第 3 章 直流电机原理

• 直流电机的用途及基本工作原理• 直流电机的主要结构与型号• 直流电机的磁路• 直流电机的电枢绕组• 电枢电动势与电磁转矩• 直流电动机运行原理• 他励直流电动机的机械特性• 直流电机的换向

本章基本要求

•了解直流电机的基本结构、工作原理•熟悉直流电机的励磁方式•理解直流电机电枢绕组的构成及特点•掌握电枢电动势和电磁转矩的计算•理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性

•了解直流电机的换向

3.1 直流电机的用途及基本工作原理

电源

励磁机

测速

伺服

3.1.1 直流电机的用途

直流电机的特点：

• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。

• 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。

• 易于控制，可靠性较高• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高

a

b

c

d

N

S

3.1.2 基本工作原理

e

e

i

i

f

f

1 、直流发电机的工作原理

电刷

换向片

e

e

d

c

b

a

N

S

i

i

f

f

直流发电机运行时的几点结论：

1 ）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；

2 ）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；

3 ）从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；

4 ）产生的电磁转矩 T 与转子转向相反， 是制动性质。

a

b

c

d

N

S

U

2 、直流电动机的工作原理

I

I

f

f

a

b

c

d

N

S

U

I

I

f

f

e

e

直流电动机运行时的几点结论：

1 ）外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流；

2 ）线圈中感应电势与电流方向相反；

3 ）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；

4 ）产生的电磁转矩 T 与转子转向相同，是驱动性质。

结 论

• 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。

• 在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机；

• 如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。

• 同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为可逆原理。

3.2 直流电机的主要结构与型号

主磁极换向磁极电刷装置机座端盖

定子

转子

电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承

直流电机

3.2.1 主要结构

1 、定子部分

（ 1 ）主磁极

1— 主磁极铁心

2— 励磁绕组

3— 机座

主磁极铁心用 1 ～ 1.5mm 厚的钢板冲片叠压而成。

（ 2 ）换向极

1— 换向极铁心

2— 换向极绕组

换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。

换向极绕组与电枢绕组串联。

作用：改善换向。

（ 3 ）机座

作用： 一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支

承的作用； 二是作为电机磁路的一部分。

机座通常由铸钢或厚钢板焊成。

（ 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。1— 刷

握2— 电刷

3— 压紧弹簧 4— 铜丝辫

2 、转子部分

（ 1 ）电枢铁心

作用： 一是作为电机主磁路的主要部分； 二是嵌放电枢绕组。

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，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。

线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。

（ 3 ）换向器

作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。

换向器由许多换向片组成。换向片之间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在两个换向片上。

直流电机的基本结构总结

主要由定子、转子两部分组成

直流电机

定子 转子

机座

换向极

主磁极

电刷装置

电枢铁心

轴承换向器 风扇 转轴

电枢绕组

3.2.2 电机的铭牌数据

直流电机的额定数据

额定容量 PN ： 输出功率，单位 kW

额定电压 UN ：额定状态下出线端电压，单位V额定电流 IN ：额定状态下出线端电流，单位A额定转速 nN ： 额定状态下的电机转速，单位 r/min

直流发电机： PN＝ UN· IN

直流电动机： PN＝ UN· IN ·

★额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。

N

N

N

N

N

NN n

Pn

PPT 55.9

6022

电动机轴上输出的额定转矩：

3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性

3.3.1 直流电机的磁路

直流电机空载时的磁场分布

磁路从气隙 1 出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿 2－气隙 2－主磁极 2－定子轭－主磁极 1 ，最后又回到气隙1

3.3.2 空载时气隙磁通密度的分布波形

主磁场磁密的分布

在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，Bδ 大小完全与气隙长度成反比。

引进极弧系数 bp’ 和气隙卡氏系数

在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于 0 。

3.3.3 空载磁化特性

为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁通势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。

00 0fF

0fI

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中 A 点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。

N

fNI 0fF0fI

fFfI

A

0

N

0

3.3.4 直流电机的励磁方式

他励 串励 并励

复励 永磁材料励磁

I＝ Ia I＝ Ia＝If

I=Ia+If

I=Ia

Ifc=Ia,I=Ia+Ifb;I=Ifc=Ia+Ifb

3.4 直流电机的电枢绕组

对电枢绕组的要求：

在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电气、热）， 运转可靠，结构简单等。

电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一 , 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。

