电机拖动基础直流电机课件

1、电机与拖动电机与拖动 下一章下一章 返回主页返回主页 第第2章章 直流电机直流电机 直流电机包括直流发电机和直流电动机直流电机包括直流发电机和直流电动机电机电机的可的可逆原逆原理理电机是机械能与电能相互转换的装置。直流电机是机械能与电能相互转换的装置。直流发电机能把机械能变为直流电能；直流电动发电机能把机械能变为直流电能；直流电动机把直流电能变为机械能。机把直流电能变为机械能。第第2章章 直流电机直流电机 1换向极铁心；换向极铁心；2换向极绕组；换向极绕组； 3主磁极铁心主磁极铁心；4励磁绕组励磁绕组； 5电枢齿；电枢齿；6电枢铁心电枢铁心； 7换向器换向器；8电刷电刷； 9电枢绕组电枢绕组；

2、10机座；机座；11底脚底脚转子转子定子定子气隙气隙直流电机主要由定子直流电机主要由定子 stator（固（固定部分）和转子定部分）和转子rotor（转动部分）（转动部分）两大部分组成。两大部分组成。第第2章章 直流电机直流电机 1.1.1 直流电机的定子直流电机的定子 定子的作用是用来产生定子的作用是用来产生磁场磁场和电机的和电机的机械支撑机械支撑。包。包括括主磁极、换向磁极、机座、主磁极、换向磁极、机座、电刷电刷。 第第2章章 直流电机直流电机 定子是如何产生磁场的定子是如何产生磁场的?在电机工作时，定子上绕组（在电机工作时，定子上绕组（励磁绕组励磁绕组）两端加上电压，）两端加上电压，电流

3、通入导体就会产生磁场电流通入导体就会产生磁场.磁场强弱取决于线圈匝数磁场强弱取决于线圈匝数N和和电流电流I的乘积，该乘积就叫磁通的乘积，该乘积就叫磁通( (动）势动）势F。主磁极是电磁铁主磁极是电磁铁HlNiH为为磁场强度磁场强度由安培环路定律由安培环路定律:N，S极判定极判定:第第2章章 直流电机直流电机 1.1.2 直流电机的转子直流电机的转子 转子用来产生转子用来产生感应电动势感应电动势（发电机（发电机)或或电磁力电磁力（电动机）来（电动机）来实现能量转换，包括电枢铁芯、电枢绕组、实现能量转换，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器换向器。第第2章章 直流电机直流电机 转子是如何产生感应电动势的

4、转子是如何产生感应电动势的?电磁感应定律：电磁感应定律：正方向：正方向：用用右手定则右手定则判断判断。 前提前提:原动机拖动转子转起来原动机拖动转子转起来VeBlv sin()第第2章章 直流电机直流电机 转子是如何产生电磁力的转子是如何产生电磁力的?电磁力定律电磁力定律方向：用方向：用左手定则左手定则判断判断。 前提前提:转子通电转子通电BiNfl sin()第第2章章 直流电机直流电机 第第2章章 直流电机直流电机 1轴承；轴承；2轴；轴；3电枢绕组；电枢绕组；4换向极绕换向极绕组；组；5电枢铁心；电枢铁心；6后端盖；后端盖；7刷杆座；刷杆座；8换向器；换向器；9电刷；电刷；10主磁极；主

5、磁极；11机座；机座；12励磁绕组；励磁绕组；13风扇；风扇；14前端盖前端盖第第2章章 直流电机直流电机 直流电机直流电机直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机总结总结直流电机直流电机转子转子定子定子第第2章章 直流电机直流电机 定子定子主要包括主要包括主磁极、励磁绕组、换主磁极、励磁绕组、换向极，电刷。向极，电刷。 定子的作用是用来产生定子的作用是用来产生磁场磁场。转子转子产生产生电磁力电磁力（电动机）（电动机）包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器。包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器。产生产生感应电动势感应电动势（发电机（发电机)fl sin()BieBlv sin()第第2章章 直流电机直流电机

6、 1.2.1 直流发电机工作原理直流发电机工作原理产生电能的两个必要条件产生电能的两个必要条件有磁场存在有磁场存在导体与磁场有相对运动导体与磁场有相对运动励磁绕组通电流励磁绕组通电流 被原动机拖动被原动机拖动eblv sin()V第第2章章 直流电机直流电机 NSNSEE线圈边切割磁力线会产生什么线圈边切割磁力线会产生什么？ 换向换向 电刷电刷 换向片换向片 eblv sin()V第第2章章 直流电机直流电机 电磁关系电磁关系 输出输出直流电直流电 换向换向 原动机原动机感应电动感应电动势和电流势和电流 电磁转矩电磁转矩 (阻转矩阻转矩) 做功做功 第第2章章 直流电机直流电机 结论：输出的是

