1、第1章 直流電機,1 . 1 直流電機的工作原理 1 . 2 直流電機的結(jié)構(gòu)和額定值 1 . 3 直流電機的電樞繞組 1 . 4 直流電機的磁場 1 . 5 直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 1 . 6 直流電動機 1 . 7 他勵直流電動機的機械特性 1 . 8 直流發(fā)電機 1 . 9 直流電機的換向,1 .1 直流電機的工作原理 1 . 1 . 1 直流電動機的基本工作原理,如果將電源正負極分別接電刷A和B,則線圈abcd中流過電流。在圖(a)中,載流導體ab受到的電磁力的方向是向左的, 載流導體cd受到的電磁力的方向是向右的, 這一對電磁力形成一個轉(zhuǎn)矩, 即電磁轉(zhuǎn)矩T，其方向為逆時針方向,

2、使整個電樞沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。當電樞轉(zhuǎn)過180 , 如圖(b)所示, 雖然導體ab和cd中電流方向變了,但電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變,仍是逆時針方向,使電樞沿逆時針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的基本工作原理。,1 . 1 . 2 直流發(fā)電機基本工作原理,用原動機拖動電樞朝逆時針方向旋轉(zhuǎn), 如圖所示, 導體ab中感應電動勢的方向由b指向a,導體cd中由d指向c,所以電刷A為正極性,電刷B為負極性。電樞旋轉(zhuǎn)180 時,雖然導體ab 和cd中感應電動勢的方向變了,但電刷A和電刷B的極性未變,電刷A仍為正極性,電刷B仍為負極性。 若在電刷A和B之間接上負載, 就能向負載供給直流電能,這就是直流發(fā)電機 。,1

3、.2 直流電機的結(jié)構(gòu)和額定值1 . 2 . 1 直流電機的結(jié)構(gòu)(1),圖1 . 3 直流電機的縱剖面圖 1 .換向器 2 .電刷裝置 3 .機座 4 .主磁極 5 .換向極 6 .端蓋 7 .風扇 8 .電樞繞組 9 .電樞鐵心,1 . 2 . 1 直流電機的結(jié)構(gòu)(2),上左圖是直流電機橫剖面示意圖:1 .電樞繞組 2 .電樞鐵心 3 .機座 4 .主磁極鐵心 5 .勵磁繞組 6 .換向極繞組 7 .換向極鐵心 8 .主磁極極靴 9機座底腳。 直流電機由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子部分有:a.主磁極,其作用是產(chǎn)生氣隙磁場, 由主磁極鐵心和勵磁繞組組成,如上中圖;b.換向極,其作用是減小火花,由換向極鐵

4、心和換向極繞組組成,如上右圖;還有電刷裝置和機座。,1 . 2 . 1 直流電機的結(jié)構(gòu)(3),轉(zhuǎn)子(電樞)部分有:a.電樞鐵心,用以嵌放電樞繞組,用硅鋼片沖片疊壓而成,沖片的形狀如上左圖;b.電樞繞組,其作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢,是由許多線圈按一定規(guī)律連接而成,線圈在槽中應有良好的絕緣,如上中圖;c.換向器,與電刷有滑動接觸,將電樞繞組與外部電路相連,其結(jié)構(gòu)如上右圖,主要有:1 . V形套筒 2 .V形環(huán) 3 .云母環(huán) 4 .換向片 5 .連接片。,1 . 2 . 2 直流電機的額定值,1 .額定功率 ,是電機在額定運行狀態(tài)時所能提供的輸出功率。對電動機而言,是指軸上輸出的機械功率;對發(fā)

5、電機而言,是指出線端輸出的電功率 , 單位為kW 。 2 .額定電壓 ,是電機的電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓,單位為V 。 3 .額定電流 ,是電機在額定運行狀態(tài)時電樞繞組允許流過的最大電流,單位為A 。 4 .額定轉(zhuǎn)速 ,是電機在額定運行狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)速度,單位為r/min (轉(zhuǎn)/分),1 .3 直流電機的電樞繞組1 . 3 . 1 元件與節(jié)距,電樞繞組元件有疊繞組元件和波繞組元件,如上左圖,元件嵌放在槽中的部分稱為有效邊,槽外部分稱為端接部分,圖中:1 .端接部分 2 .有效邊 3 .末端4 .換向片 5 .首端。 表示元件幾何尺寸以及元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)為節(jié)距,有:( 1

6、 )第一節(jié)距 ,指元件的兩個元件邊的距離,用槽數(shù)表示 整數(shù); ( 2 )第二節(jié)距 ,指元件的下層邊與相連的另一個元件的上層邊的距離; ( 3 )合成節(jié)距 與( 4 )換向器節(jié)距 相等,即,1 . 3 . 2 單疊繞組,圖1. 14 Z=16 ,2 p=4單疊繞組展開圖 后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分上,這 種繞組稱為疊繞組。 繪圖時先畫16根等長、等距的平行實線及虛線代表16 個槽; 按第一節(jié)距連接好16個元件,這16個元件通過 16個換向片連接成閉合回路,最后畫出磁極和電刷。,單疊繞組連接順序表和并聯(lián)支路圖,圖1 . 15 單疊繞組連接順序表 圖1 . 16并聯(lián)支路圖 單疊繞組連

