直流电机工作原理.ppt

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第一章第一章直流电机直流电机Chapter1DCMachines本章教学基本要求：

本章教学基本要求：

n1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；刷的作用；n2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法；解它们的计算方法；n3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；工作特性；n4.了解直流电机的换向。

了解直流电机的换向。

重点和难点重点和难点n重点：

重点：

直流电机的基本平衡方程式和直流电机的基本平衡方程式和工作特性。

工作特性。

n难点：

难点：

电枢反应。

电枢反应。

本次课程教学要求本次课程教学要求n了解直流电机基本结构n熟悉直流电机的额定值n掌握直流电机基本工作原理机电能量关系机电能量关系n直流电机直流电机（dcmachines）是将机械是将机械能转换为直流电能或将直流电能转能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。

换为机械能的一种装置。

n把机械能转换为电能的直流电机称把机械能转换为电能的直流电机称为为直流发电机直流发电机（dcgenerators）。

n把电能转换为机械能的直流电机称把电能转换为机械能的直流电机称为为直流电动机直流电动机（dcmotor）。

1.1直流电机的结构及基本工作原理直流电机的结构及基本工作原理1.1.1直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理、直流发电机的基本工作原理直流发电机的工作原理是建立在直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。

电磁感应定律基础上的。

（下面用简单直流电机模型来说明工作（下面用简单直流电机模型来说明工作原理）原理）图1-1直流发电机工作原理直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理说明说明n给励磁绕组给励磁绕组（theexcitingwinding）通入直流通入直流电，使在空中固定不动的主磁极呈现上为电，使在空中固定不动的主磁极呈现上为N极、下为极、下为S极（主磁极也可以是永久磁铁做极（主磁极也可以是永久磁铁做成）。

在成）。

在N和和S极之间有电枢，电枢铁芯上极之间有电枢，电枢铁芯上安放着由安放着由A和和X两根导体组成的电枢线圈，两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（线圈的首端（A）和末端（和末端（X）分别连在两分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相片形成的整体称为换相器。

换相器固定在片形成的整体称为换相器。

换相器固定在转轴上，且与转轴绝缘。

换相片上安放着转轴上，且与转轴绝缘。

换相片上安放着一对固定不动的电刷一对固定不动的电刷B1和和B2，电刷能与外电刷能与外电路连接。

电路连接。

气隙磁密分布气隙磁密分布图1-2a）气隙磁密分布波形图定子、转子和气隙定子、转子和气隙n定子定子（stator）在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。

称为定子。

n转子转子（rotor）随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换相器等）称为转子（或称电枢相器等）称为转子（或称电枢（armature））n气隙气隙（airgap）定、转子之间有一空隙，称为气隙。

定、转子之间有一空隙，称为气隙。

当原动机带动电枢逆时针方向旋转时当原动机带动电枢逆时针方向旋转时导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电势，大小：

体内产生感应电势，大小：

e=Bxlv（V）其中：

其中：

Bx导体所在处的磁通密度导体所在处的磁通密度（Wb/m2）,l导体的有效长度（导体的有效长度（m），），v导体的线速度（导体的线速度（m/s）。

）。

发电机工作情况发电机工作情况感应电势方向感应电势方向n感应电势方向由右手定则判定：

感应电势方向由右手定则判定：

伸开右手使大拇指与四指呈伸开右手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电动方向，则四指的指向为导体中感应电势方向。

势方向。

分析分析nt=0时，时，A端为端为，与之相接触的电刷，与之相接触的电刷B1为为+，X端为端为，与之相接触的电刷，与之相接触的电刷B2为为-；当电枢旋转了当电枢旋转了180后，即后，即t=180时，时，X端端旋转到旋转到N极下，极下，X端为端为，A端旋转到端旋转到S极下，极下，A端为端为。

图1-2a）线圈AX地感应电势波形图换向器作用换向器作用CommutatorActionn从分析中可得出：

从分析中可得出：

N极下导体电势指向纸外，电刷极下导体电势指向纸外，电刷B1总为总为+；S极下导体电势指向纸内，电极下导体电势指向纸内，电刷刷B2总为总为-，不难看出，不难看出，线圈中的电势线圈中的电势是交流电势是交流电势，而通过换向器的作用，而通过换向器的作用，使使电刷间的电势为直流电势电刷间的电势为直流电势。

换向器和电刷作用换向器和电刷作用（brush）n换向器和电刷的共同作用：

换向器和电刷的共同作用：

将线圈中的交流将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；电势整流成刷间的直流电势；把转动的电路把转动的电路与外面不转的电路连接。

