《电机及拖动基础》课件第1章

图1-14 直流电动机的气隙磁场分布示意图 (a) 主极磁场 ；(b) 电枢磁场；(c) 气隙磁场
1.4 直流电机的基本公式
直流电机的电枢是实现机电能量转换的核心，一台直流电 机运行时，无论是作为发电机还是作为电动机，电枢绕组中都 要因切割磁感应线而产生感应电动势，同时载流的电枢导体与 气隙磁场相互作用产生电磁转矩。
f=Bxli
(1-2)
图1-2 直流电动机的工作原理图 (a) ab边在N极下、cd边在S极下的电流方向；(b) 转子转过180°后的电流方向
例1.2 电动机拖动的生产设备常常需要作正转和反转的 运动，例如龙门刨床工作台的往复运动、电力机车的前行和倒 退等，那么图1-2所示的直流电动机怎样才能顺时针旋转呢？
3) 额定电流IN 额定电流是指额定电压和额定负载时，允许电机电刷两端 长期输出(发电机)或输入(电动机)的电流，单位为A。 对发电机，有
对电动机，有
PN=UNIN
PN=UNINηN
式中：ηN——额定效率。
4) 额定转速nN 额定转速是指电机在额定运行条件下的旋转速度，单位为 r/min。 此外，铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重 量等参数。还有一些额定值，如额定效率ηN、额定转矩TN、额 定温升τN，一般不标注在铭牌上。
定律告诉我们，在均匀磁场中，当导体切割磁感应线时，导体 中就有感应电动势产生。若磁感应线、导体及其运动方向三者 相互垂直，则导体中产生的感应电动势e的大小为
e=Bxlv
(1-1)
图 1-1 直流发电机的工作原理图 (a) ab边在N极下、cd边在S极下的电动势方向；(b) 转子转过180°后的电动势方向
2. 转子部分 1) 电枢铁芯 电枢铁芯由硅钢片叠成。为了减小涡流损耗，电枢铁芯 通常采用 0.35～0.5 mm厚且两面涂有绝缘漆的硅钢冲片叠压 而成。有时为了加强电机冷却，在电枢铁芯上冲制轴向通风孔， 在较大型电机的电枢铁芯上还设有径向通风道，用通风道将铁 芯沿轴向分成数段。整个铁芯固定在转轴上，与转轴一起旋转。 电枢铁芯及冲片形状如图1-9所示，电枢边缘的槽供安放电枢 绕组用。
图1-9 电枢铁芯冲片及电枢 (a) 电枢铁芯冲片；(b) 电枢
2) 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，使电机实 现机电能量的转换。 电枢绕组通常是由许多线圈按一定的规律连接而成的。这 种线圈通常用高强度漆包圆铜线或扁铜线绕制而成，放置于电 枢铁芯槽中(线圈与槽之间有槽绝缘)，并用槽楔封口，以防 止运转时抛出。伸出槽外的绕组端部，也用玻璃丝带扎紧，每 个线圈的端部按一定规律接到换向器的换向片上。
件下的运行状态，称为电机的额定运行。
1. 型号 型号表明该电机所属的系列及主要特点。我国直流电机 的型号采用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，例如型号 Z3—95 中的“Z”表示普通用途直流电机；脚注“3”表示第三 次改型设计；第一个数字“9”是机座直径尺寸序号；第二个数 字“5”是铁芯长度序号。
图1-13 空载磁化曲线
1.3.3 直流电机的负载磁场和电枢反应 当直流电机负载运行时，不但励磁电流流过励磁绕组产生
一个主极磁场，而且电枢绕组中有电枢电流流过，将建立一个 电枢磁动势Fa，该磁动势还要产生一个电枢磁场。因此直流电 机负载运行时的气隙磁场是主极磁场和电枢磁场的合成磁场， 即负载运行时的气隙磁场是由励磁磁动势Ff和电枢磁动势Fa共 同建立的。
解
1.2.3 直流电机的主要系列 1) Z、ZF、ZD系列 2) Z4、ZO2 系列 3) ZJF、ZJD系列 4) S、SY 系列 5) ZCF、ZYS、CYD和CY系列
1.3 直流电机的磁场
由直流电机的基本工作原理可知，直流电机无论是作发电 机运行还是作电动机运行，必须具有一定强度的气隙磁场，所 以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。为此，在分析直流电 机的运行原理之前，必须对直流电机的励磁方式、空载和负载 时的气隙磁场进行分析。
3) 换向器 换向器在电动机中的作用是将电刷两端的直流电流转换为 绕组内的交流电流；在发电机中，它的作用是将绕组内的交流 电动势转换为电刷两端的直流电压。换向器由许多个彼此相互 绝缘的换向片组成，换向片之间用 0.4～1.2 mm厚的云母片绝 缘，换向器的结构如图1-10所示。