7、结论：输出的是脉动脉动直流电。直流电。电刷两端的脉振电动势波形电刷两端的脉振电动势波形线圈中依然为交流电，通过电刷线圈中依然为交流电，通过电刷- -换向器换向器将交流电转换成直流输出。将交流电转换成直流输出。eblv sin()V第第2章章 直流电机直流电机 由许多线圈组成电枢绕组，使脉动大大降低。由许多线圈组成电枢绕组，使脉动大大降低。 eblv sin()V第第2章章 直流电机直流电机 直流发电机工作原理总结直流发电机工作原理总结通过换向器及时改变导线与电刷的连接，使得电通过换向器及时改变导线与电刷的连接，使得电刷刷A A总是和总是和N N极下的导线相接触，电刷极下的导线相接触，电刷B B

8、总是和总是和S S极极下的导线相接触，这样尽管导线中的电动势是交下的导线相接触，这样尽管导线中的电动势是交变的，但是在一定的磁极下，导线中电动势方向变的，但是在一定的磁极下，导线中电动势方向是一定的，所以电刷是一定的，所以电刷A A，B B的极性是一定的。的极性是一定的。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。使之从电刷端引出时变为直流电动势。 第第2章章 直流电机直流电机 1.2.2 直流电动机工作原理直流电动机工作原理产生力矩

9、的两个必要条件产生力矩的两个必要条件有磁场存在有磁场存在导体中有电流导体中有电流作用在线圈上的电磁转矩为作用在线圈上的电磁转矩为2DTfN .m电磁转矩就是直流电动机电磁转矩就是直流电动机的驱动转矩。的驱动转矩。励磁绕组通电流励磁绕组通电流电枢绕组加电压电枢绕组加电压BiNfl sin()第第2章章 直流电机直流电机 NSNSUU线圈边切割磁力线会产生什么线圈边切割磁力线会产生什么？ 直流电动机工作原理直流电动机工作原理第第2章章 直流电机直流电机 直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)换向换向 机械机械负载负载 旋转旋转 克克 服服 反电反电动势动势 电磁关系电

10、磁关系第第2章章 直流电机直流电机 直流电动机工作原理总结直流电动机工作原理总结在电刷在电刷A , BA , B两端加上直流电压两端加上直流电压, , 通过换向器及通过换向器及时改变导线与电刷的连接，使得电刷时改变导线与电刷的连接，使得电刷A A总是和总是和N N极极下的导线相接触，电刷下的导线相接触，电刷B B总是和总是和S S极下的导线相接极下的导线相接触，由于在一定的磁极下，导线中电流方向是一触，由于在一定的磁极下，导线中电流方向是一定的，所以电动机的转矩大小和旋转方向始终保定的，所以电动机的转矩大小和旋转方向始终保持不变持不变. .直流电动机的工作原理就是把在电刷直流电动机的工作原理就

11、是把在电刷A , BA , B两端加两端加上直流电压，靠换向器配合电刷的换向作用，使上直流电压，靠换向器配合电刷的换向作用，使电枢线圈中产生交变电动势。电枢线圈中产生交变电动势。 第第2章章 直流电机直流电机 NSNSUU在电机旋转过程中在电机旋转过程中, ,转子线圈中的电流方向不断转子线圈中的电流方向不断改变改变, ,这种电流方向改变的过程称为换向。这种电流方向改变的过程称为换向。1.2.3 直流电动机的换向直流电动机的换向第第2章章 直流电机直流电机 1.2.3 直流电动机的换向直流电动机的换向换向不良将会在电刷下产生有害的火花。换向不良将会在电刷下产生有害的火花。可安装换向极来改善换向。

12、可安装换向极来改善换向。换向极换向极 第第2章章 直流电机直流电机 1.3.1直流电机的定子直流电机的定子第第2章章 直流电机直流电机 直流电机的定子直流电机的定子 主磁极主磁极 机座机座 主磁极铁心主磁极铁心 励磁励磁 绕组绕组 绝缘绝缘 框架框架 电枢铁心电枢铁心 螺栓螺栓 机座机座 换向极换向极 主磁极主磁极 第第2章章 直流电机直流电机 主磁极铁心主磁极铁心：通常用：通常用1-1.5 厚的厚的低碳钢板低碳钢板冲成一定形冲成一定形状的冲片，然后状的冲片，然后叠压叠压成整体，再用螺栓固定在机座成整体，再用螺栓固定在机座上。主磁极分成上。主磁极分成极身极身和和极靴极靴两段，极身较窄，外装两段

