第二章 直流電機(jī)

杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院第二章直流電機(jī)直流電能機(jī)械能直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)機(jī)械能直流電能直流電動(dòng)機(jī)直流電能機(jī)械能直流發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合：作為電解、電鍍、交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁等電源，

轉(zhuǎn)速或位置的檢測(cè)。直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過(guò)載能力強(qiáng)，調(diào)速方式簡(jiǎn)單、性能好

應(yīng)用場(chǎng)合：電力機(jī)車、龍門刨床、造紙與印刷機(jī)械、電動(dòng)自行車等2.1.1交流發(fā)電機(jī)原理C位置2.1直流電機(jī)的工作原理一個(gè)線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為交流電。B位置abdcD位置abdc*A*B*C*D*A電刷AB電壓UθOA位置abcdAB2.1.2

直流發(fā)電機(jī)的原理2.1.2直流發(fā)電機(jī)的原理通過(guò)換向器和電刷的配合，線圈內(nèi)交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變?yōu)殡娝⒍嗣}動(dòng)的直流電。A位置C位置B位置D位置*A*B*C*D*A電刷端電壓UθO2.1.3直流電動(dòng)機(jī)的原理直流電動(dòng)機(jī)換向器和電刷的作用：?jiǎn)畏较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩；

將外部直流電變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流電。

D位置B位置A位置C位置在電力電子技術(shù)中：

將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程稱為整流；

將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程稱為逆變。直流電機(jī)的電刷和換向器共同起到了機(jī)械式變流器的作用?？偨Y(jié)：（1）直流電機(jī)線圈內(nèi)部的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流為交流電，而電刷外部的電壓和電流為直流電。直流電機(jī)因此而得名。（2）直流電動(dòng)機(jī)：電刷和換向器共同將電刷外部直流電轉(zhuǎn)換為線圈內(nèi)部交流電，即逆變。

直流發(fā)電機(jī)：電刷和換向器共同將線圈內(nèi)部交流電轉(zhuǎn)換為電刷外部直流電，即整流。（3）電刷和換向器起到了機(jī)械式變流器（整流器與逆變器的總稱）的作用。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子主磁極：永磁體0.5~1.5mm厚鋼板沖片疊壓+勵(lì)磁繞組電刷裝置換向極軸承機(jī)座、端蓋和接線盒軸承電刷裝置碳刷接線彈簧片主磁極勵(lì)磁繞組鐵心固定螺絲轉(zhuǎn)子電樞鐵心：不大于0.5mm厚硅鋼片沖片疊壓成電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸/dianjixilie022/3-kjdh-zhiliujijiegou/kjdh-zhiliujijiegou.html鵬芃科藝——直流電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電樞鐵心電樞繞組轉(zhuǎn)軸換向器換向片杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.3直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)額定數(shù)據(jù)即銘牌數(shù)據(jù)，是設(shè)計(jì)和使用電機(jī)的依據(jù)。額定功率PN電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的輸出功率，單位W（或kW、MW）額定電壓UN（單位V或kV）額定電流IN（單位A或kA）額定轉(zhuǎn)速nN（單位r/min）額定電磁轉(zhuǎn)矩TN（單位N.m）額定輸出轉(zhuǎn)矩T2N（單位N.m）額定效率ηN直流發(fā)電機(jī)：PN指輸出的電功率，等于額定電壓和額定電流的乘積。直流電動(dòng)機(jī)：PN指輸出的機(jī)械功率，等于輸入功率和效率ηN的乘積。額定功率PN直流電動(dòng)機(jī)的額定功率與額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系為相應(yīng)地，由電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速也可求得額定輸出轉(zhuǎn)矩注意：功率的單位為W，轉(zhuǎn)速的單位為r/min。在額定狀態(tài)下，電機(jī)既能獲得最佳性能指標(biāo)，又能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。額定狀態(tài)運(yùn)行也稱滿載運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)不可能總是運(yùn)行在額定狀態(tài)。電機(jī)電流小于額定電流，稱欠載運(yùn)行。電機(jī)電流超過(guò)額定電流，稱過(guò)載運(yùn)行。長(zhǎng)期過(guò)載或者欠載運(yùn)行都不好。長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，電機(jī)可能因?yàn)檫^(guò)熱而損壞；長(zhǎng)期欠載運(yùn)行，效率低，容易造成電能的浪費(fèi)。因此選擇電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡量讓電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.4直流電機(jī)的電樞繞組直流電動(dòng)機(jī)：線圈通入電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，于是線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，吸收電功率，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換。直流發(fā)電機(jī)：線圈在外力拖動(dòng)下在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并通過(guò)換向器及電刷將產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換。

