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電機的定義及分類 是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。用于電能的產生、傳輸與分配。 依據運動方式分類： 發電機：將機械能轉換為電能。 電動機：將電能轉換為機械能。 變壓器：將某一電壓等級的電能轉換為另一電壓等級的電能。 靜止電機-----------------變壓器 電機 直流電機 ： 旋轉電機 交流電機： 異步電機、同步電機 發展情況： 基本系列、派生系列、特種電機、專用電機、節能電機 直流電機由定子和轉子兩大部分組成：
一、定子結構 1、主磁極：主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子轉動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數一定是偶數，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現。 2、機座：機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。 機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有端蓋。 3、換向極：換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座上。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截面。 4、端蓋：端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內部還起防護作用。 5、電刷裝置：電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調整電刷的位置。 二、轉子的結構 1、電樞鐵心：電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風，沖片可沿軸向分成幾段，以構成徑向通風道。 2、電樞繞組：電樞繞組由一定數目的電樞線圈按一定的規律連接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。 3、換向器：在直流發電機中，換向器起整流作用，在直流電動機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環夾緊而構成，如圖所示。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應換向片的升高片內。小型電機常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。 直流電機的額定參數 額定參數是制造廠家對直流電機在指定工作條件下運行時所規定的一些量值。在額定狀態下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。并具有優良的性能。額定參數也是制造廠和用戶進行產品設計或試驗的依據。額定參數通常標在各電器的銘牌上，故又叫銘牌值或名牌數據。 直流電機的主要額定值主要有： 額定功率 PN：指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以瓦特 "W" 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 千瓦kW 或 兆瓦MW 表示。 額定電壓 UN： 指額定狀態下電樞出線端的電壓，以伏特 "V" 為量綱單位。 額定電流 IN： 指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 安培"A" 為量綱單位。 額定轉速 nN： 指額定狀態下運行時轉子的轉速，以r/min為量綱單位。 額定勵磁電流 If： 指電機在額定狀態時的勵磁電流值。 注: 對于直流發電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PN＝UNIN 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率ηN存在。PN＝UNINηN 直流發電機和直流電動機的工作原理 一、直流發電機 機械能轉換為直流電能。 定子（不動部件）上的勵磁繞組通過直流電流(稱為勵磁電流If)時產生恒定磁場（勵磁磁場，主磁場）； 原動機帶動電樞線圈旋轉切割主磁場B,轉速n(r/min)； 電樞線圈的導體中將產生感應電勢e=Blv； 通過換向器與電刷的作用，可以引出單向（直流）的端電勢eAB。 為了得到穩定的直流電勢，直流電機的電樞圓周上一般有多個線圈分布在不同的位置，并通過多個換向片聯接成電樞繞組。 二、直流電動機 將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導體有電流流過。 電機內部有磁場存在。 載流的轉子（即電樞）導體將受到電磁力 f 的作用 f=Blia （左手定則） 所有導體產生的電磁力作用于轉子，拖動機械負載旋轉。 直流電機之特點 1、直流發電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。 2、直流電動機的調速范圍寬廣，調速特性平滑。 3、直流電動機過載能力較強，起動和制動轉矩較大。 4、由于存在換向器，其制造復雜，價格較高。 直流電機的用途 直流電機即可作為發電機使用，也可作為電動機使用。用作發電機可以獲得直流電源，用作電動機，由于其具有良好的調速性能，在許多調速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。 1、提供電源:發電機 2、提供動力:電動機 3、進行信號的轉換、傳遞:測速發電機,伺服電動機。 做勵磁機用：一般小于10萬kW即00MW的單機同步發電機要用直流發電機作為勵機。 