【正文】 第一篇 直流電機 一. 直流電機(DC Machines)概述直流電機是電機的主要類型之一。直流電機可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用。 用作發(fā)電機可以獲得直流電源，用作電動機，由于其具有良好的調速性能，在許多調速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。直流電機的用途:作電源用:發(fā)電機；作動力用:電動機；信號的傳遞:測速發(fā)電機,伺服電機作電源用:直流發(fā)電機將機械能轉化為直流電能 作動力用:直流電動機將直流電能轉化為機械能 信號傳遞:直流測速發(fā)電機將機械信號轉換為電信號 信號傳遞直流伺服電動機將控制電信號轉換為機械信號 二. 直流電機的優(yōu)缺點1. 直流發(fā)電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。 2. 直流電動機的調速范圍寬廣，調速特性平滑。 3. 直流電動機過載能力較強，起動和制動轉矩較大。 4. 由于存在換向器，其制造復雜，成本較高。 第1章 直流電機的工作原理和結構 11 直流電機工作原理一、原理圖(物理模型圖) 磁極對N、S不動, 線圈（繞組）abcd 旋轉, 換向片2旋轉, 電刷及出線A、B不動二、直流發(fā)電機原理（機械能直流電能）( Principles of DC Generator) 1. 原動機拖動電樞以轉速n(r/min)旋轉； 2. 電機內部有磁場存在；或定子（不動部件）上的勵磁繞組通過直流電流(稱為勵磁電流If)時產生恒定磁場（勵磁磁場，主磁場） (magnetic field, field pole) 3. 電樞線圈的導體中將產生感應電勢e = B l v ，但導體電勢為交流電，而經過換向器與電刷的作用可以引出直流電勢EAB，以便輸出直流電能。（看原理圖1，看原理圖2）(mutator and brush) 1. 問題11：直流電機電樞單個導體中感應電勢的性質？ 2. 問題12：直流電機通過電刷引出的感應電勢的性質？ 3. 看直流發(fā)電機原理動畫 4. 問題13：直流發(fā)電機如何得到幅值較為恒定的直流電勢？ 5. 為了得到穩(wěn)定的直流電勢，直流電機的電樞圓周上一般有多個線圈分布在不同的位置，并通過多個換向片聯(lián)接成電樞繞組。以前曾使用環(huán)形繞組. 6. 問題14：環(huán)形繞組的缺點是什么？ 三. 直流電動機的原理 ( Principies of DC Motor) 1. 將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導體有電流ia 通過。 2. 電機內部有磁場存在。 3. 載流的轉子（即電樞）導體將受到電磁力 f 的作用 f = B l ia （左手定則） 4. 所有導體產生的電磁力作用于轉子可產生電磁轉矩，以便拖動機械負載以n(r/min)旋轉。 5. 結論：直流電機的可逆性原理：同一臺電機，結構上不作任何改變，可以作發(fā)電機運行，也可以作電動機運行。 1. 看直流電動機原理動畫 2. 問題15：討論電刷的位置。 3. 結論：為了得到最大的直流電勢，電刷的位置必須與位于幾何中線上的導體相接觸。 12 直流電機的結構 (Structure)　主磁極主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子轉動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數(shù)一定是偶數(shù)，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現(xiàn)。機座——機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。 機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有端蓋。換向極——換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座上。換向極的個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截面。端蓋——端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內部還起防護作用。電刷裝置——電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調整電刷的位置。電樞鐵心——電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風，沖片可沿軸向分成幾段，以構成徑向通風道。