电子技工业务3 电子技工业务 第三章 第8节 直流电机的基本结构与工作特性

第3章船舶电机及拖动基础一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

直流电机是实现直流电能和机械能相互转化的旋转电机,将直流电能转换为机械能的称为直流电动机,将机械能换转为直流电能的称为直流发电机。直流电动机的主要优点是起动性能和调速性能好,过载能力大。直流电机的主要缺点是结构复杂,使用有色金属多,生产工艺复杂,价格昂贵,运行可靠性差,故逐步被交流电机取代。第八节直流电机的基本结构与工作特性

图3-71是一台直流电机的工作原理图。

N和S是一对固定的磁极,可以是电磁铁,也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体,称为电枢铁芯。图3-71

直流电机的工作原理图一、直流电机的工作原理1.直流电动机的基本工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

铁芯表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd,线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上,弧形铜片称为换向片,它们的组合体称为换向器,在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B,线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁芯、电枢线圈和换向器构成的整体称为电枢。

图3-71

直流电机的工作原理图1.直流电动机的基本工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

作为直流电动机运行时,将直流电源加于电刷A和B,则线圈abcd中流过电流,导体ab中,电流由a流向b,导体cd中,电流由c流向d。载流导体ab和cd均处于N、S极之间的磁场当中,受到电磁力的作用(电磁生力),形成一个转矩,称为电磁转矩,用左手定则可知这转矩的方向为逆时针方向,使整个电枢逆时针方向旋转。

图3-71

直流电机的工作原理图1.直流电动机的基本工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

当电枢旋转180°,导体cd转到N极下,ab转到S极下,由于电流仍从电刷A流入,使cd中的电流变为由d流向c,而ab中的电流由b流向a,从电刷B流出,用左手定则判别可知,电磁转矩的方向仍是逆时针方向。

图3-71

直流电机的工作原理图1.直流电动机的基本工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

由此可见,加于直流电动机的直流电源,借助于换向器和电刷的作用,使由电刷通入的直流变换为线圈中流过的交变电流,从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变,确保直流电动机朝一定的方向连续旋转。同时电枢线圈中必然产生感应电势,称为反电势,使电枢线圈电流不致过大。

图3-71

直流电机的工作原理图1.直流电动机的基本工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

实际的直流电动机,电枢圆周上均匀地嵌放着许多线圈,相应地换向器由许多换向片组成,使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀,电动机的转速也就比较均匀。这就是直流电动机的基本工作原理。

图3-71

直流电机的工作原理图1.直流电动机的基本工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

作为直流发电机运行时,用原动机拖动电枢朝某一方向旋转,如图3-72所示。

图3-72直流发电机的工作原理图这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线,感应产生电动势(磁生电)；电动势的方向用右手定则确定,ab中电动势的方向由b指向a,cd中电动势的方向由d指向c,电刷A为正极性,B为负极性。2.直流发电机的工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

图3-72直流发电机的工作原理图电枢旋转180°时,导体cd转至N极下,电动势方向由c指向d,电刷A与d所连换向片接触,仍为正极性;导体ab转至S极下,电动势的方向变为a指向b,电刷B与a所连换向片接触,仍为负极性。

可见,直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的,而通过换向器和电刷的作用,在电刷A、B两端输出的电动势是方向不变的直流电动势。2.直流发电机的工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

图3-72直流发电机的工作原理图若在电刷A、B之间接上负载,发电机就能向负载供给直流电能。

同时电枢的载流导体在磁场中受电磁力的作用,产生一个反转矩,使转速得以稳定运行。这就是直流发电机的基本工作原理。2.直流发电机的工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

可见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,取决于外界不同的条件,称为电机的可逆原理。感应电势的公式可以表示为:

电磁转矩T正比于电枢电流Ia及每极磁通Φ,其计算公式为:

2.直流发电机的工作原理一、直流电机的工作原理第八节直流电机的基本结构与工作特性

与交流电机一样,直流电机也是由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,主要作用是建立磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,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,由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式第八节直流电机的基本结构与工作特性

图3-73是直流电机的纵剖面图,图3-74是横剖面示意图。分别简单介绍如下。(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-73直流电机的纵剖面图图3-74直流电机横剖面示意图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—电枢铁芯1—电枢绕组;2—电枢铁芯;3—机座;4—主磁极铁芯;5—励磁绕组;6—换向极绕组;7—换向极铁芯;8—主磁极极靴;9—机座底脚第八节直流电机的基本结构与工作特性