在直流電機(jī)中，在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以直流電機(jī)的線圈被稱為電樞繞組。元件：?jiǎn)卧言?、多匝元件元件的首端和尾端同一個(gè)元件的首端和尾端分別接到不同的換向片上，而各個(gè)元件之間又通過(guò)換向片彼此連接起來(lái)。電樞的換向片數(shù)K等于元件數(shù)S和虛槽數(shù)Ze，是實(shí)槽數(shù)Z的k倍。直流電機(jī)的線圈是以什么樣的方式進(jìn)行分布的呢？實(shí)槽虛槽2.4.1單層電樞繞組四個(gè)線圈：1-2,3-4,5-6,7-8

若作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，則無(wú)法產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩。若作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，則無(wú)法產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，必須按照一定的規(guī)律將所有的線圈連起來(lái)，盡可能使所有的線圈都起作用。單層布置的多線圈繞組單層繞組位置一的情況單層繞組位置一時(shí)的展開圖在單層繞組位置一時(shí)：1、2、3和4是一條支路，8、7、6和5形成一條支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，所有的線圈都在發(fā)揮作用。每個(gè)線圈的兩個(gè)邊分別在不同的主磁極下，這時(shí)產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩。單層繞組位置二的情況單層繞組位置二時(shí)的展開圖在單層繞組位置二時(shí)：3和4是一條有效支路，8和7形成一條有效支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，只有兩個(gè)線圈在發(fā)揮作用。只有兩個(gè)線圈的不同邊分別在不同的主磁極下，這時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩最小。雙層繞組位置一的情況雙層繞組位置一時(shí)的展開圖在雙層繞組位置一時(shí)：1、2、3和4是一條支路，8、7、6和5形成一條支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，所有的線圈都在發(fā)揮作用。每個(gè)線圈的兩個(gè)邊分別在不同的主磁極下，這時(shí)產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩。雙層繞組位置二的情況雙層繞組位置二時(shí)的展開圖在雙層繞組位置二的情況下：3和4是一條有效支路，8和7形成一條有效支路，兩條支路并聯(lián)在電刷之間。在該位置，只有兩個(gè)線圈在發(fā)揮作用。只有兩個(gè)線圈的不同邊分別在不同的主磁極下，這時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩最小。結(jié)論：將線圈嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，并通過(guò)一定的規(guī)律連接起來(lái)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從電刷看進(jìn)去，電樞繞組上每條支路串聯(lián)的線圈和線圈數(shù)量在發(fā)生變化，但是由元件邊構(gòu)成的并聯(lián)支路數(shù)保持不變。

