【正文】 磁極和電刷 。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 單疊繞組的展開圖 第一章 直 流 電 機(jī) (2) 按節(jié)距 y1連接一個元件 。 換向器節(jié)距 yk與合成節(jié)距 y總是相等的 ， 即 yy k ?() 第一章 直 流 電 機(jī) 電樞繞組中任何兩個串聯(lián)元件 ， 后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分 ， 稱為疊繞組 。 第一章 直 流 電 機(jī) 2. 節(jié)距 表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)為節(jié)距 ，直流電機(jī)電樞繞組的節(jié)距有第一節(jié)距 yl、 第二節(jié)距 y 合成節(jié)距 y和換向器節(jié)距 yk四種 。 第一章 直 流 電 機(jī) (4) ZD型系列電機(jī)主要用于需要廣泛調(diào)速并具有較大過載能力的場所 ， 如大型機(jī)床 、 卷揚(yáng)機(jī) 、 起重設(shè)備等 。 Z為直流電機(jī)的漢語拼音第一個字母 。根據(jù)負(fù)載選擇電機(jī)時，最好使電機(jī)接近于滿載運(yùn)行。 (3)額定電流 IN：是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時電樞繞組允許流過的最大電流 ， 單位為 A(安 )。 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 。 疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上 。機(jī)座一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起到整個電機(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，磁通通過的部分稱為磁軛。 換向極的作用是改善電機(jī)換向 ， 減小電機(jī)運(yùn)行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花 。 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。圖示情況下，導(dǎo)體 ab中電動勢的方向由 b指向 a，導(dǎo)體 cd中電動勢的方向由 d指向 c，所以電刷 A為正極性，電刷 Ｂ 為負(fù)極性。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn) 180176。磁極之間有一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。 第一章 直 流 電 機(jī) 此模型作為直流電動機(jī)運(yùn)行時，將直流電源加于電刷 A和 B。 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)的交變電動勢 ， 靠換向器配合電刷的換向作用 ， 使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿?。 第一章 直 流 電 機(jī) 從以上分析可見：一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動機(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。鐵心用 ～，上面套勵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，既可使氣隙中磁場分布比較理想，又便于固定勵磁繞組。 整個換向極用螺釘固定于機(jī)座上 。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。 為防止離心力將線圈邊甩出槽外 ， 槽口用槽楔固定 ， 如圖 。 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)行時所能提供的輸出功率 。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。 對于電機(jī)來說 ， 系列產(chǎn)品的電壓 、 轉(zhuǎn)速 、 機(jī)座號和鐵心長度都有一定的等級 。 調(diào)速范圍可達(dá) 2： 1， 即可超過額定轉(zhuǎn)速的一倍 。 為便于嵌線 ， 每個元件的一個元件邊嵌放在某一槽的上層 ， 稱為上元件邊 ， 畫圖時以實(shí)線表示；另一個元件邊則嵌放在另一槽的下層 ， 稱為下元件邊 ， 畫圖時以虛線表示 ， 圖 。 ??1y ??1y??1y??1y第一章 直 流 電 機(jī) （ 2） 第二節(jié)距 y2: 第一個元件的下層邊與直接相連的第二個元件的上層邊之間在電樞圓周上的距離 ， 用槽數(shù)表示 ， 稱為第二節(jié)距 y2 。第一節(jié)距 441621 ???? ?pZy換向器節(jié)距與合成節(jié)距 1?? yy k第二節(jié)距，由式（ ）可見，對于單疊繞組 312 ??? yyy第一章 直 流 電 機(jī) 2． 繪制繞組展開圖 假想把電樞從某一齒的中間沿軸向切開展成平面 ， 所得繞組連接圖形稱為繞組展開圖 ， 如圖 。 