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1、1.1.2 直流電機(jī)的工作原理,1.1 直流電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu),一、直流發(fā)電機(jī)工作原理,右圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。,直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。,當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)同，線圈abcd將感應(yīng)電動(dòng)勢。如右圖，導(dǎo)體ab在N極下，a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體cd在S極下，c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。,當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電

2、機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 后，如右圖。,與電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負(fù)的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動(dòng)勢。,導(dǎo)體ab在S極下，a點(diǎn)低電位，b點(diǎn)高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點(diǎn)低電位，d點(diǎn)高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。,實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際需要有多個(gè)線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對(duì)。,二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理,把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過。,直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)

3、械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。,在磁場作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S 極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。,原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S 極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。,與直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對(duì)。,當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時(shí),直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖:,1.1.3 直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。,此外，

4、電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。,電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有物理量與額定值相同電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流欠載運(yùn)行；運(yùn)行電流大于額定電流過載運(yùn)行。長期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長期過載運(yùn)行會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。,1.2.1 直流樞繞組基本知識(shí),1.2 直流電機(jī)的電樞繞組簡介,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)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。,疊繞組：指串聯(lián)

5、的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。,波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進(jìn)。,第一節(jié)距 ：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離。,合成節(jié)距 ：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離。,第二節(jié)距 ：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。,單疊繞組,單波繞組,換向節(jié)距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。,1.2.2. 單疊繞組,單疊繞組的特點(diǎn)是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即： 。,單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構(gòu)成繞組的所有元件取出來

6、畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對(duì)位置關(guān)系。,單疊繞組的展開圖,根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖:,單疊繞組的的特點(diǎn)：,1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。,2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢最大，電刷間電動(dòng)勢等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢。,3）電樞電流等于各支路電流之和。,. 單波繞組,單波繞組的特點(diǎn)是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下圖所示。,兩個(gè)串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個(gè)極距；沿圓周向一個(gè)方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。,單波繞組的并聯(lián)支路圖:,單波繞組的特點(diǎn),1

7、）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1，與磁極對(duì)數(shù)無關(guān)；,2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢最大；,3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；,4）電樞電動(dòng)勢等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢；,5）電樞電流等于兩條支路電流之和。,1.3.1直流電機(jī)的空載磁場,1.3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng),直流電機(jī)工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動(dòng)勢，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢。電樞磁動(dòng)勢對(duì)主極磁動(dòng)勢的影響稱為 電樞反應(yīng)。,右圖為一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場示意圖。,當(dāng)勵(lì)磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為 ，流過電流 ，每極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢為：,直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁

8、通沒有這個(gè)作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。,空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢主要消耗在氣隙上。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。,磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減?。粯O尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。,空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b) 所示。,空載時(shí)主磁極磁通的分布情況，如右圖(c) 所示。,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

9、磁動(dòng)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。如右圖所示。,為了經(jīng)濟(jì)、合理地利用材料，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。,1.3.2 直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的負(fù)載磁場,直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢稱為電樞磁動(dòng)勢。電樞磁動(dòng)勢的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場發(fā)生變化。,右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場分布情況。,假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動(dòng)勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動(dòng)勢為交軸磁動(dòng)勢。,如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角

10、波，如圖中 所示。,由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖中 所示。,1.3.3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng),當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場是勵(lì)磁磁動(dòng)勢與電樞磁動(dòng)勢共同作用的結(jié)果。電樞磁場對(duì)氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。,1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負(fù)載后電機(jī)的磁場分布情況，如圖（a）所示。,幾何中性線：兩相鄰主磁極的軸線對(duì)稱分布，此處B=0； 物理中性線：B=0處的直線位置,主磁場的磁通密度分布曲線,電樞磁場磁通密度分布曲線,兩條曲線逐

11、點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場的磁通密度分布曲線,由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：,2)、對(duì)主磁場起去磁作用,1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變,空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。,磁路不飽和時(shí)，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，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時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。,2、當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí),

12、電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動(dòng)勢軸線也隨之移動(dòng) 角，如圖(a)(b)所示。,電樞磁動(dòng)勢可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動(dòng)勢 和直軸電樞磁動(dòng)勢 。,1.4.1 直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢,1.4 直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),主磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢簡稱為電樞電動(dòng)勢。,大小:,性質(zhì): 發(fā)電機(jī)電源電勢(與電樞電流同方向); 電動(dòng)機(jī)反電勢(與電樞電流反方向).,可見,直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。,1.4.2 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時(shí),在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。,大小:,性質(zhì): 發(fā)電機(jī)制動(dòng)(

13、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)。,可見，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,1.5.1 換向概述,1.5 直流電機(jī)的換向,為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。,直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過電刷，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。,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,換向問題很復(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。

14、,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。此外換向過程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。,元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為換向周期。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)過電刷時(shí)都要經(jīng)歷換向過程。,1.5.2 換向的電磁理論,換向元件中的電動(dòng)勢：,自感電動(dòng)勢 和互感電動(dòng)勢 ：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的。,切割電動(dòng)勢 ：在幾何中性線處，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。,換向元件中的合成電動(dòng)勢為：,根據(jù)楞次定律，自感電動(dòng)勢、互感電動(dòng)勢和切割電動(dòng)勢總是阻礙換向的。,換向電動(dòng)勢 ：在幾何中性線處，換向元

15、件在換向磁場中感應(yīng)的電動(dòng)勢。換向電動(dòng)勢是幫助換向的。,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 ,流過的電流為 ,元件與換向片間的連線電阻為 ,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,1.5.3 改善換向的方法,除了直線換向外，延遲和超越換向時(shí)的合成電動(dòng)勢不為零，換向元件中產(chǎn)生附加換向電流，附加換向電流足夠大時(shí)會(huì)在電刷下產(chǎn)生火花。還有機(jī)械和化學(xué)方面的因素也能引起換向不良產(chǎn)生火花。,改善換向一般采用以下方法：,1.6.1 直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式,1.6 直流發(fā)

16、電機(jī),供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱為勵(lì)磁方式。分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類，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：,2、并勵(lì)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足,3、串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足,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)。,1.6.2 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.電動(dòng)勢平衡方程,從方程式可見，直流發(fā)電機(jī)滿足,二. 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 。轉(zhuǎn)矩平衡方程為：,直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,三、勵(lì)磁特性公式,每極氣隙磁通,四.功率平衡方程,原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率,電磁功率,電磁功率一方面代表電動(dòng)勢為 的電源輸出電流 時(shí)發(fā)出的電功率，一方面又代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機(jī)械功率。,電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗,輸出的電功率,自勵(lì)發(fā)電機(jī)中還應(yīng)減去勵(lì)磁損耗,1.6.3 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,一、空