第二章 直流电机资料
知识资料直流电机(二)(新版)
29.1.3 直流电机的基本结构29.1.3.1 定子部分定子的主要部件包括：直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。
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远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。
主磁极铁心逼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。
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。
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。
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。
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29.1.3.2 转子部分直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。
转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。
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。
电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的逻辑衔接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩举行机电能量转换的部分。
换向器——前面已经指出，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。
29.1.4 直流电机的额定值⒈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，以 "W" 为量纲单位。
若大于 1kW或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。
注重：对于直流发电机，PN 是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。
02 直流电机
磁极中心及附近的气 隙小且均匀，磁通密度较 大且基本为常数，靠近极 尖处，气隙逐渐大，磁通 密度减小；极尖以外，气 隙明显增大，磁通密度显 著减少，在磁极之间的几 何中性线处，气隙磁通密 度为零。
几何中性线
（a）气隙形状
Bx
（b）气隙磁密分布
空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图所示。
为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需 要有一定量的每极磁通Φ 。空载时，气隙磁通Φ 0与空载 磁动势Ff0 或空载励磁电流If0 的 关系，称为直流电机的空载磁化 特性。如右图所示。
第二章 直流电机
本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨 论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反 应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发 电机和直流电动机的工作特性运行特性。
第一节 直流电机的工作原理与结构 第二节 直流电机的铭牌数据 第三节 直流电机的绕组 第四节 直流电机的励磁方式及磁场 第五节 感应电动势和电磁转矩的计算
第六节 直流电机的运行原理
第七节 直流电机的换向
直流电动机的优点： 1、便于移动。 2、调速性能好。 3、启动转矩大。
直流电动机的缺点： 1、制造工艺复杂，生产成本高。 2、维护较困难。 3、可靠性差。
直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力 机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽车电瓶 充电等。
Φ0
为了经济、合理地利用材料， Φ N 一般直流电机额定运行时 ，额定磁通Φ N设定在图中A点， 即在磁化特性曲线接近进入饱 和区的位置。
A
0
I fN
If 0 I f Ff 0 I N
三、 直流电机负载时的负载磁场及电枢反应
《直流电动机》 知识清单
《直流电动机》知识清单一、直流电动机的定义与工作原理直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转电机。
它依靠直流电源供电，通过电磁作用来实现转动。
其工作原理基于安培力定律和电磁感应定律。
当直流电流通过电动机的电枢绕组时，会在绕组周围产生磁场。
同时，电动机内部的永磁体或励磁绕组产生的磁场与电枢绕组产生的磁场相互作用，从而产生电磁转矩，驱动电枢旋转。
二、直流电动机的结构组成1、定子定子是电动机中固定不动的部分，主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。
主磁极提供主磁场，通常由永磁体或励磁绕组构成。
换向极用于改善换向性能，减小电刷与换向器之间的火花。
机座起到支撑和固定的作用。
电刷装置用于将直流电源引入电枢绕组。
2、电枢电枢是电动机的转动部分，主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。
电枢铁芯由硅钢片叠压而成，用于减少涡流损耗。
电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩的关键部件。
换向器则用于将电枢绕组中的交流电动势转换为直流电动势，并保证电流在电刷间的换向。
3、气隙气隙是定子和电枢之间的空隙，它的大小对电动机的性能有重要影响。
三、直流电动机的励磁方式1、他励直流电动机励磁绕组由独立的直流电源供电，励磁电流不受电枢电流的影响。
2、并励直流电动机励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢电压。