1.定子部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-75主磁极(1)主磁极主磁极作用是建立气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成,如图3-75所示。1—机座;2—主磁极铁芯;3—励磁绕组铁芯用0.5~1.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧而成;励磁绕组用绝缘铜线绕制而成。励磁绕组套在极身上,再将整个主磁极用螺钉固定在机座上。第八节直流电机的基本结构与工作特性

1.定子部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-76换向极(2)换向极两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极,也叫附加极或间极。作用是改善换向,减小火花。换向极由换向极铁芯和换向极绕组组成,如图3-76所示。换向极的数目与主磁极相等。1—换向极铁芯;2—换向极绕组第八节直流电机的基本结构与工作特性

1.定子部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-74直流电机横剖面示意图(3)机座电机定子部分的外壳称为机座,见图3-74中的3,机座起整个电机的支撑和固定作用,也是磁路的一部分。机座一般为铸钢件或由钢板焊接而成。3—机座;4—主磁极铁芯第八节直流电机的基本结构与工作特性

1.定子部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-77电刷装置(4)电刷装置电刷装置用以引入或引出直流电压和直流电流。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷座等组成,如图3-77所示。1—刷握;2—电刷;3—压紧弹簧;4—铜丝辫第八节直流电机的基本结构与工作特性

2.转子(电枢)部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-78电枢铁芯冲片(1)电枢铁芯电枢铁芯是主磁通磁路的主要部分,同时用以嵌放电枢绕组。电枢铁芯用0.5mm厚的硅钢片冲制的冲片叠压而成,冲片的形状如图3-78所示。1—齿;2—槽;3—轴向通风孔叠成的铁芯固定在转轴或转子支架上。铁芯的外圆开有电枢槽,槽内嵌放电枢绕组。第八节直流电机的基本结构与工作特性

2.转子(电枢)部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-79电枢槽内绝缘(2)电枢绕组电枢绕组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。它由许多线圈按一定规律连接而成。线圈边嵌放在铁芯槽内,如图3-79所示。1—槽楔;2—线圈绝缘;3—导体;4—层间绝缘;5—槽绝缘;6—槽底绝缘第八节直流电机的基本结构与工作特性

2.转子(电枢)部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-80普通换向器(3)换向器普通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,如图3-80所示。1—V形套筒;2—云母环;3—换向片;4—连接片第八节直流电机的基本结构与工作特性

2.转子(电枢)部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式图3-81塑料换向器(3)换向器对于小型直流电机,可以采用塑料换向器,如图3-81所示。1—云母片;2—换向片;3—塑料第八节直流电机的基本结构与工作特性

2.转子(电枢)部分(一)直流电机的构造二、直流电机的构造、励磁方式(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。第八节直流电机的基本结构与工作特性

(二)直流电机的励磁方式二、直流电机的构造、励磁方式主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁通势称为励磁磁通势,励磁磁通势单独产生的磁场称为励磁磁场,又称主磁场。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同,直流电机可以分为以下4类：1.他励直流电机2.并励直流电机3.串励直流电机4.复励直流电机第八节直流电机的基本结构与工作特性

1.他励直流电机(二)直流电机的励磁方式二、直流电机的构造、励磁方式机励磁绕组由其他直流电源供电,与电枢绕组之间没有电的联系,如图3-82(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机。图中电流正方向是以电动机为例设定的。图3-82直流电机的励磁方式（a）他励第八节直流电机的基本结构与工作特性

2.并励直流电机(二)直流电机的励磁方式二、直流电机的构造、励磁方式励磁绕组与电枢绕组并联,如图3-82(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%~5%,所以励磁绕组的导线细而匝数多。图3-82直流电机的励磁方式（b）并励第八节直流电机的基本结构与工作特性

3.串励直流电机(二)直流电机的励磁方式二、直流电机的构造、励磁方式励磁绕组与电枢绕组串联,如图3-82(c)所示。励磁电流等于电枢电流,所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。图3-82直流电机的励磁方式（c）串励第八节直流电机的基本结构与工作特性

4.复励直流电机(二)直流电机的励磁方式二、直流电机的构造、励磁方式每个主磁极上套有两个励磁绕组,一个为并励绕组,另一个为串励绕组,如图3-82(d)所示。两个绕组产生的磁通势方向相同时称为积复励,相反时称为差复励,通常采用积复励方式。

