1、第 三 章,直 流 電 機(jī) 的 原 理,（1）,結(jié) 構(gòu) 和 原 理,空載磁場(chǎng)及磁化曲線(xiàn),電 樞 繞 組,電 樞 反 應(yīng),感應(yīng)電勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩,直 流 電 機(jī) 原 理,本 章 要 求：,機(jī)電能量關(guān)系,直流電機(jī)（dc machines）是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能或?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置。 把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的直流電機(jī)稱(chēng)為直流發(fā)電機(jī)(dc generators )。 把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的直流電機(jī)稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)(dc motor )。,一、直流電機(jī)的用途和結(jié)構(gòu),上一張,下一張,第一節(jié) 直流電機(jī)的用途、結(jié)構(gòu)和原理,定子,轉(zhuǎn)子,端蓋,2、結(jié)構(gòu)視頻,1、用途 視頻,1.定子:,主磁極； 換向磁極； 機(jī)

2、座；電刷,上一張,下一張,主磁極,換向磁極,N,SK,S,N,S,NK,SK,NK,電刷,刷架,電刷,刷架,換向器,上一張,下一張,換向器,刷架,電刷,磁極組成,磁極,上一張,下一張,電樞鐵心硅鋼片(0.5mm),電樞鐵心,2.轉(zhuǎn)子:,電樞鐵芯;電樞繞組；換向器,上一張,下一張,轉(zhuǎn)子下線(xiàn),轉(zhuǎn)子,二、 直流電機(jī)的工作原理 1、直流發(fā)電機(jī)原理（機(jī)械能-直流電能） 定子（不動(dòng)部件）上的勵(lì)磁繞組通過(guò)直流電流 (稱(chēng)為勵(lì)磁電流If)時(shí)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)（勵(lì)磁磁場(chǎng)，主磁 場(chǎng)）； 原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)切割主磁場(chǎng)B,轉(zhuǎn)速 n(r/min)； 電樞線(xiàn)圈的導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e=Blv； 通過(guò)換向器與電刷的作用，可以引

3、出單向（直 流）的端電勢(shì)eAB。動(dòng)畫(huà),從以上分析可以看出，線(xiàn)圈中的電動(dòng)勢(shì)及電流的方向是交變的，只是經(jīng)過(guò)電刷和換向片的整流作用，才使外電路得到方向不變的直流電。直流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機(jī)。,2、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理（動(dòng)畫(huà)）: 如圖所示：,從以上分析可見(jiàn)，在直流電動(dòng)機(jī)中，加在線(xiàn)圈上的電流是恒定的，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向卻是交變的，所以在這里，經(jīng)過(guò)換向器作用將直流逆變成了交流電，是一個(gè)逆變過(guò)程。,3、電機(jī)的可逆原理： 一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是外界條件不同而已。 如果用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就可以從電刷端引出直流電動(dòng)勢(shì)而作為直流電源對(duì)負(fù)載供電；如

4、果在電刷端外加直流電壓，則電動(dòng)機(jī)就可以帶動(dòng)軸上的機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。 這種同一臺(tái)電機(jī)能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理。,三、直流電機(jī)按勵(lì)磁方式分類(lèi),上一張,下一張,4、短復(fù)勵(lì)直流電機(jī),上一張,下一張,5、長(zhǎng)復(fù)勵(lì)直流電機(jī),上一張,下一張,四、直流電機(jī)的額定值（銘牌數(shù)據(jù)）,1、額定功率PN：電機(jī)額定工作狀況下的輸出功率KW,發(fā)電機(jī)是出線(xiàn)端輸出的電功率。 PN= UN IN,電動(dòng)機(jī)是軸上輸出的機(jī)械功率。 PN= UN IN N,2、額定電壓UN （V）,3、額定電流IN （A）,4、額定轉(zhuǎn)速nN （rpm）,上一張,下一張,第二節(jié) 直流電機(jī)的空載磁場(chǎng),一、空

