第五篇_直流电机

1、Electrical Machinery 本章节基本要求：本章节基本要求：理解直流电机的基本原理；理解直流电机的基本原理；掌握直流电机的基本结构；掌握直流电机的基本结构；理解直流电机的铭牌数据的含义；理解直流电机的铭牌数据的含义；4.4.掌握直流电机的励磁方式。掌握直流电机的励磁方式。本章节重点和难点：本章节重点和难点：重点重点: :直流电机的基本原理和基本结构；直流电机的额定值；直直流电机的基本原理和基本结构；直流电机的额定值；直流电机的励磁方式。流电机的励磁方式。难点难点: :直流电机的基本原理和励磁方式。直流电机的基本原理和励磁方式。 直流电机是电机的主要类型之一。它是通以直流电流的旋转

2、直流电机是电机的主要类型之一。它是通以直流电流的旋转电机，是电能和机械能相互转换的设备。电机，是电能和机械能相互转换的设备。将机械能转换为电能的将机械能转换为电能的是直流发电机是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机将电能转换为机械能的是直流电动机。按旋转电。按旋转电机的可逆性原理，用作电动机使用时，由于其具有良好的调速性机的可逆性原理，用作电动机使用时，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。 作电源用作电源用: :发电机；发电机； 作动力用作动力用: :电动机；电动机；信号的传递信号的传递: :测速发电机、

3、测速发电机、伺服电机伺服电机 由于直流电机是依靠直流工作电压运行的电机，因此广泛应由于直流电机是依靠直流工作电压运行的电机，因此广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、电动玩具等家用电器中。电动玩具等家用电器中。 此外，直流发电机还可做直流励磁系此外，直流发电机还可做直流励磁系统中的统中的励磁机励磁机用，一般小于用，一般小于1010万万kWkW即即100MW100MW的单机同步发电机要用直流发电机的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。作为励磁机。 二、直流电机的优缺点二、直流电机的优缺点 1.1.直流发电机的直流

4、发电机的电势波电势波形较好，受形较好，受电磁干扰电磁干扰的影响小；的影响小；2.2.直流电动机的直流电动机的调速范围调速范围宽广，调速特性宽广，调速特性平滑平滑；3.3.直流电动机易于控制，可靠性较高；直流电动机易于控制，可靠性较高；4.4.直流电动机直流电动机过载能力过载能力较强，较强，起动起动和和制动制动转矩较大；转矩较大；5.5.由于存在换向器、其结构复杂、制造成本高、价格较高和运由于存在换向器、其结构复杂、制造成本高、价格较高和运行维护工作量大。行维护工作量大。 下图为直流发电机的物理模型，下图为直流发电机的物理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可旋转

5、导是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端端a a、d d连接到两个相互绝缘并可随线圈连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向器上。转子线圈与外电一同旋转的换向器上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向器上固定不路的连接是通过放置在换向器上固定不动的电刷进行的。动的电刷进行的。 如图所示，根据法拉弟电磁感应定律可知，原动机拖动直流如图所示，根据法拉弟电磁感应定律可知，原动机拖动直流发电机的电枢，以恒定转速按顺时针方向旋转，当线圈有效边发电机的电枢，以恒定转速按顺时针方向旋转，当

6、线圈有效边abab和和cdcd切割磁力线时，便在其中产生感应电动势，通过换向器和电切割磁力线时，便在其中产生感应电动势，通过换向器和电刷的作用，使线圈产生的交变电动势变为电刷两端方向恒定的电刷的作用，使线圈产生的交变电动势变为电刷两端方向恒定的电动势，保持外电路的电流按一定方向流动。动势，保持外电路的电流按一定方向流动。 一个线圈的直流发电机，电刷间的电动势是脉动电动势，一个线圈的直流发电机，电刷间的电动势是脉动电动势，其电动势波动太大，而实际应用的直流发电机电枢绕组有许多线其电动势波动太大，而实际应用的直流发电机电枢绕组有许多线圈（元件），电枢槽数和换向片也相应增多，可使合成电动势的圈（元件

7、），电枢槽数和换向片也相应增多，可使合成电动势的脉动程度大为减小，以至接近恒定的直流电动势。如下图所示脉动程度大为减小，以至接近恒定的直流电动势。如下图所示: :直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：(1)(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)(2)电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；(3)(3)从空间看，从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；(4)(4)产生的电磁转矩产生的电磁转矩M M与转子转向相反，与转子转向

