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  电 机 及 拖 动 基 础 第 3 讲 直流电动机 _ 结构 & 绕组 （ 3 学时） 2013.04.02 电机及拖动基础 电 机 及 拖 动 基 础 本讲内容及要求： 直流电动机的运行原理（掌握） 直流电机的额定值（掌握） 直流电机的励磁方式（掌握） 直流电机的基本结构（掌握） 直流电机的电枢反应（了解） 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机的基础原理和结构 q d 电刷 励磁线圈 电枢绕组 N S 定子 n 电枢 U f q ? + - d Φ 图 3-1 直流电机的简化模型 a) 直流电机结构 b) 直流电机模型 a) b) A B 直流电机的简化模型 励磁线圈通入直流电流，产生 直轴（ d 轴） 方向 的主极磁通 ? ，称为主磁场。 交轴（ q 轴）方向上的一对 电刷将电枢线圈分为左右两 部分，电枢线圈按照一定的 联接方式组成电枢绕组。 直轴就是磁极的方向，交轴是与磁极正交的方向 电 机 及 拖 动 基 础 1 、直流电动机工作原理 把电刷 A 、 B 接到直流 电源上，电刷 A 接正极， 电刷 B 接负极。此时电枢 线圈中将有电流流过。 直流电动机 是将电能 转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下， N 极性下导体 ab 受力方向从右向左， S 极下导 体 cd 受力方向从左向右。该电磁 力形成逆时针方向的电磁转矩。 当电磁转矩大于阻转矩时，电机 转子逆时针方向旋转。 直流电机的基本工作原理 左手定则 N S ＋ U － 电刷 换向片 电 机 及 拖 动 基 础 原 N 极性下导体 ab 转到 S 极下，受力方向从左向右， 原 S 极下导体 cd 转到 N 极下， 受力方向从右向左。该电磁 力形成逆时针方向的电磁转 矩。线圈在该电磁力形成的 电磁转矩作用下继续逆时针 方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位置时： N S ＋ U － 关键点： 换向片。 换向片安装在电机转 轴上，与电枢同步旋转。 直流电机的基本工作原理 电 机 及 拖 动 基 础 直流 电流 交流 电流 电磁转矩 ( 拖动转矩 ) 机械 负载 克 服 反电 动势 做功 电磁关系 换向 Φ 旋转 直流电机的基本工作原理 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机的基本结构 直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组 成，定子与转子之间有空隙 , 称为气隙。 定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装 置； 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风 扇等部件。 1 — 风扇； 2 — 机座； 3 — 电枢； 4 — 主磁极； 5 — 刷架； 6 — 换向器； 7 — 接线 — 出线 — 端盖 电 机 及 拖 动 基 础 1 ．定子部分 （ 1 ）机座 机座既可以固定主磁极、 换向极、端盖等，又是电机磁路的 一部分（称为磁轭）。机座一般用 铸钢或厚钢板焊接而成，拥有非常良好 的导磁性能和机械强度。 （ 2 ）主磁极 主磁极的作用是产生气隙 磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组 （励磁绕组）构成，如图所示。主 磁极铁心一般由 1.0mm ～ 1.5mm 厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括 极身和极靴两部分。极靴做成圆弧 形，以使磁极下气隙磁通较均匀。 极身上面套有励磁绕组，绕组中通 入直流电流。整个磁极用螺钉固定 在机座上。 1 — 固定主磁极的螺钉； 2 — 主磁极铁心； 3 — 励磁绕组 机 座 主磁极 直流电机的基本结构 电 机 及 拖 动 基 础 （ 3 ）换向极 换 向 极 用 来 改 善 换向，由铁心和套在铁心 上的绕组构成，如图所示。 换向极铁心一般用整块钢 制成，如换向要求比较高， 则用 1.0mm ～ 1.5mm 厚 的钢板叠压而成，其 绕组 中流过的是电枢电流 。 换 向极装在相邻两主磁极之 间，用螺钉固定在机座上。 1 — 换向极铁心； 2 — 换向极绕组 注意： 换向极绕组与定子（励磁）绕组串联连接。 直流电机的基本结构 电 机 及 拖 动 基 础 2 ．转子部分 （ 1 ）电枢铁心 电枢铁心是电机磁路的 一部分，其外圆周开槽， 用来嵌放电枢绕组。电枢 铁 心 一 般 用 0.5mm 厚 、 两边涂有绝缘漆的硅钢片 冲片叠压而成，如图所示。 电枢铁心固定在转轴或转 子支架上。铁心较长时， 为加强冷却，可把电枢铁 心沿轴向分成数段，段与 段之间留有通风孔。 直流电机的基本结构 电 机 及 拖 动 基 础 （ 2 ）电枢绕组 电枢绕组是直流电机的主要组成部分，其 作用 产生感应电动势和电磁转矩 ，它是电机实 现机电能量转换的关键。通常用绝缘导线绕成的 线圈（或称元件），按一定规律连接而成。 