電機(jī)第二章直流電機(jī)1

2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

普通直流電機(jī)由定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有一定大小的間隙（稱氣隙）。2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)1）定子部分

包括主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等。

（1）主磁極

主磁極包括主磁極鐵心和套在鐵心上的勵(lì)磁繞組兩部分。

主磁極鐵心用1～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)1）定子部分（2）換向極:又稱附加極或間極，其作用

是用以改善換向。

換向極裝在相鄰兩主極之間，它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。

換向極的鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，由于需要通過較大電流而用截面大、匝數(shù)少的矩形截面導(dǎo)線繞制。（3）機(jī)座

機(jī)座有兩個(gè)作用：一是作為電機(jī)磁路系統(tǒng)中的一部分，這部分稱磁軛；二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機(jī)械支承的作用。

要求機(jī)座有好的導(dǎo)磁性能及足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度。機(jī)座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)（4）電刷裝置

電刷裝置由電刷、刷握、壓緊彈簧和銅絲辮組成。2）轉(zhuǎn)子部分

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等。（1）電樞鐵心

電樞鐵心也有兩個(gè)用處，一個(gè)是電機(jī)主磁路的一部分；另一個(gè)是用來嵌放電樞繞組。

為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)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0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。2）轉(zhuǎn)子部分（2）電樞繞組

電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的元件組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵性部件。2）轉(zhuǎn)子部分（3）換向器

換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。常見的換向器型式的換向片下部為燕尾形。2）轉(zhuǎn)子部分2.2直流電機(jī)的銘牌與勵(lì)磁方式2.2.1直流電機(jī)的銘牌電機(jī)廠家根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)每臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值稱為電機(jī)的額定值。若電機(jī)運(yùn)行時(shí)，各數(shù)據(jù)符合額定值，這樣的運(yùn)行情況稱為額定工況。（1）額定功率PN（kW）：指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)

下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率。

對(duì)電動(dòng)機(jī)：額定功率是指輸出的機(jī)械功率；

對(duì)發(fā)電機(jī)：額定功率是指輸出的電功率。（2）額定電壓UN（V）：指額定狀態(tài)下電樞出線

端的電壓。（3）額定電流IN（A）：指電機(jī)運(yùn)行在U=UN、P=PN電機(jī)的電流。（4）額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。（5）額定勵(lì)磁電壓UfN（V）（僅對(duì)他勵(lì)電機(jī)）。（6）額定勵(lì)磁電流IfN（A）。2.2直流電機(jī)的銘牌與勵(lì)磁方式例2-1：已知某直流電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)如下：PN

=75kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=88.5%，試求：該電機(jī)的輸入功率及額定電流各是多少？

解：對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)：

故額定運(yùn)行時(shí)輸入的電功率：

故該電機(jī)的額定電流:

2.2直流電機(jī)的銘牌與勵(lì)磁方式勵(lì)磁方式：指給直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的供電方式。

分為他勵(lì)和自勵(lì)式兩大類。自勵(lì)式又分為并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)三種電機(jī)。圖中：I為電源電流，If為勵(lì)磁電流，Ia為電樞電流。

（a）他勵(lì)

（b）并勵(lì)

（c）串勵(lì)

（d）復(fù)勵(lì)2.2.2直流電機(jī)勵(lì)磁方式1）他勵(lì)式

他勵(lì)式是指勵(lì)磁繞組由其他電源供電，勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連。永磁直流電機(jī)也屬于他勵(lì)直流電機(jī)，因勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞電流無關(guān)。2.2.2直流電機(jī)勵(lì)磁方式2）自勵(lì)式

（1）并勵(lì)式：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵(lì)磁電壓等于電樞繞組端電壓。

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)：

對(duì)于直流發(fā)電機(jī)：

（此時(shí)I

稱為負(fù)載電流）

2.2.2直流電機(jī)勵(lì)磁方式2.2.2直流電機(jī)勵(lì)磁方式2）自勵(lì)式

（2）串勵(lì)式：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；勵(lì)磁電流等于電樞電流，所以勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線粗而匝數(shù)較少。

2）自勵(lì)式（3）復(fù)勵(lì)式：每個(gè)主磁極上套兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵(lì)繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵(lì)繞組。兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)，兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相反稱為差復(fù)勵(lì)。通常采用積復(fù)勵(lì)方式。

2.2.2直流電機(jī)勵(lì)磁方式2.3直流電機(jī)電樞繞組

電樞繞組就是直流電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，是直流電機(jī)的電路部分，也是直流電機(jī)的核心部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)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)電勢(shì)，并允許通過一定的電樞電流，此外還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

