電機(jī)及電氣控制課件 直流電機(jī)

第2章直流電機(jī)?本章目標(biāo)知道直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；能夠讀懂直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)；知道如何改善直流電機(jī)的換向狀況知道直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式；會(huì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)與故障處理。直流電機(jī)的概述一、直流電機(jī)直流電機(jī)是一種轉(zhuǎn)換與直流電能有關(guān)的機(jī)器。直流電能

機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）機(jī)械能

直流電能（直流發(fā)電機(jī)）二.直流電機(jī)的可逆性

同一臺(tái)直流電機(jī)，既可以作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又可以作為直流發(fā)電機(jī)。第2章直流電機(jī)三.直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好，主要表現(xiàn)在調(diào)速范圍廣、調(diào)速方便、調(diào)速平滑。（2）起動(dòng)性能好，主要表現(xiàn)在起動(dòng)力矩大。2.缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生環(huán)火。作為直流電動(dòng)機(jī)，主要用于廣泛調(diào)速的地方，比如電力機(jī)車(chē)、城市地鐵、城市電車(chē)等。也可以用于快速可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)，比如卷?yè)P(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)等。作為直流發(fā)電機(jī)，既可以作為獨(dú)立的直流電源，也可以作為發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。四.直流電機(jī)的用途第2章直流電機(jī)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場(chǎng)和機(jī)械支撐產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩第2章直流電機(jī)一、定子定子機(jī)座換向極鐵心換向極繞組主磁極鐵心主磁極繞組（勵(lì)磁繞組）直流電機(jī)定子第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)主磁極作用：建立恒定的主磁場(chǎng)。

構(gòu)成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組。第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)換向磁極:作用：改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。構(gòu)成：由鐵心和繞組組成主磁極換向磁極第2章直流電機(jī)電刷作用：把直流電壓、直流電流引入或引出構(gòu)成：電刷、刷握、刷桿和連線(xiàn)等。第2章直流電機(jī)機(jī)座作用：起支撐和固定作用形式：整體機(jī)座、疊片機(jī)座。第2章直流電機(jī)一、轉(zhuǎn)子直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸端蓋電樞鐵心電樞繞組和槽碶電樞繞組端部換向器軸承第2章直流電機(jī)電樞鐵心作用：1、主磁路的一部分；2、電樞繞組的支撐部件。

構(gòu)成：一般用厚0.5㎜且沖有齒、槽的硅鋼片疊壓夾緊而成。第2章直流電機(jī)電樞繞組作用：直流電機(jī)的電路部分。構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線(xiàn)繞成，上下層以及線(xiàn)圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。第2章直流電機(jī)換向器作用：和電刷配合將輸入直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，保證所有導(dǎo)體上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向一致。構(gòu)成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個(gè)圓筒，片間用V形云母絕緣。第2章直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸作用：用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，為了電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行，用合金鋼鍛壓加工而成。風(fēng)扇作用：用來(lái)降低溫升第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)直流電機(jī)的工作原理第2章直流電機(jī)一、直流發(fā)電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)的物理模型---外力帶動(dòng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)第2章直流電機(jī)先不放換向片線(xiàn)圈沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ab在N極下，感應(yīng)電勢(shì)的方向?yàn)閎到a（b為低電位，a為高電位）cd在S極下，感應(yīng)電勢(shì)的方向?yàn)閐到c（d為低電位，c為高電位）方向?yàn)椋簭膁指向a右手定則第2章直流電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)180°后線(xiàn)圈仍沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ab在S極下，感應(yīng)電勢(shì)的方向?yàn)閍到b（a為低電位，b為高電位）cd在N極下，感應(yīng)電勢(shì)的方向?yàn)閏到d（c為低電位，d為高電位）方向?yàn)椋簭腶指向da點(diǎn)正負(fù)交變第2章直流電機(jī)輸出的電勢(shì)波形：B近似平頂波輸出平頂交流電第2章直流電機(jī)用換向器和電刷A片總接a點(diǎn)，B片總接d點(diǎn)A、B換向片和導(dǎo)體一起旋轉(zhuǎn)電刷與換向片接觸，且空間位置不動(dòng)效果：A點(diǎn)：對(duì)N極，正B點(diǎn)：對(duì)S極，負(fù)第2章直流電機(jī)加換向器后的的電勢(shì)波形：（1）脈動(dòng)的直流電；（2）換向器就是一個(gè)機(jī)械的“整流器”，作用就是交流變直流第2章直流電機(jī)二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理左手定則加直流電，A+，B-電流方向：abcdab和cd受力相反，即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩線(xiàn)圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)第2章直流電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)180°后電流方向：abcdab和cd受力相反，即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩線(xiàn)圈仍逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)第2章直流電機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)模型f＝BxιI二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理第2章直流電機(jī)總結(jié)關(guān)于換向器和電刷：1、作用：（1）在直流發(fā)電機(jī)中起整流作用交流直流（2）在直流電動(dòng)機(jī)中起逆變作用直流交流2、換向器和電刷是直流電機(jī)特有的缺點(diǎn)：換向問(wèn)題（火花、電磁干擾）解決途徑：無(wú)刷化---“無(wú)刷直流電機(jī)”第2章直流電機(jī)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)包括：電機(jī)型號(hào)、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流及勵(lì)磁方式等型號(hào)表明該電機(jī)所屬的系列及主要特點(diǎn)。以Z2-72為例說(shuō)明如下：電機(jī)的型號(hào)第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)⒈額定功率

