第三章 直流电机原理

第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
(a）地铁列车
(b)城市电车
(c）电动自行车
图3-7 直流电动机的用途
(d)造纸机
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
3.1.2直流电机的基本工作原理 (1)直流发电机工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。如图为直流发电机的 物理模型。N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈， 线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两 个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上（由换向片构成的圆柱体称为 换向器）。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电 刷进行的。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知 ，线圈的ab、cd两边因切割磁感应线而产生感应电动势。由右手定则可以 判断出感应电动势的方向为 d→c→b→a，电刷A极性为正，电刷B极性为 负。
直流电动机的基本结构
电枢铁芯的8个线槽里嵌有8个线圈，组成电枢绕组，为便于观察， 采用一个单圈线框代表一个转子线圈，图4是一个线框。嵌在槽内的 称为有效边，露在槽外的称为端部。
直流电动机的基本结构
换向器有8个铜制换向片，排成圆筒形，换向片间留有缝隙，相 互绝缘。把转子线圈的引出线按规律焊接在换向片上，
(3)转子导体在磁场中运动，切割磁力线而感应交流电 动势，经电刷和换向器整流作用输出直流电势。
注意：某一根转子导体的电势性质是交流电；而经 电刷输出的电动势却是直流电。
二、直流电动机的基本工作原理
直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到磁场力作用这 一基本原理制成的
直流电动机的工作原理
二、直流电动机的基本工作原理
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理 3.2直流电机的主要结构与铭牌数据 3.3直流电机的电枢绕组和磁场
3.4直流电机的电枢电动势与电磁转矩
3.5直流电动机运行原理 3.6直流电机的换向
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
3.1.1直流电机的应用背景 直流电机诞生至今已有180多年的历史了。和其他人类伟大的发明 一样，直流电机也经历了漫长而艰苦的历程。1821年9月法拉第发现通电 的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁 运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界 上第一台电机，如图3-1所示。1831年，法拉第发现了电磁感应现象之后 不久，他又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机-法拉第 圆盘发电机，如图3-2所示。1832年，斯特金发明了换向器，并制作了世 界上第一台能产生连续运动的旋转电动机，如图3-3所示。后来又经过许 多科学家长期改进演变，最终形成了现在美观实用的直流电机。有一种常 被运用在玩具上的电机如图3-4所示。
定子与转子 铁芯电机的定子主要 用来产生磁场，该模型定 子有一对磁极，由导磁良 好的钢铁制成，磁极的的 磁力由一个U型永久磁铁产 生,浅蓝色箭头线表示磁场 方向。
直流电动机的基本结构

电动机旋转部分是转子，在电 机中起着机械能与电能之间转换 的部件称为电枢，直流电机的电 枢就是转子。转子安装在两个磁 极之间。为减小两磁极间的磁阻， 增强两磁极间的磁通密度，转子 铁芯（电枢铁芯）由导磁良好的 材料制作，在转子的圆周有多个 线槽（此处为8个），用来嵌放转 子的线圈。由于转子在旋转中通 过的磁通方向是不停变化的，为 防止涡流损耗，转子由硅钢片叠 成，每片表面涂有绝缘请漆。
直流电动机的基本结构
把嵌有绕组的转子插入两磁极之间，两个嵌有石墨块的电刷靠在 换向器两侧。
直流电动机的基本结构
在两电刷上接通电源，可在图上看到每个线槽中线框的电流方向， 线框受磁场作用力，转子开始旋转，线框受力方向依左手定则判断。
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第3章 直流电机原理
3.2直流电机的主要结构与铭牌数据
直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到磁场力作 用这一基本原理制成的
一台直流电机原则上既能作电动机运行，也可以 作发电机运行。将直流电源加于电刷，向电枢内输 入电能，电机将电能转换为机械能，拖动生产机械 旋转，电机作电动机运行；如用原动机拖动直流电 机的电枢旋转，输入机械能，电机将机械能转换为 直流电能，从电刷上引出直流电动势，电机作发电 机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能做 发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。
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第3章 直流电机原理
3.2直流电机的主要结构与铭牌数据
1.定子部分 定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。如图3-11-图3-14 为电机的定子组成部分。
图3-11 直流电机主磁极结构 1-机座；2-主磁极铁芯；3-励磁绕组
图3-12 直流电动机换向极结构 1-换向极铁芯；2-换向极绕组
二、直流电动机的工作原理示意图
直流电动机工作原理如下。
(1)将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体 有电流流过。
(2)电机主磁极建立磁场。