5、載磁場(chǎng)的分布,1、磁通的分布,主磁通,漏磁通,2、氣隙磁密的分布,二、磁化曲線(xiàn) =f(If),電機(jī)主磁通與勵(lì)磁電流的關(guān)系；可以計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定；,上一張,下一張,If小時(shí)鐵心不飽和，F(xiàn)主要作用在氣隙上,第三節(jié) 直流電機(jī)的電樞繞組,電樞繞組是機(jī)、電能量轉(zhuǎn)換的核心部件，它是由繞組元件和換向片組成的閉合回路。,一、繞組的基本概念,1、元件（線(xiàn)圈）：兩端分別連接兩個(gè)換向片的一匝或多匝線(xiàn)圈,3、元件數(shù)和換向片數(shù),元件數(shù)S=換向片數(shù)K,4、虛槽數(shù)和實(shí)槽數(shù),2、雙層繞組,上一張,下一張,5、繞組的第一節(jié)距Y1,極距：相鄰兩極間的距離，用長(zhǎng)度cm或槽數(shù)表示,Y1：一個(gè)元件兩個(gè)有效邊在電樞表面的距離， 用槽數(shù)表示

6、,其中Zi ：虛槽數(shù)；p：極對(duì)數(shù),Y1 = ，稱(chēng)整距繞組,Y1 ，稱(chēng)長(zhǎng)距繞組,上一張,下一張,6、繞組的第二節(jié)距Y2,Y2：兩個(gè)相串聯(lián)元件中，前一元件的下元件邊與后一元件的上元件邊的距離。,7、合成節(jié)距Y,Y：兩個(gè)相串聯(lián)元件對(duì)應(yīng)邊的距離,8、換向器節(jié)距Yk,Yk：一個(gè)元件的兩個(gè)出線(xiàn)端連接的兩個(gè)換向片之間的距離。Y=Yk,上一張,下一張,二、單疊繞組,特點(diǎn)：Y=Yk=1,例：一直流機(jī)S=K=Z=16，2P=4，畫(huà)出雙層單疊繞組。,1、計(jì)算節(jié)距,Y=Yk=1,Y1=Z/2P=16/4=4（整距）,上一張,下一張,2、編制繞組連接表,1）對(duì)元件編號(hào)；,上一張,下一張,3）連接元件（y1=4)。,2）

7、對(duì)槽編號(hào)；,3、畫(huà)繞組展開(kāi)圖,先對(duì)槽編號(hào)；1號(hào)元件上邊放1號(hào)槽，用實(shí)線(xiàn)；下邊放在1+Y1=1+4=5號(hào)槽，用虛線(xiàn)表示；其余元件依此放置,S,N,S,N,上一張,下一張,4、繞組并聯(lián)支路圖（瞬間）,電樞輸出總電勢(shì)等于支路電勢(shì)； 電樞輸出總電流等于各條支路電流之和。,上一張,下一張,4、繞組并聯(lián)支路圖,單疊繞組中：并聯(lián)支路數(shù)=極數(shù)，即2a=2p 其中a:并聯(lián)支路對(duì)數(shù)；P：極對(duì)數(shù),單波繞組中：并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a=1,上一張,下一張,單疊繞組特點(diǎn)：,支路對(duì)數(shù)a等于極對(duì)數(shù)p，同時(shí)還等于電刷對(duì)數(shù)b，即a=p=b； 電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2aia。,三、單波繞組,單波繞組是將同一極性下的所

8、有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個(gè)串聯(lián)連接元件形式似波浪向前延伸。 其特點(diǎn)是： 支路對(duì)數(shù)a等于1，與極對(duì)數(shù)p無(wú)關(guān)，即a=1； 電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；為了減小電刷的電流密度，實(shí)際電刷對(duì)數(shù)b等于極對(duì)數(shù)p。,四、電機(jī)模型,展開(kāi)圖雖然能反應(yīng)電樞繞組連接規(guī)律，也能說(shuō)明電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系，但畫(huà)展開(kāi)圖太麻煩，在分析電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系時(shí)，采用電機(jī)模型。 規(guī)定：無(wú)論電機(jī)有多少對(duì)磁極，都只用N、S一對(duì)磁極表示，不畫(huà)換相器，電刷放在幾何中心線(xiàn)處，并與位于幾何中心線(xiàn)處的元件接觸，一個(gè)圓圈代表一個(gè)元件。我們把幾何中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的軸線(xiàn)又稱(chēng)為交軸，用q-q表示；與交軸垂直的磁極軸線(xiàn)稱(chēng)為直軸，用d-d表示。為

