电机与拖动第一章课件.

第1章直流电机要点提示：1.直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。

2.直流电机由两大部分组成：定子和转子。

3.掌握直流电机的工作原理。

4.掌握直流电动机的工作特性：转速特性、转矩特性、效率特性5.掌握直流电机定子绕组的励磁方式有：他励、并励、串励、复励。

6.理解电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路的过程称为换向。

7.直流电机的感应电动势：电枢绕组中的感应电动势，即正负电刷之间的感应电动势。

1.1 直流电机的基本工作原理与结构电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。

按工作电源种类可分为直流电机和交流电机。

直流电机按能量转换的方向可分为直流电动机和直流发电机。

在电机发展的历史上，直流电机的发明较早，它的电源是电池，后来才出现了交流电机。

直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力，比较容易控制。

常用于调速要求较高的生产机械上，如轧钢机，矿井提升设备，大型起重机，电力机车，挖掘机械和纺织机械等；同时直流发电机可用来作为直流电机以及交流电机的励磁直流电源。

直流电机的换向问题，限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。

随着近年来电力电子技术的发展，在很多领域内，直流电机有逐步被交流电机取代的趋势。

但在某些要求调速范围大、调速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电机的应用目前仍占有较大的比重。

1.1.1 直流电机的结构任何电机都包括三大部分：定子、转子和气隙。

同一般类型电机一样，直流电动机和直流发电机在主要结构上基本相同，都由定子、转子和气隙三部分组成。

如图1.1.1所示。

直流电动机主要由定子、转子、电刷装置、换向极、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。

1.定子定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等组成，其剖面结构如图1.1.2所示其主要作用是产生主磁场和作为电机的机械支架。

1）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。

主磁极由铁心和励磁绕组两部分组成，通过螺钉固定。

如图1.1.3所示为减小涡流损耗，主磁极铁心通常用1～1. 5mm 厚的钢板冲片叠压铆紧而成，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。

极靴的作用是使气隙磁场分布比理想，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。

励磁绕组是用来产生主磁通的，用绝缘铜线绕制而成。

当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N 、S 交替出现的。

2）换向极两相邻主磁极之间的小磁极称为换向极，又称为附加极或间极，其作用是改善直流机的换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。

换向极由换向极铁心和向极绕组组成，换向极的铁心比主磁极的简单，一般用整块钢板制成，在其上放置换向绕组。

换向极的数目与主磁极数相等。

如图1.1.4所示。

3)机座 图1.1.1 直流电机装配结构图图1.1.2 直流电机纵向剖视图 图1.1.3主磁极的结构 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座机座一般为铸钢件或由钢板焊接而成，具有足够的机械强度和良好的导磁性能。

机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖，对整个电机起支撑和固定作用；另一方面也是机主磁 路的一部分，用于构成磁极之间的通路，磁通通过的部分称为磁轭。

端盖固定于机座上，主要起支撑作用，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直机能够旋转。

4)电刷装置电刷装置是直流电机的重要组成部分，主要用于引入或引出直流电压和直流电流，通过该装置把电机电枢中的电流与外部电路相连或把外部电源与电机电枢相连。

电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及弹簧片等组成。

电刷一般由导电耐磨石墨材料制成，放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，如图1.1.5所示刷握固定在刷杆上，刷杆固定在圆环形的刷杆座上，相互之间绝缘。

刷杆目在端盖或轴承内盖上，可以转动调整电刷在换向器表面上的位置，调好以后加以固定。

刷辫的作用是将电流从电刷引入或引出。

2．转子转子，又称电枢，主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。

1）电枢铁心图1.1.4 换向极1—换向极铁心 2—换向极绕组图1.1.5电刷装置1—刷握 2—电刷3—压紧弹簧 4—刷辫电枢铁心是直流电机主磁路的一部分，对放置在其上的电枢绕组起支撑作用。

为了减小涡流和磁滞损耗，电枢铁心常采用0. 35～0. 5mm 厚的相互绝缘的硅钢片冲制叠压而成。

有时为了加强电机冷却，在电枢铁心上冲制轴向通风孔，在较大型电机的电枢铁心上还安排有径向通风槽，用通风槽将铁心沿轴向分成数段。

电枢铁心沿圆周上有均匀分布的槽用以嵌放电枢绕组，电枢铁心及冲片形状如图1.1.6所示。

2)电枢绕组电枢绕组是电机产生电磁转矩和感应电动势，进行能量变换的关键部件。

电枢线圈用绝缘的圆铜线或扁铜线绕制成一定的形状，放置于电枢铁心槽中（线圈与槽之间有槽绝缘），并用非磁性槽楔封口，线圈的出线端按一定规律与换向器的换向片相连，构成电枢绕组。

