直流电机

电刷
F N
I I
+
U –
换向片
F
S
注意：电刷和电源固定联接，换向片和线圈联接.电刷压
在换向片上。线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里， 下半边的电流向外。
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
• 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的两边流入，使 线圈边只要处于N 极下，其中通过电流 的方向总是由电刷流入导体，而在 S极 下时，总是从导体流向电刷。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。这就是直流电 动机的工作原理。
（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速
范围大的大型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。
3.1.2 基本工作原理
直流电动机 电刷
+
U
N I I
–
换向片
S
直流电源
电刷
线圈
换向器
电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。
发电机中换向器和电刷作用
• 换向器和电刷的共同作用：①将线圈中的交流 电势整流成刷间的直流电势；②把转动的电路 与外面不转的电路连接。 • 从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小 电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成 电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规 律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就 得到所需的直流电。
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If Uf Ia
M U U
他励
If
M 并励
U
M
U
M
串励
复励
3.3.1Байду номын сангаас直流电机的磁路
空载运行 直流电机不带负载(不输出功率)时的运行状 态 空载电流 相对额定电流而言，很小、常认为=0 空载磁场——主磁场 主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场
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。 额定值——根据国家标准、电机的设计指标、试验数据，电机 制造厂给每台电机规定的主要性能指标。
3.2.2 直流电机的铭牌数据
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。
1）物理中性线偏离了几何中性线
不考虑饱和，每极总磁通Φ不变 电枢反应的影响，使电枢表面磁密 =0的物理中性线偏离了几何中性线 对电动机，物理中性线逆着旋转方 向偏离了几何中性线 对发电机，物理中性线顺着旋转方 向偏离了几何中性线
2）考虑饱和的影响
考虑饱和的影响，半个极下减少 的磁通大于增加的磁通，使每极 总磁通减小。
§3.2 直流电机的基本结构
1. 定子
定子的分类：
永磁式：由永久磁铁做成。
励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。 2. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
3.2.1 直流电机的构成
励磁 绕组
机座 磁极
1. 主磁通和漏磁通
磁通：由励磁绕组通电产生 **主磁通Φ0 与电枢绕组匝链的磁通; **主磁路 主磁极、气隙、电枢齿、转子轭、定子轭 **漏磁通Φs 只与励磁绕组匝链的磁
说明
主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。 其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及 定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和 电枢绕组，称主磁通，记作：Φ0，主磁通参与机 电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工 作磁通。还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励 磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：Φζ，漏磁通 不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工 作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中 气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏 磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏 磁通比主磁通小得多，约占主磁通的20%左右。
Φ0=f（If0） Φ0=f（Ff0） 饱和： **磁阻非线性 **磁阻变大 **电机工作点选在磁路 开始饱和的A点
3.3.4 直流电机的电枢反应
负载时，电枢绕组通有负载电流，由此产 生电枢磁动势Fa， Fa与励磁磁动势Ff共 同合成负载时的气隙磁密，它与空载气隙 磁密分布不同。电枢磁动势对气隙磁密分 布的影响称为电枢反应。
在电动机中换向器和电刷的作用
• ①将刷间的直流电逆变成线圈中的 交流电； • ②把外面不转的电路与转动的电路 连接。
总结
• 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可 以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其 输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机 的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直 流电压，则从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；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则 从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换 成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发 电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为 电机的可逆原理。
转子
直流电机由定子、转子 和机座等部分构成。
励磁式直流电动机结构
主磁极： 大中型电机中，主磁极是一种电磁铁， 铁心用1－1.5mm厚的钢板冲片叠压紧 固而成。为了使主磁通在气隙中分布的 更为合理一些，铁心下部（称为极靴） 要比套绕组的部分（称为级身）宽，同 时也使绕组牢固的套在铁心上
换向极
主磁极和换向极示意图
换向片和换向器
•
图1-7 换向片和换向器
电枢铁心是电机磁路的一部分，其 外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。 电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂 有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成， 如图所示。电枢铁心固定在转轴或 转子支架上。铁心较长时，为加强 冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数 段，段与段之间留有通风孔。
曲线
图1-9 电机的磁化曲线
曲线特点
电机的磁化曲线具有饱和特点，当 主磁通Φ0较小时，铁磁材料的磁位 降较小，励磁磁通主要消耗在气隙 中；当主磁通Φ0较大时，铁磁材料 出现饱和，磁位降迅速增大，使 Φ0=ƒ（If）曲线离开气隙线弯曲呈 非线性。
曲线特点
电机的磁化曲线具有饱和特点， 当主磁通Φ0较小时，铁磁材料的磁 位降较小，励磁磁通主要消耗在气 隙中；当主磁通Φ0较大时，铁磁材 料出现饱和，磁位降迅速增大，使 Φ0=ƒ（If）曲线离开气隙线弯曲呈 非线性。
直流电机的额定值——铭牌数据
1.额定功率PN：指在额定电压、额定电流、 额定转速条件下工作的输出功率。 (1).电动机：轴上输出的机械功率 电动机的输入功率P1=UNxIN 电动机的机械功率PN=UNxINxηN (2).发电机：电枢输出的电功率 发电机的输入功率P1=机械功率 发电机的输出功率PN=UNxIN= P1xηN
重点和难点
• 重点： 直流电机的基本平衡方程式和 工作特性。 • 难点： 电枢反应。
§3.1 直流电机的用途及基本工作原理
3.1.1 直流电机的用途
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护 不如异步机方便，而且要使用直流电源。
直流电机的优点：
（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。
3.3.2 空载磁场气隙磁密分布曲线
气隙δ 极距η=πD/(2p) 磁极极靴的宽度 ≈75%η 气隙磁密 平均气隙磁密
如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光 滑的，根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度， 即有Bδ∝1/δ。主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙 磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增 大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁 密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为 零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平 顶波，也可称之为钟形曲线。
额定功率 N P
额定电压 N U
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流 N I
额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下，运 电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 电机铭牌上还标有其它数 额定励磁电流fN I 据，如励磁电压、出厂日 对应于额定电压、额定电流、额 期、出厂编号等。 定转速及额定功率时的励磁电流
直流发电机
交变电势产生
电刷
F E N
I I
+ U
E F
–
换向片
S
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
• 有了换向器,电刷端能引出方向不变的但 大小变化的脉振电动势。如果电枢上线 圈数增多，并按照一定的规律把它们连 接起来，可使脉振程度减小，就可获得 直流电动势。这就是直流发电机的工作 原理。同时也说明了直流发电机实质上 是带有换向器的交流发电机。
如电刷放在几何中性线上，电 枢反应的影响：
(1)是气隙磁场发生畸变，物理中性 线偏离了几何中性线 (2)考虑饱和的影响，半个极下减少 的磁通大于增加的磁通，使每极总 磁通减小。
§3.4 直流电机的电枢绕组
电枢：转子——机电能量转换的枢纽
绕组是由许多线圈(下称元件)按一定规律连接而成
直流电机的电磁感应的关键部件之一为导电的绕 组，因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组是直 流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢 纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动 势，并允许通过一定电枢电流，从而产生所需的 电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属 和绝缘材料，结构简单，运行可靠。