第一章 直流牵引电机修改

(3)换向极 换向极又称为附加极，它装在两个主磁极之间用
来改善直流电机的换向，由换向极铁芯和换向极 线圈构成。
（4）电刷装置 电刷装置的作用是
通过电刷与换向器表面 的滑动接触，把转动的 电枢绕组与外电路相连。
组成：由电刷、刷握、 刷杆、刷杆座等部分组 成。
2.转子

转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和
支撑，主要由机座、主磁极
、换向极和电刷装置等组成。
定子
(1)机座
机座兼起机械支撑和导磁磁路两个作用。它既用 来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极 的导磁铁轭。机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊 接而成的。 (2)主磁极
由主极铁芯和主极 线圈两部分组成N.S极， 通入励磁电流产生主磁 通。

电动机若要维持继续旋转，外加电压就必须高于反
电动势，才能不断地克服反电动势而流入电流，以实现将
电能转换成机械能。
二、直流发电机的工作原理
1.感应电动势e的产生： 直流发电机结构模型将电源改为电阻R，电枢由原 动机驱动。
感应电动势的大小： e=BLV
方向判断：右手定则
2.分析：

1） 分析电枢转过某一角度时感应电动势的变化
不考虑磁路饱和时，主磁场被削弱的数量等 于被加强数量，但实际中，主磁极增磁部分因磁 密增加使饱和程度提高，铁芯磁阻增大，增加的 磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。
1.直流电机基本结构认识
主磁极
电刷
电枢绕组 换向器
➢ 主磁极：由励磁磁势建立 主磁场，磁场方向：N
S ➢ 静止的电刷（ A和B）与
换向器滑动接触，将直流 电引入电枢线圈abcd
图 2—3 直流电动机的工作原理
2.电磁转矩的产生：
➢ 电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力的作用
电磁力大小：
fx = Bx l is
空转的一种状态。 直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电
动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零， 这时电机的磁场由励磁电流单独建立。
2．直流电机空载的磁路 空载时，只有主磁极的励磁绕组流过的励磁电
流产生的磁场。
磁通选择导磁回路的原则：
最小磁阻 最短磁路 直流电机的磁路
主磁通 走主磁路 80%，产生感应电动势 漏磁通 走漏磁路(不进入电枢)20%
电产生制动力对机车进行电气制动。
第二节、直流电机的主要结构
（一）多媒体播放电机拆装视频
主要使学生掌握直流电机主要结构组成、结构名称，熟
悉拆装顺序。
（二）结构知识讲解

直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，
在定子和转子之间有一定大小的间隙(称气隙)。
1.定子

直流电机定子的作用是
产生磁场和作为电机的机械
N
S
y1
发电机中整距绕组的感应电动势最大； 电动机中整距绕组的电磁转矩最大；
y1
N
S
y1 短距
N
S
N
y1 长距
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
换向器的节距：
一个元件首位两端所接的换向片在其表面的跨距称为 绕组的换向节距，用换向片来表示。
每个元件的两个边分别接在相邻两个换向片上，位置相 邻的两个元件串联起来，这种形式的绕组称为单叠绕组。

有电磁感应定律，每根导体的感应电动势为e

e=BxL(V)
式中： Bx一导体所在位置的磁通密度(T) ;

L一导体切割磁力线的有效长度(m) ;
V—导体切割磁力线的线速度(m/s)。
通过电刷和换向器的作用，及时地将线圈内的交 变电动势转换成电刷两端单方向的直电动势，但它是 一个大小在零和最大值之间变化的脉振电动势。如图：
单叠绕组
单叠绕组
单叠绕组连接顺序表
绕组展开图比较直观，但画起来比较麻烦，为简便起见， 绕组连接规律也可用连接顺序表来表示。本例连接顺序表 如下。上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换 向片号，下排数字代表下层元件边所在的槽号。
单叠绕组
取一瞬间（如图F1-16瞬间），将此瞬间不与电刷接触的换向片 省去不画，可以得到图1-15的并联支路图。可以看出单叠绕组的连 接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路。所以， 单叠绕组的并联支路对数a总等于极对数p，即a=p。
在直流发电机中，它将绕组内的交流电动势整流成电刷 两端的直流电动势。 风扇：
中、小型电机在传动端安装冷却风扇。
第三节 直流电机的电枢绕组
引入：

