第3章直流电机原理(1-4)

1、 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号 直流电机的磁路直流电机的磁路 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 直流电机的换向直流电机的换向第第3章章 直流电机原理直流电机原理本章基本要求本章基本要求 了解直流电机的基本结构、工作原理了解直流电机的基本结构、工作原理 熟悉直流电机的励磁方式熟悉直流电机的励磁方式 理解直流电机电枢绕组的构成及特点理解直流电机电枢绕组的构成及特点 掌握掌握电枢电动势和电磁

2、转矩的计算电枢电动势和电磁转矩的计算 理解和掌握直流电机的工作特性和机理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性械特性 了解直流电机的换向了解直流电机的换向 3.1 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途直流电机的特点：直流电机的特点： 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。大。 易于控制

3、，可靠性较高易于控制，可靠性较高 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高直流发电机是绕组在恒定磁场中旋转感生出交流电直流发电机是绕组在恒定磁场中旋转感生出交流电,再再依靠换向装置依靠换向装置,将交流电变为直流电。将交流电变为直流电。一、直流发电机的工作原理一、直流发电机的工作原理直流发电机的物理模型直流发电机的物理模型电刷电刷换向片换向片主磁极主磁极线圈线圈3.1.2 3.1.2 基本工作原理基本工作原理abcdNS3.1.2 基本工作原理基本工作原理1、直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理电刷电刷换向片换向片线圈中电流方向线圈中电流方向是是:2dcba1

4、 线圈中电流方向线圈中电流方向是是:1abcd:1abcd22 电刷电刷A“A“”、B“B“” 21e21eBAeteBAe线圈电动势是交变的，电刷线圈电动势是交变的，电刷间的电动势是一个脉动的直间的电动势是一个脉动的直流电动势。流电动势。直流电动势的脉动很大，直流电动势的脉动很大，减小脉动，可通过增加减小脉动，可通过增加线圈数目，且在空间上线圈数目，且在空间上均匀分布来实现。一个均匀分布来实现。一个线圈就需一个换向片线圈就需一个换向片。 1t2t01）电枢线圈内产生的电势、电流方向是交变）电枢线圈内产生的电势、电流方向是交变的，是交流电；的，是交流电；2）电刷间电势为直流脉动电势；减小脉动的

5、）电刷间电势为直流脉动电势；减小脉动的方法可通过增加线圈数目来实现。方法可通过增加线圈数目来实现。）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相反，与转子转向相反， 是制是制动性质的转距。动性质的转距。）换向器的作用是将电枢线圈中的交流电转）换向器的作用是将电枢线圈中的交流电转变成电刷间的直流电输出。变成电刷间的直流电输出。结论：结论：二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理IIffffII12AabcdB 电流方向电流方向21AdcbaB 结论结论1）外施恒定的直流电，电枢线圈中的电流是）外施恒定的直流电，电枢线圈中的电流是交流电交流电）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相同

6、，是驱与转子转向相同，是驱动性质。动性质。）换向器的作用是将电刷间的直流电转变成）换向器的作用是将电刷间的直流电转变成线圈中的交流电线圈中的交流电,产生恒定方向的电磁转距。产生恒定方向的电磁转距。从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上从上述基本电磁情况来看，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，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是条件不同。只是条件不同。在直流电机的电刷两端加上直流电压，输入电在直流电机的电刷两端加上直流电压，输入电能，从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，能，从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，电机将电能转换成机械能而成为电动机。电机将电

7、能转换成机械能而成为电动机。 如用原动机拖动直流电机的电枢，则电刷如用原动机拖动直流电机的电枢，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为可逆原理。这种原理，在电机理论中称为可逆原理。1、定子由主磁极、换向极、机座以及电刷装置等组成、定子由主磁极、换向极、机座以及电刷装置等组成定子机座定子机座换向极铁心换向极铁心换向极绕组换向极绕组主磁极铁心主磁极铁心主磁极绕组主

8、磁极绕组换向极绕换向极绕组与电枢组与电枢绕组的串绕组的串联接线联接线（1 1）机座：）机座： 般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成 作用：（作用：（a a）用来固定主磁极、换向极和端盖等，）用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用；起机械支承的作用； （ b b）作为电机磁路的一部分。）作为电机磁路的一部分。（2 2）主磁极）主磁极 作用：作用：建立主磁场，使电枢表面的气隙磁通密度建立主磁场，使电枢表面的气隙磁通密度在空间按一定形状分布。在空间按一定形状分布。 构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。主主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。主极铁心极铁心 磁路

