直流电机的工作原理剖析

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1、课题：直流电机的工作原理与结构,作者：牛海 单位：宣钢分院 2009年1月,科目：电机及拖动,1.1 直流电机的基本原理,一、直流电机模型图解,二、直流发电机的工作原理,三、直流电动机的工作原理,1.1.2 直流电机的结构,直流电机的工作原理与结构,主磁极,机座,换向极,电刷装置,电枢铁心,电枢绕组,换向器,定子,电枢,直流电机的用途,励磁机,测速,伺服,1.1 直流电机的基本原理,一、直流电机模型图解,固定部分有磁铁，这里称作主磁极；还有电刷。转动部分有铁心和绕在铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固

2、定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,二、直流发电机的工作原理,直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。 说明： 设原动机拖动转子以每分转n转转动； 电机主磁极要有磁场。这个磁场可以是如图示的磁铁也可以是磁极

3、铁心上绕有线圈，再通过直流电产生磁场。 If 称之为励磁电流。这种线圈称为励磁线圈，每个磁极上有一个，它们串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。各线圈通过电流的方向不可出错。 在以上条件下电枢导体将感应电势，其大小与磁通密度 B 、导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。 注意某一根转子导体的电势性质是交流电。而经电刷输出的电动势确是直流电了。这便是直流发电机的工作原理。,直流发电机动画演示,直流发电机工作原理小结,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，再通过换向器的整流作用，在电刷间获得直流电压输出，从而实现了将机械能

4、转换成直流电能的目的。,三、直流电动机的工作原理,如果直流电机的两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。 如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。其受到电磁力的作用方向由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和

5、换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。,直流电动机的工作原理动画演示,直流电动机的工作原理小结：,1、将直流电通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 2、电动机内部有磁场存在。 3、电枢电枢载流导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （其方向用左手定则判断） 4、所有导体产生的电磁力作用于转子（电枢），使电枢以n转/分旋转。,1.1.2直流电机的结构,Z2系列直流电动机外形 Z4系列直流电动机外形,直流电机的结构装配图和结构剖面图,直流电机的基本结

6、构总结,主要由定子、转子两部分组成,直流电机,主要由定子、转子两部分组成,直流电动机的各种主要部件图,定子主要包括：主磁极（励磁绕组 主极铁心），换向极（绕组和铁心），机座，端盖和电刷装置,主磁极,主磁极包括： 励磁绕组 主极铁心,主磁极的作用是建立主磁场。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。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主

7、磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。,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叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。,换向极,是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成。,换向极的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装或少装换向极的。换向极绕组在使用中是和电

8、枢绕组相串联的，要流过较大的电流，和串励绕组一样，导线截面较大。,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。,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，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。 注意：石墨碳刷很脆，掀动压力弹簧要仔细轻放,电枢（转子）,电枢的主要部件包括：

9、 直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。,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、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。,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

10、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。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。,换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的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。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。,本节结束 谢谢观看！ 2009年1月,1.2 直流电机电枢绕组,对电枢绕组的要求：,在通过规定的电流和产生足够的电势和

11、电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电气、热）， 运转可靠，结构简单等。,电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。,绕组实物图,电枢绕组的形式,环形绕组,鼓形绕组,叠绕组,波绕组,y=y1-y2,有关电枢绕组名词、术语,元件：,第一节距y1,极距：铁心表面， 一个极所占的距离,第二节距y2,合成节距y：,换向器节距yk：,极轴线：磁极中心线,几何中心线：磁极之间的平分线,基本绕组形式,一、 单叠绕组：,叠： 两个相邻联接的元件， 后一元件的端部紧迭在前一元件的端部。,单： 首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。,特

12、点： 槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同,y=yk=1,单叠绕组分析实例,1、 数据计算：,yyk1,实例： p2， ZSK16,单叠绕组展开图,槽展开,展开图（2）,绕组放置,元件1： 上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层。 元件2： 上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=4即6槽下层。 以此类推,某一瞬间电刷、磁极放置,电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线 对准的换向片上。,磁极：磁极宽度约0.7 , 均匀分布，N、S极交替 安排。,电刷：联接内、外电路。为了在正负电刷间获得最 大直流电势以及产生最大的电磁转矩， 电刷放 在被电刷短路的元件电势为零的位置。 电

13、势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相 同的方向。 在磁极的几何中心线上电势为零。,元件连接顺序图,绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。,电路图,结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图,每个极下的元件组成一条支路。 即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。,这是单叠绕组的重要特点之一。,单叠绕组的特点,元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上 并联支路数等于磁极数， 2a=2p 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为零， 绕组内部无换流 每条支路由不相同的电刷引出， 电刷不能少， 电刷数等于磁极数 正负电刷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 由正负电

14、刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和， 即,二、单波绕组,波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远， 两个元件紧相串联后形似波浪。,为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件边应处于相同磁极极性下， 即合成节距,单波绕组： 换向片极距yk必须符合 即,为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。,单波绕组,实例：p2， Z=SK15 左单波绕组,1、绕组数据计算,元件、磁极、电刷放置原则,元件、换向片的放置： 1元件上层边1槽， 下层边4槽；首末端所联的换向片相距yk7； 为了端部对称， 首末端所联的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。 1

15、元件上层边所联的换向片定为1。 依次联接。,磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。,电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。,单波绕组展开图,槽展开,单波绕组元件连接顺序图,从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：,用联接顺序图表示为：,单波绕组电路图,单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。 由于磁极只有N、S之分， 所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关， 永远为1，即a1。,单波绕组的特点,同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数a1， 与磁极对数p无关。 当元件的几何尺寸对称时， 电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大。 电刷组数应等于极数（采用全额电刷）。 电枢电流 Ia2ia 。,直流电机绕组的归纳,所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数。 注：a支路对数 p极对数 为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中心线上的导体相接触。,单叠绕组和单波绕组的区别,本节结束 谢谢观看！ 2009年1月,