直流電機(jī)的基本原理和構(gòu)造

夢(mèng)澤赤子 2016-01-22

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本章以直流電機(jī)為主要討論對(duì)象，分析直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、電路、磁路、運(yùn)行原理及換向等問(wèn)題，為電力拖動(dòng)系統(tǒng)提供元件的性能知識(shí)。

(1)旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)電裝置

(2)電動(dòng)機(jī)---把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能

一.直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

1.調(diào)速性能好 2.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大

二.直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：

1.制作工藝復(fù)雜 2.生產(chǎn)成本較高 3.維護(hù)較困難 4.可靠性較差

三.發(fā)展趨勢(shì)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展

特別是大功率電力電子器件問(wèn)世,微電子技術(shù)以及控制技術(shù)發(fā)展

直流發(fā)電機(jī)有逐步被整流電源取代的趨勢(shì)

直流電動(dòng)機(jī)被交流電動(dòng)機(jī)取代的趨勢(shì)

第一節(jié) 直流電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)

* 直流發(fā)電機(jī)的工作原理

* 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

* 電機(jī)的可逆運(yùn)行原理

一、直流電機(jī)的工作原理

1、電磁感應(yīng)定理

在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)感應(yīng)電勢(shì)，若磁場(chǎng)、導(dǎo)體和導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向三者互相垂直 (圖1-1a)，

則作用導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)大小為：

e = B·l·v

符號(hào) 物理量單位

B 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Wb/m2

v 導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度米/秒

l 導(dǎo)體有效長(zhǎng)度 m

e 感應(yīng)電勢(shì) V

　圖1-1b

電勢(shì)的方向(圖1-1a)用右手定則 (圖1-1b) 確定

2.電磁力定律

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，若磁場(chǎng)與載流導(dǎo)體互相垂直 (圖1-1c)，作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為：f = B·l·i

符號(hào) 物理量單位

I 導(dǎo)體中的電流 A

l 導(dǎo)體有效長(zhǎng)度 m

f 電磁力 N

圖1-d 力的方向用左手定則

(一) 直流發(fā)電機(jī)的工作原理

1. 直流發(fā)電機(jī)的原理模型

1)交變電勢(shì)產(chǎn)生

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2)直流電勢(shì)產(chǎn)生

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3)發(fā)電機(jī)工作原理

用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞使之逆時(shí)針?lè)较蚝闼俎D(zhuǎn)動(dòng)，線圈邊 a b 和 c d 分別切割不同極性磁極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，

靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)

4)換向器(圖1.1.3)和電刷配合(圖1.1.4)的換向作用

圖1.1.3 換向器的構(gòu)造

因?yàn)殡娝?A 通過(guò)換向片所引出的電動(dòng)勢(shì)

始終是切割 N 極磁力線的線圈邊中的電動(dòng)勢(shì)

所以電刷 A 始終有正極性，同樣道理，電刷 B 始終有負(fù)極性

所以電刷端能引出方向不變但大小變化的脈振電動(dòng)勢(shì)

5)結(jié)論

線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一種交變電動(dòng)勢(shì)

而在電刷 A B 端的電動(dòng)勢(shì)卻是直流電動(dòng)勢(shì)

(二) 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

1.直流電動(dòng)機(jī)的原理模型（圖1.1.5）

要使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于：當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過(guò)線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換，

即進(jìn)行所謂“換向”。

為此必須增添一個(gè)叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個(gè)極下線圈邊中電流始終是一個(gè)方向，就可以使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn),這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

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(三) 電機(jī)的可逆運(yùn)行原理

從上述基本電磁情況來(lái)看：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,這種原理在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理

二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式 , 必須有滿足電磁和機(jī)械兩方面要求的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)必須具備靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩大部

1.直流電機(jī)靜止部分稱(chēng)作定子

作用 -- 產(chǎn)生磁場(chǎng)

由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成

2. 直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱(chēng)作轉(zhuǎn)子(通常稱(chēng)作電樞)

圖1.1.7 直流電機(jī)電樞照片

作用 -- 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、軸和風(fēng)扇等組成

(一) 直流電機(jī)的靜止部分

1.主磁極圖1.1.9

主磁極是一種電磁鐵

用 1-1.5 毫米厚的鋼板沖片疊壓緊固而成的鐵心

2.換向極（又稱(chēng)附加極或間極）換向極圖片圖1.1.10

圖1.1.1 主磁極和換向極示意圖

作用 -- 改善換向

換向極裝在兩主磁極之間，也是由鐵心和繞組構(gòu)成

鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成；換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)

3.機(jī)座機(jī)座通常由鑄鐵或厚鐵板焊成

有兩個(gè)作用：1)固定主磁極、換向極和端蓋；2)作為磁路的一部分。

機(jī)座中有磁通經(jīng)過(guò)的部分稱(chēng)為磁軛

4.電刷裝置 (圖1.1.12)

作用--把直流電壓、直流電流引入或引出

由電刷（圖1.1.13）、刷握、刷桿座和銅絲辮組成

(二) 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分

1.電樞鐵心電樞鐵心裝配圖圖1.1.14

兩個(gè)用處：1)作為主磁路的主要部分；

2)嵌放電樞繞組

通常用０.５ｍｍ厚的硅鋼片沖片疊壓而成

2.電樞繞組元件及嵌放方法（圖1.1.16）

直流電機(jī)的主要電路部分

用以通過(guò)電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換

由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成

3.換向器

圖1.1.3 換向器的構(gòu)造

直流電機(jī)的重要部件

作用---將電刷上所通過(guò)的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流或?qū)⒗@組內(nèi)的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動(dòng)勢(shì)

直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

一、什么是額定值

電機(jī)制造廠按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)電機(jī)的一些電量或機(jī)械量所規(guī)定的數(shù)據(jù)（p1-3)

二、額定工況

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，有關(guān)電量和機(jī)械量都符合額定值的運(yùn)行情況

三、額定值

額定功率 PN (W)

額定電壓 UN (V)

額定電流 IN (A)

額定轉(zhuǎn)速 n N (rpm)

額定勵(lì)磁電壓 U fN (V)

額定勵(lì)磁電流 IfN (A)和勵(lì)磁方式等

四、直流電動(dòng)機(jī)的額定功率

軸上輸出機(jī)械功率 , 等于額定電壓和額定電流的乘積，再乘以電動(dòng)機(jī)的效率

即：PN = U N I NηN

五、直流發(fā)電機(jī)的額定功率

電機(jī)出線端輸出的電功率 , 等于額定電壓和額定電流的乘積

即：PN = U N I N