直流电动机基本理论及结构
合集下载
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 ·
直流电动机(原理)
额定电压UN 对于电动机，UN是指电枢上的输入额定电压；对于发电机， UN是指电枢输出的额定电压。 额定电流IN IN是指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的输入（电 动机）或输出（发电机）的电流值。 额定效率ηN
电动机 PN U N I N N 103 kW 发电机 PN UNIN 103 kW
2、直流电动机工作原理
2、直流电动机工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。 此时电枢线圈中将有电流流过。 在磁场作用下，有导体产生F=BIL。该电磁力形成电磁转矩,使 电机转子旋转。
思考：电磁力的方向怎么判断？大小与哪些因素有关？分析转动过程？
换向极绕组与电枢绕组串联, 换向磁极的作用是消弱电枢磁场。
（3）电刷装置 与换向器配合,完成交直流的互换。数目与主磁极相同。
电刷座
电刷
3.转子 又称为电枢
（1）电枢铁心
既是主磁路的一部分， 又可以放置电枢绕组。 （2）电枢绕组 电枢绕组与换向器联结。 主要作用产生感应电动势和电 磁转矩，实现机电能量的转换。 （3）换向器 换向器由许多彼此绝缘的钢 质换向片组成一个圆柱体，装在 转子转轴的一端，与电刷装置配 合,完成直流与交流的互换。
二、直流电动机的种类和铭牌
1. 直流电机绕组端子标号： 电枢绕组：始端A1－末端A2 ；换向绕组：始端B1－末端B2 ； 补偿绕组：始端C1－末端C2 ；串励绕组：始端D1末端D2 ； 并励绕组：始端E1－末端E2 ；他励绕组：始端F1－末端F2 2.直流电动机的分类 直流电动机按产生磁场的方式来进行区分，分为两大类：他励和自励。 他励是指通入电动机定子中，产生磁场的电 流If与通入电动机转子，产生转矩的电流 Ia分 别由两个电源提供。 他励的特点是,励磁电流If的大小与 电枢电压U及负载等参数无关。
电动机 PN U N I N N 103 kW 发电机 PN UNIN 103 kW
2、直流电动机工作原理
2、直流电动机工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。 此时电枢线圈中将有电流流过。 在磁场作用下，有导体产生F=BIL。该电磁力形成电磁转矩,使 电机转子旋转。
思考：电磁力的方向怎么判断？大小与哪些因素有关？分析转动过程？
换向极绕组与电枢绕组串联, 换向磁极的作用是消弱电枢磁场。
（3）电刷装置 与换向器配合,完成交直流的互换。数目与主磁极相同。
电刷座
电刷
3.转子 又称为电枢
（1）电枢铁心
既是主磁路的一部分， 又可以放置电枢绕组。 （2）电枢绕组 电枢绕组与换向器联结。 主要作用产生感应电动势和电 磁转矩，实现机电能量的转换。 （3）换向器 换向器由许多彼此绝缘的钢 质换向片组成一个圆柱体，装在 转子转轴的一端，与电刷装置配 合,完成直流与交流的互换。
二、直流电动机的种类和铭牌
1. 直流电机绕组端子标号： 电枢绕组：始端A1－末端A2 ；换向绕组：始端B1－末端B2 ； 补偿绕组：始端C1－末端C2 ；串励绕组：始端D1末端D2 ； 并励绕组：始端E1－末端E2 ；他励绕组：始端F1－末端F2 2.直流电动机的分类 直流电动机按产生磁场的方式来进行区分，分为两大类：他励和自励。 他励是指通入电动机定子中，产生磁场的电 流If与通入电动机转子，产生转矩的电流 Ia分 别由两个电源提供。 他励的特点是,励磁电流If的大小与 电枢电压U及负载等参数无关。
第2章直流电动机
Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1N )U N IN
Q Ia IN
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.1 他励直流电动机的机械特性
4．机械特性的绘制
1）固有机械特性的绘制
(2) 求 KeN
额定运行条件Ra 下的反电势为：
EN
求出电枢电阻Ra 、KeφN 后，各种人为机械特性的绘制也就容易了。
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.2 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路原理图如图2-19（a）所示，其最大特
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。当线 圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的 方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转。
机电传动与控制
ej Bjlv
第二章 直流电动机
2.2 直流电动机的的工作原理
2．直流电动机的感应电动势和电磁转矩
2.3 直流电动机的额定参数
4．额定转速nN 额定转速是指在额定电压、额定电流和输出额定功率的情
况下运行时，直流电动机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。 5．额定励磁电流IfN
额定励磁电流指直流电动机在额定状态时的励磁电流值， 单位为A（安培）。 6．额定励磁电压UfN
额定励磁电压指直流电动机在额定情况下工作时，励磁绕 组所加的电压，单位为V（伏） 7. 额定转矩
第1章 直流电动机基本理论及结构
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
