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(jié)構(gòu),1.1,直流電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu),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(fā)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(fā)電機的工作原理,圖1.1為直流發(fā)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(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的導(dǎo)電換向片上。轉(zhuǎn)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(xiàn)的。在定子與轉(zhuǎn)子間有間隙存在，稱其為氣隙。,圖1

2、.1 直流發(fā)電機模型,2,原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),3,直流發(fā)電機的工作原理,當(dāng)有原動機拖動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)法拉第,電磁感應(yīng)定律發(fā)電機,原理,可知，在切割磁場的線圈abcd中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。兩條有效邊導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小應(yīng)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(yīng)電動勢方向由,右手定則,確定。式中,Bx,為導(dǎo)體所在處的磁通密度，單位為Wb/mm；,L,為導(dǎo)體ab或cd的有效長度，單位為m；,v,為導(dǎo)體ab或cd與,Bx,間的相對線速度，單位為m/s；,e,為導(dǎo)體感應(yīng)電動勢，單位為V。,4,直流發(fā)電機的工作原理,導(dǎo)體

3、中感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則確定。在逆時針旋轉(zhuǎn)情況下，如圖1.1（a）所示，導(dǎo)體ab在N極下，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性為a點高電位，b點低電位；導(dǎo)體cd在S極下，感應(yīng)電動勢的極性為c點高電位，d點低電位，在此狀態(tài)下電刷A的極性為正，電刷B的極性為負。當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)180，如圖1.1（b），導(dǎo)體ab在S極下，感應(yīng)電動勢的極性為a點低電位，b點高電位，而導(dǎo)體cd則在N極下，感應(yīng)電動勢的極性為c點低電位，d點高電位，此時雖然導(dǎo)體中的感應(yīng)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(jīng)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(dǎo)體ab和cd中感應(yīng)電動勢方向是交變的，而和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)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(yīng)電動勢的方向由兩個因素決定；1，導(dǎo)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(yīng)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(jù)

5、安培,電磁力定律 電動機原理,可知，導(dǎo)體中產(chǎn)生電磁力F的大小應(yīng)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(dǎo)體所在處的磁通密度，單位為Wbm2；,L,為導(dǎo)體ab或cd的有效長度，單位為m；,i,為導(dǎo)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(dǎo)體ab受力方向為從右向左，而位于S極下的導(dǎo)體cd受力方向為從左向右。該電磁力與轉(zhuǎn)子半徑之積即為電磁轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的方向為逆時針。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，線圈按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到圖1.2（b）所示位置時，原位于S極下的

6、導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，其受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?；而原位于N極下的導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，導(dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，該轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向，線圈在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這樣雖然導(dǎo)體中流通的電流為交變的，但N極下的導(dǎo)體受力方向和S極下導(dǎo)體所受力的方向并未發(fā)生變化，電動機在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)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(dǎo)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(fā)電機運行，也可作電動機運行，關(guān)鍵在輸入功率的性質(zhì)，發(fā)電機原理和電動機原理總是同時出現(xiàn)的，即電磁的相互作用，電

7、樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩是同時存在的。,發(fā)電機：帶上負載后，在輸出電功率同時導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的電流與磁場相互作用，根據(jù)電磁力定理產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速方向相反,，,阻礙發(fā)電機旋轉(zhuǎn),，,是制動轉(zhuǎn)矩,，,原動機要輸入足夠大的拖動轉(zhuǎn)矩來克服制動轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，實現(xiàn)把機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。,電動機：軸上輸出機械功率同時導(dǎo)體元件在主極下運動，根據(jù)電磁感應(yīng)定理產(chǎn)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(xiàn)把電能轉(zhuǎn)化為機械能輸出。,電磁感應(yīng)定律發(fā)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(fā),10,

8、1.1.2 直流電機的基本結(jié)構(gòu),直流電機由定子（固定不動）與轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)）兩大部分組成，定子與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件。,1風(fēng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)磁性能和機械強度。,（2）主磁極,主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場，由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵磁繞組）

9、構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)成，如圖1.6所示。電刷組的個數(shù)，一般等于主磁極的個數(shù)。,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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)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(shù)段，段與段之間留有通風(fēng)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(yīng)電動勢、通過電樞電流，它是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。通常用絕緣導(dǎo)線繞成的線圈（或稱元件），按一定規(guī)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(gòu)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(guī)律連接，如圖1.8所示。換向器與轉(zhuǎn)軸固定在一起。,圖1.8 換向器,17,1.1.3 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列,1直流電機的銘牌數(shù)據(jù),電機制造廠按照國家標準，根據(jù)電機的設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)，規(guī)定了電機的正常運行狀態(tài)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(shù)據(jù)，

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(shù)據(jù)，它是正確合理使用電機的依據(jù)。,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(fā)電機系指出線端輸出的電功率。對電動機系指轉(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)速；是指對應(yīng)于額定電壓、額定電流、電機運行于額定功率時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)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(lián)。,串勵；勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。,復(fù)勵；勵磁繞組一部分與電樞繞組串聯(lián)，另一部分與電樞繞組并聯(lián)。,20,電動機的合理運行,電機在實際應(yīng)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(jīng)濟，所以應(yīng)根據(jù)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(jīng)濟合理的。,21,2,直流電機系列,生產(chǎn)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(guī)格的電機，這在實際上是不可能的，也是不經(jīng)濟的。為了合理選用電機和不斷提高產(chǎn)品的標準化和通用化程度，電機制造廠生產(chǎn)的電機有很多是系列電機。所謂系列電機就是在應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)形式、性能水平和生產(chǎn)工藝等方面有共同性，功率按一定比例遞增并成批生產(chǎn)的一系列電機。我國目前生產(chǎn)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。“Z”表示直流，“3”表示第三次改型設(shè)計。系列容量為0.4 kW200kW，電動機的電壓為110V,220V，發(fā)電機的電壓為115V,230V。通風(fēng)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?！癋”表示發(fā)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(fā)電機的電壓為230V,350V,460V,660V。發(fā)電機的通風(fēng)形式為開啟式和管道通風(fēng)防護式；電動機為強迫通風(fēng)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(fù)勵3種。工作方式有連續(xù)、短時和斷續(xù)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(fā)電機系列等。,23,