电机与拖动 中,电流由a指向b,在导体cd中,电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场 中,受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用,且形成的转 矩方向一致,这个转矩称为电磁转矩,为逆时针方向。这样,电枢就顺着逆时针方向旋转 如图1(a)所示。当电枢旋转180°,导体c转到N极下,ab转到S极下,如图1.1(b所 示,由于电流仍从电刷A流入,使cd中的电流变为由d流向c,而ab中的电流由b流向a 从电刷B流出,用左手定则判别可知,电磁转矩的方向仍是逆时针方同。 图1.1直流电动机工作原理示意图 由此可见,加于直流电动机的直流电源,借助于换向器和电刷的作用,使直流电动机 电枢线圈中流过的电流,方向是交变的,从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变,确 保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理 实际的直流电动机,电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈,相应地换向器由许多换向片组 成,使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀,电动机的转速也就比较均匀 112直流发电机工作原理 直流发电机的模型与直流电动机模型相同,不同的是用原动机(如汽轮机等)拖动电枢 朝某一方向(例如逆时针方向)旋转,如图12(a)所示。这时导体ab和cd分别切割N极和S 极下的磁力线,感应产生电动势,电动势的方向用右手定则确定。可知导体ab中电动势的 方向由b指向a,导体cd中电动势的方向由d指向c,在一个串联回路中相互叠加的,形 成电刷A为电源正极,电刷B为电源负极。电枢转过180°后,导体cd与导体ab交换位 置,但电刷的正负极性不变,如图1.2(b)所示。可见,同直流电动机一样,直流发电机电 枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的,而通过换向器和电刷的整流作用,在电刷A、B 上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之间接上负载,发电机就能向负 载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。 从以上分析可以看出:一台直流电机原则上可以作为电动机运行,也可以作为发电机 运行,取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷,输入电能,电机能将电能转换为机 械能,拖动生产机械旋转,作电动机运行;如用原动机拖动直流电机的电枢旋转,输入机 械能,电机能将机械能转换为直流电能,从电刷上引出直流电动势,作发电机运行。同- 台电机,既能作电动机运行,又能作发电机运行的原理,称为电机的可逆原理
·10· 电机与拖动 ·10· 中，电流由 a 指向 b，在导体 cd 中，电流由 c 指向 d。导体 ab 和 cd 分别处于 N、S 极磁场 中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体 ab 和 cd 均受到电磁力的作用，且形成的转 矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转， 如图 1.1(a)所示。当电枢旋转 180°，导体 cd 转到 N 极下，ab 转到 S 极下，如图 1.1(b)所 示，由于电流仍从电刷 A 流入，使 cd 中的电流变为由 d 流向 c，而 ab 中的电流由 b 流向 a， 从电刷 B 流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。 图 1.1 直流电动机工作原理示意图 由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机 电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确 保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。 实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组 成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。 1.1.2 直流发电机工作原理 直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机(如汽轮机等)拖动电枢 朝某一方向(例如逆时针方向)旋转，如图 1.2(a)所示。这时导体 ab 和 cd 分别切割 N 极和 S 极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向用右手定则确定。可知导体 ab 中电动势的 方向由 b 指向 a，导体 cd 中电动势的方向由 d 指向 c，在一个串联回路中相互叠加的，形 成电刷 A 为电源正极，电刷 B 为电源负极。电枢转过 180°后，导体 cd 与导体 ab 交换位 置，但电刷的正负极性不变，如图 1.2(b)所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电 枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷 A、B 上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷 A、B 之间接上负载，发电机就能向负 载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。 从以上分析可以看出：一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可以作为发电机 运行，取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机 械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机 械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一 台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理
第1章直流电机的原理与结构 图12直流发电机工作原理示意图 1.2直流电机的结构和额定值 1.2.1直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到,直流电机的结构应由定子和转子两 大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由 机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其 主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称 为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图1.3所 示。直流电机的纵向剖视图如图14所示 图13直流电机装配结构图 图14直流电机纵向剖视图 l—换向器2电刷装置3—机座4主磁极5—换向极1—换向器2—电刷装置3机座4主磁极5换向极 枢绕组9电枢铁 -风扇8—电枢绕组9电枢铁心 1.定子 1)主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心
