《电机原理与维修》课件第16章

第16章直流电机的工作原理及结构16.1直流电机的工作原理及结构16.2直流电机的结构简介16.3直流电机的铭牌习题

16.1直流电机的工作原理及结构16.1.1直流发电机的工作原理图16-1是一个简单的发电机模型的工作原理图，N、S为一对固定的磁极(一般是电磁，也可以是永久磁铁)，两个磁极间装有一个可转动的铁质材料的圆柱体，其表面上嵌放着一个线圈，线圈的两个边分别为ab、cd。我们把这个嵌放有线圈的圆柱体叫做电枢。如果a、d端是开路状态，则是原动机拖动电枢，使之以恒速n转动，电动势的大小随时间按正弦规律变化。所以说，当线圈的a、d端是开路状态时，发电机是交流发电机。图16-1直流发电机的工作原理图把a、d两端分别接到两片彼此绝缘的圆弧形换向片上。换向片固定在转轴上,换向片构成的整体称为换向器,它和电枢绝缘,与电枢一起转动。为了把电枢和外电路接通，在换向片上放置了在空间位置固定不动的电刷A和B，电刷引出线接负载，如图16-1所示。电刷A只能和转到上面的一片换向片相接触，而电刷B只能和转到下面的一片换向片相接触。装了这种换向器以后，在电刷A、B之间得到的电动势就是单向的了。分析如下：当ab导体处在N极下的时候，由右手定则可知，电动势的方向为b→a→A，电刷A的极性为“+”。cd导体处在S极下时，电动势的方向为B→d→c，电刷B的极性为“-”，负载(接于电刷A、B上)上的电流方向是由A流向B。当电枢转过180°时，元件的两个有效边的位置互相调换，此时电刷A通过换向器与处于N极下的cd导体相连，cd导体的电动势反向变为c→d→A,电刷A的极性为“+”,电刷B通过换向片与处于S极下的ab导体相连，ab导体的电动势反向变为B→a→b，电刷B的极性为“-”。可见，通过换向器的作用，使电刷A始终与N极下的线圈边相连，使电刷B始终与S极下的线圈边相连，所以当电枢在磁场中旋转时，线圈中的电动势虽然是交变的，但电刷之间的电动势却是一个方向不变的脉振电动势。实际的直流发电机的电枢上嵌放着连接在一起的多个线圈，电动势的脉动度很小，可见认为是直流电动势。相应的发电机是直流发电机。16.1.2直流电动机的工作原理如图16-2(a)、(b)所示。同发电机一样，电刷A只能和转到上面的一片换向片相接触，而电刷B只能和转到下面的一片换向片相接触。装了这种换向器以后，如将直流电压加在电刷两端，使电流从正极性电刷A流入，经线圈a→b→c→d或d→c→b→a从负极性电刷B流出。由于电流总是经N极下的导体流进去而从S极下的导体流出来，根据电磁力定律可知，上下两根导体受电磁力作用而形成的电磁转矩始终是逆时针方向，带动轴上的负载按逆时针方向旋转。需要注意的是此种情况下直流电动机电枢线圈中的电流的方向是交变的。但产生的电磁转矩却是单方向的，这正是由于有换向器的原因。图16-2直流电动机的工作原理图从以上分析可以看出，一台直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只有外界的条件不同而已。用原动机拖动直流电机的电枢，使之以一定的速度旋转，且电刷上不加直流电压，那么电刷端可以输出直流电动势，接上负载就能输出电能，电机把机械能变换成电能而成为发电机。如果在直流电机的两电刷上，接上直流电源，使电枢流过电流，电枢在磁场中受到电磁转矩而旋转，拖动生产机械，把电能转换成机械能，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，在电机理论中称为可逆原理。16.2直流电机的结构简介直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定、转子之间有一定的间隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和作电机的机械支撑，由主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。转子上用来感应电动势而实现能量转换的部分称为电枢，它包括电枢铁芯和电枢绕组。另外转子上还有换向器、转轴、风扇等部件。图16-3所示为直流电机的横剖面示意图。图16-3直流电机的横剖面示意图16.2.1定子部分

1.主磁极主磁极(简称主极)用来产生气隙磁场并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。一般由1~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压成主极铁芯，上面套上励磁绕组，整个磁极用螺钉固定在机座上。

2.换向极换向极的作用是改善电机的换向性能。由换向极铁芯和套在其上的换向极绕组构成。换向极绕组与电枢绕组电路相串联，换向极装在两相邻主极之间并用螺钉固定在机座上。

