第六章直流电机的工作原理和基本结构

1、第第 二二 篇篇 直直 流流 电电 机机第第 六六 章章 直流电机的用途、工作原理与结构直流电机的用途、工作原理与结构6-2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理6-3 直流电机的基本结构直流电机的基本结构6-4 直流电机按励磁方式的分类直流电机按励磁方式的分类6-5 直流电机的额定值直流电机的额定值 直流电机分为电动机和发电机直流电机分为电动机和发电机 直流发电机直流发电机 用于大型同步发电机的励磁电源用于大型同步发电机的励磁电源。 化学工业中的电镀、电解化学工业中的电镀、电解 直流输电直流输电（ 容量可比交流发电提高容量可比交流发电提高3030） 直流电动机直流电动机 起动性能好起动性能好

2、，用于电力机车、重型机械。用于电力机车、重型机械。 调速性能好调速性能好，高精度、高性能电力拖动，高精度、高性能电力拖动， 如驱动轧钢机，可以实现无级调速。如驱动轧钢机，可以实现无级调速。 6-2 6-2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理2、直流电动势的产生、直流电动势的产生1、电磁转矩的产生、电磁转矩的产生3、直流电动机的换向、直流电动机的换向（直流电动机）（直流电动机）（直流发电机）（直流发电机） 电动机原理电动机原理 直流电动机用来拖动生产机械，如拖动直流电动机用来拖动生产机械，如拖动电力机车、吊车、机床等电力机车、吊车、机床等输入电功率输入电功率输出机械功率输出机械功率 电流、电压

3、电流、电压电磁转矩电磁转矩 怎样使一台直流电机通电后能转怎样使一台直流电机通电后能转动并输出机械功率？动并输出机械功率？先复习皮奥先复习皮奥萨伐萨伐拉普拉斯定律拉普拉斯定律。 若磁场与载流导体互相垂直，作用在若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力：导体上的电磁力：f = BIL (N)N NB B S f if 电磁力，可使导体运动，电磁力，可使导体运动， 用左手定则确定用左手定则确定B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(wb/m(wb/m2 2) ) I I 通电导体的电流（通电导体的电流（A A）L L 导体的有效长度（导体的有效长度（m m） 载流导体在磁场内受到电磁力载流导体在

4、磁场内受到电磁力 电机简单结构（剖面图）电机简单结构（剖面图）磁极固定，电枢可以转动。磁极固定，电枢可以转动。 磁极磁极 NS电枢电枢磁轭磁轭.电机电机轴向轴向NS轴轴生生产产机机械械电枢槽中嵌入的线圈电枢槽中嵌入的线圈 轴向看电枢轴向看电枢电动机转动条件：电动机转动条件：B 磁极和励磁电流（或永久磁铁）；磁极和励磁电流（或永久磁铁）；i 电枢开槽嵌入线圈，而且线圈通入电流；电枢开槽嵌入线圈，而且线圈通入电流；L 线圈有效长度。线圈有效长度。L L 线线 圈圈 在电枢槽内的导体电流是直流电还在电枢槽内的导体电流是直流电还是交变电？是交变电？ 如何把电流传导到旋转的电枢槽内如何把电流传导到旋转的

5、电枢槽内的导体中？的导体中？ N左手判断电磁力左手判断电磁力f s磁场由上往磁场由上往下穿过手心下穿过手心磁场由下往磁场由下往上穿过手心上穿过手心f N S N Sff 上图说明，若电枢线圈中的电流保持不变，则上图说明，若电枢线圈中的电流保持不变，则电枢来回摆动，甚至不能转动。电枢来回摆动，甚至不能转动。 电电 枢枢 N S N Sff电电 枢枢.导体电流必须导体电流必须“随机应变随机应变” 转动到转动到 N N 极下的导体，电流方向是正向电流；极下的导体，电流方向是正向电流； 转动到转动到 S S 极下的导体，电流方向是反向电流；极下的导体，电流方向是反向电流； 同一导体转到不同磁极下方，电

