电机6-2直流电机的工作原理和基本结构(qing)

1、第二篇第二篇 直直 流流 电电 机机第六章第六章 直流电机的用途、工作原理与结构直流电机的用途、工作原理与结构 直流电机分为电动机和发电机。 直流发电机直流发电机 用于大型同步发电机的励磁电源励磁电源。 化学工业中的电镀、电解电镀、电解 直流发电直流发电（ 容量可比交流发电提高30） 直流电动机直流电动机 起动性能好起动性能好，用于电力机车、重型机械。 调速性能好调速性能好，高精度、高性能电力拖动， 如驱动轧钢机，可以实现无级调速。 6-2 6-2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 电动机原理电动机原理 直流电动机用来拖动生产机械，如拖动电力机车、吊车、机床等。输入电功率输入电功率输出机械

2、功率输出机械功率 电流、电压电流、电压电磁转矩电磁转矩怎样使一台直流电机通电后能转动并输出机械功率？先复习皮奥先复习皮奥萨伐萨伐拉普拉斯定律拉普拉斯定律。 若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力：f=BIL (N)N NB B S f if 电磁力，可使导体运动， 用左手定则确定B磁场的磁感应强度(wb/m2) i通电导体的电流（A）L导体的有效长度（m） 图1. 载流导体在磁场内受到电磁力电磁力 怎样利用皮奥怎样利用皮奥萨伐定律制作一台直流萨伐定律制作一台直流电动机？或怎样使一台电动机运转？电动机？或怎样使一台电动机运转？图图1 电机简单结构（剖面图）电机简单结构（剖面图）磁极固定，

3、电枢可磁极固定，电枢可以转动。以转动。 磁极 NS电枢磁轭.图图2 轴向看电机轴向看电机NS轴轴生生产产机机械械电枢槽中嵌入的线圈图 3 轴向看电枢电动机转动条件：电动机转动条件：B 磁极和励磁电流（或永久磁铁）；i 电枢开槽嵌入线圈，而且线圈通入电流；L 线圈有效长度。L L图 4 线圈 请判断下图说明电枢是否在摆动？为什么？请判断下图说明电枢是否在摆动？为什么？NSabcdcdf f逆时针转动cdNSab顺时针转动 上图说明线圈中的电流不变，则出现电枢来回上图说明线圈中的电流不变，则出现电枢来回摆动的现象。摆动的现象。 a abcd图 5 线圈中的两个导体必须线圈中的两个导体必须“随机应变

4、随机应变”。 NSabcdcdcdNSab 电枢转动时，线圈两导体在电枢转动时，线圈两导体在N N极和极和S S极下电流应该方向不同。极下电流应该方向不同。 换句话换句话 说，说， N N极下无论对应哪极下无论对应哪一个根导体，其方向是正向电流；一个根导体，其方向是正向电流；S S极下对应导体电流方向为反向。极下对应导体电流方向为反向。 图 8 电枢、线圈与换向片的关系示意图 怎样使线圈中的导体“随机应变随机应变”？ 换向器中的电刷固定换向器中的电刷固定 ，正电刷，正电刷 A与与N极对应，极对应，负电刷负电刷B与与S极对应。极对应。 使用换向器，换向器中的使用换向器，换向器中的 换向片随电枢同

5、步换向片随电枢同步转动，而且与线圈焊接。转动，而且与线圈焊接。NS+ - A B B -B+A NS 1 2 3 4 VV注意：注意：A A正向电刷位置对应正向电刷位置对应N N磁极；磁极；B B负向电刷位置对应负向电刷位置对应S S磁极。磁极。电刷与磁极相对静止。电刷与磁极相对静止。图 9 换向器外观图图10 电流换向A X NSA 1 2+B-A X NS1 2-+ AB vINSnAB + - 电动机正常工作需要一个换向器。电动机正常工作需要一个换向器。 换向器由互相绝缘的铜质换向器由互相绝缘的铜质换向片换向片构成，与构成，与固定不动的电刷滑动接触。固定不动的电刷滑动接触。换向器的作用：

