1.直流電機是電能和機械能相互轉換的旋轉電機之一。2.直流電機由兩大部分組成：定子和轉子。3.掌握直流電機的工作原理。4.掌握直流電動機的工作特性：轉速特性、轉矩特性、效率特性5.掌握直流電機定子繞組的勵磁方式有：他勵、并勵、串勵、復勵。6.理解電樞繞組中一個元件經過電刷從一個支路轉換到另一個支路的過程稱為7.直流電機的感應電動勢：電樞繞組中的感應電動勢，即正負電刷之間的感應電流電機的基本工作原理與結構直流電機和交流電機。直流電機按能量轉換的方向可分為直流電動機和直流發電機。求較高的生產機械上，如軋鋼機，礦井提升設備，大型起重機，電力機車，挖掘機械和紡織機械等；同時直流發電機可用來作為直流電機以及交流電機的勵磁直流電源。任何電機都包括三大部分：定子、轉子和氣隙。同一般類型電機一樣，直流電動機和直示。直流電動機主要由定子、轉子、電刷裝置、換向極、端蓋、軸承、通風冷卻系統等部主要作用是產生主磁場和作為電機的機械支架。1)主磁極主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由鐵心和勵磁繞組兩部分組成，通過螺釘固定。如圖1.1.3所示為減小渦流損耗，主磁極鐵心通常用1~1.5mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊而2)換向極兩相鄰主磁極之間的小磁極稱為換向極，又稱。)機座換向極機來固定主磁極、換向極和端蓋，對整個電機起支撐和固定作用；另一方面也是機主磁路的一部分，用于構成磁極之間的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。4)電刷裝置該裝置把電機電樞中的電流與外部電路相連或把外部電源與電機電樞相連。電刷裝置主要由電刷、刷握、刷桿、刷桿座及彈簧片等組成。電刷一般由導電耐磨石墨材料制成，放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，如圖1.1.5電流從電刷引入或引出。2．轉子作用是產生電磁轉矩或感應電動勢，實現機電能量的轉換。樞鐵心渦流和磁滯損耗，電樞鐵心常采用0.35~0.5mm厚的相互絕緣的硅鋼片沖制疊壓而成。2)電樞繞組圓銅線或扁銅線繞制成一定的形狀，放置于電樞鐵心槽中 絕緣)，并用非磁性槽楔封口，線圈的出線端按一定規律與換向器的換向片相連，構成電樞繞組。直流電機的電樞繞組多為雙層繞組，線圈分上下兩層嵌入鐵心槽內，上下層之間有層間絕緣。電樞線圈的邊是產生感應電動勢和電磁轉矩的有效元組每個元件的匝數N可以是單匝．也可以是多匝。按照元件首尾端與換向片連接規律的不同，電樞繞組可分為疊繞組下面先介紹繞組中常用的基本知識。2y23Yk每一個元件有兩個元件邊，每片換向片又總是下層各放個元件邊，即把一個實槽當成下層各放個元件邊，即把一個實槽當成虛槽數與實槽數的關系為：1—首端2—末端3—元件邊4—端接部分5—換向片為分析方便起見，本書中均設4—端接部分5—換向片電機電樞繞組有第一節距、第二節距、合成節距和換向器節距四種，如圖1-7極距：一個磁極在電樞圓周上所跨的距離。第一節距：元件的兩條邊在電樞表面所跨的距離，用兩條邊所跨的槽數表示。第二節距：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距離，用槽數表示。合成節距：直接相連的兩個元件的對應邊在電樞圓周上的距離，用槽數表示。換向器節踱：一個元件的首尾兩端所接的兩個換向片在換向器圓周上所跨的距離，疊繞組是后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分上。單疊繞組的換向器節距和合成節距均為1，即，如圖1-7所示。單疊繞組的連接特點是元件的首尾兩端向片上，并且前一元件的尾端與后一元件的首端接在同一換向片上。3)換向器換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母隔開，彼此絕緣，其結構如圖1-9所示。對于直流電動機，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為繞組中的交變電流，使電機旋轉起來；對于直流發電機，換向器配以電刷，能將電樞繞組中的交變電動勢轉變為直流電4)轉軸轉軸一般用圓鋼加工而成，有一定的機械強度和度，起轉子旋轉的支撐作用。