8、相反， 是制动性质。是制动性质。 如下图所示，是最简单的直流电动机的物理模型，如下图所示，是最简单的直流电动机的物理模型，N N和和S S是一是一对固定的磁极对固定的磁极( (一般是电磁铁，也可以是永久磁铁一般是电磁铁，也可以是永久磁铁) )。磁极之间有。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心电枢铁心。铁心表面固定一个。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈用绝缘导体构成的电枢线圈abcdabcd，线圈的两端分别接到相互绝缘，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个圆弧形铜片上。弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为的两个圆弧形铜片上。弧形铜片称为换向片，它们的

9、组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A A和和，线圈，线圈abcdabcd 通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体叫作枢线圈和换向器构成的整体叫作转子转子或称为或称为电枢电枢。 如图所示，施加在直流电动机的直流电源，借助于换向器和如图所示，施加在直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保了直流电的

10、，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保了直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。 实际的直流电动机，电枢四周上均匀地嵌放许多线圈；相应实际的直流电动机，电枢四周上均匀地嵌放许多线圈；相应地，换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总电磁转矩地，换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。 直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：(1)(1)外施电压、电流是直流，外施电压、电流是直流， 电枢

11、线圈内电流是交流；电枢线圈内电流是交流；(2)(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)(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)(4)产生的电磁转矩产生的电磁转矩M M与转子转向相同，是驱动性质。与转子转向相同，是驱动性质。 从以上分析可知：一台直流电机原则上既可以作为电动机从以上分析可知：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，是取决于外界不同的条件。如果运行，也可以作为发电机运行，是取决于外界不同的条件。如果在电刷端外施直流电压，则电机把电能转变成机械能，作电动机在电刷端外施直流电压，则电机把电能转变成

12、机械能，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，电机就将机械能转运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种同一台电机既能作电动机运换为直流电能，作发电机运行。这种同一台电机既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为行，又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理可逆原理。 旋转电机结构必须有满足电磁和机械两旋转电机结构必须有满足电磁和机械两方面要求方面要求; ;同时旋转电机必须具备同时旋转电机必须具备静止静止和和转动转动两大部分两大部分: :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电枢铁心电枢铁心电枢

13、绕组电枢绕组换向器换向器转轴转轴轴承轴承定子的主要作用是产生磁场和作定子的主要作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。为电机的机械支撑。转子的主要作用是产生电磁转矩和感转子的主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。的枢纽，所以通常又称为电枢。直流电机的内部结构图直流电机的内部结构图直流电机横剖面示意图直流电机横剖面示意图 定子定子主要由主磁极、换向磁极、机座和端盖以及电刷装置等主要由主磁极、换向磁极、机座和端盖以及电刷装置等组成，如图所示。组成，如图所示。 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由

14、主磁极铁心和励主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。主磁极的铁心用磁绕组两部分组成。主磁极的铁心用0.50.51.5mm1.5mm厚的钢板冲片厚的钢板冲片叠压铆紧而成，上面套励磁绕组的部分称为叠压铆紧而成，上面套励磁绕组的部分称为极身极身，下面扩宽的，下面扩宽的部分称为部分称为极靴极靴，极靴宽于极身，既可使气隙中磁场分布比较理，极靴宽于极身，既可使气隙中磁场分布比较理想，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套想，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在极身上，再将整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图所示。在极身上，再将整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图所示。固定螺钉固定

15、螺钉主磁极铁心主磁极铁心机座机座励磁绕组励磁绕组极靴极靴 两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。换向极的作用是换向极的作用是改善电机换向改善电机换向，减小电机运行时电刷与换向器之，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组构成。换间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组构成。换向极铁心一般用整块钢制成。对换向性能要求较高的直流电机，向极铁心一般用整块钢制成。对换向性能要求较高的直流电机，换向极铁心可用换向极铁心可用1 11.5 mm1.5 mm厚的钢板冲制叠压而成。换向极绕组厚的钢板冲制

16、叠压而成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上。整个换向极用螺钉固用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上。整个换向极用螺钉固定于机座上。换向极的数目一般与主磁极相等或减半，如图所示。定于机座上。换向极的数目一般与主磁极相等或减半，如图所示。 在功率很小的直在功率很小的直流电机中，也有不装换流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有串励绕组一样，导线有较大的截面。较大的截面。 电机定子部分的外壳称为机座。电机定子部分的外壳称为机座。

