项目11_直流电机的工作原理及结构

直流电机的工作原理及结构一、能力目标二、仪器与设备三、项目要求（一）熟悉直流电机的结构、掌握直流电机各组成部分的作用1．直流电机的基本结构直流电机的基本结构如图11-1所示，由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间的空隙称为空气隙。直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构（1）定子部分定子部分的主要作用是产生主磁场和作为转子部分的支撑。定子部分包括机座、主磁极、换向磁极、端盖和轴承等，电刷装置也固定在定子上。1）机座机座有两方面的作用；一方面起导磁作用，作为电机磁路的一部分（称为磁轭）；另一方面起支撑作用，用来安装主磁极、换向极、端盖等。机座一般用铸钢件或钢板焊接而成，也可直接用无缝钢管加工制成，具有良好的导磁性能和机械性能。直流电机的工作原理及结构2）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组(励磁绕组)构成，为了减少涡流损耗，主磁极铁心一般由1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，用铆钉铆紧成为一个整体。主磁极绕组中通入直流电流产生励磁磁场。3）换向磁极换向磁极的作用是用来产生换向磁场，改善电机的换向。它由换向磁极铁心和套在铁心上的绕组构成。换向极位于相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。在小功率的直流电机中也有不装换向磁极的。直流电机的工作原理及结构4）电刷装置电刷装置的作用是通过电刷与换向器的滑动接触，把电枢绕组中的电动势（或电流）引到外电路，或把外电路的电压、电流引入电枢绕组。（2）转子部分（电枢）直流电机的转子又称为电枢，它是产生感应电动势、电流、电磁转矩，实现能量转换的部件。主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。如图11-2所示。直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构1）电枢铁心电枢铁心是电机主磁路的一部分，在铁心槽中嵌放电枢绕组。电枢转动时，铁心中的磁通方向不断变化，会产生涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，电枢铁心一般采用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图11-2所示。2）换向器换向器的作用是将电枢中的交流电动势和电流，转换成电刷间的直流电动势和电流，从而保证所有导体上产生的转矩方向一致。换向器结构如图11-3所示。直流电机的工作原理及结构在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多特殊形状的梯形铜片和起绝缘作用的云母片一片隔一片地叠成圆筒形，凸起的一端称为升高片，用来与电枢绕组端头相连；下面有燕尾槽，利用换向器套筒、V形压圈及螺旋压圈将换向片及云母片紧固成一个整体；在换向片与套筒、压圈之间用V形云母环绝缘，最后将换向器压在转轴上，这种属于装配式。在中、小型直流电动机中常用的一种是整体式，它把铜片热压在塑料基体上，成为一个整体。直流电机的工作原理及结构3）电枢绕组电枢绕组是直流电机的主要组成部分，其作用是通过电流产生感应电动势和电磁转矩实现能量转换的。电枢绕组通常用绝缘导线绕成的线圈(或称元件)，按一定规律连接而成。4）转轴转轴作用是用来传递转矩，为了使电机能可靠地运行，转轴一般用合金钢锻压加工而成。5）风扇风扇用来降低运行中电机的温升。直流电机的工作原理及结构2．直流电动机的名称、种类和用途按照直流电动机的主磁场励磁方式的不同，一般可分为两大类，一类是由永久磁铁作为主磁极；另一类是利用给主磁极绕组通人直流电产生主磁场。后一类根据主磁极绕组与电枢绕组连接方式的不同，可分为他励、并励、串励、复励电动机。