3 第二章 第一节电机的运行原理

额定电流:
P1 177.8 103 IN 808.1(A) UN 220
2 2 PN TN TN ( nN ) TN nN 60 60 额定输出转矩:
PN 160 103 TN 9.55 9.55 1018.7( N m) nN 1500
冲片
b)—电枢铁心
2、电枢绕组——由许多按
一定规律连接的线圈组成。
1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体 4—层间绝缘 5—槽绝缘
3、换向器——由许多换
向片组成，换向片之间用云 母绝缘。
6—槽底绝缘
电枢槽内的绝缘
1—换向片 2—连接片
主磁极
主磁极的作用是建立主磁场。 绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是 由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由 主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主 磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴， 它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分 布，并使励磁绕组容易固定。 主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定 在机座上。 主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须 使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。
换向器
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。
换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒， 其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而 构成。 每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应 换向片的升高片内。
找出直流电机模型中的以下部分：主磁极， 励磁绕组，电枢绕组，电刷装置
2.1.3 直流电机的基本运行原理
单极电机：旋转的胖兔子
红色的封闭线是磁感线，描述了钕铁硼磁铁（在 某一个截面上）的磁场分布。其上每一点的切线 代表了该点的磁感应强度方向。蓝色的是电流方 向，电流从电池正极流出，通过铜丝左右两侧分 别流向负极。运用左手定则，可以判断通电的铜 丝在磁场中受力的方向：绿色的•和×表示了铜丝 上该点的受力方向，•表示受力方向垂直屏幕朝向 读者，×表示受力方向垂直屏幕朝向屏幕背面。 仔细观察绿色的•和×，很容易发现，以铜丝在电 池上的支点为界，左半边铜丝受力方向均为×， 右半边铜丝受力方向均为•，所以铜丝就转起来了。
2.2 直流电机的铭牌数据
在电机的底座，有一块标有对电机的一些 机械量或电量所规定的数据的牌子，称为 铭牌。铭牌上所标有的数据，称为额定值。
直流电机的额定值有：
1、额定功率PN(kW) 2、额定电压UN(V) 3、额定电流IN(A) 4、额定转速nN(r/min) 5、额定励磁电压UfN(V) 6、额定励磁电流IfN(V)
换向极
换向极是安装在两相邻主磁极之间 的一个小磁极，它的作用是改善直 流电机的换向情况，使电机运行时 不产生有害的火花。 换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套 在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机 座上。 换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率 很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极 绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较 大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线 有较大的截面。
直流电机剖面图
（一）直流电机的静止部分 1、主磁极 2、换向极
1—主磁极铁心
2—励磁绕组
3—机座 1—换向极铁心
2—换向极绕组
3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；
另外，又作为磁路的一部分。
4、电刷装置
1—刷握
2—电刷 3—压紧弹簧 4—铜丝辫
（二）直流电机的转动部分 1、电枢铁心
a)—电枢铁心
对电动机：
PN=UNINηN
（指轴上输出的机械功率）
对发电机：
PN=UNIN
（指电枢输出的电功率）
电磁功率：Pem Ea I a Te
铜耗：电流流过导体时，消耗在电阻上的 损耗。 铁耗： 电机的主磁通在磁路的铁磁材料中 交变时所产生的损耗。 机械损耗：轴承及电刷的摩擦损耗 附加损耗： 又称杂散损耗，包括换向电流 产生的铜损耗，电枢反应引起的额外电枢 铁损，气隙磁通大小脉振和左右摇摆在铁 心中引起的铁损。
直流电机的额定数据
2.1.1 直流电机概述
直流电机是电机的主要类型之一。 直流电机可作为发电机使用，也可作为电 动机使用。 用作发电机可以获得直流电源，用作电动 机，由于其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。
直流电机的用途
作电源用:直流发电机将机械能转化为直流 电能 作动力用:直流电动机将直流电能转化为机 械能 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
1、额定功率PN：额定条件下电机所能提供的 功率，等于额定电压和额定电流的乘积。 电动机：指轴上输出的机械功率 发电机：指电刷间输出的额定电功率
2、额定电压UN：在额定工况下，电机出线 端的平均电压 发电机：是指输出额定电压； 电动机：是指输入额定电压。 3、额定电流IN ： 在额定电压下，运行于额 定功率时对应的电流 4、额定转速nN：在额定电压、额定电流下， 运行于额定功率时对应的转速
作业
一台直流发电机，其额定功率PN=160kw，额定 电压UN=220V，额定效率N =90％，额定转速 nN=1500r／min，求该发电机的输入功率、额定 电流及额定输出转矩各是多少？
额定状态：电机运行时，所有物理量与额定值相同 欠载运行：电机的运行电流小于额定电流 过载运行：运行电流大于额定电流
长期欠载运行将造成电机浪费 长期过载运行会缩短电机的使用寿命。
一台直流电动机，其额定功率PN=160kw，额定 电压UN=220V，额定效率N =90％，额定转速 nN=1500r／min，求该电动机的输入功率、额定 电流及额定输出转矩各是多少？
原动机拖动电枢以转速 n(r/min)旋转； 电机内部有磁场存在；或 定子（不动部件）上的励磁 绕组通过直流电流(称为励磁 电流If)时产生恒定磁场（励 磁磁场，主磁场）

电枢线圈的导体中将产生感应电势 e = B l v ， 但导体电势为交流电，而经过换向器与电刷的 作用可以引出直流电势EAB，以便输出直流电 能
第二章 直流电机
内容简介
直流电机的基本运行原理→结构→电 磁关系→数学模型（即基本方程式和 等效电路）→直流电动机和发电机运 行特性的分析与计算。
第二章 第一节电机.1.3
2.2
直流电机概述 直流电机的结构 直流电机运行的基本原理
2.1.3 直流电机的基本运行原理
图2.1 通电导体和线圈在磁场下的受力分析 结论： 要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极 下的导体中电流方向总是流出。 在直流电动机中，上述任务是由机械式换向器和电刷来完成的
2.1.3 直流电机的基本运行原理
磁极对N、S不动, 线圈（绕组）abcd 旋转, 换向片1、2旋转, 电刷及出线A、B不动
直流电机的优缺点


直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰 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，成本较高。
2.1.2
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极
直流电机的结构
5—换向极
6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
直流电机的运行原理示意图
结论： （1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直 流； （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； （3）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。

直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流 电势？
为了得到稳定的直流电势，直流电机的电 枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置， 并通过多个换向片联接成电枢绕组。以前曾 使用环形绕组.
当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根 据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个 电磁转矩。 当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流 过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋 转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要 处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S 极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。
电枢铁心
电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电 枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢 铁心的槽内。 为减少电枢铁心内的涡流损耗，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。
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，他是直流电机的 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。 线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线 绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽 内，上下层以及线圈与电枢铁心之间 都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔 压紧。
机座
机座有两个作用，一是作为主磁极的一部 分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。 机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或 者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。 机座的两端装有端盖。
电刷装置
电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置， 它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成。 电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷 握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面， 旋转时与换向器表面形成滑动接触。
一台直流电动机，其额定功率PN=160kw，额定电 压 UN=220V ， 额 定 效 率 N =90 ％ ， 额 定 转 速 nN=1500r／min，求该电动机的输入功率、额定电 流及额定输出转矩各是多少？ 解：额定输入功率: