第1章 直流电机的基本原理

1、河南科技学院机电学院 第第 1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1.4 直流电机的磁场、电动势及转矩直流电机的磁场、电动势及转矩 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1.4 直流电机的磁场、电动势及转矩直流电机的磁场、电动势及转矩 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 第第1 章章 直流电机的

2、基本原理直流电机的基本原理 产生旋转产生旋转 磁极磁极 半环形半环形 金属环金属环 支柱支柱 直流电机模型直流电机模型 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 转向转向 电流方向电流方向 换向片换向片 线圈线圈 磁极磁极 直流电机模型直流电机模型 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流电机模型直流电机模型 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 N S U 1.1 1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 1.1.11.1.1直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 1.1.基本原理

3、基本原理 N S U 河南科技学院机电学院 d a b c d a b c 线圈边切割磁力线会产生什么线圈边切割磁力线会产生什么？ 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 N S N S U U 电刷电刷 换向片换向片 2.2.转子（电枢）内部导体的电流方向转子（电枢）内部导体的电流方向 图1.2 导体ab内电流随时间变化的规律 河南科技学院机电学院 d d a b c a b c 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1.1 1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 1.1.11.1.1直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 1.1.基本原理基本原理 直流直流

4、 电流电流 交流交流 电流电流 电磁转矩电磁转矩 (拖动转矩拖动转矩) 机械机械 负载负载 克克 服服 反电反电 动势动势 电磁关系电磁关系 换向换向 旋转旋转 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 N S 1.1.21.1.2直流发电机工作原理直流发电机工作原理 1. 1. 基本原理基本原理 N S E E 输出输出 直流电直流电 原动机原动机感应交流电动感应交流电动 势、电流势、电流 电磁转矩电磁转矩 （阻转矩）（阻转矩） 做功做功 电磁关系电磁关系 换向换向 2.2.转子（电枢）内部导体的电动势方向转子（电枢）内部导体的电动势方向 d d a b c

5、a b c 图1.4 导体ab内电动势随时间变化的规律 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1.1.3 1.1.3 直流电机的可逆原理及特点直流电机的可逆原理及特点 1.1.可逆原理可逆原理 能作电动机运行，又能作发电机运行的原理。 2.2.直流电机工作时的特点直流电机工作时的特点 (1)一个磁极下所有导体的电流方向必须一致。 (2)相邻两磁极下所有导体的电流方向必须相反。 (3)直流电机内部流的是交流电。 (4)电刷与换向器起整流作用。 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 大连理工大学电气工程系 1 1换向器换向器

6、2 2电刷装置电刷装置 3 3机座机座 4 4主磁极主磁极 5 5换向极换向极 6 6端盖端盖 7 7风扇风扇 8 8电枢绕组电枢绕组 9 9电枢铁心电枢铁心 1.2 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 河南科技学院机电学院 图图1.51.5直流电机的装配结构图直流电机的装配结构图 图图1.6 1.6 直流电机的纵向剖视图直流电机的纵向剖视图 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流电机的结构直流电机的结构 图图1.7 1.7 直流电机的定子直流

7、电机的定子 (b) 主磁极主磁极 (a) 机座机座 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 河南科技学院机电学院 1.1.定子定子 电机的外壳称为机座。电机的外壳称为机座。 (1)(1)机座：作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，支机座：作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，支 撑整个电机，起固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构撑整个电机，起固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构 成磁极之间磁的通路。成磁极之间磁的通路。 (2) (2)主磁极主磁极 ：主磁极的作用是产生气隙磁场（主磁场、定子磁场、：主磁极的作用是产生气隙磁场（主磁场、定子磁场、

8、励磁磁场、空载磁场）。励磁磁场、空载磁场）。 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流电机的定子直流电机的定子 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 图1.8 换向极 河南科技学院机电学院 1换向极铁心 2换向极绕组 图1.9 电刷装置 1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4刷辫 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 (3) (3)换向极换向极 作用是改善换向。 (4) (4)电刷装置电刷装置 直流电动机时，电 刷装置的作用是把外供 的直流电压引入到换向 器上；直流发电机时， 电刷装置的作用是把换 向器上的交流电压向外 转换成直流电压

