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
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。

1．直流发电机的工作原理
如图1-10所示为直流发电机的物理模型，和是一对固定的磁极，为直流发电机的
定子。

磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。

是固定在铁心表面的
电枢线圈，线圈和铁质圆柱体是直流发电机可转动部分，称为电机转子。

线圈的首末端
分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。

在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷和，线圈通过换向器和电刷接通外电路。

在定子与转子间有间隙存在，称为空气隙，简称气隙。

图1-10 直流发电机工作原理示意图
在模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，导体和分别切割极和极下的磁感应线，将产生感应电动势。

感应电动势的方向用右手定则确定。

如图1.1所示，导体在极下，感应电动势的方向由指向；导体在极下，感应电动势的方向由指向，所以电刷为正极性，电刷为负极性。

当线圈旋转°后，导体转至极下，感应电动势的方向由指向，电刷与所连换向片接触，仍为正极性；导体转至极下，感应电动势的方向变为指向，电刷
与以所连换向片接触，仍为负极性。

由上述分析可知：虽然直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，但通过换向器和电刷的作用，电刷的极性总为正，而电刷的极性总为负，在电刷两端可获得方向不变的直流电动势。

实际直流发电机的线圈分布于电枢铁心表面的不同位置上，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。

磁极也是根据需要极交替放置多对。

2．直流电动机的工作原理
如图所示，在导体中，电流由流向；在导体中，电流由流向。

载流导体位于极下，位于极下，均处于和极之间的磁场中，导体受到电磁力的作用。

电磁力的方向用左手定则确定，该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针方向旋转。

当电枢旋转180°，导体转到极下，中的电
流变为由指向；转到极下，中的电流变为由流向，如图1-11所示。

用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。

由上述分析可知：虽然导体中流通的电流为交变的，但由于换向器和电刷的作用，极下的导体受力方向和极下导体所受力的方向并未发生变化，电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。

同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应的换向器由许多换向片组成，磁极也并非一对。

图 1-11 直流电动机工作原理示意图
1.2 直流电机的磁场
介绍直流电机的运行原理之前，需要先对直流电机中的磁场产生及分析规律加以分析。

励磁绕组的供电方式称为励磁方式。

按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类。

1.2.1 直流电机的励磁方式
（1）他励直流电机
励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图1-12所示。

永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。

图中电流正方向是以电动机为例设定的
（2）并励直流电机
励磁绕组与电枢绕组并联。

如图1-12（b）所示。

励磁电压等于电枢绕组端电压。

以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。

（3）串励直流电机
励磁绕组与电枢绕组串联，如图1-12(c)所示。

励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。

（4）复励直流电机
每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。

一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图1-13(d)所示。

两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。

直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。

他励直流电动机，由于改变电枢电压进行调速控制时，不影响其磁场，具有良好的控制性能，因而被广泛的应用在自动控制系统中。

(a)他励电动机(b)并励电动机 (c)串励电动机 (d)复励电动机
图 1-12 直流电机的励磁方式
1.2.2直流电机的电枢反应
1.空载磁场
直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。

空载运行时电枢电流为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁势单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。

一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图1-13所示，为方便起见，只画一半。

- 图 1-13 直流电机空载磁场分布图
（1）主磁通和漏磁通
图1-13表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭(电枢磁轭)，到极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的极，再经机座(定子磁轭)形成闭合回路。

这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用表示。

主磁通经过的路径称为主磁路。

显然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。

另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以表示。

漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。

（2）直流电机的空载磁化特性
直流电机运行时，要求气隙磁场每个
极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通
，当励磁绕组的匝数Wf一定时，每极
磁通的大小主要决定于励磁电流。

空
载时每极磁通与空载励磁电流 (或空载励磁磁势的关系或)称为电机的图
1-14 直流电机铁心空载磁化曲线
空载磁化特性。

由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性在较大时也出现饱和，如图1-14所示。

为充分利用铁磁材料，又不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特
性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分(图
中点附近)。

（3）空载磁场气隙磁密分布曲线
主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，
当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻
时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙
大小分布情况。

一般情况下，磁极极靴宽
度约为极距的75%左右，如图1-15(a)所示。

磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数，靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小，超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零，因此，空载气隙磁通密度分布为一个平顶波，如图 1-15 空载气隙磁密分布曲线
图1-15(b)所示。

2. 直流电机的电枢反应及负载磁场
（1）直流电机的电枢反应
直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，如图1-15(b)所示，负载时，电枢绕组流过电枢电流，产生电枢磁势，与励磁磁势共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。

通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。

下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气隙磁场合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。

（2）直流电机的电枢磁场
图1-16表示一台两极直流电机电枢磁势单独作用产生的电枢磁场分布情况，圈中没有画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路，电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为分界。

图中设上部元件边中电流为出来，下部元件边电流是进去，由右手螺旋定则可知，电枢磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电
刷轴线相重合，在几何中性线上，亦即与磁
极轴线相垂直。

下面进一步分析电枢磁势和电枢磁场气
隙磁密的分布情况。

如果假设图8.17所示电
机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁
极轴线相垂直，如图8.18所示。

该元件有
匝。

元件中电流为，每个元件的磁势为
安匝，由该元件建立的磁场的磁力线分
布如图1-16所示，如果假想将此电机从几何
中性线处切开展平，如图1-17所示。

以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁势等于它所包围的全电流，当忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙均匀时，则每个气隙所消耗的磁势为，一般取磁力线自电枢出，进定子时的磁势为正，反之为负，这样可得一个整距绕组元件产生的磁势的分图1-16 电刷在几何中性线处的电枢磁场
布情况如图1-17（b）所示。

可以看出一个整距元件所产生的电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距为周期、幅值为的矩形波。

图 1-17 绕组元件的磁势
（a）磁力线路径；（b）磁动势的空间分布
当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的磁势仍是幅值为的矩形波，把这许多个矩形波磁势叠加起来，可得电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距为周期的多级阶梯形波，为分析简便起见或者元件数目足够多时，可近似地认为电枢磁势空间分布为一个三角形波，三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图1-18中的曲线2所示。

如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁势全都消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为：
式中——气隙中处的磁势；。