第3章 直流电机 本章主要分析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 机和直流电动机的工作特性运行特性。 3.1 直流电机的工作原理与基本结构 3.2 直流电枢绕组 3.3 空载和负载时直流电机的磁场 3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5 直流电机的基本方程 3.6 直流发电机的运行特性 3.7 直流电动机的运行特性 3.8 直流电动机的起动、调速和制动 3.9 换向 直流电机 实现机械能和直流电能相互转换的 电磁机械装置。 把机械能转换成直流电能的电机是直流发电机；反 之，则为直流电动机。 直流电机的用途 l直流电动机 w 特点 调速范围宽，易于平滑调节 过载、起动、制动转矩大 易于控制，可靠性高 调速时能量损失较小 w 应用于对调速要求高的场所：轧钢机、舰船推进、造 纸、挖掘机等。 l直流发电机 w 给直流电动机、电解、电镀、冶炼、充电、交流发电 机励磁等供电的直流电源。 w主要缺点 换向困难，使容量受到限制。 有换向器，费工费料、造价昂贵，需 要经常维护，寿命较短。 可靠性差。 对环境要求高。 3.1 直流电机的工作原理和结构 1、直流电机的工作原理 直流电机的构成 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。 直流发电机的工作原理 此时，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位（右 手定则） ；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。 逆时针旋转 因此电刷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。 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。磁极也是需要N、S极交 替且成对。 当原动机驱动电机转子 逆时针旋转 1800 后 ，如右 图。 导体ab在S极下，a点低位 ，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。 导体感应电势 但此电势在零和最大值之间脉动，波动太大，不能做直但此电势在零和最大值之间脉动，波动太大，不能做直 流电源。流电源。 两线圈串联后的合成电势两线圈串联后的合成电势 与原有线圈相距与原有线圈相距9090 电角度再设置一个线圈，其两端各电角度再设置一个线圈，其两端各 接有换向片，并与原有换向片接有换向片，并与原有换向片A A、B B相距相距9090 电角度，电角度， 换向器包含换向器包含4 4片换向片，相邻换向片间各相距片换向片，相邻换向片间各相距9090 电角电角 度。度。 当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相 距距9090 电角度电角度 增加导体减小感应电势脉动增加导体减小感应电势脉动 。当每极下导体数大于。当每极下导体数大于8 8 时，脉动可小于时，脉动可小于1%1%。 直流发电机实质是带换向器 的交流发电机 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。如右图。 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，电机转 子逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位 置时,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 。 直流发电机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主 磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换 向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直 流电动势,经电刷将直流电输出。 直流电动机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁 场。由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流 方向始终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转 矩使直流电动机旋转。 2. 直流电机的主要结构 轴轴 端盖端盖 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 和槽碶和槽碶 电枢绕组电枢绕组 端部端部 换向器换向器 轴承轴承 直流电机的转子 励磁绕组和串换向极励磁绕组和串换向极 后的电枢绕组出线后的电枢绕组出线 定子机座定子机座 换向极铁心换向极铁心 换向极绕组换向极绕组 主磁极铁主磁极铁 心心 主磁极绕组主磁极绕组 （励磁绕组（励磁绕组 ） 换向极绕组与励换向极绕组与励 磁的串联接线磁的串联接线 直流电机定子直流电机定子 电枢铁心 电枢绕组 电枢铁心冲片 (0.5mm厚) （硅钢片） 涂绝缘漆冲 片叠压而成 轴向通风孔 直流电枢的铁心模型直流电枢的铁心模型 直流电机的主要结构 1换向极铁心 2换向极绕组 3主极铁心 4励磁绕组 5电枢齿 6电枢铁心 7换向器 8电刷 9电枢绕组 10机座 11底脚 直流电机的主要结构 换向器结构 1换向片；2垫圈 3绝缘层；4套筒 安装在机座上的主极 1极身；2极靴；3励磁绕组； 4绝缘板；5机座 主磁极 构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁 绕组。 机座 构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。 作用：建立主磁场。 作用：1、主磁路的一部分； 2、电机的结构框架。 电枢铁心 作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。 构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽硅钢片叠压 而成 电枢绕组 作用：直流电机的电路部分。 构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用 槽楔压紧。 