1—连接片； 2—换向片； 3—云母环； 4—V形套筒
答 对于图1-2，电动机顺时针旋转时需获得一个顺时针方 向的电磁转矩，由左手定则可知，电磁力的方向取决于磁场极 性和导体中的电流方向，所以，直流电动机获得反转的方法有 两个：一是改变磁场极性；二是改变电源电压的极性，使流过 导体的电流方向改变。若二者同时改变，则电动机转向不变。
综上所述，可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运 行，又可以作为发电机运行，这主要取决于不同的外部条件。 若将直流电源加在电刷两端，电机就能将直流电能转换为机械 能，作电动机运行；若用原动机拖动电枢旋转，输入机械能， 电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种运行状 态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。实际的直流发电机 和直流电动机，因为设计制造时考虑了长期作为发电机或电动 机运行性能方面的不同要求，在结构上稍有区别，所以并不像 理论上分析的那样完全可逆。
例1.1 如图1-1中的直流发电机，若顺时针旋转，电刷两 端的电动势极性有何变化? 还有什么因素会引起同样的变化？
答 在图1-1(a)所示位置，当直流发电机顺时针旋转时， 用右手定则可判断出线圈中感应电流的方向为a→b→c→d，通 过换向片与电刷的滑动接触可知，电刷B为正极性，电刷A为 负极性。所以改变直流发电机电枢旋转方向就可以改变输出电 动势的极性。
1.4.1 直流电机的电枢电动势 在直流电机中，电刷两端的感应电动势即电枢电动势是由
于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即导体切割磁感应线而 产生的。根据电磁感应定律，电枢绕组中每根导体的平均电动 势为e=Bplv。对于给定的电机，电枢电动势Ea与电枢导体的平 均电动势e成正比，且平均磁密Bp与每极磁通Φ成正比，导体线 速度v与转子的转速n成正比。因此电枢电动势Ea可用下式 表示：
Pem，即
Pem=TΩ=EaIa
(1-6)
1.5 直流电动机的运行原理
直流电动机稳定运行时电路系统的电动势平衡方程式、机 械系统的转矩平衡方程式以及能量转换过程中的功率平衡方程 式既反映了直流电动机内部的电磁过程，又表达了电动机内外 的机电能量转换，说明了直流电动机的运行原理。
1.5.1 电动势平衡方程式 当直流电动机稳定运行时，电枢绕组切割气隙磁场产生感
Ea=CeΦn
(1-3)
1.4.2 直流电机的电磁转矩 在直流电机中，作用在转子上的电磁转矩是由于电枢电流
与气隙磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。根据安培定律， 作用在电枢绕组每一根导体上的平均电磁力为 f=Bpli，对于给 定的电机，电磁转矩T与电枢导体平均电磁力f成正比，且磁通 密度Bp与每极磁通Φ成正比，每根导体中的电流i与从电刷流入 的电枢电流Ia成正比。因此，电磁转矩T的大小可由下式来表 示：
1.3.1 直流电机的励磁方式 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
图1-11 直流电机的励磁方式 (a) 他励；(b) 并励；(c) 串励；(d) 复励
1.3.2 直流电机的空载磁场和磁化曲线 1. 空载磁场和磁路 图1-12是一台四极直流电机的空载磁场分布示意图。
图1-10 换向器
4) 风扇、转轴和支架 风扇为自冷式电机中冷却气流的主要来源，可防止电机 温升过高。转轴是电枢的主要支撑件，它传送扭矩、承受重量 及各种电磁力，应有足够的强度、刚度及疲劳期。支架是大、 中型电机电枢组件的支撑件，有利于通风和减轻重量。
1.2.2 直流电机的铭牌 按照国家标准及电机设计和试验数据，规定电机在一定条
第 1 章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理 1.2 直流电机的基本结构与铭牌 1.3 直流电机的磁场 1.4 直流电机的基本公式 1.5 直流电动机的运行原理 1.6 直流电动机的工作特性 1.7 直流电机的换向 小结
