直流电机

（2）额定电压 （3）额定电流 （4）额定转速 （5）励磁方式和 额定励磁电流
UN IN nN I fN
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。
直流电机运行时，若各个物理量都与它的额 定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在 额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的 性能。
5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心
一、定子部分
直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装 置等组成。
图1.6
直流电机的主磁极
1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢
二、转子部分
直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向 器、转轴和风扇等组成。
图1.7 直流电机的电枢
B ax
Fax
图1.20 四个元件所产生的电枢磁通势
§1.3.3
直流电机的电枢反应 一、负载时的合成磁场
定义:电枢磁场对主磁场的 影响称为电枢反应。 电枢反应与电刷位置 有关。
图1.21
磁场分布
二、电刷在几何中心线上时的电枢反应特点
（交轴电枢反应） （1）使气隙磁场发生畸变。 （2）对主磁场起去磁作用。
定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且 可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负 载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁 场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立 的磁场。
一、直流电机的磁路
图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；
4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
第1章 直流电机
§1.1 直流电机的基本工作原理与结构 §1.2 直流电机的电枢绕组简介 §1.3 直流电机的电枢反应
§1.4 直流电动机的电枢电动势和电磁转矩
§1.5 直流电动机的换向
§1.6 直流发电机
§1.7 直流电动机
§1.1
§1.1.1 直流电机的基本工作原理 §1.1.2 直流电机的主要结构 §1.1.3 名牌数据及主要系列
二、直流电动机的工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。这 一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩， 这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转 矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时 针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电 枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩 以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针 方向旋转起来。
图1.4 直流电动机原理模型
因此，电枢一经转动，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 ab和cd 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A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。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。
§1.3
§1.3.1 直流电机的空载磁场 §1.3.2 直流电机负载时的磁场 §1.3.3 直流电机的电枢反应
§1.3.1
直流电机的空载磁场
直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时， 还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中 的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要 了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特 性。
1—转轴；2—轴承；3—换向器；
4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承
§1.1.3 名牌数据及主要系列 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。 (1)额定功率
PN U N I N PN U N I N N
直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内 都感应产生电动势,这个感应电动势是指一条支路的电动势。
二、如何计算感应电动势的
要计算支路电动势，可先求出每个元 件电动势的平均值，然后乘上每条支路串 联元件数，就可得出支路电动势。
Ea
N 2a
e
pN 60 a
n Ce n
Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、 气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数 Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速
图1.2 直流发电机原理模型
从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极 下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因 此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性， 所以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。
但实际应用中，电机不总是运行在额定状态。 如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运 行，长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降 低，不经济。超过额定电流，称为过载运行。长 期过载有可能因过热而损坏电机。
长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时 ，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状 态。
直流电动机的铭牌举例
§1.2.2 单迭绕组
一、节距计算
y1 Z 2p
Z为电枢槽数 P为电机的极对数
y= y k =1
y 2 y1 y
二、绕组展开图
图1.11
三、元件连接顺序及并联支路图
绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。
图1.12 单叠绕组元件联接顺序图
从图1.12中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回 到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。
图1.3 直流电动机的原理模型
当电枢转了180°后，导 体 cd转到 N极下，导体ab转到 S极下时，由于直流电源供给的 电流方向不变，仍从电刷 A流 入，经导体cd 、ab 后，从电刷 B流出。这时导体cd 受力方向 变为从右向左，导体ab 受力方 向是从左向右，产生的电磁转 矩的方向仍为逆时针方向。
§1.5
§1.5.1 §1.5.2 §1.5.3 换向概述 换向的电磁理论 改善换向的方法
§1.5.1
换向概述
定义： 直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻 的支路，在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就 要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。 研究意义： 换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷 与换向片之间产生有害的火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换 向器表面，使电机不能正常工作。此外，电刷下的火花也是一个电磁波的 来源，对附近无线电通讯有干扰。国家对电机换向时产生的火花等级及相 应的允许运行状态有一定的规定。
wk.baidu.com和磁通均可改变电枢电动势的大小。
§1.4.2 直流电机的电磁转矩
定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流 流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该 力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。
Ia
:
Tem
pN 2 πa
ΦI a C T ΦI a
式中Ct 为转矩常数，仅与电机结构有关。从Ce与Ct的 表达式可以看出Ct =9.55Ce。 由 Tem=CtΦ Ia 可看出，制造好的直流电机其电磁转 矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。
不管一个元件有多少匝，其出线端只有两根，一根叫首端，另一根叫 末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之 间又是通过换向片彼此联接起来的。
图1.8 电枢绕组的元件及在槽内的放置情况
a)元件；b)元件在槽内的放置；c)实槽与虚槽
1—元件边；2—首端；3—末端；
4—有效部分；5—端接部分；6—元件边
§1.1.2
直流电机的主要结构
直流电机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以 实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电机必 须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。直流 电机的结构型式是多种多样的。
图1.5 小型直流电机的结构剖面图 1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；
（3）电枢电流等于个并联支路电 流之和。
§1.2.3
一、节距计算
单波绕组简介
y1
Z 2p