6、换向器的作用： 使电机能连续的转动。使电机能连续的转动。 使转动的电枢绕组与静止的电源滑动接触。使转动的电枢绕组与静止的电源滑动接触。 直流电动机工作原理：直流电动机工作原理： 励磁在电机中产生磁场，由换励磁在电机中产生磁场，由换向器配合电刷向电动机输入电功率，向器配合电刷向电动机输入电功率，使电枢绕组通电，在磁场作用下产使电枢绕组通电，在磁场作用下产生电磁转矩，输出机械功率。生电磁转矩，输出机械功率。 磁极、励磁绕组（静止）磁极、励磁绕组（静止）直流电机结构直流电机结构 电枢、电枢绕组（可转动）电枢、电枢绕组（可转动） 电刷（静止电刷（静止） 换向器（可转动）换向器（可转动）U U电枢电流电

7、枢电流I Ia a励磁电流励磁电流I If f 发电机工作原理发电机工作原理 输入机械功率输入机械功率 输出电功率输出电功率 原动机拖原动机拖动电枢转动电枢转动动 E = BLVBLV（感应电动势（感应电动势) )换向器在直流发电机中的作用：使交变感应电动势变为直流电动势。 由于电刷仅接触同一磁极下的导体，所以导体虽然在N、S极下感应电动势方向不同，但一经电刷就变为方向不变的直流电动势。ANSX n n图 11 右手判断感应电动势I II If f Ea+-A A电刷与电刷与N N磁极下导线接触，磁极下导线接触，B B电刷与电刷与S S磁极下导线接触。磁极下导线接触。 问问：输出的是直流电还是

8、输出的是直流电还是交流？交流？NSAB+ - 答答：直流直流直流发电机工作原理直流发电机工作原理： 靠换向器配合电刷产生换向作用，靠换向器配合电刷产生换向作用，把电枢中感应产生的把电枢中感应产生的交变交变电动势从电电动势从电刷端引出，变成刷端引出，变成直流直流电动势电动势。输入机输入机械功率械功率 发电机发电机原原动动机机换向器换向器E Ea a=BLV=BLV输出电功率输出电功率电电 负负 载载图18 发电机换向器作用示意图直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 在电动机中将电刷上所通过的直流在电动机中将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。电流转换为绕组内的交变电流。 在直流发电

9、机中将电枢线圈的交流在直流发电机中将电枢线圈的交流电动势转换成电刷间的直流电动势；电动势转换成电刷间的直流电动势；换向器的作用换向器的作用：动动生产机械生产机械（被拖动的负载）（被拖动的负载）输出机输出机械功率械功率 电动电动机机换向器换向器nf = BiLf = BiL 图图 17 电动机换向器作用示意图电动机换向器作用示意图输入电输入电功率功率静静I 同一台电机，能作电动机或发电同一台电机，能作电动机或发电机运行的原理，称为可逆原理。机运行的原理，称为可逆原理。2、为什么叫直流发电机，直流电动机？为什么叫直流发电机，直流电动机？1、发电机与电动机结构是否相同？、发电机与电动机结构是否相同？

10、3、电机被原动机拖动，励磁供电产生磁电机被原动机拖动，励磁供电产生磁 场，电场，电 机将处什么工作状态？机将处什么工作状态？ 答：发电机状态（答：发电机状态（E = BVLE = BVL）4、电枢输入直流电，励磁供电产生磁场，电枢输入直流电，励磁供电产生磁场， 电电 机何状态？机何状态？答：电动机状态答：电动机状态 (f = BiL(f = BiL) ) ？6-3 6-3 直流电机的基本结构直流电机的基本结构静静止止部部分分主磁极主磁极机座机座 端盖端盖 轴承轴承 电刷装置电刷装置转转动动部部分分电枢铁芯电枢铁芯电枢绕组电枢绕组 换向器换向器风扇风扇 转轴转轴 励磁绕组励磁绕组 轴的作用？轴的

11、作用？ 固定电枢，又可使电枢随轴旋转。 电枢的作用？电枢的作用？ 电枢槽中可嵌入线圈的导体，可作为磁路 的一部分。 端盖端盖：可支承轴。：可支承轴。 轴承轴承： 套在端盖中，使轴与端盖之间滚动摩擦 ， 可减少摩擦，避免磨损、发热、烧坏轴承。6-3 6-3 直流电机的基本结构直流电机的基本结构轴承结构 外环，嵌入端盖静止内环，与轴相联，随轴转动滚子，内外环滚动摩擦，减小摩擦 换向器及电刷：换向器及电刷： 发电机: 输出电枢直流电动势。 电动机: 使电机连续转动， 输入电枢直流电流。 机座机座：固定端盖、磁极，是一部分磁路，有底脚 将整个电机固定与基础上。 磁极磁极：固定于机座上，N、S交替，磁极

