电枢铁心 换向署 ⑨ 转轴 电机学 电枢绕组 教● 风启 度锌钢丝 电抓绕组 (a)转子主体 ()电枢钢片 b 第VI部分直流电机 主磁极 机 电枢槽 操向器 GE 电枢齿 通风孔 电枢磁辄 2009级卓越工程师班 轴孔 按线板 线盒 换向世极 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
电机学 第VI部分 直流电机 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
直流电机主要内容 1.直流电机基本结构 ·定子磁极与绕组 ·转子电枢与换向器 2.直流电机基本原理 ·发电机基本原理 ·电动机基本原理 ■发电机与电动机运行状态的相互转换 3.直流电机基本特性 ■ 发电机运行特性 ·电动机机械特性与工作特性 August 27,2011 2
August 27, 2011 2 直流电机主要内容 1. 直流电机基本结构 定子磁极与绕组 转子电枢与换向器 2. 直流电机基本原理 发电机基本原理 电动机基本原理 发电机与电动机运行状态的相互转换 3. 直流电机基本特性 发电机运行特性 电动机机械特性与工作特性
直流电机 机座主磁极 换向极 端盖 换向器电刷装置 风扇 电枢绕组 电枢端口 电枢铁心 A19 U 机 DCM 端 口 E1。 U F2 励磁端口 直流电机是将直流电能与机械能转换的装置。 将机械能转换为直流电能的是直流发电机， 而将直流电能转换为机械能的是直流电动机。 August 27,2011 3
August 27, 2011 3 直流电机 直流电机是将直流电能与机械能转换的装置。 将机械能转换为直流电能的是直流发电机， 而将直流电能转换为机械能的是直流电动机。 DCM U Uf A2 A1 F2 F1 Ω Tem 励磁端口 电枢端口 机 械 端 口
直流电机基本结构 。 定子 机座 一主磁极：产生主磁场 ·磁极铁心 ☒ ·励磁绕组 ·补偿绕组：削弱电枢反应去磁 一换向极：削弱电枢反应电势，改善换向 ·换向极铁心 。 换向极绕组 一刷架+电刷 。 转子：机电能量转换部件 一电枢：电磁功率 ·电枢铁心 。 电枢绕组 一换向器：交换电能 ·换向片：机械整流装置，双向可逆 一转轴：交换机械能 定子直流励磁，静止磁场，直轴磁场 ，气隙：定转子合成磁场 转子交变磁场，空间静止，交轴磁场 定转子气隙合成磁场，空间静止 定转子磁场相互作用产生电磁转矩 转子磁场对主磁极起去磁作用（电枢反应） August 27,2011 4
August 27, 2011 4 直流电机基本结构 • 定子 – 机座 – 主磁极:产生主磁场 • 磁极铁心 • 励磁绕组 • 补偿绕组:削弱电枢反应去磁 – 换向极:削弱电枢反应电势,改善换向 • 换向极铁心 • 换向极绕组 – 刷架+电刷 • 转子:机电能量转换部件 – 电枢:电磁功率 • 电枢铁心 • 电枢绕组 – 换向器:交换电能 • 换向片:机械整流装置,双向可逆 – 转轴:交换机械能 • 气隙:定转子合成磁场 定子直流励磁，静止磁场，直轴磁场 转子交变磁场，空间静止，交轴磁场 定转子气隙合成磁场，空间静止 定转子磁场相互作用产生电磁转矩 转子磁场对主磁极起去磁作用（电枢反应）
直流电机基本结构 (一)定子 (1)主磁极： (2)换向磁极： (3)机座、端盖和电刷装置等组成。 1.主磁极 主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。 (1)磁极铁心：由1.01.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。是磁路部分。 (2)励磁线圈：是磁路部分。产生主磁场。 2.换向磁极 换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。 作用：是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的火花。 3.机座 机座由铸钢或厚钢板制成。 作用：来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定部分，又是电机 磁路的一部分。 4.端盖与电刷 作用：支持转子的转轴，固定电刷架。 August 27,2011 5
August 27, 2011 5 直流电机基本结构 • （一）定子 • （1）主磁极； • （2）换向磁极； • （3）机座、端盖和电刷装置等组成。 • 1．主磁极 • 主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。 • （1）磁极铁心：由l.0~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。是磁路部分。 • （2）励磁线圈：是磁路部分。产生主磁场。 • 2．换向磁极 • 换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。 • 作用：是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的火花。 • 3．机座 • 机座由铸钢或厚钢板制成。 • 作用：来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定部分，又是电机 磁路的一部分。 • 4．端盖与电刷 • 作用：支持转子的转轴，固定电刷架