1—換向片2—連接部分用者使用時參考。銘牌上的數據主要有：電機型號、電機額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉速和額定勵磁電流及勵磁方式等。電機的產品型號表示電機的結構和使用特點，國產電機的型號由漢語拼音字母和阿拉伯示設計序號，第三部分用阿拉伯數字表示機座代號，第四部分用阿拉伯數字表示電樞鐵心長鐵心的第2次改型設計的直流電機。機座號表示直流電機電樞鐵心外直徑的大小，共有1~9個機座號，機座號數越大，直徑越大。電樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種：1表示短第一部分字符的含義如下：系列：一般用途直流電動機。系列：精密機床用直流電動機。系列：廣調速直流電動機。：直流牽引電動機。直流電動機。系列：防爆安全型直流電動機。系列：挖掘機用直流電動機。系列：冶金起重機用直流電動機。系列：龍門刨床用直流電動機。系列：無槽直流電動機，用于快速響應的伺服系統中。系列：力矩直流電動機，在位置或速度伺服系統中作執行元件。電機銘牌上所標的數據稱為額定數據，主要有下列幾項：額定功率：在額定條件下電機所能供給的功率。對于電動機，額定功率是指電動機軸上輸出的機械功率；對于發電機，是指電樞出線端輸出的電功率，單位為千瓦()。額定電壓額定電流額定電壓額定電流額定轉速：電機在額定電壓情況下，運行于額定功率時所對虛的電流值，單位為安：電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機的旋轉速度，單位為轉／分()。位為安()。勵磁方式：指直流電機的勵磁線圈與其電樞線圈的連接方式。根據二者連接方式不同，直流電機勵磁有并勵、串勵和復勵等方式。勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。過載運行會引起電機過熱損壞，縮短電機的使用壽命。電機運行于額定狀態或額定狀態附近【例1.1】某臺直流發電機額定數據為：額定功率，額定電壓，額定轉速，額定效率。求它的額定電流及額定負載時的輸入功【例】某臺直流電動機的額定數據為：額定功率，額定電壓，額定轉速，額定效率。求它的額定電流及額定負載時的輸入功率。理線產生感應電動勢和繞組電流在磁場中受力而產生電磁轉矩。1．直流發電機的工作原理定子。磁極之間有一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞鐵心。是固定在鐵心表面的換向器上放置固定不動而與換向片滑動接觸的電刷和，線圈通過換向器和電刷接通外電路。在定子與轉子間有間隙存在，稱為空氣隙，簡稱氣隙。在模型中，當有原動機拖動轉子以一定的轉速逆時針旋轉時，根據電磁感應定律可知，導體和分別切割極和極下的磁感應線，將產生感應電動勢。感應電動勢的方向用右手定則確定。如圖1.1所示，導體在極下，感應電動勢的方向由指向；導體在極下，感應電動勢的方向由指向，所以電刷為正極性，電刷為負極性。當線圈旋轉°后，導體轉至極下，感應電動勢的方向由指向，電刷與所連換向片接觸，仍為正極性；導體轉至極下，感應電動勢的方向變為指向，電刷與以所連換向片接觸，仍為負極性。向器和電刷的作用，電刷的極性總為正，而電刷的極性總為負，在電刷兩端可獲得方向不變的直流電動勢。實際直流發電機的線圈分布于電樞鐵心表面的不同位置上，并按照一定的規律連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據需要極交替放置多對。2．直流電動機的工作原理如圖所示，在導體中，電流由流向；在導體中，電流由流向。載流導體用左下的導體受力方向和極下導體所受力的方向并未發生變化，電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，電動機在此方向不變的轉矩作用下轉動。多線圈，相應的換向器由許多換向片組成，磁極也并非一對。圖1-11直流電動機工作原理示意圖勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同，直流電機可以分為以下4類。(1)他勵直流電機為例設定的(2)并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯。如圖1-12(b)所示。