直流电机工作原理、结构、励磁方式、额定值

,.直流电机的工作原理和结构直流电机是本课程学习的最后一种机种，在前面讲述变压器、异步电机、同步电机的过程中，我们不断地采用了归纳、类比、找出异同点的讲授方法，是希望大家通过这 样的学习，能逐步训练自己掌握一种善于不断归纳、总结；善于采用类比、比较、找出 异同点的学习方法，这种分析问题、解决问题的方法不但对学习电机、对学习其他课程、甚至对将来参加工作都是十分有用的，这是一种良好的学习、工作、生活方法和习惯。 在学习直流电机过程中，我们继续尝试采用这样的方法。直流电机分直流发电机和直流电动机，其中：直流发电机是把机械能转变为直流电能、直流电动机是把直流电能转变为机械能。与前面介绍过的各种电机比较，它们各有异同之处： 1.由于发电机都是把机械能转变为电能，因此机械 转矩都是驱动转矩、电磁转矩都是制动转矩，因此直流发电机的转矩平衡方程式将与交流（同步）发电机相同，均为：t1t+t0；所对应;.的功率平衡方程式也将相同：p1 pm p0；其中： t1 p19550p1 ；t pmn9550 pm ；nt0 p0p09550n； n 是转子转速，对同步机nn1。相异的只是 pm 的表达式有所不同。同理，由于电动机都是把电能转变为机械能，因此电磁转矩都是驱动转矩、机械转矩都是制动转矩，因此直流电动机的转矩平衡方程式应与异步电动机、同步电动机相同，均为：tt2+t 0；其中：t2 p2p29550n；t0 p09550p0 ；n 是转子转速；t pm n1pm，9550n1n1 是转子旋转磁场的转速，对直流机和同步机也是转子转速，相异的同样是三种机种的pm 表达式各有区别。比如：已学过的异步机pm 3ir222；隐极同步机 pm 3 u1 i1cos 3 u 1e0sin ；而直流s电动机的将为： pm eaia。1 x d2由于无论任何旋转机种，电磁转矩都是电磁力乘以半径，电磁力就是载流导体在磁场中所受的力，因此异步机的电磁转矩物理表达式tpmctm 2icos2与直流机的电磁转矩1表达式 t pmctm ai也是极为相似。 相异的只是交流电流只有其有功分量icos22才能产生转矩，而直流电流i a 并 无 有 功 、 无 功 分 量 之 分 。3我们曾提到过异步机和变压器都是属单边励磁的，即只有原边或定子接电源，副边和转子都不接电源，因此它们之间从感应电势表达式到等值电路、方程式、相量图都有很 多相似之处。而同步电机和直流电机都是双边励磁的，即定子和转子都接电源，因此它 们的磁场也有很相似之处。它们其中一边都是电枢磁场、另一边都是主极磁场，当电机 空载时，都只有主极磁场；当电机负载时，除了有主极磁场外还有电枢磁场，电枢磁场 对主极磁场的影响都称之为电枢反应，因此同步机有电枢反应，直流机也将有电枢反应。相异的是：同步机的电枢是交流的，直流机的电枢是直流的，交流磁场与直流磁场的电枢反应性质是不同的。此外，同步机的定子是电枢、转子是主磁极；直流电机刚好相反：定子是主磁极、转子是电枢。在学习直流电机的过程，提请大家注意上述归纳总结的异同点。一直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理看如图的电机模型：空间有一对固定不动的磁极，中间有一个旋转的铁磁圆柱体，上面敷设着一个线圈 abcd。发电机是把机械能转变为电能， 当原动机拖动铁磁圆柱体旋转时， 线圈导体就会切割磁力线感生电势。,.若圆柱体旋转的方向为逆时针，当 ab 边在 n 极下时， 据右手定则， 感应电势方向从dcba；若带上负载电阻rad，电阻的 a 端固定接线圈 a 端，d 端固定接线圈 d 端，则负载电流方向从 a d，如图蓝色箭头方向。当圆柱体转过1800 以后， cd 边转到 n 极下，则据右手定则，感应电势方向从abcd，由于负载电阻的a 端固定接线圈a 端， d 端固定接线圈 d 端，则负载电流方向从 da，如图红色箭头方向。可见，由负载得到的是交流电流而不是直流电流。ab 边在 n极下时线圈电势dcb a负载电流adcd 边在 n极下时线圈电势abc d负载电流da原因是：由于磁极的极性没有变、原动机旋转方向没有变，由右手定则可知，n极下的导体电势肯定都是指出来、 s极下的电势肯定都是指进去的。因此，在电机旋转过程中， 每条线圈边在转过n 极和 s 极时电势都要交变一次，即线圈中的电流其实是交流电流。故若把电阻负载的两端固定接线圈的两端，负载所得到的自然同样是交流电流。为了使流经负载的电流为直流，唯有令负载的一端固定接n 极下的导体，负载的另一端固定接 s 极下的导体，即无论哪根导体转到n 极下，这根导体就接到负载a 端，无论哪根导体转到s 极下，这根导体就接到负载的d 端。要实现这个目的必须借助电刷和换向器，如图：线圈 a 端和 d 端分别接到两片相互绝缘的铜片上，称之为换向片，所有换向片随电机轴旋转称为换向器。电刷是固定不动的，令负载电阻的a 端固定接电刷 a ，负载电阻的 d 端固定接电刷 d。则加上电刷和换向器后，ab 边在 n极下时线圈电势dcb a负载电流adcd 边在 n极下时线圈电势abc d负载电流a d可见：虽然线圈的电流仍为交流，负载的电流却是直流。