第1章直流电机的结构与工作原理

1.1直流电机的结构与工作原理1.2直流电机的电枢绕组1.3直流电机的铭牌数据及主要系列第一章直流电机的结构与工作原理1.1直流电机的结构与工作原理直流电机直流电动机：直流发电机：将机械能转化为电能。将电能转化为机械能。主磁极换向极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁芯电枢绕组换向器转轴轴承1.1直流电机的结构与工作原理1.1.1直流电机的主要结构电枢铁芯励磁绕组图1-1直流电机结构图图1-2直流电机的正剖面图1．极靴2．电枢齿3．电枢槽4．主磁极5．励磁绕组6．机座（磁轭）7．换向极8．换向极绕组9．电枢绕组10．电枢铁芯11．底脚⒈１.1直流电机基本结构直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，其主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩或感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。1．定子部分1)主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图1-3所示。铁心用0.5～1.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧而成，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可使气隙中磁场分布比较理想，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在极身上，再将整个主磁极用螺钉固定在机座上。图1-3主磁极极靴极身2)换向极（commutatingpole）两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。换向极的作用是改善电机换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组构成，如图1-4所示。换向极铁心一般用整块钢制成。对换向性能要求较高的直流电机，换向极铁心可用1～1.5mm厚的钢板冲制叠压而成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上。整个换向极用螺钉固定于机座上。换向极的数目一般与主磁极相等。图1-4换向极结构3)机座电机定子部分的外壳称为机座。机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖，并起到整个电机的支撑和固定作用；另一方面也是磁路的一部分，借以构成磁极之间的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。4)电刷装置电刷装置用以引入或引出直流电压或直流电流。电刷装置由电刷、刷握杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，如图1-５所示，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。图1-5电刷盒装配1．刷盒2．电刷3．铜丝辫4．压紧弹簧2．转子(电枢)部分1)电枢铁心是主磁通磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心用0.5mm厚的硅钢片冲制的冲片叠压而成，冲片形状如图1-6所示。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。图1-6电枢铁心冲片(a)矩形槽；(b)梨形槽2)电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩或感应电动势，是直流电机进行能量转换的关键部件。它由许多线圈按一定规律连接而成，线圈用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成。不同线圈边分上、下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔(xie)固定，如图1-7所示。线圈边的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。图1-7电枢绕组在槽中的绝缘情况3)换向器在直流电动机中，换向器配以电刷能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。换向片的紧固通常如图1-8所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制Ｖ形套筒和Ｖ形云母环固定，再加螺母锁紧。图1-9为直流电机换向器的侧剖面图。图1-8换向器图1-9直流电机换向器的侧剖面图4)转轴转轴起支撑转子旋转的作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。1.1.2直流电机的基本原理1、直流发电机工作原理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。当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。0180可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下。导体ab在S极下，a点低电位，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。可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，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。线圈分布在电枢铁芯表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。直流发电机工作原理:直流发电机在原动机的拖动下旋转，电枢上的导体切割磁力线产生交变电动势，再通过换向器的换向作用，在电刷间获得直流电压输出，从而实现了机械能转换成直流电能的目的。2、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。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。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。