第1章直流电机原理

回首页上一页下一页回目录电机及拖动基础教学课件1.1直流电机的基本工作原理1.1.1直流发电机的工作原理1.1.2直流电动机的工作原理1.2直流电机的主要结构及用途1.2.1主要结构1.2.2直流电机的铭牌数据1.2.3直流电机的用途和分类1.3直流电机的电枢绕组1.3.1单叠绕组1.3.2单波绕组简介第1章直流电机原理摘要：本章分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及换向等问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识。1.1直流电机的基本工作原理（返回顶部）1.1.1直流发电机的工作原理（返回顶部）直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。图1.1是一台交流发电机的原理模型。图中，、为一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），是装在可以转动的圆柱体表面上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆环（称为滑环）上（以后把这个可以转动的装有线圈的圆柱体称为电枢）。在滑环上分别放上两个固定不动的由石墨制成的电刷和。通过电刷和把旋转着的电路与外部电路相联接。回首页上一页下一页回目录图1.1交流发电机原理模型1—磁极；2—电枢；3—滑环；4—电刷当原动机拖动电枢以恒速逆时针方向转动时，根据电磁感应定律可知，在线圈边（即导体）和中有感应电动势产生。感应电动势的大小用式（1.1）确定。（1.1）式中——导体所在处的磁密（）；——导体或的长度（）;υ——导体或与之间的相对线速度（）。感应电动势的方向按右手定则确定。在图2.1所示瞬间，导体、的感应电动势方向分别由指向和由指向。这时电刷呈高电位，电刷呈低电位。当图1.1中电枢逆时针方向转过180°时，导体与互换了位置，用右手定则判断，此时导体、中的感应电动势方向都与图1.1所示瞬间的相反。这时电刷A呈低电位，电刷B呈高电位。如果电枢继续逆时针方向旋转180°，导体、又转到图1.1所示位置，则电刷又呈高电位，电刷呈低电位。由此可见，图1.1中电枢每转一周，线圈中感应电动势方向交变一次，因此线圈内的感应电动势是一种交变电动势，这是最简单的交流发电机的原理。如果想要得到直流电动势，那么必须把上述线圈感应的电动势进行整流，实现整流的装置称之为换向器。图2.2是直流发电机的原理模型，它由两个铜质换向片代替图1.1中的两个滑环。换向片之间用绝缘材料隔开，线圈出线端分别与两个换向片相连，电刷、与换向片相接触并固定不动，这就是最简单的换向器。有了换向器，在电刷、之间感应电动势就和图1.1中电刷、间的电动势大不一样了。例如，在图2.2所示瞬间，线圈中感应电动势的方向如图中所示，这时电刷呈正极性，电刷呈负极性。当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体位于极下，导体位于极下，各导体中电动势都分别改变了方向。但是，由于换向片随着线圈一同旋转，本来与电刷相接触的那个换向片，现在却与电刷接触了；与电刷相接触的换向片与电刷接触了，显然这时电刷仍呈正极性，电刷呈负极性。从图1.2看出，和电刷接触的导体永远位于极下，同样，和电刷接触的导体永远位于极下。因此，电刷始终有正极性，电刷始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。图1.2直流发电机的原理模型图1.3直流电动机的原理模型1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷1.1.2直流电动机的工作原理（返回顶部）图1.3所示为直流电动机的原理模型，与图1.2不同的是：线圈不被原动机拖动；电刷、接上直流电源。于是在线圈中有电流流过，电流的方向如图1.3所示。根据电磁力定律可知，载流导体、上受到的电磁力为（1.2）式中——导体所在处的气隙磁密（Wb/m2）；——导体或的长度（m）；——导体中的电流（A）。导体受力的方向用左手定则确定，导体的受力方向是从右向左，导体的受力方向是从左向右，如图1.3所示。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。当电枢转了180°后，导体转到极下，导体转到极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷流入，经导体、后，从电刷B流出。这时导体受力方向变为从右向左，导体受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体和流入，使线圈边只要处于极下，其中通过电流的方向总是由电刷流入的方向，而在极下时，总是从电刷流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。第1章直流电机原理摘要：本章分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及换向等问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识。1.2直流电机的主要结构及用途（返回顶部）1.2.1主要结构（返回顶部）直流电机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。直流电机的结构型式是多种多样的，图1.4是一台常用的小型直流电机的结构剖面图。直流电机是由静止的定子部分和转动的转子部分构成的，定、转子之间有一定大小的间隙（以后称为气隙）。现对各主要结构部件的基本结构及其作用简述如下。图1.4电流电机的结构剖面图1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心1．定子部分直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。（1）主磁极又称主极。在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。只有个别类型的小型直流电机的主磁极才用永久磁铁，这种电机叫永磁直流电机。主磁极的作用是能够在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。图2.5是主磁极的装配图。