第六篇 直流电机1课件

1、第二十章直流电机的基本工作原理和基本结构第二十章直流电机的基本工作原理和基本结构第六篇第六篇 直流电机直流电机1.掌握直流电机的基本工作原理2.了解直流电机的的基本结构3.了解直流电机的额定值本章基本要求直流电机的基本工作原理和基本结构概述直流电机的基本工作原理直流电机的基本结构直流电机的型号和额定值主要内容直流电机的基本工作原理和基本结构20.1 概述直流电机的基本工作原理和基本结构u直流电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机械能与直流电能转换的机器u分类：直流电机直流发电机：直流电动机：机械能电能电能机械能u用途：直流发电机：电源 励磁机 信号传递测速发电机 20.1 概述直流电机的基本

2、工作原理和基本结构u用途：直流电动机：动力用-直流电动机 信号传递直流伺服电动机 u优点：直流发电机：波形平滑性好，电磁干扰小直流电动机： 调速范围宽，平滑性好； 起动、过载、制动转矩大； 易于控制，可靠性高； 调速时能量损耗小，经济，系统成本低。20.1 概述直流电机的基本工作原理和基本结构u缺点：u应用实例：直流发电机：直流电动机的电源、同步机的励磁、电镀、电解、电冶炼等的直流电源直流电动机： 给粉系统、卷扬机、大型机床、电力机车、电车、电气机车牵引、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、轧钢机、船舶推进等成本高、结构和工艺复杂、维修困难、安全可靠性差。 u发展趋势：直流发电机逐步被电力电子整流

3、电源所取代；直流电动机逐步被交流电动机所取代；20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构一、直流发电机的工作原理20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构一、直流发电机的工作原理通过换向片，电刷A总与位于N极下的导体相连，极性为正。电刷B总与位于S极下的导体相连，极性为负20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构一、直流发电机的工作原理l线圈中的电动势和电流均为交流xxeB lvBl通过换向片，电刷固定接于某一磁极下的导体l换向器将电枢绕组中的交流电转化为电刷两端的直流电，这种作用称为“整流”20.2 直流电机的基本工作原理直流

4、电机的基本工作原理和基本结构一、直流发电机的工作原理增加导体可减小感应电动势的脉动。增加导体可减小感应电动势的脉动。当有足够多的线圈和换向片时，可当有足够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电势。当每极下导体获得稳定直流电势。当每极下导体数大于数大于8时，脉动可小于时，脉动可小于1%。20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构一、直流发电机的工作原理n结论：结论：1）电枢绕组内电势、电流为交流电；）电枢绕组内电势、电流为交流电；2）电刷间为直流电势。绕组中感应电势与电流方向一致；）电刷间为直流电势。绕组中感应电势与电流方向一致；3）电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场

5、；）电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；4）产生的电磁转矩与转子转向相反，）产生的电磁转矩与转子转向相反， 为制动性质；为制动性质；5）原动机克服电磁制动转矩作功，将机械能转换为电能。）原动机克服电磁制动转矩作功，将机械能转换为电能。20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构二、直流电动机的工作原理在直流电动机中，虽然外加电源为直流，但通过换向器的作用，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。即线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。 xfB li20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基

6、本结构二、直流电动机的工作原理20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构二、直流电动机的工作原理20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构n结论：结论：1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流， 电枢绕组内电流是交流；电枢绕组内电流是交流；2）电枢绕组中感应电势与电流方向相反；）电枢绕组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。 电枢电流产生的磁电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；场在空间上是恒定不变的；4）产生的电磁转矩与转子转向相同，）产生的电磁转矩与转子转向相同， 为驱动性质；为

7、驱动性质；5）电磁转矩克服负载转矩作功，将电能转换为机械能。）电磁转矩克服负载转矩作功，将电能转换为机械能。二、直流电动机的工作原理20.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理和基本结构三、直流电机的可逆原理n同一台直流电机， 通过改变外界条件，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。在电机理论中称为可逆原理。 n如果用原动机拖动电枢旋转，可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电，此为发电机运行。n如果在电刷端外加直流电压，则可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能，此为电动机运行。20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构主要由定子、转子两