电动机铭牌上所标的数据为额定数据.具体含义有以下几点。 电动机铭牌上所标的数据为额定数据 具体含义有以下几点。 具体含义有以下几点 1.型号 型号 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯 数字表示。 数字表示。 2.直流电动机的额定值 直流电动机的额定值 (1)额定功率 N是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的 额定功率P 额定功率 机械功率.又称为额定容量 又称为额定容量(W) 机械功率.又称为额定容量(W) 。它等于额定电压和电流的 乘积再乘上电动机的效率. 乘积再乘上电动机的效率 (2)额定电压 N是指电动机寿命期内安全工作的最高电压 额定电压U 额定电压 (V). (3)额定电流 N是指电动机轴上带有额定机械负载时的输人 额定电流I 额定电流 电流(A). 电流 (4)额定转速 N是指在额定电压、额定电流和额定输出功率 额定转速n 额定转速 是指在额定电压、 的情况下电动机运行时的旋转速度(r/min) . 的情况下电动机运行时的旋转速度
上一页 下一页 返回
1. 2 直流电动机电枢绕组
1.2.2 电枢绕组的基本要求及绕制规则
对电枢绕组的基本要求是:一方面能够产生足够大的电动势 对电枢绕组的基本要求是 一方面能够产生足够大的电动势. 一方面能够产生足够大的电动势 通过一定大小的电流.产生足够的转矩 产生足够的转矩;另一方面要尽可能节 通过一定大小的电流 产生足够的转矩 另一方面要尽可能节 约材料.结构简单 结构简单。 约材料 结构简单。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 元件边放在槽内.能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘ 能切割磁力线产生感应电动势.称为“‘有 元件边放在槽内 能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘有 效边” 端接线放在槽外 不切割磁力线.仅作为连接线使用 端接线放在槽外.不切割磁力线 仅作为连接线使用。 效边”;端接线放在槽外 不切割磁力线 仅作为连接线使用。 为了便于嵌线.每个元件的一个边放在某一个槽的上层 每个元件的一个边放在某一个槽的上层.称为 为了便于嵌线 每个元件的一个边放在某一个槽的上层 称为 上层边.另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。 另一个边则放在另一个槽的下层.称为下层边 上层边 另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。绘图 为了表达清晰.将上层边用实线表示 时.为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
直流电机介绍
定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且 可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负 载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁 场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立 的磁场。
一、直流电机的磁路
图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；
4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
N
A
If0 If
0
I fN F f 0 IN
图1.18 电机的磁化曲线
§1.3.2 直流电机负载时的磁场
负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作 用所建立。
一、电枢磁通势和电枢磁场
图1.2 直流发电机原理模型
Hale Waihona Puke 从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极 下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因 此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性， 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电 动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律 把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直 流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时 ，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状 态。
直流电动机的铭牌举例
§1.2
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识 §1.2.2 单迭绕组 §1.2.3 单波绕组简介
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通 过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
一、直流电机的磁路
图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；
4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
N
A
If0 If
0
I fN F f 0 IN
图1.18 电机的磁化曲线
§1.3.2 直流电机负载时的磁场
负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作 用所建立。
一、电枢磁通势和电枢磁场
图1.2 直流发电机原理模型
