1、第3章 直流電機(jī)原理,直流電機(jī)的用途及基本工作原理 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與型號 直流電機(jī)的磁路 直流電機(jī)的電樞繞組 電樞電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩 直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 直流電機(jī)的換向,本章基本要求,了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理 熟悉直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 理解直流電機(jī)電樞繞組的構(gòu)成及特點(diǎn) 掌握電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 理解和掌握直流電機(jī)的工作特性和機(jī)械特性 了解直流電機(jī)的換向,3.1 直流電機(jī)的用途及基本工作原理,勵(lì)磁機(jī),測速,伺服,3.1.1 直流電機(jī)的用途,直流電機(jī)的特點(diǎn)：,直流發(fā)電機(jī)的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)過

2、載能力較強(qiáng)，啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。 易于控制，可靠性較高 由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價(jià)格較高,3.1.2 基本工作原理,1、直流發(fā)電機(jī)的工作原理,電刷,換向片,直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的幾點(diǎn)結(jié)論：,1）電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電； 2）電刷間為直流電勢。線圈中感應(yīng)電勢與電流方向一致； 3）從空間看， 電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的磁場； 4）產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反， 是制動(dòng)性質(zhì)。,2、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理,直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的幾點(diǎn)結(jié)論：,1）外施電壓、電流是直流， 電樞線圈內(nèi)電流是交流； 2）線圈中感應(yīng)電勢與電流方向相反； 3）線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的； 4）產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T

3、與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)。,結(jié) 論,從上述基本電磁情況來看，一臺直流電機(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)遠(yuǎn)行，只是約束的條件不同而已。 在直流電機(jī)的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入電樞，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸出，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)； 如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，而電刷上不加直流電壓，則電刷端可以引出直流電動(dòng)勢作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)。 同一臺電機(jī)既能作電動(dòng)機(jī)又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的這種原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。,3.2 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與型號,主磁極,換向磁極,電刷裝置,機(jī)座,端蓋,電樞鐵心,電樞繞組,換向器,轉(zhuǎn)軸

4、,軸承,直流電機(jī),3.2.1 主要結(jié)構(gòu),1、定子部分,（1）主磁極,1主磁極鐵心,2勵(lì)磁繞組,3機(jī)座,主磁極鐵心用11.5mm厚的鋼板沖片疊壓而成。,（2）換向極,1換向極鐵心,2換向極繞組,換向極鐵心一般用整塊鋼或鋼板板疊片加工而成。,換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。,作用：改善換向。,（3）機(jī)座,作用： 一是用來固定主磁極、換向極和端蓋等，起機(jī)械支承的作用； 二是作為電機(jī)磁路的一部分。,機(jī)座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。,（4）電刷裝置,電刷的作用是把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。,1刷握,2電刷,3壓緊彈簧,4銅絲辮,2、轉(zhuǎn)子部分,（1）電樞鐵心,作用

5、： 一是作為電機(jī)主磁路的主要部分； 二是嵌放電樞繞組。,為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。,（2）電樞繞組,電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。,線圈用帶絕緣的圓形或矩形截面導(dǎo)線繞成，嵌放在電摳槽內(nèi)，上下層之間以及線圈與鐵心之間都要妥善地絕緣。然后用槽楔壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，以防止離心力將繞組甩出槽外。,（3）換向器,作用：是將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流，在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢

6、轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動(dòng)勢。,換向器由許多換向片組成。換向片之間用云母絕緣。電樞繞組的每一個(gè)線圈兩端分別焊接在兩個(gè)換向片上。,直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)總結(jié),主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成,直流電機(jī),3.2.2 電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù),額定容量PN： 輸出功率，單位kW,額定電壓UN：額定狀態(tài)下出線端電壓，單位V,額定電流IN：額定狀態(tài)下出線端電流，單位A,額定轉(zhuǎn)速nN： 額定狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min,額定勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電流和勵(lì)磁方式等。,電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩：,3.3 直流電機(jī)的磁路、空載時(shí)的氣隙磁密與空載磁化特性,3.3.1 直流電機(jī)的磁路,直流電機(jī)空載時(shí)的磁場分布,磁路從

7、氣隙1出發(fā)經(jīng)電樞齒電樞軛電樞齒2氣隙2主磁極2定子軛主磁極1，最后又回到氣隙1,3.3.2 空載時(shí)氣隙磁通密度的分布波形,主磁場磁密的分布,在一個(gè)磁極的范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁勢大小一樣，B大小完全與氣隙長度成反比。,引進(jìn)極弧系數(shù)bp和氣隙卡氏系數(shù),在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強(qiáng)，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時(shí)，磁密等于0。,3.3.3 空載磁化特性,為了感應(yīng)電動(dòng)勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)氣隙中需要有一定量的每極磁通 ，空載時(shí)，氣隙磁通 與空載磁通勢 或空載勵(lì)磁電流 的關(guān)系，稱為直流電機(jī)的空載磁化特性。,為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材

