1、直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流電機學習幻燈片直流電機學習幻燈片直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第一節(jié) 直流電機的工作原理 n重點：n直流電機的工作原理n難點：n直流發(fā)電機和直流電動機的工作原理 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電機的作用電機是進行能量轉換的電磁機械設備。一、電源二、動力三、信號傳遞機械信號電信號 控制信號 機械信號 機械能電能 機械能電能 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電機的分類電機變壓器直流電機直流發(fā)電機直流電動機交流電機控制電機同步電機同步發(fā)電機同步電動機異步電機異步發(fā)電機異步電動機脈流電機 直流電機直

2、流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流發(fā)電機的工作原理 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流發(fā)電機的工作原理動畫直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流電動機的工作原理直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流電動機的工作原理動畫直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流電機的可逆原理 n直流發(fā)電機和直流電動機的結構是完全相同的，每一臺電機既可作為發(fā)電機運行，也可作為電動機運行 n電機的實際運行方式由外施條件決定，如在電機軸上外施機械功率使電樞轉動，通過電機可以把機械功率轉換為電功率，作為發(fā)電機運行；如果在電樞線圈中外施電功率，產生線圈電流，

3、通過電機可以把電功率轉換為機械功率，作為電動機運行。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第二節(jié)第二節(jié) 直流電機的基本結構直流電機的基本結構 n靜止部分（稱為定子） n產生磁場和構成磁路 ,電機機械支撐 n旋轉部分（稱為轉子） n感應電勢和產生電磁轉矩，實現能量的轉換 n定子和轉子之間間隙 （稱為空氣隙）n氣隙既保證了電機的安全運行，又是磁路的重要組成部分 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電機結構圖直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心定子的結構n機座n主磁極n換向極n電刷裝置直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心轉子的結構n轉軸n電樞鐵心n電樞

4、繞組n換向器直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心制造電機所用主要材料 n導電材料 n用于繞組、換向器和電刷 n絕緣材料 n電流很難通過的材料稱為絕緣材料，又叫電介質。將帶電部分與鐵心、機座等接地部件以及電位不同的帶電部分在電氣上分離，使電流按一定方向流動 n導磁材料 n制造電機和變壓器中磁系統的各個部件，如鐵心、機座等 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流電機的額定值 n根據國家標準和要求設計和試驗所得的一組反映電機性能的主要數據，稱為電機的額定值額定條件下電機所能提供的功率NP額定功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓

5、；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓NU額定電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流NI額定電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速Nn額定轉速直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流電機的額定值 此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。 電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運行電流大于額定電流過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。fNI額定勵磁電流

6、對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第三節(jié)第三節(jié) 直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組 電樞繞組是電能和機械能相互轉換的樞紐 研究直流電機電樞繞組，主要是找出電樞繞組的線圈之間及線圈與換向器之間的連接規(guī)律。不同類型的電樞繞組，具有不同的連接規(guī)律。 直流電機的電樞繞組分為單疊繞組、復疊繞組、單波繞組、復波繞組等幾種類型。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心有關電樞繞組的術語 n繞組：在電機內具有規(guī)定功能的一組線圈。n電樞繞組：安放在電機電樞上的繞組，與外部電力系統聯接

7、，用以吸收或送出有功功率。n線圈單元：電樞繞組的基本單元，由一匝或相互絕緣的多匝組成，兩出線端分別接至換向片上。n線圈：具有一個或多個線圈單元的組件，通常具有公共絕緣。n線圈邊：線圈中沿電樞鐵心軸向的兩個直線部分，每只線圈有兩線圈邊。n線圈端部：連接兩個線圈邊的連接部分。n分布繞組：電樞線圈在電樞圓周上的槽內分布放置，稱為分布繞組。與集中繞組的區(qū)別在于集中繞組每一線圈的軸線都互相重疊，分布繞組中每一線圈的軸線彼此移過一段距離。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心實槽和虛槽 n直流電機的電樞繞組放置在電樞鐵心上的槽內 uZZun每個槽內的上下層各放置若干個線圈單元邊.為了確切的說明

8、這些單元邊的具體位置，引人虛槽的概念 實際槽數Z與虛槽數Zu的關系為： 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心線圈單元數S和換向片數K n每個線圈單元有兩個出線端，每個換向片又與兩個不同線圈單元的兩個出線端相連接，因而線圈單元數等于換向片數，即 KS 當一個線圈中有u個線圈單元時，每槽上下層各放u個線圈單元邊，此時，線圈單元數和虛槽數相等，即 uZZKSu直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心繞組的型式和節(jié)距 n單疊繞組的連接規(guī)律： 相鄰兩線圈在電樞表面僅相差1個槽，單個線圈單元的始端和末端之間相隔一個換向片。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心繞組的型式和節(jié)