Hale Waihona Puke 从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极 下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因 此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性， 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电 动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律 把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直 流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时 ，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状 态。
直流电动机的铭牌举例
§1.2
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识 §1.2.2 单迭绕组 §1.2.3 单波绕组简介
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通 过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
电机学(刘颖慧)课件第2章直流电机基本理论
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
Department of Electrical Engineering, HUT
第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
电机学 Electric machinery
2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
Department of Electrical Engineering, HUT
第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
电机学 Electric machinery
2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
直流电机的基本理论
交轴磁势和直轴磁势
发电机 电动机
β
发电机 电动机
2β
发电机 电动机
2β
电枢磁势
交轴分量
Faq
直轴分量
Fad
分析直流电动机电刷移位
N N
电动机
2β
逆向移刷
顺向移刷
电刷偏移对主磁场的作用
电刷顺转向偏移 发电机 电动机 直轴去磁 直轴助磁 电刷逆转向偏移 直轴助磁 直轴去磁
以直流电机为例思考电枢反应
N
N
3-5 电磁转矩和电磁功率
一、电磁转矩
电枢绕组中有电枢电流流过时, 电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 磁转矩。 磁转矩。
一根导体的平均电磁力： 一根导体的平均电磁力：
fav = Bav ⋅ l ⋅ ia
1、当电刷在几何中性线上时
将主磁场分布和电枢 磁场分布叠加， 磁场分布叠加，得到 的负载电机磁场分布 情况如图。 情况如图。
合成磁势曲线
饱和时磁阻 不为常数不 能简单叠加
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bδx
主磁场的 磁通密度 分布曲线 不饱和两条曲线逐点叠 加后得到负载时气隙磁 场的磁通密度分布曲线
直流电机的损耗 损耗和 3-6 直流电机的损耗和基本方程 一、直流电机中的损耗
轴承摩擦/ 机械损耗 pm :轴vs轴承摩擦/电刷 换向器摩擦/通风损耗等。 轴承摩擦 电刷vs 换向器摩擦/通风损耗等。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 电枢铁心中磁场交变， 铁心损耗 pFe :电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损 铁耗近似与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。 次方成正比。 耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的 次方成正比 2 励磁损耗 pf : pf = U f I f = I f Rf
直流电机
1.1.1直流电机的主要结构：直流电机由静止的部分定子和旋转的部分转子两大部分构成：1、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。
1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。
整个磁极用螺钉固定在机座上。
主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.2）、换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。
换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。
3）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。
因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。
机座通常用铸钢或厚钢板焊成。
4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。
2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。
1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。
2）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。
2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。
