第2章 直流電機

第2章直流電機

直流電機的功能是將直流電能與機械能相互轉(zhuǎn)換，把機械能轉(zhuǎn)換為直流電能的裝置稱為直流發(fā)電機，而把直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置稱為直流電動機。直流電機是電機的主要類型之一。直流電機自身有著顯著的優(yōu)點，但與交流電機相比自身有著缺點。近年來，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機性能的電機不斷涌現(xiàn)，使直流電機有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有一定的理論意義和實用價值!直流電機的基本原理2.1直流電機的結(jié)構(gòu)2.2直流電機的銘牌數(shù)據(jù)2.3直流電機的空載磁場2.4直流電機的電樞繞組2.5直流電機的負載磁場及電樞反應(yīng)2.6感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算2.7直流發(fā)電機2.8直流電動機2.92.1.1直流發(fā)電機的工作原理直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機械。2.1直流電機的基本工作原理

圖2-2a線圈電動勢的波形圖2-2b電刷間的電動勢波形2.1.2直流電動機的基本工作原理直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。2.1.3直流電機的可逆性可逆性原理：一臺直流電機，在一種條件下可以作為發(fā)電機，而在另一種條件下它又可以作為電動機運行。圖2-5國產(chǎn)直流電機的結(jié)構(gòu)2.2直流電機的結(jié)構(gòu)1.定子（1）機座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；磁路的一部分。（2）主磁極（3）換向極（4）電刷裝置2、轉(zhuǎn)子（1）電樞鐵心（2）電樞繞組：按一定規(guī)律連接并嵌放到電樞鐵心槽中。（3）換向器：由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。2.2直流電機的結(jié)構(gòu)總結(jié)

定子轉(zhuǎn)子主磁極：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。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)軸軸承定、轉(zhuǎn)子之間有一間隙氣隙2.3直流電機的銘牌數(shù)據(jù)

直流電機的額定值有：1、額定電壓UN(V)：直流電機電刷端的電樞電壓。2、額定電流IN(A)：直流電機電刷端的電樞電流。3、額定功率PN(W或kW)：電機的輸出功率。

4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：直流電機的旋轉(zhuǎn)速度。發(fā)電機是指輸出的電功率：電動機是指輸出的機械功率：2.4直流電機的空載磁場2.4.1直流電機的勵磁方式勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。1、他勵式

其勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。2.4.1直流電機的勵磁方式2、并勵式：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；3、串勵式：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；2.4.1直流電機的勵磁方式3、復(fù)勵式：裝有兩個勵磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。2.4.1直流電機的勵磁方式2.4.2直流電機的空載磁場空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時（可忽略不計），由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。2.4.3磁路分析直流電機的主磁路可分為五段：（1）兩氣隙段，長度為2；（2）兩電樞齒段，長度為2l1；（3）轉(zhuǎn)子扼段，長度為lr1；、（4）兩主磁極鐵心段，長度為2lp

；（5）定子軛段，長度為lsl。2.4.4直流電機的磁化曲線2.4.5氣隙磁通密度的分布圖2-15氣隙磁密分布情況極靴極身平頂波2.5直流電機的電樞繞組對直流電機的電樞繞組的要求是：1．能通過規(guī)定的電流，能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動勢，且電量的波形較好；2．繞組結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、方便制作、便于維護；3．盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材科。2.5.1直流電機電樞繞組的基礎(chǔ)知識1、幾何中性線：是指直流電機結(jié)構(gòu)中兩個相鄰主磁極(N、S極)之間的幾何平分線。2、磁極軸線：是指每個主磁極上，將磁極分成左右對稱的兩部分的中心線。3、元件：直流電機中構(gòu)成電樞繞組的線圈基本單元為元件。

