电机学(直流电机).pdf

第二章 直流电机35 2.1 概 述35 2.1.1 直流电机的工作原理35 2.1.2 直流电机的主要结构部件37 2.1.3 直流电机的额定值40 2.2 直流电机的电枢绕组42 2.2.1 基本特点42 2.2.2 单叠绕组44 2.2.3 单波绕组47 2.2.4 电枢绕组的均压线49 2.3 直流电机的磁场50 2.3.1 直流电机按励磁方式分类50 2.3.2 直流电机的空载磁场51 2.3.3 直流电机的电枢磁场56 2.3.4 电枢反应59 2.3.5 感应电动势和电磁转矩60 2.4 直流发电机的基本特性63 2.4.1 基本方程63 2.4.2 他励发电机的运行特性66 2.4.3 并励发电机的自励条件和外特性67 2.4.4 复励发电机的特点70 2.5 直流电动机的基本特性71 2.5.1 基本方程71 2.5.2 工作特性73 2.5.3 机械特性75 2.6 直流电力传动77 2.6.1 电力传动系统基础77 2.6.2 直流电动机的起动81 2.6.3 直流电动机的调速82 2.6.4 直流电动机的制动83 2.7 直流电机的换向86 2.7.1 换向过程86 2.7.2 经典换向理论87 2.7.3 改善换向的措施90 2.7.4 环火及补偿绕组92 2.7.5 无刷直流电机93 2.8 特殊用途的直流电机95 2.8.1 直流伺服电动机95 2.8.2 直流测速发电机97 2.9 电机的发热和冷却98 2.9.1 电机的发热和冷却过程98 2.9.2 电机的绝缘材料和允许温升99 2.9.3 电机的冷却介质和冷却方式100 习 题 .101 电机学 第二章 直流电机 35 第二章 直流电机 直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。

直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、 无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的电气传动装置中直流发电机 主要用作直流电源此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电 机等形式作为测量、执行元件使用 目前，虽然由晶闸管整流元件组成的静止固态直流电源设备已基本上取代了直流发电 机，但直流电动机仍以其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定地位 本章主要研究换向器式直流电机 首先介绍其基本原理和基本结构， 分析其磁路系统和 电路系统，然后重点研究不同运行状态时的电磁过程及工作特性普通旋转电机(包括直流 电机和交流电机)运行过程中的一些共性问题，如发热与冷却电力传动基础等也在本章中作 简要介绍 2.1 概 述 2.1.1 直流电机的工作原理 直流电机的工作原理可用图 2.1 所示的最简模型进行说明图中，两个空间位置固定的 瓦形永磁体 N 极与 S 极之间，安放一个绕固定轴(几何中心)旋转的铁制圆柱体(通称为电枢 铁心，大多用冲制为圆形的硅钢片叠压而成)铁心与磁极之间的间隙称为气隙设铁心表 面只敷设了两根导体 ab 和 cd，并联接成单匝线圈 abcd。

线圈首末端分别与弧形铜片(通称 为换向片)相连换向片与电枢铁心一道旋转，但换向片之间以及换向片与铁心和转轴之间 均相互绝缘由换向片构成的整体叫换向器，而整个转动部分称为电枢，寓意为实现机电能 量转换之中枢为了把电枢与外电路连通，特别装置了两把电刷(图中示意为矩形片 A 和 B， 实际电机中多为瓦形体，弧度与换向片一致)电刷的空间位置也是固定的 图 2.1 直流电机的工作原理 当原动机以恒定转速 n 沿反时针方向拖动电枢旋转时， 上述模型电机就成了一台直流发 电机由电磁感应定律，每根导体内感应电动势的瞬时值为 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001 年第 1 版 36 lvBe δ = (2.1) 式中，为导体所处位置的气隙磁通密度；l 为导体的有效长度，即导体切割磁力线部分的 长度；v 为导体切割磁力线的线速度，其与铁心半径 R 和转速 n(r/min)之间的关系为 δ B 60 π2 Rn v = (2.2) 在已制成的电机中，l 不变，而 v 在 n 恒定时亦为常数，故 e∝即导体内感应电动势 随时间的变化规律与气隙磁场沿气隙的分布规律相同。