8、部分组成直流电机定子转子电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组机座换向极主磁极电刷装置端盖主极铁心励磁绕组刷杆 电刷 刷握刷杆座(产生励磁磁场)(产生电动势，流过电流，产生电磁转矩)风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构NSNS20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构21 n N极和S极成对出现且沿圆周均匀交替分布； n 极对数：N极或S极的个数，通常用 p 表示； n 极数：

9、主磁极的个数，等于 2p 。p=2 即即4极电机极电机20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构23 一、主磁极l作用：产生主磁场 l构成：主极铁心：11.5mm厚的钢板 励磁绕组：用绝缘铜线构成 主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）主磁极由钢板冲片叠压而成励磁绕组套在主磁极极身上20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构24 一、主磁极20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构25 二、换向极（附加极）l作用：改善换向l构成：铁心：整块钢或钢板 绕组：和电枢绕组串联l位置：两个主磁

10、极的中心线上几何中心线l个数：一般和主极个数一样。也有是主极个数的一半。20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构26 三、机座l作用：固定主磁极、换向极和端盖等 主磁路的一部分（磁轭） l构成：铸钢或厚钢板焊接四、电枢铁心l作用：主磁路 安放电枢绕组 l构成：硅钢片迭成 电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚) （硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构27 五、电枢绕组六、换向器l作用：将线圈里的交流电势变为电刷端的直流电势。或把外加的直流电流变为线圈中的交流电流。 l构成：铜片组成，用云母绝缘l作用：感应电动势和通

11、过电流，实现能量转换l构成：按一定规律连接的绝缘铜线构成20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构28 换向器换向器20.3 直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理和基本结构29 七、电刷装置l作用：保持和换向器的滑动接触，与换向器配合，将线圈中的交流电势变为电刷上的直流电势l构成：电刷、刷握、刷杆、刷杆座l个数：与磁极个数相同。 20.4 直流电机的型号和额定值直流电机的基本工作原理和基本结构一、直流电机的型号（Z）型号表明电机的系列及主要特点。知道了电机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。 20.4 直流电机的型号和额定值直流电机的基本工作原理和基本

12、结构一、直流电机的型号（Z）20.4 直流电机的型号和额定值直流电机的基本工作原理和基本结构二、直流电机的额定值1额定功率PN （W或kW）：电机在额定运行时的输出功率。 发电机：电刷间输出的电功率。 PNUNIN 电动机：轴上输出的机械功率。 PNUNINN 2额定电压UN （V）：额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。 3额定电流IN （A）：额定电压和额定功率时允许电机长期输入（电动机）或输出（发电机）的线端电流。20.4 直流电机的型号和额定值直流电机的基本工作原理和基本结构二、直流电机的额定值3额定电流IN （A） 直流发电机：I N P N 103/ UN A

13、 直流电动机：I N P N 103/(UN N ) A4额定转速nN （rmin）：在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转子转速。5额定效率N ：直流电动机额定输出功率与电动机额定输人功率比值的百分数。20.4 直流电机的型号和额定值直流电机的基本工作原理和基本结构 例题：直流电机，PN=15kW，UN=380V，效率=0.85，求：发电机和电动机时的额定电流。第二十一章直流电机的电枢绕组第二十一章直流电机的电枢绕组第二十二章直流电机的磁场第二十二章直流电机的磁场第六篇第六篇 直流电机直流电机1.了解直流电机电枢绕组的构成及其连接2.掌握直流电机电枢绕组的特点3.了解直流电机的磁路

14、4.理解直流电机的磁动势和磁场本章基本要求直流电机的电枢绕组（一）直流电机电枢绕组的一般知识单叠绕组单波绕组直流电机的磁动势和磁场主要内容直流电机的电枢绕组（一）21.1 直流电机电枢绕组的一般知识u作用：电枢绕组是直流电机的关键部件之一，构成直流电机的电路部分，在机电能量转换中起着重要的作用，运行时电枢绕组产生电动势，流过电流并产生电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。u电枢绕组的基本要求：直流电机的电枢绕组（一）(1)能产生尽可能大的电动势，并有良好的波形。(2)能通过足够大的电流，以产生并承受所需的电磁力和电磁转矩。(3)节省材料（有色金属和绝缘材料），结构简单，连接可靠。(4)便于维护和