3、串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，这种电动机具有较大的启动转矩。
4、复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组，综合了并励和串励电动机的特点。
四、直流电动机的机械特性机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。
1、自然机械特性在额定电压和额定励磁电流下，电动机的转速随电磁转矩的变化曲线。
2、人为机械特性通过改变电枢电压、励磁电流或电枢回路电阻等参数得到的机械特性。
五、直流电动机的启动启动时需要较大的启动转矩，但过大的启动电流会对电机和电源造成损害。
常见的启动方法有：1、全压启动直接将额定电压加在电枢两端，这种方法简单，但启动电流很大，一般只适用于小容量电机。
电机学第2章直流电机课件
2.直流电机的基本结构
图2-5 电枢上装有6个线圈 (11′到66′)的情况
2.直流电机的基本结构
图2-7 直流电机剖面图
2.直流电机的基本结构
图2-8 主磁极
2.直流电机的基本结构
图2-9 电枢铁心
2.直流电机的基本结构
图2-10 电枢线圈
2.直流电机的基本结构
图2-12 换向器
3.励磁方式
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
图2-42 并励电动机的机械特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-43 串励电动机的接线图
3.串励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-44 串励电动机的工作特性
图2-14 直流电机的励磁方式 a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式
4.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，用千瓦(kW)表示。 (2)额定电压UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以伏(V)表 示。 (3)额定电流IN 指电机在额定电压下运行、输出功率为额定功 率时，电机的线电流，以安(A)表示。 (4)额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以转/分(r/mi n)表示。
2.单叠绕组
2.单叠绕组
图2-19 单叠绕组展开图(2p=4,S=K= =16)
2.单叠绕组
图2-20 图2-19所示瞬间电枢绕组的电路图
3.单波绕组
3.单波绕组
图2-21 单波绕组的展开图(2p=4, =S=K=15) a)部分展开图 b)全部展开图
3.单波绕组
第二章 直流电机
励磁方式
指直流电机的励磁线圈与电枢线 圈的连接方式 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、 出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状 态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额 定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载 运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态 附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
17
18
19
20
21
二、绕组的基本形式 （一）单叠绕组
单叠绕组的特点：元件的两个端子 连接在相邻的两个换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串 联，即后一元件的首端与前一元件的 末端连在一起，接到一个换向片上。 最后一个元件末端与第一个元件首端 连接在一起，形成一个闭合回路。 元件的跨距：上层元件边与下层 元件边的距离（用槽数表示）称为跨 距。一般要求元件的跨距等于电机的 极距。 y1 右上图中，跨距为4槽。
39
N
If
If
N
Ia
Ia Fa
+
=
Fa Ff
S （a）电枢磁场 （b）空载磁场 图1-23 负载时的磁场
S （c）负载磁场
40
第五节 感应电动势和电磁转矩的计算
一、感应电动势的计算
直流电机无论作电动机运行，还是发 电机运行，电枢内部都感应产生电动势。
t 60 2 pn 2 pn 60
额定功率 PN
额定电流I N
额定电压U N
在额定工况下，电机 出线端的平均电压 在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流
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
直流电机机械特性介绍课件
2
转子绕组： 缠绕在转子 铁芯上的线 圈，产生感
应电流
5
风扇：用于 冷却电机，
提高效率
3
换向器：将 电能转换为 机械能的关
键部件
6
端盖：保护 转子和轴承，
防止灰尘和 杂物进入
电刷结构
01 电刷的作用：将直流电引入电 机，实现电能与机械能的转换
02 电刷的种类：石墨电刷、金属 电刷等
03 电刷的安装位置：电机的转子 上或定子上
直流电机在工业设备中的应用
01
直流电机在工业机器人中的应用： 02
直流电机在数控机床中的应用：
驱动机器人关节，实现精确控制
驱动主轴，实现高精度加工
03
直流电机在自动化生产线中的应
04
直流电机在包装设备中的应用：
用：驱动传送带，实现物料输送
驱动包装机，实现快速包装
05
直流电机在食品加工设备中的应
06
03
直流电机的工作 原理是基于电磁 感应原理，通过 改变励磁电流的 大小和方向来控 制转子的转速和 转向。
04
直流电机具有结 构简单、运行可 靠、调速性能好 等优点，广泛应 用于各种电气设 备中。
直流电机的分类
按励磁方式分类： 按用途分类：
他励直流电机、 驱动直流电机、 串励直流电机、 控制直流电机、 并励直流电机 发电机
直流电转换为转子绕组中的
交流电
04
换向器的类型：机械式、电
05
换向器的性能指标：换向速
子式、磁阻式等
度、换向精度、寿命等
直流电机的特性
机械特性