17、机座机座一方面一方面用来固定主磁极、用来固定主磁极、换向极和端盖，并起到整个电机的支撑和固定作用；换向极和端盖，并起到整个电机的支撑和固定作用；另一方面另一方面也也是磁路的一部分，借以构成磁极之间的通路，磁通通过的部分称是磁路的一部分，借以构成磁极之间的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。机座的两端有端盖。中小型电机般为铸钢件或由钢板焊接而成。机座的两端有端盖。中小型电机前后端盖都装有轴承，用于支承转轴。大型电机则采用座式滑动前后端盖都装有轴承，用于支承转轴。大型电机则

18、采用座式滑动轴承。轴承。 电刷装置电刷装置是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。电刷装置由电刷、刷电刷装置由电刷、刷握杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与握杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整

19、，调好以后加以固定，盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定， 如图所示。如图所示。 如图所示如图所示: :电刷一般采用石墨和铜粉压制烧焙而成，它放置电刷一般采用石墨和铜粉压制烧焙而成，它放置在刷握中，由弹簧将其压在换向器的表面上，电刷杆数一般等于在刷握中，由弹簧将其压在换向器的表面上，电刷杆数一般等于主磁极的数目。主磁极的数目。 电刷电刷 电刷的材料大多由石墨制成，为电刷的材料大多由石墨制成，为了增加导电性，还有用含铜石墨制成，了增加导电性，还有用含铜石墨制成，石墨有良好的导电性，质地软而且耐石墨有良好的导电性，质地软而且耐磨。磨。 电刷可以用于直流电机或交流换向器电机，比如通电刷可以用于直

20、流电机或交流换向器电机，比如通用电动工具上，象手电钻和角磨机上，皆用到它。他用电动工具上，象手电钻和角磨机上，皆用到它。他是用来和换向器配合来实现电机电流换向的，电刷是是用来和换向器配合来实现电机电流换向的，电刷是电机（除鼠笼式电动机外）传导电流的滑动接触体。电机（除鼠笼式电动机外）传导电流的滑动接触体。在直流电机中，它还担负着对电枢绕组中感应的交变在直流电机中，它还担负着对电枢绕组中感应的交变电动势，进行换向（整流）的任务。实践证明：电机电动势，进行换向（整流）的任务。实践证明：电机运行的可靠性，在很大程度上决定于电刷的性能。运行的可靠性，在很大程度上决定于电刷的性能。 直流电机的转子主要由

21、电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和直流电机的转子主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和冷却风扇等组成。冷却风扇等组成。电枢铁心冲片电枢铁心冲片 (a) (a) 矩形槽；矩形槽； (b) (b) 梨形槽梨形槽 是主磁通磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕是主磁通磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心用耗，电枢铁心用0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm厚的硅钢片冲制的冲片叠压而成，厚的硅钢片冲制的冲片叠压而成，冲片形状，如图所示。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁冲片形

22、状，如图所示。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 电枢绕组的作用是产生电磁转矩电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转和感应电动势，是直流电机进行能量转换的关键部件。换的关键部件。它由许多线圈按一定规它由许多线圈按一定规律连接而成，线圈用高强度漆包线或玻律连接而成，线圈用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成。不同线圈边分上、璃丝包扁铜线绕成。不同线圈边分上、下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、间以及上、 下两层线圈边之间都必须下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。

23、为防止离心力将线圈边甩出妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图所示。线槽外，槽口用槽楔固定，如图所示。线圈边的端接部分用热固性无纬玻璃带进圈边的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎，以防止离心力将绕组甩出槽外。行绑扎，以防止离心力将绕组甩出槽外。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。组支架上。 在直流电动机中，换向器配以电刷能将外加直流电源转换为在直流电动机中，换向器配以电刷能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷能将电

24、枢线圈中感应产生的交变电动势电机中，换向器配以电刷能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，组成的圆柱体， 换向片之间用云母片绝缘。换向片的紧固通常换向片之间用云母片绝缘。换向片的紧固通常如图所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制形套筒和如图所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制形套筒和形云母环固定，再加螺母锁紧。形云母环固定，再加螺母锁紧。一、直流电机主要系列简介一、直流电机主要系列简介 为了满足各行各业对产品的不同要求，生产厂将产品制成不为了满足各行各业对产品的不同要求

