1直流电机

（二）转子或电枢 (rotor) 1、电枢铁心(armature core)： 用来作为主磁路的组成部分及嵌放电枢绕组， 由硅钢片叠压而成。 2、电枢绕组(armature winding)： 由许多按一定规律联接的线圈组成。 用来感应电势和通过电流，是直流电机的主电路。 3、换向器(commutator)： 由许多彼此绝缘的换向片构成。
stator N c
n
v
d A ＋ B － A、B为电刷(brush)
2 1
e e
b
rotor
v
S
a
eab = ecd = e ead = 2e
e BA = ead
当用原动机拖动电枢沿逆时针方向旋转时，每 个线圈边都切割磁力线感应出电势，电势方向由右 手定则确定。 由于电枢连续旋转，每个线圈边将交替切割 N 极和 S 极下的磁力线，所以每个线圈边以及整个线 圈中的感应电势是交变电势。 由于电刷和换向器的“整流”作用，使电刷 A 始 终与切割 N 极磁力线的线圈边相接触，电刷 A 就始 终具有正极性，电刷 B 始终具有负极性，所以电刷 A、B间的电势是直流电势，流过负载的电流是单方 向的直流电流，这就是直流发电机的工作原理。
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 A1 B1 A2 B2 +
－
1、相邻主极按 N、S极性交替排列，均匀放置。 2、电刷放置原则——使正、负电刷间引出的电势最大， 且被电刷短路的元件电势为零。 • 电刷应放在不同支路的交界处，即放在电势为零的元 件所连接的两个换向片的分界线上。 • 对于端部对称的绕组元件，电刷放在主极轴线下。 (1) 被短路的元件其两个元件边均处于两个相邻主极之间 的几何中性线上，则短路元件的感应电势为零，被电 刷短路时不会产生环流; (2) 正、负电刷间引出的电势最大。
电机中存在着电路和磁场，电和磁的相互作用可通过 电磁感应定律 和电磁力定律来分析。
两极直流电机的物理模型图
1、直流发电机的工作原理
stator N b
n
v
a A ＋ －B A、B为电刷(brush)
1 2
e e
c
rotor
v
S
d
eba = edc = e eda = 2e
e BA = eda
1、直流发电机的工作原理 当线圈 abcd 转过180°时：
第一章
直流电机
(DC machine)
把机械能转换为直流电能的旋转电机称为直流 发电机。 把直流电能转换为机械能的旋转电机称为直流 电动机。 直流发电机可作为各种直流电源，如直流电动 机的电源、同步发电机的励磁电源以及电解和电镀 用的低压电源等。 直流电动机具有良好的起动性能，能在宽广的 范围内平滑而经济地调速。被广泛用于电力机车、 无轨电车、轧钢机、机床和起动设备中。
Q 极距τ ：相邻两主极间的距离，用槽数表示。 τ = 2 p 应使 y1 接近于极距 τ ： y = Q ∓ ε 1 2p
短距(－)，整距( 0 )，长距(＋)。 整距绕组感应电势最大 。
5、第二节距 y2：在由同一个换向片串联起来的两个元件 中，前一元件的下层边与后一元件的上层边之间的距离， 用槽数表示。 6、合成节距 y：相串联的两个元件的对应边之间的距离。 用槽数表示。 叠绕组： y = y1 - y2 ，波绕组：y = y1 + y2 。 7、换向器节距 yc：同一元件的两出线端所接的两换向片 之间的距离，用换向片数表示。 y = yc 。 槽数Q = 元件数 S = 换向片数 K
一、直流电枢绕组的基本知识
分为叠绕组(单叠，复叠)、波绕组(单波，复波 )、混合绕组三类 。
单匝 多匝 叠绕组元件
单匝
多匝 波绕组元件
基本术语 ： 1、元件：两端分别与两个换向片连接的单匝或多匝线圈。 2、元件边：每个元件在槽内能切割磁场、感应电势的边， 又称为有效边。 3、端接：元件在槽外的部分。 一般为了工艺要求，元件的一条元件边放某一槽的上层， 另一元件边放另一槽的下层。 直流电枢绕组都是双层绕组。 4、第一节距 y1 ：每一元件的两个元件边在电枢表面所跨 的距离，用槽数 Q 来表示。
• 电刷装置 —— 使电枢电流经旋转的换向器（随转子）通过 静止的电刷（固定在定子上）接通外电路 1.将转动的电枢与外电路相连； 2.与换向器配合而获得直流电压。
电刷组数一般等于电机极数
三、直流电机的励磁方式(excitation)