9、，由磁路，由0.5 3mm0.5 3mm钢板叠压而成。钢板叠压而成。 主磁极在电机中总是成对出现主磁极在电机中总是成对出现, ,其极性沿圆周是其极性沿圆周是N N、S S交替排列。交替排列。 换向极用来改善直流电机的换向，又称附加极。换向极用来改善直流电机的换向，又称附加极。 它由铁心和套在铁心上的换向极绕组组成。铁它由铁心和套在铁心上的换向极绕组组成。铁心常用整块钢或厚钢板制成，换向极绕组与电枢心常用整块钢或厚钢板制成，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极的极数一般与主磁极的极数相绕组串联。换向极的极数一般与主磁极的极数相同。同。 （ 4 4）电刷装置：）电刷装置：其作用是使转动部分的电枢绕其作

10、用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入电枢绕组。它与换向器相配合，起整流或逆变器电枢绕组。它与换向器相配合，起整流或逆变器的作用。的作用。 主要包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器等部件主要包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器等部件电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组电枢绕组端部电枢绕组端部换向器换向器端盖端盖2 2、转子部分、转子部分作用：作用：(a) (a) 主磁路的一部分；主磁路的一部分； (b)(b)电枢绕组的支撑部件。电枢绕组的支撑部件。构成：一般用厚构成：一般用厚0.5且冲有齿、且冲有齿、槽的硅钢片叠压夹紧而成槽的硅钢片叠压夹

11、紧而成 。片间。片间涂绝缘漆以减小损耗。涂绝缘漆以减小损耗。 （2）电枢绕组）电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成。它是直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，也是通过电流或感应电势从而流电机的主要电路部分，也是通过电流或感应电势从而实现机电能量变换的关键部件。实现机电能量变换的关键部件。 电枢绕组是用绝缘铜线制成元件，然后嵌放在电枢铁心电枢绕组是用绝缘铜线制成元件，然后嵌放在电枢铁心槽内，每个线圈（元件）有两个出线端，分别接到换向槽内，每个线圈（元件）有两个出线端，分别接到换向器的两个换向片上。所有线圈按一定规律连接成一闭合器的两个换向片上。所有线

12、圈按一定规律连接成一闭合回路。回路。（3）换向器）换向器换向器是直流电机的重要部件，在直流发电机中，它换向器是直流电机的重要部件，在直流发电机中，它将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换为绕势；在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换为绕组内的交流电流。组内的交流电流。换向器由许多梯形铜排制成的彼此绝缘的换向片组成。换向器由许多梯形铜排制成的彼此绝缘的换向片组成。换向片数与线圈元件数相同。换向片数与线圈元件数相同。换向片换向片换向片间绝缘换向片间绝缘主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两

13、部分组成直流电机直流电机定子定子转子转子机座机座换向极换向极主磁极主磁极电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴电枢绕组电枢绕组直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结3、直流电机的铭牌和额定值、直流电机的铭牌和额定值直流电机上都有一铭牌，直流电机上都有一铭牌，上面标明电机的必要数据上面标明电机的必要数据直流电机的额定值直流电机的额定值 （1）额定功率）额定功率NP指电机在铭牌规定的额定状态下运行指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，时，电机的输出功率，单位单位kW对电动机，额定功率是指转轴输出的机械功率；对电动机，额定功率是指转轴输出的机械功率

14、； 对发电机，额定功率是指出线端输出的电功率。对发电机，额定功率是指出线端输出的电功率。NN NPU INN NPU I额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位：额定状态下出线端电压，单位V额定电流额定电流IN：额定状态下出线端电流，单位：额定状态下出线端电流，单位A额定转速额定转速nN： 额定状态下的电机转速，单位额定状态下的电机转速，单位r/min励磁方式：并励、串励、他励、复励。励磁方式：并励、串励、他励、复励。工作方式：连续、短时、间歇三种工作方式。工作方式：连续、短时、间歇三种工作方式。3.3 直流电机的磁路、空载时气隙磁密与空载磁直流电机的磁路、空载时气隙磁密与空载磁化特性

15、化特性磁路从磁路从气隙气隙1出发经出发经电枢齿电枢齿1电枢轭电电枢轭电枢齿枢齿2气隙气隙2主磁极主磁极2定子轭主磁极定子轭主磁极1，最后又回到最后又回到气隙气隙1气隙气隙2电枢齿电枢齿1 电枢轭电枢轭气隙气隙1定子轭定子轭主磁极主磁极 3.3.1直流电机的磁路直流电机的磁路电枢齿电枢齿2主磁场磁密的分布主磁场磁密的分布在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，B大小完全与气隙长度成反比。大小完全与气隙长度成反比。在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置

16、以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于密等于0。3.3.2空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形 为了感应电动势或产生电磁为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通定量的每极磁通 ，空载时，气，空载时，气隙磁通隙磁通 与空载磁通势与空载磁通势 或空或空载励磁电流载励磁电流 的关系，称为直流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。电机的空载磁化特性。0 0 0fF0fI 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般

