊繞組的展開圖（4極16槽）根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖:單疊繞組的的特點：1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。3）電樞電流等于各支路電流之和。單波繞組（4極15槽）

單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下圖所示。

兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。單波繞組的并聯(lián)支路圖:單波繞組的特點1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為1，與磁極對數(shù)無關(guān)；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；4）電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。1.4直流電機的銘牌數(shù)據(jù)額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流在額定電壓、額