分别简介如下：（1）永磁式电动机永磁电动机过去常用于所需功率小、机械精度要求高的场合，由于其具有体积小、结构简单、重量轻；损耗低、效率高、节约能源；温升低、可靠性高、使用寿命长；适应性强等突出优点而使用越来越广泛。直流电机的工作原理及结构（2）他励电动机励磁绕组与电枢绕组分别用两个独立的直流电源供电，如图11-4(a)所示。适用于调速范围宽、负载变化时转速变化不大的场合如某些精密机床。（3）并励电动机励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电，如图11-4(b)所示。适用场合与他励直流电动机相同。（4）串励电动机励磁绕组与电枢绕组串联，如图11-4(c)所示。适用于启动较频繁、有冲击性负载的场合，如其重机械、电力牵引装置等。直流电机的工作原理及结构（5）复励电动机励磁绕组有两组，一组与电枢绕组串联，另一组与电枢绕组并联，如图11-4(d)所示。若复励电动机的两组励磁绕组产生的磁通方向一致时，称为积复励电动机，若产生的磁通方向相反时，则称为差复励电动机。复励电动机广泛应用与其重设备、牵引设备、轧钢机及冶金辅助机械中。直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构（三）电动机的启动与调速1．并励电动机的串电阻起动与反转（1）按图11-5并励电动机启动原理图分析电路，按图11-6所示接线，或按实验室提供的设备接线图接线。（2）直流电动机启动前应将励磁变阻器Rf置于阻值最小位置以保证起动时主磁场最强。将起动器手柄置于零位，使启动变阻器Rst置于阻值最大位置，以限制电动机启动时的启动电流。直流电机的工作原理及结构（3）合上电源开关Q。缓慢减小启动变阻器Rst阻值，直至启动变阻器阻值为零，直流电动机启动完毕；观察并记下直流电动机的转向。（4）用转速表正确测量直流电动机的转速。适当调节励磁变阻器Rf的大小，观察电动机转速变化情况，但应注意电动机转速不能过高。（5）停机时，断开电源开关Q，待电动机完全停车后，分别改变直流电动机励磁绕组和电枢绕组的接法，再启动电动机，观察直流电动机的转向变化并记录于表11-2中。直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构2．并励电动机的调速（1）改变电枢回路电阻调速①起动并励电动机，在电枢回路所串的电阻为零时，调节磁场电阻器Rf，使电动机转速n=nN。②调节起动器手柄，逐步增加电枢回路电阻Rst的数值，使转速n下降，分别测量转速n、电枢电压U。和电枢电流Ia。的数值5～8组，记录于表11-3中。③根据实验所得的数据，在图11-7中画出并励电动机转速特性曲线。④将启动器手柄仍然转到最后位，使电枢回路所串电阻为零，并保持电动机转速n=nN。直流电机的工作原理及结构0aIn图11-7并励电动机转速特性（2）改变主磁通调速（弱磁调速）①在对电动机转速为额定转速时进行下列实验操作。②缓慢增加励磁回路电阻Rf，观察并测量电动机的转速，此时电动机转速应逐步升高，到n=1.2nN时为止。直流电机的工作原理及结构四、直流电机的工作原理（一）直流发电机的工作原理两极直流发电机原理如图11-8所示。直流发电机在原动机的拖动下旋转，电枢上的导体切割磁力线产生交变电动势，再通过换向器的整流作用，在电刷间获得直流电压输出，从而实现了将机械能转换成直流电能的目的。直流电机的工作原理及结构（二）直流电动机的工作原理直流电动机是根据通电导体在磁场内受力而运动的原理制成的。图11-9所示为直流电动机工作原理图，其基本结构与发电机完全相同，只是将直流电源接至电刷两端。当电刷A接至电源的正极，电刷B接至负极，电流将从电源正极流出，经过电刷A、换向片1、线圈abed到换向片2和电刷B，最后回到负极。根据电磁力定律，载流导体在磁场中受电磁力的作用，其方向由左手定则确定。由于换向器的逆变作用，使得在固定磁极下导体中的电流方向保持不变，从而保证了电磁转矩的方向不变，在转矩的作用下，使电动机能连续旋转。当电枢从图1-9所示的位置转过90º时，线圈磁感应强度为零，因而使电枢旋转的转矩消失，但由于机械惯性，电枢仍能转过一个角度，使电刷A、B分别与换向片2、1接触，于是线圈中又有电流流过。因此，在转矩的作用下，电枢便一直旋转下去，把直流电能转换成机械能输出。直流电机的工作原理及结构