直流电机基本知识

电机一、机车驱动原理:由牵引电动机将电能转变为机械能，通过电机齿轮带动轮轴转动驱动车辆运行。二、牵引电动机通常是指用来驱动机车车辆的电动机，它的运行性能直接影响着机车车辆的牵引性能。牵引电机分类;直流、脉流、单向整流子、交流异步、交流同步、直线异步与同步电机等。机车广泛采用直流牵引电动机，具有优良的牵引和制动性能，通过调节端电压和励磁电流，就可方便地进行调速，但是在高电压大功率时电位条件恶化，换向变得困难，工作可靠性降低，维修麻烦。随着大功率晶闸管的研发成功，解决了交流电动机的调速问题，交流电动机没有换向器，消除了直流电动机换向引起的一系列问题，具有体积小转速高，重量轻，维修方便的特点。牵引电机安装在车底转向架上，通过传动装置与轮对相连，机车在牵引状态时牵引电动机将电能转换为机械能，通过轮对与钢轨产生牵引力，驱动列车运行。

当机车进行电制动状态运行时，牵引电机转换成发电机状态，将机械能转换成电能，通过钢轨产生制动力。第一章直流电机的基本知识

直流电机是电能和机械能互相转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电机，将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流电动机具有良好的启动性能，调速性能，被广泛地用于铁路机车、无轨电车、地铁轻轨电车组中。如:地铁门控制系统、刮雨器控制系统第一节电机基础一、电机的基本功能与分类电机是能量转换和信号转换的电磁装置。控制电机用来实现信号的转换，动力驱动电机用于能量转换。一般用于城轨的驱动电机有旋转电机与直线电机。旋转电机按工作电源分为直流电机和交流电机。交流电动机可分为单相和三相交流电动机；按机构原理可分为异步电机和同步电机。同步电动机可分为旋转电枢式和旋转磁极式同步电动机，异步电动机可分为感应和交流换向器电动机；按转子的结构分为笼型感应和绕线转子感应电动机。直线电机也有同步与异步之分。二、电机的原理是通过电磁感应原理来实现能量转换的，电和磁是构成电机的两大要素。电机中由导体、线圈、绕组构成的电路，可以是直流电路也可以是单相、两相或三相交流电路。电机内部件固定不动的部分称为定子，旋转的转动部分称为转子，二者之间必须有气隙才能工作。三、基本定律1.全电流定律:解释为进入某个节点的电流与流出节点的电流相等。2.电磁感应定律:变化的电场(电流)产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场(电流)。3.电磁力定律:通电导体在磁场中要受到力的作用。在旋转电机中，作用在转子通电导体上的电磁力使转子产生力矩-电磁力矩，产生能量转换。第二节直流电机基工作原理什么是直流电机？定义：将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，它可用作电动机或发电机。什么是直流电机？直流电机的用途1.作电源用——直流发电机2.作动力用——直流电动机

3.信号的传递作为测量元件——直流测速发电机作为执行元件——直流伺服电动机直流电机的优缺点优点：直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。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，起动和制动转矩较大。缺点：由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。主要内容1直流电机的工作原理、主要结构、额定值2直流电机的电枢绕组3直流电机的电枢反应4电枢绕组感应电动势和电磁转矩5直流电机换向U+–NS转动：绕组线圈、换向器；静止：主磁极、电刷电枢1.1直流电机的主要结构右手定则的内容是：伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指指向感应电流的方向。1.2直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理右手定则A+B-A+B-（一）直流发电机工作原理右手定则注意：电刷与负载连接固定不动，电刷压在换向片上。换向器和线圈连接并转动，无论怎样转动，总是上半边A的电流向外，下半边B的电流向里。（一）直流发电机工作原理

通过电刷和换向器将交流变成直流，其作用相当于单相全波整流器。（一）直流发电机工作原理增加导体数可减少感应电动势和电磁转矩的脉动。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。

（一）直流发电机工作原理提问哪些部件转动、哪些部件不动？绕组线圈电流性质、电刷端电流的性能？实际电机结构要在物理模型上作哪些改动？转动：绕组线圈、换向器；静止：主磁极、电刷绕组线圈：交流；电刷端：直流增加铁心、绕组线圈数、轴承、端盖等1.2直流电动机的工作原理左手定则n逆时针转向n逆时针转向左手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，则大拇指的方向就是导体受力的方向（二）直流电动机工作原理电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩方向不变。换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，即电枢受到的电磁转矩的方向始终不变。这就可以使电动机能连续的旋转。（三）直流电机的可逆性对于一匝线圈，电功率，机械功率。即电势所形成的电功率等于电磁力所产生的机械功率。在旋转的电机中，不论是发电机还是电动机，这两种功率是等量存在的，这两种能量形式是可逆的。电功率机械功率

