第3章直流电机原理

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abcdNS1、直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理电刷电刷换向片换向片转子、绕组转子、绕组定子定子f=Bli e=Blv1）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。abcdNS

2、UIIffabcdNSUIIffeeeef=Bli e=Blv1）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主磁极铁心主磁

3、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。4 444转子转子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，起到整流或逆变器的作用。流或逆

4、变器的作用。4刷握刷握3电电刷刷2压紧弹簧压紧弹簧1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。以实现机电能量转换的关键部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形线

5、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

6、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

7、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。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：3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据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每极磁势：每极磁势：

8、ffNIF mfmmmamtmfRRRRRF2222ffNIF mtRmRmaRmmRmfR：气隙磁阻：气隙磁阻：电枢齿磁阻：电枢齿磁阻：电枢磁轭磁阻：电枢磁轭磁阻：主磁极磁阻：主磁极磁阻：定子磁轭极磁阻：定子磁轭极磁阻：主磁极磁通势：主磁极磁通势由上图得：由上图得：mfmfRFRF22imlR0而上式中分子为气隙；分母为空气导磁系数、磁管宽度和电机轴长li为面积整理可得：fixFlB0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。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

9、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，到两极之间的几何中线处时，磁密等于密等于0。Bl极距极距 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 0fF0fI 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理

10、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。置。N fNI0fF0fIfFfIA0N 0 +Ua+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励1. 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类自自励励他他励励串串励励复复励励并并励励GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI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

11、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

12、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pD2 端端部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。y1y2y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yk：同一元件首末端连同一元件首末端连接的换向片

13、之间的距离。接的换向片之间的距离。K：换向片个数：换向片个数S：元件数：元件数Z：实槽，实际槽：实槽，实际槽u：虚槽，实槽中一层并列放置的元件边数：虚槽，实槽中一层并列放置的元件边数Ze：虚槽数，：虚槽数，Ze=uZ=S=kz：电枢绕组全部导体数：电枢绕组全部导体数总导体数：总导体数：z=2uZNy=2NyZeNy：每元件串联匝数每元件串联匝数单叠绕组的单叠绕组的连接规律连接规律是：后一个元件紧接着前一个元件是：后一个元件紧接着前一个元件嵌放（相差一个槽，嵌放（相差一个槽，y=1），同时每个元件的出线端依），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。次连接到相邻的换向

14、片上，最后形成一个闭合回路。特点：特点：虚虚槽数槽数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即：即： Z ZZeZeS SK K1616图图1-12 单叠绕组展开图（单叠绕组展开图（p p1 Z ZZeZeS S6 6 ） 直流电枢绕组直流电枢绕组A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB结论：结论：整个电枢绕组通过换向片连成闭合回路。整个电枢绕组通过换向片连成闭合回路。A B123456781. 数据计算数据

15、计算yyk1实例：极对数实例：极对数 p2， 每槽两层，每层一边每槽两层，每层一边(u=1)， ZZeSK164221621pZypZ2有时有时，不是整数，但不是整数，但y1是整数是整数所以所以，pZy21夸一个极距是要夸一个极距是要得到最大转矩得到最大转矩11.槽展开槽展开2.绕组放置绕组放置3.安放磁极电刷安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放电刷、磁极安放电刷、磁极NSNS+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

16、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。 aaaiI2串联的元件所生的电势同向相加，串联的元件所生的电势同向相加， 合成节距合成节距 2y单波绕组：换向节距单波绕组：换向节距yk必须符合必须符合 即即 1KyPk pKyk1绕组从某一换向片出发，绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后回到原沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，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：把相同极性磁极下的元件连是：把相同极性磁极下的元件连接起来。接起来。1Kpyk（y yk k为整数）为整数）1.

17、绕组数据计算绕组数据计算44141521pZy721151pKyyk34712yyy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

18、上。放在与主极轴线对准的换向片上。 3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512SNNS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环路的顺序是：个闭合环路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：用联接顺序图表示为：18 157 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2994 11 3 102 918 15 7 14 6 13 512上层边上层边下层边下层边槽号及元件号槽号及元件

19、号槽号槽号181571461351241131029换向片号换向片号短路的换向片短路的换向片在环路中相邻在环路中相邻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。 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。每增加一对主极就增加一对支路。 2a2p。叠绕组并联的支路数多，叠绕

20、组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。适应于较大电流、较低电压的电机。 单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。相连，形成一条支路。 整个绕组只有一对支路，整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。极数的增减与支路数无关。 2a2。波绕组并联的支路数少，波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数每条支路中串联元件数多，多， 适用于较高电压、较小电流的电机。适用于较高电压、较小电流的电机。avBllBavlBavlvBeavav602npv602npeavnCna

21、pznpazeazEeava6060222apzCe60电枢感应电势为：为电动势常数aavavilBf2DfTavxaTaaaavICIapzpzaIllDzaIlBT222222apzCT2aaaiI2合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）NS几何几何中心线中心线 N S励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）物理物理中心线中心线电枢磁场电枢磁场 电枢反应：电枢反应： 电枢磁通势主极磁场产生变化。电枢磁通势主极磁场产生变化。 他励直流发电机惯例他励直流发电机惯例01TTTdtdnGDdtdJTTT375201aaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022他励直流发电机功

22、率流程图他励直流发电机功率流程图SMpPpPpPPP211121pPp21)(75. 85 . 38 .22230ARRUIffNf)(52.35623010823AUPINNN)(27.36575. 852.356AIIIfNa)( 5 .2412029. 027.3652302VURIUEaaNa)(2 .8827.3655 .241kWIEPaaem)(9182005. 05 . 22 .881kWpppPPadmFeem)(4 .868970102 .8855. 955. 93mNnPTNem%1 .90%1009182%10012PP他励（并励）直流电动机惯例他励（并励）直流电动机惯

23、例3.73.7直流电动机直流电动机02TTTdtdnGDdtdJTTT3752023.7.2.3.7.2.他励直流电动机的功率关系他励直流电动机的功率关系aaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022 他励直流电动机功率流程图他励直流电动机功率流程图MaNeaaNeaNeNICRnICRCUn03.7.33.7.3他他励（并励）直流电动机的工作特性励（并励）直流电动机的工作特性aIUpPPN121aaFemcuaRIpppppp2s0另外，效率中另外，效率中p p0 0与与I Ia a无关，无关， I Ia a变大使铜耗加大变大使铜耗加大n，T，Ia(P2)0n=f(Ia)=f(I

24、a)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性aTICTpPPPP2212aNeaICRnn0TnTCCRRCUnTeaeN022TeaCCRR在电源电压在电源电压U U = =U UN N，气隙磁通，气隙磁通 = =N N，电枢外串电，电枢外串电阻阻R R=0=0时，时，n n =(=(T T ) )的机械特性，其数学表达式为：的机械特性，其数学表达式为：TnTCCRCUnNTeaNeN02NeNCUn0空载转速：空载转速：3.8.23.8.2固有机械特性固有机械特性2NTeaCCR斜率：斜率：（特性的软和硬）（特性的软和硬）固有机械特性图固有机械特性图其他象限工作情况其他象限工作情况TnTCCRCUnNTeaNeN02nn0TTso注意：稳定运行注意：稳定运行即：即：T = TT = TL LnnTnTCCRRCUnNTeaNeN002TLTSTCUTCCRCUnNNeNTeaNe2TCC