第2章 直流電機(jī)-1

第二章直流電機(jī)第二章直流電機(jī)2.1直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)2.2直流電機(jī)的名牌數(shù)據(jù)2.3直流電機(jī)的繞組2.4直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)2.6感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算2.7直流電機(jī)的運(yùn)行原理2.8直流電機(jī)的換向§2-1直流電機(jī)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)一、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理（一）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力B

—磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)i

—導(dǎo)體中的電流(A)l

—導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(m)磁極電刷換向器電樞電樞鐵心電樞線圈電磁力定律（一）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理(二)直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：B

—磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)V—導(dǎo)體垂直切割磁力線的速度(m/s)l

—導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(m)(三)電機(jī)的可逆運(yùn)行原理

從上述基本電磁情況來(lái)看，一臺(tái)直流電機(jī)原則上，既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子——電樞：轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、繞組、換向器、風(fēng)扇定子：機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承、電刷（一）直流電機(jī)的靜止部分1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—?jiǎng)?lì)磁繞組3—機(jī)座1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機(jī)座——用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。4、電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮（二）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分1、電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心2、電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。2、電樞繞組1—槽楔2—線圈絕緣3—導(dǎo)體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片第二節(jié)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定值有：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、額定勵(lì)磁電壓UfN(V)6、勵(lì)磁方式和勵(lì)磁電流IfN(A)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)制造廠給每臺(tái)電機(jī)規(guī)定的主要性能指標(biāo)。額定條件下電機(jī)所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機(jī)指軸上輸出的機(jī)械功率電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動(dòng)機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞線圈的連接方式勵(lì)磁方式

此外，電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有物理量與額定值相同——電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流——欠載運(yùn)行；運(yùn)行電流大于額定電流——過(guò)載運(yùn)行。長(zhǎng)期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分，在電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要的作用。因此，電樞繞組須滿足以下要求：（1）在能通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動(dòng)勢(shì)前提下，盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料，（2）并且要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等。

第三節(jié)直流電機(jī)的繞組第三節(jié)直流電機(jī)的繞組位于對(duì)稱位置的電刷將閉合的6個(gè)線圈分成兩個(gè)并聯(lián)支路。電刷將環(huán)形閉合電樞繞組分成兩條對(duì)稱的并聯(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)。一、簡(jiǎn)單的繞組二、繞組的基本形式直流電機(jī)電樞繞組的基本形式：（1）單疊繞組（2）單波繞組波繞組元件疊繞組元件波繞組示意圖疊繞組示意圖1.電樞繞組元件——線圈(1).2個(gè)元件邊：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分(3).上層元件邊、下層元件邊(4).首(出線)端、末(出線)端上層元件邊、下層元件邊處在不同極性的磁極下，即同一元件的上層元件邊、下層元件邊的距離約為一個(gè)磁極的距離。(一)、元件與節(jié)距*.本課程只討論：一個(gè)槽內(nèi)共放置2個(gè)元件邊*.元件數(shù)S=換向片數(shù)K，即S=K*.換向片數(shù)K=槽數(shù)Z*.S=K=Z1片換向片總接1個(gè)元件的上層元件邊和另1個(gè)元件的下層元件邊。1個(gè)元件有2個(gè)元件邊。1個(gè)槽放2個(gè)元件邊。2.節(jié)距：用來(lái)表征元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)節(jié)距第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yk第一節(jié)距y1——必須是整數(shù)（節(jié)距）用槽數(shù)來(lái)表示同一元件的2個(gè)元件邊在圓周上的距離。

極距τ：2個(gè)相鄰磁極在圓周上的距離。用槽數(shù)來(lái)表示

p為極對(duì)數(shù)第一節(jié)距y1=整數(shù)≈τy1=τ±ε=整數(shù)，ε為＜1的正分?jǐn)?shù)整距繞組：y1=τ短距繞組：y1＜τ長(zhǎng)距繞組：y1＞τ(2)第二節(jié)距y2——必須是整數(shù)用槽數(shù)來(lái)表示第一個(gè)元件的下層元件邊與直接相連的第二個(gè)元件的上層元件邊之間在圓周上的距離。(3)合成節(jié)距y——必須是整數(shù)用槽數(shù)來(lái)表示直接相連的2個(gè)元件的對(duì)應(yīng)元件邊之間在圓周上的距離。(4)換向節(jié)距yk——必須是整數(shù)每個(gè)元件的首、末2端所接的換向片在圓周上的距離。用換向片數(shù)來(lái)表示。y=y1-y2y=y1+y2y=yk二、單疊繞組

疊繞組：后1元件的端接部分緊疊在前1元件的端接部分上;yk=1的疊繞組稱為單疊繞組。例：Z=S=K=16，2p=4，接成單疊繞組1.計(jì)算節(jié)距yk=y=1y1=4y2=32.畫繞組展開圖(1).畫Z個(gè)槽yk=y=1y1=4y2=3(2).畫一個(gè)元件：對(duì)稱(3).畫換向片(4).畫其他元件(5).換向片編號(hào)(6).畫磁極，一般認(rèn)為在繞組的上方,寬度≈0.75τ(7).畫電刷：均布，與磁極同中心1、單疊繞組的展開圖2.單疊繞組連接順序表yk=y=1y1=4y2=3下層上層3.單疊繞組的并聯(lián)支路圖NNN4.單疊繞組的特點(diǎn)(1).同一磁極下各元件串聯(lián)成1支路；共2p條支路，并聯(lián)2a=2pa并聯(lián)支路對(duì)數(shù)p極對(duì)數(shù)(3).當(dāng)元件左右對(duì)稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對(duì)準(zhǔn)磁極的中心線時(shí)，正負(fù)電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小。(2).電刷的對(duì)數(shù)必須=極對(duì)數(shù)；電刷刷桿數(shù)=極數(shù)

