直流电机绕组与换向器
电机学-直流电机原理与绕组
几何中性线
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
+－
+
－
N
+S
－N
S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
+
－
整理课件
－
电路图
结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图
每个极下的元件组成一条支路。 即单迭绕组的并联支路数正好等 于电机的极数。 这是单整迭理课绕件组的重要特点之一。
D a (弧长)
2p
Z （槽数）
2p
（电角度）
整理课件
有关电枢绕组名词、术语
元件（线圈）：
第一节距y1 y1
每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离， 常用槽数来表示
第二节距y2（y2<0）
联接在同一个换向片上两个不同元件的元件 边在电枢表面跨过的距离
合成节距y： y=y1+y2
0
整理课件
A
If0 If
I fN F f 0 IN
直流电机的空载磁场
空载时，励磁磁动势主要消
耗在气隙上。当忽略铁磁材料的
极靴
磁阻时，主磁极下气隙磁通密度
极身
的分布就取决于气隙的大小和形 状。
磁极中心及附近的气隙小且
几何中性线
均匀，磁通密度较大且基本为常 数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，
（a）气隙形状
整理课件
三、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： 电功率PN＝UN·IN 直流电动机： 机械功率PN＝UN·IN ·
直流电机的换向问题和换向极绕组
直流电机的换向问题和换向极绕组通过对直流电机电枢绕组的分析知道，当电枢旋转时，组成电枢绕组的每条支路里所含元件数目是不变的，但组成每条支路的元件都在依次循环地更换。
一条支路中的某个元件在经过电刷后就成为另一条支路的元件，并且在电刷的两侧，元件中的电流方向是相反的，因此直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路。
在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要转变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。
换向问题是换向器电机的一个特地问题，假如换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。
当火花超过肯定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。
此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对四周无线电通讯有干扰。
国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有肯定的规定。
读者可参阅我国有关国家技术标准。
产生火花的缘由是多方面的，除电磁缘由外，还有机械的缘由，换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们相互交织在一起，所以相当简单，至今还没有完全把握其各种现象的物理实质，尚无完整的理论分析。
就电磁理论方面看，换向元件在换向过程中，电流的变化必定会在换向元件中产生自感电动势。
此外，因电刷宽度通常为2~3片换向片宽，同时换向的元件就不止一个，换向元件与换向元件之间会有互感电动势产生。
自感电动势和互感电动势的合成称为电抗电动势。
依据楞次定律，电抗电动势的作用是阻挡电流变化的，即阻碍换向的进行。
另外电枢磁场的存在，使得处在几何中性线上的换向元件中产生一种切割电动势，称为电枢反应电动势。
依据右手定则，电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用。
因此，换向元件中消失延迟换向的现象，造成换向元件离开一个支路最终瞬间尚有较大的电磁能量，这部分能量以弧光放电的方式转化为热能，散失在空气中，因而在电刷与换向片之间消失火花。
从产生火花的电磁缘由动身，要有效地改善换向，就必需减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。
直流电动机的换向
为了控制电动机的转速，电流的大小可以进行调节。通过改变输入电压或串入 电阻，可以调整电流的大小，从而控制电动机的转矩和转速。
电动机的磁场变化
磁场方向的改变
在直流电动机的换向过程中，磁 场的方向会发生周期性的变化。 定子磁场和电枢电流相互作用产 生旋转力矩，推动电动机旋转。
磁场强度的调节
提高换向器的制造精度
总结词
提高制造精度
详细描述
提高换向器的制造精度是改善直流电动机换向的另一个关键措施。通过采用高精度的制造工艺和设备 ，可以减小换向器各部件的误差，提高其配合精度。这有助于减少换向过程中的不均匀磨损和机械振 动，进一步改善电动机的性能。
加强电动机的维护保养
总结词：维护保养
详细描述：加强直流电动机的维护保养是保持其良好换向性能的重要措施。定期对电动机进行清洁、润滑和检查，及时更换 磨损的零部件，可以确保电动机的正常运行和延长其使用寿命。此外，合理的维护计划和规范的操作流程也有助于减少换向 故障的发生。
直流电动机的换向
目录
• 直流电动机换向概述 • 直流电动机换向过程 • 直流电动机换向器的作用 • 直流电动机换向不良的影响 • 直流电动机换向的改进措施 • 直流电动机换向的发展趋势
01 直流电动机换向概述
换向的定义
• 换向：在直流电动机中，换向是指通过改变电枢绕组的电流方向或磁场方向的顺序，以实现电动机连续旋转的过程。
电刷通过与铜片的接触，将电流引入或引出转子 绕组。
换向器的内缘通常与转子轴固定在一起，随转子 一起旋转。
