直流电动机的换向一课件

学习子领域一直流电动机的启动调速技术§1.1直流电动机的基本工作原理与结构§1.2直流电动机的电枢绕组简介§1.3直流电动动机的换向§1.4直流电动动机的启动学习情境1.1直流电动机的启动技术学习子领域一直流电动机的启动调速技术§1.1直流电动机1§1.1直流电动机的基本工作原理与结构一、直流电动机的基本工作原理二、直流电动机的主要结构三、名牌数据及主要系列§1.1直流电动机的基本工作原理与结构一、直流电动机的基2

一、直流电动机的工作原理

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。（如图1.1所示）图1.1直流电动机的原理模型一、直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定3

当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。（如图1.2所示）图1.2

直流电动机原理模型当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab4

电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。因此，直流电动机的工作原理可总结为：因此，直流电动机的工作原理可总结为：5

二、直流电动机的主要结构直流电动机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电动机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。直流电电动机的结构型式是多种多样的。二、直流电动机的主要结构直流电动机的工作原理仅6

图1.3小型直流电动机的结构剖面图1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心图17（一）定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。图1.4直流电机的主磁极

1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢（一）定子部分图1.4直流8（二）转子部分直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

图1.5直流电机的电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

（二）转子部分图1.5直流电机的电枢9三、名牌数据及主要系列每台直流电机的机座外表面上都钉有一块所谓铭牌，上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据。这些数据包括：额定功率PN，额定电压UN，额定电流IN，额定转速nN，励磁方式和额定励磁电流IfN。

有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。

三、名牌数据及主要系列每台直流电机的机座外表面上10直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。但实际应用中，电机不总是运行在额定状态。如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运行，长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降低，不经济。超过额定电流，称为过载运行。长期过载有可能因过热而损坏电机。长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称11直流电动机的铭牌举例直流电动机的铭牌举例12§1.2直流电动机的电枢绕组简介一、直流电枢绕组基本知识二、单迭绕组三、单波绕组简介§1.2直流电动机的电枢绕组简介一、直流电枢绕组基本知识13

电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导体。对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体了，图1.6（a）就是一个多匝元件。不管一个元件有多少匝，其出线端只有两根，一根叫首端，另一根叫末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。一、直流电枢绕组基本知识一、直流电枢绕组基本知识14a)元件；b)元件在槽内的放置；c)实槽与虚槽1—元件边；2—首端；3—末端；4—有效部分；5—端接部分；6—元件边图1.6电枢绕组的元件及在槽内的放置情况图1.6电枢绕组的元件及在槽内的放置情况15

极距：相邻主磁极间的距离。

极轴线：把主磁极平分为两部分。

几何中心线：把相邻两极轴线平分。

绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。极距：相邻主磁极间的距离。绕组节距：是指被联接16。图1.7单叠绕组的节距图1.8单波绕组的节距

。图1.7单叠绕组的节距图1.8单波绕组的节距17（1）第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨槽数表示。选择

的依据是尽量让元件里感应电动势为最大。（2）第二节距：

联至同一个换向片的两个元件边之间的距离，或者说，是元件1的下层元件边在换向器端经过换向片联到元件2的上层元件之间的跨距。（3）合成节距

：元件1和它相联的元件2对应边之间的跨距。（4）换向器节距：每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距。

（1）第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的18二、单迭绕组（一）节距计算y==1

（二）绕组展开图Z为电枢槽数P为电机的极对数图1.9二、单迭绕组（一）节距计算Z为电枢槽数图1.919（三）元件连接顺序及并联支路图

绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。

图1.10

单叠绕组元件联接顺序图

从图1.10中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。

（三）元件连接顺序及并联支路图图1.10

单叠绕组元件联接20

（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数2a=2p。（2）电刷杆数等于极数2b=2p。当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电枢电流等于个并联支路电流之和。单叠绕组有以下特点：单叠绕组有以下特点：21三、单波绕组简介（一）节距计算（二）绕组展开图

图1.11三、单波绕组简介（一）节距计算图1.1122（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数a=1，与磁级对数p无关。（2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，正、负电刷间感应电动势最大。（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。（4）电枢电动势等于支路感应电动势。（5）电枢电流等于两条支路电流之和。单波绕组有以下特点：（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，23§1.3直流电动机的换向一、换向的概述二、换向的电磁理论三、改善换向的方法§1.3直流电动机的换向一、换向的概述24一、换向概述

定义：直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路，在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。研究意义：换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对附近无线电通讯有干扰。国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定。

一、换向概述定义：直流电机在工作时，绕组元件连续不断25换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。火花等级：1级---没有火花1.25级---一小部分地方有微弱点状火花1.5级----大部分电刷下有微弱火花2级---全部电刷边缘上均有火花3级----全部电刷边缘上均有很大的火花且火星向外飞溅对正常工作的电机，火花等级不能超过1.5级。换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。26二、换向的电磁理论概念：是指换向元件在换向过程中电流变化的情况，从而判断什么情况下会产生火花，什么情况下不产生火花。

直线换向延迟换向1、直线换向定义：是一种最基本的换向过程，换向元件里的换向电流随时间线性变化。特点：电刷下不产生火花。2、延迟换向定义：电抗电动势和电枢反应电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。

特点：电刷与换向片之间出现火花。图1.12二、换向的电磁理论概念：是指换向元件在换向过程中电流变化27三、改善换向的方法

改善换向的目的：消除或削弱电刷下的火花。方法：从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。1、选用合适的电刷增加电刷与换向片之间的接触电阻。在选用时，要综合考虑接触电阻的大小和电能损耗、发热、摩擦等因素。更换电刷时必须尽量选择同一牌号的。2、装设换向极