9、了方便，以后在分析電機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程時(shí)均采用電機(jī)模型。,直流電機(jī)模型,直流電機(jī)模型,第四節(jié) 直流電機(jī)負(fù)載磁場(chǎng)及電樞反應(yīng),一、電樞磁勢(shì)和磁場(chǎng),1、磁場(chǎng)分布,上一張,下一張,幾何中性線(xiàn),2、電樞磁勢(shì)分布,將電機(jī)沿幾何中性線(xiàn)剖開(kāi)并展開(kāi),上一張,下一張,F,B,上一張,下一張,結(jié)論：電樞磁勢(shì)在其表面呈三角波分布；而磁密呈馬鞍形分布。,二、直流電機(jī)的電樞反應(yīng),1、概念,1）d軸(直軸)，q軸(交軸),上一張,下一張,2）電樞反應(yīng)：電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁極磁場(chǎng)的影響,2、電刷在幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng),Faq,交軸電樞反應(yīng),上一張,下一張,交軸電樞反應(yīng)：1）將主磁場(chǎng)扭曲，磁場(chǎng)為零的位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)至物理中性線(xiàn)(發(fā)生畸變)

10、。2）主磁通量減少，稱(chēng)為電樞反應(yīng)的附加去磁。,物理中性線(xiàn),上一張,下一張,電樞反應(yīng),只有交軸電樞反應(yīng)磁極（電流）與主磁極相互作用才能產(chǎn)生電磁力矩，從而進(jìn)行機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。,上一張,下一張,圖為電動(dòng)機(jī)時(shí)，Tem拖動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)；為發(fā)電機(jī)時(shí)，電機(jī)在外力拖動(dòng)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)， Tem阻礙旋轉(zhuǎn)。,第五節(jié) 直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩,一、直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì),（一）氣隙磁密的分布,將氣隙磁密波等效為矩形波。,每極下主磁通為：,磁極有效長(zhǎng)度,上一張,下一張,氣隙磁密波形圖,0,（二）電樞導(dǎo)體電勢(shì),導(dǎo)體A在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其中會(huì)感應(yīng)電勢(shì)eav。,導(dǎo)體速度,導(dǎo)體長(zhǎng)度,上一張,下一張,電樞繞組任何時(shí)刻都由2a個(gè)并聯(lián)支路構(gòu)成；當(dāng)為整距繞組，且電刷在幾何中性線(xiàn)時(shí)，電樞繞組總電勢(shì)=每條支路中所有串聯(lián)導(dǎo)體感應(yīng)電勢(shì)之和。,電樞繞組有S個(gè)元件，每元件匝數(shù)為Nk，則電樞繞組 總導(dǎo)體數(shù)N=2SNk,每條支路的導(dǎo)體數(shù)為：N/2a,上一張,下一張,電樞繞組電勢(shì)Ea為：,用磁通表示,用轉(zhuǎn)速表示,每極下主磁通為：,上一張,下一張,:每極磁通量,n:電機(jī)轉(zhuǎn)速,N:繞組總導(dǎo)體數(shù),p:極對(duì)數(shù),a:繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù),結(jié)論：,1、電樞繞組電勢(shì)與磁通、轉(zhuǎn)速成正比。,2、Ea表達(dá)式雖然在整距繞組情況下推導(dǎo)出，但對(duì)短距、長(zhǎng)距也適用。,3、若電刷不在幾何中性線(xiàn)時(shí)， Ea將減小。,上一張,下一張,叫電勢(shì)常數(shù),二、直