直流电机的机械 特性是指电机的 转速、转矩和功 率之间的关系。
直流电机的机械 特性可以分为三 种：恒转矩特性、 恒功率特性和调 速特性。
电机学(第三版)第二章 直流电机
P EI a em
机械输入功率
P P pmec pFe p来自d P p0 1 em em
P P2 pCua pCuf pmec pFe pad 1 P2 pCu p0 P2 p
I
电压变化率
U U N U 0 100% U0
4.调节特性: n=常数、U=常 数时，If=f(I)
直流电机总体结构
长沙理工大学电气工程学院
主磁极
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换向极
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机 座
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电枢铁芯及绕组
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽中的绝缘情况
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换向器
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电刷装臵
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直流电机的额定值
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电枢绕组在槽内的放臵
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单叠绕组的连接
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D a 2 p或 Z i 2 p
Z 整数 y 2p
i 1
y y 叠绕组 y 0
1 2 2
y
波绕组的 y 0
2
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单叠绕组－展开图
Bavl
（1）
n （ 5） v 2 p 60
故式（2）最终可改写为
（4 ）
E
令
Na / 2 a
k 1
ek lv
Na / 2 a
k 1
B ( x)
（ 2）
pN a E n C E n 60a
直流电机的基本常识
第一章直流电机的基本常识直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。
将机械能转换为直流电能的是直流发电机；将直流电能转换为机械能的是直流电动机。
与交流电机相比较，直流电机结构复杂、运行维护困难、成本高。
但直流电机具有宽广的的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等突出优点，仍广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械中，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。
由于电力电子技术的迅猛发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所替代。
本设计主要介绍电力机车上的大功率直流电机。
第二章第一节直流电机的基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙）。
1.定子直流电机定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑。
主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。
(1)机座兼起机械和导磁磁路两个作用。
它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁。
机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。
对于换向要求较高的电机，也可采用叠片结构的机座。
(2)主磁极主磁极由铁芯和主极线圈两部分组成。
主磁极铁芯一般用1~1.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。
（3）换向极换向极又称附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。
换向极由换向极铁芯和换向极线圈构成。
换向极铁芯大多用整块钢加工而成。
但在整流电源供电的功率较大的电机中，为了更好的改善电机换向，换向极铁芯也采用叠片结构。
换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁芯上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁。
（4）电刷装置电刷的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。
电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成。
电刷一般用石墨粉压制而成。
2.转子转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。
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• 直流电机的基本原理和结构 • 直流电机的电枢绕组 • 直流电机的磁场 • 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率 • 直流发电机和直流电动机的运行特性 • 直流电动机的起动、调速和制动 • 直流电机的换向
2.1 直流电机的原理和结构
直流电机分为直流发电机和直流电动机。
⃝ 直流电动机用于驱动负载。优良的启 动性能和调速性能，控制简单，在电气 传动系统中应用广泛。
⃝ 直流发电机是将机械能转换为电能。
2.1.1 直流电机的结构
定子和转子
基本说明
直流电机的结构可分为静止和转动两部分，静止部 分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）。