15、检修。(5)对直流电机，应保证换向良好。21.1 直流电机电枢绕组的一般知识u分类u特点：闭合绕组直流电机的电枢绕组（一）(1)叠绕组：单叠和复叠绕组。(2)波绕组：单波和复波绕组。(3)蛙绕组：叠绕和波绕混合的绕组。u电枢绕组的演变环形电枢绕组鼓形电枢绕组eeeeeeeeeeeeee21.1 直流电机电枢 绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）u电枢绕组的演变环形电枢绕组只有一半的导体产生感应电动势，导体利用率低。环形绕组2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e21.1 直流电机电枢 绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）u电枢绕组的演变鼓形电枢绕组线

16、圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中,两边都能切割磁场而产生感应电势。 鼓形绕组21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）NS电枢绕组展开图AB+_21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）一、叠绕组和波绕组元件：构成绕组的线圈。电枢绕组的基本单元，单匝和多匝21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）一、叠绕组和波绕组双层绕组1）每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。2）一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，一个槽里总有上下层线圈边。3）线圈的两个元件处于不同极性的极面下，

17、线圈的跨距约等于一个极距，两个电势相加。21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）一、叠绕组和波绕组叠绕组：一个元件的两出线端接在两相邻换向片上（单叠绕组），或相隔数片的换向片上（复叠绕组）。折叠式前进波绕组叠绕组波绕组：一个元件的两出线接在相隔约两个极距的换向片上，绕它一周后回到与起始片相邻的换向片上（单波绕组），或相隔数片的换向片上（复波绕组）。波浪式前进21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）二、实槽和虚槽为改善电机的性能，希望用更多的元件组成电枢绕组。由于工艺等原因，电枢铁心不能开太多的槽，故在每槽的上下层各放置若干元件边。若每一实槽中一层并排放置

18、u排元件边，则一个实槽可以看成u个“虚槽”，每一个虚槽的上、下层各有一个元件边。eZuZ=实槽与虚槽 u=321.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）二、实槽和虚槽每一元件有两个边； 每一换向片上接两个边； 每一虚槽内放置有两个边； 元件数S等于换向片数K，等于虚槽数 每线圈有Nc匝，则总导体数为N 22cceNuN ZN Z=eSKZ=21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）三、节距第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 极距 ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。2eZp=2Dpp=12eZype=m整数e为凑整分数111整距绕组 短

19、距绕组 长距绕组 短距绕组端部接线短、省铜，且利于换向，故常用第一节距y1换向器节距yk：每元件的两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示。 yK y21.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的电枢绕组（一）三、节距第二节距y2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。合成节距y第二节距y2换向器节距yk合成节距y：连接同一换向片的两个元件的对应边在电枢表面的跨距。 y y1 y221.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）l元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边

20、相邻的第二个槽内。l相邻元件(线圈)相互叠压,后一元件的端部紧叠在前一元件的端部（叠）；首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度，合成节距与换向节距均为1（单），即 yK y1l槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）单叠绕组元件 右行 左行 l单叠左行绕组和单叠右行绕组21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）l举例： 2p4， u=1，Z Z eSK16，单叠右行整距绕组一、 节距计算yyk1节距计算 y, y1, y2画绕组展开图安放电刷和磁极e12116042221 43Zypyyye=mm展开图展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间

21、的相对位置关系21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）1单叠绕组展开图单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615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NSNSA+B+21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）单叠绕组展开图单叠绕组展开图1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSA+B+21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）单叠绕组展开图单叠绕组展开图21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）21.2 单叠绕组直流电

