第1章直流电机的工作原理、结构及额定值

1.2直流电机的结构1.1直流电机的工作原理1.3直流电机电枢绕组1.4直流电机的额定值直流电机(DCMachines)概述

直流电机是电机的主要类型之一。直流电机可作为发电机使用，也可作为电动机使用。

用作发电机可以获得直流电源，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。直流电机的用途:作电源用:发电机；作动力用:电动机；信号的传递:测速发电机,伺服电机

电动机的分类电动机

直流电动机交流电动机良好的启动性能和调速性能结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能

作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能

信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号

信号传递:直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号

直流电机的优缺点

1.直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。2.直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑

3.直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。4.由于存在换向器，其制造复杂，成本较高

1.1直流电机的工作原理1.1.1、直流发电机工作原理

右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。

当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。

导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。

实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。环形绕组直流电机1.1.2、直流电动机工作原理

把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。

直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。

在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。

与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。

当电枢旋转到右图所示位置时直流电动机的工作原理示意图:1.2直流电机的结构主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。定子转子电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承轴承轴承定子转子换向器电机剖面图磁极数－主磁极的个数磁极对数=磁极数/2用来产生主磁场和在机械上支撑电机1.2.1定子1.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。

2.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。

注：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。

3.机座——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。4.端盖5.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，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。转子结构图电枢绕组电枢铁心产生感应电势或者产生机械转矩1.2.2转子1.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。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

2.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。

换向器图电刷换向片保持电枢绕组电流方向不变3.换向器：换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，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。

1.3直流电机的电枢绕组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

环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。鼓形绕组又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。

环形电枢绕组

鼓形电枢绕组

线圈在槽内放置

电枢铁心每个槽子上下层各放u个元件边，槽为实槽，包含u个元件每一个为一个虚槽，实槽数Z，虚槽Zu＝u*Z，整个绕组元件数S＝Zu每个元件有两个边，换向片总接有两个元件边，元件数S＝换向片数K电枢绕组与换向片（器）通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。结论：电枢绕组与电刷连接位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。电枢绕组感应电动势和电流方向根据主极磁场方向和电枢转向，可知：上半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向外；下半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向内。思考：N、P电刷放在换向器什么位置，可在两个电刷间获得最大的感应电动势？结论：只有把N、P电刷放在主磁极轴线对应的换向器表面（如图中时刻电刷和1、4换向器接触），这样通过电刷，1、2、3、4号换向片把1（红）、2（湖兰）、3（紫）号3个元件串联组成的一条并联支路感应电动势最大。对称的关系，4、5、6、1号换向片把剩余3个元件串联组成的另外一条并联支路电动势完全一样。电枢元件感应电动势的方向，决定了元件中电流的方向。电枢绕组感应电动势方向和电流的方向直流电机电枢简化模型

右图的模型图中不再画出换向器和绕组端接线，直接将电刷移到几何中心线位置处的元件边相接触。另外，在模型中，每个极下电枢表面均匀分布的导体表示绕组的一条支路，两个极下的两条支路通过电刷并联，电刷外部电路中的电流为一条支路电流的2倍。电刷中心线也是电枢表面电流分布的分界线。直流枢绕组基本知识1.3直流电机的电枢绕组元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。叠绕组：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。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第二节距：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。单叠绕组单波绕组换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。单叠绕组

单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即：。

单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，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。单叠绕组的展开图（4极16槽）根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点：1）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。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。单波绕组（4极15槽）

单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。

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。单波绕组的并联支路图: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，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）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。1.4直流电机的铭牌数据额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额