1.1 直流电机的基本工作原理
1.1.1 直流发电机的基本工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应定律的。电磁感应
1—极掌；2—机座；3—励磁绕组 图1-6 直流电机的主磁极
Байду номын сангаас
2) 换向极 换向极又叫附加极，也是由铁芯和绕组组成的，如图1-7 所示。
1—铁芯；2—绕组 图1-7 直流电机的换向极
3) 电刷装置 电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧等 零件构成，如图1-8所示。
1—刷握； 2—铜丝辫； 3—压紧弹簧； 4—电刷
1—风扇； 2—机座； 3—电枢； 4—主磁极； 5—电刷架； 6—换向器； 7—接线板； 8—出线盒； 9—换向极； 10—端盖
图1-3 直流电机的结构
1—前端盖；2—风扇；3—机座；4—电枢；5—电刷架；6—后端盖 图1-4 直流电机的组成部件
图1-5 直流电机径向剖面示意图
1. 定子部分 1) 主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励 磁绕组两部分组成，通过螺钉固定在机座上，如图1-6所示。
T=CTΦIa
(1-4)
电动势常数Ce与转矩常数CT之间的关系为
即
CT=9.55Ce
(1-5)
1.4.3 直流电机的电磁功率 直流发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。 根据电磁转矩表达式(1-4)和Ω=2πn/60可得
上式说明，机械功率TΩ全部转换为电功率EaIa。通常 把由机械功率完全转变为电功率的这部分功率称为电磁功率
1—极靴；2—极身；3—定子磁轭；4—励磁绕组； 5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
图1-12 四极直流电机空载时的磁场分布
2. 空载磁化曲线 空载时，主磁通Φ0的大小仅取决于励磁磁动势Ff(Ff=NIf) 的大小和主磁路各段磁阻的大小。对一台特定的电机，其磁路 材料及其几何尺寸已确定，即磁阻已确定，而励磁绕组的匝数 N也已确定，因此，主磁通Φ0仅与励磁电流If有关，两者的关 系可由磁化曲线 Φ0=f(If)来描述，如图1-13 所示。
例1.3 一台直流发电机， PN=10 kW， UN=230 V， nN=2850 r/min，ηN=85%。求其额定电流和额定负载时的 输入功率。
解
例1.4 一台直流电动机， PN=17 kW， UN=220 V， nN=1500 r/min，ηN=83%。求其额定电流和额定负载时的 输入功率。
1.2 直流电机的基本结构与铭牌
1.2.1 直流电机的基本结构 直流电机在结构上主要由两部分组成：① 静止部分，即
定子；② 转动部分，即转子或电枢。定子和转子之间留有一 定的间隙，称为气隙。其结构如图1-3所示。图1-4是直流电机 的主要部件图，图1-5是直流电机径向剖面示意图。下面简要 介绍直流电机主要部件的结构及其作用。
2. 额定值 1) 额定功率PN 额定功率是指电机在规定的工作条件下，长期运行时的允 许输出功率，对发电机是指正、负电刷之间输出的电功率，对 电动机是指轴上输出的机械功率，单位为W或kW。
2) 额定电压UN 额定电压是指在规定的工作条件下，直流发电机电刷两端 的允许输出电压或直流电动机电刷两端允许施加的电源电压， 单位为V或kV。
由右手定则可知，决定感应电动势方向的因素有两个： 一是导体切割磁感应线的方向(电枢转向)，二是磁场极性。 所以，改变磁场的极性也可使直流发电机输出电动势的极性 改变。
1.1.2 直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理是基于安培定律的。若均匀磁场
Bx与导体相互垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体 上的安培力或电磁力f为
图1-8 直流电机的电刷装置
4) 机座 机座通常用铸铁、铸钢或钢板焊接而成。机座中传导磁通 的部分称为磁轭。机座的主要作用有三个：一是作为磁轭传导 磁通，是电机磁路的一部分；二是用来固定主磁极、换向极 和端盖等部件；三是借助机座的底脚把电机固定在基础上。所 以机座必须具有足够的机械强度和良好的导磁性能。