1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
1.1.2 直流电机的工作原理：1、直流发电机的工作原理：如图所示：从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
应电动势，y1应等于或接近于一个极距，即
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• （2） 合成节距y。 • 相邻两个元件对应边之间的距离称为合成节距。 • （3） 换向片节距yK。 • 一个元件两个出线端所连接的换向片之间的距离称为换向片节距。 • （4） 第二节距y2。 • 它表示相邻的两个元件中，第一个元件下层边与第二个元件上层边之
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 1.1.3 直流电动机铭牌
• 铭牌数据主要包括：电动机型号、电动机额定功率、额定电压、额定 电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电动机的出厂数 据，如出厂编号、出厂日期等。
• 电动机铭牌上所标的数据为额定数据，具体含义有以下几点。 • 1.型号 • 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 绕组是由元件构成的，一个元件由两条元件边和端接线组成。元件边 放在槽内，能切割磁力线产生感应电动势，称为“有效边”；端接线 放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线使用。为了便于嵌线，每个 元件的一个边放在某一个槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另 一个槽的下层，称为下层边，如图1-8所示。绘图时，为了表达清晰， 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
• 1.1.2 直流电动机工作原理
• 直流电动机是根据通电导体在磁场中受力而运动的原理制成的。根据 电磁力定律可知，通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。
• 电磁力的方向用左手定则来判定，左手定则规定：将左手伸平，使拇 指与其余四指垂直，并使磁力线的方向指向掌心，四指指向电流的方 向， 则拇指所指的方向就是电磁力的方向。
• 元件：构成绕组的线圈称为绕组的元件，元件分为单匝和多匝两种。 • 元件的首末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换
向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 • 极距：相邻主磁极间的距离称为极距。
下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 叠绕组：是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部 分的上面，整个绕组呈折叠式前Байду номын сангаас。
下一页 返回
1.4 直流电机的感应电动势与转矩
• 1.4.2 直流电机的电磁转矩Tem
• 电磁转矩Tem为
• Tem=CTΦIa
（1.4.2）
• 式中 Ia——电枢电流；
• CT——一个与电机结构相关的常数，称为转矩常数。电磁转矩Tem 的方向由气隙磁通Φ及电枢电流Ia的方向按左手定则确定。
• 从式（1.4.2）可看出，制造好的直流电机的电磁转矩仅与电枢电流
第1章 直流电动机基本理论及结构
• 1.1 直流电动机的原理与结构 • 1.2 直流电动机电枢绕组 • 1.3 直流电动机磁场 • 1.4 直流电动机的感应电动势与转矩 • 1.5 直流电动机基本特性 • 1.6 直流电动机的换向 • 本章小结
1.1 直流电动机的原理与结构
• 1.1.1 直流电动机的结构
• 直流电机空载（发电机开路；电动机空轴）运行时，其电枢电流等于 零或近似等于零。因而空载磁场即为励磁绕组产生的励磁磁通势所建 立的。
• 如图1-12所示为四极空载磁场分布，通电产生N、S极间隔均匀的空 载磁场。
下一页 返回
1.3 直流电机磁场
• （1） 主磁通Φ：N极→气隙→电枢齿槽→电枢磁轭→电枢铁芯齿槽 →气隙→S极→定子磁轭→N极。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 由此可知，通过换向器的作用，与电源负极相连的电刷B始终和S极 下导体相连，故S极下导体中电流方向恒为流出；而与电源正极相连 的电刷A始终和N极下导体相连，故N极下导体中电流方向恒为流入。 当导体ab和cd不断交替出现在N极和S极下时，两导体所受电磁力矩 始终为逆时针方向，因而使电枢按一定方向旋转。
通过磁通的部分称为磁轭。 • 材料：由铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。
下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• （2） 主磁极。 • 作用：产生气隙磁场。 • 组成：如图1-2所示，主磁极包括铁芯和励磁绕组两部分，主磁极铁
芯柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴做成 圆弧形，使气隙磁通均匀。 • 材料：主磁极铁芯一般由1.0～1.5 mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而 成。
上一页 下一页 返回
1.3 直流电机磁场
• 与图 1-13（a）比较可见带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分 布有如下明显的影响。
• （1） 电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成 磁场发生畸变。
