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1、L/O/G/O 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 第五章第五章 直流电机直流电机 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 第五章第五章 直流电机直流电机 第五章小结 5-1 直流电机的工作原理和结构特点 5-2 直流电机的励磁方式和运 行特性 5-3 无刷直流电动机 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 概 述 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动 转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者 需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机 驱动。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电机的优点： (1) 调速性能好, 调速范围广
2、, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。 应用： (1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 (2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 5-1 5-1 直流电机的工作原理和结构特点直流电机的工作原理和结构特点 本节的主要内容有三部分： l 构造：主要点：主要组成及作用，如换相器等。 l 铭牌数据：参数个数、数据含义。 l 励磁方式：种类。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电机模型：磁极、线圈、电刷
3、和换向片。 5.1.1 直流电机(direct current motor)的工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢转子感应电动势：电枢转子由原动机拖动旋 转，电枢线圈切割N、S极磁场，线圈每个边导体中 产生感应电动势（方向根据右手定则判断）。 换向：转子转过180后，线线圈边边接触的电电刷更换换 而线线圈边边所处处位置的磁极极性也变变了。因此，线线圈 边边感应应的电动势电动势 方向变变反，但电电刷极性却不变变。 结论结论 ：线线圈感应电动势应电动势 和流过电过电 流都是交流， 而电电刷两端电压电压 和电电刷导导出电电流却都是直流的。 电电刷与换换向器配合是起“机械整流器”作用
4、。 电电磁力F=BlI 电电磁转转矩 反转转矩 直流发电机(direct current generator)工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转转子的转动转动 ：电电枢绕组绕组 通入直流电电流在定子磁 场场的作用下，受力产产生转转矩，转转子转动转动 。转动转动 方向 由左手定则则判断。 换换向：转转子转过转过 180后，线线圈边边接触电电刷更换换而 线线圈边边所处处位置磁极极性也变变了。因此，线线圈流过过 电电流方向变变反，线线圈边产边产 生的转转矩方向也变变反。 转转子转动转动 后线线圈感应电动势应电动势 与电电源电压电压 平衡。 结论结论 ：电电源电压电压 是直流的，线线
5、圈感应电动势应电动势 和 流过电过电 流却都是交流，而产产生电电磁转转矩方向不变变。 直流发电机(direct current generator)工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 I U + S b N a c d 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向 如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样 转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电 流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力（左手定则 ）按顺时针方向旋转。 U + U + 电刷 换向片 I F F T n 换向
6、器作用： 将外部直流电转 换成内部的交流 电，以保持转矩 方向不变。 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 I U + S b N a c d U + U + I F F T n E E 线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动 势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向 相反。 由图可知， 电枢感应电动势E 与电枢电流或外 加电压方向总是 相反，所以称反 电势。 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 电刷 换向片 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置 直流电电机的电电枢绕组绕组 ： 电电刷
7、的正确位置： 这这两点与电电机结结构有关，放在下一小节节中介绍绍 。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 5.1.2 直流电机的构造 基本组组成：定子和转转子两大部分。 定子：主磁极、换换向极、电电刷装置和机座等。 转转子：电电枢铁铁心、电电枢绕组绕组 、换换向器等。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电动机的构造直流电动机的构造 极掌 极心 励磁绕组 机座 转子 直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。 S N + + + + N + + + + + S + + + 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 2. 转子(电枢，armat
8、ure ) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。 1. 磁极 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。 励磁：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。 电枢铁心：由硅钢片叠装而成。 电枢绕组：单个绕组元件组成。 用来在电机中产生磁场。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 解剖示意图 (自画) 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 风叶磁极电刷 电枢转子 转轴 换向器 换向片 压紧环 电枢绕组 绕组端部 结构 细说 注：书P.69. 图5-5的电机 是较大型的电机，其电枢 绕组中间开有通风槽。 换向器 集美大
