第一章 直 流 电 机 本章以直流电动机为讨论的主要 对象，分析直流电机的工作原理、结 构、电路、磁路、运行原理及换向等 问题，为电力拖动系统提供元件的性 能知识。 概概 述述 电机的分类 电机：应用电磁原理实现电能与机械能互换的装置 发电机：将机械能转换为电能的电机 电动机：将电能转换为机械能的电机 按照产生或取用电能种类的不同，电机分为直流电机与 交流电机。产生电能的称为发电机，取用电能的称为 电动机 电动机分为交流电动机和直流电动机两大类交流电动 机又分为单相的和三相的，异步的和同步的。直流电 动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复 励四种。 1.1 直流电机工作原理及结构 1.1.1 直流电机的工作原理 1、直流发电机的工作原理： 如图所示 直流发电机的工作原理 从以上分析可以看出，线圈中的电动势及 电流的方向是交变的，只是经过电刷和换 向片的整流作用，才使外电路得到方向不 变的直流电。直流发电机实质上是带有换 向器的交流发电机。 2、直流电动机的工作原理： 在直流电动机中，线圈中的电流是交变的 ，但产生的电磁转矩方向是恒定的。 直流电动机的工作原理 3、直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运 行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不 同而已 如果用原动机拖动电枢旋转，就可以从电刷端引 出直流电动势而作为直流电源对负载供电； 如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带 动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机 械能。 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原 理，在电机理论中称为可逆原理。 1.1.2直流电机的主要结构 转子电枢：转轴、电枢铁心、绕组、换向器、风扇 定子：机座、主磁极、换向极、端盖、电刷 直流电机由静止的部分定子和旋转的部分转子 两大部分构成： 定子部分：包括机座、主磁极、换向极和电刷装 置等 1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁 铁（由铁心和励磁绕组构成），为了尽可能的 减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用11.2mm 厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定 在机座上。 主磁极的作用：在定转子之间的气隙中建立磁 场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势 和产生电磁转矩. 2）换向极：又称附加极或间极。作用：改善换 向。换向极装在相邻两主极之间，由铁心和 绕组构成。 3）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分， 二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起 机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁 性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用 铸钢或厚钢板焊成。 主磁极换向极 1主磁极铁心 2励磁绕组 3机座 1换向极铁心 2换向极绕组 4）电刷装置：作用是把转动的电枢绕组与 静止的外电路相连接，并与换向器相配合 ，起到整流或逆变器的作用。 1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4铜丝辫 转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢 绕组、换向器、风扇、轴和轴承等 1）电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电 枢绕组，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通 变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用 0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。 2）电枢绕组：电枢绕组由许多按一定规律联接的线 圈组成，是直流电机的主要电路部分，也是通过 电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关 键性部件。 3）换向器：由许多换向片组成，换向片间用云母绝 缘，整体成圆筒形。换向片靠燕尾槽结构夹紧。 1.1.3直流电机的额定值 为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计 数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功 率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机 的额定值。直流电机的额定值有： 额定功率 PN（kW） 额定电压 UN（V） 额定电流 IN （A） 额定转速 nN （rmin） 励磁方式和额定励磁电流 IfN（A） 1.额定功率PN：指在额定电压、额定电流、额定转 速条件下工作的输出功率 (1).电动机：轴上输出的机械功率 电动机的输入功率P1=UNxIN 电动机的机械功率PN=UNxINxN (2).发电机：电枢输出的电功率 发电机的输入功率P1=机械功率 发电机的输出功率PN=UNxIN= P1xN 注意：额定功率，是指电机的额定输出功率。 对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率 ；对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功 率。 直流发电机的额定功率 直流电动机的额定功率 为额定效率 2.额定电压UN：安全工作的外加电压或输出电压。 3.额定电流IN：安全工作的外加电流或输出电流。 4.额定转速nN：在额定电压、额定电流、额定功率 条件下工作时，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 指直流电机的励磁线圈 与电枢线圈的连接方式 励磁方式 5. 1.2 直流电机的电枢绕组 电枢绕组是直流电机的核心部分之一，在 电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。 电枢绕组须满足以下要求： 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下 ，尽可能节省有色金属和绝缘材料 结构简单、运行可靠。 1.2.1 名词术语介绍 磁极轴线：主磁极的中心线； 几何中性线：相邻两个主磁极之间的平分线 ； 极对数： p ； 极距 ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距 离。