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1、电机与拖动Page 1直 流 电 机电机与拖动本章内容1 直流电机工作原理 2 直流电机的磁场 3 直流电机的基本方程 4 直流发电机的运行特性与试验测试 5 直流电动机的工作特性与试验测试 6 直流电机的换向 7 实例（应用） 8 直流电机性能的仿真 Page 2电机与拖动本章教学基本要求1. 了解直流电机主要结构和励磁方式，注意换向器和电刷的 作用，掌握其额定值。 2. 熟悉直流电机的基本工作原理，理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握其计算方法 。 3. 掌握直流电机的基本平衡方程和功率流程，以及不同励磁方式的工作特性。 4. 了解电枢反应对换向的影响和改善换向措
2、施。 Page 3电机与拖动本章教学基本要求直流电机的基本平衡方程和工作特性。重点： 直流电机的换向。难点： Page 4电机与拖动Page 5提问作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设备。把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机，把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。 直流电机是将直流电能转换为机械能或将机械能转换为直流电能的一种装置。电机与拖动直流发电机的工作原理是建立 在电磁感应定律基础上的，变化的 磁场在导体中要感应电动势是发电 机工作的基本原理，图1所示为简 单直流发电机模型。Page 61直流电机工作原理1.1直流电机
3、的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理a）wt=0时时，A端X端 b）wt=180时时，A端X端 电电刷B1(+)B2(-) 电电刷B1(+)B2(-)图图1 直流发电发电 机工作原理 给励磁绕组通入直流电，将在固定的主磁极呈现上为N极、 下为S极。N和S极之间是电枢，电枢铁心上安放着由A和X两根 导体组成的电枢线圈，线圈的首端（A）和末端（X）分别连在 两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上，换相片形成的整体称为换 向器。换向器固定在转轴上，且与转轴绝缘。 电机与拖动换相片上安放着一对固定不动 的电刷B1和B2，电刷能与外电路联 接。固定不动的部分（主磁极、电 刷等）被称为定子，随转轴
4、转动的 部分（线圈、电枢铁心、换相器等 ）被称为转子（又称电枢）。Page 71直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理a）wt=0时时，A端X端 b）wt=180时时，A端X端 电电刷B1(+)B2(-) 电电刷B1(+)B2(-)图图1 直流发电发电 机工作原理 磁极N和S所产生气隙磁通密度沿空 间分布如图2所示。定、转子之间有一空隙，称为气隙。图图2 气隙磁通密度分布和线线圈AX感应电动势应电动势电机与拖动当原动机拖动电枢逆时针方向 旋转时，导体切割磁力线，根据电 磁感应定律，导体内产生感应电动 势，大小为e=Bxlv，式中，Bx为导 体所在处的磁
5、通密度（Wb/m2），l 为导体的有效长度（m），v为导体 的线速度（m/s），e为感应电动势 （V）。 Page 81直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理a）wt=0时时，A端X端 b）wt=180时时，A端X端 电电刷B1(+)B2(-) 电电刷B1(+)B2(-)图图1 直流发电发电 机工作原理 感应电动势方向由右手定则判定，展开右手使大拇指与四指 呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向时，则四 指的指向为导体中感应电动势的方向。电机与拖动发电机工作时，N极下导体电 动势指向纸外，电刷B1总为“+”；S 极下导体电动势指向纸内，电刷B
6、2 总为“”，不难看出，线圈中的电 动势是交流的，而通过换向器的作 用，使电刷间的电动势为直流的， 如图3所示。Page 91直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理a）wt=0时时，A端X端 b）wt=180时时，A端X端 电电刷B1(+)B2(-) 电电刷B1(+)B2(-)图图1 直流发电发电 机工作原理 图图3 电电刷B1B2间间的电动势电动势 电机与拖动换向器和电刷的共同作用： 将线圈中的交流电动势整流成刷间 的直流电动势；把转动的电路与 外面不转的电路联接。Page 101直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基
7、本工作原理a）wt=0时时，A端X端 b）wt=180时时，A端X端 电电刷B1(+)B2(-) 电电刷B1(+)B2(-)图图1 直流发电发电 机工作原理 图图3 电电刷B1B2间间的电动势电动势 从刷间电动势波形看，脉动很 大，为了减小电动势的脉动程度， 实际电机采用很多元件组成电枢线 圈，均匀分布在电枢表面，并按一 定规律联接，刷间串联元件数增多 ，脉动减小，可获得所需的直流电 。电机与拖动如图4所示，将直流电加到电刷上（B1 为+、B2为），线圈AX上就有电流通过（ A端、X端），根据电磁力定律，载流导 体在磁场中要受力，大小为f=Bxli ，式中，i 为流过导体的电流（A），方向由左
8、手定则 确定。 Page 111直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构2直流电动机的基本工作原理展开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心时，四 指的指向则为导体中电流的方向，大拇指指向为导体受力方向；f 的单位为N。图图4 直流电动电动 机的工作原理换向器和电刷的共同作用：将刷间的直流电逆变成线圈中 的交流电；把外面不转的电路与转动的电路连接起来。 电机与拖动直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动 部分，又称电枢）。Page 121直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构图6 直流电机结构 电机与拖动Page 13主磁极 换
9、向磁极电刷装置机座 端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置定子转子 (电枢)直 流 电 机励磁磁场励磁磁场电动势、电磁转矩电动势、电磁转矩图5直流电机结构概况 1直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构电机与拖动Page 141直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。（1）定子主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，铁心用11.5mm的钢 板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总 是成对出现，N、S极交替排列，如图7所示。换向极也
