电机与拖动第一章课件解析

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

图1.1.5电刷装置

1—刷握 2—电刷

3—压紧弹簧 4—刷辫

图1.1.4 换向极

1—换向极铁心 2—换向极绕组

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

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 y2

y 2 1 y1 Yk 1 2 3