《電機(jī)原理與維修》課件第16章

第16章直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)16.1直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)16.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介16.3直流電機(jī)的銘牌習(xí)題

16.1直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)16.1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖16-1是一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī)模型的工作原理圖，N、S為一對(duì)固定的磁極(一般是電磁，也可以是永久磁鐵)，兩個(gè)磁極間裝有一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)材料的圓柱體，其表面上嵌放著一個(gè)線圈，線圈的兩個(gè)邊分別為ab、cd。我們把這個(gè)嵌放有線圈的圓柱體叫做電樞。如果a、d端是開路狀態(tài)，則是原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞，使之以恒速n轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。所以說，當(dāng)線圈的a、d端是開路狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)是交流發(fā)電機(jī)。圖16-1直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖把a(bǔ)、d兩端分別接到兩片彼此絕緣的圓弧形換向片上。換向片固定在轉(zhuǎn)軸上,換向片構(gòu)成的整體稱為換向器,它和電樞絕緣,與電樞一起轉(zhuǎn)動(dòng)。為了把電樞和外電路接通，在換向片上放置了在空間位置固定不動(dòng)的電刷A和B，電刷引出線接負(fù)載，如圖16-1所示。電刷A只能和轉(zhuǎn)到上面的一片換向片相接觸，而電刷B只能和轉(zhuǎn)到下面的一片換向片相接觸。裝了這種換向器以后，在電刷A、B之間得到的電動(dòng)勢(shì)就是單向的了。分析如下：當(dāng)ab導(dǎo)體處在N極下的時(shí)候，由右手定則可知，電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)閎→a→A，電刷A的極性為“+”。cd導(dǎo)體處在S極下時(shí)，電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)锽→d→c，電刷B的極性為“-”，負(fù)載(接于電刷A、B上)上的電流方向是由A流向B。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°時(shí)，元件的兩個(gè)有效邊的位置互相調(diào)換，此時(shí)電刷A通過換向器與處于N極下的cd導(dǎo)體相連，cd導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)反向變?yōu)閏→d→A,電刷A的極性為“+”,電刷B通過換向片與處于S極下的ab導(dǎo)體相連，ab導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)反向變?yōu)锽→a→b，電刷B的極性為“-”。可見，通過換向器的作用，使電刷A始終與N極下的線圈邊相連，使電刷B始終與S極下的線圈邊相連，所以當(dāng)電樞在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈中的電動(dòng)勢(shì)雖然是交變的，但電刷之間的電動(dòng)勢(shì)卻是一個(gè)方向不變的脈振電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際的直流發(fā)電機(jī)的電樞上嵌放著連接在一起的多個(gè)線圈，電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)度很小，可見認(rèn)為是直流電動(dòng)勢(shì)。相應(yīng)的發(fā)電機(jī)是直流發(fā)電機(jī)。16.1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖16-2(a)、(b)所示。同發(fā)電機(jī)一樣，電刷A只能和轉(zhuǎn)到上面的一片換向片相接觸，而電刷B只能和轉(zhuǎn)到下面的一片換向片相接觸。裝了這種換向器以后，如將直流電壓加在電刷兩端，使電流從正極性電刷A流入，經(jīng)線圈a→b→c→d或d→c→b→a從負(fù)極性電刷B流出。由于電流總是經(jīng)N極下的導(dǎo)體流進(jìn)去而從S極下的導(dǎo)體流出來，根據(jù)電磁力定律可知，上下兩根導(dǎo)體受電磁力作用而形成的電磁轉(zhuǎn)矩始終是逆時(shí)針方向，帶動(dòng)軸上的負(fù)載按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。需要注意的是此種情況下直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中的電流的方向是交變的。但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩卻是單方向的，這正是由于有換向器的原因。圖16-2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖從以上分析可以看出，一臺(tái)直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只有外界的條件不同而已。用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，使之以一定的速度旋轉(zhuǎn)，且電刷上不加直流電壓，那么電刷端可以輸出直流電動(dòng)勢(shì)，接上負(fù)載就能輸出電能，電機(jī)把機(jī)械能變換成電能而成為發(fā)電機(jī)。如果在直流電機(jī)的兩電刷上，接上直流電源，使電樞流過電流，電樞在磁場(chǎng)中受到電磁轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，成為電動(dòng)機(jī)。這種同一臺(tái)電機(jī)，既能作發(fā)電機(jī)又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。16.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介直流電機(jī)由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定、轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)和作電機(jī)的機(jī)械支撐，由主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉(zhuǎn)子上用來感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部分稱為電樞，它包括電樞鐵芯和電樞繞組。另外轉(zhuǎn)子上還有換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件。圖16-3所示為直流電機(jī)的橫剖面示意圖。圖16-3直流電機(jī)的橫剖面示意圖16.2.1定子部分

1.主磁極主磁極(簡(jiǎn)稱主極)用來產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。一般由1~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓成主極鐵芯，上面套上勵(lì)磁繞組，整個(gè)磁極用螺釘固定在機(jī)座上。

2.換向極換向極的作用是改善電機(jī)的換向性能。由換向極鐵芯和套在其上的換向極繞組構(gòu)成。換向極繞組與電樞繞組電路相串聯(lián)，換向極裝在兩相鄰主極之間并用螺釘固定在機(jī)座上。

3.機(jī)座機(jī)座一方面用來固定主極、換向極和端蓋等部件，并借助于底腳將電機(jī)固定在基礎(chǔ)上，起機(jī)械支撐的作用；另一方面它還是電機(jī)主磁路的一部分，機(jī)座中有磁通經(jīng)過的部分稱為磁軛，機(jī)座通常用鑄鋼件或鋼板卷焊而成。

