直流电机基本原理

4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组， 一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。

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2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.4 直流电机的额定数据（铭牌数据）
额定值 是制造厂对各种电气 设备（本章指直流电机）在指定 工作条件下运行时所规定的一些 量值。在额定状态下运行时，可 以保证各电气设备长期可靠地工 作。并具有优良的性能。额定值 也是制造厂和用户进行产品设计 或试验的依据。额定值通常标在 各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都 钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定 数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如图所示。
直流电动机 型 号 Z2－72 产品编号 7001 结构类型 ____ 励磁方式 他励 功 率 22kW 励磁电压 220V 电 压 220V 工作方式 连续 电 流 116.3A 绝缘等级 B级 转 速 1500r/min 重 量 __kg 标准编号 JB1104-68 出厂日期 __年__月
换向器作用
从分析中可得出： N极下导体电势指向纸外，电 刷B1总为+；S极下导体电势指向纸 内，电刷B2总为-，不难看出，线圈 中的电势是交流电势，而通过换向 器的作用，使电刷间的电势为直流 电势。
电刷B1与B2间的电动势波形图
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2、直流发电机的基本工作原理
英国：锂琦
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
3、直流电动机的基本工作原理
当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下， 受力方向从左向右，原S 极下导体 cd转到N极下，受力方向从右向左。 该电磁力形成逆时针方向的电磁转 矩。线圈在该电磁力形成的电磁转 矩作用下继续逆时针方向旋转。
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， 磁极也并非一对。
英国：法拉第
比利时：格拉姆（实用化）
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
ωt=0°时，A端为☉，与之相接触 的电刷B1为+，X端为⊕，与之相 接触的电刷B2为-；当电枢旋转了 90°后，即ωt=90°时，X端旋转 到N极下，X端为☉，A端旋转到S 极下，A端为⊕。
线圈AX地感应电势波形图
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
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）电枢电流等于各支路电流之和。
直流电机基本原理
李小鹏 副教授 天津工程师范学院
第二章 直流电机基本原理
主要内容
2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.2 直流电机的电枢绕组 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.4 感应电动势和电磁转矩 2.5 直流发电机及其运行特性 2.6 直流电动机及其运行特性 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 2.8 换向
换向器和电刷作用
• 换向器和电刷的共同作用：①将线圈中的交流 电势整流成刷间的直流电势；②把转动的电路 与外面不转的电路连接。
线圈AX地感应电势波形图
电刷B1与B2间的电动势波形图
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2、直流发电机的基本工作原理
换向器和电刷作用
从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的 脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈， 均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串 联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。
线圈AX地感应电势波形图
电刷B1与B2间的电动势波形图
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
3、直流电动机的基本工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，N极性下导体 ab受力方向从右向左，S 极下导体 cd受力方向从左向右。该电磁力形 成逆时针方向的电磁转矩。当电磁 转矩大于阻转矩时，电机转子逆时 针方向旋转。 把电刷A、B接到直流电源上， 电刷A接正极，电刷B接负极。此时 电枢线圈中将电流流过。如右图。
定子 直 流 电 机 转子
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
1、定子
• • 定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。 主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用1~1.5mm 的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是 建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。 换向极也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢 组成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用 是改善电机的换向。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成， 它的作用是连接转动和静止之间的电路。 机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一 部分。 美国：爱迪生
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2、直流发电机的基本工作原理
当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 1800 后 ，如右图。
导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位； 电刷A极性仍为正，电刷B极性 仍为负。 可见，和电刷A接触的导体总 是位于N极下，和电刷B接触的导 体总是位于S极下，
下层边与第二个元件的上层边间的距离。
2.2 直流电机的电枢绕组
合成节距
y ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。
换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。
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2.2 直流电机的电枢绕组
2.2.2单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节 y 距均为1，即： yk 1 。 单叠绕组的的特点： 1） 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路 数相同。
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2）ZZJ系列
ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机， 适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。该系列 电动机的传动惯量低、过载能力大，速度反应快。 因而能经受快速而频繁的起动、制动与反转。 其它系列的直流电机型号、技术数据可从产品 目录或相关的手册中查到。
2.2 直流电机的电枢绕组
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.4 直流电机的额定数据（铭牌数据）
电机使用时注意事项（1）