直流电机定子部分包括机座、主磁极、换向极、、风 扇和转轴等。
对于叠绕组来说，相邻的两个元件处于同一极面下，为了 使绕组能分布开，y2的绝对值不能等于y1。显然，叠绕组的合 成节距y与场移m相等，
对于波绕组，相串联的两个元件处于相邻的两个同极性的 磁极面下，为了使绕组能分布，合成节距y不能恰好等于一对 极距，
我们希望的电枢绕组
电动机的原理模型
我们希望的电枢绕组
极轴线：磁极中心线 几何中心线：
磁极之间的平分线 极距：电枢铁心表面， 一个极所占的距离。
有关电枢绕组名词、术语
有关电枢绕组名词、术语
元件：
第一节距y1
y1 Zi 2P
第二节距y2
y=y1＋
y2
合成节距y：
换向器节距yk：
场移
为了使绕组各元件能沿着电枢表面分布，相邻元件在磁场中 必须移过一定的距离，场移m用虚槽数或换向器数来表示。
1、主磁极和换向极
主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一 定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁 极铁芯由１mm～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。励磁 绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。各磁极的励磁绕组串 联连接成一路，以保证各主极励磁绕组的电流相等。
大的直流电机在极靴上开槽, 槽内嵌放补偿绕组，与电枢绕 组串联，用以抵消极靴范围内的电枢反应磁动势，从而减少气 隙磁场的畸变，改善换向，提高电机运行可靠性。
直流电机的可逆原理
同一台直流电机， 通过改变外界条件， 可当发电机运行， 也可当电动机运行。
2.1.3 直流电动机分类－励磁方式
他励
I Ia
串励
I Ia I f
并励
I Ia I f
注： I ：电源输入电流； I a ：电枢电流； I f ：励磁电流
复励:同时具有并励绕组和串励绕组称为复励
直流电机的基本结构总结
主要由定子、转子两部分组成
直流电机
定子
转子
机座 主磁极
电枢铁心
电枢绕组
换向极
电刷装置 换向器
风扇 转轴
轴承
2.1.2 直流电机的工作原理
直流电机的物理模型
1 直流发电机的工作原理
Aa
b c
d
B
b
a
A
c
Bd
电势正方向：abcd B+,A-
电势正方向： dcba B+,A-
c
对电枢绕组的要求：
在通过规定的电流时产生尽可能大的电势和电磁转 矩前提下，所消耗的材料最少、 强度高（机械、电 气、热）、 运转可靠、结构简单、下线方便等。
电枢绕组基本形式：叠绕组、波绕组和蛙绕组
2.2.1 直流电枢绕组的基本形式
叠绕组 边在NS极下，转子转动
波绕组
绕组实物图
有关电枢绕组名词、术语
电流正方向：dcba 转矩方向：顺时针 电势方向：abcd
电流正方向：abcd 转矩方向：顺时针 电势方向：dcba
c
d
b
a
直流电动机运行时的几点结论
1. 外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流； 2. 线圈中感应电势与电流方向相反； 3. 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； 4. 产生的电磁转矩Tem与转子转向相同， 是驱动性质；
换向器是直流电机特有的关键部件，将电枢绕组内 部的交流电势转换成电刷间的直流电势。换向器由 许多称为换向片的、彼此互相绝缘的铜片组合而成，
线圈（绕组）
焊接
3、电刷装置 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成， 电刷装置与换向器配合将转动的电枢绕组和静止 的外电路联通。
电刷装置
直流电机电刷结构
Ad
b
a
B
直流发电机运行时的几点结论
1. 电枢线圈内电势、电流方向是交流电； 2. 电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一
致； 3. 从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不
变的磁场； 4. 产生的电磁转矩Tem与转子转向相反， 是制动性质；
2 直流电动机的工作原理
b
a
c
d
b a
c d
合成节距 y＝yk＝1
计算数据y和y1 画绕组展开图
第一节距
y1
Z 2p
16 22
4
安放电刷和磁极
绕组放置
•元件1：定义 上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层。
•元件2： 上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=4即6槽下层。
主磁极示意图
换向极示意图
主极产生磁场的磁密波形
2、电枢铁芯、电枢绕组 和换向器
电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，是主磁路的一部分。 由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场内旋转，因此电枢铁 芯内的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面 涂绝缘漆的0.5mm硅钢片叠压而成。冲片上有均匀分布的嵌 放电枢绕组的槽和轴向通风孔。 电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转 换的关键部件。
短复励
长复励
2.1.4 直流电机的额定值
额定容量PN： 输出功率 额定电压UN：额定状态下出线端电压； 额定电流IN：额定状态下出线端电流； 额定转速n： 额定状态下的电机转速
★
直流发电机： PN＝UN·IN 直流电动机： PN＝UN·IN ·
直流电机的铭牌数据
2.2 直流电机电枢绕组
转子＝电枢 电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分。
直流电机
理想的电枢绕组通电情况
2.2.2 单迭绕组
迭： 两个相临联接的元件， 后一元 件的端部紧迭在前一元件的端部。
单迭： 首末端相联的两换向片相 隔一个换向片的宽度。
y=yk=1
画单匝和多匝示意图
特点： 槽数Z、元件数S和换向片数K三者相等
单迭绕组分析实例
实例： P＝2， Z＝S＝K＝16 1。 数据计算：