可用槽数表示， =Z / 2 p（槽），式 中Z 为电枢总槽数； 元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可 为单匝，也可为多匝 ； 元件节距 y1（第一节距）：元件两条有效边间的距离。以 槽数计，总是整数 :是使凑成整数的分数。（y1应等于或尽量接近于 ，以 使元件产生的电动势最大。整距、短距、长距元件的概念 ） 第二节距 y2：元件串接过程中，第1元件的下层边与第2元 件的上层边间的距离。以槽数计。 合成节距 y：相邻两串联元件间的距离。以槽数计。（单叠 绕组： y= y1- y2=1） 换向节距 yk：同一元件的首端和尾端在换向器上所跨的换 向片数。通常用换向片数K来表示。 (在数值上 yk = y） 整数 1.2.2 单叠绕组 元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换 向片上，yk = 1 ，第一个元件的下层边（虚线） 连接着第二个元件的上层边，第二个元件的上层 边放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。下面 通过例子说明单叠绕组的连接及特点。 例:已知某直流电机的极对数 p =2 ，槽数Z，元件数 S及换向片数K为 Z = S=K=16 ,试画出单叠绕组展 开图。 解：1计算绕组数据 因为是单叠，所以 2画绕组展开图: 为了清晰和直观起见，工程上都把电机的 电枢绕组图画成沿电枢轴线切开，展成平面的绕 组展开图。 （1）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层 元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下 层元件边。实际上一根实线和一根虚线代表一个 槽，依次把槽编上号，如图所示； （2）根据 y1 ，画出第一个元件的上下层边（15 槽），令上层边所在的槽号为元件号； （3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线， 之后等分换向器，定出换向片号； （4）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第一个 元件的下层边联接；下层边在第6槽与3号换向片 联接。按此规律，一直把16个元件全部联起来。 （5）放磁极：磁极均匀分布在圆周上，极距为，N 极磁力 线垂直向里（进入纸面），S极向外（从 纸面穿出 （6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽 （实际上K很多，电刷宽23片宽）。并把相同 极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静 止不动的，电枢在旋转，被电刷所短路的元件， 永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势 是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最 大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零， 在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应 在磁极轴线下，习惯上称为“电刷放在几何中性线 位置”，是指被电刷所短路的元件处于电机的几何 中性线。 单叠绕组电路图 为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接次序 及其电动势分布情况，按上图各元件的联接顺 序，可得到绕组电路图。从图中可以看出，每 个极下的元件组成一条支路，这就是说，单叠 绕组的并联支路数正好等于电机的极数，即 2a=2p（a为并联支路对数）。这是单叠绕组的 重要特点之一。 （1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上； （2）并联支路数等于磁极数， 2a=2p ； （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总 和为零，绕组内部无“环流”； （4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能 少，电刷数等于磁极数； （5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电 动势，电枢电压等于支路电压； （6）由正负电刷引出的电枢电流 Ia 为各支路电流之 和，即 Ia=2aia（式中ia 为每一条支路的电流，即绕 组元件中流过的电流）。 单叠绕组具有以下特点： 在元件端接线对称的情况下， 电刷的实际位置应在磁极轴线下， 此时，正负电刷间引出的电动势亦 为最大，此时电刷的位置，习惯上 称为“电刷放在几何中性线位置”。 1.3 直流电机的磁场及电枢反应 研究空载和负载时直流电机的磁动势 和磁场 1.3.1 直流电机的励磁方式 即：直流电机励磁绕组的通电方式。 1.他励式：励磁电流由其他直流电源单独供给， 励磁绕组和电枢绕组相互独立。 2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供 给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组 的连接方式的不同，自励式又分为串励式、 并励式和复励式 串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足： 并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足： 直流电机的励磁方式 复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组， 一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串 联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系 ，又可分为积复励和差复励： 积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方 向一致，互相叠加，反之，叫做差复励： 1.3.2 空载时直流电机的磁场分布 空载：发电机出线端没有电流输出，电动 机轴上不带机械负载，即电枢电流为零 的状态。这时的气隙磁场，只由主极的 励磁电流所建立，所以直流电机空载时 的气隙磁场，又称励磁磁场。 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 流为 ，每极的励 磁磁动势为： 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 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。 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。 几何中性线 极靴 极身 （a）气隙形状 （b）气隙磁密分布 当If一定时，B与 成 反比。，空载时的气隙磁 通密度为一平顶波，如下 图(b) 所示。