10、由铁心和绕组组成，铁心一般由整块钢组成，安放 在相邻两主磁极之间（见图7），作用是改善电机的换向。图7 主磁极与换向极示意图 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成（见图8） ，作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等 部件，同时也是磁路的一部分。图8 电刷装置 电机与拖动Page 151直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。（1）定子转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。（2）转子（电枢）电机与拖动Page 161直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主
11、要结构电枢铁心一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用 是嵌放电枢绕组，同时又是电机主磁路的一部分。（2）转子（电枢）电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定 规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的 槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作 用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。换向器由许多相互绝缘的换向片组成，如图9所示，作用是 将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆 变成电枢绕组中的交流电。图 9 换向片与换向器 电机与拖动Page 171直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电
12、机的主要结构为了使电机能够运 转，定子和转子之间要 留有一定大小的间隙， 此间隙称为气隙，也是 主磁路的一部分。（3）气隙 电机与拖动Page 181直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型 1电枢绕组直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、复 叠、复波、复合绕组等，其基本形式是单叠绕组 和单波绕组。a）单单叠 b）单单波 图图10 单单匝元件示意图图a）单单叠 b）单单波 图图11 两匝元件示意图图图图12 u=2示意图图由于工艺等方面的原因，有时电枢不宜开太 多的槽，在一个实际的槽中，上、下层嵌放多个 （设为u个）元件边，通常把一个上层边和一个 下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每
13、槽上、下层只有一个元件边，则总 元件数S等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u 个元件边时，如图12所示，则有S=uQ=Qu，Qu 为虚槽数。 电机与拖动Page 191直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型 1电枢绕组在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间 的距离称作极距，用槽数表示极距时，有a）单单叠 b）单单波 图图11 两匝元件示意图图式中，p为主磁极的极对数，S为总元件数。 a）单单叠 b）单单波 图图10 单单匝元件示意图图电机与拖动Page 201直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型 1电枢绕组单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元 件的两个出线端分别接
14、到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合 回路。其特点：支路对数a等于极对数p，同时还等于电刷对数 b，即a=p=b；电枢电流Ia等于各支路电流ia之和，即Ia=2aia。（1）单叠绕组单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻 两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点：支路对数a 等于1，与极对数p无关，即a=1；电枢电流Ia等于2倍支路电流 ia，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于 极对数p。（2）单波绕组电机与拖动Page 211直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型 2直流电机模型为方便起见，在分析电机内部电磁 关系时建议采用电机模型，如图13所示
15、 。图图13 直流电电机模型从图中可见，无论电机有多少对磁 极，都只用N、S一对磁极表示，不画换 相器，电刷放在几何中性线处，并与位 于几何中性线处的元件接触，一个圆圈 代表一个元件。几何中性线对应的轴线 被称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的 磁极轴线被称为直轴，用d-d表示。以后在分析电机内部电磁过程时均采用直流电机模型。 电机与拖动Page 221直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列 为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都 钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定 数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示。电机与拖动Page 23额定条件
16、下电机 所能提供的功率指电刷间输出的 额定电功率发电机指轴上输出 的机械功率电动机发电机：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，电机接 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1直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列 1电机主要的额定值 电机与拖动Page 24对应于额定电压、额定电流 、额定转速及额定功率时的励磁 电流指直流电机的励磁线 圈与电枢线圈的连接方式励磁方式此外，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。1直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列 1电机主要的额定值 电机与