也就是说，有了的分布曲线 ，也就可以得到 e 的变化曲线 e(ωt)为分析方便，假设把电枢从外圆周上沿 N 极和 S 极的分界线(在电机学中称为几何中性线)切开，并展开成以 θ 角为刻度的横坐标，并规定 从电枢进入磁极的磁通方向为正方向，即 S 极下的磁通密度为正值，N 极下为负，则 曲线如图 2.2 所示进而设 t=0 时刻被观察导体位于几何中性线上，而电枢旋转角速度为 (p 为电机的磁极对数)， 即 θ=ωt， 则导体电动势 e(ωt)或线圈电动势 2e(ωt)仍可用 图 2.2 表示，只是把刻度变换一下就可以了由图 2.2 可知，直流电机线圈中的感应电动势 是交变的 δ B δ B )θ ( δ B )θ ( δ B Rpvω/= 由于电刷与磁极保持相对静止，特别地，在图 2.1 中，它们都保持固定，即电刷 A 只 与处于 N 极下的导体相接触，则当导体 ab 在 N 极下时，电动势方向由 b 到 a 引到 A，电刷 A 的极性为“+” ；乃至导体 cd 转至 N 极下，电刷 A 与导体 cd 接触，电动势改由 c 到 d 引 到 A，A 的极性依然为“+” 由此可见，电刷 A 的极性永远为“+” 。

同理，电刷 B 的极性 永远为“–” 故得电刷 A、B 间的电动势 eAB为直流电动势，其波形如图 2.3 所示若把电 刷 A、B 接到负载(如电灯)上，则流过负载的电流就是单向的直流电流不过，对于图 2.1 所示简单模型，因为只有一个线圈，其供电电压和电流波形的脉动都会比较大一些 图 2.2 气隙磁场分布曲线及导体 2.3 换向后的电动势波形(单线圈) 和线圈中的电动势波形图 为使电刷端电动势的脉动程度降低， 实际电机中的电枢上就不只是敷设一个线圈， 而是 由合理设计的多个线圈均匀分布， 并按一定规律连接起来组成电枢绕组 当每个磁极下均匀 分布的导体数为 2 时，电动势波形将如图 2.4 所示图 2.5 为某多线圈电枢绕组的端口电动 势波形一般情况下，若每极下均匀分布的导体数大于 8，则电动势脉动幅度将小于 1% 电机学 第二章 直流电机 37 图 2.4 两串联线圈换向后的电动势波形 图 2.5 某多线圈电枢绕组的电动势波形 综上可知， 直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性交替变化的交流电动势， 只是由于 换向器配合电刷的作用才把交流电动势“换向”成为极性恒定的直流电动势。

正因为如此， 通常把这种类型的电机称之为换向器式直流电机 以上分析说明了直流发电机中电动势和电流产生的过程， 现在再讨论其中的能量转换过 程当电流沿 dcba 方向流过线圈时，由左手定则可知，线圈所受电磁力是企图阻止电枢旋 转的原动机要维持电机以恒速旋转，就必须克服此电磁力作功，从而将机械能转换为电能 输出供负载使用，电机作发电机运行反之，若跨接于 A、B 两端的负载改为极性保持一致 的直流电源，则线圈中的电流路径将变为 abcd，产生的电磁力及相应的电磁转矩为反时针 方向，从而可拖动旋转机械反时针旋转，将电能转换为机械能，电机作电动机运行 直流电机中的机电能量转换过程使我们对电机的可逆性原理有了更直观、更深入的了 解事实上，单纯从电机的电端口看，电机作发电机或电动机运行的区别就在于电流方向发 生了变化电流自端口正极流出时为发电机，流入则为电动机更一般地，与上述发电机端 口电压及电流方向一致的正方向称为发电机惯例， 而与电动机端口电压及电流方向一致的正 方称为电动机惯例这是电机研究中使用的两个新术语，如图 2.6 所示 图 2.6 电压和电流正方向 (a) 发电机惯例 (b) 电动机惯例 2.1.2 直流电机的主要结构部件 直流电机的结构形式很多，但总体上总不外乎由定子(静止部分)和转子(运动部分)两大 部分组成。

