1、項目二項目二 直流電機直流電機直流電機直流電機英文：英文：direct current machinedirect current machine，DC machineDC machine定義：將直流電能轉換成機械能定義：將直流電能轉換成機械能( (直流電動機直流電動機) ) 或將機械能轉換成直流電能或將機械能轉換成直流電能( (直流發電機直流發電機) )的旋轉電機。的旋轉電機。特點：具有良好的調速性能和啟動性能。特點：具有良好的調速性能和啟動性能。缺點：制造工藝復雜，消耗有色金屬多；缺點：制造工藝復雜，消耗有色金屬多； 運行時電刷與換向器之間用以產生火花，維護困難。運行時電刷與換向器之間用以

2、產生火花，維護困難。應用：用于啟動和調速要求較高的場合。應用：用于啟動和調速要求較高的場合。 直流電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械。2.1.1直流電動機的工作原理電磁力定律電磁力定律直流發電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械。2.1.2直流發電機的工作原理電磁感應定律電磁感應定律從上述直流電機的工作原理來看，一臺直流電機若在電刷兩端加上直流電壓，輸入電能，即可拖動生產機械，將電能變為機械能而成為電動機；反之若用原動機帶動電樞旋轉，輸入機械能，就可在電刷兩端得到一個直流電動勢作為電源，將機械能變為電能而成為發電機。這種一臺電機既能作電動機又能作發電機運行的原理，在電機理論中稱為電機的可逆原理電

3、機的可逆原理。2.1.3 直流電機的可逆性定子轉子主磁極：產生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構成換向磁極：改善換向性能。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機座和端蓋：起支撐和固定作用。電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導線繞制而成，是電路部分。換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換轉軸軸承2.2.1直流電機的基本結構（1 1）主磁極）主磁極 主磁極的作用是產生氣隙磁場。 主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。 鐵心一般用0.5mm1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬

4、于極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。 勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。 整個主磁極用螺釘固定在機座上。定子定子（2 2）換向極）換向極 換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。 換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。 定子定子（3 3）機座）機座電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個： 一是用來固定主磁極、換向極。二是機座本身也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。 為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導

5、磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。 定子定子4 4）電刷裝置）電刷裝置電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。 電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。 電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以后加以固定。 定子定子（1 1）電樞鐵心）電樞鐵心電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。 一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。 鐵心

6、的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。 轉子轉子（2 2）電樞繞組）電樞繞組電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。 它是由許多線圈按一定規律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。 轉子轉子1. 直流電機的電樞繞組 直流電機的電樞繞組是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現機電能轉換的核心部件。 在實際的直流電機中，為增加電機的感應電動勢和電磁轉矩其電樞

7、表面均勻分布的槽內嵌放了許多線圈，這些線圈按一定規律與換向器聯接起來，組成電樞繞組。 電樞繞組每個元件的匝數可以是單匝，也可以是多匝。元件依次嵌放在電樞槽內，一條元件邊放在槽的上層，另一條邊放在另一槽的下層，構成雙層繞組。 按照元件首尾端與換向片聯接規律的不同，電樞繞組可分為按照元件首尾端與換向片聯接規律的不同，電樞繞組可分為疊繞組疊繞組和和波繞波繞組組，疊繞組又有，疊繞組又有單疊單疊和和復疊復疊之分，波繞組也有之分，波繞組也有單波單波和和復波復波之分。之分。單疊繞組是直單疊繞組是直流電機電樞繞組的基本形式流電機電樞繞組的基本形式。 3 3）換向器）換向器在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外

8、加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變；在直流發電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。轉子轉子云母片V形套筒換向片連接片4 4）轉軸）轉軸 轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。轉子轉子 直流發電機的勵磁方式是指電機勵磁電流的供給方式，分為他勵和自勵他勵和自勵兩大類。他勵他勵勵磁電流由另外的電源供給。勵磁電路與電樞無電的聯系。自勵自勵勵磁電流由發電機本身供給。自勵電動按勵磁繞組與電樞的聯接方式不同，又可分為并勵、串勵和復勵三

9、種。他勵他勵并勵并勵串勵串勵復勵復勵 4 4) )復勵復勵: : 發電機既有并勵繞組，又有串勵繞組。 串勵繞組磁動勢可以與并勵繞組磁動勢方向相同（稱為積復勵），也可以相反（稱為差復勵）。 并勵繞組與電樞并聯，流過的電流小，故并勵繞組匝數多、導線細；串勵繞組與電樞串聯，流過的電流大，故串勵繞組匝數少、導線粗。1)1)他勵：他勵：他勵直流發電機的電樞電流和負載電流相同。aII3)3)串勵：串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯。afII I 2 2) )并勵：并勵：發電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯。afIII 通常If 僅為電視額定電流IN的1%-5%。 1 1）額定容量（額定功率）額定容量（額定功率）P P