与外面不转的电路连接。

n从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。

得到所需的直流电。

图1-2b）电刷B1与B2间的电动势波形图电刷电刷B1与与B2间的电动势波形间的电动势波形2、直流电动机的基本工作原理、直流电动机的基本工作原理n将直流电加到电刷上将直流电加到电刷上（B1为为+、B2为为-），），线圈线圈AX上就有电流通过（上就有电流通过（A端为端为、X端为端为），根据电磁力定律，载流导体在磁场），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为：

中要受力，大小为：

f=Bxli（N），），其中其中i为为流过导体中的电流（流过导体中的电流（A），），方向由左手定则方向由左手定则确定，伸开左手使大拇指与四指呈确定，伸开左手使大拇指与四指呈90，当，当磁力线指向手心，四指的指向为导体中电磁力线指向手心，四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指向导体受力方向。

流方向，则大拇指指向导体受力方向。

在电动机中换向器和电刷的作用在电动机中换向器和电刷的作用n换向器和电刷的共同作用是：

换向器和电刷的共同作用是：

n将刷间的直流电逆变成线圈中的将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；交流电；n把外面不转的电路与转动的电路把外面不转的电路与转动的电路连接。

连接。

直流电动机工作原理示意图直流电动机工作原理示意图nn图图1-3直流电动机工作原理图直流电动机工作原理图直流机结构直流机结构n直流电机的基本结构直流电机的基本结构1.1.2直流电机的基本结构直流电机的基本结构n直流电机由两大部分组成：

直流电机由两大部分组成：

n定子（静止部分）和转子（转定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）。

动部分或称电枢）。

1、定子、定子n定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。

定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。

n主磁极主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。

主磁极的作用是建的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。

主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。

极交替排列。

n换向极换向极也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢组也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢组成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改善电机的换向。

善电机的换向。

n电刷装置电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是连接转动和静止之间的电路。

的作用是连接转动和静止之间的电路。

n机座机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。

分。

直流电机结构直流电机结构图1-4直流电机结构图图1-5主磁极与换向极示意图图1-6电刷装置图主磁极、换向极、电刷装置示意图主磁极、换向极、电刷装置示意图2、转子（电枢、转子（电枢）n转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。

转轴等组成。

n电枢铁芯电枢铁芯一般用一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。

同时它又是电机主磁路的一部分。

电枢绕组电枢绕组n电枢绕组电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组（又称绕组元件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。

电枢绕线端分别与两个换向片相连。

电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。

是实现机电能量转换的枢纽。

换向器换向器n换向器换向器由许多相互绝缘的换向片组由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。

流电逆变成电枢绕组中的交流电。

换向片和换向器换向片和换向器n图图1-7换向片和换向器换向片和换向器3、气隙、气隙n为了使电机能够运转，定子和转子为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。

隙称为气隙，它是主磁路的一部分。

课后复习要点课后复习要点n1.直流电机基本工作原理；换向器和电刷的直流电机基本工作原理；换向器和电刷的作用。

作用。

n2.直流电机基本结构直流电机基本结构n预习直流电机绕组预习直流电机绕组（极轴线、几何中线、极极轴线、几何中线、极距、绕组元件、绕组节距等。

距、绕组元件、绕组节距等。

n3.预习电枢反应和直流电机负载时的磁场。

预习电枢反应和直流电机负载时的磁场。

n4.预习直流机的电磁转矩和感应电势。

预习直流机的电磁转矩和感应电势。

n思考题：

思考题：

P331-11.1.3直流电枢绕组和电机模型直流电枢绕组和电机模型n1、直流电枢绕组、直流电枢绕组n

（1）基本概念）基本概念n直流电机电枢绕组的基本形式是直流电机电枢绕组的基本形式是单叠单叠和和单波单波。

图1-11两匝元件示意图电枢绕组节距图绕组绕组

（2）单叠绕组）单叠绕组n单叠绕组是以相邻元件依次串联的单叠绕组是以相邻元件依次串联的连接规律连成的，每个元件的两个连接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。

上，最后形成一闭合回路。

实际电机模型图实际电机模型实际电机模型图1-12单叠绕组展开图（2p2ZuS6）单叠绕组展开单叠绕组展开图图单叠绕组等值电路单叠绕组等值电路图图1-13单叠绕组等值电路单叠绕组等值电路单叠绕组特点单叠绕组特点n支路对数支路对数a等于极对数等于极对数p，同同时还等于电刷对数时还等于电刷对数b，即，即a=p=b；n电枢电流电枢电流Ia等于各支路电流等于各支路电流ia之和，即之和，即Ia=2aia。

（3）单波绕组单波绕组n单波绕