• 直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方 式，对电机的运行特性有大的影响。 • 他励——励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组 不相连接。
电枢线圈的出线端连接到换向片(commutator segment)上， 换向片固定于转轴上，随电机轴一起旋转，换向片之间及 换向片与转轴之间均互相绝缘，它们构成的整体称为换向器。
电枢 铁心和绕组 风扇 机座 主磁极 电刷 换向器
接线板 端盖 励磁绕组
接线盒
直流电机的结构
定子 （固定部分）
• • • • • • 主磁极 换向极 机座 端盖 轴承 电刷装置
• 自励——励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电 机本身供给。
自励的形式
励磁回路的功率占总功率的 (1-5)%
四、直流电机的铭牌数据 (Nameplate ratings)
电机制造厂按照国家标准，根据电机设计和试验 数据而 规定的每台电机的 规定的每台电机的正常运行状态，称为电机的额定运行状态。 正常运行状态，称为电机的额定运行状态。 表征电机额定运行的 有关电量或机械量 ，称为电机的额定值。 1、额定功率 P N ：额定运行时电机的输出功率， 单位为kW。 发电机指电枢出线端输出的 电功率：PN = U N I N 电动机指转轴上输出的 机械功率： PN = UN I NηN 2、额定电压 U N ：额定运行时电枢出线端的电压，单位为 V。 3、额定电流 I N ：电机在额定电压下运行，输出额定功率时， 电枢出线端的电流，单位为 A。 4、额定转速 n N ：额定运行时转子的转速，单位为 r/min。 有的铭牌还标有： 额定励磁电压 U fN 、额定效率 ηN 和励磁方式等。
2、直流电动机的工作原理
stator N b
n
f
a ＋A －B A、B为电刷(brush)
1 2
i i
c f S rotor
d
f ab 方向向左 f cd 方向向右 Tabcd 方向为逆时针方向
当在电机的两电刷端加上直流电压时，将有电 流流入电枢线圈中，流入电流的线圈边在磁场中受 到电磁力的作用，电磁力方向由左手定则确定。 由于电刷和换向器的“逆变”作用，使每个线圈 边交替切割 N 极和 S 极下的磁力线时，每个线圈边 中的电流方向也随之交变，保证了同一极下线圈边 中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈 边所受的电磁力方向不变，从而使电动机连续旋转， 这就是直流电动机的工作原理。
电机要实现机电能量转换，电路和磁场之间 必须有相对运动。所以旋转电机必须具备静止和 旋转两大部分，静止和旋转部分之间存在着一定 大小的间隙，称为气隙(air gap)。 静止部分称为定子(stator)，作用是产生磁场 并作为电机的机械支撑。包括主磁极、换向极、 机座、端盖、轴承及电刷装置等。 旋转部分称为转子或电枢(rotor or armature)， 作用是感应电势实现能量转换。包括电枢铁心、 电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。
3、电机的可逆性
从原理上讲，一台直流电机既可作为发 电机，亦可作为电动机运行，即能量的转换 过程是可逆的。 若用原动机拖动电枢旋转，可输出电能， 此时为发电机运行，将机械能转换为电能。 当外加直流电压，可输出机械能，拖动 生产机械运转，此时为电动机运行，将电能 转换为机械能。
二、直流电机的结构(construction)
直流电机的磁路
4. 磁轭——在磁极外围将磁路闭合 机座中作为磁通通路的部分，机座用厚钢板弯成筒形以后焊成， 或用铸钢（小型机座用铸铁）制成。
直流电机的磁路
5. 换向极——用于改善换向 是位于两个主磁极之间的小磁极，常用整块钢或厚钢板制成 。 换向极的数目一般与主磁极相等，在小功率直流电机中，换向极 数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极 。
第二节
直流电机的电枢绕组
(Armature Winding)
• 直流电枢绕组的基本知识 • 直流电枢绕组的基本型式 • 直流电枢绕组的连接规律