4、元件的首末端：每一個元件有兩端，分別引出兩根線與換向片相連，繞制元件的開始端稱為首端，結(jié)束端稱為末端。2.5.1直流電機電樞繞組的基礎(chǔ)知識有效邊：置于槽內(nèi)，能“切割”主極磁場而感應(yīng)電動勢，兩條元件邊端接線：在鐵心之外，不“切割”磁場，僅起連接線作用。6、波繞組：電樞上所有處于同一極性下的元件串聯(lián)構(gòu)成一條支路，相鄰元件對應(yīng)邊的跨距約為（不可等于）兩個極距，形成波浪型結(jié)構(gòu)。

5、疊繞組：組成繞組的元件依次串聯(lián)，后一個元件緊疊著前一個元件鑲嵌放置。疊繞組波繞組上層邊：有效邊放在槽的上層下層邊：另一有效邊放在槽的下層雙層繞組7、實槽：電機鐵心實際所開的槽，實槽數(shù)用Z來表示。8、虛槽在大型電機中、每層可能有N個并列圈邊 為了改善電機的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。實槽虛槽7、極距：相鄰主磁極在定子圓周上的間距稱為極距。8、節(jié)距：節(jié)距是指元件邊之間的距離。節(jié)距分為第一節(jié)距、第二節(jié)距、合成節(jié)距和換向節(jié)距四種。1）第一節(jié)距y1：是指一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。

2.5.1直流電機電樞繞組的基礎(chǔ)知識整距元件短距元件長距元件2）第二節(jié)距y2：連至同一換向片的兩個元件中的前一個元件的下層邊與后一個元件的上層邊在電樞表面跨過的距離。3）合成節(jié)距y：串聯(lián)的兩個相鄰元件的對應(yīng)上下層邊在電樞表面跨過的距離。4）換向節(jié)距yk：一個元件的首、末端所連接的兩個換向片在換向器表面跨過的距離。

2.5.2單疊繞組

單疊繞組的特點是合成節(jié)距等于一個虛槽，換向器節(jié)距等于一個換向片長。例：設(shè)有一臺直流電機，極對數(shù)p＝2，雙層繞組結(jié)構(gòu)，槽數(shù)Z、元件數(shù)S、換向片數(shù)K都為16，若Z=K=S=16。試分析單疊繞繞組的情況。分析步驟如下：1．計算單疊繞組的節(jié)距雙層繞組元件數(shù)與槽數(shù)、換向片數(shù)相等，節(jié)距單位用槽數(shù)表示。合成節(jié)距和換向節(jié)距計算：單疊繞組的合成節(jié)距和換向節(jié)距相同，即一般?。?/p>

元件的依次串聯(lián)順序為從左向右進行，這樣完成的直流電機繞組稱為右行繞組。第二節(jié)距計算：第一節(jié)距計算：編號的原則：把元件和原件上層邊所在的槽和元件首端所連接的換向片編上相同的號碼。元件進行編號：1-16號槽進行編號：1-16號元件邊進行編號：上層邊：1-16號下層邊：1’-16’號2．確定繞組元件的連接順序設(shè)1號元件上層邊放在1號槽中1+y1=5’5’-y2=25’連接22+y1=6’6’-y2=36’連接33+y1=7’7’-y2=47’連接4......連接順序：3．繪制繞組展開圖4．并聯(lián)支路圖對于單疊繞組，支路數(shù)應(yīng)等于極對數(shù)，即：單疊繞組有以下特點：并聯(lián)支路對數(shù)a=主磁極對數(shù)p=電刷對數(shù)b電樞的電動勢等于支路的電動勢電樞電流等于各支路電流的總和，即Ia=2aia2.6直流電機的負載磁場及電樞反應(yīng)

電機負載運行時，有負載電流通過電樞繞組，即可認(rèn)為在電樞繞組內(nèi)通過電流而產(chǎn)生了一個新的磁動勢——電樞磁動勢。電樞反應(yīng)：我們把電樞磁動勢對勵磁磁動勢所建立的氣隙磁場的影響。線負荷：電樞圓周表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)設(shè)電樞繞組導(dǎo)體總數(shù)為N，導(dǎo)體電流為ia，電樞直徑為D，A表示線負荷，則有全電流定律：忽略鐵磁部分中的磁壓降，則電樞磁動勢在每段氣隙中為：電樞磁場物理中性線電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響如下：(1)直流電機負載時的電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變；(2)電樞反應(yīng)使電樞表面磁密為零的物理中性線偏離了幾何中性線。在電動機中，物理中性線逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移過一個不大的角度；在發(fā)電機中，順電樞旋轉(zhuǎn)方向移過一個不大的角度；(3)電樞反應(yīng)使主磁極下的總磁通量減少，呈去磁作用。2.7感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算