PN

指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以“W”為量綱單位。若大于1kW或1MW時(shí),則用kW或MW表示。對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，PN是指輸出的電功率

PN＝UNIN對(duì)于直流電機(jī)，PN是指輸出的機(jī)械功率

PN＝UNINηN⒉額定電壓UN指額定狀態(tài)下電樞出線(xiàn)端的電壓，以“V”為量綱單位。⒌額定勵(lì)磁電流

If

指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。

⒊額定電流

IN指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以“A”為量綱單位。

⒋額定轉(zhuǎn)速

nN指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。6、勵(lì)磁方式

指直流電機(jī)的勵(lì)磁線(xiàn)圈與其電樞線(xiàn)圈的連接方式。第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)直流電機(jī)的電樞繞組一、電樞繞組的基本知識(shí)根據(jù)連接規(guī)律的不同，繞組可分為：?jiǎn)委B繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組（1）元件構(gòu)成繞組的線(xiàn)圈為繞組的元件第2章直流電機(jī)（2）第一節(jié)距同一元件的兩個(gè)有效邊的距離，槽數(shù)（3）第二節(jié)距相鄰兩個(gè)元件相異有效邊的離，槽數(shù)第2章直流電機(jī)（4）合成節(jié)距相鄰兩個(gè)元件相同元件邊的距離，槽數(shù)（5）換向節(jié)距同一元件首末端換向片之間的距離相鄰兩主極間的距離（6）極距第2章直流電機(jī)疊繞組波繞組第2章直流電機(jī)例子：繪制一單疊右行整距繞組展開(kāi)圖繞組極數(shù)，槽數(shù)，元件數(shù)1、計(jì)算節(jié)距2、繞組連接表第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩一、直流電機(jī)的空載直流電機(jī)不帶負(fù)載時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為空載運(yùn)行。直流電機(jī)空載的特征：電樞電流忽略不計(jì)，即電樞電流為零或近似等于零此時(shí)，氣隙中只有主極磁場(chǎng)。第2章直流電機(jī)主磁通走主磁路的80%在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電樞轉(zhuǎn)矩主磁通主磁路第2章直流電機(jī)

空載時(shí)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時(shí)，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?？蛰d磁場(chǎng)氣隙磁密度特點(diǎn)：（1）主極下氣隙處處均勻（忽略齒槽影響）（2）空載磁密波形：平頂波第2章直流電機(jī)二、直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中便有電流通過(guò)，產(chǎn)生電樞磁通勢(shì)。該磁通勢(shì)所建立的磁場(chǎng)，稱(chēng)為電樞磁場(chǎng)。由于負(fù)載后電樞磁場(chǎng)的出現(xiàn)，對(duì)主極磁場(chǎng)的分布有明顯的影響。這種電樞磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)（空載磁場(chǎng)）的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。第2章直流電機(jī)電樞磁通密度分布圖圖1－15電樞展開(kāi)圖

－磁動(dòng)勢(shì)波形

－磁通密度波形負(fù)載后電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況比較兩個(gè)磁場(chǎng)磁力線(xiàn)，可看出在N極下，極軸線(xiàn)以右部分加強(qiáng)磁密、以左部分削弱第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)－勵(lì)磁磁場(chǎng)；－電樞磁場(chǎng)；－負(fù)載合成磁場(chǎng)（氣隙磁場(chǎng)）主磁場(chǎng)（空載磁場(chǎng)）的磁通密度分布曲線(xiàn)電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線(xiàn)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(xiàn)電樞反應(yīng)的磁通密度分布曲線(xiàn)第2章直流電機(jī)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，磁通密度曲線(xiàn)與空載時(shí)不同。電樞反應(yīng)的影響對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用不考慮磁路飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于被加強(qiáng)數(shù)量，但實(shí)際中，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵芯磁阻增大，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。三、直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)第2章直流電機(jī)1.每極磁通在電樞表面分布的面積2.導(dǎo)體的線(xiàn)速度3.導(dǎo)體個(gè)數(shù)的計(jì)算極距：導(dǎo)體有效長(zhǎng)度：l電機(jī)轉(zhuǎn)速：n磁極對(duì)數(shù)：p元件數(shù)：S元件匝數(shù)：Nx槽數(shù)：Z第2章直流電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eav一條支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eav第2章直流電機(jī)電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)----直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)性質(zhì):發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)(與電樞電流同方向);