• （2） 电枢反应使主磁场削弱，电动机出力减小。
上一页
返回
1.4 直流电机的感应电动势与转矩
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 例如 • Z4—112/2—1 • 式中 Z——Z系列一般用途直流电动机； • 4——设计系列号； • 112——电动机中心高112 mm； • 2——极数为2； • 1——1号铁芯。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 2.直流电动机的额定值 • （1） 额定功率PN是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的机械
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• （3） 换向器。 • 作用：绕组中电流换向。 • 组成：如图1-6所示，多个压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片
与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片 按一定规律连接。换向器与转轴固定在一起。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
功率，又称为额定容量（W）。 • （2） 额定电压UN是指电动机寿命期内安全工作的最高电压（V）。 • （3） 额定电流IN是指电动机轴上带有额定机械负载时的输入电流
（A）。 • （4） 额定效率ηN是指在额定电压、额定电流和额定输出功率的情
况下电动机的效率。
上一页
返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.1 电枢绕组的常用术语
• 直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。 • 定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置。转子部分
包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。 • 下面介绍直流电动机主要部件的作用与基本结构，如图1-1所示。 • 1.定子部分 • （1） 机座。 • 作用：固定主磁极、换向极、端盖等，机座还是磁路的一部分，用以
• 作用：同时交链励磁绕组和电枢绕组，实现能量转换。 • （2） 漏磁通Φσ：N极→气隙→相邻S极磁极。 • 影响：电机的能量转换工作不起作用。相反，使电机的损耗加大，效
率降低，增大了磁路的饱和程度，一般情况下，Φσ=（15%～20%） Φ0。
上一页 下一页 返回
1.3 直流电机磁场
• 1.3.2 直流电机的电枢磁场
和气隙磁通成正比。
上一页
返回
1.5 直流电机基本特性
• 1.5.1 直流电机的励磁方式
• 直流发电机的各种励磁方式接线如图1-14所示。直流电动机的各种励 磁方式接线如图1-15所示。
• 1.他励方式 • 他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压U与励磁
电压Uf彼此无关，电枢电流Ia与励磁电流If也无关。 • 2.并励方式 • 并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，在并励发电机中Ia
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 如图1-7（a）所示，导体ab在N极下，电流方向由a到b，根据左手定 则可知导体ab受力方向向左；导体cd在S极下，电流方向由c到d， 因此导体cd的受力方向向右，两个电磁力所产生的电磁转矩使电枢 按逆时针方向旋转。当转子旋转180°，转到如图1-7（b）所示的位 置时，导体ab转到S极下，电流方向由b到a，导体的受力方向向右； 而导体cd在N极下，电流方向由d到c，导体的受力方向向左，故电枢 仍按逆时针方向旋转。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• （3） 换向极。 • 作用：改善换向。 • 组成：如图1-3所示，有铁芯、绕组。 • 材料：铁芯用整块钢制成，如要求较高，则用1.0～1.5 mm厚的钢板
叠压而成；绕组用粗铜线绕制，流过的是电枢电流。 • 安装位置：在相邻两主极之间。 • （4） 电刷装置。 • 作用：连接；交流、直流变换。 • 组成：电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成，如图 1-4 所示。
间的距离。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.3 单叠绕组
• 单叠绕组是指每个元件的首端和末端分别接到相邻的两个换向片上， 后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，并接到同一个换向片上， 依次串联，最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起，形成 一个闭合的结构，又称单叠绕组展开图，如图1-10所示。此时， y=yK=1。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.4 单波绕组
• 单波绕组的连接是每个元件与相距约两个极距的元件相串联，绕完一 周以后，第x个元件的末端落到与起始换向片相邻的换向片上，如图 1-11所示。由于连接后的形状似波浪，故称为单波绕组。
上一页
返回
1.3 直流电机磁场
• 1.3.1 直流电机的空载磁场
=I+If，而在并励电动机中Ia =I-If。
下一页 返回
1.5 直流电机基本特性
• 3.串励方式 • 串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串联关系。由于励磁电流等于电
