【正文】 第一章 直 流 電 機(jī) 項(xiàng)目一 直 流 電 機(jī) 任務(wù)一 直流電機(jī)的基本工作原理 任務(wù)二 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌 任務(wù)三 直流電機(jī)的電樞繞組 任務(wù)四 直流電機(jī)的磁場(chǎng) 任務(wù)五 直流電機(jī)的電樞電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩 任務(wù)六 直流電動(dòng)機(jī) 任務(wù)七 直流電機(jī)的換向 思考題與習(xí)題 第一章 直 流 電 機(jī) 任務(wù)一直流電機(jī)的基本工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 圖 ， N和 S是一對(duì)固定的磁極 (一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵 )。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈 abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)圓弧形銅片上?；⌒毋~片稱為換向片，它們的組合體稱為換向器。在換向器上放置固定不動(dòng)而與換向片滑動(dòng)接觸的電刷 A和 Ｂ ，線圈 abcd 通過(guò)換向器和電刷接通外電路。電樞鐵心、電樞線圈和換向器構(gòu)成的整體叫作轉(zhuǎn)子或稱為電樞。 第一章 直 流 電 機(jī) 此模型作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源加于電刷 A和 B。例如將電源正極加于電刷 A，電源負(fù)極加于電刷 B，則線圈 abcd中流過(guò)電流，在導(dǎo)體 ab中，電流由 a流向 b，在導(dǎo)體 cd中，電流由 c流向 d。載流導(dǎo)體 ab和 cd均處于 N、 S極之間的磁場(chǎng)當(dāng)中，受到電磁力的作用，其方向由左手定則確定，可知這一對(duì)電磁力形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，使整個(gè)電樞逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn) 180176。 ，導(dǎo)體 cd轉(zhuǎn)到 N極下， ab轉(zhuǎn)到 S極，如圖⒈⒈１所示，由于電流仍從電刷 A流人，使 cd中的電流方向變?yōu)橛?d流向 c，而 ab中的電流由 b流向 a，從電刷 B流出，用左手定則可判別，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針?lè)较颉? 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 直流電動(dòng)機(jī)物理模型 第一章 直 流 電 機(jī) 由此可見(jiàn) ， 加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源 ， 借助于換向器和電刷的作用 ， 使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過(guò)的電流 ， 方向是交變的 ， 從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變 ， 確保了直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn) 。 這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 。 實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞四周上均勻地嵌放許多線圈；相應(yīng)地，換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。 第一章 直 流 電 機(jī) 直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì) ， 靠換向器配合電刷的換向作用 ， 使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì) 。 直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)相同，不同的是電刷上不加直流電壓，而是利用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞朝某一方向（例如逆時(shí)針?lè)较颍┬D(zhuǎn)，如圖 。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 第一章 直 流 電 機(jī) 這時(shí)導(dǎo)體 ab和 cd分別切割 N極和 S極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定。圖示情況下，導(dǎo)體 ab中電動(dòng)勢(shì)的方向由 b指向 a，導(dǎo)體 cd中電動(dòng)勢(shì)的方向由 d指向 c，所以電刷 A為正極性，電刷 Ｂ 為負(fù)極性。電樞旋轉(zhuǎn) 180176。 時(shí)，導(dǎo)體 cd轉(zhuǎn)至 Ｎ 極下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由 c指向 d，電刷 A與 d所連換向片接觸，仍為正極性；導(dǎo)體 ab轉(zhuǎn)至 S極下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向變?yōu)?a指向 b，電刷 B與 a所連換向片接觸，仍為負(fù)極性。可見(jiàn)，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是交變的，而通過(guò)換向器和電刷的作用，在電刷 Ａ、Ｂ 兩端輸出的電動(dòng)勢(shì)是方向不變的直流電動(dòng)勢(shì)。若在電刷 Ａ、Ｂ 之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能，這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。 第一章 直 流 電 機(jī) 從以上分析可見(jiàn)：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界不同的條件。如果在電刷端外加直流電壓，則電機(jī)把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這種同一臺(tái)電機(jī)既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。 第一章 直 流 電 機(jī) 任務(wù)二 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌 ⒈⒉ １ 直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 由直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)工作原理可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，其主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 直流電機(jī)橫剖面示意圖 第一章 直 流 電 機(jī) 1． 定子部分 1)主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成，如圖⒈⒉３所示。鐵心用 ～，上面套勵(lì)磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可使氣隙中磁場(chǎng)分布比較理想，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在極身上，再將整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 主磁極 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 換向極 第一章 直 流 電 機(jī) 2) 換向極 （ mutating pole） 兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極 ， 也叫附加極或間極 。 換向極的作用是改善電機(jī)換向 ， 減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花 。 換向極由換向極鐵心和換向極繞組構(gòu)成 ， 如圖 。 換向極鐵心一般用整塊鋼制成 。 對(duì)換向性能要求較高的直流電機(jī) ， 換向極鐵心可用 1～ mm厚的鋼板沖制疊壓而成 。 換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成 ， 套在換向極鐵心上 。 整個(gè)換向極用螺釘固定于機(jī)座上 。 換向極的數(shù)目一般與主磁極相等 。 第一章 直 流 電 機(jī) 3)機(jī)座 電機(jī)定子部分的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座一方面用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，并起到整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用；另一方面也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間的通路，磁通通過(guò)的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。 