25、，生产厂将产品制成不同型号系列。所谓系列就是指产品的结构和形状基本相似，而某同型号系列。所谓系列就是指产品的结构和形状基本相似，而某种性能参数例如容量则按一定等级递增的一系列产品。对于电机种性能参数例如容量则按一定等级递增的一系列产品。对于电机来说，系列产品的电压、转速、机座号和铁心长度都有一定的等来说，系列产品的电压、转速、机座号和铁心长度都有一定的等级。级。 型号表示电机的类别。例如：型号表示电机的类别。例如：Z2Z212 12 的含义为的含义为 Z Z：直流；：直流；2 2：设计序号；：设计序号；1 1：铁心长度；：铁心长度；2 2：机座号：机座号 (1) (1) Z Z型系列型系列。Z

26、 Z为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风防护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐通风防护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及温度低的场所。蚀及温度低的场所。(2) (2) Z2Z2型系列型系列。是。是Z Z型系列的改进型，也是防护式。调速范围可型系列的改进型，也是防护式。调速范围可达达2 2：1 1，即可超过额定转速的一倍。，即可超过额定转速的一倍。(3) (3) ZOZO型系列型系列。这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气。这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。体的场所。(4) (4) ZDZD

27、型系列型系列。电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力。电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所，如大型机床、卷扬机、起重设备等。的场所，如大型机床、卷扬机、起重设备等。(5) (5) ZQDZQD型系列型系列。是直流牵引电动机，。是直流牵引电动机， 用于牵引车辆。用于牵引车辆。额定容量额定容量P PN N： 输出功率，单位输出功率，单位kWkW额定电压额定电压U UN N：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 V额定电流额定电流I IN N：额定状态下出线端电流，单位：额定状态下出线端电流，单位A A额定转速额定转速n nN N： 额定状态下的电机转速，单位额定

28、状态下的电机转速，单位r/minr/min直流发电机：直流发电机： P PN NU UN N I IN N直流电动机：直流电动机： P PN NU UN N I IN N 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。NNNNNNNnPnPPT55. 96022 电动机轴上输出电动机轴上输出的额定转矩：的额定转矩： 例例1 1 某台直流电动机的额定值为：某台直流电动机的额定值为：PN12kW，UN220V，nN 1500rmin， 892，试求该电动机，试求该电动机额定运行时的输入功率额定运行时的输入功率P1及电流及电流IN。解：额定输入功率解：额定输入功率

29、Nkw)(45.13892.0121NNPP额定电流额定电流 15.61892. 022010121033NNNNUPI 例例2 某台直流发电机额定值为：某台直流发电机额定值为：PN9kW，UN230V，nN 1450rmin，N918，试求该发电机，试求该发电机的额定电流的额定电流IN。 解： 额定电流 )A(04.41323010951033NNNUPI 主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为励磁励磁磁动势磁动势。励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场，。励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场， 又又称为励磁磁场。励磁绕组的

30、供电方式称为励磁方式。称为励磁磁场。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流直流电机按电机按励磁方式的不同可以分为他励直流电机、并励直流电机、励磁方式的不同可以分为他励直流电机、并励直流电机、 串励串励直流电机、复励直流电机直流电机、复励直流电机4 4类。类。 1. 1. 他励直流电机他励直流电机 如图所示，他励直流电机的励磁如图所示，他励直流电机的励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系。永磁直流电机组之间没有电的联系。永磁直流电机也属于他励直流电机，也属于他励直流电机，其特点是励磁其特点是励磁磁场与电枢电流无关。磁场与电枢电流无关。图中的电流正图中

31、的电流正方向是以电动机为例设定的。方向是以电动机为例设定的。如图所示，并励直流电机的励磁绕组与电如图所示，并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢绕组端电压。枢绕组并联，励磁电压等于电枢绕组端电压。其特点是励磁电流随电枢两端的电压的变化而其特点是励磁电流随电枢两端的电压的变化而变化。变化。他励直流电机和并励直流电机的励磁电他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的流只有电机额定电流的1 13 3，因此励磁绕，因此励磁绕组的导线细而匝数多。组的导线细而匝数多。 如图所示，串励直流电机的励磁绕组如图所示，串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，与电枢绕组串联，其特点是励磁电

32、流等于其特点是励磁电流等于电枢电流电枢电流，因此励磁绕组的导线粗而匝数，因此励磁绕组的导线粗而匝数较少。较少。 如图所示，复励直流电机的每个主如图所示，复励直流电机的每个主磁极上套有两个励磁绕组：一个与电枢磁极上套有两个励磁绕组：一个与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一个与电绕组并联，称为并励绕组；另一个与电枢绕组串联，枢绕组串联， 称为串励绕组。两个绕组称为串励绕组。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，产生的磁动势方向相同时称为积复励，磁动势方向相反时称为差复励，磁动势方向相反时称为差复励， 通常采通常采用积复励方式。直流电机的励磁方式不用积复励方式。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适

