第2章直流电动机的原理及特性

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1、北京科技大学自动化学院控制科学与工程系12.1 直流电动机的基本结构和工作原理直流电动机的基本结构和工作原理第2章 直流电动机的原理及特性（1）定子部分（静止）定子部分（静止） （2）转子（电枢）部分（旋转）转子（电枢）部分（旋转）（3）气隙）气隙2.1.1基本结构基本结构北京科技大学自动化学院控制科学与工程系2图图2.1 直流电机纵剖面图直流电机纵剖面图北京科技大学自动化学院控制科学与工程系3 1. 定子部分定子部分(stator)（1）机座机座机座机座主磁极主磁极换向极换向极电刷装置电刷装置组成组成导磁导磁: :机械支撑：机械支撑：作用作用机座中有磁通通过的部分，称为定子磁轭由导磁性能较好

2、的材料（铸钢或厚钢板）焊接而成。固定主磁极、换向极以及端盖北京科技大学自动化学院控制科学与工程系4图图2.2 直流电动机的空载磁场分布图直流电动机的空载磁场分布图 返回北京科技大学自动化学院控制科学与工程系5 在定、转子之间的气隙里产生一定形状分布的气隙磁通在定、转子之间的气隙里产生一定形状分布的气隙磁通密度（简称气隙磁密）。密度（简称气隙磁密）。主磁极主磁极铁心铁心励磁绕组励磁绕组极身极身极靴极靴 组成组成（2）主磁极）主磁极 作用作用北京科技大学自动化学院控制科学与工程系6 为了让气隙磁密度在沿气隙圆周方向的空间分布更加合理，主磁极铁心做成如图2.3所示的形状。其中套励磁线圈的部分叫极身，

3、沿气隙表面的部分叫极靴，极靴也能起到支撑励磁线圈的作用。 图图2.3 主磁极装配图主磁极装配图励磁线圈北京科技大学自动化学院控制科学与工程系7 由于极靴下的气由于极靴下的气隙远远小于极靴之外隙远远小于极靴之外的气隙，所以极靴下的气隙，所以极靴下沿电枢圆周各点的磁沿电枢圆周各点的磁场将明显大于极靴范场将明显大于极靴范围以外的磁场强度，围以外的磁场强度，在两极之间的在两极之间的几何中几何中心线心线处，磁场将等于处，磁场将等于零。零。图图2.4 直流电动机的空载磁场曲线直流电动机的空载磁场曲线北京科技大学自动化学院控制科学与工程系8 当励磁绕组通入直流电流时，各主磁极都产生一定的极性。直流电机中要求

4、相邻主磁极的极性必须N、S交替出现。注意注意: 为此，在把各主磁极上的励磁线圈相连接时，应该注意它为此，在把各主磁极上的励磁线圈相连接时，应该注意它们的极性问题。们的极性问题。（3）换向极）换向极换向极又称附加极或间极。 作用作用改善直流电动机的换向。 组成组成换向极换向极铁心铁心绕组绕组北京科技大学自动化学院控制科学与工程系9换向极一般安装在两个主磁极之间的几何中线上。 安装安装（4）电刷装置）电刷装置 作用作用 把转子部分的电流引出到静止的电路中（发电机），或者把静止电路中的电流引入到电动机的转子电路中（电动机）。 组成组成 电刷装置电刷装置电刷电刷电刷座电刷座换向片换向片电刷装置电刷装置

5、北京科技大学自动化学院控制科学与工程系10转子又称为电枢(armature)。转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器风扇风扇转轴转轴轴承轴承电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分。2. 转子部分转子部分(rotor)（1）电枢铁心）电枢铁心北京科技大学自动化学院控制科学与工程系11 将冷轧硅钢片冲成有齿、槽的冲片，然后把这些冲片叠装起来就构成电枢铁心，其片间有很薄的绝缘层。冲片外形如图2.5所示。 构成构成图图2.5 电枢铁心冲片电枢铁心冲片齿槽轴向通风孔北京科技大学自动化学院控制科学与工程系12小型电动机的电枢铁心直接压装在轴上；大型电动机的电枢铁心先压装在转子支架上，然后再将支架