(3)载流的转子（即电枢）导体在磁场中将受到电磁 力f的作用。 (4)所有导体产生的电磁力作用于转子，形成电磁转 矩，驱使转子旋转，以拖动机械负载。
三、直流电机的可逆原理
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
图3-1 第一台电机原理图
图3-2 法拉第圆盘发电机
图3-3 斯特金的旋转电动机
图3-4 现代直流电机
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展 ，直流电机得以迅速发展。在现代工业生产中，生产机械一般都用电动机拖 动。随着现代化的发展，工业自动化水平不断提高，各种自动控制系统中也 日益广泛地应用各种控制电机。为了提高生产率和保证产品质量，大量的生 产机械要求直流电机以不同的速度工作。这就要求人们采用一定的方法来改 变机组的转速，即对直流电机进行调速。对电机的转速不仅要能调节，而且 要求调节的范围宽广，过程平滑，调节的方法要简单、经济。直流电机在上 述方面都具有独到的优点，使它得到广泛的应用。
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第3章 直流电机原理
3.2直流电机的主要结构与铭牌数据
3.2.3直流电机系列
Z2系列：该系列为一般用途的小型直流电机系列。“Z”表示直流，“2” 表示第二次改进设计。系列容量为0.4kW～200kW，电动机电压为110V、 220V，发电机电压为 1l5V、230V，属防护式。 ZF和ZD系列：这两个系列为一般用途的中型直流电机系列。“F”表 示发电机，“D”表示电动机。系列容量为55kW～1450kW。 ZZJ系列：该系列为起重、冶金用直流电机系列。电压有220V、440V 两种。工作方式有连续、短时和断续三种。ZZJ系列电机启动快速，过载 能力大。 此外，还有ZQ直流牵引电动机系列及用于易爆场合的ZA防爆安全型 直流电机系列等。
图3-13 电刷结构 1-铜丝辫；2-压紧弹簧； 3-电刷；4-刷握
图3-14 机座 1-机座； 2-换向磁极 3-主磁极
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3.2直流电机的主要结构与铭牌数据
2.转子部分 转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁 转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、电枢绕组 、换向器、电机转轴、轴承和风扇等。
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械，按照用途 可以分为直流电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能的电 机称为直流发电机，如图3-5所示；将直流电能转换成机械能的电机称为直流 电动机，如图3-6所示。
图3-5 直流发电机
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理
但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属 较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因 而可靠性较差，维护比较困难。 直流电机的用途： 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速 有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、 龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造 纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，图 3-7所示是其应用的几种实例。
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第3章 直流电机原理
3.2直流电机的主要结构与铭牌数据
3.2.1直流电机的主要结构 直流电动机结构主要由定子（静止部分）、转子（转动部分或称 电枢）两大部分组成。定子与转子之间有间隙称为气隙。定子部分包括 ：主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖和轴承等装置；转子部分 包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部分。
表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注 在电机的铭牌上，所以又称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据 。铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定 转速、额定励磁电流和励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂 编号、出厂日期等。 若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过 额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期轻载 运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时，应根据负载的要求 ，尽可能使电机运行在额定值附近。
直流电机的结构 直流电机的组成部件 1-端盖；2-电刷装置；3-换向器；4-电枢线圈；1-前端盖；2-风扇；3-机座； 4-电枢； 5-电枢铁芯；6-磁轭；7-主磁极； 5-电刷架；6-后端盖 8-励磁绕组；9-风扇；10-轴
1.1.2
直流电机的基本结构
直流电机由定子 与转子两大部分 构成，通常把产 生磁场的部分做 成静止的，称为 定子；把产生感 应电势或电磁转 矩的部分做成旋 转的，称为转子 （又叫电枢）。 定子与转子间因 有相对运动，故 有一定的空气隙， 一般小型电机的 空气隙为0. 7～5 mm，大型电机为 5～10 mm。