直流电机介绍

1、第第2章章直流电机直流电机 2.1概述概述 q直流电机直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机发电机使用，也可使用，也可 作为作为电动机电动机使用。用作发电机可以获得使用。用作发电机可以获得直流电源直流电源，用作电动机，由于其具有良，用作电动机，由于其具有良 好的好的调速性能调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。 一一. . 直流电机的直流电机的用途用途 作作电源电源:直流发电机将机械能转化为直直流发电机将机械能转化为直 流电能。一般小于流电能。一般小于10万万kW即即100

2、MW的的 单机同步发电机要用直流发电机作为其单机同步发电机要用直流发电机作为其 励磁机励磁机 作作动力动力用用:直流电动机直流电动机 将直流电能转化为机械能将直流电能转化为机械能； 信号传递信号传递-直流伺服电动机将控直流伺服电动机将控 制电信号转换为机械信号。制电信号转换为机械信号。 信号传递信号传递:直流测速发电机将直流测速发电机将 机械信号转换为电信号机械信号转换为电信号 二二. . 直流电机的直流电机的优缺点优缺点 直流发电机的直流发电机的电势波形电势波形较好，受较好，受电磁干扰电磁干扰的影响小。的影响小。 直流电动机的直流电动机的调速范围调速范围宽广，调速特性宽广，调速特性平滑平滑。

3、 直流电动机直流电动机过载能力过载能力较强，较强，起动起动和和制动制动转矩较大。转矩较大。 由于存在由于存在换向器换向器，其制造，其制造复杂复杂，价格价格较高。较高。 B N S 2.1.10直流电机直流电机工作原理工作原理 一、原理图一、原理图( (物理物理模型图模型图) ) 磁极对磁极对N、S不动不动 线圈（绕组）线圈（绕组）abdc旋转旋转 换向片换向片1、2旋转旋转 电刷电刷A、B及出线不动及出线不动 a b c d 1 2 A 二、直流二、直流发电机发电机原理（机械能原理（机械能-直流电能）直流电能） 定子定子（不动部件）上的（不动部件）上的励磁绕组励磁绕组通过直流电流通过直流电流(

4、称为称为励磁电流励磁电流If)时产时产 生恒定生恒定磁场磁场（励磁磁场，主磁场）；（励磁磁场，主磁场）； 原动机原动机带动带动电枢线圈电枢线圈旋转，旋转， 切割切割主磁场主磁场B,转速转速n(r/min)； 电枢线圈的导体中将产生电枢线圈的导体中将产生 感应电势感应电势e=Bl v； 通过通过换向器换向器与与电刷电刷的作用，的作用， 可以引出可以引出直流直流的端电势的端电势EAB， 以便输出以便输出直流电能直流电能。 B N S a b c d 1 2 A 问题问题1-1：直流电机直流电机电枢单个导体电枢单个导体中感应电势的性质？中感应电势的性质？ 问题问题1-2：直流电机直流电机通过电刷引出

5、通过电刷引出的感应电势的性质？的感应电势的性质？ N S B x x e t AB et t t 气隙磁场分布 波形 线圈导体电势 波形 电刷引出电势 波形 SN B x t 1 2435 678 9 101920 直流电机展开图直流电机展开图及气隙磁场分布及气隙磁场分布 三、直流三、直流电动机电动机的原理的原理 将直流电源通过将直流电源通过电刷电刷和和换向器换向器接入接入电枢绕组电枢绕组，使电枢导体有电流，使电枢导体有电流ia通过。通过。 电机内部有电机内部有磁场磁场存在。存在。 载流的转子（即电枢）导体将载流的转子（即电枢）导体将 受到受到电磁力电磁力f的作用的作用f=B l ia （左手

6、定则）（左手定则） 所有导体产生的电磁力作用于转所有导体产生的电磁力作用于转 子产生子产生电磁转矩电磁转矩，以便拖动机械负，以便拖动机械负 载以载以n(r/min)旋转旋转 B N S a b c d 1 2 A 直流电机结构简图直流电机结构简图 电刷电刷 电枢绕组电枢绕组 主磁极主磁极 换向器换向器 2.1.2直流电机的直流电机的结构结构 旋转电机都是由旋转电机都是由定子定子和和转子转子两大部分组成两大部分组成 定子定子转子转子 主磁极（励磁绕组主磁极（励磁绕组主极铁心）主极铁心）电枢绕组电枢绕组 换向极（绕组和铁心）换向极（绕组和铁心）电枢铁心电枢铁心 机座机座换向器换向器 端盖端盖转轴转