直流电机的基本结构 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机的基本结构 （ 3 ）换向器 换向器是直流电机最重要的部件之一， 对于发电机，是将电枢绕组元件中的直流 交变电势转换为电刷间的直流电势；对于 电动机则是将输入的直流电流转换为电枢 绕组元件中的交变电流，产生恒定方向的 电磁转矩。 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机的主要结构概述： 主磁极 ：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向磁极 ：改善换向。 电刷装置 ：与换向片配合 , 完成直流与交流的互换 机座和端盖 ：起支撑和固定作用。 定子 转子 电枢铁心 ：主磁路的一部分，放置电枢绕组。 电枢绕组 ：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。 换向器 ：与电刷装置配合 , 完成直流与交流的互换 转轴 轴承 直流电机的基本结构 电 机 及 拖 动 基 础 14 直流电机的绕组 一、简单的绕组 对绕组的要求：在可以通过规定的电流和产 生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝 缘材料，并且结构相对比较简单、运行可靠。 1-2 、 3-4 、 5-6 、 7-8 分别构成 4 个线圈 右图只是说明原理的示意图。它的缺点是： 随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电 流。这样的话，材料没有充分的利用，产生 的总转矩或电势均很小 。 处理方法：用 4 个换向片将 4 个线圈都连 接起来，成为一个闭合绕组，两个不同 的元件边连接一个换向片。每个元件的 两个元件边连接 2 个不同的换向片。共 用了 4 个换向片，节省了材料，提高了 输出转矩。 电 机 及 拖 动 基 础 4 个线圈单层结构示意图 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 4 绕组展开图： 为了使得线 个有效边所感应的电动势相等，则 线圈的有 效边之间的距离（跨距） 应等于或接近于一个 极距（相邻主 磁极间的跨度）。 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 6 个线圈的 电枢绕组与电刷连接 电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。 当电枢转到图示位置时：构成如图所示的等效并联支路。 结论： 整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机电枢绕组结构及形式：单 叠绕组、单波绕组。 在实际电机中 ----- 为使线圈（元件） 端部平整排列，一般在每个槽中放置 上 / 下 两个有效边，所以，多为双层 绕组。 （一）单叠绕组 特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向 片上。 y 1 ------ 节距（元件跨距 ---2 个有效边所跨槽数 ) y k ------ 换向器节距（上层边与下层边所连接的 两个换向片之间的距离） 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前 一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末 端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 根据绕组展开图可绘制绕组等效电路图： 结论： 并联支路数 = 电刷数 电刷数 = 被短路的元件数 = 磁极数 ------- a=p 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 （二）单波绕组 单波绕组 : 不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距 （ τ ），即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。 该种连接保证元件中的电流产生相同方向的电磁力，从而 使电机产生的总电磁转矩最大。 直流电机的绕组 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机的磁场 1. 空载磁场 直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小， 电机几乎无功率输出。空载磁场是由励磁绕 组的励磁磁动势单独建立的磁场。 p=1 漏磁通 ? ? ，一般 : ? ? = （ 15 ～ 20 ）％ ? 。 电 机 及 拖 动 基 础 直流电机的磁场 2. 电枢反应 当直流电机带上负载以后， 在电机磁路中又形成一个 磁动势，这个磁动势称为 电枢磁动势。 不论什么形式的绕组， 在一个磁极下元件边中的 电流方向总是相同的，不 同磁极下元件边中的电流 方向总是相反的。因此， 电枢磁动势分布规律如图： 电 机 及 拖 动 基 础 （ a ）主极磁场 （ b ）电枢磁场 （ c ）合成磁场 结论：直流电机负载时气隙磁场是由励磁磁动势 和电枢磁动势共同产生的。 电枢磁动势对气隙磁 场的影响称为电枢反应。 几何中性线 n - n 物理中性线 m - m 直流电机的磁场

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