12、上绕励磁 线圈，是电磁机构中产生磁的重要部分。极靴作用极靴作用：卡住卡住 励磁绕组，使主励磁绕组，使主 磁通在气隙中分磁通在气隙中分 布合理。布合理。一、主磁极一、主磁极思考思考： 主磁极为何用冲片叠装主磁极为何用冲片叠装 极靴有何作用极靴有何作用主磁极作用主磁极作用：产生气隙磁场，并使电枢表面的产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度气隙磁通密度B B按方波沿空间分布按方波沿空间分布。 机座极身极靴励磁绕组图13 主磁极结构图14 主磁极叠片有极靴气隙磁通分布合理无极靴气隙磁通分布不合理NNSS无磁场区域大 主磁通交变产生铁耗，为减少铁耗，采用叠主磁通交变产生铁耗，为减少铁耗，采用叠片结构。

13、铁芯用片结构。铁芯用0.50.5 1.5mm1.5mm的钢板冲片叠压紧，然的钢板冲片叠压紧，然后再套上励磁绕组。后再套上励磁绕组。 主磁极铁芯主磁极铁芯NSSN1、磁极磁极表面对应电枢齿槽，齿槽表面对应电枢齿槽，齿槽单复数不同，磁极表面对应槽时气单复数不同，磁极表面对应槽时气隙大，磁通隙大，磁通小；小； 磁极对应齿时磁极对应齿时气气隙小隙小 ，磁通，磁通大。大。电枢移动时，电枢移动时，脉振，产生少许铁耗。脉振，产生少许铁耗。磁通交变的原因：磁通交变的原因： NS v v2、电枢电枢旋转经过旋转经过N、S极，如右图极，如右图所示，电枢中有交变磁通。所示，电枢中有交变磁通。S N 绕制好的励磁绕组

14、套在铁芯外绕制好的励磁绕组套在铁芯外 励磁绕组励磁绕组 可用圆截面或矩形截面的绝缘导线绕在绕组可用圆截面或矩形截面的绝缘导线绕在绕组框架上，经浸胶（漆）及烘干后一起套入主磁极框架上，经浸胶（漆）及烘干后一起套入主磁极铁芯。各主极上的励磁绕组彼此间用串联方式连铁芯。各主极上的励磁绕组彼此间用串联方式连接，保证各磁极电流相等。线圈绕向不同，使磁接，保证各磁极电流相等。线圈绕向不同，使磁极极 N N、S S交替。交替。 机座固定主极及端盖，借助底脚将整机座固定主极及端盖，借助底脚将整个电机固定于基础上个电机固定于基础上 ， 也作为磁轭构成也作为磁轭构成一部分磁路（定子磁轭）。一部分磁路（定子磁轭）。

15、 由铸钢或钢板焊接而成，使具有良好由铸钢或钢板焊接而成，使具有良好的导磁性能和机械性能。的导磁性能和机械性能。二二 、机座、机座 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座（摇电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座（摇环）组成。环）组成。 电刷（石墨）放在刷握上的刷盒内，用弹簧电刷（石墨）放在刷握上的刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上，而刷握固定在刷杆上，刷将它压紧在换向器上，而刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上（不止一个电刷），必须绝缘。杆装在刷杆座上（不止一个电刷），必须绝缘。 刷杆座可转动，调节好与换向器的对应接触刷杆座可转动，调节好与换向器的对应接触位置后，固定在端盖或机座上。位置后，固定在端盖或机

16、座上。 铜丝辫是外部电源与电刷的连接线。铜丝辫是外部电源与电刷的连接线。三三 、电刷装置、电刷装置 四、电枢铁芯四、电枢铁芯 由电枢铁心和主磁场间的相对运动，导致铁耗，由电枢铁心和主磁场间的相对运动，导致铁耗，电枢铁芯由电枢铁芯由0.50.5mmmm厚的电工硅钢片冲叠，每张冲片厚的电工硅钢片冲叠，每张冲片有嵌放绕组的槽。有嵌放绕组的槽。 电枢铁芯固定在转子支架上或直接固定在转轴电枢铁芯固定在转子支架上或直接固定在转轴上。上。 电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成。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它是直流电机的主要电路部分电路部分。 电动机通电流产生电磁转矩，发电