• 图1-13（a）为主磁场在电机中的分布情况。其方向用右手螺旋定则 确定。。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m，它 与磁极的几何中性线n-n重合。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• （2） 合成节距y。 • 相邻两个元件对应边之间的距离称为合成节距。 • （3） 换向片节距yK。 • 一个元件两个出线端所连接的换向片之间的距离称为换向片节距。 • （4） 第二节距y2。 • 它表示相邻的两个元件中，第一个元件下层边与第二个元件上层边之
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 1.1.3 直流电动机铭牌
• 铭牌数据主要包括：电动机型号、电动机额定功率、额定电压、额定 电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电动机的出厂数 据，如出厂编号、出厂日期等。
• 电动机铭牌上所标的数据为额定数据，具体含义有以下几点。 • 1.型号 • 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 绕组是由元件构成的，一个元件由两条元件边和端接线组成。元件边 放在槽内，能切割磁力线产生感应电动势，称为“有效边”；端接线 放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线使用。为了便于嵌线，每个 元件的一个边放在某一个槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另 一个槽的下层，称为下层边，如图1-8所示。绘图时，为了表达清晰， 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
• 1.1.2 直流电动机工作原理
• 直流电动机是根据通电导体在磁场中受力而运动的原理制成的。根据 电磁力定律可知，通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。
• 电磁力的方向用左手定则来判定，左手定则规定：将左手伸平，使拇 指与其余四指垂直，并使磁力线的方向指向掌心，四指指向电流的方 向， 则拇指所指的方向就是电磁力的方向。
• 元件：构成绕组的线圈称为绕组的元件，元件分为单匝和多匝两种。 • 元件的首末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换
向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 • 极距：相邻主磁极间的距离称为极距。
下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 叠绕组：是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部 分的上面，整个绕组呈折叠式前Байду номын сангаас。
下一页 返回
1.4 直流电机的感应电动势与转矩
• 1.4.2 直流电机的电磁转矩Tem
• 电磁转矩Tem为
• Tem=CTΦIa
（1.4.2）
• 式中 Ia——电枢电流；
• CT——一个与电机结构相关的常数，称为转矩常数。电磁转矩Tem 的方向由气隙磁通Φ及电枢电流Ia的方向按左手定则确定。
• 从式（1.4.2）可看出，制造好的直流电机的电磁转矩仅与电枢电流
第1章 直流电动机基本理论及结构
• 1.1 直流电动机的原理与结构 • 1.2 直流电动机电枢绕组 • 1.3 直流电动机磁场 • 1.4 直流电动机的感应电动势与转矩 • 1.5 直流电动机基本特性 • 1.6 直流电动机的换向 • 本章小结
1.1 直流电动机的原理与结构
• 1.1.1 直流电动机的结构
• 直流电机空载（发电机开路；电动机空轴）运行时，其电枢电流等于 零或近似等于零。因而空载磁场即为励磁绕组产生的励磁磁通势所建 立的。
• 如图1-12所示为四极空载磁场分布，通电产生N、S极间隔均匀的空 载磁场。
下一页 返回
1.3 直流电机磁场
• （1） 主磁通Φ：N极→气隙→电枢齿槽→电枢磁轭→电枢铁芯齿槽 →气隙→S极→定子磁轭→N极。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 由此可知，通过换向器的作用，与电源负极相连的电刷B始终和S极 下导体相连，故S极下导体中电流方向恒为流出；而与电源正极相连 的电刷A始终和N极下导体相连，故N极下导体中电流方向恒为流入。 当导体ab和cd不断交替出现在N极和S极下时，两导体所受电磁力矩 始终为逆时针方向，因而使电枢按一定方向旋转。
通过磁通的部分称为磁轭。 • 材料：由铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。
下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• （2） 主磁极。 • 作用：产生气隙磁场。 • 组成：如图1-2所示，主磁极包括铁芯和励磁绕组两部分，主磁极铁
芯柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴做成 圆弧形，使气隙磁通均匀。 • 材料：主磁极铁芯一般由1.0～1.5 mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而 成。
上一页 下一页 返回
1.3 直流电机磁场
• 与图 1-13（a）比较可见带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分 布有如下明显的影响。
• （1） 电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成 磁场发生畸变。
• （2） 电枢反应使主磁场削弱，电动机出力减小。
上一页
返回
1.4 直流电机的感应电动势与转矩
