电机学辜承林(第三版)第二章1-2+直流电机

1、第二章第二章 直流电机直流电机 直流电机的用途直流电机的用途电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服 与异步电动机相比，与异步电动机相比，由于存在换向器，其制造由于存在换向器，其制造复杂，复杂，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源，异步机方便，而且要使用直流电源，价格较高价格较高。直流电机的优点：直流电机的优点： 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。直流电

2、动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。 易于快速起动、停车，易于控制。易于快速起动、停车，易于控制。直流电机的特点直流电机的特点直流电机的应用直流电机的应用（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。直流电机的物理模型直流电机的物理模型2 21 1 直流电机的原理和结构直流电机的原理和结构一、一、 直流电机原理直流电机原理 1

3、、直流发电机重要公式及特性：、直流发电机重要公式及特性： 1.1 法拉第电磁感应定律发电机原理：法拉第电磁感应定律发电机原理：用右手定则判用右手定则判感应电动势感应电动势Ea的方向的方向U+NSEEIanKEE感应电动感应电动势势aaRIEU输出电压输出电压直流电机原理直流电机原理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.在相同极性磁极下的导体感应电动势在相同极性磁极下的导体感应电动势e e 方向相同，固方向相同，固定不变；定不变；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； 2.2.在不同极性磁极下的导体感应电动势在不同极

4、性磁极下的导体感应电动势e e 方向相反；方向相反；电电枢线圈内电势、电流方向是交流电；枢线圈内电势、电流方向是交流电；3. “外稳内变外稳内变”电枢绕组电压为交流电枢绕组电压为交流, ,电刷上的电压为电刷上的电压为恒定直流。恒定直流。从空间看，从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；上是恒定不变的磁场；4.产生的电磁转矩产生的电磁转矩M与转子转向相反，与转子转向相反， 是制动性质。是制动性质。2、 直流电动机重要公式及特性直流电动机重要公式及特性 安培力定律安培力定律 电动机原理：电动机原理： FB li (符合左手定则符合左手定则)U+NS电刷电刷换

5、向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II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. 外施电压、电流是直流，外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流；电枢线圈内电流是交流；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。 电枢电流产生电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；的磁场在空间上是恒定不变的；4. 产生的电磁转矩产生的电磁转矩M与转子转向相同，与转子转向相同， 是驱动性质是驱动性质； 与直流发电机相同；直流电机即可作发电机运行，也可与直流发电机相同；直流电机即可作发

6、电机运行，也可作电动机运行，关键在输入功率的性质；发电机原理作电动机运行，关键在输入功率的性质；发电机原理和电动机原理总是同时出现的。和电动机原理总是同时出现的。二、直流电机的结构二、直流电机的结构直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构定子和转子定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电枢绕组结构直流电机电刷和换向器结构直流电机电刷和换向器结构直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结主要由定子

7、、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根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励

8、电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U三、直流电机的额定值三、直流电机的额定值额定容量额定容量PN： 输出功率输出功率额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压；：额定状态下出线端电压；额定电流额定电流IN：额定状态下出线端电流；：额定状态下出线端电流；额定转速额定转速n： 额定状态下的电机转速额定状态下的电机转速直流发电机：直流发电机： PNUN IN直流电动机：直流电动机： PNUN IN 2-22-2 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组对电枢绕

9、组的要求：对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生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提下，所消耗的有效材料最省，前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、强度高（机械、电气、热），电气、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。绕组图绕组图电枢绕组的形式电枢绕组的形式环形绕组环形绕组鼓形绕组鼓形绕组叠绕组叠绕组波绕组波绕组y=y1-y2有关电枢绕组有关电枢绕

10、组名词、术语名词、术语元件：元件：第一节距第一节距y1极距：极距：铁心表面，铁心表面， 一个极所占的距离。一个极所占的距离。第二节距第二节距y2合成节距合成节距y：换向器节距换向器节距yk：极轴线：极轴线：磁极中心线磁极中心线几何中心线：几何中心线：磁极之间的平分线磁极之间的平分线 为使元件感应电势最大：为使元件感应电势最大：y1 = （使（使y1为整数）为整数） = Zi/2p y1= 整距绕组（电势最大）；整距绕组（电势最大）；y1 长距绕组。长距绕组。说明：说明：一、一、 单迭绕组：单迭绕组：迭：迭： 两个相邻联接的元件，两个相邻联接的元件， 后一元后一元件的端部紧迭在前一元件的端部。件