17、直流电机额定运行时，额定一般直流电机额定运行时，额定磁通磁通 设定在图中设定在图中A点，即在磁点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位化特性曲线开始进入饱和区的位置。置。N fNI0fF0fIfFfIA0N 0 3.3.3 空载磁化特性空载磁化特性3.3.4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式他励他励串励串励并励并励复励复励永磁材料励磁永磁材料励磁IIaIIaIfI=Ia+IfI=Ia3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前前提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有

18、效材料最省， 强度高（机械、电强度高（机械、电气、热），气、热）， 运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。 电枢绕组：电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机的电磁感应的关键部件之一, , 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。枢纽。电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。端，另

19、一根称为末端。元件边元件边极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用面之间的距离，用表示。表示。首端首端末端末端pD2 端部端部电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：第二节距第二节距y2：连至同一换向片上连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间层边与第二个元件的上层边间的距离。的距离。第一节距第一节距y1：一个元件的两条有一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离。效边在电枢表面跨过的距离。y1y2y合成节距合成节距y ：连接同一换向片上连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。的两个元件对应边之间的距

20、离。换向节距换向节距yK：同一元件首末端同一元件首末端连接的换向片之间的距离。连接的换向片之间的距离。绕组实物图绕组实物图电枢绕组的形式电枢绕组的形式环形绕组环形绕组叠绕组叠绕组波绕组波绕组3.4.1 单叠绕组单叠绕组单叠绕组的单叠绕组的连接规律连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即是：所有的相邻元件依次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。闭合回路。特点：特点： 槽数槽数Ze、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同

21、三者相同单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。向片。y=yK=1单叠绕组分析实例：单叠绕组分析实例：1. 数据计算数据计算yyK1计算数据计算数据y 和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极实例：实例： p2， ZeSK164221621 pZye 单叠右行绕组单叠右行绕组12.单叠绕组展开图单叠绕组展开图1.槽展开槽展开2.绕组放置绕组放置3.安放磁极电刷安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电

22、刷NSNS+3.绕组放置绕组放置 元件元件1： 上元件边在上元件边在1槽，槽， 下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即5槽下层。槽下层。 元件元件2： 上元件边在上元件边在2槽，槽， 下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即6槽下层。槽下层。以此类推以此类推某一瞬间某一瞬间电刷、磁极放置电刷、磁极放置磁极磁极：磁极宽度约：磁极宽度约0.7, ,均匀分布，均匀分布，N、S极交替安排。极交替安排。 电刷：电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元

23、件电势为零的位置。短路的元件电势为零的位置。 电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。同的方向。 在磁极的几何中心线上电势为零。在磁极的几何中心线上电势为零。 电刷放置：电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。对准的换向片上。 元件连接顺序表元件连接顺序表绕电枢一周，绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。所有元件互相串联构成一闭合回路。绕组电路图：绕组电路图：结合电刷的放置，结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：aaai

24、I21）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。磁极数与支路数相同。22ap 2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。势。 3）电枢电流等于各支路电流之和。）电枢电流等于各支路电流之和。 3.4.2 单波绕组单波绕组为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距边应处于相同磁极极性下，即合成节距 2,2 yy单波绕组：换向极距单波绕组：换向极距y

25、c必须符合必须符合 即即 1KyPK pKyK1 为了使绕组从某一换向片出发，为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。则可由此再绕下去。 单波绕组的单波绕组的连接规律连接规律是：把相隔大约两个极距，即在是：把相隔大约两个极距，即在磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。单波绕组分析实例:实例：实例：p2， Ze=SK15 左单波绕组左单波绕组计算数据计算数据y 和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极1.绕组数据计算绕组数据计算1153324

26、4eZyp721151 pKyyK21734yyy元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置：元件、换向片的放置：1元件上层边元件上层边1槽，下层边槽，下层边4槽槽;首末端所连的换向首末端所连的换向片相距片相距yk7；为了端部对称，为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线首末端所连的两换向片之间的中心线与与1元件的轴线重合。元件的轴线重合。1元件上层边所连的换向片元件上层边所连的换向片定为定为1。 依次联接依次联接。 磁极放置：磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。放在与主极轴线对准的

27、换向片上。 单波绕组展开图单波绕组展开图3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512SNNS槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷单波绕组元件连接顺序表单波绕组元件连接顺序表从绕组展开图可以看出，从绕组展开图可以看出， 全部全部15个元件串联而构成一个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：用联接顺序图表示为：1815 714 6 13 5 124 11 310 2914 11 310 2918 15 7 14 6 13 5 12上层边上层边下层边下层边单波绕组电路图单波绕组电路图(1)单波绕