换向器的维护与保养
01
定期检查换向器的表面 状况，确保没有磨损或 烧蚀现象。
02
检查电刷的磨损情况， 及时更换磨损严重的电 刷，以保证电流的稳定 传输。
永磁直流电动机原理
永磁直流电动机原理
永磁直流电动机是一种基于永磁效应工作的直流驱动设备，其工作原理如下：
1. 基本结构：永磁直流电动机由定子和转子组成。
定子是固定的部分，包含了电枢绕组和磁极。
转子是旋转的部分，由永磁磁铁组成。
2. 磁场产生：当电流通过电枢绕组时，根据安培定律，会在电枢绕组产生磁场。
同时，永磁磁铁提供了一个恒定的磁场。
3. 动力产生：定子的磁场和转子的磁场相互作用，产生了一个旋转的力矩，使得转子开始旋转。
这是因为根据洛伦兹力定律，电流在磁场中受到力的作用。
4. 反转子：转子中的磁场与定子中的磁场相互作用，产生了电动势。
根据法拉第定律，这个电动势会驱动电流在电枢绕组中流动。
5. 换向器：为了让电流在电枢绕组中的方向与转子的磁场方向始终保持一致，永磁直流电动机通常配备了换向器。
换向器会根据电流的方向变化，自动改变电枢绕组中的电流方向。
6. 控制系统：永磁直流电动机可以通过控制系统来调整转子的速度和方向。
控制系统会根据输入信号，改变电枢绕组中的电流强度和方向，从而影响转子的旋转速度和方向。
直流电机的基本工作原理及结构
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
1.1.3 直流电机的铭牌数据 额定功率 PN
指轴上输出 指电刷间输出的 电动机 额定条件下电机 发电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率 额 定 电U 压 N
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流 IN
额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下，运 电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 电机铭牌上还标有其它数 额定励磁电流 I fN 据，如励磁电压、出厂日 对应于额定电压、额定电流、额 期、出厂编号等。 定转速及额定功率时的励磁电流
电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随 之移动 角，如图(a)(b) 所示。 电枢磁动势可以分解 为两个垂直分量：交轴电 F aq 枢磁动势 和直轴电枢磁 动势 。 F ad
电刷顺转向偏移
发电机 电动机 交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁
电刷逆转向偏移
交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁
1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩
漏磁通
磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路
主磁通
磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极，再 经定子铁轭回到N极
主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得 多，大约是主磁通的20%。
0
N
A
为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定磁 通 N 设定在图中 A点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。
0
I fN
I f0 I f F f 0 IN
有刷直流电机工作原理详解
有刷直流电机工作原理详解有刷直流电机是一种广泛应用于各种工业领域的电机，其工作原理基于电磁感应原理，通过磁场和电流的作用力使转子转动。
下面将对有刷直流电机的工作原理进行详细解释。
一、有刷直流电机的结构有刷直流电机主要由定子、转子、电刷、换向器等部分组成。
定子通常由铁芯和绕组组成，用于产生磁场；转子由铁芯和绕组组成，其上产生的电流与定子的磁场相互作用产生转矩；电刷和换向器则用于控制电流的方向，保证电机正反转。
二、有刷直流电机的工作原理1、通电后，定子绕组产生磁场当有电流通过定子绕组时，绕组中的电流将产生磁场，该磁场在空间上呈闭合状态，称为磁路。
在磁路上，磁力线分布不均匀，使得磁路上的各点具有不同的磁阻。
2、转子在磁场中受力转动转子上的绕组在磁场中会受到力的作用，这个力就是转矩。
转矩的方向与电流的方向有关，当电流方向改变时，转矩方向也会改变。
因此，通过改变电流方向，可以控制电机的正反转。
3、电刷和换向器的作用电刷和换向器是有刷直流电机中非常重要的组成部分。
电刷的作用是将电源的正负极连接到转子的绕组上，以控制电流方向；换向器则用于自动改变电流的方向，以保证电机正反转。
4、调速原理有刷直流电机的调速原理主要是通过改变电流的大小来控制转矩的大小，从而控制电机的转速。
具体来说，当电流增大时，转矩增大，电机的转速也会相应提高；当电流减小时，转矩减小，电机的转速会降低。
因此，可以通过调节电流的大小来实现对电机转速的控制。
三、有刷直流电机的优缺点1、优点：有刷直流电机具有结构简单、控制方便、体积小、转速高、价格低等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。
2、缺点：有刷直流电机的缺点主要包括磨损大、维护成本高、寿命短等。
由于电刷和换向器的存在，使得电机的可靠性受到一定的影响。
四、总结有刷直流电机是一种应用广泛的电机，其工作原理基于电磁感应原理，通过磁场和电流的作用力使转子转动。
有刷直流电机的优缺点并存，但其结构简单、控制方便、体积小、转速高等优点使得其在许多领域具有广泛的应用前景。