勵磁電壓等于電樞繞組端電壓。以上兩類電機的勵磁電流只有電機額定電流的1%~5%，所以勵磁繞組的導線細而匝數多。(1)主磁通和漏磁通(3)串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯，如圖1-12(c)所示。勵磁電流等于電樞電流，所以勵磁繞組(4)復勵直流電機繞組串聯，稱為串勵繞組，如圖1-13(d)所示。兩個繞組產生的磁動勢方向相同時稱為積復磁場，具有良好的控制性能，因而被廣泛的應用在自動控制系統中。(a)他勵電動機(b)并勵電動機(c)串勵電動機(d)復勵電動機圖1-12直流電機的勵磁方式直流電機不帶負載(即不輸出功率)時的運行狀態稱為空載運行。空載運行時電樞電流為零或近似等于零，所以，空載磁場是指主磁極勵磁磁勢單獨產生的勵磁磁場，亦稱主磁場。一臺四極直流電機空載磁場的分布示意圖如圖1-13所示，為方便起見，只畫一半。-圖1-13直流電機空載磁場分布圖(3)空載磁場氣隙磁密分布曲線主磁極的勵磁磁勢主要消耗在氣隙上，當近似地忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁密的分布就取決于氣隙大小分布情況。一般情況下，磁極極靴寬表明，當勵磁繞組通以勵磁電流時，產生的磁通大部分由又通過氣隙回到定子的又通過氣隙回到定子的磁通，用表示。主磁通經過的路徑稱為主磁路。顯然，主磁路由主磁極、氣隙、電樞齒、表示。漏磁通路徑磁磁通，用表示。主磁通經過的路徑稱為主磁路。顯然，主磁路由主磁極、氣隙、電樞齒、表示。漏磁通路徑磁軛形成閉合回路，這部分僅與勵磁繞組交鏈的磁通稱為漏磁通，以主要為空氣，磁阻很大，所以漏磁通的數量只有主磁通的20%左右。(2)直流電機的空載磁化特性直流電機運行時，要求氣隙磁場每個極下有一定數量的主磁通，叫每極磁通，當勵磁繞組的匝數Wf一定時，每極的大小主要決定于勵磁電流。空通與空載勵磁電流(或空載勵磁磁勢的關系或)稱為電機的圖1-14直流電機鐵心空載磁化曲線空載磁化特性。由于構成主磁路的五部分當中有四部分是鐵磁性材料，鐵磁材料磁化時的圖1-14所示。為充分利用鐵磁材料，又不致于使磁阻太大，電機的工作點一般選在磁化特性開始轉彎、亦即磁路開始飽和的部分(圖如果如果假想將此電機從幾何磁極中心及其附近，氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數，靠近兩邊極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小，超出極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小，在磁極圖1-15空載氣隙磁密分布曲線2.直流電機的電樞反應及負載磁場(1)直流電機的電樞反應直流電機空載時勵磁磁勢單獨產生的氣隙磁密分布為一平頂波，如圖1-15(b)所示，負隙磁場合起來就可得到負載磁場，與空載氣隙磁場相比較，可以了解電樞反應的影響。(2)直流電機的電樞磁場圖1-16表示一臺兩極直流電機電樞磁勢單獨作用產生的電樞磁場分布情況，圈中沒有部元件邊電流是進去，由右手螺旋定則可知，電樞磁勢的方向由左向右，電樞磁場軸線與電刷軸線相重合，在幾何中性線上，亦即與磁。下面進一步分析電樞磁勢和電樞磁場氣該元件有機電樞繞組只有一個整距元件，其軸線與磁該元件有機電樞繞組只有一個整距元件，其軸線與磁，每個元件的磁勢為安匝，由該元件建立的磁場的磁力線分作用在這一閉合磁路的磁勢等于它所包圍的全電流，當忽略鐵磁性材料的磁阻，并認為電機的氣隙均勻時，則每個氣隙所消耗的磁勢為，一般取磁力線自電樞出，進定子時的磁勢為正，反之為負，這樣可得一個整距繞組元件產生的磁勢的分圖1-16電刷在幾何中性線處的電樞磁場布情況如圖1-17(b)所示。可以看出一個整距元件所產生的電樞磁勢在空間的分布為一個為周期、幅值為為周期、幅值為圖1-17繞組元件的磁勢ab)磁動勢的空間分布兩個極距為周期的多級階梯形波，為分析簡便起見或者元件數目足夠多時，可近似地認得電樞磁場磁密的表達式為：式中——氣隙中處的磁勢；——氣隙中處的磁密。圖1-18直流電機電樞反應磁密分布(3)負載時的氣隙合成磁場生畸變，使半個磁極下的磁場加強，磁通增加，另半個極下的磁場減弱，磁通減少。由于增加和減少的磁通量相等，每極總磁通維持不變。