电机及电气控制技术教案：第4讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第3讲标题：直流电动机（2学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的直流电动机的基本结构和直流电动机电动机的工作原理，尤其是励磁方式及意义。教学目标能力（技能）目标知识目标能够拆装小型直流电机的主要部件；能根据直流电机的故障现象，分析判断可能的故障原因。。了解直流电机的结构；理解直流电机的励磁方式；掌握直流电机的工作原理。重点难点及解决方法重点：直流电动机的基本结构和直流电动机的工作原理。难点：直流电动机的工作原理。解决方法：讲清机电能量转换的过程。参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）直流电动机的基本结构和直流电动机电动机的工作原理，尤其是励磁方式及意义。【步骤二】新知识讲解（时间：80分钟）一、直流电机第四节应该都是讲直流电动机呢吧？您第四节里的电极是不是都应该替换为电动机呢？第四节应该都是讲直流电动机呢吧？您第四节里的电极是不是都应该替换为电动机呢？请处理下此处正确（这里的电机包括电动机和发电机）1.定子直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。(1)主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场，使电枢表面的气隙磁通密度在空间上均有分配，并且方便缠绕励磁绕组。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图1-43所示。主磁极铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴（极掌）两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴（极掌），极靴（极掌）宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。极靴（极掌）两边伸出极身之外的部分，称为极尖。极靴（极掌）面向电枢的部分称为极弧。极弧与电枢间的空间为气隙。铁心励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。此处有改动此处有改动（2）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。（3）机座电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极，并起整个电机的支撑和固定作用；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，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

(4)电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1-45所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和刷辫等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。刷辫的作用是为了保证可靠连接导通电流。此处有改动此处有改动2.转子(电枢)运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，主要由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。(1)电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。(2)电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图1-46所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。图1-47是电枢绕组中的单叠绕组，一个绕组的首端和末端所连接的换向片相邻。(3)换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。换向器的结构如图1-48所示。（4）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。二、直流电机的励磁方式直流电机在进行能量转换时，都是通过气隙中的磁场作为媒介。除了少数采用永磁体作为主磁极的直流电机外，直流电机都是在励磁绕组中通以励磁电流的方式产生磁场的。我们称主磁极的励磁绕组获得直流电源的方式称为励磁方式。以直流电动机为例，励磁方式分为四种：他励、并励、串励和复励，如图1-49所示。（1）他励励磁绕组的电源由单独的励磁电源提供，与电枢电源无关。需说明的是，永磁体电极的直流电动机也属于他励方式。（2）并励励磁绕组和电枢绕组并联，由同一个直流电源供电。（3）串励励磁绕组和电枢绕组串联，由同一个直流电源供电。（4）复励励磁绕组分成两部分，一部分与电枢绕组并联，另一部分与电枢绕组串联，由同一个直流电源供电。三、直流电机的工作原理1.直流发电机和直流电动机的工作原理直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机，按照能量转换的方式分为直流发电机和直流电动机。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。直流电机的工作原理如图1-50所示。直流发电机工作时，由原动机拖动转子旋转，旋转的转子切割定子提供的磁场，在转子绕组中产生感应电动势。对于转子绕组来说，其旋转到不同的磁极，内部的感应电动势方向会周期变化。通过换向器和电刷的逆变作用，可以将电枢绕组内部产生的交变电源，变成电刷间方向不变的直流电源；直流电动机工作时，直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，电枢绕组中的电流与定子磁场相互作用使通电的电枢导体受到电磁力的作用，形成电磁转矩，电动机沿着电磁转矩的方向旋转。为了保证电枢绕组旋转到不同磁极下的受力方向不变，流经电枢绕组的电流方向在不同的磁极下必须改变。通过电刷和换向器的共同作用，将外部电路的直流电源整流成电枢绕组内部的交变电流，以保证电枢绕组受力方向不变，电机能够沿着同一方向连续运转。综上所述，不论是发电机还是电动机，换向器都是关键部件。换向器和电刷的共同作用，可以把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷间的方向不变的直流电动势；把直流电动机电刷间的直流电流逆变成线圈内部的交变电流，以保证电动机沿着恒定方向旋转。2.直流电机的可逆运行原理

从电机的结构上来说，直流发电机和直流电动机完全相同。直流发电机带负载后，有电流流过负载，同时也流过电枢线圈，其方向与感应电动势方向相同。根据电磁力定律，电枢绕组在定子磁场中会受到电磁力的作用，形成电磁转矩，方向与转速方向相反。所以，发电机的电磁转矩阻碍发电机旋转，是制动性质。为此，发电机必须用足够大的拖动转矩来克服电磁转矩的制动作用，以维持发电机的稳定运行。此时发电机从原动机吸收机械能，转换成电能向负载输出；直流电动机旋转起来后，电枢绕组切割定子磁场，也要产生感应电动势，用右手定则判断其方向与电流方向相反，即电枢电动势是反电动势，它阻碍电流流入电动机。所以，直流电动机要正常工作，就必须要施加直流电源以克服反电动势的阻碍作用，把电流加入电动机。此时，电动机从直流电源吸收电能，转换成机械能输出。综上所述，无论是电动机还是发电机，由于电磁的相互作用，电枢电动势和电磁转矩是同时存在的。从原理上说发电机和电动机并没有本质差别，只是外界条件不同。一台直流电机，既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行，这就是直流电机的可逆运行原理。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：5分钟）直流电机分为直流发电机和直流电动机两大类，由两个主要部分组成：静止部分（称为定子），主要用来产生磁场；转动部分（称为转子，又称电枢），是机电能量转换的枢纽。在定转子之间，有一定的间隙称为气隙。直流电机的运行性能与它的励磁方式有密切的关系。直流电机励磁绕组的供电方式称为励磁方式，分为四类：他励、并励、串励和复励。直流电机运行时，通过换向器和电刷的共同作用，可以将直流发电机转子绕组中的交变电