9、。 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流发电机直流发电机 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 ZQ-76 ZQ-76 直流牵引电机直流牵引电机 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1.2.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 图图1.10 直流电机的转子结构图直流电机的转子结构图 (a)(a)转子铁心转子铁心 (b)(b)转子转子 1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘 图1.11 电枢槽的结构 河南科技学院机电学院 (2)电枢绕组：电枢绕组的作用是产生电磁 转矩和感应电

10、动势。 电枢：电机进行能量变换的关键部件。 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 2. 2. 转子（电枢）转子（电枢） (1)电枢铁心：主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。 直流电机的转子直流电机的转子 运转的直流电机带电光铜头运转的直流电机带电光铜头 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 图图1.12 换向器结构 河南科技学院机电学院 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 (3)(3)换向器换向器 直流电动机时，换向器的 作用是把电刷装置引入的直流 电压转成交流电压输给转子导 体；直流发电机时，换向器的 作用是把转子内产生

11、的交流电 动势通过电刷装置向外转换成 直流电动势。 (4)(4)转轴与风扇转轴与风扇 转轴：起转子旋转的支撑 作用。 风扇：自冷。 1换向片 2连接部分 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 换向器实物图片换向器实物图片 直流电机直流电机 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流电容电机直流电容电机 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 河南科技学

12、院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流电机直流电机 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 电机装配图电机装配图 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1.2 直流电机的基本结构和额定值直流电机的基本结构和额定值 1.2.21.2.2直流电机的额定值直流电机的额定值 额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数。 1.2.31.2.3直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 1

13、.1.直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 + Ua + Uf 他他 励励 并并 励励 串串 励励 复复 励励 M IfIa M + U IIf Ia M + U IIa M IaIf+ U I 2.2.直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 自自 励励 他他 励励 串串 励励 复复 励励 并并 励励 G If + Uf Ia + Ua G Ia+ U If I G + U IfI

14、 Ia G IfIa+ U I 河南科技学院机电学院 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 基本形式分为单叠绕组见图1.14（a）、单波绕组见图1.14(b)。派生形 式分复叠绕组、复波绕组、蛙绕（混绕）。 绕组图有三种形式分别为绕组连接图、绕组展开图、绕组电路图。 1.3.11.3.1电枢绕组元件与节距电枢绕组元件与节距 1.1.电枢绕组元件电枢绕组元件 图1.14（a a）单叠绕组元件图1.14 (b)(b)单波绕组元件 虚槽虚槽 （a a）=1 (b) =1 (b) =2 (c) =2 (c) =3=3 图图1.15 1.15 实槽与虚槽的关系实槽与虚槽的关系 ZZ 第第

15、1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 图1.16 极距与电角度 2.2.极距极距 相邻两个磁极轴线之间的距离。 3.3.电角度电角度 磁场电角度是电磁场在空间变化一 周规定为2的描述。 4.4.节距节距 表征电枢绕组元件本身和元 件之间连接规律的数据。 第一节距y1、第二节距y2、 合成节距y和换向器节距yk 。 第一节距：同一元件的两个 元件边在电枢圆周上所跨的距离。 图图1.17 1.17 电枢绕组的节距电枢绕组的节距 2 Z p P 0 360 1 2 Z y p 整数 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 转子槽展开图 可在转子布多极对数绕

16、组 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组 后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上，这种绕组称为叠绕组。 有一台直流电机，有一台直流电机，Z=S=K=Z=S=K=1616，2 2p p4 4，现要接成单叠绕组。则，现要接成单叠绕组。则 1.1.单叠绕组的特点单叠绕组的特点 (1)元件两端所接换向片之间的距离（K为换向片数目）,yk=1; (2)所有元件连接成一个闭合回路; (3)一个极下所有上层边元件组成一条支路; (4)支路对数a=P（极对数）; (5)电刷对数b=P ; (6)电刷位置：