9、距n 單波繞組連接規(guī)律 相鄰兩線圈相隔約為二個極距，第二線圈單元與第一線圈單元處在相同極性的兩個磁極下，單個線圈單元的始端與末端相隔約為兩個極距，如電機有P對磁極，則連接P個單元后才回到出發(fā)單元的鄰近，并相隔一個槽，以便第二周繼續(xù)繞下去，直到所有的線圈單元均串聯起來為止 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心繞組的型式和節(jié)距各種繞組的連接規(guī)律用節(jié)距來確定 繞組節(jié)距極距 線圈節(jié)距 換向器節(jié)距 后節(jié)距合成節(jié)距 相鄰兩磁極上相應點之間的圓周距離 同元件的兩個邊所在槽相隔的齒距數 相串聯的兩個線圈單元的對應邊在電樞表面上的距離 同元件的始端與末端之間的換向片數 直流電機直流電機首鋼設備維修中

10、心首鋼設備維修中心單疊繞組 單疊繞組的每一線圈單元的始末端分別與相鄰的兩換向片相接，所以 YYk土1。每安放一個線圈單元時，其相應單元邊移過一個槽（當一個實槽中有u個虛槽時則移過一個虛槽）。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單疊繞組 已知直流電機2p4，ZSK16，要求繞制一單疊右行繞組。 1.計算節(jié)距 Y1 Y Y2 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單疊繞組2繞組展開圖 先將電樞表面展開成平面，并將電樞槽、線圈單元及換向片編號，其中線圈單元及換向片號與其上層邊所在槽號相同，電樞槽號和換向片號之間的相對位置，用如下方法確定：為了使線圈單元的端接對稱，應使每一線圈

11、單元所接的兩個換向片的分界線與其軸線重合。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單疊繞組3主極位置 4電刷位置和極性 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單疊繞組5并聯支路數 從圖中看出，有四條支路并聯于正負電刷之間。每一支路都是由上層邊處在同一主極下的線圈單元串聯而成，一個主極對應一條支路，則單疊繞組的并聯支路數恒等于電機的主極數。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單疊繞組 6單疊繞組的均壓線 將電樞繞組中理論上電位相等的點用導體連接起來，稱為均壓線均壓線 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單波繞組 單波繞組每一線圈單元的兩條邊之間的距離

12、（Yl）與單疊繞組一樣， 單波繞組每一線圈單元的始末端要接到相距約為兩個極距的換向片上，每安放一個線圈單元時。其相應單元邊在電樞表面上移動約為兩個極距的槽，所以 YYK2。第二個線圈單元與第一個線圈單元處在相同極性的兩個磁極下，感應電勢方向相同，可以相加。當依次串聯P個線圈單元，在電樞表面環(huán)繞一周后，第P個線圈單元的末端要接到第一線圈單元的始端所接換向片1的相鄰換向片上，以便第二周繼續(xù)繞下去，所以 pYK +-1 因此，單波繞組的換向器節(jié)距為YK（K +-1）/ p 當采用K1時，p個線圈單元串聯后，接到換向片2上，稱右行繞組，此時端接交叉，很少采用。一般采用K-1，稱左行繞組。 直流電機直流

13、電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單波繞組 已知直流電機 2p4，ZSK15，要求繞制一左行單波繞組。 計算節(jié)距、畫繞組展開圖直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單波繞組單波繞組的支路對數顯然，單波繞組的支路數和主極數目無關，恒等于2 單波繞組的電樞電勢仍為一支路電勢，電樞電流為兩支路電流之和。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心單波繞組與單疊繞組區(qū)別單疊和單波繞組是直流電機的基本的繞組形式，兩者的根本差別在于它們的換向器節(jié)距和合成節(jié)距不同，所以在相同的極數下，兩種繞組的支路對數不同。 原則上，電流較大，電壓較低的電機，選用并聯支路數較多，串聯線圈數較少的單疊繞組；

14、電流較小，電壓較高的電機選用并聯支路數較少，串聯線圈數較多的單波繞組。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第四節(jié)第四節(jié) 直流電機的磁場直流電機的磁場 直流電機是應用電磁感應原理進行能量轉換的，因此，磁場是產生感應電勢和電磁轉矩從而實現能量轉換的關鍵。直流電機的磁場，是繞組中的電流產生的。直流電機中有兩種基本繞組，即勵磁繞組和電樞繞組。 勵磁繞組和電樞繞組之間的聯接方式稱為勵磁方式 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心勵磁方式 勵磁方式他勵自勵并勵串勵復勵直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心各繞組線端的符號見表 繞組名稱 電樞繞組 換向繞組 補償繞組 串勵繞

15、組 并勵繞組 他勵繞組線端名稱A1 A2B1 B2C1 C2D1 D2E1 E2F1 F2IEC國際標準所規(guī)定各繞組線端的符號見表 說明：注腳“1”是始端，為正極；“2”是末端，為負極。 我國現行采用的符號與IEC國際標準所規(guī)定相同。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心空載時，只有勵磁繞組中有電流，此時為空載磁場。 直流電機的空載磁場 磁力線由N極出來，經氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經定子鐵軛回到N極主磁通主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁通漏磁路 直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應

