【正文】 第一篇 直流電機(jī) 一. 直流電機(jī)(DC Machines)概述直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一。直流電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)使用，也可作為電動(dòng)機(jī)使用。 用作發(fā)電機(jī)可以獲得直流電源，用作電動(dòng)機(jī)，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。直流電機(jī)的用途:作電源用:發(fā)電機(jī)；作動(dòng)力用:電動(dòng)機(jī)；信號的傳遞:測速發(fā)電機(jī),伺服電機(jī)作電源用:直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能 作動(dòng)力用:直流電動(dòng)機(jī)將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 信號傳遞:直流測速發(fā)電機(jī)將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號 信號傳遞直流伺服電動(dòng)機(jī)將控制電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號 二. 直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)1. 直流發(fā)電機(jī)的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。 2. 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。 3. 直流電動(dòng)機(jī)過載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。 4. 由于存在換向器，其制造復(fù)雜，成本較高。 第1章 直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu) 11 直流電機(jī)工作原理一、原理圖(物理模型圖) 磁極對N、S不動(dòng), 線圈（繞組）abcd 旋轉(zhuǎn), 換向片2旋轉(zhuǎn), 電刷及出線A、B不動(dòng)二、直流發(fā)電機(jī)原理（機(jī)械能直流電能）( Principles of DC Generator) 1. 原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞以轉(zhuǎn)速n(r/min)旋轉(zhuǎn)； 2. 電機(jī)內(nèi)部有磁場存在；或定子（不動(dòng)部件）上的勵(lì)磁繞組通過直流電流(稱為勵(lì)磁電流If)時(shí)產(chǎn)生恒定磁場（勵(lì)磁磁場，主磁場） (magnetic field, field pole) 3. 電樞線圈的導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢e = B l v ，但導(dǎo)體電勢為交流電，而經(jīng)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(jī)電樞單個(gè)導(dǎo)體中感應(yīng)電勢的性質(zhì)？ 2. 問題12：直流電機(jī)通過電刷引出的感應(yīng)電勢的性質(zhì)？ 3. 看直流發(fā)電機(jī)原理動(dòng)畫 4. 問題13：直流發(fā)電機(jī)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(jī)的電樞圓周上一般有多個(gè)線圈分布在不同的位置，并通過多個(gè)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(diǎn)是什么？ 三. 直流電動(dòng)機(jī)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(dǎo)體有電流ia 通過。 2. 電機(jī)內(nèi)部有磁場存在。 3. 載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力 f 的作用 f = B l ia （左手定則） 4. 所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子可產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載以n(r/min)旋轉(zhuǎn)。 5. 結(jié)論：直流電機(jī)的可逆性原理：同一臺電機(jī)，結(jié)構(gòu)上不作任何改變，可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 1. 看直流電動(dòng)機(jī)原理動(dòng)畫 2. 問題15：討論電刷的位置。 3. 結(jié)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(dǎo)體相接觸。 12 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) (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(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵(lì)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(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)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(lì)磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于齒槽移動(dòng)引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～。主磁極上裝有勵(lì)磁繞組，整個(gè)主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極的個(gè)數(shù)一定是偶數(shù)，勵(lì)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(jī)座——機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。 機(jī)座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機(jī)座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機(jī)座用鑄鐵件）制成。機(jī)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(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)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(gòu)成，并用螺桿固定在機(jī)座上。換向極的個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)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(lì)繞組一樣，導(dǎo)線有較大的截面。端蓋——端蓋裝在機(jī)座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時(shí)端蓋對電機(jī)內(nèi)部還起防護(hù)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(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向器表面形成滑動(dòng)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(gè)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(dòng)的刷桿座上，以便調(diào)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(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)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(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風(fēng)，沖片可沿軸向分成幾段，以構(gòu)成徑向通風(fēng)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(jī)的電路部分，也是感生電動(dòng)勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，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(jī)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(jī)中，換向器起整流作用，在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個(gè)圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個(gè)V形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖所示。每個(gè)電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。小型電機(jī)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(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。