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。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。当电枢旋转到右图所示位置时同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。直流电动机的工作原理:直流电动机在外加电压的作用下，在导体中形成电流，载流导体在磁场中将受电磁力的作用，由于换向器的换向作用，导体进入异性磁极时，导体中的电流方向也相应改变，从而保证了电磁转矩的方向不变，使直流电动机能连续旋转，把直流电能转换成机械能输出。从以上分析可见：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，取决于外界不同的条件。如果在电刷端外加直流电压，则电机把电能转变成机械能，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，电机能将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种同一台电机既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。[本节作业：P111-1.1-2.1-3.]电枢绕组是直流电机的核心部分。无论是发电机还是电动机，感应电动势和电磁转矩都在电枢绕组中产生，电枢绕组是实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的转子称为电枢。1.2直流电机的电枢绕组1.2.1基本知识1.绕组元件构成绕组的线圈称为绕组元件，是用绝缘铜线绕制的。元件的开始端头称首端，终了端头称末端。嵌放在电枢铁芯槽中的直线部分称有效边，连接两个有效边的部分称为端接部分，如图1-10所示。一个元件可以是单匝或多匝。图1-10直流电枢绕组元件(a)叠绕组元件；(b)波绕组元件每个元件有两个出线端，称首端和末端，与换向片相连的一端为前端接，另一端叫后端接。为便于嵌线，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层，称为上元件边，画图时以实线表示；另一个元件边则嵌放在另一槽的下层，称为下元件边，画图时以虚线表示，图1-11所示。每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一元件的下层边，所以元件数S总等于换向片数K，即KS(1.3.1)2.线圈数、槽数、换向片数的关系：图1-11电枢绕组在槽内的放置每个元件有两个元件边，而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数S又等于槽数Z，即ZKS(1-2)对于小容量电机，电枢直径小，电枢铁心外圆不宜开太多槽时，往往在一个槽的上层和下层各放两个元件边，即把一个实槽当成u个虚槽使用。虚槽数与实槽数Z之间的关系为KSuZZu(1-3)为分析方便起见，本书中均设u＝l。3.叠绕组和波绕组叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组成褶叠式前进；波绕组是指相串联的两个元件像波浪式的前进如图所示。图1-12电枢绕组和节距132y1y2yyk单叠绕组132y1y2yyk7单波绕组1.2.2电枢绕组的节距1．极距极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离。2Zp2．第一节距y1第一节距是指一个线圈两有效边之间在电枢表面上的跨距，以槽数表示，如图1-12所示。由于线圈边要放入槽内，所以应是整数。而为了让组能感应出最大的电动势，应使接近或等于极距。为了节省铜线及其工艺的方便，一般采用短距或整距绕组。pZy213．第二节距y2它是指相串联的两个相邻线圈中，第一个线圈的下层边与相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，用槽数表示。4．换向片节距yk线圈的两端所连接的换向片之间距离，用该线圈跨过的换向片数来表示。5．合成节距y它是指相串联的两个相邻线圈对应的有效边之间的距离，用槽数表示。12yyy12yyy1kyy单波绕组单叠绕组1ukZyyp单叠绕组是指元件的首端和末端分别接到相邻的两片换向片上，下一个元件叠在前一个元件之上。绘制展开图的步骤是：第一步：计算绕组的各节距。包括、y、y1。第二步：画槽、画元件，按顺序编号。每槽用两条短线表示，实线表示上层，虚线表示下层。注意：实线上的标号既表示槽号又表示元件号，同时还表示该元件的上层边所在的位置。1.2.3单叠绕组第三步：画换向片，按顺序编号。用小方块代表各换向片，换向片与电枢同周长，换向片的编号也是按顺序从左向右并以第一元件上层边所连接的换向片作为第一换向片号。第四步：排列、连接绕组。根据各节距按规律排列连接。第五步：放置主磁极。主磁极应N、S极交替地、均匀地放置在各槽之上，每个磁极的宽度约为0.7倍的极距。第六步：安放电刷。在展开图中，直流电机的电刷置于磁极中心线下，电刷大小与换向片相同，电刷数与主磁极数相同。在实际生产过程中，直流电机电刷的位置是通过实验方法确定的。〔例〕已知一台直流电机，2p=2，S=K=Z=8，画出单叠绕组展开图。解：计算绕组的各节距：(1)极距：(2)第一节距：(3)合成节距：y=yk=1按照上述步骤绘制单叠绕组的展开图，如下图所示。4282pZ42821pZy单叠绕组的并联支路图画出元件的连接及有关的换向片和电刷，就成了绕组的并联支路图。并联支路图，就是绕组的电路简图单叠绕组的特点（1）合成节距y和换向片节距yk：y=yk=1；（2）并联支路数：2a=2p；（3）同一个主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，有几个主磁极就有几条支路；（4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势；（5）电枢电流等于各并联支路电流之和。例1-1计算单叠绕组，的节距，，，求出并联支路数。24P18SK1y2yky解：采用短距绕组，则2411824244UZyP1kyy213yyy224ap并联支路数：1.2.4单波绕组单波绕组直接相连的两个线圈的对应边不是在同一个主磁极下面，而是分别处于相邻两对主磁极中的同极性磁极下面，合成节距约等于两个极距。pZpKyyk11当取“+”时，第p个线圈的末端将置于第1个换向片的右边，称为右行绕组；当取“-”时，第p个线圈的末端将置于第1个换向片的左边，称为左行绕组。左行绕组端接线较短