第1章-直流电机的基本原理

了解直流电机的的基本结构掌握直流电机的基本工作原理直流电机的额定值本节基本要求概述直流电机的基本结构直流电机的基本工作原理直流电机的型号和额定值主要内容1.1概述直流电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机械能与直流电能转换的机器分类：直流电机直流发电机：直流电动机：机械能电能电能机械能用途：直流发电机：电源励磁机信号传递测速发电机1.1概述用途：直流电动机：动力用-直流电动机信号传递直流伺服电动机优点：直流发电机：波形平滑性好，电磁干扰小直流电动机：①调速范围宽，平滑性好；②起动、过载、制动转矩大；③易于控制，可靠性高；④调速时能量损耗小，经济，系统成本低。1.1概述缺点：应用实例：直流发电机：直流电动机的电源、同步机的励磁、电镀、电解、电冶炼等的直流电源直流电动机：给粉系统、卷扬机、大型机床、电力机车、电车、电气机车牵引、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、轧钢机、船舶推进等成本高、结构和工艺复杂、维修困难、安全可靠性差。发展趋势：直流发电机逐步被电力电子整流电源所取代；直流电动机逐步被交流电动机所取代；1.2直流电机的基本结构主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组机座换向极主磁极电刷装置端盖主极铁心励磁绕组刷杆电刷刷握刷杆座(产生励磁磁场)(产生电动势，流过电流，产生电磁转矩)1.2直流电机的基本结构机械结构定子部分转子部分主磁极换向极机座电刷装置电枢铁心电枢绕组换向器电气结构励磁回路电枢回路主磁极换向极电刷装置电枢绕组换向器三、直流电机结构2-1工作原理及结构电枢（绕组）电刷换向器电源接线端机械连结轴主磁极，励磁绕组2-1工作原理及结构1.3直流电机的基本结构NSNS1.3直流电机的基本结构N极和S极成对出现且沿圆周均匀交替分布；极对数：N极或S极的个数，通常用p表示；极数：主磁极的个数，等于2p。p=2即4极电机1.3直流电机的基本结构1.3直流电机的基本结构一、主磁极作用：产生主磁场构成：⑴主极铁心：1~1.5mm厚的钢板⑵励磁绕组：用绝缘铜线构成主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）主磁极由钢板冲片叠压而成励磁绕组套在主磁极极身上1.3直流电机的基本结构二、换向极（附加极）作用：改善换向构成：铁心：整块钢或钢板绕组：和电枢绕组串联位置：两个主磁极的中心线上→几何中心线个数：一般和主极个数一样。也有是主极个数的一半。三、机座作用：①固定主磁极、换向极和端盖等②主磁路的一部分（磁轭）构成：铸钢或厚钢板焊接1.3直流电机的基本结构四、电枢铁心作用：①主磁路②安放电枢绕组构成：硅钢片迭成电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚)（硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽三维图示+_2-1工作原理及结构外电源固定极性电流换向片一个电枢绕组电机旋转体电枢换向电刷电枢结构示意1.3直流电机的基本结构五、电枢绕组六、换向器作用：将线圈里的交流电势变为电刷端的直流电势。或把外加的直流电流变为线圈中的交流电流。构成：铜片组成，用云母绝缘作用：感应电动势和通过电流，实现能量转换构成：按一定规律连接的绝缘铜线构成1.3直流电机的基本结构换向器1.3直流电机的基本结构七、电刷装置作用：保持和换向器的滑动接触，与换向器配合，将线圈中的交流电势变为电刷上的直流电势构成：电刷、刷握、刷杆、刷杆座个数：与磁极个数相同。1.4直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理1.4直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理通过换向片，电刷A总与位于N极下的导体相连，极性为正。电刷B总与位于S极下的导体相连，极性为负1.4直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理线圈中的电动势和电流均为交流通过换向片，电刷固定接于某一磁极下的导体换向器将电枢绕组中的交流电转化为电刷两端的直流电1.4直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理增加导体可减小感应电动势的脉动。当有足够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电势。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。1.4直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理结论：1）电枢绕组内电势、电流为交流电；2）电刷间为直流电势。绕组中感应电势与电流方向一致；3）电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；4）产生的电磁转矩与转子转向相反，为制动性质；5）原动机克服电磁制动转矩作功，将机械能转换为电能。1.4直流电机的基本工作原理二、直流电动机的工作原理在直流电动机中，虽然外加电源为直流，但通过换向器的作用，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。即线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。1.4直流电机的基本工作原理二、直流电动机的工作原理1.4直流电机的基本工作原理二、直流电动机的工作原理1.4直流电机的基本工作原理结论：1）外施电压、电流是直流，电枢绕组内电流是交流；2）电枢绕组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。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；4）产生的电磁转矩与转子转向相同，为驱动性质；5）电磁转矩克服负载转矩作功，将电能转换为机械能。二、直流电动机的工作原理1.4直流电机的基本工作原理三、直流电机的可逆原理同一台直流电机，通过改变外界条件，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。在电机理论中称为可逆原理。如果用原动机拖动电枢旋转，可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电，此为发电机运行。如果在电刷端外加直流电压，则可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能，此为电动机运行。1.5直流电机的型号和额定值一、直流电机的型号（Z）型号表明电机的系列及主要特点。知道了电机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。1.5直流电机的型号和额定值一、直流电机的型号（Z）1.5直流电机的型号和额定值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。1.5直流电机的型号和额定值二、直流电机的额定值1．额定功率PN