2.7.1感應(yīng)電動勢的計算元件有效邊導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢：與每極有效磁通的平均值的關(guān)系為：導(dǎo)體切割磁力線的速度與電機的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)：假設(shè)電機中元件的有效邊導(dǎo)體數(shù)為，則電機的感應(yīng)電動勢即支路電動勢可以記為：直流電機的電樞感應(yīng)電動勢定義表達式為：2.7.2電磁轉(zhuǎn)矩的計算導(dǎo)體所受電磁力大小為：為簡化分析，可作如下假定處理：(1)假設(shè)組成電樞繞組的元件數(shù)足夠多，沿電樞圓周均布，且均是整距元件。(2)忽略電樞圓周的齒、槽對電機各個元件導(dǎo)體受電磁力的不同影響。(3)用每個主磁極下的有效磁通的平均值來參與計算直流電機元件所受電磁力的大小。導(dǎo)體所受的電磁力的平均值為：電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為：電機所受總的電磁轉(zhuǎn)矩為:例2-1一臺直流電機,，單疊繞組，總導(dǎo)體數(shù)N＝256，每極磁通Wb,求當(dāng)轉(zhuǎn)速為nN＝3000r／min時的電樞繞組電動勢；設(shè)電樞電流A，磁通保持不變，則此時的電磁轉(zhuǎn)矩又為多大？解：(1)已知這臺直流電機的極對數(shù)，則單疊繞組的并聯(lián)支路對數(shù)，于是電動勢常數(shù)Ce與CT的關(guān)系根據(jù)電樞電動勢公式(2)轉(zhuǎn)矩常數(shù)根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式2.8直流發(fā)電機

2.8.1直流發(fā)電機的基本平衡方程1．電動勢平衡方程電樞回路的電動勢平衡方程為：勵磁回路的電平衡方程為:下頁上頁返回2．轉(zhuǎn)矩平衡方程空載穩(wěn)態(tài)運行時，機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡方程為：負載穩(wěn)態(tài)運行時，機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡方程為：將空載轉(zhuǎn)矩忽略。即有如下近似公式：3.功率平衡方程

直流發(fā)電機的功率關(guān)系是把原動機輸入給直流電機的機械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出供應(yīng)負載

電磁功率根據(jù)上式可以畫出直流發(fā)電機的功率流程傳遞過程的總損耗為：直流發(fā)電機的效率為：2.8.2他勵直流發(fā)電機的運行特性1．他勵直流發(fā)電機的空載特性定義:當(dāng)、時，空載時空載特性實質(zhì)上就是。所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。

直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線?？蛰d特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線2．他勵發(fā)電機的外特性定義：當(dāng)、時，端電壓下降有兩個原因：？（1）在保持轉(zhuǎn)速和勵磁條件不變條件下，隨負載電樞電流的增大，電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)使每極磁通量減小，因此使電樞電動勢減小而導(dǎo)致輸出端電壓下降。（2）隨著負載電樞電流增大，這里負載電流即電樞回路電流，電樞回路電阻上的壓降將隨著負載電流的增加而增加，從而使輸出端電壓減小。3．他勵發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性為什么調(diào)節(jié)曲線是一條微向上傾斜的特性？定義：當(dāng)、時，2.8.3并勵直流發(fā)電機的運行特性