13、，极身较窄，外装励磁绕组励磁绕组，极靴两边伸出于极身之外的部分称为，极靴两边伸出于极身之外的部分称为极极尖尖。极靴面向电枢的曲面称为。极靴面向电枢的曲面称为极弧极弧，极弧与电枢外，极弧与电枢外圆之间的间隙称为圆之间的间隙称为气隙气隙。1. 主磁极主磁极第第2章章 直流电机直流电机 励磁绕组励磁绕组：各个主极上的励磁线圈组成励磁绕组，：各个主极上的励磁线圈组成励磁绕组，各主极的励磁线圈常用串联方式联接，这样可以保各主极的励磁线圈常用串联方式联接，这样可以保证各主极线圈的电流一致。主磁极在电机中总是证各主极线圈的电流一致。主磁极在电机中总是成成对出现对出现，其极性沿圆周是，其极性沿圆周是 N, S

14、交替排列交替排列，因此串联，因此串联时，相邻两主磁极线圈中电流环绕的方向是相反的。时，相邻两主磁极线圈中电流环绕的方向是相反的。第第2章章 直流电机直流电机 容量容量大于大于1kw 的直流电机，在的直流电机，在相邻两主磁极之间装设换向极，相邻两主磁极之间装设换向极，它的作用是它的作用是改善换向改善换向。换向极。换向极形状比较简单，因此常用厚钢形状比较简单，因此常用厚钢板制成。有些电机的换向极也板制成。有些电机的换向极也要求用钢片绝缘后叠装而成。要求用钢片绝缘后叠装而成。换向极上装有换向极上装有换向极绕组换向极绕组，一，一般由粗的扁铜线绕成，只有几般由粗的扁铜线绕成，只有几匝，换向极绕组总是匝，

15、换向极绕组总是与电枢绕与电枢绕组串联的组串联的。2.换向极换向极第第2章章 直流电机直流电机 换向过程中，由于电流变化，换向过程中，由于电流变化，换向元件中会产生自感电动势，换向元件中会产生自感电动势，俗称电抗电动势。当同槽中有俗称电抗电动势。当同槽中有多个元件同时换向时，电抗电多个元件同时换向时，电抗电动势还包括它们之间的互感电动势还包括它们之间的互感电动势在内。这种电动势起阻止动势在内。这种电动势起阻止换向的作用。电抗电动势越大，换向的作用。电抗电动势越大，换向越困难，甚至在电刷边上换向越困难，甚至在电刷边上会产生火花。严重的火花有时会产生火花。严重的火花有时发展成换向器环火而损坏换向发展

16、成换向器环火而损坏换向器。器。换向极为什么能改善换向？换向极为什么能改善换向？Ldi/dt第第2章章 直流电机直流电机 改善换向的主要方法是在两个主磁极之间装置改善换向的主要方法是在两个主磁极之间装置换向极，用以在换向元件中产生切割电动势来抵消换向极，用以在换向元件中产生切割电动势来抵消电抗电动势。因为电抗电动势是随着电流增大而增电抗电动势。因为电抗电动势是随着电流增大而增大的，故换向极绕组需与电枢串联，使换向极磁场大的，故换向极绕组需与电枢串联，使换向极磁场及其相应的切割电动势也能随电枢电流同步增大。及其相应的切割电动势也能随电枢电流同步增大。换向极应接成与电枢电流产生的磁场极性相反。换向极

17、应接成与电枢电流产生的磁场极性相反。第第2章章 直流电机直流电机 直流电机电枢绕组和电流均通直流电机电枢绕组和电流均通过电刷装置与过电刷装置与外电路相接外电路相接。电。电刷本身是由石墨等做成的导电刷本身是由石墨等做成的导电块，根据电流大小的不同，每块，根据电流大小的不同，每个刷架上装有一个电刷或一组个刷架上装有一个电刷或一组并联的电刷，并联的电刷，同极性刷架上的同极性刷架上的电流汇集到一起后，引向接线电流汇集到一起后，引向接线板，再通向机外板，再通向机外.3.电刷电刷第第2章章 直流电机直流电机 1.3.2直流电机的转子直流电机的转子第第2章章 直流电机直流电机 它提供主极下磁通的通路及安放电

