1、第 三 章直 流 電 機(jī) 原 理結(jié)束1結(jié) 構(gòu) 和 原 理空載磁場(chǎng)及磁化曲線電 樞 繞 組電 樞 反 應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩直 流 電 機(jī) 原 理結(jié)束2第三章 直 流 電 機(jī) 的 原 理本 章 要 求：掌握直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。了解直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、電樞繞組。熟練掌握并能正確使用直流電機(jī)的額定值。了解直流電機(jī)的換向原理，掌握換向方法。熟練掌握直流電機(jī)的勵(lì)磁方式。搞清直流電機(jī)空載磁場(chǎng)，正確理解磁化曲線。正確理解電樞反應(yīng)概念及其影響。正確理解電勢(shì)及轉(zhuǎn)矩公式，并能正確使用。結(jié)束3一、直流電機(jī)的用途和結(jié)構(gòu)1.定子:主磁極； 換向磁極； 機(jī)座；電刷 2.轉(zhuǎn)子:電樞鐵芯;電樞繞組上一張下一張 第 一

2、 節(jié) 直流電機(jī)的用途結(jié)構(gòu)和原理錄 像結(jié)束4直流電機(jī)分為兩種： 直流電動(dòng)機(jī)（直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能） 基本原理：電磁力定律 產(chǎn)生力矩要兩個(gè)必要條件：有一個(gè)磁場(chǎng)存在；導(dǎo)體中有電流直流發(fā)電機(jī)（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能） 基本原理：電磁感應(yīng)定律 產(chǎn)生電能要兩個(gè)必要條件：有一個(gè)磁場(chǎng)存在；導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有運(yùn)動(dòng) 5直流電機(jī)的缺點(diǎn)：換向困難； 容量受限； 換向器造價(jià)高； 壽命短。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1、調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)；2、過(guò)載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)并 可經(jīng)受頻繁的沖擊負(fù)載；3、易于控制，可靠性高；4、調(diào)速時(shí)的能量損失小。6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

3、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(guò)放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。直流電機(jī)的工作原理F運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流用右手定則；通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力用左手定則。7 當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 后 ，如右圖。 可見，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下，因此電刷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(shì)。 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

4、；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。F8 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(lái)，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。9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(guò)。如右圖。 直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。 在磁場(chǎng)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)。10 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

5、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)。 當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時(shí) 同直流發(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)。11直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù) 額定值 是制造廠對(duì)各種電氣設(shè)備（本章指直流電機(jī)）在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以保證各電氣設(shè)備長(zhǎng)期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)或試驗(yàn)的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。額定功率 PN指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時(shí),則用 kW 或 MW 表示

6、。 12額定電壓 UN ：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為 量綱單位。 額定電流 IN ：指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電源輸入電 流值，以 “A” 為量綱單位。額定轉(zhuǎn)速 nN：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為 量綱單位。 額定勵(lì)磁電流 If：指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。 對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，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 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，PN是指輸出的機(jī)械功率，所以公式中還應(yīng)有效率N存在。PNUNINN電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩：134.2 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承14主磁

7、極電刷裝置機(jī)座端蓋換向極鐵心電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承端蓋磁軛勵(lì)磁繞組主磁極換向極繞組風(fēng)扇15機(jī)座（磁軛）主磁極鐵心勵(lì)磁繞組極尖極弧換向極鐵心換向極繞組電樞鐵心轉(zhuǎn)軸電樞繞組氣隙極身極靴16一 直流電機(jī)的分類直流電機(jī)的分類和主要系列 （1）按工作性能：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)（2）按主磁極構(gòu)成材料不同： 永磁直流電機(jī)，永磁磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng) 電磁式直流電機(jī)，鐵芯和繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)。（3）電磁式直流電機(jī)一般按勵(lì)磁方式分類： 它勵(lì) 自勵(lì) ：并勵(lì)，串勵(lì)，復(fù)勵(lì)171、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。如圖所示。二 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 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

8、勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種方式。Ea182、并勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且兩者共用一端電壓。3、串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足EaEa194、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)。aIRfRfRf長(zhǎng)復(fù)勵(lì)短復(fù)勵(lì)20例3-1一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，其額定功率PN=145kW，額定電壓UN230V，額定轉(zhuǎn)速nN=1450rmin，額定效率N90，求該發(fā)電機(jī)的輸入功率P1及額定電流IN各為多少？2122例3-2一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，其額定功率PN=160kW，額定電壓UN=220V，額定效率N90%, 額定轉(zhuǎn)速nN=1500rmin，求該電動(dòng)機(jī)的輸入

9、功率、額定電流及額定輸出轉(zhuǎn)矩各是多少?2324第二節(jié) 直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)一、空載磁場(chǎng)的分布1、磁通的分布主磁通漏磁通上一張下一張結(jié)束25上一張下一張直 流 電 機(jī) 的 主 磁 通 磁 路氣隙電樞齒轉(zhuǎn)子鐵心軛主磁極鐵心定子鐵心軛結(jié)束262、氣隙磁密的分布上一張下一張 氣隙磁密波形圖Bav0bbBm結(jié)束 氣隙磁密的大小與氣隙長(zhǎng)度成反比，在磁極中心處的氣隙小，在磁極兩個(gè)極尖處氣隙大。27二、磁化曲線電機(jī)主磁通與勵(lì)磁電流的關(guān)系；可以計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定；If氣隙線abc飽和系數(shù)K=abac上一張下一張氣隙磁位差與磁通成正比，鐵磁材料的磁位差具有磁飽和特點(diǎn)。If小時(shí)鐵心不飽和，F(xiàn)主要作用在氣隙上，空載特性呈直