6、流发生换向。同一导体转到不同磁极下方，电流发生换向。 直流电动机电枢绕组内流动的是随磁极极性直流电动机电枢绕组内流动的是随磁极极性变化而换向的交变电流。变化而换向的交变电流。 如何把外部电源电流传导到旋转的电枢如何把外部电源电流传导到旋转的电枢槽内的导体中？槽内的导体中？ 如何使直流电动机电枢绕组的电流随磁如何使直流电动机电枢绕组的电流随磁极极性变化而换向？极极性变化而换向？ 注意：注意：正电刷正电刷 A A 位置对应位置对应 N N 磁极；磁极；负电刷负电刷 B B 位置对应位置对应 S S 磁极。磁极。N NS SI In nAB 电刷与磁极相对静止电刷与磁极相对静止换向器换向器 1 2

7、3 4 换向器中的换向器中的 换向片随电枢同步转动，换向片随电枢同步转动，而且与线圈焊接。而且与线圈焊接。 NSV -B+A 1 2 3 4 电枢、线圈与换向片的关系示意图电枢、线圈与换向片的关系示意图 N N 极下无论对应哪一个根导体，导体中的极下无论对应哪一个根导体，导体中的电流为正向电流；电流为正向电流；S S 极下对应导体的电流方向为反向电流。极下对应导体的电流方向为反向电流。电动机正常工作需要一个换向器。电动机正常工作需要一个换向器。 换向器由互相绝缘的铜质换向器由互相绝缘的铜质换向片换向片构成，与构成，与固定不动的电刷滑动接触。固定不动的电刷滑动接触。换向器的作用：换向器的作用：

8、使电动机能连续的转动。使电动机能连续的转动。 使转动的电枢绕组与静止的电源滑动接触。使转动的电枢绕组与静止的电源滑动接触。1、直流电源、直流电源4、换向器及电刷、换向器及电刷3、磁极和励磁电流、磁极和励磁电流直流电动机直流电动机 ( ) 需要需要:BILf 2、电枢绕组、电枢绕组U U电枢电流电枢电流I Ia a励磁电流励磁电流I If f电动机电路原理图电动机电路原理图2、直流电动势的产生、直流电动势的产生 （直流发电机）（直流发电机） 发电机工作原理发电机工作原理 输入机械功率输入机械功率 输出电功率输出电功率 原动机拖动原动机拖动电枢转动电枢转动 E = BLVBLV（感应电动势（感应电

9、动势) )用右手判断电动势方向用右手判断电动势方向 直流发电机的结构中也需要直流发电机的结构中也需要换向器吗？换向器吗？ N右手判断感应电动势右手判断感应电动势n s磁场由上往磁场由上往下穿过手心下穿过手心磁场由下往磁场由下往上穿过手心上穿过手心.n N S N S电电 枢枢.直流发电机电枢内的电动势随极性变化而交变直流发电机电枢内的电动势随极性变化而交变怎样才能使直流发电机向外输出直流电？怎样才能使直流发电机向外输出直流电？N NS SI In nAB N NS SI In nAB 对比：对比：直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机 直流发电机由于电刷仅接触同一磁直流发电机由于电刷仅接触同

10、一磁极下的导体，所以导体虽然在极下的导体，所以导体虽然在 N、S 极极下感应电动势方向不同，但一经电刷就下感应电动势方向不同，但一经电刷就变为方向不变的直流电动势。变为方向不变的直流电动势。可见：直流电动机和直流发电机可见：直流电动机和直流发电机都需要换向器。都需要换向器。问问： 为什么叫直流发电机，直流电动机？为什么叫直流发电机，直流电动机？ 直流电机外部为直流电，电枢内部为直流电机外部为直流电，电枢内部为交流电，励磁电流也是直流电，所以称之交流电，励磁电流也是直流电，所以称之为直流电机。为直流电机。换向器换向器 在直流发电机中的作用：在直流发电机中的作用：电枢中的交电枢中的交变电动势变电动

11、势换向器换向器输出直流电输出直流电换向器换向器 在直流电动机中的作用：在直流电动机中的作用：换向器换向器电枢中的交电枢中的交变电流变电流输入直流电输入直流电换向器可以把电机外部直流换向为交变换向器可以把电机外部直流换向为交变电；电；把电机内部的交流电换向为外部的直流电把电机内部的交流电换向为外部的直流电。 如果直流电机换向器损坏了，如果直流电机换向器损坏了，会发生什么情况？会发生什么情况？发电机与电动机结构是否相同？发电机与电动机结构是否相同？输入机输入机械功率械功率 发电机发电机原原动动机机换向器换向器E Ea a=BLV=BLV输出电功率输出电功率电电 负负 载载 发电机换向器作用示意图发

