第一章 直流电动机

1、第1章 直流电机 电机及拖动 许晓峰 主编 第1章 直流电机 1.2 直流电机电枢绕组简介 1.3 直流电机的电枢反应 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 直流电机的换向 1.6 直流发电机 1.7 直流电动机 1.1 直流电机的基本工作原理与结构 思考题与习题 第1章 直流电机 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.1 直流电机的主要结构 主磁极：产生恒定的、有一定空间分布形状的气隙磁通，由铁心和励磁绕组 构成。励磁绕组用来产生主磁通。铁心分为极身和极靴。 换向磁极：改善换向。容量超过1KW时应安装。 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。端盖上放置转轴。 定子 (静 止部 分) 转子 (可 旋转 部分 ) 电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。0.5mm的硅 钢片制成，减小磁滞和涡流损耗。 电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分

2、。 换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换 转轴 轴承 第1章 直流电机 1.1.2 直流电机的工作原理 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 一、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。 第1章 直流电机 当原动机驱动电机转子 以一定的转速逆时针旋转时 ，线圈abcd将产生感应电动 势。如右图，由右手定则( 拇指指转向)可判断，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。=BLV。 第1章 直流电机 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

3、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。 第1章 直流电机 二、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。 第1章 直流电机 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 第1章 直流电机 直流电 动机的 工作

4、原 理示意 图: 第1章 直流电机 1.1.3 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，电机 出线端的平均电压 在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流 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。 第1章 直流电机 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。 第1章 直流电机 1.2.1 直流枢绕组基本知识 1.2 直流电机的电枢绕组简介 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件 的首末端：

5、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。两个元件边是上元件边和下元件边。 叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联 起来，象波浪式的前进。 第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第1章 直流电机 合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 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层边间的距离。 单叠绕组 单波绕组 换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 1.2.2. 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： 。等于+1时为右行绕组，等于-1时为左行 绕组。 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，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1章 直流电机 单叠绕组的展开图画法： 一、计算绕组各节距

6、： Z为电机槽数，E为使 y1取整数的小数，其中取正号，线圈 为长距线圈，其中取负号，线圈为短距线圈，其中取零， 线圈为整距线圈。因为短距线圈用铜较少，所以我们通常 使用短距线圈。 二、画元件实线代表上层元件边，虚线代表下层元件边。 三、放置主磁极。主磁极要均匀分布。四、放置换向片。 五、连接元件与换向片。六、放置电刷。放置在主磁极中 心线上。目的是使被端接的元件感应电动势为零，同时正 负电刷间的电动势最大。 第1章 直流电机 单叠绕组的展开图 第1章 直流电机 根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图: 单叠绕组的的特点： 1）同一主磁极下的元件 串联成一条支路，主磁极 数与支路数相同a=p。 2）电刷数等于主磁极数 ，电刷位置应使感应电动 势最大，电刷间电动势等 于并联支路电动势。 3）电枢电流等于各支路 电流之和。 第1章 直流电机 . 单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下 图所示。 两个串联元件放在 同极磁极下，空间位置 相距约两个极距；沿圆 周向一个方向绕一周后 ，其末尾所边的换向片 落在与起始的换向片相 邻的位置。展开图步骤 与单叠绕组相同。

7、 第1章 直流电机 单波绕组的并联支路图: 单波绕组的特点 1）同极下各元件串联 起来组成一条支路，支 路对数为1，与磁极对 数无关； 2）当元件的几何形 状对称时，电刷在 换向器表面上的位 置对准主磁极中心 线，支路电动势最 大； 3）电刷数等于磁极数； 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。 第1章 直流电机 单叠绕组和单波绕组 当电机的极对数、元件数以及导体截面积相同的 情况下，单叠绕组并联支路数多、每个支路里的 元件数少，支路合成感应电动势较低；单叠绕组 并联支路数多，所以允许通过的总电枢电流就大 ，因此单叠绕组适应于低电压、大电流的直流电 机。而对于单波，支路对数与主磁极对数无关永 远等于一，每个支路里含的元件数较多，支路合 成感应电动势较高；由于并联支路数少，在支路 电流与单叠绕组支路电流相同的情况下，单波绕 组能允许通过的总电枢电流就小，所以单波绕组 适合应用于较高电压、较小电枢电流的直流电机 。 第1章 直流电机 1.3.1直流电机的空载磁场 1.3 直流电机的电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生 电枢磁动势。电

8、枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励 磁磁动势为： Ff为磁动势，单位 是安匝。 第1章 直流电机 励磁绕组里有励磁电流，其它绕组里无电流的磁场情况 ，称为电机的空载运行，此时的磁场称为空载磁场。直流电 机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产 生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁 路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是 主磁通的20%。 磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭 、电枢齿部、气隙进入S极， 再经定子铁轭回到N极 主磁通 主磁路 磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路 漏磁通 漏磁路 第1章 直流电机 大部分磁感线的路径是由N极出来，经气隙进入 电枢铁心的铁轭到另外的电枢齿，又通过气隙进 入S极，再经过定子铁轭回到原来的N极。这部分 磁路通过的磁通称为主磁通，主磁通所经过的磁 路称为主次路。还有小部分磁感线，它们不进入 电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或者定子铁 轭形成闭合回路，这部分磁通

9、称为漏磁通，所经 过的磁路称为漏磁路。主磁通产生电磁转矩，而 漏磁通不能，他只能增加主极磁路的饱和程度。 主次路分为五段：定、转子之间的气隙(磁导率为 常数)；电枢齿；电枢铁轭；主磁极和定子铁轭。 第1章 直流电机 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材 料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的 大小和形状。 几何中性线 极靴 极身 （a）气隙形状 磁极中心及附近的气 隙小且均匀，磁通密度较 大且基本为常数，靠近极 尖处，气隙逐渐变大，磁 通密度减小；极尖以外， 气隙明显增大，磁通密度 显著减少，在磁极之间的 几何中性线处，气隙磁通 密度为零。磁极极靴宽度 约为极距的75. 第1章 直流电机 空载时的气隙磁通密度为 一平顶波，如下图(b) 所示。 空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图(c) 所示。 第1章 直流电机 为了产生感应电动势或产生电磁转 矩，直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通 ，空载时，气隙磁 通 与空载磁动势 或空载励磁 电流 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。 为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定磁 通 设定在图中 A点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。 三、直流电机的空载磁化特性 第1章 直流电机 1.3.2 直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生 的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使使得电机的磁 场发生变化。 一、电枢磁动势的分布 为了方便，把电机的气隙圆周展开成直线，把直角坐标系统放 在电枢的表面上，横坐标表示沿气隙圆周方向的空间距离，用 x表示，坐标原点放在电刷所在位置，纵坐标表示气隙消耗的 磁动势的大小，用F表示，并规定以磁动势出电枢、进定子的 方向作为磁动势的正方向；反之，出定子、进电枢的方向为负 方向。当元件中流过的电流为ia ，元件匝数为Ny时，元件产生 的磁动势为Ny ia ，若忽略电枢铁磁阻则全部磁动势均消耗在气 隙里，每段气隙消耗的磁动势为1/2 Ny ia 。 第1章 直流电机 如果在电枢表面上有无穷多个整矩元 件，元件电流均是ia，则产生的合成 磁动势是三角波波形，磁动势的最大 值所在的位置，是元件里电流改变方 向的地方。在直

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