10、線關(guān)系，當(dāng)每極磁通較大時(shí)出現(xiàn)飽和。結(jié)束Ff28第三節(jié) 直流電機(jī)的電樞繞組 電樞繞組是機(jī)、電能量轉(zhuǎn)換的核心部件，它是由繞組元件和換向片組成的閉合回路。一、繞組的基本概念多匝線圈端接部分有效邊出線端換向片 1、元件（線圈）：兩端分別連接兩個(gè)換向片的一匝或多匝線圈上一張下一張結(jié)束293、元件數(shù)和換向片數(shù)元件數(shù)S=換向片數(shù)K4、虛槽數(shù)和實(shí)槽數(shù)每槽每層放一個(gè)元件邊元件數(shù)S=實(shí)槽數(shù)Z每槽每層放n個(gè)元件邊元件數(shù)S=虛槽數(shù)Zi=n Z 2、雙層繞組上一張下一張結(jié)束305、繞組的第一節(jié)距Y1極距：相鄰兩極間的距離，用長(zhǎng)度cm或槽數(shù)表示Y1：一個(gè)元件兩個(gè)有效邊在電樞表面的距離， 用槽數(shù)表示Y1Y1 = Zi /2

11、p其中Zi ：虛槽數(shù)；p：極對(duì)數(shù)Y1 = ，稱整距繞組Y1 ，稱長(zhǎng)距繞組上一張下一張結(jié)束316、繞組的第二節(jié)距Y2 Y2：兩個(gè)相串聯(lián)元件中，前一元件的下元件邊與后一元件的上元件邊的距離。7、合成節(jié)距Y Y：兩個(gè)相串聯(lián)元件對(duì)應(yīng)邊的距離8、換向器節(jié)距Yk Yk：一個(gè)元件的兩個(gè)出線端連接的兩個(gè)換向片之間的距離。Y=Yk上一張下一張Y2YYk結(jié)束32二、單疊繞組特點(diǎn)：Y=Yk=1 例：一直流機(jī)S=K=Z=16，2P=4，畫出雙層單疊繞組。1、計(jì)算節(jié)距Y=Yk=1（換向器節(jié)距）Y1=Z/2P=16/4=4（整距）第一節(jié)距Y2=Y1-Y=4-1=3上一張下一張結(jié)束合成節(jié)距與換向器節(jié)距相等332、編制繞組連

12、接表 1）對(duì)元件編號(hào)；上邊槽號(hào)下邊槽號(hào)5116227338495678910411121314151610111213141516123上一張下一張 3）連接元件（y1=4)。2）對(duì)槽編號(hào)；結(jié)束343、畫繞組展開圖先對(duì)槽編號(hào)；1號(hào)元件上邊放1號(hào)槽，用實(shí)線；下邊放在+Y1（5）號(hào)槽，用虛線表示；其余元件依此放置;N極的磁感應(yīng)線在氣隙里的方向是進(jìn)紙里的，S極是出紙里的;電刷的中心線對(duì)準(zhǔn)主極的中心線能得到最大的感應(yīng)電勢(shì)。S N S N BB線圈V123589104111213141516672161513456789101112131415上一張下一張結(jié)束354、繞組并聯(lián)支路圖電樞輸出總電勢(shì)等于支路

13、電勢(shì)；電樞輸出總電流等于各條支路電流之和。上一張下一張結(jié)束23487610111216151459131+-21561314910364、繞組并聯(lián)支路圖單疊繞組中：并聯(lián)支路數(shù)=極數(shù)，即2a=2p其中a:并聯(lián)支路對(duì)數(shù)；P：極對(duì)數(shù)上一張下一張結(jié)束23487610111216151459131+-2156131491037第四節(jié) 直流電機(jī)負(fù)載磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)一、電樞磁勢(shì)和磁場(chǎng)1、磁場(chǎng)分布上一張下一張NSS2N2幾何中性線結(jié)束 電樞磁通勢(shì)的出現(xiàn)改變氣隙磁密分布情況及每極磁通大小，這種現(xiàn)象叫電樞反應(yīng)。38二、直流電機(jī)的電樞反應(yīng)上一張下一張 兩磁場(chǎng)的合成，因?yàn)榇怕返娘柡停姌蟹磻?yīng)使每極磁通減少。39第五節(jié)

14、直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩一、直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)（一）氣隙磁密的分布將氣隙磁密波等效為矩形波。BavB0每極下主磁通為：磁極有效長(zhǎng)度上一張下一張40（二）電樞導(dǎo)體電勢(shì)BavBAV導(dǎo)體A在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其中會(huì)感應(yīng)電勢(shì)eav。導(dǎo)體速度導(dǎo)體長(zhǎng)度上一張下一張NST1n41 電樞繞組任何時(shí)刻都由2a個(gè)并聯(lián)支路構(gòu)成；當(dāng)為整距繞組，且電刷在幾何中性線時(shí)，電樞繞組 總電勢(shì)=每條支路中所有串聯(lián)導(dǎo)體感應(yīng)電勢(shì)之和。 電樞繞組有S個(gè)元件，每元件匝數(shù)為Nk，則電樞繞組 總導(dǎo)體數(shù)N=2SNk每條支路的導(dǎo)體數(shù)為：N/2a上一張下一張23487610111216151459131+-2156131491042電樞繞組電勢(shì)Ea為：用磁通表示用轉(zhuǎn)速表示每極下主磁通為：上一張下一張43Ce=NP/60a:叫電勢(shì)常數(shù):每極磁通量n:電機(jī)轉(zhuǎn)速N:繞組總導(dǎo)體數(shù)P:極對(duì)數(shù)a:繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)結(jié)論：1、電樞繞組電勢(shì)與磁通、轉(zhuǎn)速成正比。2、Ea表達(dá)式雖然在整距繞組情況下推導(dǎo)