電樞繞組組成原則:2.3.1電樞繞組的基本概念

按其繞組元件和換向器的聯(lián)接方式不同，可以分為疊繞組（單疊和復(fù)疊）、波繞組（單波和復(fù)波）和混合繞組。

元件:

首尾兩端分別與兩個(gè)換向片相連接的線圈，稱為元件，是組成繞組的基本單元。直流電機(jī)電樞繞組的型式：

元件可為單匝，也可為多匝，一個(gè)元件由兩條導(dǎo)體邊和端接線組成，元件的兩個(gè)出線端分別接到兩片換向片上，并與其它元件相連。單疊繞組元件：?jiǎn)卧言稍言噙B2.3.1電樞繞組的基本概念

波繞組元件：?jiǎn)卧言稍言伎?疊繞組元件和波繞組元件的特點(diǎn)？單匝元件2.3.1電樞繞組的基本概念2.3.1電樞繞組的基本概念

元件嵌入槽內(nèi)的規(guī)律：

置于槽內(nèi)稱為有效邊，端接線置于鐵心外，不切割磁場(chǎng)，僅起連接線作用。

一個(gè)槽里總有上下層兩個(gè)線圈邊，稱為雙層繞組。2.3.1電樞繞組的基本概念

虛槽：大型電機(jī)為了避免開過多槽，往往電樞每槽上、下層有多個(gè)元件邊，

說明元件的空間安排時(shí)，就一律以虛槽來編號(hào)，用虛槽數(shù)為計(jì)算單位，u=2即表明一個(gè)實(shí)槽Q包含2個(gè)虛槽Qu，則：

由于一個(gè)換向片與不同元件的兩個(gè)出線端相連接，換向片數(shù)K。則有：

假如電機(jī)中每槽上、下層分別包含u個(gè)元件，u為槽內(nèi)一層嵌放的元件邊數(shù)，圖u=2。2.3.1電樞繞組的基本概念

4極（）直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖：

幾何中性線：磁極之間的平分線

極距

：在電樞鐵心表面上，一個(gè)極所占的距離。用虛槽數(shù)表示為：

主極軸線：磁極的中心線2.3.2直流電樞繞組的節(jié)距

電樞繞組的連接規(guī)律是通過繞組的節(jié)距來表征。

一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離稱為第一節(jié)距。如以虛槽數(shù)計(jì)，總是整數(shù)。即：

整距繞組

；短距繞組

；長(zhǎng)距繞組

。

（1）第一節(jié)距y12.3.2直流電樞繞組的節(jié)距

（2）第二節(jié)距y2

相串連的兩個(gè)元件中，第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離，稱為第二節(jié)距。也用虛槽數(shù)計(jì)算。

（3）合成節(jié)距y

相串連（相鄰）的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊在電樞合成節(jié)距y。對(duì)于疊繞組：對(duì)于波繞組：2.3.2直流電樞繞組的節(jié)距

（4）換向器節(jié)距yk

一個(gè)元件的兩個(gè)出線端所連接的兩個(gè)換向片之間所跨的距離，稱換向器節(jié)距yk。

其大小用換向片數(shù)計(jì)算，則有yk=y。2.3.3單疊繞組和單波繞組

疊繞組：

疊繞組是指各極下元件依次連接，后一個(gè)元件總是疊在前一個(gè)元件上

單疊元件在電樞上的聯(lián)接

取正號(hào)則繞行換向片一周后，比出發(fā)時(shí)的換向片前進(jìn)一片，稱為右行繞組；取負(fù)號(hào)則后退一片，稱為左行繞組。一般采用右行繞組。2.3.3單疊繞組和單波繞組

波繞組：

波繞組是指把相隔約為一對(duì)極下的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串連起來，像波浪一樣向前延伸。主要內(nèi)容：（用實(shí)例說明）繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距；繞組展開圖；元件聯(lián)結(jié)圖；并聯(lián)支路圖。1）單疊繞組單疊繞組分析實(shí)例解：節(jié)距計(jì)算：y＝y(tǒng)k＝1計(jì)算節(jié)距y、y1和y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極例2-3：

2p＝4，Qu＝S＝K＝16，試?yán)L制單疊右行繞組展開圖。1）單疊繞組1單疊繞組展開圖1.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－1）單疊繞組繞組放置元件1：上元件邊在1槽上層，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。元件2：上元件邊在2槽上層，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推放置其他元件。

虛槽中的上層元件邊用實(shí)線表示，下層元件邊用虛線表示，元件邊上下的斜線表示端接。1）單疊繞組某一瞬間磁極、電刷放置磁極：磁極寬度約0.7τ，均勻分布，N、S極交替安排。電刷：為了在正負(fù)電刷間獲得最大直流電勢(shì)以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢(shì)為零的位置。在磁極的幾何中性線上的元件電勢(shì)為零，在同一極性主極下的元件邊電勢(shì)具有相同的方向。電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。