第一章 直 流 電 機(jī) 本例單疊繞組的聯(lián)接順序表如圖 。 為使被電刷短路的元件中感應(yīng)電動勢最小 ， 正 、 負(fù)電刷之間引出的電動勢最大 ， 由圖 ， 當(dāng)元件左右對稱時 ， 電刷中心線應(yīng)對準(zhǔn)磁極中心線 。 ② 當(dāng)元件形狀左右對稱 ， 電刷在換向器表面的位置對準(zhǔn)磁極中心線時 ， 正 、 負(fù)電刷間的感應(yīng)電動勢最大 ， 被電刷短路元件中的感應(yīng)電動勢最小 。要注意的是由于本例的極距不是整數(shù)，所以相鄰主磁極中心線之間的距離不是整數(shù)，相鄰電刷中，用換向片數(shù)表示時也不是整數(shù)。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 單波繞組并聯(lián)支路 第一章 直 流 電 機(jī) （ 5） 單波繞組的特點(diǎn)： 上層邊位于同一極性磁極下的所有繞組元件串聯(lián)組成一條支路 ， 不論極數(shù)為多少 ， 單波繞組的并聯(lián)支路數(shù)總等于 2；當(dāng)元件形狀左右對稱 ， 電刷在換向器表面的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時 ， 支路電勢最大；單從支路對數(shù)來看 ， 單波繞組可以只要兩根刷桿 ， 然而在實(shí)際電機(jī)中 ， 為縮短換向器長度以降低成本 ， 仍使電刷桿數(shù)等于極數(shù) ， 即采用全額電刷 。 直流電機(jī)按勵磁方式的不同可以分為他勵直流電機(jī) 、 并勵直流電機(jī) 、 串勵直流電機(jī) 、 復(fù)勵直流電機(jī) 4類 。 兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同時稱為積復(fù)勵 ， 磁動勢方向相反時稱為差復(fù)勵 ， 通常采用積復(fù)勵方式 。 主磁路由主磁極 、 氣隙 、 電樞齒 、 電樞磁軛和定子磁軛五部分組成 。 在額定狀態(tài)下 ，電機(jī)往往工作在飽和點(diǎn)附近 ， 這樣即可以獲得較大的磁通 ， 又不致需要太大的勵磁磁動勢 ， 從而可以節(jié)省鐵心和勵磁繞組的材料 。 通常把電樞磁動勢對氣隙磁通密度分布的影響稱為電樞反應(yīng) （ armature reaction） 。 圖中磁極軸線上的 O為圓點(diǎn) ， 距圓點(diǎn) 177。 第一章 直 流 電 機(jī) 圖 直流電機(jī)的電樞反應(yīng) (a) 電樞磁場； (b) 電樞磁勢與磁場分布 第一章 直 流 電 機(jī) 對照曲線 B0x和 Bδx 可見：電樞反應(yīng)的影響是使氣隙磁場發(fā)生畸變 ， 使半個磁極下的磁場加強(qiáng) ， 磁通增加 ， 另半個磁極下的磁場減弱 ， 磁通減少 。 第一章 直 流 電 機(jī) 任務(wù)五 直流電機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 直流電機(jī)的電樞電動勢 電樞繞組的電動勢是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢 ， 也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動勢 。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為 axx liBf ?（ ） 如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻的，氣隙磁密用平均值Bav表示，成為載流導(dǎo)體，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為 aavav liBf ?（ ） 第一章 直 流 電 機(jī) 一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為 2DfTavav ?? （ ） 式中： D為電樞外徑。 接通直流電源時 ， 勵磁繞組中流過勵磁電流 If， 建立主磁場 ， 電樞繞組中流過電樞電流 Ia， 電樞元件導(dǎo)體中流過支路電流 ， 與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tem， 使電樞朝 Tem的方向以轉(zhuǎn)速 n旋轉(zhuǎn) 。 第一章 直 流 電 機(jī) 從式 （ ） 中 Pem=EaIa可知 ， 電磁功率具有電功率性質(zhì)； 從 Pem=TemΩ可知 ， 電磁功率又具有機(jī)械功率性質(zhì) ， 其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姶殴β蕦儆陔妱訖C(jī)由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那一部分功率 。 如果考慮負(fù)載較重 、 Ia較大時電樞反應(yīng)去磁作用的影響 ， 則隨著 Ia的增大 ， Φ將減小 ， 使轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象 。 