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
长沙理工大学电气工程学院
换向极
长沙理工大学电气工程学院
机 座
长沙理工大学电气工程学院
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
长沙理工大学电气工程学院
换向器
长沙理工大学电气工程学院
电刷装臵
长沙理工大学电气工程学院
直流电机的额定值
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽内的放臵
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组的连接
长沙理工大学电气工程学院
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
简要说明直流电机中换向器的作用
简要说明直流电机中换向器的作用嘿，伙计们！今天我们来聊聊直流电机中的那个小家伙——换向器。
别看它小小的，作用可大着呢！它就像是一个指挥家，指挥着电机的“心脏”工作。
那么，换向器到底是怎么工作的呢？让我们一起来揭开它神秘的面纱吧！咱们要了解什么是直流电机。
简单来说，直流电机就是一种将电能转换为机械能的装置。
它的工作原理就是利用磁场和电流的作用，让电机的转子产生旋转力矩。
而换向器呢，就是用来改变这个旋转方向的。
咱们先来聊聊电机的两个重要部件：定子和转子。
定子就像一个大大的线圈，里面绕着很多根导线。
而转子呢，就是一个小小的磁铁。
当电流通过定子的时候，会产生一个磁场。
这个磁场会与转子上的永磁体相互作用，从而让转子产生旋转力矩。
但是，由于电机的设计原因，转子的旋转方向并不是我们想要的。
这时候，换向器就派上用场了！换向器的作用就是在电机运行过程中，及时地改变转子的旋转方向。
具体来说，就是当电机正常运行时，换向器会让转子沿着一个方向旋转；而当需要改变电机的方向时，换向器就会让转子反过来旋转。
这样一来，咱们就可以实现电机的正反转了。
那么，换向器是怎么实现这个功能的呢？其实，换向器内部有很多小的磁体和导体组成的结构。
这些磁体和导体的排列方式非常巧妙，可以实现在不同时刻改变磁场的方向。
当换向器的某个部分需要改变方向时，只需要控制这些磁体和导体的电流方向，就可以实现磁场的改变。
这样一来，转子的旋转方向也就跟着改变了。
现在大家都知道换向器的作用了吧！它就像是一个指挥家，指挥着电机的“心脏”工作。
有了它，咱们就可以实现电机的正反转了。
而且，换向器的构造非常巧妙，让它能够在不同的场合发挥作用。
所以说，换向器可是一个非常重要的小家伙哦！换向器在直流电机中扮演着非常重要的角色。
它不仅能够实现电机的正反转，还能让电机在不同的场合发挥出最佳的效果。
所以说，我们在使用直流电机的时候，一定要注意换向器的使用和维护哦！这样才能让电机更好地为我们服务。
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4、单叠绕组的并联支路图
2
3
4
A1
2 1
8
7
6
A2
9
1
9
10
11
12
10
16
15
14
B1
6 5
5
B2
13 13
14
单叠绕组并联支路对数等于电机的极对数，即： a p
三、单波绕组
讲述单波绕组联结规律的节距、绕组展开图、 元件联结图、并联支路图。为什么叫单波绕组？
以一台2 p 4, Q S K 15 的直流电机为例。
τ
τ
τ
电枢转向
τ
τ
12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
N
S
N
S
14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
τ
τ
τ
电枢转向
τ
τ
12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
N
S
N
S
14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
y1 指一个元件两个边的距离。 y1 y1 Q / 2 p
③ 第二节距 y2
y
12
y2 为元件下层边与其相联结
的元件上层边之间的距离。
N
S
④ 合成节距y和换向片节距yk
y的yk 距为一离相个。串元y 连件 的的y1 两首 元 尾y1 件 端对 在应 换边 向
器上的距离。
y2
123 yk
电枢绕组的联结方法
一、直流电机的电枢电动势 单根导体的电动势： bδ
提问：感应电动势？ e b lv 右手定则
Bδ
Bav
有效导体数： z 2SNk 0
x
每一支路串连导体数： z / 2a
E
z /2a
ei
i 1
z 2a
eav
eav Bavlv a'B lv
电枢绕组的电动势（续）
电枢线速度： v 2 p n / 60 每极空载磁通： 0 Bav l a'B l
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
S
N
S
N
S
14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
τ
τ
τ
τ
电枢转向
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
S
N
S
N
S
14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
直流发电机： 直流电动机：
IN
PN 103 UN
[ A]
IN
PN 103 [ A]
UN •N
④ 额定转速： nN，r/min
⑤ 绕组温升及绝缘等级：TN，K；B，F，H 等。
第二节 电枢绕组的一般知识
一、基本知识 1、电枢绕组与换向片
结论：
通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。
2、电枢绕组与电刷连接
以单线圈简化模型为例，进行 分析。
显然，在电刷间接入直流电源后， 在线圈中就有直流电流流过。