2b=2pb電刷對(duì)數(shù)三、單波繞組單波繞組：合成節(jié)距(換向節(jié)距)≈2個(gè)極距、前后2元件串聯(lián)起來(lái)像波浪形。單波繞組的條件：pyk=K±1例：Z=S=K=15，2p=4，接成單波繞組1.計(jì)算節(jié)距2.畫繞組展開圖(1).畫Z個(gè)槽(2).畫一個(gè)元件(3).畫換向片(4).畫其他元件(5).換向片編號(hào)(6).畫磁極(7).畫電刷3、單波繞組的展開圖3.單波繞組連接順序表4.單波繞組的并聯(lián)支路圖5.單波繞組的特點(diǎn)(1).上層邊在同一極性磁極下所有元件串聯(lián)成1支路；共2條支路，并聯(lián)

a=1(2).當(dāng)元件左右對(duì)稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對(duì)準(zhǔn)磁極的中心線時(shí)，正負(fù)電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小。(3).電刷的對(duì)數(shù)=1；電刷刷桿數(shù)=2；可采用全額電刷，即用P對(duì)電刷電樞電流Ia=2aia其中ia為每條支路的電流，共2a條支路單疊繞組和單波繞組的區(qū)別：并聯(lián)支路對(duì)數(shù)的多少**單疊繞組：低電壓、大電流**單波繞組：高電壓、小電流直流電機(jī)的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等?！?-4直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式他勵(lì)直流電機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)串勵(lì)直流電機(jī)復(fù)勵(lì)直流電機(jī)1.他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組由其他電源提供與電樞繞組沒(méi)有電的聯(lián)系永磁直流電機(jī)屬他勵(lì)電機(jī)永磁直流由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)If只有額定電流的5%以內(nèi)2.并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)勵(lì)磁電壓=電樞端電壓If只有額定電流的5%以內(nèi)3.串勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)勵(lì)磁電流=電樞電流4.復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有2個(gè)勵(lì)磁繞組1個(gè)與電樞繞組并聯(lián)

——并勵(lì)繞組1個(gè)與電樞繞組串聯(lián)

——串勵(lì)繞組積復(fù)勵(lì)差復(fù)勵(lì)二.直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)空載磁場(chǎng)——主磁場(chǎng)主磁極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)（只有勵(lì)磁繞組通過(guò)電流產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)）空載運(yùn)行直流電機(jī)不帶負(fù)載(不輸出功率)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)空載電流相對(duì)額定電流而言，很小、常認(rèn)為=01.直流電機(jī)空載時(shí)磁通的分布和主磁路磁通：由勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生**主磁通Φ0－－與電樞繞組鉸鏈的磁通;**主磁路－－主磁極、氣隙、電樞齒、電樞磁軛、定子軛**漏磁通Φσ

－－只與勵(lì)磁繞組匝鏈的磁通；Φσ/2Φσ/22.空載磁場(chǎng)氣隙磁密分布曲線氣隙δ極距τ=πD/(2p)磁極極靴的寬度≈75%τ氣隙磁密平均氣隙磁密空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示?？蛰d時(shí)主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。（b）氣隙磁密分布3.直流電機(jī)的空載磁化特性Φ0=f（If0）Φ0=f（Ff0）飽和：**磁阻非線性**磁阻變大**電機(jī)工作點(diǎn)選在磁路開始飽和的A點(diǎn)F=NfIf0=HLΦ=BAB-HIleΦ0e二.電流電機(jī)的電樞反應(yīng)及負(fù)載磁場(chǎng)1.直流電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時(shí)，電樞繞組通有負(fù)載電流，由此產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa，F(xiàn)a與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff共同合成負(fù)載時(shí)的氣隙磁密，它與空載氣隙磁密分布不同。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。2、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的負(fù)載磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)稱為電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場(chǎng)發(fā)生變化。右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布情況。假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間的分布情況，電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸磁動(dòng)勢(shì)。Fa先分析只有1個(gè)整距元件Ny匝，電流ia，磁動(dòng)勢(shì)為iaNy設(shè)從電樞出、進(jìn)定子的磁動(dòng)勢(shì)為+可得1個(gè)繞組元件的磁動(dòng)勢(shì)如圖iaNy3個(gè)元件——3階梯波形很多個(gè)元件三角波形iaNyF主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)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(chǎng)的磁通密度分布曲線3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場(chǎng)是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用的結(jié)果。電樞磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)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(chǎng)分布和電樞磁場(chǎng)分布疊加，可得到負(fù)載后電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況，如圖（a）所示。4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：2)、對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用1)、使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變

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(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，