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1、第三章 直流电机的工作原理及特性,重点掌握：, 了解直流电机的基本结构及工作原理； 掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,电机分交流和直流两种。,直流电机工作电压或输出的电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种。,直流电动机将电能转换为机械能；,直流发电机将机械能转换为电能。,直流电机发明较早，最早使用的电源是电池，后来出 现了交流电机，并得到广泛、迅速的应用。直流电机特点： 调速范围广，易于平滑调速； 启动、制动和过载转矩大； 易于控制，可靠性高。多用于调速
2、要求高的生产机械上，如：轧钢机、电 车、电气铁道牵引车、挖掘机械、纺织机械等。主要缺点：换向问题。,31 直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的结构图如图所示：,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,定子部分主要由机座、定子铁心、励磁绕组、换向级、端盖和轴承组成。,转子部分主要由电枢铁心、电枢绕组、风扇、转轴和轴承组成。,换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。,（一）定子部分 1、机座整体机座（导磁和机械支撑的作用）材料：铸钢或厚钢板压成 2、主磁极主磁极铁心：11.5mm厚的低碳钢
3、板冲成一定形状， 叠在一起，并柳接。励磁绕组：绝缘铜线小直流电机的主磁极用永久磁铁（永磁式电机） 3、换向极形状较主磁极简单，一般用整块钢板制成，外面套换向 极绕组，用于改善电枢电流的换向性能。,（二）转子部分 1、电枢铁心为减少电枢旋转时在其中产生的涡流和磁滞损耗，常用 0.5mm厚的硅钢片冲成一定的形状的冲片，并两面涂漆后叠 状而成。 2、电枢绕组绝缘铜线绕制成，嵌入电枢铁心槽中。,（三）换向器安装在转轴上，由许多换向片组成，彼此绝缘。换向 片数量与电枢绕组数相同，并与电枢绕组连接。电刷装置固定在定子上，与换向器保持滑动摩擦，电 刷一般用石墨制成，以增加其导电性。作用对发电机：将电枢绕组内
4、感应的交流电动势转换成电 刷间的直流电动势。对电动机：将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流 电流，保证每一磁极下，电枢导体的电流方向不变。,二、电机的铭牌数据 1、额定容量（功率）直流发电机 直流电动机 2、额定电压（UN）电流（IN）额定转速（nN） 3、励磁方式和额定励磁电流（ IfN） 4、额定转矩,电刷端的输出电功率 转轴上输出的机械功率,三、基本的工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：,1 主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定
5、子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3、4换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3电刷,4换向片,1发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图所示：,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一
6、有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,2电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图所示：,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到
7、S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,上图仅是一个简单的物理模型，实际的直流电机电枢绝非仅有一个线圈，而是根据需要由许多线圈分布在电枢铁心上，按一定规律连接的，构成电枢绕组。,四、电动势和电磁转矩,1. 电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）；一对磁极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁
8、通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：TM电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Kt与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二
9、者的作用正好相反，见表 ：,从原理上讲，一台电机无论是直流电机还是交流电机，都是在某一种条件下作为发电机，而在另一种条件下作为电动机运行，并且这两种运动状态可以相转换，这是电机的可逆原理。,四、直流电动机的分类,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：,1他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。,2. 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（b）所示。,3串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（c）所示：,4复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示:,