换向器 作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。 构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间 用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而 电刷装置 作用：电枢电路的引出（或引入）装置。 构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。 构成。 他励并励串励复励 3、 直流电机的励磁方式 指励磁绕组获得励磁电流的方式。（他励、自励） 除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁 绕组通入电流激励而建立的。 4、 直流电机的额定值 额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输 出功率，以 “kW” 为量纲单位。 对于直流发电机，PN是指线端输出的电功率。PN= UNIN 对于直流电动机，PN是指转轴上输出的机械功率。 PN= UN INN 额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的线电流，以 “A” 为单位。 额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位 。 额定励磁电压 UfN 指电机在额定状态时的励磁电压值（他励）。 额定励磁电流IfN 指电机在额定工作状态时的励磁电流值。 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效 率、出厂日期、出厂编号等。 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母 表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例 如：“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表示长铁心（2号表示长铁心，1号表 示短铁心）。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或 相关的手册中查到。 3.2 3.2 直流电枢绕组直流电枢绕组 电枢绕组的特点 电枢绕组的型式 单叠绕组 单波绕组 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 按联结方法，可分为： 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组 。 区别在于电枢绕组的并联支路数不同。 电枢绕组产生感应电动势，通过电流，从而产生 电磁转矩和电磁功率，是实现机电能量转换的重 要部件。 w 电枢绕组由结构相同的线圈组成 ，可以是单匝或多匝的。 w 线圈由线圈边和线圈端部组成， 有首端和末端，首、末端分别与 不同的换向片联结。 w 每个槽内放置两层线圈边。 w 线圈的一个线圈边放在槽的上 层，称为上层边；另一线圈边 放在另一槽的下层，称为下层 边。 w 每个槽内放置两个线圈边， 电枢槽数 Q 等于线圈数 S 。 w 实际电机中，常在槽的上、下 层放置多个线圈边。 w 用虚槽来描述，如果每个实槽 中有u个虚槽，则虚槽数与实 槽数的关系为QuuQ 。 w 通过换向器联结而成的闭合绕组 为使旋转的各线圈能不断的依次改变电流方 向（换向），必须使用闭合式绕组； 从某一线圈边出发，按一定的规律依次串联 所有线圈边后，再回到出发点，构成一个闭 合回路； 各线圈间的联结通过换向器完成。 w 线圈间通过换向片相互联结 ，同一换向片既联一个线圈 的首端，又联另一线圈的末 端，换向片数 K 等于线圈数 S 。 w 虚槽数、线圈数和换向片数 的关系为 Qu S K 。 w 节距：表示相关的两个线圈边之间的距离，用虚槽 数或换向片数表示。 w 第一节距 y1 ：一个线圈的 两个线圈边在电枢圆周表 面上跨过的距离。 w 为使线圈的感应电动势最 大，y1应接近极距p 。 整距线圈：y1p 短距线圈：y1p 长距线圈：y1p 极距：相邻两个磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用p 表示 (以虚槽数计）。 =Qu/2p 注：p为极对数。 w 第二节距 y2 ：一个线 圈的下层边和与其串 联的另一线圈的上层 边间的距离。 w 合成节距 y ：两个串联的 线圈的对应边的距离。 单叠绕组单波绕组 单叠绕组： y = y1 - y2 单波绕组： y = y1+ y2 w 换向片节距 yK ：一个线圈的首、末端在换向器表 面跨过的距离，用换向片数表示。 yK y 。 单叠绕组单波绕组 单叠绕组：yK1 ；单波绕组：yK2p 。 单叠绕组 w 联结规律 将同一个主极下的线圈 联成一条支路，所有的 相邻线圈依次串联，后 一个的首端与前一个的 末端相连； 每个线圈的两端联到两 个相邻的换向片上（ yk=1）； 由同一个换向片联结的 两个线圈在电枢表面圆 周上相距一个虚槽（ y=1）。 单叠绕组 w 单叠绕组的联结规律 以 2p4，QuSK16 的直流电机为例。 单叠绕组 w 绕组展开图 电枢在旋转， 取某一时刻， 磁极在上面。 电动势方向。 电刷的位置（ 磁极中心线下 ）。 实线表示上层 边，虚线表示 下层边。 几何中性线：相邻两个主极间的中心线。 单叠绕组 w 单叠绕组的并联支路图 绕组并联支路数 2a=等于电机的 极数，即 电刷数与极数相同，称为全额电刷。 电刷数与并联支路数相等。 单叠绕组自成一 个闭合回路。 单叠绕组的每一条 并联支路都是由同 一主极下的全部线 圈串联构成。 单波绕组 w 联结规律 每一条支路都是由同一极性下的全部线圈串联构成。 同一个换向片连接的两个线圈相隔约一对极的距离； 从第一个线圈开始，沿电枢圆周方向行进一周，联结p个 线圈后，回到与起始线圈相隔一个槽的线圈，继续串联下 去，直到所有线圈都串联起来。 单波绕组 w 单波绕组的联结规律 经过p对极后，应与换 向片1相邻，即 y1 接近极距p 。 整数 单波绕组 w 单波绕组的联结规律 以2p4，QuSK15 的直流电机为例。 整数 单波绕组 w 绕组展开图 单波绕组 w 并联支路图 实际中，电刷数通常与极数相同（全额电刷）。 绕组并联支路数2a=2，即 。 单波绕组自成一个闭合回路。 单