10、N N 指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以 “W” 為量綱單位。 電機制造廠按照國家標準，根據電機的設計和試驗數據，規定了電機的正常運行狀態和條件，通常稱之為額定運行情況額定運行情況。凡表征電機額定運行情況的各種數據，稱為額定值。額定值一般都標注在電機的銘牌上，所以也稱為銘牌數據，它是正確合理使用電機的依據。直流電機的額定值主要有下列四項：2 2）額定電壓）額定電壓U UN N 指額定狀態下電樞出線端的電壓，以 “V” 為單位。 3 3）額定電流）額定電流I IN N 指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為單位。 4 4）額定轉速）額定轉速n nN N 指

11、額定狀態下運行時轉子的轉速，以r/min為單位。 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，PNUNINN 對于直流發電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。 PNUNIN 例：一臺直流電動機的額定數據為：PN=13kw，UN=220V，nN=1500r/min, N =90%,求額定輸入功率P1N、額定電流IN和額定輸出轉矩TN 。 直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小，電樞磁動勢也很小，且可以不計其影響的一種運行狀態，此時電機無負載，發電機不輸出電功率，電動機不輸出機械功率。所以直流電機空載時的氣隙磁場可認為就是主磁場，即由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。 當勵磁繞組通入勵

12、磁電流，各主磁極極性依次呈現為 N 極和 S 極，由于電機磁路結構對稱，不論極數多少，每對極的磁路是相同的，因此只要分析一對極的磁路情況就可以了。2.3.1直流電機的空載磁場 下圖是一臺四極直流電機空載時的磁場分布示意圖（一對極的情形）。直流電機空載時的磁場分布示意圖 從圖中看出，由N極出來的磁通，大部分經過氣隙和電樞齒,再經過電樞磁軛到另一部分的電樞齒,又通過氣隙進入S極，再經過定子磁軛回到原來出發的N極，成為閉合回路。這部分磁通同時匝鏈著勵磁繞組和電樞繞組，電樞旋轉時，能在電樞繞組中感應電動勢，或者產生電磁轉矩，把這部分磁通稱為主磁通，用表示 此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經過相鄰的

13、磁極或定子磁軛形成閉合回路，這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈，稱為漏磁通，用表示。 主磁通磁路的氣隙較小，磁導較大，漏磁通磁路的氣隙較大，磁導較小，而作用在這兩條磁路的磁動勢是相同的。 當勵磁繞組的串聯匝數為 ，流過電流 ，每極的勵磁磁動勢為：fNfIfffNIF 所以漏磁通在數量上比主磁通要小得多，大約是主磁通的（1520）%左右。 直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通不與電樞繞組相匝鏈，沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。因此，可只分析主磁通。 若不考慮鐵磁材料和齒槽的影響，在極靴下，氣隙小且均勻，氣隙中沿電樞表面上各點磁通密度較大且基本為常

14、數；在極靴范圍外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。 如圖所示：幾何中性線極靴極身氣隙形狀 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，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。 空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如圖 (b) 所示。 空載時主磁極磁通的分布情況，如圖(c) 所示。圖（b）圖（c） 在直流電機中，為了感應電動勢或產生電磁轉矩，氣隙里要有一定數量的主磁通，也就是需要有一定的勵磁磁動勢Ff。勵磁磁動勢變化時，主磁通也隨之改變。我們把空載時主磁通與勵磁磁動勢Ff或勵磁電流If的關系曲線稱為直流電機的磁化曲線，如圖所示，

15、它表明了電機磁路的特性。圖 直流電機的磁化曲線 當磁通較小時，鐵磁部分沒有飽和，磁壓降很小，整個磁路的磁動勢幾乎全部消耗在氣隙上，而氣隙的導磁系數是一個常數，因此曲線近似為一直線（圖中0A段）；當磁通增大時，曲線逐漸彎曲，很大時，呈飽和特性。fNI0fF0fIINfIA0N0 為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通 設定在圖中A點（膝部），即在磁化特性曲線開始進入飽和區的位置。N 直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。它的出現使電機的磁場發生變化。 圖（a）為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。 假設勵磁電流為零，只有

16、電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。 從對電樞繞組的分析可知，不論什么型式的繞組，其各支路中的電流是通過電刷引入或引出的。在同一支路內元件中電流方向是相同的，而在同一電刷兩側的元件中，電流方向總是相反的。因此，電刷是電樞表面導體中電流方向的分界線。 圖（a）電樞磁場2.3.2電樞磁動勢 如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如右圖 所示。axF 由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中 所示。axBaxFaxB圖電樞