作電源用:直流發電機將機械能轉化為直流電能 作動力用:直流電動機將直流電能轉化為機械能； 信號傳遞:直流測速發電機將機械信號轉換為電信號；直流伺服電動機將控制信號轉換為機械信號。 直流電動機的電樞繞組 電樞繞組是直流電機的電路部分，是實現機電能量轉換的樞紐。 電樞繞組的設計，應能產生足夠的感應電動勢，并允許通過一定多電樞電流，從而產生所需的電磁轉矩和電磁功率。此外，還要節省有色金屬和絕緣材料，結構簡單，運行可靠。 大致分為兩類為環形和鼓形。 環形繞組只曾在原始電機用過，由于容易理解故講原理時也用此類繞組； 鼓形繞組比環形繞組制造容易，又節省導線，運行較可靠，經濟性好，故現在均用鼓形繞組。它又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。 鼓形繞組有許多個形狀相同的線圈組成，每個線圈有兩個有效邊，分別位于電樞圓周相距一個極距的兩個槽中。 一個邊在上層時，另一個邊一般在下層。每個換向片接兩個不同的線圈端頭。將所有的電樞線圈按照一定的規律聯接起來，就構成電樞繞組。 在實際電機中，電樞繞組有多種形式。 第2章直流電機的基本理論 直流電機的主磁場一般由套在主極鐵心上的勵磁繞組產生。勵磁繞組與電樞回路之間的連接方式有：他勵/并勵/串勵/復勵。不同的勵磁方式對電機的性能將產生較大的影響。 直流電機空載時的磁場由勵磁繞組單獨激勵，其分布取決于磁路的情況。一般情況下，直流電機的空載磁通密度分布為平頂波（帽形）。 當直流電機負載時，電樞繞組繞組中的電樞電流將產生電樞磁勢，電樞磁勢對主磁場的分布和主磁通的大小將產生一定的影響，這種影響稱為電樞反應。 交軸電樞反應將使主磁場發生畸變，當磁路飽和時會對主磁場產生去磁作用。當電刷偏離幾何中性線時，還將產生去磁或者增磁的直軸電樞反應。 發電機和電動機是直流電機的兩種運行狀態。在兩種狀態下，電樞繞組中均產生感應電勢。感應電勢的公式Ea=CeΦn表明感應電勢的大小正比于轉速及每極磁通。在發電機中Ea>U,在電動機中U>Ea。 同樣，直流發電機和電動機中均存在電磁轉矩。其公式T=CTΦIa表明電磁轉矩的大小正比于電樞電流和每極磁通。在發電機中，電磁轉矩是阻力轉矩，在電動機中電磁轉矩是拖動轉矩。 直流電機的電勢平衡方程反映了電機電路中各種量之間的關系。功率平衡方程表明了輸入功率、輸出功率和各種損耗之間的關系。電磁功率PM=TΩ=EaIa顯示了機械功率和電磁功率之間的轉換關系。 2-1直流電機的勵磁方式 一、定義 直流電機勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯接。 二、分類 除了永磁直流電機外，直流電機的勵磁方式有他勵和自勵（串勵、并勵和復勵）。 2-2 空載時直流電機的磁場 一、直流電機的磁通路徑 磁路從主磁極1出發經氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛--主磁極1。 二、空載磁通密度波形 空載時電樞電流為0，氣隙磁場是由勵磁電流單獨決定。 極極面下氣隙較小且均勻，磁密較強且均勻。 極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何性中線處磁密為0。 空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數B0（x）表示；分析可知它是平頂波。 2-3 負載時直流電機的磁場――電樞反應 直流電機負載后，電樞繞組有電流通過,并產生電樞磁場。 負載時氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同決定 電樞磁場會對主磁場產生一定的影響，這一影響稱為電樞反應。 電樞反應會使得每極磁通發生變化，也會使氣隙磁場發生畸變，從而影響電機的性能。 一、電樞磁勢的分布 電樞磁勢的分布與電樞電流的分布有關。 電樞電流的方向由電刷來界定。圖中電刷以上電流為流入紙里，電刷以下為流出紙面。 這樣的電流分布所產的磁力線如圖所示。（右手定則） 可見，電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導體的連線重合。或者說電刷位置決定了電樞磁勢的軸線。 當電刷與處于幾何中性線上的導體相接觸時，電樞磁勢的軸線在交軸方向。并把這一磁勢稱為交軸電樞反應磁勢。 設直軸線與電樞外圓的交點為0點，在距0點為x處作一閉合磁力線回路。該閉路包圍的電流數即為總磁勢Fa。 電樞表面單位長度上的電流數A稱為電機的線負荷。 二、電樞磁勢單獨產生的磁感應強度的分布 該磁密由磁勢和氣隙共同決定。 極面下氣隙基本不變，磁密正比于磁勢； 兩極之間的區域內，氣隙變大，磁密迅速減小。一個周期的磁密波形呈馬鞍形。 三、電樞磁場與勵磁磁場（主磁場）的合成及電樞反應 主磁場為平頂波，電樞磁場為馬鞍形波。 在一個極距內相加時，一半極距內磁密加強，另一半極距內磁密減弱。 如果電機的磁場不飽和，則半個極距內增加的磁通量與另半個極距內減少的磁通量相等。即每極總磁通Φ與空載時一樣。 實際上由于飽和，使得每極磁通總體上有所減少。 由圖可知，原來的磁場發生了畸變，0點發生了位移。 電樞反應：氣隙磁場發生畸變/每極磁通減少。此反應會對電機性能產生不良影響。 四、直軸電樞反應 電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導體的連線相一致。 當電刷與幾何中性線上的導體相接觸時，電樞磁勢的軸線也處于幾何中性線上，即與主極軸線正交，稱其為交軸電樞磁勢。 以上討論的實際上是交軸電樞反應。 如果將電刷位置逆時針移動β角，則電樞磁勢可分為兩部分。 2β范圍內的磁勢為直軸電樞磁勢Fad。 (π-2β)角度內的磁勢為交軸電樞磁勢Faq。 直軸電樞磁勢的作用為： 對發電機來說，電刷順轉向偏移時為去磁，逆轉向偏移時為增磁； 對電動機來說，電刷順轉向偏移時為增磁，逆轉向偏移時為去磁。 |
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