第 1 章 直流电机的原理与结构 ·11· ·11· 图 1.2 直流发电机工作原理示意图 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.1 直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两 大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由 机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其 主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称 为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图 1.3 所 示。直流电机的纵向剖视图如图 1.4 所示。 图 1.3 直流电机装配结构图 图 1.4 直流电机纵向剖视图 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 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 1. 定子 1) 主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一
电机与拖动 般用0.5mm~1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成,分为极身和极靴两部分,上面套励磁 绕组的部分称为极身,下面扩宽的部分称为极靴,极靴宽于极身,既可以调整气隙中磁场 的分布,又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成,套在主磁极铁心上。整个 主磁极用螺钉固定在机座上,如图1.5所示。 2)换向极 换向极的作用是改善换向,减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花, 般装在两个相邻主磁极之间,由换向极铁心和换向极绕组组成,如16所示。换向极绕 组用绝缘导线绕制而成,套在换向极铁心上,换向极的数目与主磁极相等。 3)机座 电机定子的外壳称为机座,见图14中的3。机座的作用有两个:一是用来固定主磁极 换向极和端盖,并起整个电机的支撑和固定作用;二是机座本身也是磁路的一部分,借以 构成磁极之间磁的通路,磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良 好的导磁性能,一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 4)电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的,如图1.7所示。电刷装置由电刷、 刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内,用弹簧压紧,使电刷与换向器之间有良好 的滑动接触,刷握固定在刷杆上,刷杆装在圆环形的刷杆座上,相互之间必须绝缘。刷杆 座装在端盖或轴承内盖上,圆周位置可以调整,调好以后加以固定。 15主磁极的结构 图16换向极 图17电刷装置 1一主磁极2一励磁绕组3—机座 1—换向极铁心2一换向极绕组1一刷握2一电刷3一压紧弹簧4—刷辫 2.转子(电枢) 1)电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分,同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由05mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图18(a所示),以降低电机运行时电枢 铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开 有电枢槽,槽内嵌放电枢绕组。 2)电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量变换的关键部件 所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成,线圈采用高强度漆包线
·12· 电机与拖动 ·12· 般用 0.5mm～1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁 绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场 的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个 主磁极用螺钉固定在机座上，如图 1.5 所示。 2) 换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花， 一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如 1.6 所示。换向极绕 组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 3) 机座 电机定子的外壳称为机座，见图 1.4 中的 3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、 换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以 构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良 好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 4) 电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图 1.7 所示。电刷装置由电刷、 刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好 的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆 座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 图 1.5 主磁极的结构 图 1.6 换向极 图 1.7 电刷装置 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座 1—换向极铁心 2—换向极绕组 1—刷握 2—电刷 3—压紧弹簧 4—刷辫 2. 转子(电枢) 1) 电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由 0.5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图 1.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢 铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开 有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 2) 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件， 所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线