電樞繞組——電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。換向器—在直流發(fā)電機中，換向器起整流作用，在直流電動機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構成，如圖所示。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應換向片的升高片內。小型電機常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。13 電樞繞組電樞繞組是直流電機的電路部分，亦是實現(xiàn)機電能量轉換的樞紐。電樞繞組的構成，應能產生足夠的感應電動勢，并允許通過一定多電樞電流，從而產生所需的電磁轉矩和電磁功率。此外，還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結構簡單，運行可靠。 宏觀分類為環(huán)形和鼓形；環(huán)形繞組只曾在原始電機用過，由于容易理解故講原理時也用此類繞組；鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導線，運行較可靠，經濟性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。鼓形繞組又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。環(huán)形電樞繞組（展開圖）鼓形電樞繞組（展開圖） 1. 鼓形繞組有許多個形狀相同的線圈組成，每個線圈有兩個有效邊，分別位于電樞圓周相距約一個極距的兩個槽中。 2. 一個邊在上層時，另一個邊一般在下層。1. 每個換向片接兩個不同的線圈端頭。 2. 將所有的電樞線圈按照一定的規(guī)律聯(lián)接起來，就構成電樞繞組。 3. 在實際電機中，電樞繞組有多種形式。 4. 每個換向片接兩個不同的線圈端頭。 5. 將所有的電樞線圈按照一定的規(guī)律聯(lián)接起來，就構成電樞繞組。 6. 在實際電機中，電樞繞組有多種形式。 疊繞組示意圖波繞組示意圖二、單疊繞組的聯(lián)接方法1. 強調概念：極數(shù)2p，極對數(shù)p，極距，繞組元件，元件邊，上層邊，下層邊,第1節(jié)距，第2節(jié)距，合成節(jié)距等。 2. 單疊繞組的展開圖舉例一臺4極16槽直流電機，已知換向片數(shù)K=16；電樞繞組的線圈數(shù)S=16；試畫出整距右行單疊繞組展開圖。 3. 【析】每槽兩個邊，每個線圈兩個邊，所以槽數(shù)z=線圈數(shù)S=16, 極距τ＝z/2p＝4槽。 因為要求整距線圈即第一節(jié)距 y1＝τ＝4(槽),又因為單疊右行，則合成節(jié)距 y＝1；則第二節(jié)距y2＝y(tǒng)1y＝3(槽),也就是說一個線圈的一個有效邊若放在1號槽內，另一個有效邊必須放在5號槽內。即一個線圈跨過4個槽的位置。元件聯(lián)接圖如圖繞組展開圖。其等效電路圖如下圖所示： 【畫出展開圖的具體部驟】 1. 畫出均勻分布的平行豎線代表電機各槽的元件邊，下層邊用虛線，上層用實線畫； 2. 標出槽號：畫出第一個元件，跨1~5。展開圖中可以把一個元件畫成一匝?！甲⒁庠亩瞬恳媽ΨQ。〗 3. 在第一個元件的引出線端畫出換向器的兩根橫平行線，并標出換向片號；換向片號與所連的上層邊槽號要相同。 4. 依次串聯(lián)16個元件。 5. 再畫出各磁極N、S、N、S。 6. 鼓形繞組的電刷中心線在每個磁極的中心線上。〖即保證電刷必須與位于幾何中線處的導體相接觸。〗 7. 畫出電樞轉向和電刷連線。 三．結論 1. 常用直流電機繞組型式的支路數(shù)2a： 2. 單疊繞組：2a=2p， 單波繞組：2a=2 3. 雙疊繞組：2a=4p， 雙波繞組：2a=414 直流電機的額定值額定值是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產品設計或試驗的依據(jù)。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。直流電機的額定值(Rating)主要有： 1. 額定功率 PN：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 2. 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。 3. 額定電流 IN：指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 A 為量綱單位。 4. 額定轉速 nN：指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以r/min為量綱單位。 