第3章 直流電機原理

第三章直流電機原理陳小要內(nèi)容3.1直流電機的用途及基本工作原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與額定值、型號和勵磁方式3.3直流電機電樞繞組3.4直流電機的磁路與電樞反應3.5電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩和平衡關系3.6直流發(fā)電機的運行特性3.7直流電動機的運行特性3.8直流電機的換向與改善方法直流電機概述直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機要既可作為發(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。直流電機的優(yōu)缺點直流發(fā)電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。由于存在換向器，其制造復雜，價格較高。3.1直流電機直流電機的用途及基本工作原理一、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,伺服電動機做勵磁機用：一般小于10萬kW即100MW的單機同步發(fā)電機要用直流發(fā)電機作為勵磁機。直流電動機工作原理：建立主極磁場→外加直流電壓→在線圈中產(chǎn)生電流→載流導體在磁場中受到力的作用F=BIL→克服阻力轉(zhuǎn)動→對外輸出機械能二、直流電機的基本工作原理轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180電角度：直流電源供電，電流方向不變→旋轉(zhuǎn)180度后電磁力方向反向→平均電磁力矩為零→若要保持電磁力方向不變，則：改變磁極極性或改變電流方向兩種位置電磁力對比直流電動機原理—換向幾何中心線：磁極的幾何分界線電刷和換向器配合電流換向=電流逆變：導體運動經(jīng)過磁極的幾何中心線期間→交換線圈電源極性→交換線圈電流方向→電磁力方向維持不變直流電發(fā)機工作原理：建立主極磁場→外加機械轉(zhuǎn)矩→線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)→運動導體在磁場中產(chǎn)生感應電動勢e=Blv→帶電負載→對外輸出電能換向：線圈旋轉(zhuǎn)方向不變→導體感應電動勢（在不同極下感應電勢方向不同，導體感應電勢交變）→感應電勢換向=整流：經(jīng)過磁極的幾何中心線，交換線圈輸出極性，輸出直流，否則輸出交流線圈電動勢的波形電刷間的電動勢波形脈動減小，實現(xiàn)方法：電樞繞組由多個線圈串聯(lián)而構(gòu)成的。直流電動機：

建立磁場→產(chǎn)生電磁力的條件載流導體→產(chǎn)生電磁力線圈運動→對外輸出機械功換向器和電刷→換流，產(chǎn)生持續(xù)電磁力直流發(fā)電機建立磁場→產(chǎn)生感應電動勢的條件導體運動→產(chǎn)生感應電勢負載→對外輸出電能換向器和電刷→整流，產(chǎn)生直流電，方向不變直流電機原理要求結(jié)構(gòu)組成直流電機模型3.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)及額定值和勵磁方式風扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋定子與轉(zhuǎn)子之間為氣隙。定子轉(zhuǎn)子NS············NS直流電機剖面圖極掌/極靴極心勵磁繞組機座轉(zhuǎn)子基本構(gòu)造：——

定、轉(zhuǎn)子。風葉磁極電刷電樞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸換向器換向片壓緊環(huán)電樞繞組繞組端部結(jié)構(gòu)細說換向器直流電機的電樞電樞鐵心沖片直流電機換向器結(jié)構(gòu)換向器圖換向器拼裝二、電機的銘牌數(shù)據(jù)（額定值）為了使電機安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運行性能，電機廠家根據(jù)國家標準及電機的設計數(shù)據(jù)，對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值稱為電機的額定值。直流電機的額定值有：

1．額定容量（功率）（kW）：PN

2．額定電壓（V）：UN3．額定電流（A）：IN4．額定轉(zhuǎn)速（r／min）：nN5．勵磁方式和額定勵磁電流IfN

（A）

另外：還有額定轉(zhuǎn)矩TN和額定效率ηN注意：額定容量，對直流發(fā)電機來說，是指電刷端輸出的電功率，對直流電動機來說，是指軸上輸出的機械功率。所以，直流發(fā)電機：的額定容量為：而直流電動機的額定功率為P32：國產(chǎn)直流電機的型號（略）一、直流電機的工作原理從一個簡單的直流發(fā)電機模型（一個電樞線圈）開始，根據(jù)可逆原理，該電機也可作直流電動機運行。實際直流電機，是由很多電樞線圈敷設在電樞鐵心表面上，從而形成電樞繞組，其基本構(gòu)成原則和繞組形式---------單疊和單波繞組。還有復疊、復波和混合繞組。3.3直流電樞繞組二、直流電樞繞組的基本特點三、單疊繞組（單波繞組略）201234567891011121314151617181920-+1234567891011121314151617181920NSNSn①畫20個槽→②放磁極→③畫換向片→④連繞組→⑤定感應電動勢方向→⑥放電刷元件連接次序繞組展開圖和并聯(lián)支路圖從以上分析可以總結(jié)出，單疊繞組具有以下特點：元件的兩個出線端聯(lián)接于相鄰兩個換向片上；并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)（2a=2P），整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，繞組內(nèi)部無“環(huán)流”；每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù)；正負電刷之間引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓；由正負電刷引出的電樞電流為各支路電流之和，即Ia=2aia.說明：在元件端接線對稱的情況下，電刷的實際位置應在磁極中心線下，此時，正負電刷間引出的電動勢亦為最大，此時電刷的位置，習慣上稱為“電刷放在幾何中性線位置”。P67：3-23.4直流磁場和電樞反應空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。忽略鐵磁材料磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。幾何中性線極靴極身氣隙空載時主磁極磁通分布空載時，氣隙磁通Φ0與空載磁動勢Ff0或空載勵磁電流If0的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如下圖所示。一般直流電機額定運行時，額定磁通ΦN