第一章 直 流 電 機(jī) 4)電刷裝置 電刷裝置用以引入或引出直流電壓和直流電流。電刷裝置由電刷、刷握桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)接觸，如圖⒈⒉５所示，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)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(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 第一章 直 流 電 機(jī) 2． 轉(zhuǎn)子 (電樞 )部分 1)電樞鐵心 是主磁通磁路的主要部分 ， 同時(shí)用以嵌放電樞繞組 。 為了降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗 ， 電樞鐵心用 片疊壓而成 ， 沖片形狀如圖 ⒈⒉ 6所示 。 疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上 。鐵心的外圓開(kāi)有電樞槽 ， 槽內(nèi)嵌放電樞繞組 。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 電樞鐵心沖片 (a) 矩形槽； (b) 梨形槽 第一章 直 流 電 機(jī) 2) 電樞繞組 (armature winding) 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ， 是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件 。 它由許多線圈按一定規(guī)律連接而成 ， 線圈用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成 。 不同線圈邊分上 、 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 ， 如圖 。 線圈邊的端接部分用熱固性無(wú)緯玻璃帶進(jìn)行綁扎 。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 電樞繞組在槽中的絕緣情況 第一章 直 流 電 機(jī) 3) 換向器 (mutator) 在直流電動(dòng)機(jī)中 ， 換向器配以電刷能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流 ， 使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中 ， 換向器配以電刷能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為正 、 負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢(shì) 。 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 。 換向片的緊固通常如圖 ， 換向片的下部做成鴿尾形 ， 兩端用鋼制Ｖ形套筒和Ｖ形云母環(huán)固定 ， 再加螺母鎖緊 。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 換向器 第一章 直 流 電 機(jī) 4) 轉(zhuǎn)軸起支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用， 需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度， 一般用圓鋼加工而成。 第一章 直 流 電 機(jī) 直流電機(jī)的額定值及銘牌 電機(jī)制造廠按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ， 根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)所規(guī)定的每臺(tái)電機(jī)的主要數(shù)據(jù)稱為電機(jī)的額定值 。 額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌或產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上 。 直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)： (1) 額定功率 PN：是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率 。 對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō) ， 額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率；對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō) ， 額定功率是指電樞輸出的電功率 ， 單位為 kW(千瓦 )。 第一章 直 流 電 機(jī) (2) 額定電壓 UN：是指電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓 ， 單位為 V(伏 )。 (3)額定電流 IN：是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)電樞繞組允許流過(guò)的最大電流 ， 單位為 A(安 )。 (4)額定轉(zhuǎn)速 nN ：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓 、 額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí) ， 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度 ， 單位為 r／ min(轉(zhuǎn) /分 )。 第一章 直 流 電 機(jī) 額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上 ， 故又稱為銘牌數(shù)據(jù) 。 還有一些額定值 ， 例如額定轉(zhuǎn)矩 TN、 額定效率 η N和額定溫升 τ N等 ， 不一定標(biāo)在銘牌上 ， 可查產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)或由銘牌上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到 。 額定功率與額定電壓和額定電流的關(guān)系： 直流電動(dòng)機(jī) PN＝ UNINηN 103 kW 直流發(fā)電機(jī) PN＝ UNIN 103kW () () 第一章 直 流 電 機(jī) 直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果各個(gè)物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱為滿載運(yùn)行。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電流小于額定電流，稱為欠載運(yùn)行；電機(jī)的電流大于額定電流，稱為過(guò)載運(yùn)行。欠載運(yùn)行，電機(jī)利用不充分，效率低；過(guò)載運(yùn)行，易引起電機(jī)過(guò)熱損壞。根據(jù)負(fù)載選擇電機(jī)時(shí)，最好使電機(jī)接近于滿載運(yùn)行。 第一章 直 流 電 機(jī) [ 例 ] 某臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的額定值為： PN＝ 12kW，UN＝ 220V， nN ＝ 1500r／ min， ＝ 89． 2％ ， 試求該電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的輸入功率 P1及電流 IN。 ． 解 ：額定輸入功率 N?kw )(121 ???NNPP?額定電流 101210 33 ??????NNNN UPI?第一章 直 流 電 機(jī) [ 例 ] 某臺(tái)直流發(fā)電機(jī)額定值為： PN＝ 9５ kW， UN＝ 230V， nN ＝ 1450r／ min， ηN＝ 91． 8％，試求該發(fā)電機(jī)的額定電流 IN。 解 ： 額定電流 )A(230109510 33 ?????NNN UPI第一章 直 流 電 機(jī) 為了滿足各行各業(yè)對(duì)產(chǎn)品的不同要求 ， 生產(chǎn)廠將產(chǎn)品制成不同型號(hào)系列 。 所謂系列就是指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形狀基本相似 ，而某種性能參數(shù)例如容量則按一定等級(jí)遞增的一系列產(chǎn)品 。 對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō) ， 系列產(chǎn)品的電壓 、 轉(zhuǎn)速 、 機(jī)座號(hào)和鐵心長(zhǎng)度都有一定的等級(jí) 。 1． 型號(hào) 它表示電機(jī)的類(lèi)別 。 例如： Z2—12 的含義為 Z：直流；2：設(shè)計(jì)序號(hào)； 1：鐵心長(zhǎng)度； 2：機(jī)座號(hào) 第一章 直 流 電 機(jī) 2． 國(guó)產(chǎn)直流電機(jī)主要系列簡(jiǎn)介 (1) Z型系列 。 Z為直流電機(jī)的漢語(yǔ)