11、的端部紧迭在前一元件的端部。单：单： 首末端相联的两换向片相隔首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。一个换向片的宽度。特点：特点： 槽数槽数Z、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。y=yk=1特点：特点： y = y1-y2 = yc = +1 (-1) “+1” 为右行绕组为右行绕组 如左图；如左图； “ “-1” -1” 为左行绕组为左行绕组 如右图。如右图。单迭绕组单迭绕组单迭绕组分析实例单迭绕组分析实例1、 数据计算：数据计算：yyk1计算数据计算数据y和和y1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实例：实例： P2， ZSK164221621p

12、Zy绕组放置绕组放置 元件元件1 1： 上元件边在上元件边在1 1槽上层，槽上层， 下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4y1=4即即5 5槽下层。槽下层。 元件元件2 2： 上元件边在上元件边在2 2槽上层，槽上层， 下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4y1=4即即6 6槽下层。槽下层。 依此类推。依此类推。1单迭绕组展开图单迭绕组展开图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NSNS+某一瞬间电刷、磁极放置某一瞬间电刷、磁极放置 磁极：磁极：

13、磁极宽度约磁极宽度约0.7 , 0.7 , 均匀分布，均匀分布，N N、S S极交替安排。极交替安排。 电刷：电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，流电势以及产生最大的电磁转矩， 电刷放在被电刷短电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。路的元件电势为零的位置。 电势为零的元件：在磁极的几何中心线上电势为零。电势为零的元件：在磁极的几何中心线上电势为零。（在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。）（在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。） 电刷放置：电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对电刷放置在使电刷

14、的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。准的换向片上。 元件连接顺序图元件连接顺序图绕电枢一周，绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。所有元件互相串联构成一闭合回路。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。每个极下的元件组成一条支路。 即单迭即单迭绕组的并联支路数正好等于电机的极数。绕组的并联支路数正好等于电机的极数。 这是单迭绕组的重要特点之一。这是单迭绕组的重要特点之一。 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 并联支路数等于磁极数，并联支路数等于磁极数， 2a=2p;2a=2p; 整个

15、电枢绕组的闭合回路中，整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为零，感应电动势的总和为零， 绕组内部无换流；绕组内部无换流； 每条支路由不相同的电刷引出，每条支路由不相同的电刷引出， 电刷不能少，电刷不能少， 电刷电刷数等于磁极数数等于磁极数; ; 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势， 电枢电枢电压等于支路电压电压等于支路电压; ; 由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流IaIa为各支路电流之和，为各支路电流之和， 即即aaaiI2 二、单波绕组二、单波绕组波绕组：波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远，首末端所接的两换向片相隔很远，

16、 两个元件紧相串联后形似波浪。两个元件紧相串联后形似波浪。为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件边应处于相同磁极极性下，元件边应处于相同磁极极性下， 即合成节距即合成节距2,2yy1kyPk单波绕组单波绕组节距特点：节距特点： y1 等于或约等于等于或约等于 （常采用短距）；（常采用短距）； y 约等于约等于 2 。 为了使绕组从某一换向片出发，为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，回到原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。换向片极距换向片极距y yk k必须符合必须符合

17、 即即 y2 = y y1 （-1，左行绕组；，左行绕组；+1，右行绕组，因端接部，右行绕组，因端接部分交叉，少用。）分交叉，少用。）CPkyk1单波绕组单波绕组实例：实例：P P2 2， Z=SZ=SK K1515 左单波绕组左单波绕组计算数据计算数据y和和y1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、绕组数据计算、绕组数据计算34341521pzy721151pKyyk43721yyy元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则 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，槽， 下层边下层边4 4槽槽; ;首末端所连的换向片首末端所连的换向

18、片相距相距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与首末端所连的两换向片之间的中心线与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定为元件上层边所连的换向片定为1 1。 依次联接。依次联接。 磁极放置：磁极放置： N N、S 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上。：放在与主极轴线对准的换向片上。 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、电刷从绕组展开图可以看出

19、，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回路的顺序是：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：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上层边上层边下层边下层边 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的全部元件串联起来组成一条支路。一条支路。 由于磁极只有由于磁极只有N、S之分，之分， 所以单波绕所以单波绕组的支路对数组的支路对数a与极对数多少无关，与极对数多少无关， 永远为永远为1，即，即a1。 714613151031142512891125415189单波绕组的特点单波绕组的特点同极性下各元件串联起来组成一条支路，同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数支路对数a1， 与磁极对数与磁极对数p无关。无关。当元件的几何尺寸对称时，当元件的几何尺寸对称时， 电刷在换向器电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，表面上的位置对准主磁极中心线， 支路电支路电动势最大。动势最大。电刷组数应等于极数（采用全额电刷