直流电机的电枢绕组多为双层绕组，线圈分上下两层嵌入铁心槽内，上下层之间有层间绝缘。

电枢线圈的边是产生感应电动势和电磁转矩的有效元件，简称元件，元件数用s 表示。

每个元件的首尾端按一定规律与换向片连接，使电枢绕组形成一个闭合绕组。

电枢绕组每个元件的匝数N 可以是单匝．也可以是多匝。

按照元件首尾端与换向片连接规律的不同，电枢绕组可分为叠绕组和波绕组，叠绕组又有单叠和复叠之分，波绕组也有单波和 复波之分，下面先介绍绕组中常用的基本知识。

图1.1.6 转子结构图图1.1.7 电枢绕组的节距每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一元件的下层边，所以元件数G总等于换向片数K，即S=K。

每个元件有两个元件边，而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数S又等于槽数Z，即S=Z。

对于小容量电机，电枢直径小，电枢铁心外圆不宜开太多槽时，往往在一个槽的上层和下层各放个元件边，即把一个实槽当成个虚槽使用。

虚槽数与实槽数的关系为：图1-8单叠绕组元件1—首端 2—末端 3—元件边为分析方便起见，本书中均设。

4—端接部分 5—换向片表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距，直流电机电枢绕组的节距，直流电机电枢绕组有第一节距、第二节距、合成节距和换向器节距四种，如图1-7所示。

极距：一个磁极在电枢圆周上所跨的距离。

第一节距：元件的两条边在电枢表面所跨的距离，用两条边所跨的槽数表示。

第二节距：第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距离，用槽数表示。

合成节距：直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示。

换向器节踱：一个元件的首尾两端所接的两个换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数表示。

叠绕组是后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上。

单叠绕组的换向器节距和合成节距均为1，即，如图1-7所示。

单叠绕组的连接特点是元件的首尾两端分别接到相邻的两个换向片上，并且前一元件的尾端与后一元件的首端接在同一换向片上。

图中上层元件边用实线表示、下层元件边用虚线表示，所有相邻元件依次串联，形成一个闭合回路。

如图 1-8 所示3)换向器换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母隔开，彼此绝缘，其结构如图1-9所示。

对于直流电动机，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为绕组中的交变电流，使电机旋转起来；对于直流发电机，换向器配以电刷，能将电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势，向外部输出供给负载。

换向器固定在转轴的一端，换向片靠近电枢绕组一端的部分与绕组引出线相焊接。

4)转轴转轴一般用圆钢加工而成，有一定的机械强度和图1-9 换向器结构刚度，起转子旋转的支撑作用。

1—换向片 2—连接部分3．铭牌直流电机机座的外表面上钉有铭牌，用于标明电机主耍额定数据及电机产品数据，供使用者使用时参考。

铭牌上的数据主要有：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等。

电机的产品型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，其格式为：第一部分用大写的汉语拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号，如下所示：。

型号为的直流电机是一台机座号为6、电枢铁心为长铁心的第2次改型设计的直流电机。

机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有1～9个机座号，机座号数越大，直径越大。

电枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种：1表示短铁心，2表示长铁心。

第一部分字符的含义如下：系列：一般用途直流电动机。

系列：精密机床用直流电动机。

系列：广调速直流电动机。

系列：直流牵引电动机。

系列：船用直流电动机。

系列：防爆安全型直流电动机。

系列：挖掘机用直流电动机。

系列：冶金起重机用直流电动机。

系列：龙门刨床用直流电动机。

系列：无槽直流电动机，用于快速响应的伺服系统中。

系列：力矩直流电动机，在位置或速度伺服系统中作执行元件。

电机铭牌上所标的数据称为额定数据，主要有下列几项：额定功率：在额定条件下电机所能供给的功率。

对于电动机，额定功率是指电动机轴上输出的机械功率；对于发电机，是指电枢出线端输出的电功率，单位为千瓦()。

额定电压：电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为伏()。

额定电流：电机在额定电压情况下，运行于额定功率时所对虚的电流值，单位为安()。

额定转速：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，单位为转／分()。

额定励磁电流：对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流．单位为安()。

励磁方式：指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。

根据二者连接方式不同，直流电机励磁有并励、串励和复励等方式。

此外，电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。

直流电机运行时，若各个物理量均为额定值，则称电机运行于额定状态，也称为满载运行。

若电机的运行电流小于额定电流，称为欠载运行；若电机的运行电流大于额定电流，则称为过载运行。

电机长期欠载运行会使电机的额定功率不能全部发挥作用，造成浪费；长期过载运行会引起电机过热损坏，缩短电机的使用寿命。

电机运行于额定状态或额定状态附近时，电机的运行效率和工作性能最好。

因此，根据负载选择电机时，最好使电机接近于满载运行。

【例1. 1】某台直流发电机额定数据为：额定功率，额定电压，额定转速，额定效率。

求它的额定电流及额定负载时的输入功率。

解：额定电流：额定负载时的输入功率：【例】某台直流电动机的额定数据为：额定功率，额定电压，额定转速，额定效率。

求它的额定电流及额定负载时的输入功率。

解：额定负载时的输入功率：额定电流：1.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的工作原理是利用电磁感应定律和电磁力定律实现能量转换，即绕组切割磁力线产生感应电动势和绕组电流在磁场中受力而产生电磁转矩。