直流电机电枢是进行机械能与电能转换的枢纽，电枢
绕组用于产生感应电动势和电磁转矩。
一、电枢绕组概述
1.对电枢绕组的要求

电枢绕组是由许多形状相同的线圈，按一定规律连接
β=0°感应电动势方向由d 到c；由b 到a;电刷A为正极，B为负 极。
β=90°线圈位于N.S极几何中心线处，磁度为0，E=0。
β=180°感应电动势方向由a到b；c到d；电刷A为正极，B为负 极。

分析总结：线圈内部为交变电动势，由电刷引出的电动势
方向不变，为单方向电动势。
2）电动势波形
2）分析电刷和换向器的作用

直流电动机中，电刷两端虽然加的是直流电源，但在
电刷和换向器的作用下，线圈内部却变成了交流电，从而
产生了单方向的电磁转矩，驱动电机持续旋转。
3）分析电机旋转时反向电动势的产生。

电动机旋转时，旋转的线圈中也将感应产生电动势e，
其方向与线圈中电流方向相反，故称为反电动势。
换向器等组成。
（1）转轴：转轴的作用是
用来传递转矩，一般用合金
钢锻压而成。
（2）电枢铁芯：电枢铁芯 是电机磁路的一部分，也是 承受电磁力作用的部件。
转自子
(3)电枢绕组 ：电枢绕组的作用是产生感应电动势 和通过电流产生电磁转矩，
(4)换向器：换向器的作用是完成交流电与直流电的 转换，即在直流电动机中，它将外加的直流电流逆 变成绕组内的交流；
N
S
直流发电机主磁场分布
1.直流发电机的电枢反应
2.直流电动机的电枢反应
比较两个磁场磁力线，可看出一半磁密加强、 另一半磁密削弱。 4．电枢反应的影响 1）使气隙磁场发生畸变 负载后由于电枢反应的影响，每一磁极下，一半 磁场被增强，一半被削弱，磁通密度曲线与空载 时不同。 2）对主磁场起去磁作用
第一章 直流牵引电机
第一节 直流电机的工作原理
引入：

机车运行的动力是由电动机来提供，了解电机的工作
原理是掌握电机运行特性前提条件。
1.知识讲解

重点讲解直流电机作为电动机和发电机的工作原理。
根据直流电机模型结构结合电磁感应定律及电磁力定律分
析直流电机产生的感应电动势及电磁转矩。
直流电动机的基本工作原理
（5）放磁极：磁极应均匀分布在圆周上，N极磁力线垂 直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）；
（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际 上K很多，电刷宽＝2～3片宽）。并把相同极性下的电刷并 联起来。
实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是 被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线， 其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动 势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元 件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线 下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。
单叠绕组并联支路图
单叠绕组
单叠绕组的特点： 1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极 数与并联支路数相同。 2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动 势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。 3）电刷个数等于极数。
第四节 直流电机的电枢反应 一、直流电机空载时的磁场
1．空载的含义 空载 ：是指电机对外无功率输出、不带负载
起来的总称。对于电枢绕组，要求一定的导体数，应能产
生较大的电动势；通过一定大小的电流能产生足够大的电
磁转矩。
2.绕组元件 绕组元件是用绝缘铜导线绕制成的线圈， 这些线圈是
组成电枢绕组的基本单元，故称为绕组元件。一个元件有两 个有效边，能产生电动势。
a)元件
b)绕组元件在槽内的放置
c）实槽与虚槽
b）1—上层边； 2—下层边； 3—端接部分； 4—首、末端
数来表示，称为绕组的第一节距Y1一
磁极轴线：每个磁极对称中心线
几何中性面：两相邻磁极 的分界面
•极距： 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用
表示为（距离）
极距
D
2p
若用虚槽数表示为（槽数） Qμ 2p
式中
D—电枢外径(m)； p—磁极对数。
极距位置示意图
整距 y1
位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两条对称的并联支路
下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。
例:已知某直流电机的极对数p=2 ，虚槽数Qμ，元件数S， 及换向片数为K，S=K=Qμ=16,试画出单叠绕组展开图。
解:1．计算绕组数据:
D
2p
因为是单叠，所以 Y=Yk=1 2．画绕组展开图: 假想把电枢从某一槽的中间沿轴向切开展示成 平面，所得绕组连接图称为绕组展开图。
每个元件的两个边所接的两个换向片相隔较远，相串联 的两个元件也不是串联的，这种形式的绕组称为波绕组。
叠绕组示意图
波绕组示意图
二、单叠绕组的绕法
单叠绕组：是指相邻元件(线圈)相互叠压, 元件的出线 端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接 着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二 个槽内。合成节距与换向节距均为1,即：Y=Yk=1
虚槽数： Qu uQ 3 20 60
元件数： S Qu 60
•元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片 相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。每一个 元件的两个端点分别接在不同的换向片上，每个换向 片接两个不同的线圈端头。
3.绕组的节距
每一元件的两元件边在电枢表面上所跨越的距离用槽
1.主极磁场
2.电枢磁场
（1）几何中性线 nn´ （2）物理中性线 mm´
在电枢电流为零的情况下，
主极磁场的nn´和mm´是重合的。
二、电枢反应