9、学轮机工程学院船舶电气设备及系统 定子结构（主要掌握作用） 主磁极：主极铁铁心由薄钢钢板冲片叠成，用螺栓固 定在机座上，其上套有励磁绕组绕组 。励磁绕组绕组 中通入 直流励磁电电流产产生主磁场场。 参见见“示意图图”。 换换向极：其铁铁心尺寸比主极小，也用螺钉钉固定在 机座上；在定子机座圆圆周上的安装位置与主磁极相 间间分布。换换向极用于改善换换向，减少因电电磁原因而 引起的电电刷火花。 机座：是直流电电机的固定支撑和防护护部件，又是 磁路的一部分。机座通常是由铸钢铸钢 制成。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 主磁极 结构示意图 截面图 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 定子结构
10、（续）（主要掌握作用） 电电刷装置组组成：刷架、刷杆、刷握、炭刷及压压 紧弹紧弹 簧等。 安装位置：中小型电电机刷架装在端盖，或轴轴承内 盖上，大中型电电机刷杆座固定在机座上。电电刷装置 则则装在刷架的刷杆上。 接线线：多对对磁极、多对电对电 刷的直流电电机，正、 负电负电 刷分别别并联联在一起，然后只引出两个接线线端到 接线线盒上。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 定 子 结 构 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 两种刷握结构 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转子结构（主要掌握作用） 电电枢铁铁心：电电枢铁铁心是磁路的一部分，由固定 在转轴转轴 上的硅钢钢片叠成。铁铁心
11、圆圆周上有均匀分布的 槽，槽内用于嵌放电电枢绕组绕组 。 电电枢绕组绕组 ：电电枢绕组绕组 由绝缘铜线绕绝缘铜线绕 制而成，用 以产产生电动势电动势 和通过电过电 流，是实现实现 机电电能量转换转换 的重要部件。各绕组线绕组线 圈的两个出线线端按一定的规规 律焊焊接到换换向器片上，形成一闭闭合回路。 换换向器：又称为为“铜头铜头 ”，主要由铜质换铜质换 向片组组 成其作用是与电电刷配合起“机械整流器”的作用。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转 子 结 构 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转子剖面图 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 换向器 集美大学轮机工程学院船舶电气设
12、备及系统 电枢绕组 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢绕组的实质 直流电电机的电电枢绕组绕组 是一个闭闭合回路： 见书见书 P.67，“实际实际 采用分布式线线圈结结构，每个线线圈有两个 边边，分别别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这这些 线线圈沿电电枢铁铁心圆圆周均匀分布，并通过过相应应数量的 换换向片依次串联联构成一个闭闭合回路。” 被电电刷分割成几个支路并联联，引接到外部电电路。 随着转转子的转动转动 ，电电刷接触不同的换换向片，每个 绕组绕组 元件将从一个支路换换接到其它支路去（即换换向 ）。但某个磁极作用下的元件，固定与一对电对电 刷连连接 。 参见见下页页的“电电枢绕组
13、绕组 并联联支路图图”。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢绕组支路图 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢绕组（展开图） 另一半电枢绕组也构成另外一条支路。 不管电枢如何转动，一条支路中绕组感 应总电势大小基本不变（微小脉动）。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电刷的正确位置 原则则：电电刷正确位置的原则则是，使正负电负电 刷间间能 获获得最大电动势电动势 。 即，应应将位于磁场场几何中心 线线的元件短接。 参见见“展开图图”。 展开图图的画法：元件几何形状对对称时时，电电刷与磁 极的轴线轴线 重合。 原理示意图图的画法：原理示意图图的绘绘制原则则是尽 量简单简单
14、，每个元件只画出上层边层边 ，用一个“”表示。 此时时的电电刷就与“位于磁场场几何中心线线”的元件直接接 触（画在其旁边边）。也就是电电刷就不能再画在磁极的 轴线轴线 上了。 书书P.68，图图5-4。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电刷位置 在展开图上的位置在原理示意图上的位置 原则：都是将几中线上的元件短接。若不在 反 电动势 E下降 火花。 电枢反应去磁或增磁电压和转速 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 5.1.3 直流电机的额定值 在直流电电机外壳的铭铭牌上，给给出了直流电电机的型 号和额额定运行时时各物理量的数值值。额额定值值主要有： 额额定功率(kW) ：指额额定状
15、态态下，发电发电 机输输出功率 Pn=UnIn或电动电动 机轴轴上输输出功率 Pn=UnInn ； 额额定电电流(A)/额额定电压电压 (V) ：指额额定状态态下，发发 电电机输输出的或电动电动 机输输入的额额定电电流 I/ 额额定电压电压 U ； 其它：额额定转转速 (r/min)；励磁方式及额额定励磁电电 流If (A)；绝缘绝缘 等级级和温升、工作制和使用条件等。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 1. 额定功率PN：电机轴上输出的机械功率。 2. 额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的直流电 压。（例：110V，220V，440V） 3. 额定电流IN ：额定电压下轴上输出额定功率时的电 流（并励包括励磁和电枢电流）。 三者关系：PN=UNIN （ ：效率） 直流电动机的额定值 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 4. 额定转速nN：在PN , UN , IN 时的转速。 直流电机的转速一般在500r/min 以上。特殊的直 流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（ 每分钟3000转以上）。 注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过1.2nN 。 直流电动机的额定值 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 (3) 恒功率负载（P 一定时，T和n 成反比)，要选软特 性电机拖动。如：电气机车等。 直流电动机特性类型的选择： (1)