7、轴、风扇风扇 电刷装置电刷装置 主磁极主磁极的作用是建立的作用是建立主磁场主磁场。绝大多数直流电机的。绝大多数直流电机的 主磁极不是用永久磁铁而是由主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组励磁绕组通以直流电流来通以直流电流来 建立磁场。主磁极由建立磁场。主磁极由主磁极铁心主磁极铁心和套装在铁心上的和套装在铁心上的励磁励磁 绕组绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为 极靴极靴，它的作用是使，它的作用是使气隙气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分磁阻减小，改善主磁极磁场分 布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子

8、转动时由于 齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的钢片的钢片 冲压一定形状冲压一定形状叠装叠装固定而成。主磁极上装有固定而成。主磁极上装有励磁绕组励磁绕组， 整个主磁极用整个主磁极用螺杆螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是固定在机座上。主磁极的个数一定是 偶数偶数，励磁绕组的连接必须使得，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极相邻主磁极的极性按的极性按N， S极极交替交替出现。出现。 机座机座磁轭磁轭连同连同底座底座总成为总成为机座机座,有两个作用，一是作为有两个作用，一是作为主磁路主磁路的一部分，二是作为电机的的一部分，二是作为电机的结结 构框架构框架。

9、机座中作为磁通通路部分称为机座中作为磁通通路部分称为磁轭磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小 型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖端盖。 换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极， 它的作用是它的作用是改善直流电机的换向情况改善直流电机的换向情况，使电机运行时不，使电机运行时不 产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向 极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定极铁心和套在铁心

10、上的换向极绕组构成，并用螺杆固定 在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在 功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕 组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流， 因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。 端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内 部还起防护作用。

11、部还起防护作用。 电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引是电枢电路的引出（或引 入）装置，它由入）装置，它由电刷电刷，刷握刷握，刷杆刷杆和和连连 线线等部分组成，右图所示，电刷是石墨等部分组成，右图所示，电刷是石墨 或金属石墨组成的导电块，放在刷握内或金属石墨组成的导电块，放在刷握内 用用弹簧弹簧以一定的压力按放在换向器的表以一定的压力按放在换向器的表 面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。 刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上 的一排电刷组成一个电刷组，同极性的的一排电刷组成一个电刷组，同极性的 各刷杆用连线连在一起，再引到出

12、线盒。各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。 刷杆装在可移动的刷杆装在可移动的刷杆座刷杆座上，以便调整上，以便调整 电刷的位置。电刷的位置。 电枢铁心电枢铁心既是既是主磁路主磁路的组成部分，又是的组成部分，又是电电 枢绕组枢绕组支撑部分；支撑部分；电枢绕组电枢绕组就嵌放在电枢铁心就嵌放在电枢铁心 的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心 一般用厚一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为且冲有齿、槽的型号为DR530 或或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。 小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大小型电机的电枢铁心冲

13、片直接压装在轴上，大 型电机的电枢铁心型电机的电枢铁心冲片冲片先压装在转子支架上，先压装在转子支架上， 然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片 可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。 电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连由一定数目的电枢线圈按一定的规律连 接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动 势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈 用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕

14、成，分上下两层 嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心 之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大 型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。 换向器（换向器（换向器实物换向器实物）在直流发电机在直流发电机 中，换向器起整流作用，在直流电动机中，中，换向器起整流作用，在直流电动机中， 换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机 的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形 的换向片排成一个圆筒

15、，其间用云母片绝缘，的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘， 两端再用两个两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。形环夹紧而构成，如图所示。 每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入 相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料 换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再 用塑料通过热压制成。用塑料通过热压制成。 2.1.3直流电机的额定值直流电机的额定值 额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机） 在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定在

16、指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定 状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。 并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产 品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌 上，故又叫上，故又叫铭牌值铭牌值。 直流电机的直流电机的额定值额定值主要有：主要有： 额定功率额定功率PN： ：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以W 为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于1kW