電樞繞組的所有元件邊幾乎都得到了充分的利用，這樣就可以最大程度上發(fā)揮直流電機(jī)發(fā)電或者電動(dòng)的性能。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》直流電機(jī)電樞繞組最基本的連接型式有兩種：?jiǎn)委B繞組和單波繞組。單疊繞組第一節(jié)距換向器節(jié)距2.4.2繞組的基本型式單疊繞組的特點(diǎn)：每個(gè)元件的首、尾端連接在相鄰的兩個(gè)換向片上。實(shí)線表示上層邊，虛線表示下層邊。1.單疊繞組舉例：已知一臺(tái)直流電機(jī)的極數(shù)為2p=4,Z=S=K=16，畫出它的右行單疊繞組的展開圖。首先計(jì)算第一節(jié)距：換向器節(jié)距：16151413121110987654321線圈n+-+-根據(jù)電刷位置和元件的連接順序，可以畫出電樞繞組的電路圖。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電刷是固定不動(dòng)的，而繞組是在旋轉(zhuǎn)的。各元件組成支路的情況也在發(fā)生變化，而電路的連接模式是固定不變的。單疊繞組的特點(diǎn)：(1)位于同一磁極下的各個(gè)元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，支路數(shù)等于極數(shù)；(2)當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱、電刷放在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，電機(jī)能夠產(chǎn)生最大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或者電磁轉(zhuǎn)矩；(3)電刷數(shù)目等于主磁極的極數(shù)。2.單波繞組單波繞組單波繞組的特點(diǎn)：(1)單波繞組把所有N極下的全部元件串聯(lián)起來(lái)形成一條支路，把所有S極下的全部元件串聯(lián)起來(lái)形成另一條支路。由于主磁極只有N、S極之分，因此單波繞組的支路數(shù)與極數(shù)無(wú)關(guān)，支路數(shù)永遠(yuǎn)是2。(2)當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極的中軸線，支路的電動(dòng)勢(shì)最大。(3)電刷的數(shù)目和極數(shù)相等。在極對(duì)數(shù)都大于1，且極對(duì)數(shù)和元件數(shù)相同的情況下：（1）單疊繞組：并聯(lián)支路數(shù)多，每個(gè)支路的元件數(shù)少，適用于較低電壓、較大電流的電機(jī)；（2）單波繞組：支路數(shù)永遠(yuǎn)等于2，每個(gè)支路的元件數(shù)較多，適合于較高電壓、較小電流的電機(jī)。

單疊繞組和單波繞組的對(duì)比杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.5直流電機(jī)的勵(lì)磁方式和磁場(chǎng)2.5.1直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)主磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為主磁場(chǎng)，也稱為勵(lì)磁磁場(chǎng)。主磁場(chǎng)分為兩大類：（1）由永磁體形成主磁極（永磁直流電機(jī)）；（2）采用勵(lì)磁繞組產(chǎn)生主磁極。分為四種基本方式：他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式。2.5.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)不帶負(fù)載時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時(shí)電樞電流近似為零。直流電機(jī)的空載磁化特性

氣隙里需要一定數(shù)量的每極磁通。（電磁轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)勢(shì)）設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)要先計(jì)算磁路，確定產(chǎn)生一定數(shù)量氣隙磁通所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，或者當(dāng)勵(lì)磁繞組匝數(shù)一定的情況下，需要的勵(lì)磁電流?？蛰d氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布2.5.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞磁通分布直流電機(jī)帶負(fù)載后，電樞磁動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)。電樞磁動(dòng)勢(shì)必然會(huì)影響空載時(shí)僅有勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而影響氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。電樞磁動(dòng)勢(shì)也稱為電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)。直流電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)，但電樞導(dǎo)體中電流分布的情況卻是不變的，因此電樞磁動(dòng)勢(shì)的方向不變，相對(duì)靜止。電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的軸線與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的主磁場(chǎng)相互垂直。結(jié)論：在直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，磁路飽和導(dǎo)致每極相對(duì)于空載時(shí)的磁通減少，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院2.6直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩

2.6.1電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值單根導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)的平均值導(dǎo)體切割磁力線的線速度單根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由電機(jī)的轉(zhuǎn)向和主磁場(chǎng)的方向決定，只要有一個(gè)量改變方向時(shí)，電動(dòng)勢(shì)方向就隨之改變，但是當(dāng)兩個(gè)量的方向同時(shí)改變，電動(dòng)勢(shì)的方向不變。電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)2.6.2電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩單根導(dǎo)體所受的平均電磁力單根導(dǎo)體的電流單根導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組總的電磁轉(zhuǎn)矩為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系

電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由電樞電流的方向和主磁場(chǎng)的方向決定的，其中只要有一個(gè)方向改變，則電磁轉(zhuǎn)矩將隨之改變，但是當(dāng)兩個(gè)方向同時(shí)改變時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》2.7直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)：輸出電功率，其電氣輸出量為端部的電壓和電流；直流電動(dòng)機(jī)：輸出機(jī)械功率，其機(jī)械量包括轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。2.7.1