由于磁場發生畸變，使電樞表面磁密等實際值低于不考慮飽和時的直接相加值；另半個極下磁場減弱，飽和程度降低，磁阻減小，由以上分析可以知電刷放在幾何中性線上時電樞反應的影響為：1)使氣隙磁場發生畸變。半個極下磁場削弱，半個極下磁場加強。對發電機，是前極2)磁路飽和時，有去磁作用。因為磁路飽和時，半個極下增加的磁通小于另半個極下減少的磁通，使每個極下總的磁通有所減小。1.3電樞繞組的感應電動勢和電磁轉矩條在一個極下的分布不均勻，如圖1-19所示，所以導體中感應電動勢的大小是變化的。為分析推導方便起見，可把磁密看成是均勻分布的，取每個極下氣隙磁密的平均值，從而可得一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁密產生的電動勢的平均值，其表達式為——一個極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；設電樞繞組總的導體數為，支路對數為，則每一條并聯支路總的串聯導體數為，因而電樞繞組的感應電動勢式中——對已經制造式中——對已經制造好的電機，是一個常數，故稱電機的電動勢常數。。上式表明：對已制成的電和轉速成正比。假定電樞可以不予考慮。式中的一般是圖1-19可以不予考慮。式中的一般是密的分布指負載時氣隙合成磁場的每極磁通。電樞繞組中流過電樞電流時，元件的導體中流過支路電流，成為載流導體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力的方向按左手定則確定，如圖1-19所示。一根導體所受所受電磁力的平均值為一根導體所受電磁力形成的電磁轉矩，其大小為方向部是一致的，因而電樞繞組的電磁轉矩等于一根導體電磁轉矩的平均值乘以電樞繞組總的導體數，即式中——對已制成的電機是一個常數，稱為直流電機的轉矩常數。表明：對已制成的電機，電磁轉矩與每極磁通和電樞電流成正比。電樞電動勢和電磁轉矩是直流電機兩個重要的公式。對于同一臺直流電機，電動勢常數和轉矩常數之間具有確定的關系：進而采取有效的方法改善換向，保障電機的正常運行。機中一元件K的換向過程，設bn為電刷的寬度，一般等于一個換向片br的寬度，電樞以Z(a)換向開始瞬時(b)換向過程中某一瞬時(c)換向結束瞬時TK2.在換向過程中(圖1-20(b)所示)，t=，電樞轉到電刷與換向片1、2各接觸一部2分，換向元件K被電刷短路，按設計希望此時K中的電流i=0，由相鄰兩條支路而來的電影響換向的因素是多方面的，有機械因素、化學因素，但最主要的是電磁因素。機械方1.理想換向(直線換向)2.延遲換向不能達到理想，而出現了延遲換向，引起火花。電磁因素的影響有電抗電動勢以及電樞反應電動勢兩種情況。(1)電抗電動勢：電抗電動勢又可分為自感電動勢與互自感電動勢。由于換向過程中，元件內的電流變化。另外，其中互感電動勢總是阻礙換向元件內電流i變化的，即互感電動勢與換向前電流+iz方向相同，即阻礙換向電流減少的變化。中性線處磁場不再為零，這時處在幾何中性線上的換向元件K將切割該磁場，而產生電樞與電樞反應電動勢的存在，產生了附加電流ik。可見，使得換向元件中的電流從+iz變化到零所需的時間比直線換向延遲了，所以稱作延遲換向。(4)附加電流對換向的影響。由于ik的出現，破壞了直線換向時電刷下電流密度的均勻性，從而使后刷端電流密度增大，導致過熱，前刷端電流密度減小，當換向結束，即換向刷，最終導致電機不能正常運行。產生火花的電磁原因是換向元件中出現了附加電流ik，因此要改善換向，就得從減小、甚至消除附加電流ik著手。1)選用合適的電刷，增加接觸電阻2)移動電刷位置如將直流電機的電刷從幾何中性線nn移動到超過物理中性線nm的適當位置，如做相應的重新調整，實際中是很難做到。因此，這種方法只有在小容量電機中才采用。(a)移動電刷位置改善換向(b)安裝換向極改善換向3)裝設換向極勢，讓此感應電動勢去抵消電抗電動勢。未達到此目的，換向極繞組應與電樞繞組相串聯，使換向極磁場也隨電樞磁場的強弱而變化。換向極極性的確定原則是使換向極磁場方向與電性相同，在電動機運行時，換向極的極性應在與逆著電機轉向的相鄰的主磁極的極性相同。4)補償繞組由于電樞反應的影響會使氣隙磁場發生畸變，這樣就增大了某幾個換向騙之間的電壓。在負載變化劇烈的大型直流電機內，有可能出現環火現象(即正負電刷見出現電弧)，造成在很短的時間內損壞電機。為防止環火，最常用的辦法是加裝補償繞組，抵消電樞反應的影響。