4.端蓋端蓋裝在電機(jī)機(jī)座兩端，其作用是：保護(hù)電機(jī)免受外部機(jī)械破壞，同時(shí)用來支撐軸承，固定刷架。在后端蓋上設(shè)有觀察窗，可觀察火花的大小。

5.電刷裝置電刷裝置是直流電壓、電流引出(或引入)的裝置。它由于電刷、刷握、刷桿、刷桿座和匯流排等組成。電刷組的數(shù)目一般等于主磁極的數(shù)目，各電刷組在換向器表面的分布應(yīng)是距離相等的。圖16-4為電刷與刷握裝置。圖16-4刷握與電刷16.2.2轉(zhuǎn)子部分

1.電樞鐵芯電樞鐵芯的作用是作為磁通的通路和嵌放電樞繞組。為減少磁滯和渦流損耗，電樞鐵芯一般用厚0.5mm的涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成的，每張沖片沖有槽和軸及通風(fēng)孔，如圖16-5所示。對(duì)于容量較大的電機(jī)，為了加強(qiáng)冷卻，把電樞鐵芯沿軸向分成數(shù)段，段與段之間留有寬10mm的通風(fēng)道，整個(gè)鐵芯固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。圖16-5電樞鐵芯沖片

2.電樞繞組電樞繞組的作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和通過電流，是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，電樞繞組是由絕緣導(dǎo)線繞成的線圈嵌放在電樞鐵芯槽內(nèi)，按一定規(guī)律接到換向器上形成閉合回路。線圈與鐵芯之間以及上下層線圈之間均要妥善絕緣，如圖16-6所示。圖16-6電樞槽內(nèi)絕緣

3.換向器換向器的作用是將電樞線圈中的交流變換為電刷間的直流或反之。圖16-7為拱形換向器的結(jié)構(gòu)圖，它是由許多帶有鴿尾的梯形桐片組成的一個(gè)圓筒，片間用云母絕緣，兩端用V形鋼環(huán)借金屬套筒和螺旋壓圈緊固成一個(gè)整體。V形鋼環(huán)與換向片之間用V形云母環(huán)進(jìn)行絕緣。為節(jié)省銅材，換向器有升高片，線圈出線端焊在升高片的小槽上。由于拱形換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前小型直流電機(jī)已廣泛采用塑料換向器，見圖16-8，它用酚醛玻璃纖維塑料墊壓成形，以簡(jiǎn)化工藝，節(jié)省材料。圖16-7拱形換向器圖16-8塑料換向器16.3直流電機(jī)的銘牌每臺(tái)直流電機(jī)機(jī)座的醒目位置都有一個(gè)銘牌，如圖16-9所示。上面標(biāo)注著一些額定數(shù)據(jù)及電機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，供用戶參考。銘牌上標(biāo)注的數(shù)據(jù)主要有：電機(jī)的型號(hào)、額定值、絕緣等級(jí)、勵(lì)磁電流及勵(lì)磁方式，另外還有生產(chǎn)廠商和出廠數(shù)據(jù)。圖16-9直流電機(jī)的銘牌16.3.1型號(hào)型號(hào)表示直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)電機(jī)的型號(hào)多采用漢語拼音的大寫字母及阿拉伯?dāng)?shù)字表示，其格式為：除Z2系列外，還有Z3、Z4等系列直流電機(jī)，同時(shí)還有專用系列的直流電機(jī)，如：

ZJ系列：精密機(jī)床用直流電動(dòng)機(jī)；

ZTD系列：中速電梯用直流電動(dòng)機(jī)；

ZTDD系列：低速電梯用直流電動(dòng)機(jī)；

ZT系列：廣調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)；

ZQ系列：直流牽引電動(dòng)機(jī)；

ZH系列：船用直流電動(dòng)機(jī)；

ZA系列：防爆安全型直流電動(dòng)機(jī)；

ZC系列：電鏟用起重直流發(fā)電機(jī)；

ZZJ系列：冶金起重用直流電動(dòng)機(jī)。其他系列直流電機(jī)可參見電機(jī)手冊(cè)。16.3.2額定數(shù)據(jù)

1.額定功率PN額定功率指電機(jī)廠家規(guī)定的電機(jī)在額定條件下長(zhǎng)期運(yùn)行所允許的輸出功率。一般用kW作單位。額定功率對(duì)直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)來說是不同的。直流發(fā)電機(jī)的功率是指電刷間輸出的供給負(fù)載的電功率，PN=UNIN；而直流電動(dòng)機(jī)的額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率，PN=UNINηN。

2.額定電壓UN額定電壓指在額定條件下，電機(jī)的輸出(對(duì)發(fā)電機(jī)來說)或輸入電壓(對(duì)電動(dòng)機(jī)來說)。UN的單位為V。

3.額定電流IN額定電流指在額定電壓和額定功率條件下電機(jī)的電流值。IN的單位是A。

4.額定轉(zhuǎn)速nN額定轉(zhuǎn)速指在額定電壓、額定電流、額定功率條件下電機(jī)的轉(zhuǎn)速。nN單位是r/min。

5.額定勵(lì)磁電流IfN

額定勵(lì)磁電流指在額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和額定功率條件下通過電機(jī)的勵(lì)磁繞組的電流。

6.勵(lì)磁方式勵(lì)磁方式指直流電機(jī)的電樞繞組和勵(lì)磁繞組的連接方式。一般有他勵(lì)、串勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)等勵(lì)磁方式。習(xí)題

16-1簡(jiǎn)述直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，并說明各部分的作用。

16-2簡(jiǎn)述直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的含義。

16-3直流電機(jī)中，換向器起什么作用？

16-4一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)的額定功率