第 1 章直流电机

第1章直流电机 §1.1 直流电机的基本工作原理与结构 §1.2 直流电机的电枢绕组简介 §1.3 直流电机的电枢反应 §1.4 直流电动机的电枢电动势和电磁转矩 §1.5 直流电动机的换向 §1.6 直流发电机 §1.7 直流电动机

§1.1 §1.1.1 直流电机的基本工作原理 §1.1.2 直流电机的主要结构 §1.1.3 名牌数据及主要系列

1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.1 直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）

在图1.1所示瞬间，导体a b 、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c 。这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。图1.1 直流发电机原理模型

当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。图1.2 直流发电机原理模型

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。

二、直流电动机的工作原理 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。图1.3 直流电动机的原理模型

当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。图1.4 直流电动机原理模型

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于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。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于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。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。

§1.1.2 直流电机的主要结构 直流电机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。直流电机的结构型式是多种多样的。

图1.5 小型直流电机的结构剖面图 1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极； 5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心

一、定子部分 直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。图1.6 直流电机的主磁极 1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢

二、转子部分 直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图1.7 直流电机的电枢 1—转轴；2—轴承；3—换向器； 4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

§1.1.3 名牌数据及主要系列 每台直流电机的机座外表面上都钉有一块所谓铭牌，上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据。 (1)额定功率（2）额定电压（3）额定电流（4）额定转速（5）励磁方式和额定励磁电流有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。

直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。但实际应用中，电机不总是运行在额定状态。如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运行，长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降低，不经济。超过额定电流，称为过载运行。长期过载有可能因过热而损坏电机。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

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。所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导体。对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体了，图1.8（a）就是一个多匝元件。不管一个元件有多少匝，其出线端只有两根，一根叫首端，另一根叫末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。 §1.2.1 直流电枢绕组基本知识

图1.8 电枢绕组的元件及在槽内的放置情况 a)元件；b)元件在槽内的放置；c)实槽与虚槽 1—元件边；2—首端；3—末端； 4—有效部分；5—端接部分；6—元件边

极距：相邻主磁极间的距离。 极轴线：把主磁极平分为两部分。几何中心线：把相邻两极轴线平分。绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。

（1）第一节距： 一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨槽数表示。选择的依据是尽量让元件里感应电动势为最大。（2）第二节距：联至同一个换向片的两个元件边之间的距离，或者说，是元件1的下层元件边在换向器端经过换向片联到元件2的上层元件之间的跨距。（3）合成节距：元件1和它相联的元件2对应边之间的跨距。（4）换向器节距：每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距。

§1.2.2 单迭绕组 Z为电枢槽数 P为电机的极对数一、节距计算 y= =1 二、绕组展开图图1.11

三、元件连接顺序及并联支路图 绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。图1.12单叠绕组元件联接顺序图从图1.12中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。

单叠绕组有以下特点： （1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数2a=2p。（2）电刷杆数等于极数2b=2p。当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电枢电流等于个并联支路电流之和。图1.13 单迭绕组并联支路图

§1.2.3 单波绕组简介 一、节距计算二、绕组展开图图1.14

三、并联支路图 图1.15 单波绕组并联支路图单波绕组有以下特点：（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数a=1，与磁级对数p无关。（2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，正、负电刷间感应电动势最大。（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。（4）电枢电动势等于支路感应电动势。（5）电枢电流等于两条支路电流之和。

§1.3 §1.3.1 直流电机的空载磁场 §1.3.2 直流电机负载时的磁场 §1.3.3 直流电机的电枢反应

§1.3.1 直流电机的空载磁场 直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。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

返回二、空载时气隙磁磁通密度的分布图形如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。为一平顶波图1.17直流电机空载磁场的磁密分布

三、直流电机的空载磁化特性 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）。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假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。图1.19 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布

二、电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形 为一三角波（气隙是均匀）如果气隙是均匀的，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。但在两极极靴之间的空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形（见书中图形）图1.20四个元件所产生的电枢磁通势

§1.3.3 直流电机的电枢反应 一、负载时的合成磁场定义:电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷位置有关。图1.21 磁场分布

二、电刷在几何中心线上时的电枢反应特点 （交轴电枢反应）（1）使气隙磁场发生畸变。（2）对主磁场起去磁作用。三、电刷在几何中心线上时的电枢反应特点（分为交轴电枢反应和直轴电枢反应）

§1.4 §1.4.1 直流电机的电枢电动势 §1.4.2 直流电机的电磁转矩

§1.4.1 直流电机的电枢电动势 定义：电枢绕组中的感应电动势。一、运行时感应电动势始终存在图1.22 电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势,这个感应电动势是指一条支路的电动势。

二、如何计算感应电动势的 要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。 Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。

: §1.4.2 直流电机的电磁转矩定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。式中Ct为转矩常数，仅与电机结构有关。从Ce与Ct的表达式可以看出Ct =9.55Ce。由 Tem=CtΦIa 可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。

§1.5 §1.5.1 换向概述 §1.5.2 换向的电磁理论 §1.5.3 改善换向的方法

§1.5.1 换向概述 定义：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，元件中的电流就要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。研究意义：换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。当火花超过一定程度，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，对附近无线电通讯有干扰。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一定的规定。

换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。火花等级：1级---没有火花 1.25级---一小部分地方有微弱点状火花 1.5级----大部分电刷下有微弱火花 2级---全部电刷边缘上均有火花 3级----全部电刷边缘上均有很大的火花且火星向外飞溅对正常工作的电机，火花等级不能超过1.5级。

延迟换向 直线换向 §1.5.2 换向的电磁理论概念：是指换向元件在换向过程中电流变化的情况，从而判断什么情况下会产生火花，什么情况下不产生火花。一、直线换向定义：是一种最基本的换向过程，换向元件里的换向电流随时间线性变化。特点：电刷下不产生火花。二、延迟换向定义：电抗电动势和电枢反应电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。特点：电刷与换向片之间出现火花。图1.23

§1.5.3 改善换向的方法 改善换向的目的：消除或削弱电刷下的火花。方法：从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。一、选用合适的电刷增加电刷与换向片之间的接触电阻。在选用时，要综合考虑接触电阻的大小和电能损耗、发热、摩擦等因素。更换电刷时必须尽量选择同一牌号的。二、装设换向极目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。

§1.6 • §1.6.1 直流发电机的励磁方式 • §1.6.2 直流发电机的基本方程式 • §1.6.3 他励发电机的运行特性 • §1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性

§1.6.1 直流发电机的励磁方式 励磁方式：供给励磁绕组电流的方式。分类：图1.24 直流电机的励磁方式 a)他励； b)并励； c)串励； d）复励返回

§1.6.2 直流发电机的基本方程式 一、电动势平衡方程式以并励发电机为例根据基尔霍夫电压定律得：图1.25 并励发电机电枢回路与励磁回路电路

二、转矩平衡方程式 转矩平衡方程式为：图1.26 电机的转矩平衡关系图

四、功率平衡方程式 三、励磁特性公式 1、P1 = T1Ω = (Tem+T0)Ω = Pem+ P0 = Pem + pFe+ pmec 图1.27 功率平衡关系图

第 1 章 直流电机