y yK
K 1 p
y 2 y y1
二、绕组展开图
图1.14
三、并联支路图
图1.15
单波绕组有以下特点：
单波绕组并联支路图
（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数 a=1 ，与磁级对数 p无关。 （2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线， 正、负电刷间感应电动势最大。 （3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。 （4）电枢电动势等于支路感应电动势。 （5）电枢电流等于两条支路电流之和。
§1.2
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识 §1.2.2 单迭绕组 §1.2.3 单波绕组简介
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通 过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里 仅有一根导体。对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体了，图 1.8（a）就是一个多匝元件。
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.1 直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交 变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷 端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心， 大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感 应电动势的方向。）
三、电刷在几何中心线上时的电枢反应特点
（分为交轴电枢反应和直轴电枢反应）
§1.4
§1.4.1 直流电机的电枢电动势 §1.4.2 直流电机的电磁转矩
§1.4.1 直流电机的电枢电动势 定义：电枢绕组中的感应电动势。 一、运行时感应电动势始终存在
图1.22 电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
N
A
If0 If
0
I fN F f 0 IN
图1.18 电机的磁化曲线
§1.3.2
直流电机负载时的磁场
负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作 用所建立。
一、电枢磁通势和电枢磁场
在图1.1所示瞬间， 导体a b 、c d 的感应 电动势方向分别由 b指 向 a和由d 指向 c 。 这时电刷 A呈正极性, 电刷B 呈负极性。
图1.1 直流发电机原理模型
当线圈逆时针方向旋转180°时， 这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分 别改变了方向。
单叠绕组有以下特点： （1）位于同一个磁极下的各元件 串联起来组成了一条支路，即支 路对数等于极对数 2a=2p 。 （2）电刷杆数等于极数2b=2p。 当元件的几何形状对称，电刷放 在换向器表面上的位置对准主磁 极中心线时，正、负电刷间感应 电动势为最大，被电刷所短路的 元件里感应电动势最小。
图1.13 单迭绕组并联支路图
假设励磁电流为零， 只有电枢电流。由图可 见电枢磁动势产生的气 隙磁场在空间的分布情 况，电枢磁动势为交轴 磁动势。
图1.19
电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布
二、电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形 为一三角波（气隙是均匀）
如果气隙是均匀的， 则在极靴范围内，磁密 分布也是一条直线。但 在两极极靴之间的空间 内，因气隙长度大为增 加，磁阻急剧增加，虽 然此处磁通势较大，磁 密却反而减小，因此磁 密分布曲线是马鞍形 （见书中图形）
极距

：相邻主磁极间的距离。

D
2p
极轴线：把主磁极平分为两部分。
几何中心线：把相邻两极轴线平分。 绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的 距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片 数来表示。
。
图 1.9 单叠绕组的节距
图 1.10 单波绕组的节距
（1）第一节距： 一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的 距离，用所跨槽数表示。选择 的依据是尽量 让元件里感应电动势为最大。 （2）第二节距： 联至同一个换向片的两个元件边之间的距 离，或者说，是元件1的下层元件边在换向 器端经过换向片联到元件2的上层元件之间 的跨距。 （3）合成节距 ：元件1和它相联的元件2对应边之间的跨距。 （4）换向器节距：每个元件首、末端所联两个换向片之间的 跨距。
二、空载时气隙磁磁通密度的分布图形
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如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均 为励磁磁通势。 在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范 围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为 零。
为一平顶波
图1.17 直流电机空载磁场的磁密分布
三、直流电机的空载磁化特性