22、机的电枢绕组（一）l极轴线：磁极的中心线l磁极的放置：磁极宽度约为 ,均匀分布，N、S极交替排列0.7l几何中性线：相邻两个主磁极之间的中心线l电刷的放置原则空载时，正、负电刷间的电动势最大；被电刷短路的元件的感应电动势最小或等于零。l换向器的几何中性线：线圈轴线与主磁极轴线重合时，该线圈所接两换向片的分界线l电刷的位置：换向器的几何中性线，简称几何中性线21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）l同一极下导体电流方向相同（同一槽中上下层边不属于同一线圈，但电流的方向一致）；N、S极下导体电流方向相反。l直流电机示意图21.2 单叠绕组直流电机的电枢绕组（一）l电路图21.2 单叠绕组直流电机

23、的电枢绕组（一）l 单叠绕组的特点（1）元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上；（2）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。2a=2p（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷数等于主磁极数； （5）电刷位置应使感应电动势最大，正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压； Ea=ea（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia（式中 ia为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。 21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）l首末端所连的两换向片相隔很远，

24、 两个元件串联后形似波浪。l两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。l合成节距与换向节距相等yK y1kkyyp=m整数1kp yk =m21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）l单波左行绕组和单波右行绕组单波绕组元件 右行 K1Kyyp左行K1Kyyp右行21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）l举例： 2p4， u=1，Z Z eSK15，左行短距单波绕组一、 节距计算节距计算 y, y1, y2画绕组展开图安放电刷和磁极11533 (244eZype=-=-=短距)11517()2kKyyp-=左行

25、21734yyy=-=-=21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）l元件、换向片的放置：1元件上层边1槽，下层边4槽;首末端所连的换向片相距yk7；为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。 1元件上层边所连的换向片定为1。 依次联接。 l磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。l电刷的放置：放在与主磁极轴线重合的换向片上。即几何中心线上。 21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）单波绕组展开图3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN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21.3 单波绕

26、组直流电机的电枢绕组（一）单波绕组展开图单波绕组展开图21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）单波绕组元件连接顺序图从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：1815 714 6 13 5 124 11 310 2914 11 310 2918 15 7 14 6 13 5 12上层边下层边21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）l电路图21.3 单波绕组直流电机的电枢绕组（一）l单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为

27、1，即a1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷，即电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；5）电枢电流等于两条支路电流之和。即Ia=2ia4）电枢电动势等于支路感应电动势；因只有两条支路，元件一定时，可得到较高的电压；直流电机的电枢绕组（一）单叠绕组和单波绕组的主要区别l单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数，每增加一对主极就增加一对支路。 2a2p。相同元件数时，叠绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，称并联绕组，适应于较大电流、较低电压的

28、电机。 l单波绕组：全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路，即N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2 ， 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2。相同元件数时，波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数多，称串联绕组，适用于较高电压、较小电流的电机。l大容量的电机，可以采用混合绕组。直流电机的电枢绕组（一）NNSS叠绕组波绕组单叠绕组和单波绕组的主要区别直流电机的电枢绕组（一）直流电机绕组归纳l直流电机的电枢绕组总是自成闭路;l电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶数；且至少有2条并联支路； 单叠绕

29、组：a = p即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组：a = 1即并联支路对数恒等于1l电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。 l对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。22.1 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁场一、空载时的主磁场1、主磁通和漏磁通u磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 u主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。u空载时电机中的磁场分布是对称的。0ffIFsF -FF - 主磁通，经气隙进入电枢主极漏磁通(15-25%) 0,不进入电枢，只增加磁极的饱和程度

30、22.1 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁场一、空载时的主磁场主磁通磁路：气隙1电枢齿电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1 气隙122.1 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁场一、空载时的主磁场22.1 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁场一、空载时的主磁场直流电机空载时的磁场分布22.1 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁场一、空载时的主磁场2、气隙主极磁场的分布在一个磁极的范围内，励磁磁势大小相同，主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为平顶波，22.1 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁场二、电枢磁动势和磁场 空载时主磁极磁通的分布2、气隙主极磁场的分布22.1 直流电机的磁动势和磁场直