33、用场合也不同。同，运行特性和适用场合也不同。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。 直流电机的小结直流电机的小结(1)(1)直流电机的感应电动势在电枢绕组中是交变的，经换向器和直流电机的感应电动势在电枢绕组中是交变的，经换向器和电刷的整流作用，电刷间电动势为直流电动势。电刷的整流作用，电刷间电动势为直流电动势。(2)(2)直流电机的结构包

34、括定子和转子两大部件。定子的主要部件直流电机的结构包括定子和转子两大部件。定子的主要部件有主磁极、换向极、机座和电刷装置，主磁极产生主磁场，有主磁极、换向极、机座和电刷装置，主磁极产生主磁场，而换向极则起改善换向的作用。转子的主要部件是换向器、而换向极则起改善换向的作用。转子的主要部件是换向器、电枢铁芯和电枢绕组。换向器与电刷配合起整流作用，电枢电枢铁芯和电枢绕组。换向器与电刷配合起整流作用，电枢绕组在运行时产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的绕组在运行时产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。转换。(3)(3)直流电机的励磁方式有他励、并励、串励和复励之分。直流电机的励磁方式有他励

35、、并励、串励和复励之分。本章节基本要求：本章节基本要求：掌握理解直流电机的电枢绕组的基本概念；掌握理解直流电机的电枢绕组的基本概念；知道直流电机电枢绕组的单叠绕组和单波绕组的概念及分类，知道直流电机电枢绕组的单叠绕组和单波绕组的概念及分类，掌握单叠绕组和单波绕组展开图的绘制方法；掌握单叠绕组和单波绕组展开图的绘制方法；理解掌握直流电机的感应电动势和电磁转距的概念及表达式，理解掌握直流电机的感应电动势和电磁转距的概念及表达式，并能够进行相应的计算。并能够进行相应的计算。本章节重点和难点：本章节重点和难点：重点重点: :直流电机电枢绕组的基本概念、分类；电枢绕组展开图的直流电机电枢绕组的基本概念、

36、分类；电枢绕组展开图的绘制；直流电机的感应电动势、电磁转距。绘制；直流电机的感应电动势、电磁转距。难点难点: :电枢绕组展开图的绘制；直流电机的感应电动势、电磁转电枢绕组展开图的绘制；直流电机的感应电动势、电磁转矩公式的应用。矩公式的应用。第一节第一节 电枢绕组的基本概念电枢绕组的基本概念 电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽，是直流电机的一个重要部件。枢纽，是直流电机的一个重要部件。对电枢绕组构成的要求是对电枢绕组构成的要求是: :一方面一方面要能产生足够的感应电动势，并允许通过一定大小的电枢要能产生足够的感应电动势，并

37、允许通过一定大小的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率；电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率；另一方面另一方面还要节省还要节省有色金属和绝缘材料，强度高（机械、电气、热），结构简单，有色金属和绝缘材料，强度高（机械、电气、热），结构简单，运行可靠。运行可靠。 主要分类为主要分类为环形环形和和鼓形鼓形，如图所示。，如图所示。 鼓形绕组比环鼓形绕组比环形绕组制造容易，形绕组制造容易，又节省导线，运行又节省导线，运行较可靠，经济性好，较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕故现在均用鼓形绕组。组。 鼓形绕组分为鼓形绕组分为叠绕组叠绕组、波绕组波绕组和和蛙绕组蛙绕组，如图所示，如图所示。 波绕组：波

38、绕组：是指把相隔约为一对极距的同极性磁场下相对应的是指把相隔约为一对极距的同极性磁场下相对应的元件串联起来，象波浪式的前进。元件串联起来，象波浪式的前进。有单有单波波绕组和复绕组和复波波绕组之分。绕组之分。 叠绕组：叠绕组：是指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧是指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。有单有单叠叠绕组绕组和复和复叠叠绕组。绕组。 蛙绕组：蛙绕组：是由适当配合的叠绕组和波绕组混合而成的一种直是由适当配合的叠绕组和波绕组混合而成的一种直流电枢绕组。由于其线圈组合的外形很像青蛙而得名