17、电刷所接换向片所接元件的边应处于相邻两磁极中间。 2.2.单叠绕组连接图单叠绕组连接图 绕组连接图的作用是方便于实际嵌线。 图1.18 4极16槽单叠绕组连接顺序图 1 16 4 24 Z y p 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 3.3.单叠绕组展开图单叠绕组展开图 绕组展开图的作用是方便于电机电磁工作原理的分析。电枢从某一 齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为绕组展开图。 N1S1N2S2 n A1 B1 A2 B2 并联支路对数：并联支路对数：a = 2。 电刷的中心线对着磁极的中心线。电刷的中心线对着磁极的中心线。 第第1 章章 直流电

18、机的基本原理直流电机的基本原理 N1 河南科技学院机电学院 图图1.19 1.19 单叠绕组展开图单叠绕组展开图( (Z=S=K=Z=S=K=1616，2 2p p4)4) 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 4.4.单叠绕组电路图单叠绕组电路图 绕组电路图的作用是方便于电路分析。 A1 A2 B1 B2 8 7 6 10 11 12 16 15 14 2 3 4 5 9 13 1 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 图1.23 4极16槽单叠绕组瞬间电路图 河南科技学院机电学院 1.3.3 1.3.3 单波绕组单波绕组 元件首、末端之间的

19、距离接近两个极距，两个元件串联起来形成 的形状像波浪一样。 1.1.单波绕组的特点单波绕组的特点 (1)元件两端所接换向片之间的距离（K为换向片数目）; (2)所有元件连接成一个闭合回路; (3)同一极性下所有上层边元件组成一条支路; (4)支路对数a=1;。 (5)电刷对数b=P; (6)电刷位置：电刷所接换向片所接元件的边应处于相邻 两磁极 中间。 p K y k )1( 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 1.4 1.4 直流电机的磁场、电动势及转矩直流电机的磁场、电动势及转矩 1.4.11.4.1直流电机的磁场直流电机的磁场 1.1.直流电机的空载

20、磁场直流电机的空载磁场 空载运行就是直流电机 不带负载(即不输出功率)时 的运行状态。 空载磁场是指主磁极单 独产生的磁场,也称为主磁场。 (1)直流电机的磁路； (2)直流电机的空载磁化特性； 。 图1.24 直流电机空载磁场分布图 图1.25 直流电机铁心空载磁化曲线 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 1.41.4直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1.4.1 1.4.1 直流电机的磁场直流电机的磁场 1. 1. 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 (3)空载磁场气隙磁密分布曲线：平顶波。平顶波。 (4)几何中线：相邻两磁极中

21、间的中分线。 (5)物理中性线（面）：磁场为零的位置 （线或面）。 图1.26 空载气隙磁密分布曲线 励磁磁场（空载磁场） 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 几何几何 中线中线 N S 物理物理 中线中线 河南科技学院机电学院 1.4 1.4 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1.4.1 1.4.1 直流电机的磁场直流电机的磁场 图1.28一个元件产生的磁势，在气隙中的分布波形 2.2.直流电机负载磁场及电直流电机负载磁场及电 枢反应枢反应 (1)直流电机的负载磁场 （电枢磁场） 一个元件产生的磁场在空 间的分布为矩形波或方波。 矩波或方波内含有大量的

22、 谐波磁场，严重的影响其它设 备的工作；采用绕组分布形式 可以降低或消除影响。 直流电机的电枢磁动势在 空间的分布是一个三角波。 图1.29 直流电机电枢磁势的分布 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 1.41.4直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1.4.11.4.1直流电机的磁场直流电机的磁场 (2) (2)直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 电枢反应：电枢磁势对气隙磁密分布的影响。 直流电机为双边励磁的电机。 (3) (3)电枢反应的分析电枢反应的分析 图1.30 直流电机电枢反应的磁密分布 N S 物理物理 中性线中性线 合