設定在圖中A點幾何中心線o空載氣隙磁場電樞磁場負載時合成磁場Fad去磁作用Fad磁化作用NSNS繞組展開圖和并聯(lián)支路圖3.5電樞感應電勢、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓平衡方程和功率方程3.5電樞感應電勢、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓平衡方程和功率方程例

已知一臺四極直流電動機額定功率為100kW，額定電壓為330V，額定轉(zhuǎn)速為720r/min，額定效率為0.915，單波繞組，電樞總導體數(shù)為186，額定每極磁通為6.98×10-2Wb，求額定電磁轉(zhuǎn)矩是多少？ee他勵直流發(fā)電機功率流程并勵直流發(fā)電機功率流程他勵直流發(fā)電機功率流程他勵直流電動機功率流程并勵直流電動機功率流程并勵直流電動機功率流程并勵直流電動機功率流程他勵直流電動機功率流程+-P67：3-4，3-5一．他勵直流發(fā)電機的特性注意：無論是并勵還是串勵發(fā)電機的都要改為他勵來測取，否則無法實現(xiàn)空載。3.6直流發(fā)電機的運行特性隨著I的增加，為了抵消電樞反應的去磁作用需增加If.并勵：勵磁繞組兩端與電樞繞組兩端并聯(lián)，勵磁電流取自發(fā)電機本身，不需要其他直流電源供電。二、并勵直流發(fā)電機的自勵過程及特性1.并勵直流發(fā)電機電壓建立的物理過程2.建立電壓的條件3.不能建立電壓的原因和解決辦法4.并勵直流發(fā)電機的外特性他勵并勵5.并勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性由于并勵直流發(fā)電機負載電流增大時電壓下降較多，為維持電壓恒定所需增加的勵磁電流也就較大，所以調(diào)節(jié)特性上翹程度超過他勵，

并勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性他勵

并勵結(jié)論：并勵不需要別的勵磁電流用途更廣一些。三、串勵直流發(fā)電機的外特性結(jié)論：串勵直流發(fā)電機的端電壓隨負載變化很大，不適于恒壓系統(tǒng)。實用價值小，有時用于特殊線路中作升壓機。積復勵=并勵+串勵①平復勵——在額定負載時，串勵補償了因負載引起的電壓降

∴U0=滿載電壓②過復勵——串場太強，使U0＞滿載電壓③欠復勵——串場太弱，使U0＜滿載電壓差復勵=并勵—串勵，即：串勵起去磁作用，使端電壓隨I增大而急劇下降（少用）?？捎糜谥绷麟姾笝C四、復勵直流發(fā)電機的外特性3.7直流電動機的運行特性一、他（并）勵直流電動機的工作特性一、他（并）勵直流電動機的工作特性由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉(zhuǎn)速。實際空載轉(zhuǎn)速（1）固有機械特性當時的機械特性稱為固有機械特性：由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。當T=TN時，n=nN，此點為電動機額定工作點，轉(zhuǎn)速差Δn=n0-nN，為額定轉(zhuǎn)速差。當n=0時，即電動機起動時，電磁轉(zhuǎn)矩T=Tst，稱為起動轉(zhuǎn)矩。a.電樞串電阻時的人為機械特性保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點：1）不變，變大；

2）越大，特性越軟。（2）人為機械特性當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性。故電樞串電阻的人為機械特性是通過理想空載點的一簇放射性直線。b.降低電樞電壓時的人為機械特性保持不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。

因此降低電樞電壓時的人為機械特性曲線是一組平行于固有機械特性的直線。c.減弱勵磁磁通時的人為特性保持不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大注：他（并）勵直流電動機起動和運行過程中，絕不允許勵磁回路斷開。3.機械特性求取（1）固有特性的求取已知，求兩點:1）理想空載點和額定運行。具體步驟：1）估算2）計算3）計算理想空載點：4）計算額定工作點：（2）人為特性的求取在固有機械特性方程的基礎上，根據(jù)人為特性所對應的參數(shù)或或變化，重新計算和，然后得到人為機械特性方程式。二、串勵直流電動機的工作特性串勵電動機的效率特性，和他（并）勵電動機相似。串勵直流電動機不能空載，否則“飛速”特點：1）起動轉(zhuǎn)矩大與過載能力強；2）恒功率特性，充分利用電動機和電源。3）牛馬特性：適用于牽引，如電力機車、電車等一類牽引機械。復勵直流電動機

三、復勵直流電動機的機械特性復勵電動機通常接成積復勵，它的工作特性介乎并勵與串勵電動機的特性之間。如果并勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近并勵電動機；如果串勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近串勵電動機。因為有并勵磁動勢的存在，空載時沒有飛車的危險，復勵電動機的轉(zhuǎn)速特性如