第3章直流电机原理(1-4)

1、 电源电源 励磁机励磁机 测速测速 伺服伺服 3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途 a b c d N S 电刷电刷 换向片换向片 1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；）电枢线圈内电势、电流方向是交流电； 2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电 流方向一致；流方向一致； 3）从空间看，）从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间上电枢电流产生的磁场在空间上 是恒定不变的磁场；是恒定不变的磁场； 4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相反，与转子转向相反， 是制是制 动性质。动性质。 a b c d N S U I I f f a b c d N

2、S U I I f f e e 1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流电枢线圈内电流 是交流；是交流； 2）线圈中感应电势与电流方向相反；）线圈中感应电势与电流方向相反； 3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；）线圈是旋转的，电枢电流是交变的； 4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动与转子转向相同，是驱动 性质。性质。 主磁极主磁极 换向磁极换向磁极 电刷装置电刷装置 机座机座 端盖端盖 定子定子 转子转子 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 转轴转轴 轴承轴承 直流电机直流电机 3.2.1 主要结构主要结构 （1）主磁极主磁极 1主

3、磁极铁心主磁极铁心 2励磁绕组励磁绕组 3机座机座 主磁极铁心用主磁极铁心用11.5mm 厚的钢板冲片叠压而成。厚的钢板冲片叠压而成。 1换向极铁心换向极铁心 2换向极绕组换向极绕组 换向极铁心一般用整块钢换向极铁心一般用整块钢 或钢板板叠片加工而成。或钢板板叠片加工而成。 换向极绕组与电枢绕组串换向极绕组与电枢绕组串 联。联。 作用作用：改善换向。：改善换向。 机座通常由铸钢或厚钢板焊成。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。 （4）电刷装置）电刷装置 电刷的电刷的作用作用是把转动的电枢是把转动的电枢 绕组与静止的外电路相连接，绕组与静止的外电路相连接， 并与换向器相配合，起到整并与换向器相配合，起到

4、整 流或逆变器的作用。流或逆变器的作用。 1刷握刷握2电电刷刷 3压紧弹簧压紧弹簧4铜丝辫铜丝辫 （1）电枢铁心电枢铁心 为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的 磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有厚的两面涂有 绝缘漆的硅钢片叠压而成。绝缘漆的硅钢片叠压而成。 电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直 流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势 以实现机电能量转换的关键部件。以实现机电能

5、量转换的关键部件。 线圈用带绝缘的圆形或矩形线圈用带绝缘的圆形或矩形 截面导线绕成，嵌放在电抠截面导线绕成，嵌放在电抠 槽内，上下层之间以及线圈槽内，上下层之间以及线圈 与铁心之间都要妥善地绝缘。与铁心之间都要妥善地绝缘。 然后用槽楔压紧，再用钢丝然后用槽楔压紧，再用钢丝 或玻璃丝带扎紧，以防止离或玻璃丝带扎紧，以防止离 心力将绕组甩出槽外。心力将绕组甩出槽外。 作用：作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交 变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转 换为电刷端上的直流电动势。换为电刷端上

6、的直流电动势。 换向器由许多换向换向器由许多换向 片组成。换向片之片组成。换向片之 间用云母绝缘。电间用云母绝缘。电 枢绕组的每一个线枢绕组的每一个线 圈两端分别焊接在圈两端分别焊接在 两个换向片上。两个换向片上。 主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成 直流电机直流电机 定子定子转子转子 机座机座 换向极换向极 主磁极主磁极 电刷装置电刷装置 电枢铁心电枢铁心 轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴 电枢绕组电枢绕组 额定容量额定容量PN： 输出功率，单位输出功率，单位kW 额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位：额定状态下出线端电压，单位V 额定电流额定电流IN：额

7、定状态下出线端电流，单位：额定状态下出线端电流，单位A 额定转速额定转速nN： 额定状态下的电机转速，单位额定状态下的电机转速，单位r/min 直流发电机：直流发电机： PNUN IN 直流电动机：直流电动机： PNUN IN 额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。 N N N N N N N n P n PP T55. 9 60 2 2 电动机轴上输出电动机轴上输出 的额定转矩：的额定转矩： 3.3.1 直流电机的磁路直流电机的磁路 直流电机空载时的磁场分布直流电机空载时的磁场分布 磁路从磁路从气隙气隙1出发经出发经电枢电枢 齿电枢轭电枢齿齿电枢轭电

8、枢齿2气气 隙隙2主磁极主磁极2定子轭主定子轭主 磁极磁极1，最后又回到最后又回到气隙气隙1 主磁场磁密的分布主磁场磁密的分布 在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样， B大小完全与气隙长度成反比。大小完全与气隙长度成反比。 引进极弧系数引进极弧系数bp和气隙卡氏系数和气隙卡氏系数 在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均 匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在 此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐 渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁渐减弱，到两极之间的几

9、何中线处时，磁 密等于密等于0。 为了感应电动势或产生电磁为了感应电动势或产生电磁 转矩，直流电机气隙中需要有一转矩，直流电机气隙中需要有一 定量的每极磁通定量的每极磁通 ，空载时，气，空载时，气 隙磁通隙磁通 与空载磁通势与空载磁通势 或空或空 载励磁电流载励磁电流 的关系，称为直流的关系，称为直流 电机的空载磁化特性。电机的空载磁化特性。 0 0 0f F 0f I 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定一般直流电机额定运行时，额定 磁通磁通 设定在图中设定在图中A点，即在磁点，即在磁 化特性曲线开始进入饱和区的位化特性曲线开始进入饱和区的位 置