8、料，一般直流電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，額定磁通 設(shè)定在圖中A點(diǎn)，即在磁化特性曲線開始進(jìn)入飽和區(qū)的位置。,3.3.4 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式,IIa,IIaIf,I=Ia+If,I=Ia,Ifc=Ia,I=Ia+Ifb; I=Ifc=Ia+Ifb,3.4 直流電機(jī)的電樞繞組,對電樞繞組的要求：,在通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電勢和電磁轉(zhuǎn)矩前提下，所消耗的有效材料最省， 強(qiáng)度高（機(jī)械、電氣、熱）， 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡單等。,電樞繞組：直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一, 是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。,電樞繞組的基本知識：,元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。,元件的首末端：每一個(gè)

9、元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。,極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。,首端,末端,電樞繞組的基本知識：,第二節(jié)距y2：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。,第一節(jié)距y1：一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞表面跨過的距離。,合成節(jié)距y ：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對應(yīng)邊之間的距離。,換向節(jié)距yc：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。,繞組實(shí)物圖,電樞繞組的形式,環(huán)形繞組,鼓形繞組,疊繞組,波繞組,3.4.1 單疊繞組,單疊繞組的連接規(guī)律是：所有的相鄰元件依次串聯(lián)（即后一元件的首端與前一元件的尾端相連），同時(shí)每個(gè)

10、元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個(gè)閉合回路。,特點(diǎn)： 槽數(shù)Ze、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同,單疊繞組的合成節(jié)距等于一個(gè)槽，換向節(jié)距等于一個(gè)換向片。,y=yk=1,單疊繞組分析實(shí)例：,1. 數(shù)據(jù)計(jì)算,yyk1,實(shí)例： p2， ZeSK16,2.單疊繞組展開圖,槽展開,3.繞組放置,元件1： 上元件邊在1槽， 下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。 元件2： 上元件邊在2槽， 下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。 以此類推,某一瞬間電刷、磁極放置,磁極：磁極寬度約0.7,均勻分布，N、S極交替安排。 電刷：連接內(nèi)、外電路。為了在正負(fù)電刷間獲得最大直流電勢以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷

11、放在被電刷短路的元件電勢為零的位置。 電勢為零的元件：在一個(gè)主極下的元件邊電勢具有相同的方向。 在磁極的幾何中心線上電勢為零。 電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主磁極軸線對準(zhǔn)的換向片上。,元件連接順序表,繞電樞一周， 所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。,繞組電路圖：,結(jié)合電刷的放置， 得到該瞬時(shí)的電路圖,每個(gè)極下的元件組成一條支路。即單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機(jī)的極數(shù)。,這是單疊繞組的重要特點(diǎn)之一。,單疊繞組的特點(diǎn)：,元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰兩個(gè)換向片上。 并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p; 整個(gè)電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動(dòng)勢的總和為零， 繞組內(nèi)部無換流； 每條支路由不相同的電刷引出

12、，電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù); 正負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢即為每一支路的電動(dòng)勢，電樞電壓等于支路電壓; 由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即,3.4.2 單波繞組,為了使緊相串聯(lián)的元件所生的電勢同向相加， 元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距,單波繞組：換向極距yc必須符合 即,為了使繞組從某一換向片出發(fā)， 沿電樞鐵心一周后回到原來出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。,單波繞組的連接規(guī)律是：把相隔大約兩個(gè)極距，即在磁場中位置差不多相對應(yīng)的元件連接起來。,單波繞組分析實(shí)例:,實(shí)例：p2， Ze=SK15 左單波繞組,1.繞組數(shù)據(jù)計(jì)算,元件、磁極、電刷放置原則,元件、換向片的放置：

13、1元件上層邊1槽，下層邊4槽;首末端所連的換向片相距yk7； 為了端部對稱， 首末端所連的兩換向片之間的中心線與1元件的軸線重合。1元件上層邊所連的換向片定為1。 依次聯(lián)接。,磁極放置： N、S極磁極均勻交替的排列。,電刷的放置：放在與主極軸線對準(zhǔn)的換向片上。,單波繞組展開圖,槽展開,單波繞組元件連接順序表,從繞組展開圖可以看出， 全部15個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)閉合回路的順序是：,用聯(lián)接順序圖表示為：,單波繞組電路圖,單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。 由于磁極只有N、S之分， 所以單波繞組的支路對數(shù)a與極對數(shù)多少無關(guān)，永遠(yuǎn)為1，即a1。,單波繞組的特點(diǎn)：,同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路， 支路對數(shù)a1，與磁極對數(shù)