39、，采用蛙绕流电枢绕组。由于其线圈组合的外形很像青蛙而得名，采用蛙绕组的直流电机有良好的运行性能，故其应用日益广泛。组的直流电机有良好的运行性能，故其应用日益广泛。 电枢绕组虽然有不同类型，但在结构上有其电枢绕组虽然有不同类型，但在结构上有其共同的特点共同的特点：它：它们都是由结构形状相同的绕组元件们都是由结构形状相同的绕组元件( (简称元件简称元件) )按一定的规律联结按一定的规律联结而成。而成。 每一绕组元件有两个放在槽中能切割磁通每一绕组元件有两个放在槽中能切割磁通产生感应电动势的有效边称产生感应电动势的有效边称元件边元件边。元件边元件边 绕组元件在槽外不切割磁通，不会感应绕组元件在槽外不

40、切割磁通，不会感应产生电动势的部分，称为产生电动势的部分，称为端部端部。端部端部如图所示如图所示2.2.绕组元件的分类绕组元件的分类: :有有单匝单匝和和多匝多匝两种。两种。单匝元件单匝元件: :就是每个元件的元件边（就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边一个元件有两个元件边）里仅有一根导体。里仅有一根导体。 多匝元件多匝元件: :就是每个元件的元件边里就不止一根导体了。就是每个元件的元件边里就不止一根导体了。 3.3.绕组元件的首、末端，绕组元件的首、末端，如图所示如图所示首首端端末末端端 同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上。而各个元件之

41、间又是通过换向片彼此联接起片上。而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。因此，同一个换向片上，既联着来的。因此，同一个换向片上，既联着一个元件一个元件的的首端，又联着首端，又联着另一元件另一元件的末端。的末端。 一台电机的一台电机的总元件数若用总元件数若用S S表示表示，而而换向片数用换向片数用K K表示表示，则整个电枢绕组的元件数应等于换向片数，则整个电枢绕组的元件数应等于换向片数，即：即： K KS S4.4.双层电枢绕组绕组的放置情况，双层电枢绕组绕组的放置情况，如图所示：如图所示： 上层边上层边下层边下层边 如果在各个槽内，槽的每一层只放一个如果在各个槽内，槽的每一层只放一个元件边

42、，那么，双层电枢绕组电枢铁芯的槽元件边，那么，双层电枢绕组电枢铁芯的槽数数Z Z，也一定等于绕组元件数，也一定等于绕组元件数S S，即：，即： K KS SZ Z5.5.实槽与虚槽实槽与虚槽 对于小容量直流电机，电枢直径小，为了改善电机性能，同对于小容量直流电机，电枢直径小，为了改善电机性能，同时提高槽满率，往往需要采用较多的元件来构成电枢绕组。由于时提高槽满率，往往需要采用较多的元件来构成电枢绕组。由于工艺和其它方面的原因，电枢铁心开的槽数不能太多（从制造工工艺和其它方面的原因，电枢铁心开的槽数不能太多（从制造工艺简单方面考虑），这样就只能在每个槽的上、下层各放置若干艺简单方面考虑），这样就

43、只能在每个槽的上、下层各放置若干个元件边，即把一个实槽当成个元件边，即把一个实槽当成u u个个虚槽虚槽使用。如图所示：使用。如图所示： u=3u=3 设槽内每层有设槽内每层有u u个元件边，则可把每个实际槽看作包含有个元件边，则可把每个实际槽看作包含有u u个个“虚槽虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，图中表示，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，图中表示u u=3=3时，时，元件边的布置情况。若用元件边的布置情况。若用Z Z代表总实槽数，代表总实槽数，ZuZu代表总虚槽数，则：代表总虚槽数，则： 注：由上层、下层注：由上层、下层两个有效边组合称为两个有效边组合称为“虚槽虚槽”，而铁芯表面

44、，而铁芯表面实际的槽称为实际的槽称为“实槽实槽”。K KS SuZuZZ Zu u 为了正确地把电枢绕组放置在电枢槽内，并与换向片相连为了正确地把电枢绕组放置在电枢槽内，并与换向片相连接，必须确定电枢绕组和换向器上的各种节距。直流电机电枢绕接，必须确定电枢绕组和换向器上的各种节距。直流电机电枢绕组的节距有组的节距有第一节距第一节距y yl l、第二节距第二节距y y2 2、合成节距合成节距y y和和换向器节距换向器节距y yk k四种，如图所示。四种，如图所示。 节距：节距：是指被联接起来的两个元件边或换是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，可用所跨过的元件边数或虚向片之间的距离，可用

