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1、2.1 直流电机的工作原理； 2.2 直流电机的结构、额定值及主要系列； 2.3 直流电机的电枢绕组； 2.4 直流电机的磁场； 2.5 直流电机的感应电势和电磁转矩； 2.6 直流电动机的运行原理； 2.7 直流发电机的运行原理； 2.8 直流电机的换向。,第2章 直流电机,2.1 直流电机的工作原理,2.1.1直流电动机的工作原理,要解决的问题：,依据：电磁力定律,B磁密，l导体有效长度，i电流,直流电动机是怎样转起来的？,方向由左手定则判定,结论：只要两个线圈边在不同的极下能及时改变电流方向，即可使得直流电动机得到持续的同方向的电磁转矩，从而朝着同一方向连续旋转。 由换向器和电刷来完成。
2、,N-S极为一对在空间固定不动的磁极（可以是电磁铁也可以是永久磁铁）； 两个磁极之间装着一个可以自由转动的铁磁材料制成的圆柱体（称为电枢），圆柱体上装有一个线圈ax。如图2-1所示。,当a导体在N极下，b导体在S极下时,产生的电磁转矩逆时针方向,当a导体在S极下，b导体在N极下时。,产生的电磁转矩顺时针方向,电枢摆动,图2-1直流电动机简化模型,磁极,电枢,目前位置： ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下,目前位置： cd线圈边在N极下，ab线圈边在S下,线圈中电流方向Aabc dB,电枢逆时针方向旋转,线圈中电流方向Adcb aB,电枢逆时针方向旋转,ab边:电流ab ,电磁力方向逆时针 c
3、d边:电流cd ,电磁力方向逆时针,ab边:电流b a ,电磁力方向逆时针 cd边:电流d c ,电磁力方向逆时针,磁极,电枢,换向器,电刷(静止）,图2-2直流电动机工作原理,结论： （1）电刷和换向器装置将电刷外部的直流电流变成了线圈内部的交流电流，从而实现了换向。,（2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器。,2.1.1直流电动机的工作原理,要解决的问题：,直流发电机是怎样发出电来的？,依据：电磁感应定律,方向由右手定则判定,B磁密，l导体有效长度，v电枢旋转的线速度,2.1.2直流发电机的工作原理,目前位置： ab线圈边在
4、S极下，cd线圈边在N下,线圈电势方向： abcd,电刷电势方向：A+；B-,ab边：感应电势（电流）a b cd边：感应电势（电流) c d,目前位置： ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下,ab边：感应电势（电流）ba cd边：感应电势（电流）dc,线圈电势方向： dcba,电刷电势方向：A+；B-,假设原动机拖动电枢逆时针恒速旋转,原动机拖动,原动机拖动,图2-3直流发电机的工作原理,（1）电刷和换向器装置将线圈内部的交流电势和电流变成了电刷外部的直流电势和电流，从而实现了换向；,（2）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。
5、,2.1.2直流发电机的工作原理,结论：,作为直流电动机运行时，电刷两端接直流电源，轴上接机械负载，电动机将电能转换为机械能拖动机械负载运行； 作为直流发电机运行时，则要用原动机拖动电枢运转，就可从电刷两端引出直流电势对电负载供电，发电机将机械能转换为电能。,同一台直流电机即可作为电动机也可作为 发电机使用，只要改变外部条件即可。,2.1.3直流电机的可逆原理,2.2直流电机的结构、额定值,（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组成，主磁极铁心一般由1.01.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧组成，铁心中的上部套有励磁绕组的部分称为极身，下面扩展的部分称为极靴。励磁
6、绕组由绝缘铜线绕制而成，励磁绕组套在主磁极铁心上通以直流电流来建立磁场。整个主磁极用螺钉固定在机座上。见图2-5a),电机由两大部分组成:,1、定子部分,2.1.1直流电机的结构,图2-5 主磁极和换向极,a)主磁极,b)换向极,（2）换向极 换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。如图2-5b）所示。,（3）机座 电机定子的外壳部分称为机座。机座的主体部分作为磁极间的通路，这部分称为磁轭。机座同时用来固定主磁极、换向极和端盖，起到整个电机的支撑和固定作用。,（4）电刷装置 电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流
7、引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。电刷装置由电刷、刷盒、刷杆座和铜丝辫等组成。,图2-6直流电机的电刷装置,2.1.1直流电机的结构,（1）电枢铁心 电枢铁心是主磁通磁路的主要部分，同时用来嵌放电枢绕组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心一般用0.5mm厚的硅钢片冲片叠压而成为一圆柱体，将其安装在转轴上。电枢的外圆开有电枢槽，槽内嵌入电枢绕组。,（2）电枢绕组. 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电势，是电机进行能量转化的关键部件。电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的电路部分。,2、转子（电枢部分
8、）,2.1.1直流电机的结构,（a）电枢铁心冲片 （b）电枢铁心 图2-7直流电机的电枢铁心冲片和铁心,（3）换向器 换向器的作用是把电枢绕组内部的交流电流转换为电刷间的直流电流。 换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上。如图2-8所示。,（4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需要一定的强度和刚度，一般用圆钢加工而成。,2.1.1直流电机的结构,图2-8直流电机的换向器,（1）额定功率 ： 电机按规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。 对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率 ； 对于发电机，额定功率则是指电刷输出端输出的电功率。,2.2.