电枢绕组是直流电机的主电路，是电机实现机电能量转换的枢纽。 它的制造工艺比较复杂，在运行中易发生故障，因此，设计 绕组时要求： 能通过规定的电流和产生足够大的电势。 尽可能节省有色金属和绝缘材料。 保证换向良好。
2. 磁极铁心——套装励磁绕组并建立主磁场 由l-1.5mm厚的钢板冲片叠成，与励磁绕组一起固定在磁轭上。 极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极中心线沿空气隙圆 周表面的距离称为极距，极弧与极距比称为极弧系数，约 0.6-0.7。
直流电机的磁路
3.极靴——使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均 匀，有利于固定励磁绕组 由于齿槽效应，极靴表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由钢片 叠成。
（三）绕组展开图 绕组展开
n
1 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 电枢绕组是一个闭路绕组
（四）安放主极和电刷
某一瞬间
极距 极距 极距 极距
n
N
S
N
S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4
二、直流电枢绕组的基本型式 单叠绕组，单波绕组。 1、单叠绕组 元件的两个出线端连接在相邻的两个换向片上； 相邻元件依次串联，后一元件的首端与前一元件的 尾端连在一起，并接到同一个换向片上，最后一个 元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，形成一 个闭合回路。 紧相串联的两个元件的端接部分紧“叠”在一起。 y = yc = ±1 （ ＋，右行；－，左行）
例1： 极对数 p = 2，槽数 Q = 16，元件数 S = K = 16， 绘制一右行整距单叠绕组展开图。
绘制步骤：
（一）计算节距 单叠右行：y = yc = 1 整距：y1 = 16/4 = 4
y2 = y1 - y = 4 - 1 = 3
（二）绕组连接顺序表
上层元件边所在槽数
y
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 y1 y2 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 下层元件边所在槽数 黑线表示元件本身的连接； 红线表示相邻元件之间的连接。
转子 （转动部分）
• • • • • 电枢铁心 电枢绕组 换向器 轴 风扇
产生磁场 电机的机械支撑
感应电动势、产生电磁转矩 而实现机电能量转换
直流电机的磁路
1. 电枢铁心——用作主磁路及嵌放电枢绕组 由0.5mm厚的硅钢片叠装而成，铁心外圆周均匀冲有槽和齿。 电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。
直流电机的磁路
实物模型－－结构
物理模型－－电路和磁场
数学模型－－基本方程式
分析运行特性
Fra Baidu bibliotek一节
直流电机的工作原理、 结构、励磁方式及铭牌
• 工作原理 (principles) • 结构 (construction) • 励磁方式 (excitation) • 铭牌数据 (Nameplate ratings)
一、直流电机的工作原理(principles)
（一）定子(stator) 1、主磁极(pole)： 也称为主极。作用是产生气隙磁场(主磁场)。 2、换向极(interpole)： 也称为附加极或间极。作用是改善换向。 装在主极之间。 3、机座(yoke)： 由铸钢或厚钢板焊成。是电机的机械支撑。 4、电刷装置(brushgear)： 将直流电压、电流引入或引出的装置。 其组数与主极极数相等。
直流电机的电路
• 电枢绕组——嵌在电枢铁心的槽中 叠绕组和波绕组 • 励磁绕组—— 套在磁极铁心上 并励绕组——和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小 串励绕组——和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大 从电阻和能量消耗的角度考虑 • 换向极绕组——与电枢绕组串联，激励换向极磁通 • 换向器——将电枢绕组内部的交流电动势用机械换接的方 法转换为电刷间的直流电势