直流电机的结构与工作原理

1直流电机篇2第二十章直流电机的基本工作原理与结构3第一节直流电机的基本工作原理第二节直流电机的基本结构第三节直流电机的型号与额定值*第四节直流电机的电枢绕组本章主要内容4作发电机可获得直流电源，作电动机，具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作发电机使用，也可作电动机使用。概述5直流电机的用途作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能。6直流电机的用途作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能。7直流电机的用途测速伺服信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号。信号传递-直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号。8直流电机的用途做励磁机用一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为其励磁机。9•直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。•直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。•由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。直流电机的特点10直流电机的物理模型11一般直流电机磁极固定，电枢旋转。固定部分（定子）上，装设静止的主磁极，旋转部分（转子）装设电枢铁心。定子与转子之间有气隙。电枢铁心上放置电枢绕组，线圈的首端和末端分别连到换向片。直流电机的物理模型12•换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。换向片上放置固定不动的电刷。电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。•电机内部的固定部分要有磁场。直流电机的物理模型13直流电机的基本原理直流发电机工作原理N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。直流发电机的物理模型14导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位。直流发电机的工作原理直流发电机的物理模型导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位。电刷A极性为正，电刷B极性为负。负载上电流方向是由A流向B。注：电源内部电势由低电位指向高电位15导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位。原动机驱动电机转子逆时针旋转180度：导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位。电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。直流发电机的物理模型直流发电机的工作原理16结论：和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。但此电动势在零和最大值之间脉动，波动太大，不能做直流电源。(动画)直流发电机的工作原理17电刷间的电动势波形直流电机电势波形图18直流发电机的工作原理19两线圈串联后的合成电势与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度，换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角度。当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相距90电角度。直流发电机的工作原理20图20-4两线圈串联的合成电势结论：两线圈串联的合成电势脉动幅值减小。直流发电机的工作原理21电枢导体数增加，可减小感应电动势脉动幅值。图20-5电枢绕组的导体数增加图直流发电机的工作原理22增加导体减小感应电势脉动。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。直流发电机实质是带换向器的交流发电机。图20-6导体数增加后感应电动势脉动很小直流发电机的工作原理23把电枢元件数和相应的换向片数增多，就可减少电动势的脉动程度。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。合成电势脉动很小，可以认为是平直的。直流发电机的工作原理24把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻尼转矩时，电机转子逆时针方向旋转。直流电动机的工作原理直流电动机的物理模型25原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位置时同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。直流电动机的物理模型直流电动机的工作原理26直流电动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；线圈中感应电势与电流方向相反；线圈是旋转的，电枢电流是交变的，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩与转子转向相同，是驱动性质。27直流电机的可逆原理一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电机就可带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。28第二节直流电机的基本结构定子：主磁极，换向极，机座，端盖，轴承，电刷转子：电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴，风扇气隙29直流电机的基本结构1.定子部分•主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等。图20-8直流电机的结构装配图30励磁绕组和串换向极后的电枢绕组出线定子机座换向极铁心换向极绕组主磁极铁心主磁极绕组（励磁绕组）换向极绕组与励磁的串联接线图20-9直流电机定子31（1）主磁极•作用：建立主磁场。由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。图20-10主磁极结构直流电机的基本结构32•主磁极铁心靠近转子一端扩大的部分称为极靴，作用是减小气隙磁阻，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组易固定。•为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。•主磁极上有励磁绕组。主磁极个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使相邻主磁极的极性按N、S交替出现。直流电机的基本结构33（2）机座功能：主磁极的一部分，电机的结构框架。（3）端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。直流电机的基本结构34（4）换向极图18-11换向极结构直流电机的基本结构35（5）电刷装置•电枢电路的引出（或引入）装置，由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成。直流电机的基本结构36刷辫电刷刷握汇流条图20-12四极直流电机的电刷布置37转子部分轴端盖电枢铁心电枢绕组和槽碶电枢绕组端部换向器轴承直流电机的基本结构38•又称电枢。•组成：铁心、绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。（1）铁心•电枢铁心既是主磁路部分，又是电枢绕组支撑部分；绕组嵌放在铁心的槽内。为减少铁心的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。直流电机的基本结构39电枢铁心电枢绕组电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚)（硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽图20-14直流电枢的铁心模型40（2）电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。直流电机的基本结构（3）换向器整流或逆变作用，是电机的关键部件之一。41图20-16换向器42直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。直流电机的励磁方式直流电机按励磁方式可分：他励自励43复励式：装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。他励式励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。自励式发电机利用自身发出的电流励磁，电动机的励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。串励式：励磁绕组与电枢绕组串联。并励式：励磁绕组与电枢绕组并联。直流电机的励磁方式44发电机他励直流电机的励磁方式45电动机他励直流电机的励磁方式46+-并励式直流电机的励磁方式47+-串励式直流电机的励磁方式48+-复励式直流电机的励磁方式49直流电机的励磁方式50直流电机的额定值（1）额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，单位是W、kW或MW。对直流发电机，PN指输出的电功率，PN＝UNIN。对直流电动机，PN指输出的机械功率，PN＝UNINηN。（2）额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，单位为V。51（3）额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，单位为A。（4）额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，单位为r/min。（5）额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值。直流电机的额定值52本章内容结束THANKS