12、电机换向器作用示意图直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理动动生产机械生产机械（被拖动的负载）（被拖动的负载）输出机输出机械功率械功率 电动电动机机换向器换向器nf = BiLf = BiL 电动机换向器作用示意图电动机换向器作用示意图输入电输入电功率功率静静I1、原动机拖动（、原动机拖动（v或或n)3、磁极和励磁电流、磁极和励磁电流直流发电机（直流发电机（ ）需要）需要：BLVEa2、电枢绕组、电枢绕组4、换向器和电刷、换向器和电刷1、直流电源、直流电源2、换向器及电刷、换向器及电刷4、磁极和励磁电流、磁极和励磁电流直流电动机直流电动机 ( ) 需要需要:BILf 3、电枢绕组、电枢绕组一

13、台直流电机运行可逆一台直流电机运行可逆有原动机拖动，发电机运行有原动机拖动，发电机运行输入直流电，电动机运行输入直流电，电动机运行 同一台电机，能作电动机或发电同一台电机，能作电动机或发电机运行的原理，称为可逆原理。机运行的原理，称为可逆原理。3、直流电动机的换向、直流电动机的换向0it N SaIaIKTKT换向时间换向时间dtdiL能量释放时将在电刷间引起强烈的换向火花。能量释放时将在电刷间引起强烈的换向火花。 换向火花超过一定限度时，会使电刷和换向火花超过一定限度时，会使电刷和换向器损坏。换向器损坏。 换向火花还会对无线电通讯产生干扰。换向火花还会对无线电通讯产生干扰。6-3 6-3 直

14、流电机的基本结构直流电机的基本结构静静止止部部分分主磁极主磁极机座机座 端盖端盖 轴承轴承 电刷装置电刷装置转转动动部部分分电枢铁芯电枢铁芯电枢绕组电枢绕组 换向器换向器风扇风扇 转轴转轴 励磁绕组励磁绕组 轴的作用？轴的作用？ 固定电枢，又可使电枢随轴旋转。固定电枢，又可使电枢随轴旋转。 电枢的作用？电枢的作用？ 电枢槽中可嵌入线圈的导体，可作为磁路电枢槽中可嵌入线圈的导体，可作为磁路 的一部分。的一部分。 端盖端盖：可支承轴。：可支承轴。 轴承轴承： 套在端盖中，使轴与端盖之间滚动摩擦套在端盖中，使轴与端盖之间滚动摩擦 ， 可减少摩擦，避免磨损、发热、烧坏轴承。可减少摩擦，避免磨损、发热、

15、烧坏轴承。轴承结构轴承结构 外环，嵌入端盖静止外环，嵌入端盖静止内环，与轴相联，随轴转动内环，与轴相联，随轴转动滚子，内外环滚动摩擦，减小摩擦滚子，内外环滚动摩擦，减小摩擦 机座机座：固定端盖、磁极，是一部分磁路，有：固定端盖、磁极，是一部分磁路，有底脚，将整个电机固定与基础上。底脚，将整个电机固定与基础上。 换向器及电刷：换向器及电刷： 磁极磁极：固定于机座上，：固定于机座上，N、S 交替，磁极上绕交替，磁极上绕励磁线圈，是电磁机构中产生磁的重要部分。励磁线圈，是电磁机构中产生磁的重要部分。 极靴作用极靴作用：卡住卡住 励磁绕组，使主励磁绕组，使主 磁通在气隙中分磁通在气隙中分 布合理。布合