在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行， 称为额定运行。电机处于额定运行状态，具有良好的 性 能，工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行，称 为欠载运行，电机长期欠载，效率不高，造成浪费；当 电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行，长期 过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所以 额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理 选择电机容量，使电机工作在额定运行状态。
共8节
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.1 直流电机的基本工作原理
1、直流电机的构成
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.1 直流电机的基本工作原理
2、直流发电机的基本工作原理
右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。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。
• 电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件） 按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌 放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别 与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电 势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将 电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间 的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。
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2.1 直流电机的工作原理和基本结构
主磁极、换向极、电刷装置示意图
主磁极与换向极示意图
电刷装置图
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2、转子（电枢）
• 转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等 组成。 • 电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠 压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电 机主磁路的一部分。
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
国产电机主要系列
国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母 表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例 如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7” 表示机座号，7后面的2表示长铁芯（2号表示长铁芯，1号 表示短铁芯）。 国产直流电机的主要系列说明如下： 1）Z2系列是普通中小型直流电机。该系列直流电机有发电 机、调压发电机、电动机等。其工作方式为连续的。电机 仅用于正常的使用条件，即非湿热地区，非多尘或无有害 气体场所，非严重过载或无冲击性过载要求的情况下。系 列容量范围从0.4~220kW，采用E级和B级绝缘。新设计的 Z4系列电动机，可以取代Z2、Z3系列直流电动机。
英国：希奥斯（他） 1、他励 励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。 2、并励 英国：怀尔德 励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励 励磁绕组与电枢绕组串联。 4、复励
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
直流发电机的励磁方式
1、他励：直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。如图 所示。 他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同，即：
德国：西门子公司（铜） 美国：福布斯（石墨）
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
3、气隙
为了使电机能够运转，定子和转子之间 要 留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它 是主磁路的一部分。
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.3 励磁方式
直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的 方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都是 通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不 同可分为四种：他励、并励、串励和复励。
2.2.1直流枢绕组基本知识 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
有效部分 端部部分
2.2 直流电机的电枢绕组
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。
第一节距 y1 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第二节距 y2 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的
直流电机铭牌
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.4 直流电机的额定数据（铭牌数据）
额定功率PN：电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输 出功率，以Kw表示； 发电机——额定功率指线端输出的电功率； 电动机——轴上输出功率；
额定电压UN: 电机在额定状态下电枢线端电压，以V表示；
额定电流IN： 电机在额定电压运行，输出功率为额定功率时， 电机线电流，以A表示； 额定转速nN: 电机在额定状态下转子的转速，以r/min表示； 额定励磁电流IfN： 电机在额定电压运行，输出功率为额定功率 时，励磁绕组线端电流，以A表示；

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2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2、并励：发电机的励磁绕组与电 3、串励：励磁绕组与电枢绕组 枢绕组并联。且满足 I a I I f 。 串联。满足 I a I f I 。

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2.1 直流电机的工作原理和基本结构
俄国：雅克比
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
3、直流电动机的基本工作原理
换向器和电刷的作用
• ①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；
• ②把外面不转的电路与转动的电路连接。
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
2.1.2 直流电机的基本结构
直流电机结构图
2.1 直流电机的工作原理和基本结构
主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
转子绕组也称为电枢，是直流电机进行能量转换的核心部件。 无论是在发电机还是电动机，它们的电枢绕组在电机磁场中旋转， 都会产生感应电动势。当电枢绕组中有电流时，会产生电枢磁通势， 它与气隙磁场相互作用，产生电磁转矩。电动势与电流的乘积为电 机功率，电磁转矩与电枢旋转机械角速度的乘积为机械功率。可见 能量转换的过程中，电枢绕组起着重要的作用。