7、接規(guī)律和特點 ：(1) 單疊繞組是將同一磁 極下的各個元件串聯(lián)起來組成一條支路。所以單疊繞 組的并聯(lián)支路對數(shù)a總等于極對數(shù)p,即a=p； (2)電刷組數(shù)等于磁極數(shù)； (3)當元件左右對稱、電刷中心線對準磁極中心線時,正負電刷之間引出的電動勢最大,被電刷短路的元件感應電動勢最小。,1 .4 直流電機的磁場1 . 4 . 1 直流電機的勵磁方式,圖1 . 17 直流電機的勵磁方式 勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式，分為他勵、并勵、串勵和復勵四種。勵磁繞組由其他直流電源供電,與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系,是他勵,如圖(a)所示;勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián),是并勵,如圖(b)所示;勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián),是串

8、勵,如圖(c)所示; 主磁極上套有兩個勵磁繞組,一個與電樞繞組并聯(lián),另一個與電樞繞組串聯(lián), 如圖(d)所示,是復勵。,1 . 4 . 2 直流電機的空載磁場(1),圖1 . 18 直流電機的空載磁場 圖1 .19 空載磁化特性 同時與勵磁繞組和電樞繞組交鏈的磁通稱為主磁通 , 主磁通磁路經(jīng)由定子磁極、氣隙、電樞和磁軛,如圖1.18。僅與勵磁繞組交鏈的磁通稱為漏磁通 ,漏磁通路徑主要為空氣,磁阻大,所以漏磁通大大小于主磁通。 空載時每極磁通與空載勵磁電流的關系,即 稱為電機的空載磁化特性,如圖1.19,具有飽和現(xiàn)象 。,1 . 4 . 2 直流電機的空載磁場(2),氣隙的大小如圖a所示,磁極中心

9、及其附近,氣隙較小且均勻不變,磁通密度較大且基本為常數(shù);靠近兩邊極尖處,氣隙逐漸變大,磁通密度減小;在磁極之間的幾何中心線處,氣隙磁通密度為零, 空載氣隙磁通密度分布為一禮帽形的平頂波,如圖b所示。 平均磁通密度 , 為每極磁通,為極距, 為電樞鐵心長度。,1 . 4 . 3 直流電機的電樞反應及負載磁場,圖1.21 電樞磁場 圖1 . 23 直流電機的電樞反應 圖1 . 23中曲線1是空載磁通密度;2是電樞磁動勢;3是 電樞磁通密度;4是未飽和時氣隙合成的磁通密度;5是 飽和時氣隙合成的磁通密度。 電樞磁動勢對空載氣隙磁通密度分布的影響稱為電樞 反應,表現(xiàn)為:(1)使氣隙磁場發(fā)生畸變 ; (

10、2) 使物理中心 線偏離幾何中心線 ;(3)磁路飽和時,有去磁作用。,1 .5 直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1 . 5 . 1 直流電機電樞繞組的感應電動勢,電樞繞組的感應電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應 電動勢,也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動勢。平均磁 通密度為 ,電機轉(zhuǎn)速為n時導體的線速度為 ,一根導體切割氣隙磁通產(chǎn)生的電動勢的平 均值為 若并聯(lián)支路對數(shù)為a,元件數(shù)為S,每個元件有 匝。則總的 導體數(shù)為 ,每一條并聯(lián)支路串聯(lián)導體數(shù)為N/2 a ,則電樞繞組感應電動勢為 式中 稱為直流電機的電動勢常數(shù)。公式表明電樞電動勢與磁通和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。,1 . 5 . 2 電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)

11、矩,當電樞繞組中流過電樞電流 時,元件的導體中流過支路 電流 ,一根導體所受電磁力的平均值為 其對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為 對于電樞繞組而言,凡是位于N極下的導體中的電流方向 都相同,凡是位于S極下的導體中的電流方向都與N極下 的相反,這樣,電樞所有導體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向都是相同 的,因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導體電磁轉(zhuǎn)矩的平 均值乘以電樞繞組總的導體數(shù)N,即 電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通和電樞電流的乘積成正比。 稱為直流電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。轉(zhuǎn)矩常數(shù)和電動勢常數(shù)的關系為,1 .6 直流電動機1 . 6 . 1 直流電動機穩(wěn)態(tài)運行的基本關系式,圖1 .25 并勵直流電動機 圖1. 26 直流電動機功率流程圖