目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。三、改善换向的方法改善换向的目的：消除或削弱电刷下的火28§1.4直流电动机的启动一、电枢回路串电阻启动二、降压启动§1.4直流电动机的启动一、电枢回路串电阻启动29一、电枢回路串电阻起动1、起动过程图1.13一、电枢回路串电阻起动1、起动过程图1.13302、起动电阻的计算

在已知起动电流比β和电枢电阻前提下，经推导可得各级串联电阻为:2、起动电阻的计算在已知起动电流比β和电枢电阻前31计算各级起动电阻的步骤：（1）求Ra（2）根据过载倍数求T1,I1(3)选取m（4）计算（5）求检验是否满足T2≥(1.1—1.3)TL，若不满足，另选T1或m值，直到满足条件。3、三点起动器（简单了解）人工手动办法起动计算各级起动电阻的步骤：32二、降压起动当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机-电动机组，现在多用晶闸管整流电源代替。优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。二、降压起动当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。33学习子领域一直流电动机的启动调速技术§1.1直流电动机的基本工作原理与结构§1.2直流电动机的电枢绕组简介§1.3直流电动动机的换向§1.4直流电动动机的启动学习情境1.1直流电动机的启动技术学习子领域一直流电动机的启动调速技术§1.1直流电动机34§1.1直流电动机的基本工作原理与结构一、直流电动机的基本工作原理二、直流电动机的主要结构三、名牌数据及主要系列§1.1直流电动机的基本工作原理与结构一、直流电动机的基35

一、直流电动机的工作原理

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。（如图1.1所示）图1.1直流电动机的原理模型一、直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定36

当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。（如图1.2所示）图1.2

直流电动机原理模型当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab37

电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。因此，直流电动机的工作原理可总结为：因此，直流电动机的工作原理可总结为：38

二、直流电动机的主要结构直流电动机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电动机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。直流电电动机的结构型式是多种多样的。二、直流电动机的主要结构直流电动机的工作原理仅39

图1.3小型直流电动机的结构剖面图1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心图140（一）定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。图1.4直流电机的主磁极

1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢（一）定子部分图1.4直流41（二）转子部分直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

图1.5直流电机的电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

（二）转子部分图1.5直流电机的电枢42三、名牌数据及主要系列每台直流电机的机座外表面上都钉有一块所谓铭牌，上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据。这些数据包括：额定功率PN，额定电压UN，额定电流IN，额定转速nN，励磁方式和额定励磁电流IfN。

有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。

三、名牌数据及主要系列每台直流电机的机座外表面上43直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。但实际应用中，电机不总是运行在额定状态。如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运行，长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降低，不经济。超过额定电流，称为过载运行。长期过载有可能因过热而损坏电机。长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称44直流电动机的铭牌举例直流电动机的铭牌举例45§1.2直流电动机的电枢绕组简介一、直流电枢绕组基本知识二、单迭绕组三、单波绕组简介§1.2直流电动机的电枢绕组简介一、直流电枢绕组基本知识46

电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导体。对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体了，图1.6（a）就是一个多匝元件。不管一个元件有多少匝，其出线端只有两根，一根叫首端，另一根叫末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。一、直流电枢绕组基本知识一、直流电枢绕组基本知识47a)元件；b)元件在槽内的放置；c)实槽与虚槽1—元件边；2—首端；3—末端；4—有效部分；5—端接部分；6—元件边图1.6电枢绕组的元件及在槽内的放置情况图1.6电枢绕组的元件及在槽内的放置情况48

极距：相邻主磁极间的距离。

极轴线：把主磁极平分为两部分。

几何中心线：把相邻两极轴线平分。

绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。极距：相邻主磁极间的距离。绕组节距：是指被联接49。图1.7单叠绕组的节距图1.8单波绕组的节距

。图1.7单叠绕组的节距图1.8单波绕组的节距50（1）第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨槽数表示。选择

的依据是尽量让元件里感应电动势为最大。（2）第二节距：

联至同一个换向片的两个元件边之间的距离，或者说，是元件1的下层元件边在换向器端经过换向片联到元件2的上层元件之间的跨距。（3）合成节距

：元件1和它相联的元件2对应边之间的跨距。（4）换向器节距：每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距。

（1）第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的51二、单迭绕组（一）节距计算y==1

（二）绕组展开图Z为电枢槽数P为电机的极对数图1.9二、单迭绕组（一）节距计算Z为电枢槽数图1.952（三）元件连接顺序及并联支路图

绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。

图1.10

单叠绕组元件联接顺序图

从图1.10中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。

（三）元件连接顺序及并联支路图图1.10

单叠绕组元件联接53

（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数2a=2p。（2）电刷杆数等于极数2b=2p。当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电枢电流等于个并联支路电流之和。单叠绕组有以下特点：单叠绕组有以下特点：54三、单波绕组简介（一）节距计算（二）绕组展开图

图1.11三、单波绕组简介（一）节距计算图1.1155（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数a=1，与磁级对数p无关。（2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，正、负电刷间感应电动势最大。（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。（4）电枢电动势等于支路感应电动势。（5）电枢电流等于两条支路电流之和。单波绕组有以下特点：（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，56§1.3直流电动机的换向一、换向的概述二、换向的电磁理论三、改善换向的方法§1.3直流电动机的换向一、换向的概述57一、换向概述

定义：直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路，在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。研究意义：换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对附近无线电通讯有干扰。国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定。

一、换向概述定义：直流电机在工作时，绕组元件连续不断58换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。火花等级：1级---没有火花1.25级---一小部分地方有微弱点状火花1.5级----大部分电刷下有微弱火花2级---全部电