10、。置。 N fN I 0f F 0f I f F f I A 0 N 0 他励他励串励串励并励并励 复励复励永磁材料励磁永磁材料励磁 IIaIIaIfI=Ia+If I=Ia Ifc=Ia,I=Ia+Ifb; I=Ifc=Ia+Ifb 对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前前 提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电强度高（机械、电 气、热），气、热）， 运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。 电枢绕组：电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机的电磁感应的关键

11、部件之一, , 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的 枢纽。枢纽。 元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两每一个元件均引出两 根线与换向片相连，其中一根称为首根线与换向片相连，其中一根称为首 端，另一根称为末端。端，另一根称为末端。 元元件件边边 极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表相邻两个主磁极轴线沿电枢表 面之间的距离，用面之间的距离，用表示。表示。 首端首端末端末端 p D 2 端部端部 第二节距第二节距y2：连至同一换向片上连至同一换向片上 的两个元件中第一个元件的下的两个元件中第一个元件的下 层边与第二个元件的上层边间层边与第

12、二个元件的上层边间 的距离。的距离。 第一节距第一节距y1：一个元件的两条有一个元件的两条有 效边在电枢表面跨过的距离。效边在电枢表面跨过的距离。 y1 y2 y yc 合成节距合成节距y ：连接同一换向片上连接同一换向片上 的两个元件对应边之间的距离。的两个元件对应边之间的距离。 换向节距换向节距yc：同一元件首末端连同一元件首末端连 接的换向片之间的距离。接的换向片之间的距离。 环形绕组环形绕组鼓形绕组鼓形绕组 叠绕组叠绕组波绕组波绕组 单叠绕组的单叠绕组的连接规律连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即是：所有的相邻元件依次串联（即 后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元后一元件

13、的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元 件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个 闭合回路。闭合回路。 特点：特点： 槽数槽数Ze、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同三者相同 单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换 向片。向片。 y=yk=1 1. 数据计算数据计算 yyk1 计算数据计算数据y 和和y1 画绕组展开图画绕组展开图 安放电刷和磁极安放电刷和磁极 实例：实例： p2， ZeSK16 4 22 16 2 1 p Z y e 1 1.槽展开槽展开2.绕组放置

14、绕组放置3.安放磁极电刷安放磁极电刷 12345678910111213141615 234567891011121314 1615 槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷 NSNS + + 绕电枢一周，绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。所有元件互相串联构成一闭合回路。 结合电刷的放置，结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图 每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支 路数正好等于电机的极数。路数正好等于电机的极数。 这是单叠绕组的重要特点之一。这是单叠绕组的重要特点之一。 aa aiI2 为了使紧

15、相串联的元件所生的电势同向相加，为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件元件 边应处于相同磁极极性下，即合成节距边应处于相同磁极极性下，即合成节距 2,2 yy 单波绕组：换向极距单波绕组：换向极距yc必须符合必须符合 即即 1KyP k p K yk 1 为了使绕组从某一换向片出发，为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后沿电枢铁心一周后 回到原来出发点相邻的一片上，回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。则可由此再绕下去。 单波绕组的单波绕组的连接规律连接规律是：把相隔大约两个极距，即在是：把相隔大约两个极距，即在 磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。磁场中位置差不多

16、相对应的元件连接起来。 计算数据计算数据y 和和y1 画绕组展开图画绕组展开图 安放电刷和磁极安放电刷和磁极 1.绕组数据计算绕组数据计算 4 4 1 4 15 2 1 p Z y e 7 2 1151 p K yy c 347 12 yyy 元件、换向片的放置元件、换向片的放置： 1 1 元件上层边 元件上层边1 1 槽，下层边 槽，下层边4 4 槽 槽; ;首末端所连的换向首末端所连的换向 片相距片相距y yk k7 7； 为了端部对称，为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线首末端所连的两换向片之间的中心线 与与1 1元件的轴线重合。元件的轴线重合。1 1 元件上层边所连的换向片

17、 元件上层边所连的换向片 定为定为1 1 。 。 依次联接依次联接。 磁极放置：磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。极磁极均匀交替的排列。 电刷的放置：电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。放在与主极轴线对准的换向片上。 3 345678911101213 141521 4567891011 1213 14 1512S NNS 槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷 从绕组展开图可以看出，从绕组展开图可以看出， 全部全部15个元件串联而构成一个元件串联而构成一 个闭合回路的顺序是：个闭合回路的顺序是： 1815 714 6 13 5 124 11 310 291 用联

18、接顺序图表示为：用联接顺序图表示为： 1815 714 6 13 5 124 11 310 291 4 11 310 2918 15 7 14 6 13 5 12 上层边上层边 下层边下层边 单波绕组把单波绕组把相同极性下相同极性下的全部元件串联起来组成一条支的全部元件串联起来组成一条支 路。路。 由于磁极只有由于磁极只有N、S之分，之分， 所以单波绕组的支路对所以单波绕组的支路对 数数a与极对数多少无关，永远为与极对数多少无关，永远为1，即，即a1。 同极性下各元件串联起来组成一条支路，同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对支路对 数数a1，与磁极对数，与磁极对数p无关。无关。 当元件的几何尺寸对称时，当元件的几何尺寸对称时， 电刷在换向器表面上电刷在换向器表面上 的位置对准主磁极中心线，的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大。支路电动势最大。 电刷组数应等于极数（采用全额电刷）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）; 电枢电流电枢电流 Ia2ia 。 单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件， 形成一条支路。形成一条支路。 每增加一对主极就增加一对支路。每增加一对主极