18、枢绕组。当电枢它提供主极下磁通的通路及安放电枢绕组。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗。电枢铁心通常用而也会产生涡流及磁滞损耗。电枢铁心通常用0. 5 厚的低硅厚的低硅硅钢片硅钢片或冷轧硅钢片叠成，片间涂绝缘漆或冷轧硅钢片叠成，片间涂绝缘漆以减少损耗。硅钢片上还冲出以减少损耗。硅钢片上还冲出转子槽转子槽，以便嵌放，以便嵌放电电枢绕组枢绕组。1.电枢铁心电枢铁心第第2章章 直流电机直流电机 为什么采用铁心而不空心？为什么采用铁心而不空心？磁场强度磁场强度H:代表电流本身产生代表电流本身产生的磁场的强弱，反应了电流

19、的磁场的强弱，反应了电流的励磁能力，与介质无关。的励磁能力，与介质无关。HlNi磁感应强度磁感应强度B:描述磁介质中实际的磁描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量。场强弱和方向的物理量。BH磁路磁路磁通磁通 经过的路径经过的路径。第第2章章 直流电机直流电机 磁导率磁导率 : 衡量物质导磁能力的物理量衡量物质导磁能力的物理量。真空的磁导率为常数真空的磁导率为常数mH70104 铁磁材料磁导率铁磁材料磁导率 不是常数不是常数,磁导率磁导率 0采用铁心而不空心的原因是采用铁心而不空心的原因是增磁增磁。r=/0, , 硅钢片为硅钢片为700070001000010000第第2章章 直流电机直流电机

20、 用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律按一定的规律联结到联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。组。2.电枢绕组电枢绕组第第2章章 直流电机直流电机 将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向片组成。电动势。换向器由许多换向片组成。3.换向器换向器第第2章章 直流电机直流电机 起

21、转子旋转的支撑作用，一般用圆钢加工而成。带起转子旋转的支撑作用，一般用圆钢加工而成。带负载。负载。4.转轴转轴第第2章章 直流电机直流电机 绕组的构成绕组的构成：直流电机的电枢绕组是由结构形状相同：直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的的元件元件构成，所谓元件是指构成，所谓元件是指两端两端分别与两片换向片连分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。不管元件有多少匝，他只有两接的单匝或多匝线圈。不管元件有多少匝，他只有两个引出线，即个引出线，即首端首端和和末端末端。1.3.3直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组第第2章章 直流电机直流电机 每一元件有两个放在槽中能切割磁通、感应电动势的每一元件有两个放

22、在槽中能切割磁通、感应电动势的有效部分，称为有效部分，称为元件边元件边。元件在槽外。元件在槽外( (电枢铁心两端电枢铁心两端) )的部分，不切割磁通，因而不感应电动势，仅作为联的部分，不切割磁通，因而不感应电动势，仅作为联接引线，称为端部。构成元件线匝的两个有效边称为接引线，称为端部。构成元件线匝的两个有效边称为导体导体。第第2章章 直流电机直流电机 直流电机的元件嵌放在电枢铁心的槽中，为了便直流电机的元件嵌放在电枢铁心的槽中，为了便于嵌线，每个元件的一个元件边放在某一槽的上于嵌线，每个元件的一个元件边放在某一槽的上层层( (称为称为上元件边上元件边) )，另一个元件边则放在另外一，另一个元件

23、边则放在另外一槽的下层槽的下层( (称为称为下元件边下元件边).).元件数元件数S=S=换向片数换向片数K K = =电枢槽数电枢槽数Z Z第第2章章 直流电机直流电机 单叠绕组单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、单波绕组、复叠绕组、 复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）第第2章章 直流电机直流电机 一对磁极在电枢表面所跨过的距离。一对磁极在电枢表面所跨过的距离。 =Z 2p 电枢总槽数电枢总槽数 极对数极对数 第第2章章 直流电机直流电机 单叠绕组单叠绕组N S y1 第一节距（用所跨过的槽数来表示第一节距（用所跨过的槽数来表示 ）。）。 y1= 为整距绕组

24、；为整距绕组； y1 为长距绕组。为长距绕组。 y2 第二节距（用所跨过的槽数来表示第二节距（用所跨过的槽数来表示 ） 。 y 合成节距：合成节距： y = y1y21 234y1 y2 y 第第2章章 直流电机直流电机 A B12345678A B1 2 3 48 7 6 5A B123456787 6 5 A 1 2 3 B 4 8 第第2章章 直流电机直流电机 A B812345676 5 4 3 7 8 1 2 A B 7 6 5 48 1 2 3ABA B12345678第第2章章 直流电机直流电机 电动机电动机 发电机发电机 v v v v v v v v EA1 2 3 48 7

