直流电机工作原理、结构、励磁方式、额定值

1、直流电机的工作原理和结构直流电机是本课程学习的最后一种机种，在前面讲述变压器、异步电机、同步电机 的过程中，我们不断地采用了归纳、类比、找出异同点的讲授方法，是希望大家通过这 样的学习，能逐步训练自己掌握一种善于不断归纳、总结；善于采用类比、比较、找出 异同点的学习方法，这种分析问题、解决问题的方法不但对学习电机、对学习其他课程、 甚至对将来参加工作都是十分有用的，这是一种良好的学习、工作、生活方法和习惯。 在学习直流电机过程中，我们继续尝试采用这样的方法。直流电机分直流发电机和直流电动机，其中：直流发电机是把机械能转变为直流电 能、直流电动机是把直流电能转变为机械能。与前面介绍过的各种电机比

2、较，它们各有异同之处：1 .由于发电机都是把机械能转变为电能， 因此机械转矩都是驱动转矩、电磁转矩都是制动 转矩，因此直流发电机的转矩平衡方程式将与交流 （同步）发电机相同，均为：=t +t。; 所对应的功率平衡方程式也将相同：pi = pm + p。；其中：=尺=95502；t= = 9550色；n n丁。=典=9550也；n是转子转速，对同步机n=q。相异的只是pm的表达式有所不同。 1.1n同理，由于电动机都是把电能转变为机械能，因此电磁转矩都是驱动转矩、机械转 矩都是制动转矩，因此直流电动机的转矩平衡方程式应与异步电动机、同步电动机相同， 均为：t = t2+t0；其中：t2= p2=

3、9550% ； t0=也=9550也；n 是转子转速；t=仄=9550反， n11njnini是转子旋转磁场的转速，对直流机和同步机也是转子转速，相异的同样是三种机种的 pm表达式各有区别。比如：已学过的异步机pm = 3122 ；隐极同步机pm = 3 ui 11cos（|）=3©”5 ；而直流电动 s一机的将为：pm = eaia。2 .由于无论任何旋转机种，电磁转矩都是电磁力乘以半径，电磁力就是载流导体在磁场i中所受的力，因此异步机的电磁转矩物理表达式t=且=ct*i2 cos我与直流机的电磁转矩表达式t=也=白*ia也是极为相似。相异的只是交流电流只有其有功分量12 cos邛

4、2才能产生转矩，而直流电流ia并无有功、无功分量之分。3 .我们曾提到过异步机和变压器都是属单边励磁的，即只有原边或定子接电源，副边和 转子都不接电源，因此它们之间从感应电势表达式到等值电路、方程式、相量图都有很 多相似之处。而同步电机和直流电机都是双边励磁的，即定子和转子都接电源，因此它 们的磁场也有很相似之处。它们其中一边都是电枢磁场、另一边都是主极磁场，当电机 空载时，都只有主极磁场；当电机负载时，除了有主极磁场外还有电枢磁场，电枢磁场 对主极磁场的影响都称之为电枢反应，因此同步机有电枢反应，直流机也将有电枢反应。相异的是：同步机的电枢是交流的，直流机的电枢是直流的，交流磁场与直流磁场

5、的电枢反应性质是不同的。止匕外，同步机的定子是电枢、转子是主磁极；直流电机刚好 相反：定子是主磁极、转子是电枢。在学习直流电机的过程，提请大家注意上述归纳总结的异同点。一.直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理看如图的电机模型：空间有一对固定不动的磁极，中间有一个旋转的铁磁圆柱体，上 面敷设着一个线圈abcd发电机是把机械能转变为电能，当原动机拖动铁磁圆柱体旋转时，线圈导体就会切 割磁力线感生电势。若圆柱体旋转的方向为逆时针，当ab边在n极下时，据右手定则，感应电势方向从d -c-b-a;若带上负载电阻rad,电阻的a端固定接线圈a端，d端固定接线圈d端， 则负载电流方向从ad,如图蓝色箭

