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1、 第三章 直流电机原理3.1 直流电机的用途及基本工作原理3.1.1 直流电机的特点及用途特点： （1）调速范围广，易于平滑调速；（2）启动、制动和过载转矩大；（3）易于控制，可靠性高。用途： 广泛用于轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等调速要求较高的场合。作为发电机，可为直流电动机和交流励磁机提供电源。不足： 换向问题限制了其容量。3.1.2 基本工作原理线圈 a b 段连接到与电刷A接触的滑环上，线圈 c d段连接到与电刷B 接触的滑环上，当原动机以恒定转速逆时针旋转时，在线圈中产生感应电动势。其大小为： 的单位为V；B的单位为同前； 的单位为 m 。 其方向是交变的，图3.1
2、 交流发电机物理模型在图3.1瞬间，感应电势的方向是 d c b a ，电刷A 端为正、电刷B 端为负。转过 180 度后，感应电势的方向是 a b c d ，电刷端为负、电刷 B 端为正。如此周而复始，形成简单的交流发电机。图 3.2 为直流发电机的物理模型，它用两个互相绝缘的半圆的导电铜片代替图3.1中的两个滑环，a b 连接到一个半圆的导电铜片上，c d 连接到另一个半圆的导电铜片上，两个电刷上、下位置不动且与铜片滑动接触，这就是最简单的换向器。若线圈逆时针旋转，无论怎样转动，总是 N 极下的导体及换向片与电刷 A 接触， S 极下的导体及换向片与电刷 B 接触。故而，电刷 A 永远为正
3、极性，电刷 B 永远为负极性。这样就获得了直流电动势。图3.2 直流发电机物理模型电磁力式中， 的单位为 其余物理量的单位同前。按照左手定则，线圈 ab 和 cd 上得到大小相等、方向相反的两个力，形成了逆时针的电磁力矩。 图 3.3 直流电动机物理模型若线圈不由原动机拖动，将电刷接到直流电源上，如图3.3 所示 ，在线圈 a b c d 中就有电流流过，则导体受到的3.2 直流电机的主要结构与型号3.2.1 主要结构小型直流电机的结构如图3.4所示。其中： 1 换向器；2电刷杆； 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。图 3.4 小型直流电机的结
4、构直流电机由定子和 转子两部分组成，定 子和转子间靠两个端 盖连接。1. 定子部分定子部分包酷机座、主磁极、换向极、和电刷装置等。机座具有导磁和支撑的双重功能，一般由铸钢材料制成。主磁极简称主极。它由1-1.5厚的极靴状的低碳钢板叠成， 它的外面套有励磁线圈，主极的作用是在电枢表面气隙空间 产生一定形状的磁密，结构如图3.6 所示。图3.5 从轴端看的两极电机剖面图 1 机座，2 主极，3 换向极 4 电枢图 3.6 主磁极装置 1 极靴，2 励磁线圈， 3 极身， 4 机座，5框架， 6电枢。极靴的作用是让沿电枢圆周方向的气隙磁密分布更合理。1KW 以上的直流电机还要在两主极间安装换向极，用
5、以改善换向。电刷的作用是将电机旋转部分的电流引出到静止电路中，或将静止电路里的电流引入到旋转电路中。2. 转子部分直流电机转子部分包括电枢 铁芯、电枢绕组、换向器、换 向器、转轴和轴承，如图 3.7 所示。图 3.7 直流电机的电枢1转轴， 2和7轴承， 3换向器 4电枢铁芯，5电枢绕组，6轴承3.2.2电机的名牌数据根据国标，直流电机的数据有：（1）额定容量（功率） P （kW）；（2）额定电压 (V) ；（3）额定电流 (A) ; (4) 额定转速 (r/min) ;(5) 额定励磁电流 (A) 。除外，铭牌上还有额定效率、额定功率等。关于额定容量：对直流发电机来说，是电刷上的输出电功率，
6、即 = 。对直流电动机而言，是转轴上的输出机械功率， =电动机轴上输出的额定转矩为：3.2.3 国产电机的主要系列产品产品型号的命名由大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。如 的含义为：常见的产品系列有：Z 系列，ZF系列，ZT 系列，ZQ系列，ZA系列，ZU系列，ZKJ系列等。3.3直流电机的磁路、空载气隙磁密与空载磁化特性3.3.1 直流电机的磁路图3.8为一台四极直流电机空载（只有励磁电流）时的磁场示意图。若N为一个磁极上的励磁绕组匝数，励磁电流为I 时，每极的励磁磁通势为：F = I N 。图 3.8 四极直流电机空载时的磁场示意图图中主磁通的路径是：从N极、经气隙、经电枢齿、经电枢轭、
7、到另一部分电齿、再到气隙、经S极、经定子轭、回到N极。称为 主磁路。图中只与励磁绕组相链的磁通为漏磁通，其所经过的路径称为漏磁路。3.3.2 空载时气隙磁通密度的分布波形如果把磁路看作一个截面为长方形的磁管，如图3.9 所示，磁管截面宽为 、长为电枢轴向有效长度L 。磁管所包围的导体总电流为 2 = 2 。则根据磁路欧姆定律，磁管内的磁通为：其中 分别为气隙、电枢齿、电枢轭、主 磁极和定子轭等段的磁阻。如果只考虑气隙磁阻，（3-1） 可写为：则磁管气隙段的磁阻为：式中 为磁极内表面与电枢外表面间的长度。将（3-3）代入（3-2）得：若气隙中处的磁场用磁密 B 表示，则有：式中 F 为每极励磁磁
