01直流电机的原理与结构

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1、第1章 直流电机的原理与结构 1.1第1章 直流电机的原理与结构 返回总目录返回总目录 第1章 直流电机的原理与结构 1.2直流电机基本工作原理 直流电机的结构和额定值 直流电机的磁场、电动势、转矩 直流电机的换向 本 章 小 结习题与思考题本章内容第1章 直流电机的原理与结构 1.31.1 直流电机基本工作原理 图1.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电 磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电 枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分 别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器 ，

2、在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B， 线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。 图1.1 直流电动机工作原理示意图 第1章 直流电机的原理与结构 1.41.1 直流电机基本工作原理 一、直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流 ，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分 别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均 受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆 时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图1.1(a)所示。当电枢

3、旋 转180，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图1.1(b)所示，由于电流仍从 电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷 B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用 ，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的 电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是 直流电动机的基本工作原理。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

4、。 第1章 直流电机的原理与结构 1.51.1 直流电机基本工作原理 二、直流发电机工作原理 直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机(如汽轮 机等)拖动电枢朝某一方向(例如逆时针方向)旋转，如图1.2(a)所示。这时导 体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向 用右手定则确定。可知导体ab中电动势的方向由b指向a，导体cd中电动势 的方向由d指向c，在一个串联回路中相互叠加的，形成电刷A为电源正极， 电刷B为电源负极。电枢转过180后，导体cd与导体ab交换位置，但电刷的 正负极性不变，如图1.2(b)所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电 枢

5、线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作 用，在电刷A、B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之 间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本 工作原理。第1章 直流电机的原理与结构 1.61.1 直流电机基本工作原理 图1.2 直流发电机工作原理示意图 从以上分析可以看出：一台直流电机原则上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。将直流电源加于电刷，输入电 能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用 原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流 电能，从电刷上引出直

6、流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作电动 机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。第1章 直流电机的原理与结构 1.71.2 直流电机的结构和额定值 一、直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由 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，定子 的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和感应电 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。装配后的电机如图1.3所示。直流 电机

7、的纵向剖视图如图1.4所示。 1. 定子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 。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极 靴两部分，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，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕 组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座 上，如图1.5所示。 第1章 直流电机的原理与结构 1.8图1.3 直流电机装配结构图 图1.4 直流电机纵向剖视图 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

8、枢铁心 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 1.2 直流电机的结构和额定值 第1章 直流电机的原理与结构 1.92) 换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生 的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组 成，如1.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向 极的数目与主磁极相等。3) 机座电机定子的外壳称为机座，见图1.4中的3。机座的作用有两个：一是用 来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座 本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁

9、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) 电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1.7所示。电刷 装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。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，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。1.2 直流电机的结构和额定值 第1章 直流电机的原理与结构 1.10图1.5 主磁极的结构 图1.6 换向极 图1.7 电刷装置 1主磁极 2励磁绕组 3机座 1换向极铁心 2换

10、向极绕组 1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4刷辫 1.2 直流电机的结构和额定值 第1章 直流电机的原理与结构 1.112. 转子(电枢)1.2 直流电机的结构和额定值 1) 电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心 采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图1.8(a)所 示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。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。2) 电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变 换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规

11、律连接 而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分 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，槽口用槽楔固定，如图1.9所 示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。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，换向器配以第1章 直流电机的原理与结构 1.121.2 直流电机的结构和额定值 图1.8 转子结构图 图1.9 电枢槽的结构 1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘 电刷，

12、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1.10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，再用螺母锁紧。第1章 直流电机的原理与结构 1.131.2 直流电机的结构和额定值 4) 转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆 钢加工而成。图1.10 换向器结构 图1.11 单叠绕组元件 图1.12 单波绕组元件 1换向片 2连接部分 1首端 2末端 3元件 边4端接部分 5换向片 1首端 2末端 3元件 边4端接部分 5换向片 第1章 直

13、流电机的原理与结构 1.141.2 直流电机的结构和额定值 二、直流电机的电枢绕组 按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组(见图1.11)、单波绕组(见 图1.12)、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型。本节先介绍元件的基本 特点，再以单叠绕组和单波绕组为例阐述电枢绕组的构成原理和连接规律。 1. 元件与节距 1) 电枢绕组元件电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽 内、能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。元件的槽外部 分亦即元件边以外的部分称为端接部分。为便于嵌线，每个元件的一个元件 边嵌放在某一槽的上层，称为上层边，画图时以实线表示；另一个元件边则

14、 嵌放在另一槽的下层，称为下层边，画图时以虚线表示。每个元件有两个出 线端，称为首端和末端，均与换向片相连。如图1.11、图1.12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个元件的 下层边，所以元件数S总等于换向片数K，即S=K；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S=K=Z。第1章 直流电机的原理与结构 1.152) 节距节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电 机电枢绕组的节距有第一节距y1、第二节距y2、合成节距y和换向器节距yk 4 种，如图1.13所示。1.2 直流电机的结构和额定值 (a) 单叠绕

15、组 (b) 单波绕组 图1.13 电枢绕组节距 第1章 直流电机的原理与结构 1.161.2 直流电机的结构和额定值 (1) 第一节距。同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离，用槽数 来表示，称为第一节距y1。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距 ， 当用槽数表示时，极距的表达式为 (1.1) 式中 p磁极对数。为使每个元件的感应电动势最大，第一节距y1应等于一个极距 ，但 往往不一定是整数，而y1只能是整数，因此，一般取第一节距 (1.2) 式中 小于1分数。y1 的元件称为整距元件，由整距元件构成的绕组就称为整距绕组； y1 的元件 ，称为长距元件，相对应的绕组称为长距绕组。由于长距绕组的电磁效果与 短距绕组相似，但端接部分较长，耗铜较多，因此一般不采用。 第1章 直流电机的原理与结构 1.171.2 直流电机的结构和额定值 (2) 第二节距。第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之 间在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为第二节距 ，如图1.13所示。(3) 合成节距。直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽 数表示，称为合成节距y，如图1.13所示。(4) 换向器节距。每个元件的首、末两端所连接的两片换向片在换向器圆 周上所跨的距离，用换向片数表示，称为换向器节距 。由图1.13可见，换