6、头方向。当圆柱体转过1800以后，cd边转到n极下，则据右手定则，感应电势方向从 a-b cd,由于负载电阻的a端固定接线圈a端，d端固定接线圈d端，则负载电流方向 从d-a,如图红色箭头方向。可见，由负载得到的是交流电流而不是直流电流。ab边在n极下时线圈电势 dcbta 负载电流 adcd边在n极下时一一线圈电势 a-b-cfd负载电流 d-a原因是：由于磁极的极性没有变、原动机旋转方向没有变，由右手定则可知，n极下的导体电势肯定都是指出来、s极下的电势肯定都是指进去的。因此，在电机旋转过程中， 每条线圈边在转过n极和s极时电势都要交变一次，即线圈中的电流其实是交流电流故若把电阻负载的两端

7、固定接线圈的两端，负载所得到的自然同样是交流电流。为了使流经负载的电流为直流，唯有令负载的一端固定接n极下的导体，负载的另一端固定接s极下的导体，即无论哪根导体转到 n极下，这根导体就接到负载 a端，无 论哪根导体转到s极下，这根导体就接到负载的 d端。要实现这个目的必须借助电刷和换向器，如图：线圈a端和d端分别接到两片相互绝缘的铜片上，称之为换向片，所有换向片随电机 轴旋转称为换向器。电刷是固定不动的，令负载电阻的a端固定接电刷a,负载电阻的d端固定接电刷d:nu iland则加上电刷和换向器后，ab边在n极下时线圈电势 dcbta负载电流 adcd边在n极下时一一线圈电势 a-b-cfd负

8、载电流 2d可见：虽然线圈的电流仍为交流，负载的电流却是直流。因此，直流发电机的工作原理是：导体切割磁力线感生电势，通过电刷和换向器的作用，使负载的一端固定接n 极下的导体，而负载的另一端固定接s 极下的导体，从而使电机虽然线圈中的电流是交流，在负载却得到了直流电。（二） 直流电动机工作原理仍然是上图的电机模型，电动机是把电能转变为机械能。若直流电源的正极固定接线圈的 a 端，负极固定接线圈的 d 端，当 ab 边在 n 极下时，线圈通入如蓝色箭头方向的直流电流a-b-c-d,根据载流导体在磁场中受电磁力的作用，方向符合左手定则，则电磁力为逆时针方向；当线圈逆时针转过1800 以后， cd 边

9、转到 n 极下，由于 a 端固定接正极， d 端固定接负极，故线圈的电流方向如红色箭头示尹b-c-d,由左手定则可知，线圈所受的电磁力为顺时针方向；即线圈所受的电磁力方向是交变的，故线圈只能来回晃动，不能单方向 旋转。ab边在n极下时一一线圈电流a-b-c-d电磁力逆时针cd边在n极下时一一线圈电流a-b-c-d电磁力顺时针原因是：磁极的极性没有变，要想产生单方向的电磁力，同一极性下导体的电流一定要是单方向的。如今由于线圈a端固定接电源正极、d端固定接负极，则ab边转到n极下 时，电流是从n 极流进 s 极流出，但当 ab 边转到 s 极下时，电流又变成从s 极流进 n极流出，因而产生的电磁力

10、就是交变的了。解决办法也是采用电刷与换向器。同样是线圈a端和d端分别接到两片相互绝缘换向片上， 换向器随电机轴旋转。电刷固定不动，电源正极固定接电刷 a,电源的负极固定接电刷 do则加上电刷和换向器后，ab边在n极下时一一线圈电流a-b-c-d电磁力逆时针cd边在n极下时线圈电势dcba电磁力逆时针可见：线圈的电流是交流，但产生的电磁力是单方向的。因此，直流电动机的工作原理是：载流导体在直流磁场中受电磁力的作用，通过电刷和换向器，使得同一极性下的导体电流为单方向，从而产生单方向的电磁力，通过上面的讨论，还可以得出这样的结论：1 直流电机线圈中的电势、电流是交流，只有电刷两端的电势、电流才是直流