图 2.7 即为普通直流电机的结构图直流电机的定子用于安放磁极和电刷，并作 为机械支撑，它包括主磁极、换向极、电刷装置、机座等转子一般称为电枢，主要包括电 枢铁心、电枢绕组、换向器等下面逐一作简要说明 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001 年第 1 版 38 图 2.7 直流电机的结构图 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 1. 主磁极 主磁极简称主极，用于产生气隙磁场绝大部分直流电机的主极都不用永久磁铁，而是 图 2.8 所示的结构形式(主极铁心外套励磁绕组)，即由励磁绕组通以直流电流来建立磁场 为降低电机运行过程中磁场变化可能导致的涡流损耗，主极铁心一般用 1mm～1.5mm 厚的 低碳钢板冲片叠压而成 极靴与电枢表面形成的气隙通常是不均匀的， 并有极靴中部圆弧与 电枢外圆同心、 但两侧极尖间隙稍大的同心式气隙， 和极靴圆弧半径大于电枢外圆半径的偏 心式气隙两种由于电机中磁极的 N 极和 S 极只能成对出现，故主极的极数一定是偶数， 并且要以交替极性方式沿机座内圆均匀排列 图 2.8 主磁极 2.9 电机中的主极和换向极 1—主极铁心 2—极靴 3—励磁绕组 4—绕组绝缘 1—主极 2—换向极 3—磁轭 5—机座 6—螺杆 7—电枢铁心 8—气隙 电机学 第二章 直流电机 39 3. 机座 机座的主体是极间磁通路径的一部分，称为磁轭。

主极、换向器一般都直接固定在磁轭 上(图 2.9 和图 2.10)机座一般用铸钢或用薄钢板焊接成圆型(图 2.7)，亦或多边形(图 2.10)， 磁轭部分也有采用薄钢板叠压方式的通常，电机借机座的底脚部分与基础固定 图 2.10 多边形机座示意图 1—机座; 2—磁轭； 3—主极; 4—换向极; 5—电枢 4. 电枢铁心 电枢铁心是用来构成磁通路径并嵌放电枢绕组的 为了减少涡流损耗， 电枢铁心一般用 厚 0.35mm～0.5mm 的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成嵌放绕组的槽型通常有矩形和梨形两 种(图 2.11)对于小容量电机，铁心叠片(也叫冲片)尽可能采用整形圆片；而大容量电机则 可能要多片拼接，并且还要沿轴向方向分段，段与段之间再设置径向通风道，以加强冷却 需要说明的是，电枢铁心的轴向通风道是铁心叠片上预留的通风孔叠压后形成的(图 2.11) 图 2.11 电枢铁心冲片 (a)矩形槽 (b)梨形槽 5. 电枢绕组 电枢绕组是用来感应电动势、 通过电流并产生电磁力或电磁转矩， 使电机能够实现机电 能量转换的核心构件 电枢绕组由多个用绝缘导线绕制的线圈连接而成 小型电机的线圈用 圆铜线绕制，较大容量时用矩形截面铜材绕制(图 2.12)，各线圈以一定规律与换向器焊连。

导体与导体之间， 线圈与线圈之间以及线圈与铁心之间都要求可靠绝缘 为防止电机转动时 线圈受离心力作用而甩出，槽口要加槽楔固定唯一例外的是无槽电机，此时电枢绕组均匀 敷设在电枢表面，但依然需要牢固绑扎，并且只可能在小容量直流电机中采用 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001 年第 1 版 40 图 2.12 电枢绕组在槽中的绝缘情况 图 2.13 换向器 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体 1—V 形套筒 2—云母环 4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘 3—换向片 4—连接片 6. 换向器 换向器的作用是把电枢绕组内的交流电动势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电 动势 换向器由多片彼此绝缘的换向片构成， 有多种结构形式， 图 2.13 为最常见的一种 7.。