电机与拖动技术直流电机的基本知识(1)

电机运用与训练电气工程系自动化教研室李靖项目1：直流电机的运行与维护项目目标熟悉直流电机的基本工作原理与结构掌握直流电机的运行原理和运行特性掌握直流电动机电力拖动技术具备直流电机拆装与维修能力具备直流电机故障检测和排查的能力

单元1：直流电机的基本知识(1)

概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具各种电机

引进600MW汽轮发电机

国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机各行业广泛使用电动机电机发展历程1833年直流电机

1885年异步电动机

1889年三相系统

至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机☆

新能源技术风力发电波浪发电波浪能电站外景

波浪能电站内景

☆

新能源技术☆

机电一体化

如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通电动机,效果如下： 电冰箱：>1000万台/年，电量少15%洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%永磁直流无刷直流电动机外形图1直流电机结构图1、直流电机外壳；2、后端盖；3、风扇；4、定子；5、转子；6、电刷装置；7、前端盖一直流电机的基本工作原理和结构观看直流电机的结构分解动画2直流电机的主要结构主磁极：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这是一台直流电机的结构装配图和结构剖面图。旋转电机都是由定子和转子两大部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件，换向极用来改善换向。定子：主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。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。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。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，如图所示，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:电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

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。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——前面已经指出，在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电机中，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。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。

3直流电机的工作原理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。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问题：直流电动机如何改变转动方向？答：根据电磁力定律f＝Bil，改变直流电动机转向的方法有两种：一是改变磁场极性；二是改变电源的极性。改变电源极性改变磁场极性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，电枢绕组的电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电枢电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。直流电动机的铭牌举例电机型号：Z3--92含义Z一般用途的防护式中小型直流电机第三次改型设计机座号（共有12号，1号最小，12号最大;有时候标示出电机的中心高度,如Z3—200-2,中心高200mm）电枢铁心长度（1号为短铁心，2号为长铁心）其它型号见课本11页励磁方式(励磁绕组和电枢绕组的关系)(a)他励电动机

(b)并励电动机

(c)串励电动机

(d)复励电动机

此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。

电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。1

直流枢绕组基本知识二直流电机的电枢绕组简介

电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导体。对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体了，左图就是一个多匝元件。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。τnn.D:直径P:磁极对数

双层绕组一个电枢槽分为上下两层。将一个线圈的两个边分别放在电枢槽的上层和下层而形成的绕组称为双层绕组。实槽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。两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距。线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。虚槽概念在大型电机中,为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。实槽=?虚槽=?Z表示实槽数C表示每个实槽里的虚槽个数Ze表示电枢总的虚槽数每一元件有两个有效边，每一换向片上接有两个有效边，每一虚槽内放置有两个有效边，元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数

绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。第一节距

第二节距

合成节距

换向节距

2.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(电枢沿轴向剖开展成平面)，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。第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。为了让绕组感应出最大的电动势,应使y1接近或等于极距。单叠绕组的节距e为正分数，将y1补成整数的一个正分数。存在整距绕组,短距绕组,长距绕组上层边用实线,下层边用虚线表示单叠绕组的节距第二节距：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