接在直流电源上运行的直流电机.doc

接在直流电源上运行的直流电机，怎么判断它是运行在发电状态还是运行在电动状态

对交流电机来说
就是用电压与电流的相位来判断。
对同步电机，可以是电网的感性负载也可以是容性负载，两种工作状态同样可以用相位判断。

先考虑仅有两个设备的最简单的直流电路，两个设备一个我们称电源，另一个称负载。
　　当电源方向与电流方向相同(在负载上由正到负，在电源上由负到正)时，电源供电给负载。当电源方向与电流方向相反(在负载上由负到正，在电源上由正到负)时，负载供电给电源。
　　交流电路中同样如此。只不过交流电路中电压与电流大小和方向时刻在变化，任一时刻电源供电给负载还是负载供电给电源需要看此时刻电压与电流的方向而定。
　　对正弦电路，显然，当电压与电流同相时，电压与电流方向总是一致的，只可能由电源供电给负载，不可能由负载供电给电源。当电压电流不同相时，一个周期内，一部分时间是电源供电给负载，另一部分时间是负载供电给电源，感性负载和容性负载就是如此。
　　经计算可知，正弦交流电路中，当电压与电流相差90度时，一个周期内电源向负载供电数量与负载向电源供电数量相等，平均来说，电源不向负载供电，当然，负载也不向电源供电。当电压与电流相差180度(反相)时，任何时刻仅负载向电源供电，没有电源向负载供电。
　　所以，对正弦交流电路，当电压与电流相位差小于90度时，一个周期平均来说，是电源向负载供电，大于90度时，是负载向电源供电。
　　如果不是正弦电路，计算比较复杂，需要对功率函数进行积分。

什么是直流发电机
　　直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。
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直流发电机的工作原理
　　用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边 a b 和 c d 分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势
　　直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势 因为电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电动势。所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷 B 始终有负极性。所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势
　　结论 线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷 A B 端的电动势却是直流电动势。
　　当发电机的电枢被其他机器带动以均匀速逆时针旋转时，线圈abcd作切割磁感线运动。线圈转到图7－4所示位置时，用右手定则可以判断出ab段导体产生的感应电动势方向为b→a；cd段导体产生的感应电动势方向为d→c，则与滑片1接触的电刷A为正极，与滑片2接触的电刷B为负极。当线圈转到中性面（与磁感线相垂直的平面）时，感应电动势从最大值逐渐减小到零。当线圈转过中性面后，ab段导体产生的感应电动势方向由a→b；cd段导体的感应电动势方向由c→d。此时，电刷A改为与换向器的滑片2接触，电刷B与滑片1接触。随着线圈在磁场中的不断转动，换向器滑片1和2间的感应电动势是大小和方向都随时间变化的交变电动势，但电刷A与B交替地接触与线圈同时转动的换向器滑片1和2，因此在电刷A与B间产生的是脉动直流电动势，从A与B输出的就是直流电了。
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直流发电机与直流电动机的区别
　　直流发电机和直流电动机在结构上没有差别。只不过直流发电机是用其他机器带动，使其导体线圈在磁场中转动，不断地切割磁感线，产生感应电动势，把机械能变成电能。直流发电机由静止部分和转动部分组成。静止部分叫定子，它包括机壳和磁极，磁极当然是用来产生磁场的；转动部分叫转子，也称电枢。电枢铁芯呈圆柱状，由硅钢片叠压而成，表面冲有槽，槽中放置电枢绕组。换向器是直流电机的构造特征，在示意图7－4中，换向器就是那两个与线圈abed两端a与d相连的弧形导电滑片1和2，这两个弧形导电滑片相互绝缘。随着线圈转动。两个固定不动的电刷A和B，紧压在换向器滑片上，并与外电路相连接。为了减小直流发电机输出的直流电的脉动性，电枢绕组并不是单线圈，而是由许多线圈组成，绕组中的这些线圈均匀地分布在电枢铁芯的槽内，线圈的端点接到换向器的相应的滑片上。换向器实际上由许多弧形导电滑片组成，彼此用云母片相互绝缘。线圈和换向器的滑片数目越多，产生的直流电脉动就越小，这当然也给制造上带来困难。直流发电机产生的感应电动势的大小与定子磁场的磁感应强度和电枢的转速成正比。中小型直流光电机输出的额定电压并不高，为115伏、230伏、460伏。大型的直流发电机输出的额定电压在800伏左右，输出更高电压的直流发电机属于高压特殊机组的范围内，比较少用了。
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直流电机的结构
　　旋转电机结构形式 , 必须有满足电磁和机械两方面要求的结构, 旋转电机必须具备静止和转动两大部分

直流电机的结构

　　1.直流电机静止部分称作定子
　　作用 -- 产生磁场
　　由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成
　　2.直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢)
　　作用 -- 产生电磁转矩和感应电动势
　　由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成
　　直流电机的静止部分
　　1.主磁极是一种电磁铁，用 1-1.5 毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心
　　主磁极和换向极示意图（图1.1.11）

主磁极和换向极示意图

　　2.换向极（又称附加极或间极）
　　作用 -- 改善换向
　　换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成
　　铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联
　　3.机座 机座通常由铸铁或厚铁板焊成，有两个作用：
　　固定主磁极、换向极和端盖；
　　作为磁路的一部分。 机座中有磁通经过的部分称为磁轭
　　4.电刷装置
　　作用--把直流电压、直流电流引入或引出
　　由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成
　　直流电机的转动部分
　　1.电枢铁心 两个用处：
　　作为主磁路的主要部分；
　　嵌放电枢绕组，通常用０.５ｍｍ厚的硅钢片冲片叠压而成
　　2.电枢绕组
　　直流电机的主要电路部分， 用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换，由许多按一定规律联接的线圈组成，元件及嵌放方法（图1.1.16）
　　3.换向器
直流电机的重要部件，作用---将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势

直流电机（D.C.machine）
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定义
　　定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
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直流电机的结构
　　直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。
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直流电机的可逆运行原理
　　一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
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直流电机的分类
　　按结果主要分为直流电动机和直流发电机
　　按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机
　　直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
　　直流电机的励磁方式
　　1．他励直流电机
　　励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
　　2．并励直流电机
　　并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
　　3．串励直流电机
　　串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
　　4．复励直流电机
　　复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
　　不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。
　　直流发电机
　　直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。
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直流电机铭牌
　　国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音字母表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。
　　以Z2---92为例：Z表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。
　　第一部分字符含义如下：
　　Z系列：一般用途直流电动机（如Z2 Z3 Z4等系列）
　　ZJ系列：精密机床用直流电机
　　ZT系列：广调速直流电动机
　　ZQ系列：直流牵引电动机
　　ZH系列：船用直流电动机
　　ZA系列：防爆安全型直流电动机
　　ZKJ系列：挖掘机用直流电动机
　　ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机
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直流电机的励磁方式
　　直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

直流电机的励磁方式

　　1．他励直流电机
　　励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
　　2．并励直流电机
　　并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
　　3．串励直流电机
　　串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
　　4．复励直流电机
　　复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
　　不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。
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直流电机的工作原理
　　一、直流发电机工作原理
　　直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
　　感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）
　　在图1.1所示瞬间，导体a b 、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c 。这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。
　　图1.1 直流发电机原理模型
　　当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。
　　图1.2 直流发电机原理模型
　　从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
　　二、直流电动机的工作原理
　　导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
　　图1.3 直流电动机的原理模型
　　当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
　　图1.4 直流电动机原理模型
　　因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。
　　永磁无刷直流电机控制器设计