直流電機原理

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,直流電機的基本工作原理與結構,1.1,直流電機的基本工作原理與結構,1.1.1,直流電機的基本工作原理,直流電機分為直流電動機和直流發電機兩大類，其工作原理可通過直流電機的簡化模型進行說明。,1,1.直流發電機的工作原理,圖1.1為直流發電機的簡化模型。圖中N,S為固定不動的定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的轉子線圈，線圈的首端a，末端d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同轉動的導電換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷實現的。在定子與轉子間有間隙存在，稱其為氣隙。,圖1

2、.1 直流發電機模型,2,原動機拖動轉子旋轉,3,直流發電機的工作原理,當有原動機拖動轉子以一定的轉速逆時針旋轉時，根據法拉第,電磁感應定律發電機,原理,可知，在切割磁場的線圈abcd中將產生感應電動勢。兩條有效邊導體產生的感應電動勢大小應為;,e=B,x,l v,（1-1）,若,B,x,、l、v在空間相互垂直，則e的大小等于三者的乘積，感應電動勢方向由,右手定則,確定。式中,Bx,為導體所在處的磁通密度，單位為Wb/mm；,L,為導體ab或cd的有效長度，單位為m；,v,為導體ab或cd與,Bx,間的相對線速度，單位為m/s；,e,為導體感應電動勢，單位為V。,4,直流發電機的工作原理,導體

3、中感應電動勢的方向可用右手定則確定。在逆時針旋轉情況下，如圖1.1（a）所示，導體ab在N極下，產生的感應電動勢極性為a點高電位，b點低電位；導體cd在S極下，感應電動勢的極性為c點高電位，d點低電位，在此狀態下電刷A的極性為正，電刷B的極性為負。當線圈旋轉180，如圖1.1（b），導體ab在S極下，感應電動勢的極性為a點低電位，b點高電位，而導體cd則在N極下，感應電動勢的極性為c點低電位，d點高電位，此時雖然導體中的感應電動勢方向已改變，但由于原來與電刷A接觸的換向片已經與電刷B接觸，而與電刷B接觸的換向片同時換到與電刷A接觸，因此電刷A的極性仍為正，電刷B的極性仍為負。,從圖1.1中可看

4、出，導體ab和cd中感應電動勢方向是交變的，而和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是在S極下，因此電刷A的極性總為正，而電刷B的極性總為負，在電刷兩端可獲得直流電動勢輸出。,感應電動勢的方向由兩個因素決定；1，導體的運動方向，2，氣隙磁場的極性。改變其中之一就可以改變感應電動勢的方向。,5,2.直流電動機的工作原理,若把電刷A,B接到一直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負極，此時在電樞線圈中將有電流流過。如圖1.2（a）所示為直流電動機的簡化模型。,圖1.2 直流電動機的模型,6,直流電動機,7,位于N極下線圈ab邊和位于S極下線圈的cd邊通以直流電流,i,，根據

5、安培,電磁力定律 電動機原理,可知，導體中產生電磁力F的大小應為；,FB,x,l,i,（1-2）,若B、i在空間相互垂直，則F的大小等于三者的乘積，方向由,左手定則,確定。式中,Bx,為導體所在處的磁通密度，單位為Wbm2；,L,為導體ab或cd的有效長度，單位為m；,i,為導體中流過的電流，單位為A；,F,為電磁力，單位為N。,8,在圖1.2（a）的情況下，位于N極下的導體ab受力方向為從右向左，而位于S極下的導體cd受力方向為從左向右。該電磁力與轉子半徑之積即為電磁轉矩，該轉矩的方向為逆時針。當電磁轉矩大于阻轉矩時，線圈按逆時針方向旋轉。當電樞旋轉到圖1.2（b）所示位置時，原位于S極下的

