第6章直流电机的用途、基本工作原理和结构

第六章直流电机的用途、基本工作原理与结构§6-1直流电机及其用途本文档共42页；当前第1页；编辑于星期二\18点0分电源励磁机测速伺服直流电机的用途本文档共42页；当前第2页；编辑于星期二\18点0分直流电机的用途直流电机分为电动机和发电机。直流发电机把机械能转化为电能；直流电动机把电能转化为机械能。直流发电机主要做直流电源用；直流电动机广泛应用于电力机车、重型机械及轧钢机等动力装置中。本文档共42页；当前第3页；编辑于星期二\18点0分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，启动和制动转矩较大。调速时的能量损耗较小。易于控制，可靠性高。换向困难，使直流电机容量受到限制。本文档共42页；当前第4页；编辑于星期二\18点0分§6-2直流电机的基本工作原理本文档共42页；当前第5页；编辑于星期二\18点0分1、直流电动势的产生电磁感应定律：

e=Blv

满足右手定则eBA为随时间正负交变的电动势结论：本文档共42页；当前第6页；编辑于星期二\18点0分1、直流电动势的产生结论：由于静止电刷和旋转换向器的作用，

eBA为脉动的直流电动势。本文档共42页；当前第7页；编辑于星期二\18点0分2、平均电磁转矩的产生电磁力定律：f=Bil满足左手定则以单线圈简化模型为例，进行分析。显然，在电刷间接入直流电源后，在线圈中就有直流电流流过。本文档共42页；当前第8页；编辑于星期二\18点0分2、平均电磁转矩的产生本文档共42页；当前第9页；编辑于星期二\18点0分2、平均电磁转矩的产生直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流。图中电刷相对于磁极的位置保证不变，无论线圈边处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生逆时针方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩。本文档共42页；当前第10页；编辑于星期二\18点0分直流电机的物理模型本文档共42页；当前第11页；编辑于星期二\18点0分电势正方向：abcdB+,A-直流发电机的工作原理（1）换流过程abcdABabcdABdcabAB无感应电势电势正方向：dcbaB+,A-线圈也要产生电磁转矩，与转子方向（拖动转矩）相反。本文档共42页；当前第12页；编辑于星期二\18点0分（2）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；本文档共42页；当前第13页；编辑于星期二\18点0分直流电动机的工作原理（1）换流过程abcdabcddcab电流正方向：dcba转矩方向：顺时针电势方向：abcd电流正方向：dcba转矩方向：电势方向：电流正方向：abcd转矩方向：顺时针电势方向：dcba本文档共42页；当前第14页；编辑于星期二\18点0分（2）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；本文档共42页；当前第15页；编辑于星期二\18点0分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。本文档共42页；当前第16页；编辑于星期二\18点0分§6-3直流电机的主要结构一、直流电机的结构本文档共42页；当前第17页；编辑于星期二\18点0分定子和转子本文档共42页；当前第18页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分定子通常指磁路中静止部分及其机械支撑，包括机座、磁轭、主磁极、换向极等。一、机座和磁轭：固定主极及端盖，也作为磁轭构成一部分磁路（定子磁轭）。由铸钢或钢板焊接而成，使具有良好的导磁性能和机械性能。二、主磁极主磁极作用：产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度B按方波沿空间分布。本文档共42页；当前第19页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分极靴作用：①卡住励磁绕组；②使主磁通在气隙中分布合理。主磁极结构机座极身极靴励磁绕组主磁极叠片思考：①主磁极为何用冲片叠装？ ②极靴有何作用？本文档共42页；当前第20页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分有极靴气隙磁通分布合理无极靴气隙磁通分布不合理NNSS无磁场区域大NSSN①主磁极铁心：主磁通交变产生铁耗，为减少铁耗，采用叠片结构。铁芯用0.5~1.5mm的钢板冲片叠压紧，然后再套上励磁绕组。本文档共42页；当前第21页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分本文档共42页；当前第22页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分1、磁极表面对应电枢齿槽，齿槽单复数不同，磁极表面对应槽时气隙大，磁通Ø小；磁极对应齿时气隙小，磁通Ø大。电枢移动时，Ø脉振，产生少许铁耗。磁通交变的原因：

NØS

Ø

v2、电枢旋转经过N、S极，如右图所示，电枢中有交变磁通。本文档共42页；当前第23页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分ØS