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 例如 • Z4—112/2—1 • 式中 Z——Z系列一般用途直流电动机； • 4——设计系列号； • 112——电动机中心高112 mm； • 2——极数为2； • 1——1号铁芯。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 2.直流电动机的额定值 • （1） 额定功率PN是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的机械
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• （3） 换向器。 • 作用：绕组中电流换向。 • 组成：如图1-6所示，多个压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片
与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片 按一定规律连接。换向器与转轴固定在一起。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
功率，又称为额定容量（W）。 • （2） 额定电压UN是指电动机寿命期内安全工作的最高电压（V）。 • （3） 额定电流IN是指电动机轴上带有额定机械负载时的输入电流
（A）。 • （4） 额定效率ηN是指在额定电压、额定电流和额定输出功率的情
况下电动机的效率。
上一页
返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.1 电枢绕组的常用术语
• 直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。 • 定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置。转子部分
包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。 • 下面介绍直流电动机主要部件的作用与基本结构，如图1-1所示。 • 1.定子部分 • （1） 机座。 • 作用：固定主磁极、换向极、端盖等，机座还是磁路的一部分，用以
• 作用：同时交链励磁绕组和电枢绕组，实现能量转换。 • （2） 漏磁通Φσ：N极→气隙→相邻S极磁极。 • 影响：电机的能量转换工作不起作用。相反，使电机的损耗加大，效
率降低，增大了磁路的饱和程度，一般情况下，Φσ=（15%～20%） Φ0。
上一页 下一页 返回
1.3 直流电机磁场
• 1.3.2 直流电机的电枢磁场
和气隙磁通成正比。
上一页
返回
1.5 直流电机基本特性
• 1.5.1 直流电机的励磁方式
• 直流发电机的各种励磁方式接线如图1-14所示。直流电动机的各种励 磁方式接线如图1-15所示。
• 1.他励方式 • 他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压U与励磁
电压Uf彼此无关，电枢电流Ia与励磁电流If也无关。 • 2.并励方式 • 并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，在并励发电机中Ia
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• 如图1-7（a）所示，导体ab在N极下，电流方向由a到b，根据左手定 则可知导体ab受力方向向左；导体cd在S极下，电流方向由c到d， 因此导体cd的受力方向向右，两个电磁力所产生的电磁转矩使电枢 按逆时针方向旋转。当转子旋转180°，转到如图1-7（b）所示的位 置时，导体ab转到S极下，电流方向由b到a，导体的受力方向向右； 而导体cd在N极下，电流方向由d到c，导体的受力方向向左，故电枢 仍按逆时针方向旋转。
上一页 下一页 返回
1.1 直流电动机的原理与结构
• （3） 换向极。 • 作用：改善换向。 • 组成：如图1-3所示，有铁芯、绕组。 • 材料：铁芯用整块钢制成，如要求较高，则用1.0～1.5 mm厚的钢板
叠压而成；绕组用粗铜线绕制，流过的是电枢电流。 • 安装位置：在相邻两主极之间。 • （4） 电刷装置。 • 作用：连接；交流、直流变换。 • 组成：电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成，如图 1-4 所示。
间的距离。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.3 单叠绕组
• 单叠绕组是指每个元件的首端和末端分别接到相邻的两个换向片上， 后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，并接到同一个换向片上， 依次串联，最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起，形成 一个闭合的结构，又称单叠绕组展开图，如图1-10所示。此时， y=yK=1。
上一页 下一页 返回
1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.4 单波绕组
• 单波绕组的连接是每个元件与相距约两个极距的元件相串联，绕完一 周以后，第x个元件的末端落到与起始换向片相邻的换向片上，如图 1-11所示。由于连接后的形状似波浪，故称为单波绕组。
上一页
返回
1.3 直流电机磁场
• 1.3.1 直流电机的空载磁场
=I+If，而在并励电动机中Ia =I-If。
下一页 返回
1.5 直流电机基本特性
• 3.串励方式 • 串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串联关系。由于励磁电流等于电
• 图1-13（a）为主磁场在电机中的分布情况。其方向用右手螺旋定则 确定。。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m，它 与磁极的几何中性线n-n重合。