第三章直流电机的工作原理及特性 电动机有直流电动机和交流电动机两大类 交流电动机具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠等优点。 直流电动机虽然没有交流电动机具备的这些特点,但直流电动机具有交流电动机所不 能比拟的良好的启动性能和调速性能 目前,虽然交流电动机的调速问题已经解决,但在速度调节要求较高、正反转和启停 频繁或多单元同步协调运转的生产机械上,仍采用直流电动机拖动。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种 直流电动机将电能转换成机械能。直流发电机将机械能转换成电能,主要用于直流电 源。如供给直流电动机、同步电动机的励磁以及化工、冶金、采矿、交通运输等部门的直流 3.1直流电机的基本结构和工作原理 直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图3.所示: 日31直流电机构图 1一机座2一励磁绕组3一轴承端盖4—换向器5—播环与副握 6一风扇7一主磁极8—电枢铁心9一电枢绕组 图3.1直流电机结构图
第三章 直流电机的工作原理及特性 电动机有直流电动机和交流电动机两大类。 交流电动机具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠等优点。 直流电动机虽然没有交流电动机具备的这些特点，但直流电动机具有交流电动机所不 能比拟的良好的启动性能和调速性能。 目前，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但在速度调节要求较高、正反转和启停 频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电动机将电能转换成机械能。直流发电机将机械能转换成电能，主要用于直流电 源。如供给直流电动机、同步电动机的励磁以及化工、冶金、采矿、交通运输等部门的直流 电源。 3．1 直流电机的基本结构和工作原理 一、直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图 3.1 所示： 图 3.1 直流电机结构图
从工作原理的角度来看,直流电机可分为主磁极、电枢、换向器和电刷四大部分。 定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由很多彼此绝缘的刚片组合而成,这些刚片称为换向片。每个换向片都与电枢 绕组连接。 电刷装置包括电刷与电刷座,它们固定在机座上,换向器与电刷保持滑动接触,以便 将电枢和外电路接通。 基本的工作原理 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。直流电机也是如此 为了讨论直流电机的工作原理,可把复杂的直流电机结构简化为具有一对主磁极,一个 电枢绕组线圈,线圈两端分别联在两个换向片上,换向片上压着电刷A和B的工作原理图, 如图所示 1-主磁极:励磁绕组上加上直流电压,励磁绕 组上有励磁电流通过,使定了铁心产生固定磁场 即定子的主要作用是产生主磁场。 2—电枢线圈:在固定的磁场中旋转,主要作用 是产生感应电动势或机械转矩,实现能量的转换 3、4换向器、电刷:电刷固定在定了上不动, 换向片与电枢统组一起旋转,电刷与换向片保持滑动 接触。 对发电机而言,换向器的作用是将电枢统组内感 应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。 对电动机而言,则是将外加的直流电流转换为电 枢绕组的交变电流,并保证每一磁极下,电枢导体的 电流方向不变,以产生恒定的电磁转矩 直流电机原理结构图 图3.2直流电机原理图 1.发电机原理:将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图3.3所示:
从工作原理的角度来看，直流电机可分为主磁极、电枢、换向器和电刷四大部分。 定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由很多彼此绝缘的刚片组合而成，这些刚片称为换向片。每个换向片都与电枢 绕组连接。 电刷装置包括电刷与电刷座，它们固定在机座上，换向器与电刷保持滑动接触，以便 将电枢和外电路接通。 二、基本的工作原理 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。直流电机也是如此。 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为具有一对主磁极，一个 电枢绕组线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷 A 和 B 的工作原理图， 如图所示： 图 3.2 直流电机原理图 1．发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图 3.3 所示：
N 图3.3直流发电机工作原理图 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转,在电枢线圈的两根有效边ab和cd(切割磁力线的 导体部分)中便感应出电动势e。显然,每一有效边中的电动势是交变的,即在N极下是 个方向,当它转到S极下时是另一个方向。但是,由于电刷A总是同与N极下的有效边相 联的换向片接触,而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触,因此,在电刷A B间就出现一个极性不变的电动势或电压,当电刷之间接有负载时,在电动势的作用下就在 电路中产生一定方向的电流。 2.电动机原理:将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图34所示 图3.4直流电动机工作原理图 直流电源接在电刷A、B之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的:N极下 的有效边中的电流总是一个方向,而S极下的有效边中的电流总是另一个方向,这样才能 使两个边上受到电磁力的方向一致,电枢因而转动。因此,当线圈的有效边从N(S)极下 转到S(N)极下时,其中电流的方向必须同时改变,使电磁力的方向不变,即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转