9、2 直流电机的额定数据,（3）额定电流： 电机按规定的工作方式运行时，电枢绕组允许通过的最大电流。 （并励机和复励机指得是总电流）,（2）额定电压： 电枢绕组能够安全工作的最大电压。 对于电动机是电刷输出端的输入电压； 对于发电机是电刷输出端的输出电压。,（3）额定转速 ： 在额定电压、额定电流、和输出额定功率运行时，电机的转速。,（4）额定效率： 在额定条件下电机的输出功率与输入功率之比。,直流电动机： 直流发电机： 电动机轴上输出的额定转矩：,额定数据之间存在着如下关系：,（上式中 的单位为kw）,2.2.2 直流电机的额定数据,2.3 直流电机的电枢绕组,对电枢绕组的主要要求： 正、负电
10、刷间所感应的电势应尽量大；绕组所用的导线和绝缘材料尽可能节省；结构简单运行可靠。,2.3.1电枢绕组的一般知识,1电枢绕组的元件 电枢绕组是由若干个线圈按照一定的规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈称为元件，一个元件有两个有效边，其匝数为NY，见图2-9a，其中一个有效边嵌放在电枢槽的上层，称为上层边；另一个有效边放在相距约一个极距的电枢槽的下层，称为下层边。电枢槽外的部分称为元件的端部，如图2-9b 所示。,图2-9电枢绕组的元件,(c),(a),(b),一个元件有两根引出线，称为首端和尾端，它们分别接到两个换向片上，而每个换向片又与不同元件的两根引出线相连接，所以整个电枢绕组的元件数S应等于
11、换向片数K，即 S=K 每个元件有两个有效边，而每电枢槽分上下两层嵌放两个有效边，所以元件数S应等于电枢的槽数Z，即 S=Z 把一个上层边和一个下层边看成一个虚槽，虚槽数与实槽数的关系为 Zu=Uz =S=K 相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆的对应弧长表示的距离， 称为极距，当用槽数表示时，有 （2-5） 若用长度表示时，有 （2-6） 式中，D为电枢铁心的外直径，单位为mm。,2.3.1电枢绕组的一般知识,表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据称为节距 。 （1）第一节距Y1 Y1是同一个元件的两个元件边的距离，一般用槽数表示，为了使每个元件的感应电动势最大，应接近或等于极距，有
12、 式中，是使Y1凑成整数的一个分数。,2节距,称为整距线圈 称为短距线圈 称为长距线圈 短距线圈和整距线圈多被采用，长距线圈因为端部长，用铜多而造成浪费，很少被采用。,2.3.1电枢绕组的一般知识,（2-7）,（4）换向器的节距 ：同一线圈的两个出线端所接换向片之间的距离。,（3）合成节距 ：直接相连的两个元件的对应边的距离。,（2）第二节距 ：连接同一个换向片的两个元件边之间的距离。,2.3.1电枢绕组的一般知识,按照电枢绕组的连接规律不同，直流电机的电枢绕组主要可分为： 单叠绕组、单波绕组和混合绕组等。下面重点介绍常用的单叠绕组。,2.3.2单叠绕组,同一元件的两个出线端分别接至相邻的换向
13、片上；,连接特点:,相邻的两个元件的对应边接至相邻的换向片上。,所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，构成一个闭合回路。所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上。,连接规律:,上式中：+1为右行（见右图），-1为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，很少采用。,例2-1 一台直流电机的绕组数据为：极对P=2，槽数Z=16， ，换向片数K=16，试设计单叠绕组连接图。,1单叠绕组的展开图 （1）计算节距,解：,为了得到最大感应电势，取整距绕组。,2.3.2单叠绕
14、组,连接元件 根据已确定的各节距，绘出绕组展开图，如图2-11所示。,2.3.2单叠绕组,图2-11 单叠绕组展开图,（3）画磁极和电刷,电刷安装原则： 电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为4; 被电刷短路的元件中感应电势应尽可能小，或由电 刷引出的元件串联电势应最大； 各并联支路电势要平衡。,2.3.2单叠绕组,电刷安装位置： 在磁极的中心线下,此时被短路的元件的两个有效边正好在两个主极之间的中性线位置(此中性线叫几何中性线)，该位置磁密几乎为零，因此两个有效边的感应电势几乎为0，该元件被电刷短路不会产生环流。,电刷放在主磁极的中心线下,相同极下的电刷连一起并引出两端。,2.3.2单叠绕组,图
15、2-11 单叠绕组展开图,2单叠绕组的并联支路图,根据电枢绕组的展开图瞬间，可做出其电路图，如图2-13所示。,2.3.2单叠绕组,图2-13 单叠绕组的并联支路图,结论：,（1）对于单叠绕组，电刷总是把上层边处于同一主磁极下的元件串联成一条支路，所以有几个极就有几条支路，即2a=2p。 即 式中，a为支路对数，p为极对数。 （2）电刷杆数等于极数。 （3）电枢总电流Ia为支路电流ia的2a倍，即,2.3.2单叠绕组,2.4 直流电机的磁场,2.4.1 直流电机的各种励磁方式,主磁极上励磁绕组通以直流电流而产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁方式是指励磁绕组的供电方式与电枢绕组的关系。按励磁方式的
16、不同，励磁方式可以分为以下4种类型：,1、他励直流电机 励磁绕组用其他的直流电源供电，与电枢绕组之间无电的联系，见图2-16a。对于小容量电机，常采用永磁铁提供主磁场。永磁式直流电机也属于他励直流电机。 2、并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联。见图2-16b，励磁绕组电压与电枢绕组电压相等，两者的电流之和等于总电流，即 。 3、串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联。见图2-16c，励磁绕组电流与电枢绕组电流相等。 4、复励直流电机 主磁极上装有两套绕组，一组与电枢绕组并联，称为并励绕组；一组与电枢绕组串联，称为串励绕组，见图2-16d。若两组绕组产生的磁动势相同，称为积复励；若两组磁动势相反，称为差复励。,（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励 图2-16直流电机的励磁方式,各种励磁