1．并勵直流發(fā)電機的自勵

自勵過程剩磁Er→If1→氣隙磁場↑→電動勢↑E1→...→A臨界電阻線勵磁回路電壓平衡方程并勵發(fā)電機自勵必須具備以下三個條件：(1)電機內(nèi)部應(yīng)有剩磁。(2)勵磁繞組兩端并聯(lián)至電樞繞組兩端的極性和接法應(yīng)與電樞旋轉(zhuǎn)方向正確配合，使勵磁電流產(chǎn)生的磁動勢與剩磁方向一致。(3)勵磁回路的總電阻應(yīng)小于臨界電阻。實際應(yīng)用

實際應(yīng)用中，并勵直流發(fā)電機自勵而電壓未能建立時，應(yīng)先減小勵磁回路的外串電阻，看電壓是否能建立，不行再改變勵磁繞組與電樞繞組連接的極性，若電壓還不能建立，則應(yīng)考慮可能沒有剩磁，充磁后，再進行自勵發(fā)電。2．并勵發(fā)電機的外特性外特性，是指轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速，勵磁回路總電阻不變時，發(fā)電機的端電壓與負載電流的關(guān)系。1、負載增加時，端電壓比他勵下降較快2、拐彎現(xiàn)象3、短路電流2.9直流電動機

2.9.1直流電動機的基本方程式1.電動勢平衡方程電樞回路電壓方程式為：并勵電動機的勵磁回路電壓方程式為：結(jié)論：發(fā)電機：；電動機：；即根據(jù)與U的大小判斷直流電機的運行狀態(tài)。電動機發(fā)電機2.轉(zhuǎn)矩平衡方程空載穩(wěn)定運行狀態(tài)：負載穩(wěn)定運行狀態(tài)：3.功率平衡方程以并勵電動機為例電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩電磁功率發(fā)電機：

機械能轉(zhuǎn)化為電能；

電動機：

電能轉(zhuǎn)化為機械能。

2.9.2直流電動機的工作特性1．并勵直流電動機的工作特性(1)轉(zhuǎn)速特性以及理想空載轉(zhuǎn)速

注意：并勵電動機在運行中，勵磁繞組絕對不能斷開。

工作特性是指在額定電壓、額定勵磁以及電樞回路不外串聯(lián)其他電阻的額定運行狀態(tài)下，以及(2)轉(zhuǎn)矩特性考慮電動機的電樞反應(yīng)1、電動機輕載時，電樞電流較小，電樞反應(yīng)微弱，電動機轉(zhuǎn)矩特性仍是直線2、隨著電動機負載增加，電樞電流加大，電樞反應(yīng)增強，其去磁效應(yīng)也增強，電動機轉(zhuǎn)矩特性略向下彎曲。

是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，T=?(Ia)關(guān)系。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=CTΦIa忽略電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩特性是一條過原點的直線。3.效率特性當(dāng)U=UN

，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，η=f(Ia)的關(guān)系曲線并勵電動機效率是電樞電流的二次函數(shù)，存在一個最大效率。當(dāng)不變損耗等于可變損耗時，效率最高，效率特性的這個特點，對其它電機、變壓器也適用，具有普遍意義。當(dāng)負載電流從零逐漸增大時，效率也隨之增大，當(dāng)負載電流增大到一定程度，效率達最大，之后隨負載電流的繼續(xù)增大，效率反而減小。損耗說明2．串勵電動機的工作特性(1)串勵電動機的轉(zhuǎn)速特性曲線大致為一雙曲線。串勵電動機的轉(zhuǎn)速特性隨負載增加而迅速降低，原因：1、P2↑→Ia↑→電樞回路壓降↑→Ea↓

2、Ia=If

，當(dāng)P2↑→Ia↑→If↑→氣隙磁通↑

是指時，或→n↓；(2)串勵電動機的轉(zhuǎn)矩特性負載增加，磁路飽和，常值

輕載時，、＝常值

空載時，Ia很小→氣隙磁通、壓降IaRa’都很小→要產(chǎn)生一定的反電動勢與電源電壓平衡→

n極高→導(dǎo)致轉(zhuǎn)子破壞串勵電動機不允許在空載或負載很小的情況下運行??！飛車第2章(3)串勵電動機的效率特性

串勵電動機的鐵耗隨負載的增大而增大，機械耗則因轉(zhuǎn)速的降