17、磁動勢和磁場的分布 當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，電樞繞組中就有電流流過，它將產生一個電樞磁動勢。因此，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同作用的結果。通常把負載時電樞磁動勢對主磁場的影響稱為電樞反應，電樞反應對直流電機的運行性能影響很大。 顯然，電樞反應將與電刷的位置有關，下面將以直流發電機為例，分別討論不同電刷位置時的電樞反應。1、電刷在幾何中性線上時的電樞反應 在電樞磁動勢的作用下，當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況。如圖27（a）所示。2.3.3電樞反應 若電樞上半部分電流方向為流出紙面，則電樞下半部分電流方向為流入紙面

18、，其電樞磁場磁力線分布如圖示。圖27（a） 交軸電樞反應磁場分布 此時電樞磁場的軸線與電刷軸線重合，并與主極軸線垂直，這時的電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢，它對主磁場的影響稱為交軸電樞反應。 如果主極極性如圖所示， 把主磁場與電樞磁場合成，將合成磁場與主磁場比較，可看出電樞磁動勢將對主磁場產生很大的影響，即電樞反應。 NSxB0axBxB電樞磁場磁通密度分布曲線Bax主磁場的磁通密度分布曲線Box兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線Bx圖27（b）交軸電樞反應磁通密度分布曲線下面通過磁通密度分布曲線說明電樞反應的作用如圖27（b）所示:比較Bx 和Box 兩條曲線，得出電樞反應

19、的性質： 磁場為零的位置由空載時在幾何中性線逆轉向移動了一個角度。 說明物理中性線與幾何中性線不再重合。xB0axBxB圖27（b）交軸電樞反應磁通密度分布曲線 每一磁極下，主磁場一半被削弱，另一半被加強。幾何中性線物理中性線（1）使氣隙磁場發生畸變 圖27（a） 交軸電樞反應磁場分布 物理中性線是指電機中N極與S極的分界線，此處磁場為零。 幾何中性線是指電氣結構上兩磁極的中線。 （2）對主磁場起去磁作用 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數量等于加強的數量，因此每極下的磁通量與空載時相同。但是電機正常運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，增加的磁通會少些，因此

20、負載時合成磁場每極磁通比空載時每極磁通略有減少，這就是電樞反應的去磁作用。 xB0axBxB圖27（b）交軸電樞反應磁通密度分布曲線2、電刷不在幾何中性線時的電樞反應如圖28所示，圖28 電刷不在幾何中性線上的電樞反應NS假設電刷從幾何中性線順電樞轉向移動角度，因為電刷是電樞表面導體電流方向的分界線，故電樞磁動勢軸線也隨之移動角。 這時電樞磁動勢可分解為兩個相互垂直的分量：交軸電樞磁動勢Faq和直軸電樞磁動勢Fad。FaqFad 交軸電樞反應的性質在前面作了分析，直軸電樞反應若Fad和主磁場方向相同，起增磁作用；相反則起去磁作用。n 必須說明，為了使電樞反應能起增磁作用而移動電刷，從換向的角度

21、看，都是不允許的。 上述分析是以發電機為例說明的。對電動機而言，若保持主磁場的極性和電樞電流的方向不變，則可看出電動機的轉向將與發電機運行時的轉向相反，其電樞反應比較如下：電刷順轉向偏移電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移電刷逆轉向偏移發電機發電機交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸增磁交軸和直軸增磁電動機電動機交軸和直軸增磁交軸和直軸增磁交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁*2.3.4電樞反應對換向的影響及改善換向的措施1.電樞反應對換向的影響2.換向的基本概念3.改善換向的方法1.電樞反應對換向的影響1)由于幾何中性線處的氣隙磁密不再為零，于是，處在幾何中性線處的換向元件(電刷是與處在幾何中性線處的元件

22、所連接的換向片接觸的)中必然會產生感應電動勢，使換向發生困難。2)氣隙磁場畸變使換向器上的片間電壓不均勻，尤其當電機負載突變時，形成強烈的電樞反應，氣隙磁場嚴重畸變，有可能使相鄰兩換向片之間的電位差超過一定的限度，從而產生電位差火花，而且隨著電弧的拉長可能出現環火。直流電機運行時，隨著電樞的轉動，電樞繞組的元件從一條支路經過電刷短路后進入另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過程稱為換向過程，簡稱換向。2.換向的基本概念換向的物理過程：如圖所示，（1）換向極應裝在幾何中性線處； （2）換向極的極性應使所產生的方向與電樞反應磁動勢的方向相反。（3）由于 是隨負載的大小及轉速而變化的，為使換向電動

