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第第3章章 直流电机原理直流电机原理 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 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 掌握电枢电动势和电磁转矩的计算掌握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，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 3.1.2 基本工作原理基本工作原理 直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；流方向一致；3）从空间看，）从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；是恒定不变的磁场；4）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。动性质。2、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流电枢线圈内电流是交流；是交流；2）线圈中感应电势与电流方向相反；）线圈中感应电势与电流方向相反；3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动与转子转向相同，是驱动性质。性质。结结 论论 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可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，也可以作为发电机远行，只是约以作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。束的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机；电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，而电刷上不加直流如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，电压，则电刷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。可输出电能，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这种原同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为理，在电机理论中称为可逆原理可逆原理。3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号 主磁极主磁极 换向磁极换向磁极 电刷装置电刷装置 机座机座 端盖端盖 定子定子 转子转子 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 转轴转轴 轴承轴承 直流电机直流电机 3.2.1 主要结构主要结构 1、定子部分、定子部分（1）主磁极主磁极 1主磁极铁心主磁极铁心 2励磁绕组励磁绕组 3机座机座 主磁极铁心用主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压而成。厚的钢板冲片叠压而成。（2）换向极）换向极 1换向极铁心换向极铁心 2换向极绕组换向极绕组 换向极铁心一般用整块钢换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。或钢板板叠片加工而成。换向极绕组与电枢绕组串换向极绕组与电枢绕组串联。联。作用作用：改善换向。：改善换向。（3）机座）机座 作用：作用：一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用；承的作用；二是作为电机磁路的一部分。二是作为电机磁路的一部分。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。（4）电刷装置）电刷装置 电刷的电刷的作用作用是把转动的电枢是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。流或逆变器的作用。1刷握刷握 2电电刷刷 3压紧弹簧压紧弹簧 4铜丝辫铜丝辫 2、转子部分、转子部分（1）电枢铁心电枢铁心 作用：作用：一是作为电机主磁路的主要部分；一是作为电机主磁路的主要部分；二是嵌放电枢绕组。二是嵌放电枢绕组。为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。绝缘漆的硅钢片叠压而成。（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，是通过电流和感应产生电动势流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。以实现机电能量转换的关键部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌放在电抠截面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈槽内，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。心力将绕组甩出槽外。（3）换向器换向器 作用：作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向换向器由许多换向片组成。换向片之片组成。换向片之间用云母绝缘。电间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在圈两端分别焊接在两个换向片上。两个换向片上。直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结 主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成 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 3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据 直流电机的额定数据直流电机的额定数据 额定容量额定容量PN：输出功率，单位输出功率，单位kW 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 直流发电机：直流发电机：PNUN IN 直流电动机：直流电动机：PNUN IN 额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。NNNNNNNnPnPPT55.96022 电动机轴上输出电动机轴上输出的额定转矩：的额定转矩：3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性磁化特性 3.3.1 直流电机的磁路直流电机的磁路 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 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。引进极弧系数引进极弧系数bp和气隙卡氏系数和气隙卡氏系数 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。3.3.3 空载磁化特性空载磁化特性 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 3.3.4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 3.4 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。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离。换向节距换向节距yc：同一元件首末端连同一元件首末端连接的换向片之间的距离。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 鼓形绕组鼓形绕组 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