主磁极的铁心用1~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成。把事先绕制好的励磁绕组套在主极铁心外面，整个主磁极再用螺钉固定在机座的内表面上。各主磁极上的励磁绕组联接必须使通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈极和极交替的排列，为了让气隙磁密沿电枢圆周方向的气隙空间里分布得更加合理一些，铁心下部（称为极靴）比套绕组的部分（称为极身）宽。这样也可使励磁绕组牢固地套在铁心上。图1.5直流电机的主磁极1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢（2）换向极容量在1kw以上的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极。换向极又称附加极或间极，其作用为了改善直流电机的换向，至于如何改善换向的，将在后面1.5节中介绍。换向极的形状比主磁极简单，也是由铁心和绕组构成。铁心一般用整块钢或钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。（3）机座一般直流电机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起两方面的作用：一方面起导磁的作用，一方面起机械支撑的作用。由于机座要起导磁的作用，所以它是主磁路的一部分，叫定子磁轭，一般多用导磁效果较好的铸钢制成，小型直流电机也有用厚钢板的。主磁极、换向极和端盖都固定在电机的机座上，所以机座又起了机械支撑的作用。（4）电刷装置电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷放在电刷盒里，用弹簧压紧在换向器上，电刷上有个铜丝辫，可以引出、引入电流。直流电机里，常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上，在电路连接上，把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来，成为一组电刷。一般直流电机中，电刷组的数目可以用电刷杆数表示，刷杆数与电机的主磁极数相等。各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，正常运行时，电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置，如果电刷杆的位置放得不合理，将直接影响电机的性能。电刷杆装在端盖或轴承内盖上，调整位置后，将它固定。2．转子部分直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图1.6为直流电机电枢装配示意图。图1.6直流电机的电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承（1）电枢铁心电枢铁心作用有二，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动，会在铁心中引起涡流损耗和磁滞损耗（这两部分损耗合在一起称为铁心损耗，简称铁耗），为了减少铁耗，通常用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成，固定在转轴上。电枢铁心沿圆周上有均匀分布的槽，里面可嵌入电枢绕组。（2）电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律排列和联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部件。线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成，线圈亦称为元件，每个元件有两个出线端。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元件的两个出线端以一定规律与换向器的换向片相连，构成电枢绕组。（3）换向器换向器也是直流电机的重要部件。在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘，换向片数与元件数相等。1.2.2直流电机的铭牌数据（返回顶部）每台直流电机的机座外表面上都钉有一块所谓铭牌，上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据。根据国家标准，直流电机的额定值有：（1）额定功率；（2）额定电压；（3）额定电流；（4）额定转速；（5）励磁方式和额定励磁电流。有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。关于额定功率，对直流发电机来说，是指电机出线端输出的电功率；对直流电动机而言，则是指它的转轴上输出的机械功率。因此，直流发电机的额定功率应为（1.3）而直流电动机的额定功率为（1.4）式中，为直流电动机的额定效率，它是直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比。电动机轴上输出的额定转矩用表示，其大小应该是输出的机械功率额定值除以转子角速度的额定值，即（1.5）式中，的单位为，的单位为，的单位为。此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。但实际应用中，电机不总是运行在额定状态。如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运行；超过额定电流，称为过载运行。长期过载或欠载运行都不好。长期过载有可能因过热而损坏电机；长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降低，不经济。为此选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。1.2.3直流电机的用途和分类（返回顶部）把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机；把直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械等等，这是因为直流电动机具有以下突出的优点：（1）调速范围广，易于平滑调速；（2）起动、制动和过载转矩大；（3）易于控制，可靠性较高。直流发电机可用来作为直流电动机以及同步发电机的