6、導體cd轉到N極下，其受力方向變為從右向左；而原位于N極下的導體ab轉到S極下，導體ab受力方向變為從左向右，該轉矩的方向仍為逆時針方向，線圈在此轉矩作用下繼續按逆時針方向旋轉。這樣雖然導體中流通的電流為交變的，但N極下的導體受力方向和S極下導體所受力的方向并未發生變化，電動機在此方向不變的轉矩作用下轉動。電刷的作用是把直流電變成線圈中的交變的電流。,電磁力F的方向由兩個因素決定；1，導體中的電流方向，2，氣隙磁場的極性。改變其中之一就可以改變電磁力F的方向。,9,同一臺直流電機即可作發電機運行，也可作電動機運行，關鍵在輸入功率的性質，發電機原理和電動機原理總是同時出現的，即電磁的相互作用，電

7、樞電動勢和電磁轉矩是同時存在的。,發電機：帶上負載后，在輸出電功率同時導體元件中產生的電流與磁場相互作用，根據電磁力定理產生電磁轉矩，其方向與發電機的轉速方向相反,，,阻礙發電機旋轉,，,是制動轉矩,，,原動機要輸入足夠大的拖動轉矩來克服制動轉矩，使發電機轉速穩定，實現把機械能轉化為電能輸出。,電動機：軸上輸出機械功率同時導體元件在主極下運動，根據電磁感應定理產生電動勢，其方向與電流方向相反,，,阻礙電流輸入,，,是反電動勢,，,外加電源電壓必須大于反電動勢，才能把電流灌入電動機，實現把電能轉化為機械能輸出。,電磁感應定律發電機原理;右手定則,電磁力定律 電動機原理;左手定則,左動右發,10,

8、1.1.2 直流電機的基本結構,直流電機由定子（固定不動）與轉子（旋轉）兩大部分組成，定子與轉子之間有空隙,稱為氣隙。,定子部分包括機座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝置；,轉子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸、風扇等部件。,1風扇；2機座；3電樞；4主磁極；5刷架；6換向器；7接線板；8出線盒；9換向極；10端蓋,圖1.3直流電動機的結構圖,11,1,定子部分,（1）機座,機座既可以固定主磁極、換向極、端蓋等，又是電機磁路的一部分（稱為磁軛）。機座一般用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，具有良好的導磁性能和機械強度。,（2）主磁極,主磁極的作用是產生氣隙磁場，由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵磁繞組）

9、構成，如圖1.4所示。主磁極鐵心一般由1.0mm1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，包括極身和極靴兩部分。極靴做成圓弧形，以使磁極下氣隙磁通較均勻。極身上面套有勵磁繞組，繞組中通入直流電流。整個磁極用螺釘固定在機座上。,1固定主磁極的螺釘；,2主磁極鐵心；3勵磁繞組,圖1.4 直流電機的主磁極,12,（3）換向極,換向極用來改善換向，由鐵心和套在鐵心上的繞組構成，如圖1.5所示。換向極鐵心一般用整塊鋼制成，如換向要求較高，則用1.0mm1.5mm厚的鋼板疊壓而成，其繞組中流過的是電樞電流。換向極裝在相鄰兩主極之間，用螺釘固定在機座上。,圖1.5 直流電機的換向極,1換向極鐵心；2換向極繞組,1

10、3,（4）電刷裝置,電刷與換向器配合可以把轉動的電樞繞組電路和外電路連接并把電樞繞組中的交流量轉變成電刷端的直流量。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿架、彈簧、銅辮構成，如圖1.6所示。電刷組的個數，一般等于主磁極的個數。,圖1.6 直流電機的電刷裝置,1電刷；2刷握；,3彈簧壓板；4座圈；5刷桿,14,2轉子部分,（1）電樞鐵心,電樞鐵心是電機磁路的一部分，其外圓周開槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心一般用0.5mm厚、兩邊涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成，如圖1.7所示。電樞鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心較長時，為加強冷卻，可把電樞鐵心沿軸向分成數段，段與段之間留有通風孔。,圖1.7 電樞鐵心,