45、所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示槽数或换向片数来表示 ( (元件的上层边用实线元件的上层边用实线表示，下层边用虚线表示表示，下层边用虚线表示) )。它是。它是表征电枢绕表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。组元件本身和元件之间连接规律的数据。y1y2yyK 1. 1.极距：极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表面之间的距离，用表示。表示。 极距也表示电机中每个极距也表示电机中每个磁极所占的电枢槽数。磁极所占的电枢槽数。2 2p pZ Z2 2p pD Du u2.2.第一节距第一节距y y1 1：同一绕组元件的两条有效边在电枢表面跨过的距同一

46、绕组元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离（即跨距离（即跨距) )，用所跨虚槽数表示，如图所示。，用所跨虚槽数表示，如图所示。 y1 一般选择一般选择y y1 1的依据是的依据是: :尽量让每个元件的尽量让每个元件的感应电动势最大，即感应电动势最大，即y y1 1应等于或接近于一个极应等于或接近于一个极距距（每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧（每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长）。长）。整整数数2PZyu1注注: :式中式中为小于为小于1 1的数。的数。 说明说明: :y y1 1=的元件为整距元件，绕组称为的元件为整距元件，绕组称为整距绕组整距绕组;y;y1 1的元件，其电磁效果与的元件，其电磁

47、效果与y y1 1的元件相近，但端接部分较长，耗铜多，的元件相近，但端接部分较长，耗铜多，一般不用。一般不用。 3.3.第二节距第二节距y y2 2：同一换向片上连接的两个元件中第一个元件的下同一换向片上连接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，如图所示。层边与第二个元件的上层边间的距离，如图所示。y1y2y y2 2用所跨虚槽数表示用所跨虚槽数表示, ,对单叠绕组有对单叠绕组有: : yyy124.4.合成节距合成节距y y：前一绕组元件与后一绕组元件前一绕组元件与后一绕组元件的对应边在电枢表面所跨的距离，如图所示。的对应边在电枢表面所跨的距离，如图所示。y y用虚槽数

48、表示为用虚槽数表示为: :y21yyy注注: :单叠绕组取单叠绕组取“”号，号， 单波绕组取单波绕组取“”号。号。 5.5.换向节距换向节距y yk k：同一元件首末端连接的换向同一元件首末端连接的换向片之间的距离，如图所示。片之间的距离，如图所示。yK注注: :换向器节距换向器节距y yk k与合成节距与合成节距y y总是相总是相等的，等的，即即: :yyk第二节第二节 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的单叠绕组的特点特点是相邻元件是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换合成节距与换向节距均为向节距均为1 1 ( (合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片合成节距等于一个

49、槽，换向节距等于一个换向片) )。即即:y:yk k=y=y=1 1其中，其中，“+”“+”号为号为“右行右行”绕组，绕组，“-”-”号为号为 “左行左行”绕组。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（即后一是：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），同时每个元件的首端和尾元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的首端和尾端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一个闭合回路。端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一个闭合回路。其中其中:“+”:“+”号为号为“右行右行”绕组，绕组，“-”-”号为号为 “左行左行”绕组。绕组。特点特点:

50、 :槽数槽数Z Zu u、元件数元件数S S和和换向片数换向片数K K三者相同。三者相同。 一台直流电机的极对数一台直流电机的极对数2p=4,2p=4,槽数槽数z z、元件数、元件数s s及换向片数及换向片数k k则则Z=S=K=16Z=S=K=16，试画出整距右行单叠绕组展开图。试画出整距右行单叠绕组展开图。 单叠绕组展开图的绘制步骤单叠绕组展开图的绘制步骤 某直流电机的极对数某直流电机的极对数2p=4,2p=4,槽数槽数z z、元件、元件数数s s及换向片数及换向片数k k则则Z=S=K=16Z=S=K=16，试画出整距右试画出整距右行单叠绕组展开图。行单叠绕组展开图。 计算数据计算数据y

51、 y 和和y y1 1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 1绕组数据的计算绕组数据的计算: :(1)(1)计计算极距算极距4 42 22 216162p2pZ Z(2)(2)计计算节距算节距所以所以4041y采用整距绕组，因为是单叠右行，故采用整距绕组，因为是单叠右行，故1 1y yy yK K31412yyy1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 16 61 15 5 1 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14

52、 4 1 15 51 12.2.槽展开图是绘制槽展开图是绘制(1)(1)为了作图方便，先画为了作图方便，先画1616个槽和个槽和1616个换向片，并令换向片宽度个换向片，并令换向片宽度等于槽与槽之间的距离。等于槽与槽之间的距离。(2)(2)将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时要把元件号码、元将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时要把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及与元件上层边相连接的换向片号码编件上层边所在槽的号码以及与元件上层边相连接的换向片号码编得一致。得一致。(3)(3)注意注意: :一般应使元件左右对称，这样一般应使元件左右对称，这样1 1号换向片与号换向片与2 2号换向片的号换向片