17、或或1MW时时,则用则用kW或或MW表示。表示。 额定电压额定电压UN： ：指额定状态下电枢出线端的电压，以 指额定状态下电枢出线端的电压，以V为量纲单位。为量纲单位。 额定电流额定电流IN： ：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以A为量纲单位。为量纲单位。 额定转速额定转速nN： ：指额定状态下运行时转子的转速，以 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。为量纲单位。 额定励磁电流额定励磁电流If： ：指电机在额定状态时的励磁电流值。 指电机在额定状态时的励磁电流值。 注意注意: 对于对于直流发电机直流发电机，PN是指输出的

18、电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即 PNUNIN 对于对于直流电动机直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在存在，即，即 PNUNINN 2.2电枢绕组电枢绕组 一般来说直流电机中至少应该有两套绕组：一般来说直流电机中至少应该有两套绕组：励磁绕组励磁绕组和和电枢绕组。电枢绕组。二者的功能不同二者的功能不同。 励磁绕组励磁绕组用来产生用来产生主磁场，主磁场，为为集中绕组集中绕组；电枢绕组；电枢绕组实现机电能量转换的实现机电能量转换的枢纽，枢纽，称为称为功率绕功率绕 组，组，是

19、是分布绕组分布绕组。电枢绕组的构成，应能产生足够的。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势感应电动势，并允许通过一定多，并允许通过一定多电枢电枢 电流电流，从而产生所需的，从而产生所需的电磁转矩电磁转矩和和电磁功率电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构 简单，运行可靠。简单，运行可靠。 一、主要分类一、主要分类 分为分为叠绕组叠绕组、波绕组波绕组和和蛙形绕组蛙形绕组。 电枢绕组（展开图）电枢绕组（展开图） 电枢绕组电枢绕组有许多个形状相同的线圈组成，有许多个形状相同的线圈组成， 每个线圈有两个每个线圈有两个有效边有效边，分别位于电枢圆，分别位

20、于电枢圆 周相距约一个周相距约一个极距极距的两个的两个槽槽中。一个边在中。一个边在 上层上层时，另一个边一般在时，另一个边一般在下层下层。每个。每个换向换向 片片接两个不同的接两个不同的线圈端头线圈端头。将所有的电枢。将所有的电枢 线圈通过线圈通过换向片换向片按照一定的规律联接起来，按照一定的规律联接起来， 就构成就构成电枢绕组电枢绕组。在实际电机中，电枢绕。在实际电机中，电枢绕 组有多种形式。主要分为组有多种形式。主要分为叠绕组叠绕组，波绕组波绕组 和和蛙绕组蛙绕组等。等。 叠绕组示意图叠绕组示意图 波绕组示意图波绕组示意图 二、单叠绕组的联接方法二、单叠绕组的联接方法 几个概念几个概念：极

21、数：极数2p，极对数，极对数p，极距，极距 ，绕组元件，元件边，上层边，下层边，第绕组元件，元件边，上层边，下层边，第1节节 距，第距，第2节距，合成节距节距，合成节距等。等。 单叠绕组的展开图举例单叠绕组的展开图举例 一台一台4 4极极16 16 槽直流电机，已知换向片数槽直流电机，已知换向片数K=16K=16；电枢绕组的线圈数；电枢绕组的线圈数S=16S=16； 试画出试画出整距右行单叠绕组整距右行单叠绕组展开图。展开图。 【分析【分析】 每槽每槽( (虚槽虚槽) )两个边，每个线圈两个边，所以槽数两个边，每个线圈两个边，所以槽数 z= z= 线圈数线圈数 S=16, S=16, 极距极距

22、z/2pz/2p16/416/44 4 槽。槽。 因为要求为整距线圈即第一节距因为要求为整距线圈即第一节距 y y1 14 4（槽）（槽） 又因为单叠右行，则合成节距又因为单叠右行，则合成节距 y y +1+1； 则第二节距则第二节距y2y1y3（槽）；（槽）； 也就是说一个线圈的一个有效边若放在也就是说一个线圈的一个有效边若放在1 1号号槽内，另一个有槽内，另一个有 效边必须放在效边必须放在5 5号号槽内。即一个线圈跨过槽内。即一个线圈跨过4 4个槽个槽的位置的位置。 【画出展开图【画出展开图】 1.画画元件边元件边，下层下层边用边用虚线虚线，上层上层用用实线画实线画； 2.标出标出槽号槽号并画出并画出第一个元件第一个元件.跨跨15。 3.将将第一个元件第一个元件的引出线端连到对应的的引出线端连到对应的换向片换向片上，并标出上，并标出换向片号换向片号。 4.依次画出其他依次画出其他元件元件的连接。的连接。