電樞繞組的構(gòu)成，應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動(dòng)勢，并允許通過一定多電樞電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率。此外，還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)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(jī)用過，由于容易理解故講原理時(shí)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(dǎo)線，運(yùn)行較可靠，經(jīng)濟(jì)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(gè)形狀相同的線圈組成，每個(gè)線圈有兩個(gè)有效邊，分別位于電樞圓周相距約一個(gè)極距的兩個(gè)槽中。 2. 一個(gè)邊在上層時(shí)，另一個(gè)邊一般在下層。1. 每個(gè)換向片接兩個(gè)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(gòu)成電樞繞組。 3. 在實(shí)際電機(jī)中，電樞繞組有多種形式。 4. 每個(gè)換向片接兩個(gè)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(gòu)成電樞繞組。 6. 在實(shí)際電機(jī)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(qiáng)調(diào)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(jī)，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(gè)邊，每個(gè)線圈兩個(gè)邊，所以槽數(shù)z=線圈數(shù)S=16, 極距τ＝z/2p＝4槽。 因?yàn)橐笳嗑€圈即第一節(jié)距 y1＝τ＝4(槽),又因?yàn)閱委B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(gè)線圈的一個(gè)有效邊若放在1號槽內(nèi)，另一個(gè)有效邊必須放在5號槽內(nèi)。即一個(gè)線圈跨過4個(gè)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(jī)各槽的元件邊，下層邊用虛線，上層用實(shí)線畫； 2. 標(biāo)出槽號：畫出第一個(gè)元件，跨1~5。展開圖中可以把一個(gè)元件畫成一匝?！甲⒁庠亩瞬恳媽ΨQ。〗 3. 在第一個(gè)元件的引出線端畫出換向器的兩根橫平行線，并標(biāo)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(gè)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(gè)磁極的中心線上?！技幢ＷC電刷必須與位于幾何中線處的導(dǎo)體相接觸?！?7. 畫出電樞轉(zhuǎn)向和電刷連線。 三．結(jié)論 1. 常用直流電機(jī)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(jī)的額定值額定值是制造廠對各種電氣設(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。直流電機(jī)的額定值(Rating)主要有： 1. 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。 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(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以 A 為量綱單位。 4. 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。 5. 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。 注意: 1. 對于直流發(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，即PN＝UNIN 2. 對于直流電動(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ηN存在,即PN＝UNINηN 第 2 章 直流電機(jī)的基本理論內(nèi) 容 簡 介 1. 直流電機(jī)的磁場:勵(lì)磁方式、磁場分布、電樞反應(yīng) 2. 感應(yīng)電勢：電勢公式、電勢方程式 3. 電磁轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)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(jī)的勵(lì)磁方式 一、定義 直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的接線方式稱為勵(lì)磁方式。實(shí)質(zhì)上就是勵(lì)磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接。 二、分類 除了永磁直流電機(jī)外，直流電機(jī)的勵(lì)磁方式有他勵(lì)式和自勵(lì)（串勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)）式。 22 空載時(shí)直流電機(jī)的磁場一、直流電機(jī)的磁通路徑磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)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(shí)電樞電流為0，氣隙磁場是由勵(lì)磁電流單獨(dú)決定。 磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強(qiáng)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(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場――電樞反應(yīng)概 述 直流電機(jī)負(fù)載后，電樞繞組有電流通過, 并產(chǎn)生電樞磁場。 負(fù)載時(shí)氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同作用 電樞磁場會(huì)對主磁場產(chǎn)生一定的影響，這一影響稱為電樞反應(yīng)。 電樞反應(yīng)會(huì)使得每極磁通發(fā)生變化，也會(huì)使氣隙磁場發(fā)生畸變，從而影響電機(jī)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(guān)。 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(chǎn)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(dǎo)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(dāng)電刷與處于幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸時(shí)，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(yīng)磁勢。 6. 設(shè)直軸線與電樞外圓的交點(diǎn)為0點(diǎn)，在距0點(diǎn)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(dǎo)體數(shù)稱為電機(jī)的線負(fù)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(gè)氣隙消耗的磁勢為 Fa(x)=Ax (t/2 x t/2) 9. 上式為一個(gè)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(dú)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)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(nèi)，氣隙變大，磁密迅速減小。一個(gè)周期的磁密波形呈馬鞍形。 三、電樞磁場與勵(lì)磁磁場（主磁場）的合成及電樞反應(yīng) 主磁場為平頂波，電樞磁場為馬鞍形波。 在一個(gè)極距內(nèi)相加時(shí)，一半極距內(nèi)磁密加強(qiáng)，另一半極距內(nèi)磁密減弱。 如果電機(jī)的磁場不飽和，則半個(gè)極距內(nèi)增加的磁通量與另半個(gè)極距內(nèi)減少的磁通量相等。即每極總磁通Φ與空載時(shí)一樣。 實(shí)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(diǎn)發(fā)生了位移。 （交軸）電樞反應(yīng)：氣隙磁場發(fā)生畸變（對發(fā)電機(jī)而言 前極端去磁、后極端增磁；而對電動(dòng)機(jī)而言則為前極端增磁、后極端去磁）；每極磁通減少。此反應(yīng)會(huì)對電機(jī)性能產(chǎn)生不良影響。 四、直軸電樞反應(yīng) 電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導(dǎo)體的連線相一致。 當(dāng)電刷與幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸時(shí)，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(shí)際上是交軸電樞反應(yīng)。 如果將電刷位置逆時(shí)針移動(dòng)β角，則電樞磁勢可分為兩部分。 2β范圍內(nèi)的磁勢為直軸電樞磁勢Fad。 (π2β)角度內(nèi)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(zhuǎn)向偏移時(shí)為去磁，逆轉(zhuǎn)向偏移時(shí)為增磁；，電刷順轉(zhuǎn)向偏移時(shí)為增磁，逆轉(zhuǎn)向偏移時(shí)為去磁。 24 電樞繞組中的感應(yīng)電