【正文】 第三章 直流電機(jī)的工作原理及特性 一、直流電動(dòng)機(jī) ? 本章要求掌握直流電機(jī)的基本工作原理及特性，特別是直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性； ? 掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法以及各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場所。 一、直流電動(dòng)機(jī) ? 電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類， ? 直流電動(dòng)機(jī)雖不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠， ? 但由于長期以來交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)所不能比擬的良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能。 一、直流電動(dòng)機(jī) ? 到目前為止，雖然交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題已經(jīng)解決， ? 但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) ? 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子和轉(zhuǎn)子之間由空氣隙分開。定子的作用是產(chǎn)生主磁場和在機(jī)械上支撐電機(jī)， ? 它的組成部分有主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋和軸承等，電刷也用電刷座固定在定子上。 ? 轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換， 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 它的組成部分有電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風(fēng)扇等。圖 ， ? 圖 3. 2所示的為二極直流電機(jī)的剖瓦圖?，F(xiàn)分別介紹如下：轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，它的組成部分有電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風(fēng)扇等。圖 3 .1所示的為直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖 3. 2所示的為二極直流電機(jī)的剖面圖。現(xiàn)分別介紹如下： 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? ? 主磁極包括主磁極鐵心和套在上面的勵(lì)磁繞組，其主要任務(wù)是產(chǎn)生主磁場。磁極下面擴(kuò)大的部分稱為極掌， ? 它的作用是使通過空氣隙中的磁通分布最為合適，并使勵(lì)磁繞組能牢固地固定在鐵心上。磁極是磁路的一部分，采用 ~。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞成。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 2．換向極 ? 換向極用來改善電摳電流的換向性能。它也是由鐵心和繞組構(gòu)成，用螺桿固定在定子的兩個(gè)主磁極的中間。 ? 3. 機(jī)座 ? 機(jī)座一方面用來固定主磁極，換向極和端蓋等，并作整個(gè)電機(jī)的支架用地腳螺釘將電機(jī)固定在基礎(chǔ)上，另一方面也是電機(jī)磁路的一部分，故用鑄鋼或者是鋼板壓成。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 4. 電樞鐵心 ? 電樞鐵心是主磁通磁路的一部分，用硅鋼片疊成，呈圓柱形，表面沖了槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。為了加強(qiáng)鐵心的冷卻，電樞鐵心上有軸向通風(fēng)孔，如圖 3. 3所示。 ? 5. 電樞繞組 ? 電樞繞組是直流電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電勢及電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。繞組一般由銅線繞成，包上絕緣后嵌入電樞鐵心的槽中，為了防止離心力將繞組甩出槽外，用槽楔將繞組導(dǎo)體楔在槽內(nèi)。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 6. 換向器 ? 換向器的作用對發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流 c電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動(dòng)勢。對電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交流電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。 ? 換向器由很多彼此絕緣的銅片組合而成，這些銅片稱為換向片，每個(gè)換向片都和電摳繞組連接。圖 3. 4所示的是換向器的結(jié)構(gòu)圖。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ?7. 電刷裝置 ?電刷裝鬣包括電刷及電刷座，它們固定在定子上，其電刷與換向器保持滑動(dòng)接觸，以便將電樞繞組和外電路接通。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)這個(gè)基礎(chǔ)上的，直流電機(jī)也是如此。 ? 為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化為罔 3. 6所示的工作原理圖。 ? 電機(jī)具有一對磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷 A和 B。 直流電機(jī)的基本工作原理 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 (圖 3. 5)時(shí)，電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊 (切割磁力線的導(dǎo)體部分 )中便感應(yīng)出電動(dòng)勢 e。 ? 顯然，每一有效邊中的電動(dòng)勢是交變的，即在 N極下是一個(gè)方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到 S極下時(shí)是另一個(gè)方向。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 但是，由于電刷 A總是同與 N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷 B總是同與 S極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢或電壓。 ? 換向器的作用在于將發(fā)電機(jī)電樞繞組內(nèi)的交流電動(dòng)勢變換成電刷之間的極性不變的電動(dòng)勢。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，在電動(dòng)勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。 ? 直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 (圖 3. 6)時(shí)，將直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。 ? 電流方向應(yīng)該是這樣的： N極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而 S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向，這樣才能使兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 當(dāng)線圈的有效邊從 N(S)極下轉(zhuǎn)到 S(N)極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，以使電磁力的方向不變，而這也必須通過換向器才得以實(shí)現(xiàn)。 ? 電動(dòng)機(jī)電樞線圈通電后在磁場中受力而轉(zhuǎn)動(dòng)，這是問題的一個(gè)方面； ? 另外，當(dāng)電樞在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 e，這個(gè)電動(dòng)勢的方向 (由右手定則確定 )與電流或外加電壓的方向總是相反，稱為反電勢，它與發(fā)電機(jī)中電動(dòng)勢的作用是不同的。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 直流電機(jī)電刷間的電動(dòng)勢常用下式表示： ? () ? 式中， E—電動(dòng)勢 (V)； ?Φ —一對磁極的磁通 (Wb)； ? n —電樞轉(zhuǎn)速 (r／ min)； ? Ke——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。 nKE e?? 