直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2.7.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式2.7.2直流發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系輸出功率電樞回路銅損耗輸入功率電磁功率空載損耗鐵損耗機(jī)械損耗直流發(fā)電機(jī)的電磁功率機(jī)械功率電功率直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率？在直流發(fā)電機(jī)中,電磁功率PM

是機(jī)械功率和電功率之間的媒介，它的存在才使得發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械功率和電功率之間的直接轉(zhuǎn)換。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流圖為附加損耗或雜散損耗，不超過(guò)電機(jī)額定功率的1％。直流發(fā)電機(jī)的效率與其容量有關(guān)，容量越大的直流發(fā)電機(jī)效率越高。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院2.8直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性電機(jī)可逆原理：一臺(tái)直流電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。2.8.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式幾點(diǎn)結(jié)論：(1)直流電動(dòng)機(jī)的輸入電壓大于電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)才能輸入電功率，

否則變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行模式。(2)直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是一樣的。(3)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

T

需要克服空載轉(zhuǎn)矩

T0，剩余部分才是有效輸出

轉(zhuǎn)矩

T2。T0

和

T2

共同構(gòu)成電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。(4)若外部電壓和勵(lì)磁電流不變，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)的電樞

電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速都是固定不變的。直流電動(dòng)機(jī)與直流發(fā)電機(jī)的對(duì)比直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)NSST

n

NNSTn SN(1)直流發(fā)電機(jī)：T

和

n方向相反，T

是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；

直流電動(dòng)機(jī)：T

和

n方向相同，T

是拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。根據(jù)

T

和

n方向的異同判斷直流電機(jī)是運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)還是電動(dòng)狀態(tài)。(2)直流發(fā)電機(jī)：Ea

大于外部電壓

U；直流電動(dòng)機(jī)：外部電壓

U大于

Ea

。由此也可判斷直流電機(jī)是運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)還是電動(dòng)狀態(tài)。2.8.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系其中， 為輸入電功率， 為輸出機(jī)械功率。

直流電動(dòng)機(jī)的效率與其容量有關(guān)，容量越大的直流電動(dòng)機(jī)效率越高。其中， 為總功率損耗，為機(jī)械摩擦損耗，為鐵損耗，為回路總的銅耗，為附加損耗。。2.8.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1. 轉(zhuǎn)速特性當(dāng) ,時(shí)，的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)速特性。2.轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)

,3.效率特性當(dāng)

,時(shí)，的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)矩特性。時(shí)，的關(guān)系稱為效率特性。忽略電樞反應(yīng)的影響。當(dāng)

Ia

增大時(shí)，n下降，T

增大，

n、T

和

Ia

之間是線性關(guān)系。當(dāng)

Ia

增大時(shí)，η逐漸增大。當(dāng)

Ia

增大到一定程度后，

η減小。電樞反應(yīng)

去磁效應(yīng)nTη杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院2.9他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.9.1機(jī)械特性的一般表達(dá)式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：U和If一定時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。串入電樞回路的電阻理想空載轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的斜率機(jī)械特性的一般表達(dá)式2.9.2固有機(jī)械特性當(dāng)，，時(shí)的機(jī)械特性叫固有機(jī)械特性。固有機(jī)械特性的特點(diǎn)

T

越大，n

越低。(3)固有機(jī)械特性的斜率β

：較小時(shí)為硬特性，較大時(shí)為軟特性。(2)當(dāng)T

為0時(shí)，n

為理想空載轉(zhuǎn)速n0，Ia=0。(4)當(dāng)T=TN，n=nN時(shí)，轉(zhuǎn)速差Δn=n0–nN

為額定轉(zhuǎn)速差。

直流電動(dòng)機(jī)硬特性一般要求Δn=0.05n0。直接起動(dòng)時(shí)大電流和大轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)非常不利，應(yīng)避免。(5)直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)電流為(6)

第二象限：T<0，n>n0，正向回饋制動(dòng)(發(fā)電狀態(tài))。直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行都是基于其機(jī)械特性進(jìn)行分析。(7)

第四象限：T>Ts