电枢绕组的基本知识：

元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。

元件的首末端：每一个元件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。 元件边极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 τ表示。

首端 末端p

D

2

端部

电枢绕组的基本知识：

第二节距 y2 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。

第一节距 y1 ：一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离。

y1

y2

y

yc

合成节距 y ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。换向节距 yc ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。

绕组实物图

电枢绕组的形式

环形绕组 鼓形绕组

叠绕组 波绕组

3.4.1 单叠绕组

单叠绕组的连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。

特点： 槽数 Ze 、元件数 S 和换向片数 K三者相同

单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。

y=yk=1

单叠绕组分析实例：

1. 数据计算

y＝ yk＝ 1

计算数据 y 和 y1

画绕组展开图

安放电刷和磁极

实例： p＝ 2 ， Ze＝ S＝ K＝ 16

422

16

21

p

Zy e

1

2. 单叠绕组展开图

1. 槽展开

2. 绕组放置 3.安放磁极电刷

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 141615

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1615

槽展开 绕组放置 安放磁极、电刷

N SNS

τ τ τ τ

+ －

+ +－ －

3. 绕组放置• 元件 1 ：

上元件边在 1 槽， 下元件边放在相距 y1=4即 5 槽下层。

• 元件 2 ：

上元件边在 2 槽， 下元件边放在相距 y1=4即 6 槽下层。

以此类推

某一瞬间电刷、磁极放置

磁极：磁极宽度约 0.7τ, 均匀分布， N 、 S 极交替安排。 电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大

直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。

电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。 在磁极的几何中心线上电势为零。

电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。

元件连接顺序表

绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。

绕组电路图：

5

6

13

14

9

10

2

1

1

2 3 4

5678

910 11 12

13141516

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。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。 这是单叠绕组的重要特点之一。

单叠绕组的特点：

• 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。• 并联支路数等于磁极数， 2a=2p;

• 整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零， 绕组内部无换流；

• 每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数 ;

• 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压 ;

• 由正负电刷引出的电枢电流 Ia 为各支路电流之和，即

aa aiI 2

3.4.2 单波绕组

•为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距 2,2 yy

单波绕组：换向极距 yc必须符合 即 1KyP k

p

Kyk

1

•为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。

单波绕组的连接规律是：把相隔大约两个极距，即在磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。

单波绕组分析实例 :

实例： p＝ 2 ， Ze=S＝ K＝ 15 左单波绕组

计算数据 y 和 y1

画绕组展开图

安放电刷和磁极

1. 绕组数据计算

44

1

4

15

21 p

Zy e

72

1151

p

Kyy c

34712 yyy

元件、磁极、电刷放置原则

元件、换向片的放置：

1 ＃元件上层边 1 ＃槽，下层边 4 ＃槽 ; 首末端所连的换向片相距 yk＝ 7；

为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线与 1 ＃元件的轴线重合。 1 ＃元件上层边所连的换向片定为 1 ＃。 依次联接。

磁极放置： N 、 S 极磁极均匀交替的排列。

电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。

单波绕组展开图

3

3 4 5 6 7 8 9 1110 12 13 14 15 21

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2S NN S

τ τ τ τ

槽展开 绕组放置 安放磁极、电刷

单波绕组元件连接顺序表

从绕组展开图可以看出， 全部 15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：

1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1

用联接顺序图表示为：

1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1

4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12

上层边

下层边

单波绕组电路图

单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。 由于磁极只有 N 、 S之分， 所以单波绕组的支路对数 a 与极对数多少无关，永远为 1 ，即 a≡1 。

12 3 4

5

67

8

9 10 1112

131415151

89

54

12

单波绕组的特点：

•同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数 a＝ 1 ，与磁极对数 p无关。

•当元件的几何尺寸对称时， 电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大。

•电刷组数应等于极数（采用全额电刷） ;

•电枢电流 Ia＝ 2ia 。

直流电机绕组的归纳

• 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路 .

• 电枢绕组的支路数（ 2a ）永远是成对出现，这是由于磁极数 (2p)是一个偶数 . 注： a－支路对数

p－极对数

• 为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。

单叠绕组和单波绕组的区别

单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件， 形成一条支路。 每增加一对主极就增加一对支路。 2a＝ 2p 。

叠绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。

单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a＝ 2 。

波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数多， 适用于较高电压、较小电流的电机。