N

绕制好的励磁绕组套在铁芯外②

励磁绕组

可用圆截面或矩形截面的绝缘导线绕在绕组框架上，经浸胶（漆）及烘干后一起套入主磁极铁芯。各主极上的励磁绕组彼此间用串联方式连接，保证各磁极电流相等。线圈绕向不同，使磁极N、S交替。本文档共42页；当前第24页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分换向极作用：帮助换向。三、换向极

换向极形状比较简单，常用厚钢板略加刨削而成，但在要求高的场合也要求用钢片叠装而成。

换向极上装有换向极绕组，一般由粗的扁铜线绕成，总是与电枢绕组串联的。本文档共42页；当前第25页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座（摇环）组成。电刷（石墨）放在刷握上的刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上，而刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上（不止一个电刷），必须绝缘。刷杆座可转动，调节好与换向器的对应接触位置后，固定在端盖或机座上。铜丝辫是外部电源与电刷的连接线。四、电刷装置本文档共42页；当前第26页；编辑于星期二\18点0分1、定子部分本文档共42页；当前第27页；编辑于星期二\18点0分2、转子部分一、电枢铁心转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承。

电枢铁芯固定在转子支架上或直接固定在转轴上，提供主极下磁通的通路。由电枢铁心和主磁场间的相对运动，导致铁耗，通常由0.5mm厚的电工硅钢片冲叠，每张冲片有嵌放绕组的槽。本文档共42页；当前第28页；编辑于星期二\18点0分2、转子部分本文档共42页；当前第29页；编辑于星期二\18点0分2、转子部分二、电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成。它是直流电机的主要电路部分。电动机通电流产生电磁转矩，发电机感应产生电动势都在电枢绕组中，它是实现机电能量转换的关键部件。电枢绕组实物图本文档共42页；当前第30页；编辑于星期二\18点0分2、转子部分槽楔导体（线圈）层间绝缘槽底绝缘槽绝缘电枢槽横截面线圈伸出槽外的端接部分，用非磁性钢丝或玻璃丝带紧，防止离心力将绕组甩出槽内。槽楔把绕组压紧在槽内，防止离心力将绕组甩出槽内。电刷1

2槽内部分换向片本文档共42页；当前第31页；编辑于星期二\18点0分2、转子部分三、换向器换向器与电枢首尾相连，随轴转动。换向器由换向片组成，电枢中每个线圈两端分别焊接在两个换向片上。换向器的作用是与电刷装置相配合，使电枢线圈中的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。换向片之间用0.4～1.2mm的云母片绝缘，换向片嵌入V形套筒，V形套筒又套在轴上，与电枢同轴转动。本文档共42页；当前第32页；编辑于星期二\18点0分2、转子部分本文档共42页；当前第33页；编辑于星期二\18点0分直流电机的基本结构总结主要由定子和转子两部分组成轴承换向极直流电机定子转子机座主磁极电刷装置电枢铁心换向器风扇转轴电枢绕组本文档共42页；当前第34页；编辑于星期二\18点0分3、直流电机的铭牌数据本文档共42页；当前第35页；编辑于星期二\18点0分4、直流电机的额定值额定容量PN（kW）：输出功率；额定电压UN（V）：额定状态下出线端电压；额定电流IN（A）：额定状态下出线端电流；额定转速nN（r/min）：额定状态下的电机转速；直流发电机：PN＝UN·IN直流电动机：PN＝UN·IN·N★励磁方式：有并励、串励、复励和他励等。本文档共42页；当前第36页；编辑于星期二\18点0分5、直流电机按励磁方式的分类1）他励式（电机需要两套电源）他励式的励磁绕组由另外一个电源供电励磁。永磁式直流电机因其主磁场由永久磁铁建立，属于他励式。他励式UE-IfUf+-+-本文档共42页；当前第37页；编辑于星期二\18点0分5、直流电机按励磁方式的分类2）自励式（电机只需一个电源）

励磁绕组与电枢绕组按一定的关系相连接，对直流电动机而言励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电；对发电机而言，励磁电流由该电机电枢供电。按励磁绕组与电枢绕组的连接方式分为：并励、串励和复励。本文档共42页；当前第38页；编辑于星期二\18点0分5、直流电机按励磁方式的分类电动机电流关系：I=Ia+If发电机电流关系：Ia=I+If

并励式UE-+①并励-+-+本文档共42页；当前第39页；编辑于星期二\18点0分5、直流电机按励磁方式的分类Ia=I=If

串励电机电流关系：串励式+-E-+UI②串励本文档共42页；当前第40页；编辑于星期二\18点0分5、直