一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。（三）直流电机的可逆性一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。1.3直流电机的主要结构风叶磁极电刷电枢转子转轴换向器换向片压紧环电枢绕组绕组端部分解图换向器1.3直流电机的主要结构主磁极换向极机座端盖轴承电刷装置产生磁场、电机的机械支撑电枢铁心电枢绕组换向器轴风扇感应电势，而实现能量转换的部分

定子（固定部分）转子（转动部分）1.3直流电机的主要结构二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（一）定子各部件安装结构极数：主磁极的个数，等于2p二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（一）定子各部件安装结构（1）主磁极

构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。作用：建立主磁场。二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（一）定子各部件安装结构（2）换向极

构成：换向极常用整块钢或厚钢板制成。换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极作用：用于改善换向二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（一）定子各部件安装结构（3）机座构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：1、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（一）定子各部件安装结构（4）电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直流电压电刷组数一般等于电机极对数二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（一）定子各部件安装结构（4）电刷装置二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（二）转子各部件安装结构二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（二）转子各部件安装结构（1）电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。

构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（二）转子各部件安装结构（1）电枢铁心二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（二）转子各部件安装结构（2）电枢绕组作用：直流电机的电路部分。

构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（二）转子各部件安装结构（3）换向器

作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。二、直流电机主要结构15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值（二）转子各部件安装结构（3）换向器三、直流电机的励磁方式15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响他励——励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接自励——励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励自励三、直流电机的励磁方式15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励自励并励串励复励三、直流电机的励磁方式15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值励磁绕组的供电方式称为励磁方式。I=Ia+If

，Ia=If'

I=Ia=IfI=Ia+IfI=Ia，If与Ia无关

复励直流电动机串励直流电动机并励直流电动机他励直流电动机四、直流电机的额定值15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值额定功率：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。额定电压：

指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。额定电流：

指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。额定转速：

指额定状态下运行时转子的转速，以“r/min”为量纲单位。额定励磁电流：

指电机在额定状态时的励磁电流值。四、直流电机的额定值15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值

对于直流发电机，是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。

对于直流电动机，是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率存在。

（五）直流电机的可逆性一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。直流电机的磁场和换向直流电机的磁场

直流电机运行时除了主磁极外，若电枢绕组中有电流流过，还将产生电枢磁场。这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。它将直接影响电机的电枢电势和电磁转矩。直流电机的空载磁场直流电机负载时的磁场直流电机的电枢反应

直流电机的换向换向是指电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路，经过电刷短路，进入另一条支路，其电流方向改变的过程。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花。若火花在电刷下的范围很小，亮度很弱，呈现兰色，对电机并无危害。若电刷下火花范围较大、比较强烈，对电机会有危害。改善换向的方法安装换向极正确选用电刷

返回第六节直流电机的换向

定义：

直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。

一.换向的电磁现象下图是某一单叠绕组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换向片宽度相等，电枢以υa的速度从右向左旋转。

1、换向之前：如图（a）所示，电刷与换向片1接触，1号元件中的电流ia从下层边流向上层边，设为+ia，元件处于右支路。

2、换向之中：如图（b）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号元件被短接，元件中的电流正从+ia向-ia变化。

3、换向之后：如图（c）所示，电刷与换向片2接触，1号元件中的电流ia从上层边流向下层边，电流为-ia，元件处于左支路。

4、电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元件的换向时间称为换向周期，记作：Tk。说明实际电机换向时，换向元件中Σe≠0。换向元件中存在以下电动势：（1）自感电动势eL换向元件中电流变时产生的自感电动势（2）互感电动势eM同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势，通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势eX，即：。电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，eX方向应与换向前元件的电流方向一致。1.换向元件的电抗电动势1、直线换向当时换向元件电流随时间线性变化。当时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。2、延迟换向当时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。3、超前换向换向元件中的电流变化

二、改善换向的方法由于换向元件中的Σe=ea+ex≠0，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流产生，设闭合回路的总电阻为ΣR，环流为：环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随时间直线变化，电流的变化比直线换向慢，如图曲线2所示，这种换向称为延迟换向。延迟换向使电刷电流密度不均匀，电刷后部电流密度比前部大，因此在电刷后部出现火花。方法

1、为了改善换向，应使ik=0，想办法产生ek，使ek大小等于ea+er，方向与ea+er的方向相反，则Σe=0。如果ek作用大于ea+er，则电流变化如图曲线3所示，这种换向称为超前换向，超前换向使电刷前部出现火花。

2、改善换