,第一章 直流电机, 直流电机的工作原理 直流电机的结构和额定值 直流电机的电枢绕组 直流电机的磁场 直流电机的感应电动势和电磁转矩 直流电动机 直流发电机 直流电机的换向,.,江南大学物联网 于力革,1.1 直流电机的工作原理,一切电机都是以电磁感应定律作为主要依据设计而成的。,它的基本功能是实现机电能量的相互转换。,直流电机,电动机,发电机,将直流电能转换成机械能。,将机械能转换成直流电能。,.,直流电机,直流电机外形,1.1.1 直流电机原理示意图,注意：电刷固定在空间不动，而半圆型换向片 与绕组线圈一起旋转。,.,.,1.1.2 直流发电机的基本工作原理,转轴由原动机带动按一定方向旋转。,.,结论：,在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。 通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的 两电刷间的直流电动势。,虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的， 但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。 因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个 恒定不变的磁场。,电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。,当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场 相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩， 称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是 制动 性质。,.,将电刷出线端的负载改为外施直流电源，且将轴上的 原动机卸掉，换成生产机械。,.,1.1.3 直流电动机的基本工作原理,结论：,虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部， 电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片 及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。,虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的， 但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个 恒定不变的磁场。,当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。 其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势。,转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的 方向是与转子的转向一致，是驱动 性质的。此时，电动 机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上 输出而带动生产机械转动。,.,对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机 运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。,.,电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅 适用于直流电机，而且也适用于交流电机。,1.1.4 电机的可逆原理,end,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.1 直流电机的主要结构部件,直流电机,定子,转子,主磁极,换向极,机座,电刷装置,电枢铁心,电枢绕组,换向器,.,端盖,直流电机的纵剖结构图,直流电机的横剖结构图,直流电机的定子1,直流电机的定子2,直流电机的结构图,直流电机的结构部件,主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。,定子的主要部件包括： 直流电机的定子由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷 装置等部件组成。,主磁极铁心,主磁极铁心冲片,换向极 换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是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。换向极结构和主磁极类似，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。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。,换向极,机座 机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。,端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。,.,直流电机的机座,电刷装置 电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成。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。,直流电机的电枢示意图 1转轴；2轴承；3换向器；4电枢绕组；5电枢铁心；6风扇；7轴承；,直流电机的转动部分称为转子或电枢。转子部分主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器。还有转轴、轴承、风扇等。,转子的主要部件包括：,直流电机的电枢,电枢铁心 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。,直流电机的电枢铁芯,直流电机的电枢铁芯冲片,电枢绕组 电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，它是直流电机的电路部分，产生感应电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。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，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。,直流电机的电枢1,直流电机的电枢2,换向器 在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。,换向器,换向器,额定值是制造厂商对各种电气设备在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。 在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能。 额定值也是制造厂商和用户进行产品设计或试验的依据。 额定值通常标在各电器的铭牌上，故又叫铭牌值。,1.2.2 直流电机的铭牌数据和额定值,直流电机的铭牌数据和额定值,1. 额定功率PN：指 输出功率 单位：kW,2. 额定电压UN：指额定状态下电枢出线端的电压 单位：V,3. 额定电流IN：指额定电压、额定功率时的电枢电流值 单位：A,4. 额定转速nN： 指额定状态下运行时转子的转速 单位：r/min,5. 励磁方式和额定励磁电流IfN： 单位：A,注意：对于电动机，PN表示轴上输出的机械功率； 而UNIN表示输入的电功率。 PN= UNINN,对于发电机，PN表示输出的电功率，PN=UNIN； 而输入的机械功率为T1。,.,.,.,如果电机的电流小于额定电流，称为欠载或轻载；,如果电机的电流大于额定电流，称为过载或超载；,如果电机的电流等于额定电流，称为满载。,.,.,end,1.3 直流电机的电枢绕组,直流电机的电磁感应的关键部件之一为导电的绕组，因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。,1.3.1 主要分类,叠式绕组(单叠、复叠) 波式绕组(单波、复波) 蛙型绕组(又叫混合绕组)。,叠式绕组,波式绕组,1.3.2 有关技术名词,1. 极轴线,它是将主磁极平分左右两部分的直线。,极轴线,2. 极距,它是相邻两主磁极极轴线之间的距离。,3. 几何中线 nn,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。,.,4. 电角度,定义在空间相邻两主磁极之间的角度恒为180电角度。,注意：电角度与几何角度的区别：,空间一周的几何角度恒等于360；,空间一周的电角度与磁极对数p有关，即为p360。,5. 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,.,6. 绕组,每个元件的两个边分别接一个换向片与另一个元件串联, 所有线圈（元件）按一定规律连接起来就构成绕组。,7. 双层绕组,将一个线圈的两个边分别放在电枢槽的上层和另一槽下层而形成的绕组称为双层绕组。分别称为元件的上层边和下层边。,8. 实槽与虚槽,一个电枢槽的上下两层共放2个元件边称为实槽。,一个电枢槽的上下两层可以放4、6、8、u个元件边称为虚槽。,实槽,虚槽,虚槽,实槽与虚槽的关系： 实槽数Z 与虚槽 Zu=uZ=K=S,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=。,槽数,.,10. 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。,11. 合成节距 y,它是第一元件的第一元件边（上层边）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。,12. 换向器节距 yk,它是同一元件的首端和末端在换向器表面上的跨距， 以所跨换向片数表示。,.,1.3.3 单迭绕组,1. 特点,单迭绕组是一个线圈压住另一个线圈的一大半。,换向器节距等于合成节距，且恒为1。即 yk= y = 1,2. 展开图,设一电机 Z=16，2p=4， yk= y = 1， y2=y1-y=3,线圈是通过换向片串联起来的，使整个单迭绕组在电枢上 形成一个闭合电路。,注意：换向片本身是互不相通的。,.,.,电枢绕组的下线方式,单叠绕组的展开图 2p4，SKZ16,将展开图简化表示为,换向片,上层边,下层边,一个线圈旋转一周产生的电动势一定是正弦波。,在某一瞬间，每个线圈均有电动势，只不过有的大， 有的小，有的等于零；有的为正，有的为负。,而e =,e1+e2+e3+e4+e5+e6+e7+e8+e9+e10+e15+e16,= 0,正负电刷之间应获得最大电动势和最大电流，故电刷 应该安放在被电刷所短路的、元件电动势为零的位置。,电刷应安装在每个主磁极的极轴线处，且固定在 空间不动。,.,有几个主磁极就应该安装几个电刷。,相同极性的主磁极下的电刷用导线并联起来组成一条支路。,线圈：,电刷：,等效电路,单叠绕组的支路数等于极数，这里为4极，即有4个支路。,.,3. 基本性质,. 并联支路数等于电机的主磁极数，即,2a = 2p,每个磁极下，元件电势串成一路，有几个磁极就有几路。,. 电刷数等于电机的主磁极数，即,2b = 2p,缺少一个电刷，电枢绕组将不能正常工作。,. 电枢电势Ea等于支路电势es，即,. 电枢电流Ia等于极数与支路电流ia的乘积，即,Ea=es,Ia=2aia=2p ia,.,1.3.4 单波绕组,1. 单波绕组的节距,y= yk ；,