25、 6 5BIa 结论：结论：同一个元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片同一个元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上。所有相邻元件依次串联，通过换向片形成闭合上。所有相邻元件依次串联，通过换向片形成闭合回路。回路。 1 2 3 48 7 6 5ABIae e e e e e e e E并联支路图并联支路图第第2章章 直流电机直流电机 NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12 1A1 B1 A2 B2 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图 nZ = p = = y1 = y2 = y = 12 2 3 3 2 1 第第2章章 直流电机直流电

26、机 NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12 1 A1 B1 A2 B2 单叠绕组的展开图（发电机）单叠绕组的展开图（发电机） 结论：结论： 每个主磁极下的元件串联成一条支路；每个主磁极下的元件串联成一条支路； 绕组的并联支路对数等于极对数，即绕组的并联支路对数等于极对数，即 a = 2= p。 nA1A2B1B23 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12第第2章章 直流电机直流电机 NS电刷电刷 换向片换向片 NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2

27、3 5 6 8 9 11 12 1 A1 B1 A2 B2n第第2章章 直流电机直流电机 单叠绕组的展开图（发电机）单叠绕组的展开图（发电机） A1A2B1B23 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12输出电动势输出电动势e：等于并联支路的电动势。等于并联支路的电动势。个串联支路上的导体数个串联支路上的导体数 /2Na电枢的全部导体数：电枢的全部导体数：N输出电流输出电流Ia： Ia=2aia第第2章章 直流电机直流电机 NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12 1 A1 B1

28、A2 B2n磁极中心线磁极中心线 电刷的实际位置电刷的实际位置电刷的中心线对着磁电刷的中心线对着磁极的中心线，电刷放极的中心线，电刷放在主磁极的最下方。在主磁极的最下方。 电刷的绘图位置电刷的绘图位置电刷放在几何电刷放在几何中心线位置中心线位置。 几何中心线几何中心线 原因原因代表换向的分界点。代表换向的分界点。 第第2章章 直流电机直流电机 几何几何中性线中性线 A1A2B1B23 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12第第2章章 直流电机直流电机 电机装配图电机装配图第第2章章 直流电机直流电机 发电机的发电机的 UN ：指输出电压

29、的额定值。：指输出电压的额定值。 电动机的电动机的 UN ：指输入电压的额定值。：指输入电压的额定值。 发电机的发电机的 IN ：指输出电流的额定值。：指输出电流的额定值。 电动机的电动机的 IN ：指输入电流的额定值。：指输入电流的额定值。 发电机的发电机的 PN ：指输出电功率的额定值：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值：指输出机械功率的额定值(UN INN ) 。 1.3.4直流电机铭牌直流电机铭牌第第2章章 直流电机直流电机 额定状态额定状态 ： 指指 U、I、P、n 均为额定值的状态。均为额定值的状态。 满载状态满载状态 ： 指

30、指 I = IN 的状态。的状态。第第2章章 直流电机直流电机 表表11 直流电动机的铭牌直流电动机的铭牌直流电动机直流电动机型号型号Z395产品编号产品编号7001结构类型结构类型励磁方式励磁方式他励他励功率功率30kW励磁电压励磁电压220V电压电压220V工作方式工作方式连续连续电流电流160.5A绝缘等级绝缘等级定子定子B转子转子B转速转速750r/min重量重量685kg标准编号标准编号JB110468出厂日期出厂日期 年年 月月第第2章章 直流电机直流电机 【例例11 】一台一台Z2型直流发电机，型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/m，PN=145kW， N90，求该发

31、电机的额定电流和额定输入功率求该发电机的额定电流和额定输入功率【例例12 】一台直流电动机，一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW， N84，求该电动机的额定电流和额定输入功率求该电动机的额定电流和额定输入功率第第2章章 直流电机直流电机 1.3.5直流电机主要系列直流电机主要系列Z，ZF，ZD系列系列Z4，ZO2系列系列ZJF，ZJD系列系列ZJF，ZJD系列系列S，SZ，SY系列系列ZCF，CYD，ZYS和和CY系列系列第第2章章 直流电机直流电机 lHdlI安培环路定律（全电流定律）安培环路定律（全电流定律） 在磁场中，磁场强度在磁场中，磁场强度H(magnetic field density)沿沿任意闭合回路任意闭合回路 l 的线积分，等于该闭合的线积分，等于该闭合回路所包围的回路所包围的所有电流的代数和。所有电流的代数和。对于通电螺线管，磁场是对于通电螺线管，磁场是均匀的，磁场强度