因此，直流发电机的工作原理是：导体切割磁力线感生电势，通过电刷和换向器的作用，使负载的一端固定接n 极下的导体，而负载的另一端固定接s 极下的导体，从而使电机虽然线圈中的电流是交流，在负载却得到了直流电。（二）直流电动机工作原理仍然是上图的电机模型，电动机是把 电能转变为机械能。若直流电源的正极固定接线圈的 a 端，负极固定接线圈的d 端，当 ab 边在 n 极下时，线圈通入如蓝色箭头方向的直流电流a bc d， 根据载流导体在磁场中受电磁力的作用，方向符合左手定则，则电磁力为逆时针方向； 当线圈逆时针转过1800 以后， cd 边转到 n 极下，由于 a 端固定接正极， d 端固定接负极，故线圈的电流方向如红色箭头示a bcd，由左手定则可知，线圈所受的电磁力为顺时针方向；即线圈所受的电磁力方向是交变的，故线圈只能来回晃动，不能单方向旋转。ab 边在 n极下时线圈电流abc d电磁力逆时针cd 边在 n极下时线圈电流abc d电磁力顺时针原因是：磁极的极性没有变，要想产生单方向的电磁力，同一极性下导体的电流一定要是单方向的。如今由于线圈a 端固定接电源正极、 d 端固定接负极，则ab 边转到 n 极下时，电流是从n 极流进 s 极流出，但当ab 边转到 s 极下时，电流又变成从s 极流进 n极流出，因而产生的电磁力就是交变的了。解决办法也是采用电刷与换向器。同样是线圈 a 端和 d 端分别接到两片相互绝缘换向片上，换向器随电机轴旋转。电刷固定不动，电源正极固定接电刷a，电源的负极固定接电刷d。则加上电刷和换向器后，ab 边在 n极下时线圈电流 abc d电磁力逆时针cd 边在 n极下时线圈电势 dcb a电磁力逆时针可见：线圈的电流是交流，但产生的电磁力是单方向的。因此，直流电动机的工作原理是：载流导体在直流磁场中受电磁力的作用，通过电刷和换向器，使得同一极性下的导体电流为单方向，从而产生单方向的电磁力，通过上面的讨论，还可以得出这样的结论： 1直流电机线圈中的电势、电流是交流，只有电刷两端的电势、电流才是直流，因此直流电机实质上是带电刷和换向器的交流电机。电刷与换向器配合，在直流发电机中相当于整流器的作用：把线圈的交流电整流为电刷两端的直流电；在直流电动机中相当于逆变器的作用：把电刷两端的直流电逆变成线圈中的交流电。 2直流发电机和直流电动机的模型完全相同，从原理上来说，一台直流电机既可以作发电机运行，也可以作电动机运行，只是能量传递的方向不同。如果由原动机带动电机旋转发出直流电，输出到直流电网，把机械能转变为电能，这时电机运行在发电状态；如果降低原动机的转速，直至电机电流反向，变成直流电网向电机供电，电机反要拖动原,.来的原动机旋转，把直流电能转变为机械能，此时电机运行在电动状态。这种同一台电机既可作发电机运行也可作电动机运行的原理，称为电机的可逆性原理。二直流电机的结构由直流电机的模型可看到，它跟其它旋转电机一样分定子和转子两大部分，定、转子之间是气隙。（一） .定子1主磁极直流电机的主磁极既可以是永久磁铁也可以是直流电励磁，为了使主磁通在气隙中分布更合理，极靴部分比极身部分要宽些，如图。2. 换向极由直流机的工作原理可知。电机线圈里的电流是交流，通过电刷和换向器才把之变为电刷两端的直流。因此每根导体在经过电刷前和经过电刷后电流要反一次向，我们把这个过程称之为换向。 电流的交变会在线圈电感中感生电势l di ，由此产生的换向电流会建dt立电磁能量1 li 2 ，在换向结束时这些能量会以火花的形式从电刷后放出来，火花会使电2刷和换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常工作。装置换向极的目的就是为了减少火花，改善换向。换向极装在两个磁极中间，即几何中性线处，换向极绕组与电枢绕组串联。3. 机座机座一方面起支承定子的作用，另方面是电机主磁路的一部分。4. 电刷装置（二） .转子（称为电枢） 1电枢铁心电枢铁心是电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。由于直流电机线圈中的电流是,.交流，为了减少交变磁通在铁心中产生的铁耗，与其它机种一样，电枢铁心采用0.5mm厚的相互绝缘的硅钢片叠压而成。2. 电枢绕组实际的电枢绕组由很多线圈按一定规律绕成。3. 换向器实际的换向器由很多换向片构成，每片之间互相绝缘。根据直流电机的结构，直流机的线路图如图所示：三直流电机的励磁方式与同步电机不同， 由于直流电机的定子和转子、 即主磁极和电枢流经的都是直流电流， 因此主磁极励磁绕组既可与电枢绕组并联、也可与电枢绕组串联、也可单独由其它直流电源供电。根据主磁极励磁电流的获得方式不同，称之为不同的励磁方式。直流电机有4种不同的励磁方式： 1他励：励磁绕组由其它独立电源供电特点：电网电流电枢电流，即ii a。如图分别为他励直流发电机和电动机的线路图：2并励：励磁绕组并在电枢绕组两端注意并励发电机和电动机的电流关系是不同的。并励直流发电机：电机发出的电枢电流ia 须提供一小部分给励磁绕组作励磁电流if ，其余的输出到电网： iai+i f并励直流电动机：电网提供的电流一小部分供给励磁绕组，其余的送入电枢绕组：iia + i f 3串励：励磁绕组串在电枢回路特点：不论电动机还是发电机：i= i a = if4复励：有两个励磁绕组，一个串在电枢回路、一个并在电枢绕组两端如果串励绕组与并