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 直流電機(jī)電樞繞組中的電流與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示： ? (3. 2) ? 式中， T—電磁轉(zhuǎn)矩 (Nm)； ?Φ —一對磁極的磁通 (Wb)； ? Ia—電樞電流 (A)； ? Kt—與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)， Kt＝ 。 at IKT ?? 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用是不同的。 ? 發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反，在圖 3. 5中，應(yīng)用左手定則就可看出。 ? 因此，在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T1必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T及空載損耗轉(zhuǎn)矩 T0相平衡。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載 (即電樞電流 )增加時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和輸出功率也隨之增加，這時(shí)原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所供給的機(jī)械功率亦必須相應(yīng)增加，以保持轉(zhuǎn)矩之間及功率之間的平衡，而轉(zhuǎn)速基本上不變。 ? 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T，必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 n及空載損耗轉(zhuǎn)矩 T0相平衡。 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 當(dāng)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變動(dòng)時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。 ? 當(dāng)負(fù)載增加，即阻轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩暫時(shí)小于阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速開始下降，隨著轉(zhuǎn)速的下降，當(dāng)磁通 Φ 不變時(shí)，反電動(dòng)勢 E必將減小，而電樞電流 增加，于是電磁轉(zhuǎn)矩也隨著增加，直到電磁轉(zhuǎn)矩與阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡后，轉(zhuǎn)速不再下降，而電動(dòng)機(jī)以較原先為低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。 aa REUI /)( ?? 直流電機(jī)的基本工作原理 ? 這時(shí)的電樞電流已大于原先的數(shù)值，也就是說從電源輸入的功率增加了。 (電源電壓保持不變 )。 ? 直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行剛，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢 E和電磁轉(zhuǎn)矩 T，但二者的作用正好相反，見表 3. l。 直流發(fā)電機(jī) ? 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況受勵(lì)磁繞組連接方法的影響，因此，直流發(fā)電機(jī)通常按勵(lì)磁方法來分類，分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)，圖 3. 7所示的是它們的結(jié)構(gòu)圖。 直流發(fā)電機(jī) ? 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組是由外電源供電的，勵(lì)磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。其余三種發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即為電樞電流或?yàn)殡姌须娏鞯牟糠?，也稱為自勵(lì)發(fā)電機(jī)。 ? 并勵(lì)繞組與電樞并聯(lián)，它的導(dǎo)線較細(xì)而匝數(shù)較多，因而電阻較大，其中通過的電流較??； ? 串勵(lì)繞組與電樞串聯(lián)，其中通過較大的電樞電流，故它的導(dǎo)線較粗而匝數(shù)較少，電阻很小。 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 在某些特殊設(shè)備中的直流發(fā)電機(jī)也有用永久磁鐵來產(chǎn)生所需磁場的，這種直流發(fā)電機(jī)稱為永磁式發(fā)電機(jī)。 ? 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的原理電路圖如圖 3. 8所示。圖中，R是負(fù)載電阻； I是負(fù)載電流； 是勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻； Ra是電樞電阻； Ia是電樞電流。 E和 U分別為發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢和端電壓。 39。fR 他勵(lì)發(fā)電機(jī) 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 他 勵(lì)發(fā)電機(jī)中，電壓與電流間的關(guān)系可用下列各式表示： ? () ? () ? (3. 5) ? 當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)， , 發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢等于其空載端電壓 U0 ， ? ? ? aa RUEI /??aa RIEU ??IIa ?RUI /?0?aInKEU e???0 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 磁通 Φ 的大小決定于勵(lì)磁電流 If ，而 If 是可以通過改變電阻 Rf39。來調(diào)節(jié)的。 ? 在發(fā)電機(jī)空載及轉(zhuǎn)速為常數(shù) (額定值 )的條件下，表示電動(dòng)勢 E與勵(lì)磁電流 If之間關(guān)系的曲線稱為空載特性曲線 ? 因?yàn)?E正比于 Φ ，而 是一條磁化曲線，所以，空載特性曲線與磁化曲線相似 (圖 )。 )( fIfE ?)( fIf?? 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 由圖 3. 9可見，空載特性曲線不是從坐標(biāo)原點(diǎn)開始，當(dāng) ，已有一個(gè)數(shù)值不大的電動(dòng)勢 E， (約為額定電壓的 2％～ 5％ )，它是由磁極的剩磁產(chǎn)生的。特性曲線的開始部分近于一條直線，因?yàn)檫@時(shí)電機(jī)磁路尚未飽和 ；而后逐漸向橫軸方向彎曲，最后又較平坦，這是由于發(fā)電機(jī)磁路漸趨飽和的緣故。 0?fI 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 空載特性曲線是發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行特性之一，它表明可利用改變勵(lì)磁電流的方法來獲得所需的電壓。通常發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)都在中段彎曲部分。 ? 保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n為額定值，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以獲得所需的空載電壓 U0 ，然后接上負(fù)載，當(dāng)增加負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓逐漸下降。 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n和勵(lì)磁電流 If為常數(shù)的條件下，表示發(fā)電機(jī)端電壓 U與負(fù)載電流 I之間關(guān)系的曲線稱為外特性曲線 如圖 。 )(IfU ? 他勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 由式 (3. 3)可知，當(dāng)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流增加時(shí)，電樞電壓降 IaRa增加，端電壓 U就下降。 ? 圖 ， UN和 IN是發(fā)電機(jī)電壓和電流的額定值。在他勵(lì)發(fā)電機(jī)中，從空載到滿載 (額定負(fù)載 )電壓的變化率大約為 5%~10% ，欲保持端電壓不變，必須相應(yīng)增加勵(lì)磁電流。 ? (3. 6) %1000 ????NNUUUU. 2 并勵(lì)發(fā)電機(jī) ? 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的原理電路如圖 3. 11所示，勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓與電流間的關(guān)系可用下列各式表示：