第三章 直流电机《电机学(第2版)》课件

3.1 直流电机的工作原理、结构和额定值
一、直流电机的工作原理 1、直流发电机的工作原理
图3.1是直流发电机的原理模型
图3.1直流发电机原理模型 1-磁极 2-电枢 3-换向器 4-电刷
在图3.1所示瞬间，感应电动势方向如图所示，这时电刷 A呈正极性，电刷B呈负极性。当线圈逆时针方向旋转 180°时，导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，两导 体中的电动势都改变了方向。但由于换向片随着线圈一 同旋转，本来与电刷B相接触的换向片，现在与电刷A接 触；原来与电刷A相接触的换向片与电刷B接触，电刷A 仍呈正极性，电刷B仍呈负极性。可以看出，与电刷A接 触的导体永远位于N极下，与电刷B接触的导体永远位于 S极下。因此，电刷A始终为正极性，电刷B始终为负极 性，电刷两端能引出方向不变的电压。
线圈abcd切割磁力线产 生感应电动势。由右图可以 看出：换向器使线圈内的交 变感应电动势转变为电刷两 端的直流电压，该直流电压 有较大的脉动。在实际电机 中，电枢上线圈数很多，并 按照一定的规律连接起来， 可使电压脉动较小以获得波 形较好的直流电压。这就是 直流发电机的工作原理。
图3.2 气隙磁密、线圈内感应电动势 和电刷之间的电压
电流
额定转速 nN（r/min） 指电机在额定状态下的转速
额定励磁电压 U（fN V）(仅对他励电机) 指额定状态下的励
图3.5 直流电机的主磁极 1—主极铁心 2—励磁绕组
直流电机的结构
换向极 功率在1kW以上的直流电机，通常要在相邻两主磁极之 间装设换向极，又称附加极或间极，其作用是改善换向。 换向极也由铁心和绕组构成，如图3.6所示。铁心一般 用整块钢或薄钢板加工而成，换向极绕组与电枢绕组串 联。
图3.6 直流电机的换向极
图3.9 换向器
直流电机的额定值
直流电机运行时，若各物理量都与额定值相同，称 为额定运行状态或额定工况。 额定功率 P（N W或kW）指电机在额定状态时的输出功率。
对于电动机，是指轴上输出的机械功率；对于发电机，是 指线端输出的电功率
额定电压 U（N V） 指额定状态下电枢两端的电压 额定电流 I N（A） 指电机在额定电压下输出额定功率时的
直流电机的结构
直流电机的结构形式多种多样，图3.4是一台小型直流 电机的结构剖面图。
图3.4直流电机的结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁的转子构成，定、转子之 间有一间隙，称为气隙。
2、直流电动机的工作原理 • 图3.3所示为直流电动机的原 理模型。与图3.1不同的是：线 圈没有原动机拖动，电刷A、B 接至直流电源，线圈abcd中有 电流流过，电流的方向如图3.3 所示。 载流导体受到的电磁力 为：
f Bli
图3.3 直流电动机原理模型 1-磁极 2-电枢 3-换向器 4-电刷
图3.8 直流电机的电枢
直流电机的结构
换向器 换向器也是直流电机的重要部件。在直流发电 机中，换向器将绕组内的交变电动势转换为电刷两端的 直流电动势；在直流电动机中，换向器将电刷上所通过 的直流电流转换为绕组内的交变电流。 换向器安装在转轴上，如图3.9所示，由许多换向片组 成，换向片之间用云母进行绝缘，换向片数与元件数相 等。
3、直流电机的可逆运行
从上述电磁现象可以看出，直流电机既可以作为发电机 运行，也可以作为电动机运行。如用原动机拖动直流电 机的电枢旋转，机械能从电机轴上输入，电刷端输出直 流电压，将机械能转换成电能；反之，如在电刷端加直 流电压，将电能输入电机，从电机轴上输出机械能，拖 动机械负载工作，将电能转换成机械能。同一台电机既 能作发电机又能作电动机运行，称为电机的可逆运行。
第三章 直流电机
直流电机是实现机械能与直流电能相互转换的电磁装置。 直流发电机把机械能转换为直流电能，直流电动机把直 流电能转换为机械能。 直流电动机的调速性能和起动性能优异，被广泛应用于 电力机车、轧钢机、无轨电车等对调速性能要求高的场 合。 直流发电机主要用作直流电源，供电质量好，一般用于 电镀、电解及交流发电机的励磁机等。
直流电机的结构
机座 机座有两方面的作用：一是导磁，二是作机械支撑。 电刷装置 电刷装置是将直流电流引入或引出的装置，如图3.7所示。 电刷组的数目可以用电刷杆数表示，电刷杆数与电机的主 磁极数相等。
图3.7 电刷装置
直流电机的结构
电枢铁心 电枢铁心有两方面作用：一是作为主磁路的 一部分，二是用于嵌放电枢绕组。 电枢绕组 电枢绕组由许多线圈按一定规律排列和连接 而成，是产生感应电动势和电磁转矩以实现机电能量转 换的关键部件。线圈用绝缘圆形线或扁铜线绕制而成， 也称为元件。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元 件有两个出线端。所有元件按一定规律连接，就构成电 枢绕组。
直流电机的定子，主要由主磁极、换向极、机座和电刷 装置等组成。
直流电机的转子，主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器 和转轴等组成。
直流电机的结构
主磁极 在直流电机中，主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成，其 作用是在气隙内产生气隙磁场。图3.5是主磁极的装配 图。各主磁极上励磁绕组的连接必须使励磁电流产生的 磁极呈N、S极交替排列。
导体受力的方向用左手定则确定。在图3.3所示瞬间，导体 ab的受力方向是从右向左，导体cd的受力方向是从左向右， 都产生逆时针方向的转矩，使电枢沿逆时针方向转动。当电 枢转过180o后，导体cd在N极下，导体ab在S极下，直流电 源供给的电流方向不变，但线圈内电流方向发生了变化，导 体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向变为从左向右， 产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向，使线圈继续沿逆时 针方向旋转。因此，由于换向器的作用，直流电流交替地由 导体ab和cd流入，使处于N极下的线圈边中电流的方向总是 由电刷A流入，而处于S极下的线圈边中电流的方向总是从电 刷B流出，从而产生方向不变的转矩，使电动机连续旋转， 这就是直流电动机的工作原理。