3.机座机座一方面用来固定主极、换向极和端盖等部件，并借助于底脚将电机固定在基础上，起机械支撑的作用；另一方面它还是电机主磁路的一部分，机座中有磁通经过的部分称为磁轭，机座通常用铸钢件或钢板卷焊而成。

4.端盖端盖装在电机机座两端，其作用是：保护电机免受外部机械破坏，同时用来支撑轴承，固定刷架。在后端盖上设有观察窗，可观察火花的大小。

5.电刷装置电刷装置是直流电压、电流引出(或引入)的装置。它由于电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流排等组成。电刷组的数目一般等于主磁极的数目，各电刷组在换向器表面的分布应是距离相等的。图16-4为电刷与刷握装置。图16-4刷握与电刷16.2.2转子部分

1.电枢铁芯电枢铁芯的作用是作为磁通的通路和嵌放电枢绕组。为减少磁滞和涡流损耗，电枢铁芯一般用厚0.5mm的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成的，每张冲片冲有槽和轴及通风孔，如图16-5所示。对于容量较大的电机，为了加强冷却，把电枢铁芯沿轴向分成数段，段与段之间留有宽10mm的通风道，整个铁芯固定在转子支架或转轴上。图16-5电枢铁芯冲片

2.电枢绕组电枢绕组的作用是感应电动势和通过电流，是电机实现机电能量转换的关键部分，电枢绕组是由绝缘导线绕成的线圈嵌放在电枢铁芯槽内，按一定规律接到换向器上形成闭合回路。线圈与铁芯之间以及上下层线圈之间均要妥善绝缘，如图16-6所示。图16-6电枢槽内绝缘

3.换向器换向器的作用是将电枢线圈中的交流变换为电刷间的直流或反之。图16-7为拱形换向器的结构图，它是由许多带有鸽尾的梯形桐片组成的一个圆筒，片间用云母绝缘，两端用V形钢环借金属套筒和螺旋压圈紧固成一个整体。V形钢环与换向片之间用V形云母环进行绝缘。为节省铜材，换向器有升高片，线圈出线端焊在升高片的小槽上。由于拱形换向器结构复杂，目前小型直流电机已广泛采用塑料换向器，见图16-8，它用酚醛玻璃纤维塑料垫压成形，以简化工艺，节省材料。图16-7拱形换向器图16-8塑料换向器16.3直流电机的铭牌每台直流电机机座的醒目位置都有一个铭牌，如图16-9所示。上面标注着一些额定数据及电机产品数据，供用户参考。铭牌上标注的数据主要有：电机的型号、额定值、绝缘等级、励磁电流及励磁方式，另外还有生产厂商和出厂数据。图16-9直流电机的铭牌16.3.1型号型号表示直流电机的结构和使用特点，国产电机的型号多采用汉语拼音的大写字母及阿拉伯数字表示，其格式为：除Z2系列外，还有Z3、Z4等系列直流电机，同时还有专用系列的直流电机，如：

ZJ系列：精密机床用直流电动机；

ZTD系列：中速电梯用直流电动机；

ZTDD系列：低速电梯用直流电动机；

ZT系列：广调速直流电动机；

ZQ系列：直流牵引电动机；

ZH系列：船用直流电动机；

ZA系列：防爆安全型直流电动机；

ZC系列：电铲用起重直流发电机；

ZZJ系列：冶金起重用直流电动机。其他系列直流电机可参见电机手册。16.3.2额定数据

1.额定功率PN额定功率指电机厂家规定的电机在额定条件下长期运行所允许的输出功率。一般用kW作单位。额定功率对直流发电机和直流电动机来说是不同的。直流发电机的功率是指电刷间输出的供给负载的电功率，PN=UNIN；而直流电动机的额定功率是指轴上输出的机械功率，PN=UNINηN。

2.额定电压UN额定电压指在额定条件下，电机的输出(对发电机来说)或输入电压(对电动机来说)。UN的单位为V。

3.额定电流IN额定电流指在额定电压和额定功率条件下电机的电流值。IN的单位是A。

4.额定转速nN额定转速指在额定电压、额定电流、额定功率条件下电机的转速。nN单位是r/min。

5.额定励磁电流IfN

额定励磁电流指在额定电压、额定电流、额定转速和额定功率条件下通过电机的励磁绕组的电流。

6.励磁方式励磁方式指直流电机的电枢绕组和励磁绕组的连接方式。一般有他励、串励、并励和复励等励磁方式。习题

16-1简述直流电机的基本结构，并说明各部分的作用。

16-2简述直流电机铭牌数据的含义。

16-3直流电机中，换向器起什么作用？

16-4一台直流发电机的额定功率