電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)(與電樞電流反方向).第2章直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩一根導(dǎo)體的電磁力平均值fav一根導(dǎo)體的電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩Tav電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩Tem——直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)第2章直流電機(jī)

可見(jiàn)，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比性質(zhì):發(fā)電機(jī)——制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)——驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)。第2章直流電機(jī)直流電機(jī)的換向換向概述

直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過(guò)電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。

換向元件中電流的變化過(guò)程，叫做換向過(guò)程。

從換向開(kāi)始到換向結(jié)束所需的時(shí)間，叫做換向周期。

電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，倍電刷短路的元件從短路開(kāi)始到短路結(jié)束，從一條支路轉(zhuǎn)換到另一條支路，電流改變了方向。第2章直流電機(jī)分析換向過(guò)程

為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。

電樞移到電刷與換向片2接觸時(shí)，元件1的被短路，電流被分流。

電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。

電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為元件112第2章直流電機(jī)

換向問(wèn)題很復(fù)雜，換向不良會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。

產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機(jī)械的原因。此外換向過(guò)程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。

元件從開(kāi)始換向到換向終了所經(jīng)歷的時(shí)間，稱(chēng)為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機(jī)在運(yùn)行中，電樞繞組每個(gè)元件在經(jīng)過(guò)電刷時(shí)都要經(jīng)歷換向過(guò)程。第2章直流電機(jī)

換向的電磁理論(了解)換向元件中的電動(dòng)勢(shì)：自感電動(dòng)勢(shì)

和互感電動(dòng)勢(shì)：換向元件（線(xiàn)圈）在換向過(guò)程中電流改變而產(chǎn)生的。切割電動(dòng)勢(shì)：在幾何中性線(xiàn)處，由于電樞反應(yīng)在存在，電樞反應(yīng)磁密不為零，在換向元件中感應(yīng)切割電動(dòng)勢(shì)。換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)為：

根據(jù)楞次定律，自感電動(dòng)勢(shì)、互感電動(dòng)勢(shì)和切割電動(dòng)勢(shì)總是阻礙換向的。換向電動(dòng)勢(shì)：在幾何中性線(xiàn)處，換向元件在換向磁場(chǎng)中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。換向電動(dòng)勢(shì)是幫助換向的。第2章直流電機(jī)換向元件中的電流：

設(shè)兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是和，元件自身的電阻為,流過(guò)的電流為,元件與換向片間的連線(xiàn)電阻為,元件在換向時(shí)的回路方程：

忽略元件電阻和元件與換向片間的連線(xiàn)電阻，并設(shè)電刷與換向片的接觸總電阻為，則可推導(dǎo)出換向元件中的電流變化規(guī)律為第2章直流電機(jī)改善換向的方法

改善換向一般采用以下方法：選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻裝設(shè)換向磁極位于幾何中性線(xiàn)處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，在換向元件處產(chǎn)生換向磁動(dòng)勢(shì)抵消電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)大型直流電機(jī)在主磁極極靴內(nèi)安裝補(bǔ)償繞組補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)抵消電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)直流發(fā)電機(jī)第2章直流電機(jī)

直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式

供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類(lèi)，自勵(lì)方式又分并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種方式。1、他勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由其它直流電源單獨(dú)供給。

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：第2章直流電機(jī)2、并勵(lì)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿(mǎn)足3、串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿(mǎn)足4、復(fù)勵(lì)：

并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合。電機(jī)有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)。第2章直流電機(jī)第2章直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向一.電樞電動(dòng)勢(shì)公式和電壓平衡方程從方程式可見(jiàn)，直流發(fā)電機(jī)滿(mǎn)足電樞電動(dòng)勢(shì)：電壓平衡方程式：二.電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程發(fā)電機(jī)軸上有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入給的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩。第2章直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩平衡方程式：直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流三、勵(lì)磁特性公式第2章直流電機(jī)四.直流發(fā)電機(jī)效率公式電磁功率第2章直流電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)的可逆原理

一臺(tái)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，這就是直流電機(jī)的可逆原理。

減少原動(dòng)機(jī)的輸出功率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到一定程度時(shí)，使得，此時(shí)電樞電流為零，發(fā)電機(jī)輸出的電功率為零，原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率僅用來(lái)補(bǔ)償電機(jī)的空載損耗。

繼續(xù)降低原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將有，電樞電流反向，這時(shí)電網(wǎng)向電機(jī)輸入電功率，電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。