53、的分界线正好与元件的中心线相重合。分界线正好与元件的中心线相重合。1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 16 61 15 5 1 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 4 1 15 51 13.3.根据计算所得绕组元件的各节距放置绕组。根据计算所得绕组元件的各节距放置绕组。将将1 1号元件的上层号元件的上层边放在边放在1 1号槽内（号槽内（上层边用实线表示上层边用实线表示）并与）并与1 1号换向片相连后，因号换向片相连后，因为为

54、y y1 1=4=4，则，则1 1号元件的下层边应放在第号元件的下层边应放在第5 5号槽（号槽（1+1+y y1 1=5=5）的下层）的下层( (下层边用虚线表示下层边用虚线表示) )。因。因y yy yk k1 1，所以，所以1 1号元件的末端应连接号元件的末端应连接在在2 2号换向片上（号换向片上（1+1+y yk k2)2)。 然后将然后将2 2号元件的上层边放入号元件的上层边放入2 2号槽的上层（号槽的上层（1+y1+y2 2），下层），下层边放在边放在6 6号槽的下层（号槽的下层（2+y2+y1 16 6），），2 2号元件的上层边连在号元件的上层边连在2 2号换向号换向片上，下层边

55、连在片上，下层边连在3 3号换向片上。依次类推，最后第号换向片上。依次类推，最后第1616号元件的号元件的下层边与下层边与1 1号换向片相连，整个绕组形成一个闭合回路，绕组连号换向片相连，整个绕组形成一个闭合回路，绕组连接完毕。绕组元件的连接顺序见下图。接完毕。绕组元件的连接顺序见下图。 单叠绕组元件串联顺序单叠绕组元件串联顺序1 12 23 34 45 56 67 78 89 9 1 10 01 11 1 1 12 21 13 3 1 14 4 1 15 5 1 16 61 15 5 1 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 0 1 11 1 1 12 2 1 1

56、3 3 1 14 4 1 15 51 1单叠绕组展开图单叠绕组展开图1 15 5 1 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 2 1 13 31 14 41 1 单叠绕组的展开图已经画成，但为了帮助理解绕组的工作原单叠绕组的展开图已经画成，但为了帮助理解绕组的工作原理和确定电刷的位置，一般在展开图上还应画出磁极和电刷。理和确定电刷的位置，一般在展开图上还应画出磁极和电刷。 在绕组展开图上均匀放置在绕组展开图上均匀放置4 4个磁极（个磁极（2p2p4 4）。设）。设N N极的磁通极的磁通是进入纸面，是进入纸面，S S极的磁通是从纸面穿出，电枢极的

57、磁通是从纸面穿出，电枢自右向左运动自右向左运动，根，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，如图所示。据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，如图所示。4.4.放置磁极放置磁极1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 16 61 15 51 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 11 15 51 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31

58、 14 41 1NSNS1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 16 61 15 51 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 11 15 51 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 1NSNS 在绕组展开图所示这一瞬间，在绕组展开图所示这一瞬间，1, 5, 9, 131, 5, 9, 13四个元件正处于四个元件正处于磁极几何中性线上

59、，感应电动势为零，这四个元件把整个绕组分磁极几何中性线上，感应电动势为零，这四个元件把整个绕组分成四段，每段有三个电动势方向相同的元件相串联。由于每段电成四段，每段有三个电动势方向相同的元件相串联。由于每段电路中对应元件所处的磁场位置相同，所以每段电路的电动势大小路中对应元件所处的磁场位置相同，所以每段电路的电动势大小相等，但方向两两相反，因此在整个闭合回路内互相抵消，总电相等，但方向两两相反，因此在整个闭合回路内互相抵消，总电动势为零，不会产生环流。动势为零，不会产生环流。 5.5.放置电刷放置电刷1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21

60、13 31 14 41 15 51 16 61 15 51 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 15 51 11 15 51 16 62 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 41 1NSNS 为了引出最大电动势，必须在换向片为了引出最大电动势，必须在换向片1 1和和2, 52, 5和和6, 96, 9和和10, 10, 1313和和1414之间，也就是在磁极轴线位置，放置之间，也就是在磁极轴线位置，放置4 4组电刷组电刷A1, B1, A2, A