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1,第2章 直流电机,§2-1 直流电机的工作原理、结构及铭牌数据 §2-2 直流电机的绕组 §2-3 直流电机的励磁方式及磁场 §2-4 直流电机的基本方程 §2-5 直流电机的运行原理 §2-6 直流电机的换向,直流电机问题引入,克服阻力旋转 对外输出机械能,,磁极建立磁场 外加直流电压 圈中产生电流 载流导体在磁场中产生电磁力,,(1) 状态一,直流电源供电 电流方向不变 旋转180电角度后电磁力方向反向 平均电磁转矩为0,若要维持电磁力方向不变，必须:,改变磁极极性 改变电流方向 二者改变且仅改变一个,(2) 状态二：转子旋转180电角度,,(3) 两种位置电磁力对比,,几何中性线 磁极的几何分界线 电刷和换向器配合 电流换向＝电流逆变 导体运动经过磁极的几何中性线期间 交换线圈电源极性 交换线圈电流方向 电磁力方向维持不变,(4) 直流电动机原理－换向,6,直流电机,（1）说明规定,N极下的导体（元件边）称为N导体，S极下的导体称为S导体 电势或电流方向进入纸面用表示，流出纸面用表示,（2）工作原理,• 直流发电机的物理模型 - 外力带动线圈转动,,7,直流电机模型,9,1、直流电机的模型,直流电机,10,直流电机,由主磁极产生磁场 在一对电刷中通入直流电 直流电通过换向器送到电枢绕组中 绕组导体获得交变电流，但N极和S极下导体电流方向不变 载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩 电磁转矩带动电枢旋转,总结,11,注意几点： 》 线圈电流是交流，随着所处磁极极性的改变而改变的； 》 电磁转矩的方向一直保持不变，电机连续旋转； 》 外加电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流； 》 产生的电磁转矩是驱动性质的。

主磁极建立磁场 外加机械转矩 线圈在磁场中旋转 运动导体在磁场中产生感应电势 带电负载 对外输出电能,,直流发电机的工作原理,(1) 状态一,(2) 两种位置电动势对比,线圈旋转方向不变 导体感应电势 在不同极性磁极下感应电势方向不同 导体感应电势交变 感应电势换向＝整流 经过磁极的几何中性线 交换线圈输出极性 输出直流 否则，输出交流,(3) 直流发电机原理－换向,线圈旋转，转过一对磁极的感应电势波形,(4) 线圈感应电势波形,,单线圈换向后的感应电势波形,18,直流电机,总结：,由主磁极产生磁场 电枢由原动机拖动 电枢绕组的导体切割磁场 产生交变感应电动势 交变感应电动势由换向器的整流 从电刷间输出直流电源,19,• 注意几点： 》 线圈内电势、电流是交流电； 》 电刷间为直流电势； 》 电流方向与电势相同； 》 从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；,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 -用外力让转子转动，就是发电机 -通进直流电，就是电动机,20,直流电动机 建立磁场 → 产生电磁力的条件 载流导体 → 产生电磁力 线圈运动 → 对外输出机械功 换向器和电刷 → 换向 逆变换流，产生持续电磁力 直流发电机 建立磁场 → 产生感应电势的条件 导体运动 → 产生感应电势 外加负载 → 对外输出电能 换向器和电刷 → 换向 整流，产生直流电动势,小结：直流电机原理要求结构组成,22,,,二、直流电机的结构,1、结构示意图,直流电机外部结构,静止部分（定子） 主磁极、励磁绕组、电刷、轴承、磁轭和电刷装置等 旋转部分（转子、电枢） 电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等,直流电机的基本结构,具体构成,直流电机内部结构,直流电机内部结构,28,,,1—风扇 2—机座 3—电枢 4—主磁极 5—刷架 6—换向器 7—接线板 8—出线盒 9—换向极 10—端盖,29,2、定子（主磁极、换向极、端盖、机座、电刷等）,（1）主磁极,,作用：产生主磁场 结构：由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁绕组）构成，如图。

主磁极铁心一般由1.0mm～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分极身上面套有励磁绕组，绕组中通入直流电流整个磁极用螺钉固定在机座上1—固定主磁极的螺钉； 2—主磁极铁心；3—励磁绕组,①主磁极 ②励磁绕组,直流电机的定子,主磁极钢板冲片 （1-1.5mm厚）,主磁极由钢板冲片叠压而成,励磁绕组套在 主磁极极身上,主磁极,单片主磁极铁芯图,主磁极铁芯叠加图,主磁极铁芯图,主励磁绕组图,38,（2）换向极（附加极或间极）,,1—换向极铁心；2—换向极绕组,作用：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 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铁心一般用整块钢制成，如换向要求较高，则用1.0mm～1.5mm厚的钢板叠压而成换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联换向极图-1,40,（3）机座,,作用：固定主磁极、换向极和端盖 作为电机磁路的一部分，称为磁轭 结构：一般用铸钢或厚钢板焊接而成，呈圆筒形，具有良好的导磁性能和机械强度4）端盖,作用：将定子（机座）、转子（转轴）连在一起，并对电机内部起防护作用 结构：由铸钢或厚钢板组成。