第1章直流电机的原理与结构 或玻璃丝包扁铜线绕成,不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中,线圈与铁心之间 以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外,槽口用槽 楔固定,如图1.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 电枢铁心换向器 电枢绕组 框绕组锌钢丝 图18转子结构图 图19电枢槽的结构 1—槽楔2一线圈绝缘3—一电枢导体 层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘 3)换向器 在直流电动机中,换向器配以电刷,能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流, 使电磁转矩的方向恒定不变;在直流发电机中,换向器配以电刷,能将电枢线圈中感应产 生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆 柱体,换向片之间用云母片绝缘,换向片的紧固通常如图1.10所示,换向片的下部做成鸽 尾形,两端用钢制ⅴ形套筒和ⅴ形云母环固定,再用螺母锁紧。 4)转轴 转轴起转子旋转的支撑作用,需有一定的机械强度和刚度,一般用圆钢加工而成。 12.2直流电机的电枢绕组 按照连接规律的不同,电枢绕组分为单叠绕组(见图1.11)、单波绕组(见图112)、复叠 绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型。本节先介绍元件的基本特点,再以单叠绕组和单波 绕组为例阐述电枢绕组的构成原理和连接规律。 图110换向器结构 图1.11单叠绕组元件 图1.12单波绕组元件 一换向片2一连接部分 一首端2—末端3一元件边 1一首端2一末端3—元件边 4—端接部分5一換向片 4一端接部分5—换向片
第 1 章 直流电机的原理与结构 ·13· ·13· 或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间 以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽 楔固定，如图 1.9 所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 图 1.8 转子结构图 图 1.9 电枢槽的结构 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—电枢导体 4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘 3) 换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流， 使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产 生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆 柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固通常如图 1.10 所示，换向片的下部做成鸽 尾形，两端用钢制 V 形套筒和 V 形云母环固定，再用螺母锁紧。 4) 转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。 1.2.2 直流电机的电枢绕组 按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组(见图 1.11)、单波绕组(见图 1.12)、复叠 绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型。本节先介绍元件的基本特点，再以单叠绕组和单波 绕组为例阐述电枢绕组的构成原理和连接规律。 图 1.10 换向器结构 图 1.11 单叠绕组元件 图 1.12 单波绕组元件 1—换向片 2—连接部分 1—首端 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片 1—首端 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片
电机与拖动 1.元件与节距 1)电枢绕组元件 电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成,每个元件有两个嵌放在电枢槽内、能与磁场 作用产生转矩或电动势的有效边,称为元件边。元件的槽外部分亦即元件边以外的部分称 为端接部分。为便于嵌线,每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层,称为上层边,画 图时以实线表示;另一个元件边则嵌放在另一槽的下层,称为下层边,画图时以虚线表示 每个元件有两个出线端,称为首端和末端,均与换向片相连。如图1.11、图1.12所示。每 个元件有两个元件边,每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边 所以元件数S总等于换向片数K,即S=K;而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边,所 以元件数S又等于槽数Z,即S=K=Z。 2)节距 节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电机电枢绕组的 节距有第一节距y、第二节距y、合成节距y和换向器节距y4种,如图1.13所示 ■ (a)单叠绕组 (b)单波绕组 图1.13电枢绕组节距 (1)第一节距。同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离,用槽数来表示,称 为第一节距y。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距r,当用槽数表示时,极距的 表达式为 Z 2 -磁极对数 为使每个元件的感应电动势最大,第一节距y应等于一个极距r,但往往不一定是 整数,而η只能是整数,因此,一般取第一节距 3平E=整数 式中E—小于1分数。 η=τ的元件称为整距元件,由整距元件构成的绕组就称为整距绕组;y<r的元件称 为短距元件,相对应的绕组就称为短距绕组;y>r的元件,称为长距元件,相对应的绕组 称为长距绕组。由于长距绕组的电磁效果与短距绕组相似,但端接部分较长,耗铜较多
·14· 电机与拖动 ·14· 1. 元件与节距 1) 电枢绕组元件 电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽内、能与磁场 作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。元件的槽外部分亦即元件边以外的部分称 为端接部分。为便于嵌线，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层，称为上层边，画 图时以实线表示；另一个元件边则嵌放在另一槽的下层，称为下层边，画图时以虚线表示。 每个元件有两个出线端，称为首端和末端，均与换向片相连。如图 1.11、图 1.12 所示。每 一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边， 所以元件数 S 总等于换向片数 K，即 S=K；而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所 以元件数 S 又等于槽数 Z，即 S=K=Z。 2) 节距 节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电机电枢绕组的 节距有第一节距 y1、第二节距 y2、合成节距 y 和换向器节距 yk 4 种，如图 1.13 所示。 (a) 单叠绕组 (b) 单波绕组 图 1.13 电枢绕组节距 (1) 第一节距。同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离，用槽数来表示，称 为第一节距 y1。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距τ ，当用槽数表示时，极距的 表达式为 2 Z p τ = (1.1) 式中 p——磁极对数。 为使每个元件的感应电动势最大，第一节距 y1 应等于一个极距τ ，但τ 往往不一定是 整数，而 y1 只能是整数，因此，一般取第一节距 1 2 Z y p = = ∓ ε 整数 (1.2) 式中 ε ——小于 1 分数。 y1＝τ 的元件称为整距元件，由整距元件构成的绕组就称为整距绕组；y1<τ 的元件称 为短距元件，相对应的绕组就称为短距绕组；y1>τ 的元件，称为长距元件，相对应的绕组 称为长距绕组。由于长距绕组的电磁效果与短距绕组相似，但端接部分较长，耗铜较多