（W或kW）：电机在额定运行时的输出功率。发电机：电刷间输出的电功率。PN＝UNIN

电动机：轴上输出的机械功率。PN＝UNINηN

2．额定电压UN

（V）：额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。

3．额定电流IN

（A）：额定电压和额定功率时允许电机长期输入（电动机）或输出（发电机）的线端电流。1.5直流电机的型号和额定值二、直流电机的额定值3．额定电流IN

（A）直流发电机：IN

＝PN×103/UNA

直流电动机：IN

＝PN×103/(UNηN

)A4．额定转速nN

（r／min）：在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转子转速。5．额定效率ηN

：直流电动机额定输出功率与电动机额定输人功率比值的百分数。1.了解直流电机电枢绕组的构成及其连接2.掌握直流电机电枢绕组的特点本节基本要求1.2直流电机的电枢绕组直流电机电枢绕组的一般知识单叠绕组单波绕组主要内容1.2.1直流电机电枢绕组的一般知识作用：电枢绕组是直流电机的关键部件之一，构成直流电机的电路部分，在机电能量转换中起着重要的作用，运行时电枢绕组产生电动势，流过电流并产生电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的基本要求：(1)能产生尽可能大的电动势，并有良好的波形。(2)能通过足够大的电流，以产生并承受所需的电磁力和电磁转矩。(3)节省材料（有色金属和绝缘材料），结构简单，连接可靠。(4)便于维护和检修。(5)对直流电机，应保证换向良好。分类特点：闭合绕组(1)叠绕组：单叠和复叠绕组。(2)波绕组：单波和复波绕组。(3)蛙绕组：叠绕和波绕混合的绕组。电枢绕组的演变环形电枢绕组鼓形电枢绕组环形电枢绕组：只有一半的导体产生感应电动势，导体利用率低。鼓形电枢绕组线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中,两边都能切割磁场而产生感应电势。有关电枢绕组名词、术语极轴线：磁极中心线几何中心线：磁极之间的平分线

在分析电枢绕组连接规律时，主要研究它的节距、展开图、元件连接次序和并联支路图元件：构成绕组的线圈。电枢绕组的基本单元，单匝和多匝双层绕组1）每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。2）一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，一个槽里总有上下层线圈边。3）线圈的两个元件处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距，两个电势相加。

进一步说明：为了增大电动机的电磁转矩并减小转矩的波动，为了增大发电机的电动势并使输出电动势平稳,都必须在电枢表面均匀嵌放很多线圈,这些线圈按照一定的规律连接起来就构成了电枢绕组。叠绕组和波绕组叠绕组：一个元件的两出线端接在两相邻换向片上（单叠绕组），或相隔数片的换向片上（复叠绕组）。折叠式前进波绕组叠绕组波绕组：一个元件的两出线接在相隔约两个极距的换向片上，绕它一周后回到与起始片相邻的换向片上（单波绕组），或相隔数片的换向片上（复波绕组）。波浪式前进实槽和虚槽为改善电机的性能，希望用更多的元件组成电枢绕组。由于工艺等原因，电枢铁心不能开太多的槽，故在每槽的上下层各放置若干元件边。若每一实槽中一层并排放置u排元件边，则一个实槽可以看成u个“虚槽”，每一个虚槽的上、下层各有一个元件边。实槽与虚槽：u=3每一元件有两个边；每一换向片上接两个边；每一虚槽内放置有两个边；元件数S等于换向片数K，等于虚槽数每线圈有Nc匝，则总导体数为N

三、节距第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一般用所跨的虚槽数表示极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。整数为凑整分数整距绕组短距绕组长距绕组短距绕组端部接线短、省铜，且利于换向，故常用换向器节距yk：每元件的两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示。第二节距y2：连至同一换向片上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。合成节距y第二节距y2换向器节距yk合成节距y：相串联的两元件对应有效边在电枢表面上的跨距，其大小用虚槽数表示。y1＝y＋y22.2单叠绕组元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。相邻元件(线圈)相互叠压,后一元件的端部紧叠在前一元件的端部（叠）；首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度，合成节距与换向节距均为1（单），即yK