23、成磁场（负载时的磁场）合成磁场（负载时的磁场） (4) (4)电枢反应的结果电枢反应的结果 使气隙磁场发生畸变。 气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。 磁路饱和时，有去磁作用。 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 N S 直流电机的直流电机的空载磁场，与空载磁场，与电枢反应电枢反应合成磁场对比。合成磁场对比。 几何几何 中线中线 N S 励磁磁场励磁磁场 （空载磁场）（空载磁场） 物理物理 中性线中性线 电枢磁场电枢磁场 合成磁场合成磁场 （负载时的磁场）（负载时的磁场） 物理物理 中性线中性线 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 e

24、 e E 1.4.21.4.2 直流电机电枢绕组的感应电动势直流电机电枢绕组的感应电动势 电枢旋转电枢旋转 n n 磁磁 场场 B l R 1.1. 一根导体产生的平均电动势一根导体产生的平均电动势 (1)气隙磁密的平均值 (2)电枢导体切割气隙磁密的线速度V (3)一根导体感应电动势的平均值 2.2.电枢绕组总的导体数电枢绕组总的导体数 则一条并联支路的串联导体数为 3.3.直流电机感应电动势直流电机感应电动势( (一条并联支路的电动势一条并联支路的电动势) ) Bap = l V= n 2 R 60 = n 2p 60 eap= Bap l V = l l n 2p 60 N= 2SNy

25、N 2a Ea =e ap N 2a = n=Cen pN 60a 河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 Ea = Ce n 单位：单位：Wb 单位：单位：r/min (V) 河南科技学院机电学院 4.4.电动势常数电动势常数C Ce e 5.5.方向：方向：由由 和和 n n 共同决定。共同决定。 6.6.性质性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。 7.7.感应电动势的物理意义感应电动势的物理意义 表征机械大小的转速n在磁场能力大小为的转化下，通过电机结 构大小为Ce的载体，转换成电的大小为电动势Ea。 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本

26、原理 Ce = pN 60a 1.4.3 1.4.3 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 B l R 电枢电流电枢电流 i i 磁磁 场场 FT 1.1.一根导体所受平均电磁力的大小为一根导体所受平均电磁力的大小为 fap= Bap l ia 而而ia= Ia 2a 则则fap= Bap l Ia 2a 2.2.一根导体产生的平均电磁转矩一根导体产生的平均电磁转矩 Tap= fap D 2 = Bap l Ia 2a D 2 3.3.电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩 T=NTap=NBapl Ia 2a D 2 = N l l Ia 2a 1 2 2p = Ia=CTIa pN 2 a

27、河南科技学院机电学院 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 T = CT Ia 1.4 .3 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势 单位：单位：Wb 单位：单位：A (Nm) 河南科技学院机电学院 4. 转矩常数转矩常数CT CT = pN 2 a 5. 方向方向:由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。 6. 性质性质 发电机：发电机：T T 与与 n n 方向相反，为制动转矩。方向相反，为制动转矩。 电动机：电动机：T T 与与 n n 方向相同，为拖动转矩。方向相同，为拖动转矩。 决定电磁转矩大小的因素是负载。决定电磁转矩大小的因素是负载。I Ia aI IN

28、 N （电机的额定电流）时为（电机的额定电流）时为 过载；规定短时过载的最大电枢电流过载；规定短时过载的最大电枢电流I Iamax =(1.5amax =(1.52)2)I IN N 。 7.7.转矩转矩的物理意义的物理意义 表征电大小的电流表征电大小的电流I Ia a，在磁场能力大小为，在磁场能力大小为的转化下，通过电机结的转化下，通过电机结 构大小为构大小为C CT T的载体，转换成机械大小的为电磁转矩的载体，转换成机械大小的为电磁转矩T T。 8.8.C CT T与与C Ce e的关系的关系 CT = pN 2 a Ce = pN 60a CT Ce = 60 2 = 9.55 则则 CT = 9.55 Ce 第第1 章章 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 河南科技学院机电学院 1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 1.5.1 1.5.1 换向的过程换向的过程 换向:元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，进入另一条支路， 电流方向的改变过程。 1.1.换向瞬时换向瞬时 2.2.换向过程换向过程 3.3.换向结束瞬时换向结束瞬时 图1.33 换向元件的换向过程