23、勢 在任何負載下都能抵消 ，要求 。根據 ，需要 ， 所以換向極繞組必須與電樞繞組串聯，而且換向極磁路應不飽和。一般，容量為1kW以上的直流電機都裝有換向極。3.改善換向的方法目前最有效的辦法是裝換向極。對換向極的要求是：nIearKerenIeaKaKIBnIeaK2.4.1直流電機的感應電動勢2.4.2直流電機的電磁轉矩產生:電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。大小:60aepNE nC na)(電動勢常數為電機的結構常數其中apNCe60可見,直流電機的感應電動勢與電機結構、每極磁通及轉速有關。性質: 發電機電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機反電勢(與電樞電流

24、反方向).2.4.1直流電機的感應電動勢產生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。大小:2emaTapNT IC Ia為電機的轉矩常數，有其中apNCT2eTCC9.55 可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與每極磁通及電樞電流成正比。性質: 發電機制動(與轉速方向相反)； 電動機驅動(與轉速方向相同)。2.4.2直流電機的電磁轉矩2.5.1直流電動機的基本方程式2.5.2他勵(并勵)直流電動機的工作特性并勵直流電動機 1. 電壓平衡方程式faaaaIIIIREU2. 轉矩平衡方程式3. 功率平衡方程式 電動機輸入功率 2.5.1直流電動機的基本

25、方程式電磁功率 由并勵直流電動機 他勵直流電動機 直流電動機功率流程圖 并勵直流電動機的功率平衡方程式 2.5.2他勵(并勵)直流電動機的工作特性1.他勵(并勵)直流電動機2.串勵直流電動機的工作特性3.復勵直流電動機的轉速特性并勵直流電動機的工作特性是指當電動機的端電壓 ，勵磁電流 ，電樞回路不串外加電阻時，轉速n、電磁轉矩T、效率分別與電樞電流 之間的關系。 aIfNfII1. 轉速特性)(aIfn NUU )(NfNfII)(aIfn 當、轉速n與電樞電流時，之間的關系稱為轉速特性。 nCEeaaaaIREU代入得1.他勵(并勵)直流電動機2. 轉矩特性)(aIfT NUU )(NfNf

26、IIaI)(aIfT 當、時，電磁轉矩T與電樞電流之間的關系 稱為轉矩特性。 3. 效率特性)(aIf NUU )(NfNfIIaI)(aIf 當、時，效率與電樞電流的關系稱為效率特性。 %100)(1%1001%100112faCuamecFeIIUPPPPPPP 并勵電動機的工作特性 1. 轉速特性 2. 轉矩特性 3. 效率特性 由于串勵電動機的勵磁繞組與電樞串聯，所以勵磁電流就是電樞電流，即它是隨負載的變化而變化的。因此，其工作特性將與他（并）勵直流電機的工作特性有所不同。1）轉速特性：電壓平衡方程 2）轉矩特性：aaaafaaafaaaIREIRREIRIREUnCEea代入得aea

27、eICRCUnafffIkIk而eaaeaafeaafeCRICUIIkCRIkCUn故有22aTafTaTICIkCICT電磁轉矩與電樞電流的平方成正比 2.串勵直流電動機的工作特性 串勵電動機有較大的起動轉矩與過載能力，這是兩個很好的優點。當生產機械過載時，電動機的轉速自動下降，其輸出功率變化不大，使電機不致因負載過重而損壞。當負載減輕時，轉速又自動上升。因此，電力機車、電車等一類牽引機械大都采用串勵電動機拖動。 串勵電動機的效率特性，和他（并）勵電動機相似。 串勵直流電動機 串勵電動機的工作特性 1. 轉速特性 2. 轉矩特性 3. 效率特性 復勵電動機通常接成積復勵，它的工作特性介乎并

28、勵與串勵電動機的特性之間。如果并勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近并勵電動機；如果串勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近串勵電動機。因為有并勵磁動勢的存在，空載時沒有飛車的危險 ，復勵電動機的轉速特性如圖所示。 復勵直流電動機 復勵直流電動機的轉速特性 1. 并勵 2. 積復勵 3.串勵 3.復勵直流電動機的轉速特性如圖規定各物理量的參考方向 UaI1T0TemTnaEfIfU（一）電動勢平衡方程式2aaabaaEUI RUUI R10emTTT從方程式可見，直流發電機滿足aEU（二） 轉矩平衡方程式emT發電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給的驅動轉矩 、電磁轉矩 和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩 。轉矩平衡方程為：1