17、机感应产生电动机通电流产生电磁转矩，发电机感应产生电动势都在电枢绕组中，它是实现机电能量转换的电动势都在电枢绕组中，它是实现机电能量转换的关键部件关键部件。 槽楔导体（线圈）层间绝缘槽底绝缘槽绝缘图 16 电枢槽横截面 线圈伸出槽外的端接部分，线圈伸出槽外的端接部分，用非磁性钢丝或玻璃丝带紧，用非磁性钢丝或玻璃丝带紧，防止离心力将绕组甩出槽内。防止离心力将绕组甩出槽内。 槽楔把绕组压槽楔把绕组压紧在槽内，防止离紧在槽内，防止离心力将绕组甩出槽心力将绕组甩出槽内。内。电刷 1 2槽内部分换向片五、换向器五、换向器 换向器与电枢首尾相连，随轴转动。换向器与电枢首尾相连，随轴转动。换向器由换向片组成

18、，电枢中每个线圈两换向器由换向片组成，电枢中每个线圈两端分别焊接在两个换向片上。端分别焊接在两个换向片上。 换向器的作用是与电刷装置相配合，换向器的作用是与电刷装置相配合，使电枢线圈中的交流电动势转换成电刷间使电枢线圈中的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。它是直流电机中最重要的的直流电动势。它是直流电机中最重要的部件之一，也是最薄弱的环节。部件之一，也是最薄弱的环节。 换向片之间用换向片之间用0.40.4 1.2mm1.2mm的云母片绝缘，的云母片绝缘，换向片嵌入换向片嵌入V V形套筒，形套筒，V V形套筒又套在轴上，形套筒又套在轴上，与电枢同轴转动（相对静止）。与电枢同轴转动（相对静止）。

19、 换向片侧面换向片侧面V形正好可以嵌入具有形正好可以嵌入具有V形槽的套筒中。形槽的套筒中。 问：问：20个线圈需要多少换向片？个线圈需要多少换向片？ 换向器随轴与电枢同步转动，与固定换向器随轴与电枢同步转动，与固定的电刷滑动接触，相当于电枢线圈与电刷的电刷滑动接触，相当于电枢线圈与电刷接触或电源、负载与线圈接触。接触或电源、负载与线圈接触。答答： 20片合成一圆柱体，这个整体称为片合成一圆柱体，这个整体称为换向器，它套在轴上，电枢也套在轴上，换向器，它套在轴上，电枢也套在轴上，轴转动，换向器与轴同步转动。轴转动，换向器与轴同步转动。 直流电机按励磁方式的分类直流电机按励磁方式的分类1 1、他励

20、、他励（电机需要两套电源）（电机需要两套电源） 他励式的励磁绕组由另外一个他励式的励磁绕组由另外一个电源供电励磁。电源供电励磁。 永磁式直流电机因其主磁场由永磁式直流电机因其主磁场由永久磁铁建立，属于他励式。永久磁铁建立，属于他励式。 各种直流电机采用不同励磁各种直流电机采用不同励磁方式时，它们的运行性能差别很方式时，它们的运行性能差别很大，所以通常按励磁方式分类直大，所以通常按励磁方式分类直流电机。流电机。+-UE-I If fU Uf f图19 他励式+- 直流电机按励磁方式的分类直流电机按励磁方式的分类 2、自励式（电机只需一个电源）、自励式（电机只需一个电源） 励磁绕组与电枢绕组按一定

21、的关系相连接，励磁绕组与电枢绕组按一定的关系相连接，对直流电动机而言励磁绕组和电枢绕组由同一对直流电动机而言励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电；电源供电； 并并 励励 串串 励励 复复 励励按励磁绕组与电枢绕组的连接方式分为：按励磁绕组与电枢绕组的连接方式分为：电动机电流关系电动机电流关系： I = Ia + If发电机电流关系发电机电流关系： Ia= I + If 自励式自励式 并励并励图 20 并励直流电机+-I If f（励磁电流）UE-+I Ia aI 对发电机而言，励磁电流由该电机对发电机而言，励磁电流由该电机电枢供电。电枢供电。 I Ia a= I = I= I = If f 串励电机电流关系：串励电机电流关系：图 21 串励直流电机+-E-+UI 串励串励图 21 复励直流电机EF1F2长复励EF1F2短复励 复励复励 有两套励磁绕组，一个与电枢绕组有两套励磁绕组，一个与电枢绕组 并联，另一个与电枢绕组串联。并联，另一个与电枢绕组串联。 当产生的磁动当产生的磁动势势F1和和F2方向相同方向相同时是时是积积复励；复励； 方向相反