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1、第1章 直流电机,1.1 直流电机的基本工作原理与结构 1.2 直流电机的电枢绕组简介 1.3 直流电机的电枢反应 1.4 直流电动机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 直流电动机的换向 1.6 直流发电机 1.7 直流电动机,1.1.1 直流电机的基本工作原理 1.1.2 直流电机的主要结构 1.1.3 名牌数据及主要系列,1.1 直流电机的基本工作原理与结构,第1章 直流电机,直流电机优缺点： 优点：起动性能和调速性能好，过载能力大。 缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差。,直流电机发展形势： 随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被交流调速电
2、动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继续发挥作用。,1.1 直流电机的基本工作原理 1.1.1 直流电动机的基本工作原理,直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械。,N和S是一对固定的磁极。 电刷A、B接直流电源。 此时电枢线圈中电流方向abcda。 通电导体在磁场中受力（左手）， ab从右向左，cd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。,图1-1 直流电动机的工作原理a),1.1.1 直流电动机的基本工作原理,当电枢旋转到b）图位置 原N极性下导体ab转到S极下，
3、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。 实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。,b) 图1-1 直流电动机的工作原理,1.1.1 直流电动机的基本工作原理,电机的各组成部件,1.1 直流电机的基本工作原理 1.1.2 直流发电机的基本工作原理,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
4、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。,1.1.2 直流发电机的基本工作原理,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，线圈abcd将产生感应电动势。 如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；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。,图1-2 直流发电机的工作原理图,当原动机驱动电机转子逆 时针旋转180度后，如右图。 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
5、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。,1.1.2 直流发电机的基本工作原理,图1-2 直流发电机的工作原理图,1.1.2 直流发电机的基本工作原理,电机可逆原理： 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
6、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。,1.2 直流电机的结构及铭牌 1.2.1 结构,直流电机结构：主要由定子、转子（电枢）两大部分组成。 定子的作用是产生磁场；转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势。,1.2.1 结构,图1-4 直流电机横剖面示意图,1.定子 直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。 (1)主磁极：主要作用是建立主磁场。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
7、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。 (2)换向极：主要作用是改善换向，安装在两相邻主磁极之间，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成。 (3)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。机座的两端装有端盖。 (4)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。,1.2.1 结构,1.2.1 结构,(5)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。,图1-7 换 向 极,1.2.1 结构,1.2.
8、1 结构,2.转子 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。 (1)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、槽硅钢片叠压夹紧而成。 (2)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，是直流电机的电路部分，也是感生电动势，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。 (3)换向器：在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电
9、机的关键部件之一。换向器由许多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。,1.2.1 结构,1.2.1 结构,1.2.1 结构,1.2.1 结构,电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择和使用时参考。 额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）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。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。,1.2.2 电机的铭牌,1. 铭牌数据 根据国家标准，直流电机的额定数据有： 额定功率 PN 指电机在铭牌规
10、定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W“ 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 对于直流发电机，PN是指发电机带额定负载时，电刷输出的功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电动机，PN是指电动机带额定负载时，转轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。 PNUNINN (N额定效率）,1.2.2 电机的铭牌,额定电压 UN 指额定状态下电刷出线端的电压，以 “V” 为量纲单位。 额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为量纲单位。 额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量
11、纲单位。 额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。,1.2.2 电机的铭牌,1.2.2 电机的铭牌,发电机：是指输出额定电压； 电动机：是指输入额定电压。,在额定工况下，电机出线端的平均电压,在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流,在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速,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,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行；而电机的负载超过额定容量，称为过载运行。长期的欠载或过载都不好。,1.2.2 电机
12、的铭牌,例题1-1： 一台直流电动机其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V，额定效率N=90%，额定转速nN=1500r/min，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少？,1.2.2 电机的铭牌,解：额定输入功率 P1= PN/ N=160/0.9=177.8kW 额定电流 IN= PN/ UN N=160*103/220*0.9=808.1A 额定转矩 TN= 9.55 PN/ nN=9.55*160* 103 /1500=1018.7N m,2.国产直流电机产品的型号： 电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。其中汉语拼音字母是根据
13、电机的全名称选择有代表意义的汉字，再从该字的拼音中得到，例如， ZA112/21 其中，Z直流电动机； A设计系列号； 112中心高112mm 2极数； 11号铁心 Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机及调压发电机。 Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列；ZF是直流发电机系列。 ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。 ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。 ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。,1.2.2 电机的铭牌,1.3 直流电机的电枢绕组 1.3.1 电枢绕组的常用术语,元件（线圈）：构成绕组的线圈称为
14、绕组元件，分单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组成，元件边放在槽内，能切割磁力线而产生感应电动势，叫“有效边”，端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用。每个元件的一个元件边放在某一个槽的上层，另一个元件边则放在另一槽的下层。 元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。每一个元件的两个端点分别接在不同的换向片上，每个换向片接两个不同的线圈端头。,实槽：电机电枢上实际开出的槽叫实槽。实槽数用Q表示。 虚槽：即单元槽(每层元件边的数量等于虚槽数)，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。虚槽数用Q表示。设槽内每层有个虚槽，若实槽数为Q，虚槽数为Q，
15、则Q= Q。 极轴线：磁极的中心线。 几何中性线：是指主磁极N极和S极的机械分界线。 物理中性线：把N极与S极磁场为零处的分界线称 为物理中性线。,1.3.1 电枢绕组的常用术语,a)元件 b)绕组元件在槽内的放置 c）实槽与虚槽 b）1上层边； 2下层边； 3端接部分； 4首、末端 c）1槽楔；2线圈绝缘；3导线；4层间绝缘；5 槽绝缘；6 槽底绝缘,1.3.1 电枢绕组的常用术语,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示为（距离）,1.3.1 电枢绕组的常用术语,极距位置示意图,绕组节距：绕组节距通常用虚槽数或换向片数表示，见图1-12。 (1)第一节距Y1：同一个元件的两个
16、有效边在电枢表面跨过的距离。 (2)第二节距Y2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。 (3)合成节距Y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 (4)换向器节距YK：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,单叠绕组,单波绕组,1.3.1 电枢绕组的常用术语,1.3.1 电枢绕组的常用术语,绕组主要分类： 大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过；现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。,1.3.1 电枢绕组的常用术语,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,1.3.1 电枢绕组的常用术语,单