16、理。一、主磁极一、主磁极机座机座极身极身极靴极靴励磁励磁绕组绕组 主磁极结构主磁极结构 主磁极叠片主磁极叠片1、磁极磁极表面对应电枢齿槽，磁极表面对应槽时气表面对应电枢齿槽，磁极表面对应槽时气隙大，磁通隙大，磁通小；小； 磁极对应齿时磁极对应齿时气隙小气隙小 ，磁通大。，磁通大。电枢移动时，电枢移动时， 脉振，产生少许铁耗。脉振，产生少许铁耗。磁通交变的原因：磁通交变的原因： NS v v2、电枢电枢旋转经过旋转经过 N、S 极，如右极，如右图所示，电枢中有交变磁通。图所示，电枢中有交变磁通。绕制好的励磁绕组套在铁芯外绕制好的励磁绕组套在铁芯外 励磁绕组励磁绕组 圆截面或矩形截面的绝缘导线圆截

17、面或矩形截面的绝缘导线绕在绕组框架上，经浸胶（漆）及绕在绕组框架上，经浸胶（漆）及烘干后一起套入主磁极铁芯。烘干后一起套入主磁极铁芯。 各主极上的励磁绕组彼此间用各主极上的励磁绕组彼此间用串联方式连接，保证各磁极电流相串联方式连接，保证各磁极电流相等。等。如何使磁极交替变化？如何使磁极交替变化？S N 线圈绕向不同，使磁极线圈绕向不同，使磁极 N、S 交替。交替。 机座固定主极及端盖，借助底脚将整机座固定主极及端盖，借助底脚将整个电机固定于基础上个电机固定于基础上 ， 也作为磁轭构成也作为磁轭构成一部分磁路（定子磁轭）。一部分磁路（定子磁轭）。 由铸钢或钢板焊接而成，使具有良好由铸钢或钢板焊接

18、而成，使具有良好的导磁性能和机械性能。的导磁性能和机械性能。二二 、机座、机座 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座（摇电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座（摇环）组成。环）组成。 电刷（石墨）放在刷握上的刷盒内，用弹簧电刷（石墨）放在刷握上的刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上，而刷握固定在刷杆上，刷将它压紧在换向器上，而刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上（不止一个电刷），必须绝缘。杆装在刷杆座上（不止一个电刷），必须绝缘。 三三 、电刷装置、电刷装置 刷杆座可转动，调节好与换向器刷杆座可转动，调节好与换向器的对应接触位置后，固定在端盖或机的对应接触位置后，固定在端盖或机座上。座上。 铜丝辫是外部电

19、源与电刷的连接铜丝辫是外部电源与电刷的连接线。线。 四、电枢铁芯四、电枢铁芯 由电枢铁心和主磁场间的相对运动，导致铁由电枢铁心和主磁场间的相对运动，导致铁耗，电枢铁芯由耗，电枢铁芯由 0.5mm 0.5mm 厚的电工硅钢片冲叠，厚的电工硅钢片冲叠，每张冲片有嵌放绕组的槽。每张冲片有嵌放绕组的槽。 电枢铁芯固定在转子支架上或直接固定在转电枢铁芯固定在转子支架上或直接固定在转轴上。轴上。 电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成。它是直流电机的主要电路部分。组成。它是直流电机的主要电路部分。 电动机通电流产生电磁转矩，发电机感应电动机通电流产生电磁转矩，发电机感

20、应产生电动势都在电枢绕组中，它是实现机电能产生电动势都在电枢绕组中，它是实现机电能量转换的关键部件。量转换的关键部件。 槽楔槽楔导体（线圈）导体（线圈）层间绝缘层间绝缘槽底绝缘槽底绝缘槽绝缘槽绝缘电枢槽横截面电枢槽横截面 线圈伸出槽外的端接部分，线圈伸出槽外的端接部分，用非磁性钢丝或玻璃丝带紧，用非磁性钢丝或玻璃丝带紧，防止离心力将绕组甩出槽内。防止离心力将绕组甩出槽内。 槽楔把绕组压紧在槽槽楔把绕组压紧在槽内，防止离心力将绕组甩内，防止离心力将绕组甩出槽内。出槽内。电刷电刷 1 2槽内部分槽内部分换向片换向片五、换向器五、换向器 换向器与电枢首尾相连，随轴转换向器与电枢首尾相连，随轴转动。换