5. 額定勵磁電流 If：指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。 注意: 1. 對于直流發(fā)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，即PN＝UNIN 2. 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率ηN存在,即PN＝UNINηN 第 2 章 直流電機的基本理論內 容 簡 介 1. 直流電機的磁場:勵磁方式、磁場分布、電樞反應 2. 感應電勢：電勢公式、電勢方程式 3. 電磁轉矩：轉矩公式、轉矩平衡方程式 4. 功率與損耗:損耗分析、功率平衡方程式21 直流電機的勵磁方式 一、定義 直流電機勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接。 二、分類 除了永磁直流電機外，直流電機的勵磁方式有他勵式和自勵（串勵、并勵和復勵）式。 22 空載時直流電機的磁場一、直流電機的磁通路徑磁路從主磁極1出發(fā)經氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛主磁極1。 二、空載磁通密度波形 空載時電樞電流為0，氣隙磁場是由勵磁電流單獨決定。 磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強且均勻。 極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何中性線處磁密為0。 空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)B0（x）表示；分析可知它是平頂波。23 負載時直流電機的磁場――電樞反應概 述 直流電機負載后，電樞繞組有電流通過, 并產生電樞磁場。 負載時氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同作用 電樞磁場會對主磁場產生一定的影響，這一影響稱為電樞反應。 電樞反應會使得每極磁通發(fā)生變化，也會使氣隙磁場發(fā)生畸變，從而影響電機的性能。 一、電樞磁勢的分布 1. 電樞磁勢的分布與電樞電流的分布有關。 2. 電樞電流的方向由電刷來界定。圖中電刷以上電流為流入紙里，電刷以下為流出紙面。 3. 這樣的電流分布所產的磁力線如圖所示。（右手定則） 4. 可見，電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導體的連線重合?；蛘哒f電刷位置決定了電樞磁勢的軸線。 5. 當電刷與處于幾何中性線上的導體相接觸時，電樞磁勢的軸線在交軸方向。并把這一磁勢稱為交軸電樞反應磁勢。 6. 設直軸線與電樞外圓的交點為0點，在距0點為x處作一閉合磁力線回路。該閉路包圍的電流數(shù)即為總磁勢Fa。 7. 電樞表面單位長度上的安培導體數(shù)稱為電機的線負荷A , A=Nia/(πDa)。 8. x處閉路上的總磁勢Fa(x)=A*2x,忽略鐵心磁阻，則每個氣隙消耗的磁勢為 Fa(x)=Ax (t/2 x t/2) 9. 上式為一個極距的電樞磁勢分布，將一對極的電樞磁勢波形畫出，（忽略齒槽影響）將得到三角波。 二、電樞磁勢單獨產生的磁感應強度的分布： Ba(x)=μ0Fa(x)/δ 該磁密由磁勢和氣隙共同決定。 極面下氣隙基本不變，磁密正比于磁勢； 兩極之間的區(qū)域內，氣隙變大，磁密迅速減小。一個周期的磁密波形呈馬鞍形。 三、電樞磁場與勵磁磁場（主磁場）的合成及電樞反應 主磁場為平頂波，電樞磁場為馬鞍形波。 在一個極距內相加時，一半極距內磁密加強，另一半極距內磁密減弱。 如果電機的磁場不飽和，則半個極距內增加的磁通量與另半個極距內減少的磁通量相等。即每極總磁通Φ與空載時一樣。 實際上由于飽和，使得每極磁通總體上有所減少。 由圖可知，原來的磁場發(fā)生了畸變，0點發(fā)生了位移。 （交軸）電樞反應：氣隙磁場發(fā)生畸變（對發(fā)電機而言 前極端去磁、后極端增磁；而對電動機而言則為前極端增磁、后極端去磁）；每極磁通減少。此反應會對電機性能產生不良影響。 四、直軸電樞反應 電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導體的連線相一致。 當電刷與幾何中性線上的導體相接觸時，電樞磁勢的軸線也處于幾何中性線上，即與主極軸線正交，稱其為交軸電樞磁勢。 以上討論的實際上是交軸電樞反應。 如果將電刷位置逆時針移動β角，則電樞磁勢可分為兩部分。 2β范圍內的磁勢為直軸電樞磁勢Fad。 (π2β)角度內的磁勢為交軸電樞磁勢Faq。 直軸電樞磁勢的作用為：，電刷順轉向偏移時為去磁，逆轉向偏移時為增磁；，電刷順轉向偏移時為增磁，逆轉向偏移時為去磁。 24 電樞繞組中的感應電