1）單疊繞組單疊繞組元件聯(lián)結(jié)圖

繞電樞一周，所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。

5′6′7′8′9′10′11′

12′13′14′15′16′1′2′3′4′123456789101112

131415161

y2yy1

兩元件之間的虛線，表示通過換向器上的同一片換向片把兩元件串聯(lián)起來。

元件、上元件邊及其所在的虛槽，與其聯(lián)結(jié)的換向片都具有相同的號(hào)碼，下元件邊用它所在的虛槽的號(hào)碼上標(biāo)加一撇表示。1）單疊繞組單疊繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖每個(gè)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)。

23478610111214161551391A1A2B1B2121095613141）單疊繞組單疊繞組的特點(diǎn)元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰兩個(gè)換向片上。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p；整個(gè)電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為零，繞組內(nèi)部無環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù);正負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)，電樞電壓等于支路電壓;由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即1）單疊繞組單疊繞組的聯(lián)結(jié)示意圖：位于對(duì)稱位置的電刷將閉合的6個(gè)線圈分成兩條并聯(lián)支路。兩個(gè)電刷位于換向器內(nèi)圓對(duì)稱位置(實(shí)際放置在外圓上)。1）單疊繞組思考題？答：取掉B1，A2，四條支路變?yōu)閮蓷l。1、直流電機(jī)電樞繞組取掉相鄰一個(gè)或兩個(gè)電刷，直流電機(jī)會(huì)怎樣運(yùn)行？2、取掉相對(duì)（B1，B2）電刷會(huì)怎樣？答：整個(gè)回路被A1和A2短接，電機(jī)不能工作。3、電樞繞組閉合回路是否有環(huán)流？答：各支路電勢(shì)數(shù)值相等，電樞繞組回路總電勢(shì)為零。不出現(xiàn)環(huán)流。1）單疊繞組思考題？答：主極數(shù)越多，電樞電流越大，故選用8磁極。4、大電流直流電機(jī)，選用2磁極還是8磁極？

為了增大電樞電流Ia，應(yīng)增加并聯(lián)支路數(shù)，即增加主極數(shù)。但主極數(shù)受電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，不能任意增加?？梢圆捎脧?fù)疊繞組，使支路數(shù)成倍增加。1）單疊繞組主要內(nèi)容：繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距繞組展開圖元件聯(lián)結(jié)圖并聯(lián)支路圖2）單波繞組

yk

N

Sy1y2對(duì)照單疊繞組y=y1+y2≈2τyk=

y

把相隔約一對(duì)極距的同極性的元件串聯(lián)。

N

S

N

S11515yk左行繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距2）單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距首末端所接的兩換向片相隔很遠(yuǎn)，兩個(gè)元件緊相串聯(lián)后形似波浪。為了使緊相串聯(lián)的元件所產(chǎn)生的電勢(shì)同向相加，這兩個(gè)元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距

。2）單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距沿電樞鐵心一周后，必須回到原來起始換向片相鄰的一換向片上，這樣繞組才能繼續(xù)往下繞。

因此，換向片節(jié)距yk應(yīng)滿足，即：

。

yk為一整數(shù)，取正號(hào)時(shí)，繞組聯(lián)結(jié)成右行繞組，取負(fù)號(hào)時(shí)，可得左行繞組。一般取負(fù)號(hào)，這時(shí)端接稍短。2）單波繞組單波繞組分析實(shí)例例2-4：2p＝4，Qu=S＝K＝15，試?yán)@左行單波繞組。節(jié)距計(jì)算:計(jì)算節(jié)距y、y1和y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極2）單波繞組元件、磁極、電刷放置原則元件、換向片的放置：

1號(hào)元件上層邊放1號(hào)槽，下層邊放4號(hào)槽；首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對(duì)稱，首末端所連的兩換向片之間的中心線與1號(hào)元件的軸線重合。1號(hào)元件上層邊所連的換向片定為1號(hào)，依此依次聯(lián)接。

磁極放置：

N、S極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：放在與主極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。

2）單波繞組單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷2）單波繞組單波繞組元件聯(lián)結(jié)圖

從繞組展開圖可以看出，全部15個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)閉合回路的順序是：1815714613512411310291聯(lián)結(jié)圖如下：

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18157146135124113

10291y2yy12）單波繞組單波繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對(duì)數(shù)a與極對(duì)數(shù)多少無關(guān)，永遠(yuǎn)為1，即a＝1。

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