直流电动机的原理及特性

第2章直流电动机的原理及特性

直流电机的用途电源励磁机测速伺服直流电机的特点直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。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，起动和制动性能良好。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高2.1.1直流电机的结构2.1直流电动机的基本结构和工作原理2.1.1直流电机的结构2.1直流电动机的基本结构和工作原理定子部分主磁极

主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。

机座——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。

定子部分换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

端盖——

端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。

定子部分电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

转子部分电枢铁心——

电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

转子部分电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（左图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

转子部分换向器—在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。

直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组1.他励式

若励磁绕组不与电枢绕组联接，励磁绕组单独由其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。

2.1.2直流电动机的励磁方式定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。2.1.2直流电动机的励磁方式

励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。

并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的电流为If

，经过负载或电源供给电机的总电流为I，三者须满足以下关系：

直流发电机：Ia

＝I＋If

直流电动机：Ia

＝I－If并励式2.1.2直流电动机的励磁方式串励式励磁绕组与电枢绕组串联再接通直流电源称为串励直流电动机。由于串励式直流电机作为发电机用时，其电压大小随负载变化而有较大的变化，故一般不用串励式直流发电机，只作电动机使用。串励式直流电动机广泛应用交通运输。

串励式电机：Ia＝I＝If2.1.2直流电动机的励磁方式

复励式复励式直流电机上有两个励磁绕组，一个和电枢并联，一个和电枢串联。

复励式直流电机的串励绕组产生的磁势与并励磁势方向相同时称为加复励（或积复励）；

复励式

两者磁势方向相反时称为差复励（或减复励）；

加复励和差复励比较，应严格按要求接，实用中加复励用得较多。2.1.3额定数据额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。

2.1.3额定数据1.额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以"W"为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。2.额定电压UN：

指额定状态下电机线端的电压，以"V"为量纲单位。3.额定电流IN：

指电机在额定电压、额定功率时电机线端电流，以"A"为量纲单位。4.额定转速nN：

指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。5.额定励磁电流IfN：

指电机在额定状态时的励磁电流值。注意:对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN2.1.4

工作原理直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。

用作发电机可以获得直流电源,常用作大型交流发电机的励磁机;用作电动机，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。1直流发电机的工作原理1直流发电机的工作原理转子转过180°之后1直流发电机的工作原理转过180°之后直流发电机运行时的几点结论电枢线圈内电势、电流方向是交流电；电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；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；产生的电磁转矩T与转子转向相反，是制动性质；2

直流电动机的工作原理转子转过180°后直流电动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；线圈中感应电势与电流方向相反；线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质；直流电机的可逆原理同一台直流电机，通过改变外界条件，可当发电机运行，也可当电动机运行。

§1-2

直流电机电枢绕组对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单等。

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。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。分类：叠绕组、波绕组、混合绕组波绕组示意图叠绕组示意图有关电枢绕组基本概念、名词、术语

电枢绕组有许多个形状相同的线圈组成，每个线圈有两个有效边，分别位于电枢圆周相距一个极距的两个槽中。一个边在上层时，另一个边一般在下层。有关电枢绕组基本概念、名词、术语

元件：线圈是组成绕组的元件

有效边:有效边是指线圈的直线部分。

端部：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。电机的极距τ

极距用希腊字母τ表示是电机的常用量之一。有两个表达式：一是电机中每个磁极所占的电枢感槽数

二是电机中每个磁极所占的电枢周长方向的长度值。

Z

τ＝-----(槽)

2P

∏D

τ＝-------(m)

2P

y=y1-y2有关电枢绕组名词、术语元件：第一节距y1极距：铁心表面，一个极所占的距离。第二节距y2合成节距y：换向器节距yk：极轴线：磁极中心线几何中心线：磁极之间的平分线2.2.1单迭绕组：迭：两个相临联接的元件，后以元件的端部紧迭在前一元件的端部。单：首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同y=yk=12.2直流电机的电枢绕组单迭绕组分析实例1。数据计算：y＝yk＝1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极实例：P＝2，Z＝S＝K＝161单迭绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－展开图（2）1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－绕组放置元件1：上元件边在1槽，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。元件2：上元件边在2槽，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推某一瞬间电刷、磁极放置磁极：磁极宽度约0.7τ,均匀分布，N、S极交替安排。

电刷：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，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。

元件连接顺序图绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。电路图结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。即单迭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。1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－单迭绕组的特点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，2a=2p;整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无换流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远，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，元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距单波绕组：换向片极距yk必须符合即为了使绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去。2.2.2单波绕组：单波绕组实例：P＝2，Z=S＝K＝15

左单波绕组计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极1。绕组数据计算元件、磁极、电刷放置原则元件、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yk＝7；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。磁极放置：

N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。

单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷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：1815714613512411310291用联接顺序图表示为：1815714613512411310291411310291815714613512上层边下层边单波绕组电路图