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直流机电的工作原理和结构直流机电是本课程学习的最后一种机种,在前面讲述变压器、异步机电、同步机电的过程中,我们不断地采用了归纳、类比、找出异同点的讲授方法,是希翼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、解决问题的方法非但对学习机电、对学习其他课程、甚至对将来参加工作都是十分实用的,这是一种良好的学习、工作、生活方法和习惯在学习直流机电过程中,我们继续尝试采用这样的方法直流机电分直流发机电和直流电动机,其中直流发机电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机电比较,它们各有异同之处1•由于发机电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,因此直流发机电的转矩平衡方程式将与交流(同步)发机电相同,均为[=T+T;所对应的功率平衡方程式也将相同P『P+P;其中[=空=9550卫;T=甩=9550也;M o0n0nT『应=9550直;n是转子转速,对同步机鼻相异的只是P M的表达式有所不同Q n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T—T2+T0;其中丁2=空=9550旦;T=旦=9550旦;n星转子转速;T=也=9550匹,0n0n焉nrn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1P M表达式各有区别比如已学过的异步机P M=3匚互;隐极同步机P=3ULcos©=3UE—s jij;而直流2।0M O电动机的将为P=E loM aa
2.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T=勺二CH COSI;与直流机的电磁转矩01表达式T二电CJ I也是极其相似相异的只是交流电流惟独其有功分量1QOS「才干产生转矩,而直流电流I并无有功、无功分量之分a
3.我们曾经提到过异步机和变压器都是属单边励磁的,即惟独原边或者定子接电源,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机电和直流机电都是双边励磁的,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,当机电空载时,都惟独主极磁场;当机电负载时,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止匕外,同步机的定子是电枢、转子是主磁极;直流机电刚好相反定子是主磁极、转子是电枢在学习直流机电的过程,提请大家注意上述归纳总结的异同点一.直流机电的工作原理
(一)直流发机电工作原理看如图的机电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abedo发机电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c fbi a;若带上负载电阻R AD,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AfD,如图蓝色箭头方向当圆柱体转过180以后,cd边转到N极下,则据右手定则,感应电势方向从afb fcfd,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DfA,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dfcf bfa--------------------------负载电流Af Dcd边在N极下时线圈电势afbfcfd负载电流DfA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,在机电旋转过程中,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,惟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,所有换向片随机电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则加之电刷和换向器后,ab边在N极下时线圈电势CTa负载电流A Dcd边在N极下时线圈电势af bfCTd负载电流A D可见虽然线圈的T电流仍为交流,负载的电流却是直流因此,直流发机电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,从而使机电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机电模型,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af bfC fd,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180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afbfcfd,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af bfcf d电磁力逆时针cd边在N极下时线圈电流af bfcf 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,贝!Jab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,于是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Do则加之电刷和换向器后,ab边在N极下时线圈电流d电磁力逆时针cd边在N极下时线圈电势c Ta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直流机电线圈中的电势、电流是交流,惟独电刷两端的电势、电流才是直流,因此直流机电实质上是带电刷和换向器的交流机电电刷与换向器配合,在直流发机电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.直流发机电和直流电动机的模型彻底相同,从原理上来说,一台直流机电既可以作发机电运行,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机电旋转发出直流电,输出到直流电网,把机械能转变为电能,这时机电运行在发电状态;如果降低原动机的转速,直至电机电流反向,变成直流电网向机电供电,机电反要拖动原来的原动机旋转,把直流电能转变为机械能,此时机电运行在电动状态这种同一台电机既可作发机电运行也可作电动机运行的原理,称为机电的可逆性原理二.直流机电的结构由直流机电的模型可看到,它跟其它旋转机电一样分定子和转子两大部份,定、转子之间是气隙
(一)•定子1主磁极直流机电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,极靴部份比极身部份要宽些,如图
2.换向极由直流机的工作原理可知机电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-Li2,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,严重时将使机电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,另方面是机电主磁路的一部份
4.电刷装置
(二)•转子(称为电枢)
1.电枢铁心电枢铁心是机电主磁路的一部份,用来嵌放电枢绕组由于直流机电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不少线圈按一定规律绕成
3.换向器实际的换向器由不少换向片构成,每片之间互相绝缘根据直流机电的结构,直流机的路线图如图所示三.直流机电的励磁方式与同步机电不同,由于直流机电的定子和转子、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机电有4种不同的励磁方式L他励励磁绕组由其它独立电源供电特点电网电流二电枢电流,即1=la如图分别为他励直流发机电和电动机的路线图
2.并励励磁绕组并在电枢绕组两端注意并励发机电和电动机的电流关系是不同的并励直流发机电机电发出的电枢电流%须提供一小部份给励磁绕组作励磁电流L,其余的输出到电网1=1+1f并励直流电动机电网提供的电流一小部份供给励磁绕组,其余的送入电枢绕组1=l+la f
3.串励励磁绕组串在电枢回路特点不论电动机还是发机电匚二二L
4.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励绕组产生的磁通方向相同,称为积复励;如果串励绕组与并励绕组产生的磁通方向相反,称为差复励;四.直流机电的额定值1额定电压,指电网电压V、KV2额定电流l:指电网电流AN3额定功率额定容量P:指输出功率KWN直流发机电T输出功率是电功率,二P N二U INN直流电动机T输出功率是机械功率,输入功率才是电功率-PI=4P N-I n=比I nN4额定励磁电流hA5额定转速n rpm。