11、15,（2）電樞繞組,電樞繞組是直流電機的主要組成部分，其作用是感應電動勢、通過電樞電流，它是電機實現機電能量轉換的關鍵。通常用絕緣導線繞成的線圈（或稱元件），按一定規律連接而成。,16,（3）換向器,換向器是由多個緊壓在一起的梯形銅片構成的一個圓筒，片與片之間用一層薄云母絕緣，電樞繞組各元件的始端和末端與換向片按一定規律連接，如圖1.8所示。換向器與轉軸固定在一起。,圖1.8 換向器,17,1.1.3 直流電機的銘牌數據及主要系列,1直流電機的銘牌數據,電機制造廠按照國家標準，根據電機的設計和試驗數據，規定了電機的正常運行狀態和條件，通常稱之為額定運行情況。凡表征電機額定運行情況的各種數據，

12、稱為額定值。額定值一般都標注在電機的銘牌上，所以也稱為銘牌數據，它是正確合理使用電機的依據。,18,2.直流電機的額定值,直流電機的額定值主要有下列幾項：,（1）額定功率；是指電機的輸出功率，對發電機系指出線端輸出的電功率。對電動機系指轉軸上輸出的機械功率。單位為W或kW。,（2）額定電壓；是指在額定工作條件下，電機出線端的平均電壓。對于電動機是指輸入額定電壓，對于發電機是指輸出額定電壓。單位為V。,（3）額定電流；是指電機在額定電壓下，運行于額定功率時的電流值。單位為A。,（4）額定轉速；是指對應于額定電壓、額定電流、電機運行于額定功率時所對應的轉速。單位為rmin。,（5）額定溫升；是指電

13、機允許的溫升的限值，主要決定于電機的絕緣材料的絕緣等級。,19,直流電機的勵磁方式,他勵：勵磁繞組的電流由獨立電源提供的。,并勵；勵磁繞組與電樞繞組并聯。,串勵；勵磁繞組與電樞繞組串聯。,復勵；勵磁繞組一部分與電樞繞組串聯，另一部分與電樞繞組并聯。,20,電動機的合理運行,電機在實際應用時，是否處于額定運行情況，則要由負載大小來決定。一般不允許電機超過額定值運行，因為這會降低電機的使用壽命，甚至損壞電機，但電機長期處于低負載下工作，則沒有得到充分利用，效率降低，不經濟，所以應根據負載情況合理選用電機，使電機接近于額定運行情況運行，才是經濟合理的。,21,2,直流電機系列,生產機械對電機的要求是

14、各種各樣的，若要求每臺電機都能恰好在額定情況下運行，就需要有成千上萬種規格的電機，這在實際上是不可能的，也是不經濟的。為了合理選用電機和不斷提高產品的標準化和通用化程度，電機制造廠生產的電機有很多是系列電機。所謂系列電機就是在應用范圍、結構形式、性能水平和生產工藝等方面有共同性，功率按一定比例遞增并成批生產的一系列電機。我國目前生產的直流電機的主要系列有：,Z，Z,2，,Z,3，,Z,4,等系列，為一般用途的小型直流電機系列，是一種基本系列?！癦”表示直流，“3”表示第三次改型設計。系列容量為0.4 kW200kW，電動機的電壓為110V,220V，發電機的電壓為115V,230V。通風形式為防護式。,22,ZF和ZD系列，為一般用途的中型直流電機系列。“F”表示發電機，“D”表示電動機。系列容量自55kW（320rmin）到1 450kW（1 000r/min）。電動機的電壓為220V,330V,440V,600V；發電機的電壓為230V,350V,460V,660V。發電機的通風形式為開啟式和管道通風防護式；電動機為強迫通風式。,ZZJ系列，為起重、冶金用直流電動機系列。電壓有220V,440V兩種。勵磁方式有串勵、并勵、復勵3種。工作方式有連續、短時和斷續3種，基本形式為全封閉自冷式。此外還有ZQ直流牽引電動機系列及Z-H和ZF-H船用電動機和發電機系列等。,23,