16、電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電機的磁化曲線 電機主磁通與勵磁磁勢的關系曲線。 為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通 ，空載時，氣隙磁通 與空載磁動勢 或空載勵磁電流 的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。000fF0fIfNI0fF0fIINfIA0N0 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，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。N直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設

17、備維修中心氣隙磁密分布曲線 根據磁路的歐姆定律，氣隙某處磁通或磁密的大小，取決于該處的磁勢和磁路磁阻的大小。忽略鐵心材料的磁阻。可認為磁勢全部消耗在氣隙中，直流電機的主極氣隙是不均勻的，極下部分氣隙大小相等而且數值很小，因此在極下部分磁密的大小相等且數值較大。靠近極尖處氣隙逐漸增加，磁密明顯減小，在兩極之間的幾何中心線上，磁密等于零。若不考慮電樞表面齒和糟的影響，在一個極距范圍內，電樞各點垂直分量的磁密分布為近似梯形。 直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電樞磁場 直流電機帶有負載時，電樞繞組中有電流通過，電樞繞組的電流也會產生磁場，稱為電樞磁場 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極

18、直流電機的電樞磁場分布情況。 假設勵磁電流為零，只有電樞電流。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。直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電樞磁場 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，如圖中 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。axBaxBaxF直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心 電樞反應 當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結

19、果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。1、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（a）所示。直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電樞反應xB0axBxB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點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心 電樞反應由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點： 2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數量等于加強的數量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于

20、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，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質。 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，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不同。直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電樞反應2、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線也隨之移動 角，如圖(a)(b)所示。aqF這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢 和直軸電樞磁動勢 。如圖(a)(b)所示。adF直

21、流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第五節(jié)第五節(jié) 感應電勢和電磁轉矩感應電勢和電磁轉矩產生產生: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:nCnapNEea60性質性質: : 發(fā)電機電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機反電勢(與電樞電流反方向).)(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、氣隙磁通及轉速有關。直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心電磁轉矩 產生產生: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:aTaemICIapNT2性質性質: : 發(fā)電機制

22、動(與轉速方向相反)； 電動機驅動(與轉速方向相同)。可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉矩常數，有其中apNCT2eTCC55. 9直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第六節(jié)第六節(jié) 直流電機的基本方程式直流電機的基本方程式電機在穩(wěn)態(tài)運行，即電機的負載、勵磁電流以及轉速達到穩(wěn)定值時，各種電壓、轉矩和功率之間存在著一定的平衡關系，它們可表達為相應的平衡方程式，稱為電機的基本方程式電機的基本方程式。 這些平衡關系應分別符合電學、力學以及能量守恒定律。因此 分為如下三種方程式電勢平衡方程式轉矩平衡方程式功率平衡方程式直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設

23、備維修中心電勢平衡方程式aEGUaI1T0TemTnfIfUaabaaaRIUURIUE2電樞電動勢：nCEea從方程式可見，直流發(fā)電機UEaaR 為電樞回路總電阻， 為正負電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動勢平衡方程為：bU2直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心轉矩平衡方程式電磁轉矩：aTemICT直流發(fā)電機的勵磁電流01TTTememT直流發(fā)電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給發(fā)電機的驅動轉矩 、電磁轉矩 和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩 。平衡方程為：1T0T三、勵磁特性公式每極氣隙磁通),(faIIf直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心功率平衡方程式原動機輸入給發(fā)電機

24、的機械功率 1P電磁功率01PPPemaaemIETmecP機械摩擦損耗、鐵損耗FeP、附加損耗 。adP空載損耗 包括：0PaE 電磁功率一方面代表電動勢為 的電源輸出電流 時發(fā)出的電功率，一方面又代表轉子旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機械功率。aICuaP電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻是的銅損耗輸出的電功率CuaemPPP2fP自勵發(fā)電機中還應減去勵磁損耗直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第七節(jié)第七節(jié) 直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性他勵發(fā)電機的運行特性一、空載特性1Cn0I)(fIfU 定義：當 、 時， 直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是

25、不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。 空載時， 。由于 ，因此空載特性實質上就是 。由于 正比于 ，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。aEUnCEea)(faIfE aE空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線UfI直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第七節(jié)第七節(jié) 直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性二、外特性NnnfNfII )(IfU 定義：當 、 時， 外特性曲線如圖所示 由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵U0U0IaaeRInCU 根據 可知，端電壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞

26、反應的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心第七節(jié)第七節(jié) 直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性一、自勵條件并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性fI0U10fIA20U3 曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻 特性曲線，也稱場阻線 。 fffRIUfR增大 ，場阻線變?yōu)榍€3時， 稱為臨界電阻 。如圖所示。fRfRcrR若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵。 原動機帶動發(fā)電機旋轉時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產生 。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確， 產生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大， 增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與 相等時，達到穩(wěn)定的平衡工作點A。fIfIfIffRI直流電機直流電機首鋼設備維修中心首鋼設備維修中心直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性可見，并勵直流發(fā)電機的自勵條件有：二、空載特性 并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉速下的臨界電阻（2）并聯在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確直流電機直流電機首鋼設備維修中心首