第1章 直流电机教案

河南工程学院纺织电机控制与调速教案新型纺织机电技术适用专业纺电1031授课班级开课学期2011-2012学年第2学期王藩任课教师纺织工程系开课单位编写时间2012年2月1日第1章直流电机教学目的要求：1、掌握在磁场里运动导体产生感应电动势和载流导体受力这两个基本规律。

这两个规律是直流电机工作的理论基础。

2、了解直流电机的主要结构和各部分的主要作用。

3、知道直流电机的铭牌中有哪些主要的额定数据及其含义。

4、熟练掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式和性质。

5、了解直流发电机的励磁方式。

6、掌握直流电动机稳态运行的基本方程式和功率的关系式。

7、掌握他励直流电动机的机械特性。

8、掌握直流发电机稳态运行的基本方程式和功率的关系式。

重点难点：（1）教学重点直流电机的主要结构以及各部分的作用；电枢电动势和电磁转矩的计算公式和性质；直流发动机的励磁方式；他励直流电动机的机械特性。

（2）教学难点直流电机的工作原理和直流电机稳定运行的基本方程式和功率关系。

学时分配：8个学时教学内容：§1.1直流电机的基本工作原理直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然目前不如交流电机应用普通，但是，直流电动机具有比交流电动机较为优良的调速和起动性能。

它的调速范围广，平滑性、经济性较好，采用晶闸管调速系统更为方便；它的起动转矩较大。

这种性能对有些机械的拖动是十分重要的，例如大型机床、电力机车、大型轧钢机、大型起重设备等。

直流发电机过去是直流电的主要电源之一，广泛地用在电解、电镀、充电等设备中，也用作同步电机的励磁和直流电动机的电源。

由于晶闸管整流技术日益发展，在某些场合已经取代直流发电机。

直流电动机的优点：（1） 调速范围广，易于平滑调节（2） 过载、启动、制动转矩大（3） 易于控制，可靠性高（4） 调速时的能量损耗较小缺点:（1）换向困难，容量受到限制，不能做的很大；（2）制造工艺复杂，生产成本高；（3）运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，维护较麻烦。

（4） 调速时的能量损耗较小人们虽做过很多研究工作来改善交流电动机的性能，但还不能全部用交流拖动来代替直流拖动。

因而，在某些机械的拖动中，仍需用直流电动机。

应用:轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。

直流发电机用作电解、电镀、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。

任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。

在不同的外部条件下，电机中能量转换的方向是可逆的。

如果从电机轴上输入机械功率，电枢绕组中感应电动势大于端电压，即U E a >时，电机运行于发电机状态，将机械能转化为电能，从电刷两端输出电能；如果从电枢输入电功率，电枢绕组中感应电动势小于外加端电压，即U E a <时，电机运行于电动机状态，将电能转换为机械能，从轴上输出机械能。

1.1.1 直流发电机的工作原理1、工作原理：电磁感应定律导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。

e=Blv 。

B:磁密l ：导体长度； v ：导体与磁场的相对速度。

正方向：用右手定则判断。

电势e 正方向表示电位升高的方向，与U 相反。

如果同一元件上e 和U 正方向相同时，e= -U 。

2、发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理（1）构成：磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。

励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。

容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。

用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流I f。

电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流I a。

换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。

换向器上压着固定不动的炭质电刷。

电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。

（2）工作过程：STEP1：电动势产生当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流I a，其方向与电动势方向相同。

电流由电刷Ａ流出，由电刷Ｂ流回。

*电动势与电流关系：同向STEP2：换向当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。

这时线圈中感应电动势的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流仍由A流出B流回，方向不变。

结论：虽然有换向器的作用，将线圈内的交变电动势在两电刷间变换为方向不变的电动势，但它的大小仍然是脉动的。

欲获得在方向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增加。

（3）电磁转矩与能量转换分析：电磁转矩：电枢电流I a与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩T。

用左手定则可以判定，电磁转矩T的方向与电枢旋转方向相反。

因此，在电枢等速旋转时，原动机的驱动转矩T1必须与发电机的电磁转矩T和空载损耗转矩T0相平衡( T0是发电机轴上的转矩)，即T1=T+ T0结论：电磁转矩方向与转速方向关系：反向能量转换：原动机（机械能）->电磁转矩->发电机负载（电能）当发电机的负载(即电枢电流)增加时，电磁转矩和输出功率也随之增加，这时原动机的驱动转矩所供给的机械功率亦必须相应增加，以保持转矩之间和功率之间的平衡。

可见，发电机向负载输出电功率的同时，原动机却向发电机输出机械功率，发电机起着将机械能转换为电能的作用。

1.1.2 直流电动机的工作原理1．工作原理：电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为： f = B·l·i力的方向用左手定则确定理解：电流产生磁场原理的变形（电流产生磁场）一个通电线圈相当于一个具有NS极的磁体。

形成电磁力。

2电动机工作过程分析：直流电动机的工作原理图。

（1）构成：磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。

励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。

容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。

用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流I f。

电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流I a。

换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。

换向器上压着固定不动的炭质电刷。

电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。

（2）工作过程：STEP1：电磁转矩产生电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。

电流从电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。

电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。

这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。

结论：电磁转矩与电枢旋转方向关系：同向STEP2：换向当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。

这时线圈电磁转矩的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变。

（3）电动势与能量转换分析：电动势：电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右手定则判定)的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。

它与发电机的电动势E的作用不同。

发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。

而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。

可见，电动机向负载输出机械功率的同时，却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作用。

结论：电动势方向与电流方向关系：反向能量转换：电源（电能）->电磁转矩->负载（机械能）综上所述，可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运行，又可以作为发电机运行，这主要取决于不同的外部条件。

若将直流电源加在电刷两端，电机就能将直流电能转换为机械能，作电动机运行；若用原动机拖动电枢旋转,输入机械能，电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。

这种运行状态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。

比较：发电机和电动机两者的电磁转矩T、电动势的作用是不同的。

发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。

电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。

电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡，即T＝T2十T0。

发电机的电动势是电源电动势。

电动机的电动势是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。

直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。

§1.2直流电机的基本结构及铭牌1.2.1电机的基本结构直流发电机和直流电动机从主要结构上看, 没有差别。

从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。

定子部分包括：机座、主磁极（包括励磁绕组）、换向极（包括换相极绕组）和电刷装置和端盖等部分组成。

定子主要作用是用来建立磁场，产生一定空间分布的磁场。

转子部分包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和轴承等。

其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，是直流电机的核心部件。

装配后的直流电机如图1.1所示。

图1.1 直流电机装配结构图1——换向器; 2 ——电刷杆; 3——机座; 4 ——主磁极; 5——换向极;6——端盖; 7——风扇; 8 ——电枢绕组; 9 ——电枢铁心一、定子定子的作用是产生磁场和作为电机机械支撑。

它由主磁极、换向磁极、电刷、机座、端盖和轴承等组成。

(一)主磁极——产生主磁通φ。

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两部分组成。

铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。

励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。

整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图1.2所示。

图1.2主磁极的结构图1.3 换向极1—主磁极2—励磁绕组3—机座1—换向极铁心2—换向极绕组改变励磁电流I f的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。