电磁力定律： f Bli
满足左手定则
2、平均电磁转矩的产生（续）
直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替 变化的电流。 图中电刷相对于磁极的位置保证了，无论线圈边 处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生逆时针 方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方 向的电磁转矩。
B1
A2
B2
3、单波绕组的元件联结次序
＋y
1
上层元件边
8
15 7 14 6
13 5 12 4 11
3 10 2
9
1 闭合
＋y2
＋y1
下层元件边
5 12 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 ＋y
4、单波绕组的并联支路图
15
7
14
6
13
A1
1 15
8
9
1
A2
8 9
2
10
5
B1
1、单波绕组的节距
y1
(Q
/ 2p)
15 4
1 4
4
（长距元件）
yk
K 1 p
15 1 2
7
（左行绕组）
y yk 7
y2 y y1 7 4 3
2、单波绕组的展开图
τ
τ
τ
电枢转向
τ
τ
12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
N
S
N
S
14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
绕组联结方法主要表述绕组联结规律的 节距、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。
单波绕组、单叠绕组、复波绕组、复叠绕 组、混合绕组等。
二、单叠绕组
讲述单叠绕组联结规律的节距、绕组展开图、 元件联结图、并联支路图。为什么叫单叠绕组？
以一台2 p 4, Q S K 16 的直流电机为例。
1、单叠绕组的节距
两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。 位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。 电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。
3、电枢绕组的一般知识
几个基本概念
① 元件数S，换向片数K，槽数 Q，虚槽 Qμ
单匝元件
双匝元件
元件边
SK
元件边
QS
Q S K
② 第一节距 y1
空载时平均电动势：
Ea
pz 60a
0n
Ce0n
[V]
负载时的感应电动势：
Ea
pz 60a
n
Cen
[V]
Ce
pz 60a
二、直流电机电枢绕组的电磁转矩
提问：电磁力？
f
b lia
b
l
Ia 2a
左手定则
bδ
电磁转矩： t f D
2
bδ
Bav
tav
Bavl
Ia 2a
D 2
.
. . . . . .
. . . . . . .
τ
τ
τ
τ
电枢转向
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
S
N
S
N
S
14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
τ
τ
τ
τ
电枢转向
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
第一章 直流电机
第一节 直流电机的基本工作原理与结构 一、直流电机的基本工作原理
1、直流电动势的产生
电磁感应定律： e Blv 满足右手定则
结论： eBA 为随时间正负交变的电动势
1、直流电动势的产生（续）
结论：
eBA
由于旋转电刷和静止换向器的
作用，eBA 为脉动的直流电动势。
2、平均电磁转矩的产生
S
N
S
N
S
14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9
A1
3、单叠绕组的元件联结次序
＋y
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 闭合 上层元件边
＋y2
＋y1
下层元件边
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 ＋y
0
ia T
x n
总电磁转矩：
T
z
ti
i 1
ztav
zBavl
Ia 2a
D 2
电枢绕组的电磁转矩（续）
将 D 2 p / 及 Bavl 代入总电磁转矩表
达式得
T
pz
2 a
Ia
Ct I a
[N]
且有
Ct
pz
2 a
Thank You！
y1
(Q
/ 2 p)
16 4
4
y yk 1
y2 y y1 3
2、单叠绕组的展开图
τ
τ
τ
τ
电枢转向
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
S
N
S
N
S
14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
τ
τ
τ
τ
电枢转向
二、直流电机的主要结构
定子
直 流 电 机
转子
主磁极 换向磁极 机座 端盖 电刷装置
转轴
磁极铁心 （产生励 励磁绕组 磁磁场）
电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
换向器
电枢铁心 （产生电动势，流过 电枢绕组 电流，产生电磁转矩）
直流电机的额定值
① 额定功率： PN，kW
② 额定电压： UN，V
③ 额定电流： IN，A
τ
τ
τ
电枢转向
τ
τ
12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
N
S
N
S
14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
τ
τ