直流电机的励磁方式不同,运行特性和适用场合也不同。图3-82直流电机的励磁方式（d）复励第八节直流电机的基本结构与工作特性

三、直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准,根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要数据称为电机的额定值。1.额定功率PN额定功率指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机,是指轴上输出的机械功率,单位为kW(千瓦);对发电机,是指电枢输出的电功率,单位为kW(千瓦)。第八节直流电机的基本结构与工作特性

三、直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准,根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要数据称为电机的额定值。2.额定电压UN额定电压是电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压,单位为V(伏)。第八节直流电机的基本结构与工作特性

三、直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准,根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要数据称为电机的额定值。3.额定电流IN额定电流是电机按照规定的工作方式运行时,电枢绕组允许流过的最大电流,单位为A(安)。第八节直流电机的基本结构与工作特性

三、直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准,根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要数据称为电机的额定值。4.额定转速nN额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时,电机的旋转速度,单位为r/min(转/分)。额定值一般标在电机的铭牌上,故又称为铭牌数据。还有一些额定值,例如额定效率ηN和额定温升τN等,不一定标在铭牌上,可查产品说明书得到。第八节直流电机的基本结构与工作特性

三、直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准,根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要数据称为电机的额定值。额定功率与额定电压和额定电流的关系:

直流电动机:PN=UNINη×10-3(kW)。直流电机运行时,如果各个物理量均为额定值,就称电机工作在额定运行状态,亦称为满载运行,电机利用充分,运行可靠,并具有良好的性能。

直流发电机:PN=UNIN×10-3(kW)。第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性1.他(或并)励电动机由于每极磁通、理想空载转速和系数β均为常数,故转速随转矩T的增加而降低。但由于电枢电阻很小,转速随负载的变化不大,如图3-83曲线1所示。(一)直流电动机的机械特性图3-83直流电动机的机械特性他(或并)励电动机转速变化率仅为3%~8%,故为硬机械特性。适于拖动要求恒转速的生产机械,如泵和通风机等。第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性2.串励电动机由于串励磁通中随负载的增加而增加,从而使转速随负载的增加而迅速下降(曲线2),是软机械特性。(一)直流电动机的机械特性图3-83直流电动机的机械特性此外,因为空载时串励磁通Φ≈0,故理想空载转速趋于无穷大,有空载“飞车”的危险。飞车将使电动机遭到严重的机械损坏,故串励电动机不允许空载,也不允许用皮带轮传动。第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性2.串励电动机它的软特性具有轻载快行重载慢行的特点。轻载转速高有利于提高生产率,重载转速低有利于安全生产。(一)直流电动机的机械特性图3-83直流电动机的机械特性此外,串励电动机的电磁转矩近于和电枢电流的平方成正比,故起动能力和过载能力比较大。牵引和起重机械多选用串励电动机。第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性3.复励电动机复励电动机的机械特性介于并励和串励之间(曲线3)；若串励比较强,则它既具有串励的软特性又有安全的理想空载转速。(一)直流电动机的机械特性图3-83直流电动机的机械特性第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性他励直流发电机他励直流发电机试验线路如图3-84所示。(二)直流发电机的运行特性图3-84他励直流发电机试验线路第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性1.空载特性当n=nN、Ia=0时,空载电压U0与励磁电流If之间的关系U0=f(If)称为空载特性。空载特性可以通过空载试验来测定。空载特性如图3-85所示,与磁化曲线相似,都是一条受磁路饱和影响的曲线。(二)直流发电机的运行特性图3-85他励直流发电机的空载特性由于铁磁性材料的磁滞现象,所求特性的上升分支1和下降分支3不重合,一般取其平均值作为该电机的空载特性,如图中曲线2所示。第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性一般情况下,电机的额定电压处于空载特性曲线开始弯曲的线段上,即图中A点附近。图中If=0时的U0=Er为剩磁电压,约为额定电压的2%~5%。自励发电机自励建压的初始电压是由剩磁产生的。(二)直流发电机的运行特性图3-85他励直流发电机的空载特性1.空载特性第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性2.外特性直流发电机的外特性是在保持额定转速不变和并励总电阻不变的条件下,改变负载大小时,发电机的端电压随负载电流而变化的关系U=f(I)。(二)直流发电机的运行特性图3-86他励、并励发电机的外特性曲线引起发电机端电压随负载电流而变化的程度不仅与电枢内阻压降有关,而且与励磁方式有关。第八节直流电机的基本结构与工作特性

四、直流电机的运行特性2.外特性