直流電機的結(jié)構(gòu)與工作原理

直流電機篇1第二十章

直流電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)2第一節(jié)直流電機的基本工作原理第二節(jié)直流電機的基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)直流電機的型號與額定值*第四節(jié)直流電機的電樞繞組本章主要內(nèi)容3作發(fā)電機可獲得直流電源，作電動機，具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作發(fā)電機使用，也可作電動機使用。概述4

直流電機的用途作電源用:直流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能。

5

直流電機的用途作動力用:直流電動機將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能。

6

直流電機的用途測速伺服信號傳遞:直流測速發(fā)電機將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號。

信號傳遞-直流伺服電動機將控制電信號轉(zhuǎn)換為機械信號。

7

直流電機的用途做勵磁機用

一般小于10萬kW即100MW的單機同步發(fā)電機要用直流發(fā)電機作為其勵磁機。

8直流發(fā)電機的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小。直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。

直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。由于存在換向器，其制造復(fù)雜，價格較高。

直流電機的特點

9直流電機的物理模型10

一般直流電機磁極固定，電樞旋轉(zhuǎn)。固定部分（定子）上，裝設(shè)靜止的主磁極，旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有氣隙。電樞鐵心上放置電樞繞組，線圈的首端和末端分別連到換向片。直流電機的物理模型11換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。換向片上放置固定不動的電刷。電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。電機內(nèi)部的固定部分要有磁場。直流電機的物理模型12直流電機的基本原理直流發(fā)電機工作原理N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。

直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機械。直流發(fā)電機的物理模型13導體ab在N極下，a點高電位，b點低電位。直流發(fā)電機的工作原理直流發(fā)電機的物理模型導體cd在S極下，c點高電位，d點低電位。電刷A極性為正，電刷B極性為負。負載上電流方向是由A流向B。注：電源內(nèi)部電勢由低電位指向高電位14導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位。原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)180度：導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位。電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。直流發(fā)電機的物理模型直流發(fā)電機的工作原理15結(jié)論：和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。但此電動勢在零和最大值之間脈動，波動太大，不能做直流電源。(動畫)直流發(fā)電機的工作原理16電刷間的電動勢波形直流電機電勢波形圖17直流發(fā)電機的工作原理18兩線圈串聯(lián)后的合成電勢與原有線圈相距90

電角度再設(shè)置一個線圈，其兩端各接有換向片，并與原有換向片A、B相距90

電角度，換向器包含4片換向片，相鄰換向片間各相距90

電角度。當電樞旋轉(zhuǎn)時，兩個線圈的感應(yīng)電勢在時間相位上相距90

電角度。直流發(fā)電機的工作原理19圖20-4兩線圈串聯(lián)的合成電勢結(jié)論：兩線圈串聯(lián)的合成電勢脈動幅值減小。

直流發(fā)電機的工作原理20電樞導體數(shù)增加，可減小感應(yīng)電動勢脈動幅值。圖20-5電樞繞組的導體數(shù)增加圖直流發(fā)電機的工作原理21增加導體減小感應(yīng)電勢脈動。當每極下導體數(shù)大于8時，脈動可小于1%。直流發(fā)電機實質(zhì)是帶換向器的交流發(fā)電機。圖20-6導體數(shù)增加后感應(yīng)電動勢脈動很小直流發(fā)電機的工作原理22把電樞元件數(shù)和相應(yīng)的換向片數(shù)增多，就可減少電動勢的脈動程度。實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對。合成電勢脈動很小，可以認為是平直的。

直流發(fā)電機的工作原理23把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻尼轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。直流電動機的工作原理直流電動機的物理模型24原N極性下導體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。直流電動機的物理模型直流電動機的工作原理25直流電動機運行時的幾點結(jié)論外施電壓、電流是直流，電樞線圈內(nèi)電流是交流；線圈中感應(yīng)電勢與電流方向相反；線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的，電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的；產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動性質(zhì)。26直流電機的可逆原理一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是外界條件不同而已。如果用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就可從電刷端引出直流電動勢而作為直流電源對負載供電；如果在電刷端外加直流電壓，則電機就可帶動軸上的機械負載旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)變成機械能。這種同一臺電機能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。27第二節(jié)直流電機的基本結(jié)構(gòu)

定子：主磁極，換向極，機座，端蓋，軸承，電刷

轉(zhuǎn)子：電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸，風扇

氣隙28直流電機的基本結(jié)構(gòu)

1.定子部分主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等。圖20-8直流電機的結(jié)構(gòu)裝配圖

29勵磁繞組和串換向極后的電樞繞組出線定子機座換向極鐵心換向極繞組主磁極鐵心主磁極繞組（勵磁繞組）換向極繞組與勵磁的串聯(lián)接線圖20-9直流電機定子30（1）主磁極作用：建立主磁場。由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。圖20-10主磁極結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)

31主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端擴大的部分稱為極靴，作用是減小氣隙磁阻，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上有勵磁繞組。主磁極個數(shù)一定是偶數(shù)，勵磁繞組的連接必須使相鄰主磁極的極性按N、S

交替出現(xiàn)。直流電機的基本結(jié)構(gòu)

32（2）機座功能：主磁極的一部分，電機的結(jié)構(gòu)框架。（3）端蓋端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時端蓋對電機內(nèi)部還起防護作用。直流電機的基本結(jié)構(gòu)

33（4）換向極

圖18-11換向極結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)

34（5）電刷裝置電樞電路的引出（或引入）裝置，由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成。直流電機的基本結(jié)構(gòu)

35刷辮電刷刷握匯流條圖20-12四極直流電機的電刷布置36轉(zhuǎn)子部分軸端蓋電樞鐵心電樞繞組和槽碶電樞繞組端部換向器軸承直流電機的基本結(jié)構(gòu)

37又稱電樞。組成：鐵心、繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風扇等。（1）鐵心電樞鐵心既是主磁路部分，又是電樞繞組支撐部分；繞組嵌放在鐵心的槽內(nèi)。為減少鐵心的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。直流電機的基本結(jié)構(gòu)

38電樞鐵心電樞繞組電樞鐵心沖片(0.35-0.5mm厚)（硅鋼片）涂絕緣漆沖片疊壓而成均勻開槽圖20-14直流電樞的鐵心模型39（2）電樞繞組電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，是直流電機的電路部分，也是感生電動勢產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。直流電機的基本結(jié)構(gòu)

（3）換向器整流或逆變作用，是電機的關(guān)鍵部件之一。40圖20-16換向器41

直流電機產(chǎn)生磁場的勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。直流電機的勵磁方式直流電機按勵磁方式可分：他勵自勵42復(fù)勵式：裝有兩個勵磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。他勵式勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。自勵式發(fā)電機利用自身發(fā)出的電流勵磁，電動機的勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。串勵式：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。并勵式：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。直流電機的勵磁方式43發(fā)電機他勵直流電機的勵磁方式44

電動機他勵直流電機的勵磁方式45+-并勵式直流電機的勵磁方式46+-串勵式直流電機的勵磁方式47+-復(fù)勵式直流電機的勵磁方式48直流電機的勵磁方式49直流電機的額定值（1）額定功率PN

指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，單位是W、kW

或MW

。對直流發(fā)電機，PN指輸出的電功率，PN＝UNIN

。

對直流電動機，PN指輸出的機械功率，PN＝UNINηN。（2）額定