《电气控制与PLC》课件-2.1直流电机的结构与原理

铁道机车专业教学资源库学习目标:掌握直流电动机的工作原理、结构。能分析直流电动机转速、电磁转矩的变化与各参数的关系。能分析电机的换向及改善换向方法。会利用直流电动机的工作特性和机械特性分析实际问题。熟悉直流电动机起动、调速、反转和制动方法。牵引电机为直流电机。案例：机车在牵引状态时，牵引电机将电能转换成机械能，通过轮对驱动机车运行，此时电机处于电动机状态；机车在电气制动状态下运行时，牵引电机将机械能转化为电能，产生电制动力，此时电机处于发电机状态。

第一节：直流电机的工作原理一、直流电机的基本工作原理直流电机分类:直流电动机直流发电机n右手定则判断方向（一）直流发电机工作原理一、直流电机的基本工作原理不动不动

与绕组一同旋转

实际中需要多个线圈（一）直流发电机工作原理（一）直流发电机工作原理通过换向器和电刷将交流变为直流电引出至负载建立磁场导体切割磁场产生交变的感应电势绕组中的电动势交变.电刷两端获得直流电动势结论：

e=BXlv

（二）直流电动机的工作原理外部提供用左手定则判断受力方向及形成的转矩方向：f=BXli

通过电刷和换向器将直流变为元件的交流电引入产生电磁转矩使电机旋转带动负载旋转建立磁场交流→直流过程？思考：（二）直流电动机的工作原理电刷外接直流电源经过换向器后，绕组中流过交流电二、电机的可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。电机的实际运行方式由外施条件决定：第二节直流电机的结构旋转部分:静止部分:定子转子中间有气隙第二节直流电机的结构第二节直流电机的结构小型直流电动机的剖面结构一、定子部分电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。作用:构成:磁极机座换向极电刷装置端盖和轴承（一）主磁极产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度

励磁绕组铁心作用：（二）机座整体机座:起导磁和机械支撑作用叠片机座:只起机械支撑作用（三）换向极安装在相邻的两主磁极之间，用螺钉固定在机座上，用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。用整块钢制成，也可用厚1~1.5mm厚钢板或硅钢片叠成（四）电刷用石墨制成的导电块（五）端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换作用:构成:电枢铁心换向器电机转轴电枢绕组轴承和风扇二、转子部分（一）电枢铁心材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。

作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。（二）换向器材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。作用：实现电刷内外交直流的转换。（三）转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。（四）电枢绕组用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。线圈元件边在槽内的放置情况1．基本知识作用元件元件的首末端实槽和虚槽主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。三、空气隙作用：保证了电机的安全运行，又是磁路的重要组成部分。小型电机气隙约为1～3mm；大型电机气隙可达10～12mm

。第四节直流电动机的电动势、电磁转矩和功率一、直流电机的励磁方式和磁场（一）励磁方式1．他励电机分别由两个不同的电源供电。电压可以相同，也可以不同。2．并励电机由同一电源供电。励磁电流一般为额定电流的5%3．串励电机If=Ia，励磁电流数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。3．串励电机特点：具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，空载时有极高的转速。应用：不准空载或轻载运行。常用于要求很大起动转矩且转速允许有较大变化的负载等。4．复励电机串励绕组他励或并励绕组通常他励（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相同。积复励：串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相反。差复励：绕组名称电枢绕组换向极绕组补偿绕组串励绕组并励绕组他励绕组线端名称A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2直流电机各绕组线端的符号（二）空载时直流电机中的磁场直流电机空载时，电枢电流为零，只有励磁绕组中存在电流。因此，空载时电机的气隙磁场完全由励磁绕组的电流所产生。（三）电枢磁场电枢磁场：电枢绕组通过电流产生的磁场电枢磁场沿电枢表面的分布情况，与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中，电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布，所以电枢磁场的分布情况与电刷的位置有关。（四）电枢反应直流电机带上负载运行后，电枢里有电流流过，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场的出现有可能对主极磁场产生影响，这种影响称为电枢反应二、直流电机的电枢电动势电枢电动势：直流电机正、负电刷之间的感应电动势，即每个支路里的感应电动势。电动势常数，电机做好后仅与电机结构有关：N为电枢导体总数三、直流电机的电磁转矩制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比四、直流电机的功率（一）电机的损耗1．铜耗PCu是电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜耗和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜耗将引起绕组及换向器发热。随着电机的负载变化，称为可变损耗。2．机械损耗Pmec电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围空气摩擦所引起的损耗，主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关。机械损耗将引起轴承和换向器发热。

3．铁耗PFe

交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗（一）电机的损耗空载损耗P0

：（一）电机的损耗P0=PFe+Pad空载损耗P0与电机的负载无关，也称不变损耗4．附加损耗Pad附加损耗很难精确计算，一般估计为电机输出功率的（0.5~1）%，即

Pad=（0.5~1）%P2

电机的总损耗

P：

P=PCu+PFe+Pad+Ps=PCu+P0

（二）电磁功率电磁功率Pem

：通过电磁作用传递的功率发电机：Pem=P1−P0

P2=Pem−Pcu=UI

电动机：Pem=P1−PCu

P2=Pem−P0=T2

（三）功率平衡方程式五、直流电动机的基本方程电动机参考方向惯例E=CeΦnU=Ea+RaIaT=CTΦIaT=T2+T0

=P2+ΣP六、直流电机的换向直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行，甚至引起事故。（一）换向概述一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改变方向（三）改善换向的方法目的:

消除或削弱电刷下的火花1．选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻2．装设换向极方法:装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上1.在换向元件处产生一个磁动势，把电枢反应磁动势抵消掉，使得切割电动势ea=0；2.产生一个气隙磁通密度，换向元件切割磁场产生感应