8、通势，单位为 A ;为气隙长度，单位为 mm ;为空气磁导率，近似真空磁导率，即图3.10（a）为极靴形状图；图3.10（b）为气隙磁密分图；图3.10（c）为主磁通的分布情况。图3.10 气隙磁密分布波形（b）图中 1 为均匀气隙时的气隙磁密； 2 为不均匀气隙时的气隙磁密3.3.3 空载磁化特性一般把空载时气隙每极磁通与与空载励磁磁通势F或空载励磁电流 I 的关系，即 = f (F)，或 = f (I)，称为空载磁化特性。如图3.11所示。电机磁路由气隙和铁磁材料两部分组成。由于气隙磁导率为常数，故气隙磁通与磁通势成线性关系，见其隙线 2 。铁磁材料具有饱和现象，当 增大到一定值以后，励磁
9、磁通势急剧增大，使空载磁化特性出现饱和现象，如曲线 1 。为经济使用材料，磁通额定值取在 A点。图 3.11 空载磁化特性3.3.4 直流电机的励磁方式1.他励直流电动机由其他直流电源单独给励磁绕组供电的电机。如图3.12 （a）。图 3.12 直流电动机励磁方式2. 自励直流电机（1）并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联连接，如图3.12（b）。（2）串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联，流过相同电流，如图3.1（c）。（3）复励直流电机励磁绕组分两部分，一部分与电枢回路串联，另一部分与电枢回路并联。如图3.12 （d）。连接时，可先串后并，也可先并后串。 不同励磁方式的直流电机有不同的特性。3
10、.4 直流电机的电枢绕组电枢绕组是由多个形状相同的单匝绕组元件（或多匝元件）以一定的规律连接起来的。一个绕组就是一个线圈，简称元件。（1）元件匝数 N ：指圈数多少。(2）首端、尾端： 指一个元件的两根引出线，见图3.13（a）图3.13 电枢绕组元件及嵌放方法（3）元件数 S 等于换向片数 K ，即 S = K 。（4）电机的实槽数 Z 等于元件数，即 S = Z ，见图3.13（b）（5）当一个实槽中并列放几个元件边时，引出虚槽的概念。用代表电机总虚槽数,用 u 每个实槽中的虚槽数，见图3.13 (c)。则总虚槽数为： 此时绕组的总导体数为： 直流电机最基本的形式有两种，即单叠绕组和单波绕
11、组。3.4.1 单叠绕组1.节距 （见图3.14）（1）第一节距 ： 指同一元件两元件边的间距，用虚槽数或换向片数表示。式中 是使Y1凑成整数的一个分数。（2）合成节距 Y 和换向节距 元件1和它相连的元件2对应边之间的跨距是Y。每个元件首末端相连的换向片间的跨距是 。对单叠绕组 Y= = 1 。（3）第二节距 是同一换向片上两个元件边间的距离，即图3.14单叠绕组的节距2. 单叠绕组的展开图 (举例说明)已知直流电机极数 2P=4，Z=S=K=16，试画右行单叠绕组展开图。解：（1）计算各节距第一节距合成节距和 换向节距 第三节距 （2）画绕组展开图（A）画16根绕组边，上层边用实线，下层边
12、用虚线。（B）放磁极，标明N,S 极性，极距用 表示。（C）画16个换向片，并标上号码（D）从第一换向片、第一槽上层边开始，按第一节距右行连接。3.15 单叠绕组展开图（D）确定每个元件边导体感应电动势的方向。（F）按被电刷所短路元件感应电动势最小的原则放电刷。3.单叠绕组元件连接次序分析图3.15 可得图3.16的连接次序表。从表中可看出，从第一 元件开始，绕电枢一周，又回到第一元件，是一个闭合绕组。4. 单叠绕组的并联支路数按照图 3.15 中各元件的连接次序可得图 3.17 的并联支路图。可见，单叠绕组并联支路对数等于极对数，即 图 3.17 单叠绕组并联支路图综上所述，单叠绕组有如下特
13、点：（1）支路对数等于极对数，A=P；（2）当电刷在换向器的位置对准主极中心线时，正负电刷间感应电势最大。（3）电刷杆数等于极数。3.4.2 单波绕组1. 节距（1）第一节距定义同单叠绕组。（2）合成节距Y和换向器节距结构特点：绕组形状像波浪如图3.18，绕电枢一周，经过 P 个元件后，回到起始换向片相邻的位置。故换向节距为：式中的正负号在满足YK为整数时，一般取负号，连接顺序从右向左，故称左行绕组。合成节距 。 （3）第二节距 Y22. 单波绕组的展开图 （举例说明）已知某直流电机的数据为 连成单波绕组时的各节距为 ： 图3.19 为单波绕组展开图其磁极、电刷位置及电刷极性都与单叠绕组一样。
14、3. 单波绕组的并联支路数单波绕组将所有N极下的元件串成一条支路，将所有S极下的元件串成另一支路，故支路对数恒为1，即 a = 1 。综上所述，单波绕组有如下特点：（1）支路对数恒为 1 ，与极对数无关。（2）当元件对称时，电刷处于主磁极中心线下的换向器位置 上，支路电动势最大。（3）电刷杆数等于磁极数。3.5 电枢电动势与电磁转矩3.5.1 电枢电动势一个磁极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢轴 向有效长度为 ，每极磁通为 ，则（3-7）一根导体的平均电动势为 （3-8）将线速度写成 (3-9) 将式（3-9）代入式（3-8）得一根导体的平均电动势为 （3-10）设支路的总导体数为 z/2a ，则电枢电势为（3-11）式中 是一个常数。若 的单位为Wb , n 的单位为 r/min , 则感应电动势EV 的单位为 V 。 3.5.2 电磁转矩一根导体所受的平均电磁力为（3-1