直流电机在负载下运行，主极磁场和电枢磁
场同时存在，它们之间互相影响，叠加形成气隙
磁场，把电枢磁场对主磁场的影响叫电枢反应。
气隙：是指磁极铁芯与电枢铁芯表面的空气隙。
（1）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层元 件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元 件边。
（2）根据Y1，画出第一个元件的上下层边（1～5槽）， 令上层边所在的槽号为元件号。
（3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，之后等 分换向器，定出换向片号；
（4）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第一个元件 的下层边联接；下层边在第6槽与3号换向联接。按此规 律，一直把16个元件全部联起来。
总结：随着线圈数的增多，脉动幅值变小。

3）分析直流发电机产生的电磁转矩

当直流发电机电刷两端获得直流感应电动势后，便有一电
流流过线圈，同时载流导体在磁场中必然产生一电磁力，其方
向用左手定则确定。电磁力对转轴形成电磁转矩T，T与电枢旋
转的方向相反，起到了阻碍作用，故称为阻转矩。

4）分析电机的可逆性
增大磁路磁阻
主磁路：N铁极芯→气隙→电枢齿P→电枢磁轭→经相 邻S板下的电枢齿→气隙→ S极铁芯 →定子磁轭→ N极铁 芯
漏磁路：N极铁芯→气隙→定子磁轭→N极铁芯
二、直流电机负载时的磁场
给主磁极励磁绕组通入励磁电流产生的磁 场称为主极磁场。
当电机在负载下运行时，电枢绕组中有负 载电流流过，电枢电流产生的磁场称为电 枢磁场。
c）1—槽楔；2—线圈绝缘；3—导线；4—层间绝缘；5 —槽绝缘；6 —槽底 绝缘
• 实槽：电机电枢上实际开出的槽叫实槽。实槽数 用Q表示。
• 虚槽：即单元槽(每层元件边的数量等于虚槽数)， 虚槽数
Qu uQ
如一个实槽中嵌放3个元件边。 一个实槽中有3个虚槽 u 3 如实槽数 : Q 20
式: is一导体中流过的电流(A)。 方向：由左手定则决定
3. 分析
1）分析电枢旋转角度及对应电磁转矩的变化： β﹤90°；导体中电流方向，即a到b； c到 d；电 枢逆时针旋转。 β=90°；电刷不与换向片接触，而与换向片间的绝 缘片相接触，i=0；T=0； β〉90°；导体中电流改变方向，即b到a； d到 c； 电枢始终保持同一方向转

直流电机具有可逆性，即一台直流电机既可作发电机运行，
也可作电动机运；当输入机械转矩将机械能转换成电能时，电
机作发电机运行;当输入直流电流产生电磁转将电能转换成机械
能时，电机作电动机运行。
举例说明电机可逆性的运用：

例如电力机车在牵引工况时，牵引电机作电动运行，产生牵引力；
在制动工况时，牵引电机作发电机运行，将机车和列车的动能转换成