21、向器由换向片组成，电枢中每动。换向器由换向片组成，电枢中每个线圈两端分别焊接在两个换向片上。个线圈两端分别焊接在两个换向片上。 换向器是直流电机中最重要的部件之一，换向器是直流电机中最重要的部件之一，也是最也是最薄弱薄弱的环节。的环节。 换向片之间用换向片之间用 0.40.4 1.2mm 1.2mm 的云母片绝缘，的云母片绝缘，换向片嵌入换向片嵌入 V V 形套筒，形套筒，V V 形套筒又套在轴上，形套筒又套在轴上，与电枢同轴转动（相对静止）。与电枢同轴转动（相对静止）。 问：问：20个线圈需要多少换向片？个线圈需要多少换向片？ 20 片片换向片换向片合成一圆柱体套在合成一圆柱体套在轴上，电枢

22、也套在轴上，轴转动，换轴上，电枢也套在轴上，轴转动，换向器与轴同步转动。向器与轴同步转动。 换向片的侧面是换向片的侧面是V形的，正好可形的，正好可以嵌入具有以嵌入具有V形槽的套筒中。形槽的套筒中。6-4 直流电机按励磁方式的分类直流电机按励磁方式的分类 各种直流电机采用不同励磁方式时，各种直流电机采用不同励磁方式时，它们的运行性能差别很大。它们的运行性能差别很大。所以通常按励磁方式分类直流电机。所以通常按励磁方式分类直流电机。1 1、他励、他励（电机需要两套电源）（电机需要两套电源） 他励式的励磁绕组由另外一个他励式的励磁绕组由另外一个电源供电励磁。电源供电励磁。 +- -UE-I If fU

23、 Uf f+- 永磁式直流电机因其主永磁式直流电机因其主磁场由永久磁铁建立，属于磁场由永久磁铁建立，属于他励式。他励式。2、自励式（电机只需一个电源）、自励式（电机只需一个电源） 并并 励励 串串 励励 复复 励励励磁绕组与电枢绕组的连接方式分为：励磁绕组与电枢绕组的连接方式分为：自励式自励式 并励并励 并励直流电机并励直流电机+-I If fUE-+I Ia aI发发 电电 机机电电 动动 机机 I Ia aUE-+fIIfaIIIfaIIII Ia aUE-+fIIaI电枢电流电枢电流fI励磁电流励磁电流 对发电机而言，励磁电流由该对发电机而言，励磁电流由该电机电枢供电。电机电枢供电。 I

24、 Ia a= I = I= I = If f 串励电机电流关系：串励电机电流关系： 串励直流电机串励直流电机+-E-+UI 串励串励复励直流电机复励直流电机 复励复励 有两套励磁绕组，一个与电枢绕组有两套励磁绕组，一个与电枢绕组 并联，另一个与电枢绕组串联。并联，另一个与电枢绕组串联。UE-+F F1 1F F2 2 1F2F1F2F 当当 和和 产生的产生的磁动势方向相同时是磁动势方向相同时是积积复励；复励； 1F2F方向相反时是方向相反时是差差复励。复励。EF1F2长复励长复励EF1F2短复励短复励 6-5 直流电机的直流电机的额定值额定值 每台直流电机的机座上钉有一块铭牌，上每台直流电机

25、的机座上钉有一块铭牌，上面标注电机的额定值。面标注电机的额定值。KWPN1000VUN1000VIN20min1000rnN 此外铭牌上还有此外铭牌上还有NNTNfNUfNI额定效率：额定效率：额定转矩：额定转矩：额定励磁电流：额定励磁电流：额定温度：额定温度：额定励磁电压：额定励磁电压： 直流电动机功率：直流电动机功率：P PN N = U= UN NI IN NN N指电动机轴上指电动机轴上输出输出的机械功率。的机械功率。 直流发电机功率：直流发电机功率：P PN N = U= UN NI IN N 指发电机指发电机输出输出的电功率。的电功率。本章应掌握：本章应掌握：1、换向器的作用、换向器的作用2、直流电机的可逆性、直流电机的可逆性3、直流电机励磁的分类、直流电机励磁的分类4、铭牌数据的额定功率，指输出额定功率、铭牌数据的额定功率，指输出额定功率课课习习题题习题课习题课1、换向器与电刷无接触时，直流电动机转速为、换向器与电刷无接触时，直流电动机转速为零零2、直流发电机