41,（5）电刷装置,,作用：将外加的直流电压或电流引入或引出电机转子绕组 结构：由电刷，刷握，刷杆、铜丝辫和连线等部分组成，如图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电刷示意图,电刷结构图,直流电机的定子内部结构,直流电机的定子内部结构,直流电机的定子内部结构,48,（1）电枢铁心,,作用：作为电机主磁路的一部分 嵌放电枢绕组 结构：电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图电枢铁心固定在转轴或转子支架上铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔3、转子（电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等）,49,单片电枢铁芯图,电枢铁芯示意图,52,（2）电枢绕组,,作用：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主要部分 结构：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成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（如图），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电枢绕组图,电枢绕组装配图-1,电枢绕组装配图-2,电枢绕组放置原理图-1,电枢绕组放置原理图-2,电枢绕组放置原理图-3,电枢绕组放置原理图-4,电枢绕组放置原理图-5,电枢绕组放置原理图-6,电枢绕组展开原理图-1,电枢绕组展开原理图-2,电枢绕组展开原理图-3,电枢绕组展开原理图-4,66,（3）换向器,,作用：将电刷上的直流电与电枢绕组中的交流电进行转换 结构：由多个紧压在一起的楔形铜片（换向片）构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接，如图所示换向器与转轴固定在一起换向器示意图,换向器原理图,,,换向器,70,,为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分 小容量电机的气隙约为1mm~3mm，大容量电机的气隙可达10mm~12mm气隙的长度对电机运行性能影响很大4、气隙,转子结构图-1,转子结构图-2,直流电机的转子,75,三、直流电机的铭牌数据,1、额定数据,（1）额定功率 PN：是指电机的输出功率，对发电机系指出线端输出的电功率， 。

对电动机系指转轴上输出的机械功率， 单位为W或kW2）额定电压UN：是指在额定工作条件下，电机出线端的平均电压对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压单位为V 3）额定电流IN：是指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电流值 单位为A4）额定转速nN：是指对应于额定电压、额定电流、电机运行于额定功率时所对应的转速单位为r／min 此外，还有额定效率、额定温升、额定转矩等Z2 -72 ” 表示直流电动机、第二次改进设计型，“ 7 ”表示机座号， 7 后面的 2 表示长铁芯（ 2 号表示长铁芯， 1 号表示短铁芯）77,2、电机型号,以Z打头，后跟数字或字母数字和字母的含义可参考相关手册如Z4-12： Z-直流电机 4-第四次改型 1-1号座机 2-长铁心,国产直流电机主要系列产品,Z2系列 一般用途 中小型 Z和ZF系列 一般用途 大中型 电动、发电 ZT系列 恒功调速范围广 拖动 ZZJ系列 冶金起重 ZQ系列 直流牵引 ZH系列 船用 ZA系列 防爆安全 ZU系列 龙门刨床 ZKJ系列 冶金、矿山挖掘机用,79,,直流电机,§2-2 直流电机的电枢绕组,一、直流电机电枢绕组类型,1、单叠绕组 2、单波绕组 3、复叠绕组：二个以上单叠绕组并列构成 4、复波绕组：二个以上单波绕组并列构成 5、混合绕组,80,一、电枢绕组的基本知识 • 电枢绕组— 电磁感应的关键部件之一 - 直流电机的电路部分,,,,绕组实物图,• 对电枢绕组的要求 • 通过规定的电流 • 产生足够的电势和电磁转矩 • 消耗的有效材料最省 • 强度高（机械、电、气、热） • 运转可靠 • 结构简单,§2 直流电机的电枢绕组,一、有关技术名词,极轴线,它是将主磁极平分左右两部分的直线。

极轴线,几何中线 n—n,它是在相邻两极轴线之间，并且与这两极轴线等距离的直线82,元件边（元件有效边）：元件的放在电枢铁心槽内的边，如a1b1 （第一元件边） ，a2b2 （第二元件边） 极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ表示一个磁极在圆周所占距离，槽数,直流电机,元件首端，元件末端：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，如c1d1 ，另一根称为末端，如c2d2 每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主极间的距离，用所跨弧长或该弧长所对应的槽数来表示)设电机的极对数为p,电枢外径为Da，则 τ = π Da /2p (弧长) 或 τ = Z / 2p (槽数),端接部分：连接元件二个有效边的导线， a1ma2 ， b1nb2 绕组元件,绕组元件简称元件，又称为线圈它有两个平行边为有效边，是放在电枢槽中，切割磁通用绕组元件可以是单匝，也可以是多匝单匝,多匝,绕组,所有线圈（元件）按一定规律连接起来就构成绕组双层绕组,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9. 第一节距 y1,它是同一元件的第一元件边(上层边)和第二元件边(下层边) 在电枢表面所跨的距离。

单位：槽数y1选取的原则为：应使元件产生最大电动势故 y1=τ槽总数,.,第二节距 y2,它是第一元件的第二元件边（下层边）与紧相串联的 第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的 距离单位：槽数合成节距y 相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节距合成节距用y表示，也用槽数计算波绕和叠绕、单绕组和复绕组之间的差别，主要表现在合成节距上所谓叠绕组是指：各磁极下的元件依次相连，后一个元件总是“叠”在前一个元件上波绕组是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，像波浪一样向前延伸叠挠和波绕这两种联法，都能保证相串联的元件其电动势方向相同而不互相抵消 对叠绕组 y=y1-y2 对波绕组 y=y1+y2,换向器节距yk或yc 在换向器表面上，同一个元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离，称。