6、固定在轴上。电枢铁心上开槽是为了安放电枢绕组用；为改善通风，电枢铁心可沿轴分成几段，以形成径向通风道。说明说明电枢铁心的安装电枢铁心的安装（2）电枢绕组）电枢绕组 构成构成用包有绝缘层的导体构成电枢线圈；将线圈按一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下层中；每个线圈的两个出线端都按一定的规律与换向器中的换向片相连。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系13连接方式连接方式单叠绕组：具体可参见单叠绕组：具体可参见教材第教材第23页页2.2.1单波绕组：具体可参见教材第单波绕组：具体可参见教材第24页页2.2.2北京科技大学自动化学院控制科学与工程系14（3）换向器）换向器 作用作用发电机：和电刷配合，

7、将电枢绕组中的交流电动势转换成电刷上的直流电动势，即整流作用；电动机：和电刷配合，将流过电刷的直流电流变为电枢绕组内的交流电流，即逆变作用。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系15 组成组成 由许多鸽尾形的换向片组成；各片间用云母绝缘。图图2.6 典型的换向器结构图典型的换向器结构图北京科技大学自动化学院控制科学与工程系16图图2.7 直流电机定、转子剖面示意图直流电机定、转子剖面示意图1-电枢绕组电枢绕组2-电枢铁心电枢铁心3-机座机座4-主磁极铁心主磁极铁心5-励磁绕组励磁绕组6-换向极绕组换向极绕组7-换向极铁心换向极铁心8-极靴极靴9-底脚底脚？小小练练习习北京科技大学自动化学院控制

8、科学与工程系172.1.2 励磁方式励磁方式1. 定义定义直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。2. 分类分类他励自励并励串励复励励磁电流由其他直流电源单独供给励磁电流由电机自身供给励磁方式北京科技大学自动化学院控制科学与工程系18（1）他励）他励接线图接线图 励磁绕组与电枢绕组不相连接，励磁电流由其他直流电源单独供给。IfIaM(a)他励式UUf特点特点（2）并励）并励接线图接线图 励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上的电压等于电枢绕组两端的电压。特点特点IfIaM(b)并励式IU北京科技大学自动化学院控制科学与工程系19（3）串励）串励接线图接线图特点特点IaIfM(c)串励式IU 励磁

9、绕组与电枢绕组串联，流过励磁绕组的电流等于电枢绕组的电流。（4）复励）复励接线图接线图特点特点If1IaM(d)复励式If2IU 一部分励磁绕组和电枢绕组并联；另一部分则和电枢绕组串联。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系202.1.3 额定数据额定数据 为方便用户正确使用电机，电机制造商在每台电机的机座上都安装了一块金属牌，上面标有电机的工作条件和额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示：“Z2-72”型号：Z表示直流电动机2表示第二次改进设计型7表示机座号2表示长铁芯，1则表示短铁芯北京科技大学自动化学院控制科学与工程系21（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态下轴上输出

10、的机械功率，用W或kW表示；（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态下电机两端的电压，用V表示；（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时流过电机的电流，用A表示； 额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN = UNINN式中，N为直流电动机的额定效率。直流电动机的铭牌数据主要有：直流电动机的铭牌数据主要有：北京科技大学自动化学院控制科学与工程系22（4）额定转速nN：指电动机在额定运行状态下转子的转速，用r/min表示；（5）额定励磁电流IfN：指电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，励磁绕组中流过的电流。 除此之外，电机的额定参数还应该包括绝缘等

11、级、防护等级、冷却方式、温升、重量等。 在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行称为额定运行。电机处于额定运行状态时，具有良好的性能，工作可靠；电机电流小于额定电流时的运行称为欠载运行，电机长期欠载运行时，效率不高，造成浪费；电机电流大于额定电流时的运行称为过载运行，长期过载运行时，会使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系23 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械 直流发电机的物理模型如右图所示。 图中： N、S为主磁极，不动 abcd为线圈，旋转 1，2为换向片，旋转 A，B为电刷，不动2.1.4 工作原理工作原理1. 直流发电机的工作原理直流发电