第一章 直 流 電 機(jī) 當(dāng)電樞電流 Ia開始由零增大時 ， 可變損耗增加緩慢 ， 總損耗變化小 ， 效率 η明顯上升；當(dāng)忽略式 ()分母中的 If（ 因IfIa)時 ， 可以由 dη／ dIa＝ 0求得當(dāng) Ia增大到電動機(jī)的不變損耗等于可變損耗 ， 即當(dāng) pCuf+pFe+pΩ=I2aRa時 ， 電動機(jī)的效率達(dá)到最高 。當(dāng)電樞電流較大時，由于磁路趨于飽和，磁通近似為常數(shù)，轉(zhuǎn)速特性與并勵時相似，為稍稍向下傾斜的直線，如圖 曲線所示。 第一章 直 流 電 機(jī) 3） 串勵直流電動機(jī)的效率特性與并勵直流電動機(jī)相同， 如圖。 第一章 直 流 電 機(jī) 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動到電刷與換向片 2完全接觸時， 1號元件從電刷右邊的支路進(jìn)入電刷左邊的支路，電流變?yōu)槟鏁r針方向，即為 – ?a ， 如圖 （ c）所示 ,至此， 1號元件換向結(jié)束。假設(shè)換向元件中沒有任何電動勢，且將換向元件、引線與換向片的電阻均忽略不計(jì)，回路中只有電刷與換向片 1的接觸電阻 r1和電刷與換向片 2的接觸電阻 r2，則換向元件中的電流只決定于回路申的電阻 r1和 r2的大小，這種換向情況稱為電阻換向。通常將自感電動勢 eL和互感電動勢 eM合起來；稱為電抗電動勢，用 er表示，故有 tiLtiMLeeeMLr dddd)(r?????? () 第一章 直 流 電 機(jī) 式中： Lr為換向元件的電感系數(shù)； L為換向元件的自感系數(shù)；M 為換向元件的互感系數(shù) 。 為使電機(jī)能正常工作 ， 應(yīng)經(jīng)常對電機(jī)進(jìn)行檢查 、 維護(hù)和保養(yǎng) 。 產(chǎn)生電磁性火花的直接原因是附加換向電流 ik。 第一章 直 流 電 機(jī) （ 2） 裝設(shè)換向極 。 第一章 直 流 電 機(jī) 電樞反應(yīng)使磁場發(fā)生畸變 ， 負(fù)載較大時 ， 氣隙磁通密度分布嚴(yán)重畸變 ， 元件邊處于磁通密度最大位置的元件感應(yīng)電動勢很大 ， 會使換向片之間的空氣電離擊穿 ， 產(chǎn)生所謂的電位差火花 。 第一章 直 流 電 機(jī) 思考題與習(xí)題 描述直流電機(jī)工作原理 ， 并說明換向器和電刷起什么作用 ？ 試判斷在下列情況下 ， 電刷兩端的電壓是交流還是直流 。 換向元件在換向過程中可能產(chǎn)生哪些電動勢 ？ 各是什么原因引起的 ？ 它們對換向器各有什么影響 ？ 換向極的作用是什么？裝在什么位置？繞組如何連接？ 。 什么是電機(jī)的可逆性？為什么說發(fā)電機(jī)作用和電動機(jī)作用同時存在于一臺電機(jī)中？ 第一章 直 流 電 機(jī) 直流電機(jī)有哪些主要部件 ？ 試說明它們的作用和結(jié)構(gòu) 。 環(huán)火發(fā)生時 ， 輕則燒壞電刷和換向器 ， 嚴(yán)重時會燒壞電樞繞組 ， 使電機(jī)無法運(yùn)行 。 幾何中性線附近一個不大的區(qū)域稱為換向區(qū) ， 是換向元件的元件邊在換向過程中所轉(zhuǎn)過的區(qū)域 。 欲限制 ik， 應(yīng)設(shè)法增大電刷與換向器之間的接觸電阻 r1和 r2， 或者減小換向元件中的感應(yīng)電動勢 er+ea。 同時薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤滑作用 ， 使電刷與換向器之間保持良好而穩(wěn)定的接觸 。 第一章 直 流 電 機(jī) 2)旋轉(zhuǎn)電動勢 由于電樞反應(yīng)使磁場發(fā)生畸變，使幾何中性線附近存在電樞磁動勢產(chǎn)生的磁場 (馬鞍形分布的凹部 )，換向元件旋轉(zhuǎn)時切割此電樞磁場所感應(yīng)的電動勢稱為旋轉(zhuǎn)電動勢，也稱電樞反應(yīng)電動勢，用 ea表示： lvBe aa ? () 式中： B a換向元件邊所在處的氣隙磁密； l為元件邊導(dǎo)體的有效長度； v電樞表面線速度。 第一章 直 流 電 機(jī) 電刷與換向片之間的接觸電阻與接觸面積成反比，即 2112AArr? () 式中： A A2為電刷與換向片 2的接觸面積。從換向開始到換 向結(jié)束所經(jīng)歷的時間稱為換向周期，用 Tk表示。 如果是并勵繞組磁動勢起主要作用 ， 其轉(zhuǎn)速特性與并勵電動機(jī)相接近；如果是串勵繞組磁動勢起主要作用 ， 則轉(zhuǎn)速特性就與串勵電動機(jī)接近 。a均很小，為使 Ea =CeΦn 能與電源電壓 U相平衡，轉(zhuǎn)速 n 必須很高才行。并勵直流電動機(jī)的效率特性如圖 。 由 可知，不考慮電樞反應(yīng)影響時， Φ = ΦN不變， Tem與 Ia成正比，轉(zhuǎn)矩特性為過原點(diǎn)的直線。 并勵直流電動機(jī)的功率平衡方程為 pPppppPP ???????? 2ΩFeC u fC u a21() 其中 ∑p=pCua+pCuf+pFe+pΩ，為并勵直流電動機(jī)的總損耗。 下面分別討論當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時 ， 電動機(jī)的電勢 、 功率與轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 。 當(dāng)磁通的單位用 Wb， 電流的單位用 A時 ， 電磁轉(zhuǎn)矩Tem單位為 N 為分析方便起見 ， 可把磁通密度看成均勻