图 3.3 直流发电机工作原理图 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边 ab 和 cd（切割磁力线的 导体部分）中便感应出电动势 e。显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在 N 极下是一 个方向，当它转到 S 极下时是另一个方向。但是，由于电刷 A 总是同与 N 极下的有效边相 联的换向片接触，而电刷 B 总是同与 S 极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷 A、 B 间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在 电路中产生一定方向的电流。 2．电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图 3.4 所示： 图 3.4 直流电动机工作原理图 直流电源接在电刷 A、B 之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N 极下 的有效边中的电流总是一个方向，而 S 极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能 使两个边上受到电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从 N（S）极下 转到 S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以 n 的转速旋转
感应电动势和电磁转矩 1.感应电动势E 根据电磁学原理,两电刷A、B间的感应电动势为 E=K.④n 式中,E一感应电动势(V Φ一一对磁极的磁通(Wb) 1——电枢转速(r/min); K——电势常数,与电机结构有关。 在直流发电机中,感应电动势的方向总是与电流的方向相同,所以发电机中的感应电 动势常称为电源电动势。 在直流电动机中,电动势的方向总是与电流的方向相反。所以,直流电动机中的感应 电动势常称为反电动势。 2.电磁转矩TM 直流电机电枢绕组中的电流和磁通相互作用,产生电磁力和电磁转矩,其大小可用如 下公式表示 TM=K④ 式中:7M——电磁转矩(N·m); d—对磁极的磁通(Wb) a—电枢电流(A); Km——电磁常数,与电机结构有关,Kmx9.55K 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的 发电机的电磁转矩是阻转矩,它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。 因此,在等速转动时,原动机的转矩T必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩7o相 平衡。当发电机的负载(电枢电流)增加时,电磁转矩和所供给的机械功率亦必须相应增加, 以保持转矩之间及功率之间的平衡,而转速基本上不变。 电动机的电磁转矩是驱动转矩,它使电枢转动。因此,电动机的电磁转矩M必须与机
三、感应电动势和电磁转矩 1. 感应电动势E 根据电磁学原理，两电刷 A、B 间的感应电动势为 E = KeΦn 式中， E ——感应电动势（V）； Φ —一对磁极的磁通（Wb）； n ——电枢转速（r/min）； Ke——电势常数，与电机结构有关。 在直流发电机中，感应电动势的方向总是与电流的方向相同，所以发电机中的感应电 动势常称为电源电动势。 在直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反。所以，直流电动机中的感应 电动势常称为反电动势。 2．电磁转矩TM 直流电机电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如 下公式表示： M m a T = K ΦI 式中：TM ——电磁转矩（N·m）； Φ ——对磁极的磁通（Wb）； aI ——电枢电流（A）； K m ——电磁常数，与电机结构有关， m 55 e K ≈ 9. K 。 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。 因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM 及空载损耗转矩T0 相 平衡。当发电机的负载（电枢电流）增加时，电磁转矩和所供给的机械功率亦必须相应增加， 以保持转矩之间及功率之间的平衡，而转速基本上不变。 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM 必须与机
械负载转矩兀及空载损耗转矩T0相平衡。当轴上的机械负载发生变化时,则电动机的转速、 电动势、电流、及电磁转矩将自动进行调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。 从以上分析可知,直流电机作发电机运行和作电动机运行时,虽然都产生感应电动势E 和电磁转矩TM,但二者的作用正好相反,见表3.1。 表3.1电机在不同运行方式下,E和TM的作用 电机运行方式E与的方向E的作用 M的性质 转矩之间的关系 发电机 相同 电源电动势 阻转矩 7=TM+70 电动机 相反 反电动势 驱动转矩 TM=t +T 四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类:他励电动机、并励电动机、串 励电动机和复励电动机。它们的结构和特点如表3-2所示: 表3-2直流电动机按励磁方式不同的分类 类别 特 点 结构原理图 他励磁绕组由外加电源单独供电,励磁电 励流的大小与电枢两端电压或电枢电流的 电大小无关。 机 励磁绕组与电枢绕组并联连接,由外部 并电源一起供电,励磁电流的大小与电枢 励两端电压或电枢电流的大小有关。 电动机
械负载转矩TL 及空载损耗转矩T0 相平衡。当轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、 电动势、电流、及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生感应电动势 E 和电磁转矩TM ，但二者的作用正好相反，见表 3.1。 表 3.1 电机在不同运行方式下， E 和TM 的作用 电机运行方式 E 与 aI 的方向 E 的作用 TM 的性质 转矩之间的关系 发电机 相同 电源电动势 阻转矩 T1 = TM +T0 电动机 相反 反电动势 驱动转矩 TM = TL +T0 四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：他励电动机、并励电动机、串 励电动机和复励电动机。它们的结构和特点如表 3-2 所示： 表 3-2 直流电动机按励磁方式不同的分类 类别 特 点 结 构 原 理 图 他 励 电 动 机 励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电 流的大小与电枢两端电压或电枢电流的 大小无关。 并 励 电 动 机 励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部 电源一起供电，励磁电流的大小与电枢 两端电压或电枢电流的大小有关