12、 1 .電壓平衡方程式 2 .轉(zhuǎn)矩平衡方程式 3 .功率平衡方程式 電磁功率具有電功率性質(zhì),又具有機械功率性質(zhì)。,1 . 6 . 2 并勵直流電動機的工作特性,當U= 、 ,電樞回路不串電阻時,轉(zhuǎn)速n 、電磁轉(zhuǎn)矩T、效率與電樞電流之間的關系分別稱為轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、效率特性。 1.轉(zhuǎn)速特性 是一條稍稍向 下傾斜的直線,如圖中的曲線1所示。 2 .轉(zhuǎn)矩特性 為過原點的直線,如曲線2所示。 3 .效率特性 如曲線3所示。,1 . 6 . 3 串勵直流電動機的工作特性,圖1 .28 串勵直流電動機的原理接線圖 圖1 . 29 串勵直流電動機的工作特性 串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián),勵磁電

13、流就是電樞電流。1 .轉(zhuǎn)速特性如圖1 .29中的曲線1所示 ,具有雙曲線性質(zhì), 輕載時轉(zhuǎn)速很高,所以串勵直流電動機不允許在空載或輕載下運行; 2 .轉(zhuǎn)矩特性如圖中的曲線2所示 ,電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比, 啟動轉(zhuǎn)矩大,過載能力強,適用于起動能力或過載能力要求較高的的場合; 3.效率特性 如曲線3所示。,1 .7 他勵直流電動機的機械特性1 . 7 . 1 機械特性方程式,圖1. 30 他勵直流電動機電路原理圖 圖1 . 31 他勵直流電動機的機械特性 當電樞電壓U、勵磁電流If、電樞回路電阻為常數(shù)不變時,直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n之間的關系,即n = f( T)稱為直流電動機的機械特

14、性。 將 代入轉(zhuǎn)速方程式 得到機械特性方程 是斜率, n 稱為轉(zhuǎn)速降,1 . 7 . 2 固有機械特性與人為機械特性,邊 電樞串電阻時的人為特性 變電壓時的人為特性 弱磁時的人為特性 當電樞上加額定電壓、氣隙每極磁通為額定磁通、電樞回 路不串電阻時的機械特性稱為他勵直流電動機的固有機械 特性。人為地改變電動機的參數(shù),如改變電壓U、改變勵磁 電流(即改變磁通)、電樞回路串電阻所得到的機械特性稱 為人為機械特性。串電阻人為機械特性為一簇經(jīng)過理想空 載轉(zhuǎn)速點的放射性直線,如上左圖;變電壓時的人為特性是 一組平行直線,如上中圖;弱磁時的人為特性如上右圖。,1 .8 直流發(fā)電機1 . 8 . 1 直流發(fā)

15、電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式,由右上圖他勵直流發(fā)電機 示意圖可 知電壓平衡方程式為 (1.25) 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 為 (1.26) 將上式兩邊乘以機械角速度,得到 即 是輸入功率; 是電磁功率; 是空載損耗功率, 。 由式(1.25)可知 功率平衡方程式 為 其功率流程圖如右下圖。,1 . 8 . 2 他勵直流發(fā)電機的運行特性,他勵直流發(fā)電機的空載特性 他勵直流發(fā)電機的外特性 他勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性 , 時,端電壓與勵磁電流之間的關系 稱 為空載特性,如上左圖。 , 時端電壓U與負載電流I之間的關系U= f ( I)稱為外特性, 如上中圖,是一條稍稍向下傾斜的曲線。 ,U為常數(shù)時,勵磁電流 與

16、負載電流I之間的關系 稱為調(diào)節(jié)特性,如上右圖,是隨負載電流增大而上翹的 曲線。,1 . 8 . 3 并勵直流發(fā)電機的自勵過程和自勵條件,上左圖為并勵直流發(fā)電機的接線原理圖 。在發(fā)電機起動瞬間,勵磁電流為零,需要創(chuàng)造條件,使發(fā)電機的端電壓和勵磁電流互相促進,不斷提高端電壓,直至空載電壓建立起來,這就是并勵直流發(fā)電機的自勵建壓過程,如上右圖。 自勵條件:1 .電機磁路中要有剩磁; 2 .勵磁繞組并聯(lián)到電樞兩端的極性正確 ; 3 .勵磁回路的總電阻小于臨界電阻。,1 . 8 . 4 并勵直流發(fā)電機的運行特性,1.并勵直流發(fā)電機的空載特性與他勵直流發(fā)電機相同; 2. ,勵磁電阻為常數(shù)時,端電壓U與負載電流I之間的關系稱為并勵直流發(fā)電機的外特性,如 右上圖, 曲線1是并勵的,曲線2是他勵的,并勵的外特性比他勵的外特性向下傾斜的更多一些。 3.并勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性 ,如 右下圖, 曲線1是并勵的,曲線2是他勵的,并勵的調(diào)節(jié)特性上翹程度超過他勵 。,1 .9 直流電機的換向,直流電機運行時,隨著電樞的轉(zhuǎn)動,電樞繞組的元件會從一條支路