11、，因此直流电机实质上是带电刷和换向器的交流电机。电刷与换向器配合，在直流发电机中相当于整流器的作用：把线圈的交流电整流为电刷两端的直流电；在直流电动机中相当于逆变器的作用：把电刷两端的直流电逆变成线圈中的交流电。2直流发电机和直流电动机的模型完全相同，从原理上来说，一台直流电机既可以作发电机运行，也可以作电动机运行，只是能量传递的方向不同。如果由原动机带动电机旋转发出直流电，输出到直流电网，把机械能转变为电能，这时电机运行在发电状态；如果降低原动机的转速，直至电机电流反向，变成直流电网向电机供电，电机反要拖动原来的原动机旋转，把直流电能转变为机械能，此时电机运行在电动状态。这种同一台电机既可作

12、发电机运行也可作电动机运行的原理，称为电机的可逆性原理。二直流电机的结构由直流电机的模型可看到，它跟其它旋转电机一样分定子和转子两大部分，定、转子之间是气隙。（1） .定子1 主磁极直流电机的主磁极既可以是永久磁铁也可以是直流电励磁，为了使主磁通在气隙中分布更合理，极靴部分比极身部分要宽些，如图。2 .换向极由直流机的工作原理可知。电机线圈里的电流是交流，通过电刷和换向器才把之变为 电刷两端的直流。因此每根导体在经过电刷前和经过电刷后电流要反一次向，我们把这 个过程称之为换向。电流的交变会在线圈电感中感生电势 l5,由此产生的换向电流会建dt立电磁能量1li2,在换向结束时这些能量会以火花的形

13、式从电刷后放出来，火花会使电 2刷和换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常工作。装置换向极的目的就是为了减少火花，改善换向。换向极装在两个磁极中间，即几何中性线处，换向极绕组与电枢绕组串联。3 .机座机座一方面起支承定子的作用，另方面是电机主磁路的一部分。4 .电刷装置（2） .转子（称为电枢）1 .电枢铁心电枢铁心是电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。由于直流电机线圈中的电流是交流，为了减少交变磁通在铁心中产生的铁耗，与其它机种一样，电枢铁心采用0.5mm厚的相互绝缘的硅钢片叠压而成。2 .电枢绕组实际的电枢绕组由很多线圈按一定规律绕成。3 .换向器实际的换向器由很多换向片构成，每片之间互

14、相绝缘。根据直流电机的结构，直流机的线路图如图所示：三.直流电机的励磁方式与同步电机不同，由于直流电机的定子和转子、即主磁极和电枢（电枢绕组是各线圈通过换向片串联起来的，是一个闭合绕组）流经的都是直流电流，因此主磁极励磁绕组既可与电枢绕组并联、也可与电枢绕组串联、也可单独由其它直流电源供电。根据主磁极励磁电流的获得方式不同，称之为不同的励磁方式。直流电机有4 种不同的励磁方式：4 .他励：励磁绕组由其它独立电源供电特点：电网电流=电枢电流，即 i = ia。如图分别为他励直流发电机和电动机的线路图：5 并励：励磁绕组并在电枢绕组两端,注意并励发电机和电动机的电流关系是不同的。并励直流发电机：电机发出的电枢电流ia须提供一小部分给励磁绕组作励磁电流if,其余 的输出到电网：ia= i + if并励直流电动机：电网提供的电流小部分供给励磁绕组，其余的送入电枢绕组：i = ia + if3串励：励磁绕组串在电枢回路特点：不论电动机还是发电机： i= ia = if4复励：有两个励磁绕组，一个串在电枢回路、一个并在电枢绕组两端。如果串励绕组与并励绕组产生的