＝y＝1槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同单叠绕组元件右行

左行

单叠左行绕组和单叠右行绕组举例：2p＝4，u=1，Z＝Z

e＝S＝K＝16，单叠右行整距绕组节距计算y＝yk＝＋1节距计算y,y1,y2画绕组展开图安放电刷和磁极展开图展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系根据元件的节距画绕组展开图1单叠绕组展开图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NSNSττττA+B–++－－.swf布线单叠绕组展开图单叠绕组展开图同一极下导体电流方向相同（同一槽中上下层边不属于同一线圈，但电流的方向一致）；N、S极下导体电流方向相反。电路图并联支路单叠绕组的特点（1）元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上；（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2a=2p（3）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“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷数等于主磁极数；（5）电刷位置应使感应电动势最大，正负电刷之间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；Ea=ea（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia（式中ia为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。2.3单波绕组首末端所连的两换向片相隔很远，两个元件串联后形似波浪。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。合成节距与换向节距相等yK

＝y整数整数第一节距第二节距y2＝y–

y1单波左行绕组和单波右行绕组单波绕组元件右行极距：举例：2p＝4，u=1，Z＝Z

e＝S＝K＝15，左行短距单波绕组一、节距计算节距计算y,y1,y2画绕组展开图安放电刷和磁极元件、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：放在与主磁极轴线重合的换向片上。即几何中心线上。

单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷单波绕组展开图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上层边下层边电路图单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，即a＝1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷，即电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；5）电枢电流等于两条支路电流之和。即Ia=2ia4）电枢电动势等于支路感应电动势；因只有两条支路，元件一定时，可得到较高的电压；单叠绕组和单波绕组的主要区别单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数，每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。相同元件数时，叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，称并联绕组，适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路，即N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2，整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。相同元件数时，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，称串联绕组，适用于较高电压、较小电流的电机。大容量的电机，可以采用混合绕组。直流电机绕组归纳直流电机的电枢绕组总是自成闭路;电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶数；且至少有2条并联支路；

单叠绕组：a=p

即并联支路对数恒等于电机极对数单波绕组：a=1 即并联支路对数恒等于1电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。1.了解直流电机的磁路2.理解直流电机的磁动势和磁场本节基本要求1.3直流电机的磁场1.3.1励磁方式直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不同的联接，决定了不同的励磁方式。不同的励磁方式，电机的性能将不同。

图1－15各种励磁方式的直流发电机他励：励磁绕组与电枢绕组无关－－电枢电流－－额定电流（回路电流）－－励磁电流

并励：励磁绕组与电枢绕组并联串励：励磁绕组与电枢绕组串联

短分接法长分接法复励：既有并励绕组又有串励绕组1.3.2直流电机的空载磁场直流电机的空载是指励磁绕组里有励磁电流，电枢电流等于或近似为零的一种运行状态。1、直流电机的磁路主磁通磁路：气隙1－电枢齿－电枢轭－S极电枢齿2－S极气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1－气隙1四极直流电机空载时的磁场示意图

直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路当励磁绕组的串联匝数为Nf

，流过电流If

，每极的励磁磁动势为：空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为平顶波，空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。

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定量的每极磁通，空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。1.3.3直流电机负载时的负载磁场1、电枢磁动势：直流电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也产生磁动势，称为电枢磁动势；由电枢磁动势建立的磁场称为电枢磁场。电枢磁场分布图1.3.3直流电机负载时的负载磁场1、电枢磁动势：直流电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也产生磁动势，称为电枢磁动势；由电枢磁动势建立的磁场称为电枢磁场。

当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果(电枢磁动势产生的磁场与励磁磁动势产生的主磁场相互垂直)。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主磁极磁场一起，在气隙中建立一个合成磁场。下面以两极电动机为例分析合成磁场分布情况。为了方便，换向器通常不画出来，而把电刷画在电枢圆周上，如图1.13所示。图中，电刷处在几何中性线n-n上。图1.13直流电动机气隙磁场分布示意图（a）主磁极磁场；（b）电枢磁场；（c）合成磁场图1.13(a)所示为空载磁场分布情况。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m。空载时物理中性线与几何中性线重合。图1.13(b)所示为电枢磁场，它的方向由电枢电流确定，电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布。图1.13(c)所示为合成磁场，它是主磁极磁场与电枢磁场合在一起产生的。可以看出，由于电枢磁场的出现，对主磁极磁场的分布有明显的影响，这种现象称为电枢反应。从图1.13看出，当电刷在几何中性线时，电枢反应表现如下：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：

2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