直流电机基本结构 (二)转子电枢 主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。 1.铁心：由0.35-0.5mm厚硅钢片冲剪后叠压而成。 作用：嵌放电枢绕组，是直流电机磁路的一部分。 2.电枢绕组：相互绝缘的线圈，与换向片连接 作用：产生感应电动势和电磁转矩。 3.换向器：俗称整流子 作用：将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而 产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流爱电机电枢绕组中的交变电势转换成 直流电压输出。电流可以双向流通。 (三)气隙 气隙是电机磁路的重要部分。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙， 称为工作气隙。气隙大小对电机性能有很大影响。 主磁极与机座之间也可能存在第二气隙。 August 27,2011 6
August 27, 2011 6 直流电机基本结构 （二）转子电枢 主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。 1．铁心：由0.35-0.5㎜厚硅钢片冲剪后叠压而成。 作用：嵌放电枢绕组，是直流电机磁路的一部分。 2．电枢绕组：相互绝缘的线圈，与换向片连接 作用：产生感应电动势和电磁转矩。 3．换向器：俗称整流子 作用：将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而 产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电势转换成 直流电压输出。电流可以双向流通。 （三）气隙 气隙是电机磁路的重要部分。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙， 称为工作气隙。气隙大小对电机性能有很大影响。 主磁极与机座之间也可能存在第二气隙
直流电机的励磁方式 励磁方式：直流电机励磁 绕组的供电方式。 ·按励磁方式直流电机分为 A DCM A2 A:DCM -他励直流电机(a); (a) (b) -并励直流电机(b); -串励直流电机(c); -短复励直流电机(d); A DCM JA -长复励直流电机(e); (c) -混合励磁方式（特殊）。 ● A DCM DCM August 27,2011 (d) (e) 7
August 27, 2011 7 直流电机的励磁方式 • 励磁方式：直流电机励磁 绕组的供电方式。 • 按励磁方式直流电机分为 –他励直流电机(a)； –并励直流电机(b)； –串励直流电机(c)； –短复励直流电机(d)； –长复励直流电机(e)； –混合励磁方式（特殊）。 A1 DCM A2 F1 F2 (a) A1 DCM A2 F1 F2 (b) A1 DCM A2 F1s F2s (c) F1 A1 DCM A2 F1s F2s (d) F2 A1 DCM A2 F1s F2s (e) F1 F2
直流电机的铭牌数据 1.电机型号 Z41122-1 型号表明电机的系列及主要特点。，根据电机型号，可从相关 一1号铁心长度 手册及资料中查出该电机的有关技宋数据。 极数为2 2.额定功率P、 中心高/mm ·指电机在额定运行时的输出功率。 设计序号 对发电机是指明输出电功率P、=UI、 直流电动机 对电动机是指明输出的机械功率P、=UNIN N 3.额定电压U Z系列：一般用途直流电动机（如Z2 指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的 Z3Z4等系列) 输入电压。 ZY系列：永磁直流电动机 4.额定电流I、 ZJ系列：精密机床用直流电动机 ZT系列：广调速直流电动机 ·指额定电压和额定负载时允许电机长期输人（电动机）或输 ZQ系列：直流牵引电动机 出（发电机）的电流。 ZH系列：船用直流电动机 5.额定转速n ZA系列：防爆安全型直流电动机 ·指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。 ZKJ系列：挖掘机用直流电动机 ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机 6.电动机额定效率nN 。 指直流电动机额定输出功率P与电动机额定输人功率P,=UIN 比值的百分数。 August 27,2011 8
August 27, 2011 8 直流电机的铭牌数据 1.电机型号 • 型号表明电机的系列及主要特点。根据电机型号，可从相关 手册及资料中查出该电机的有关技术数据。 2.额定功率PN • 指电机在额定运行时的输出功率。 – 对发电机是指明输出电功率PN＝UNIN – 对电动机是指明输出的机械功率PN＝UNINηN 3.额定电压UN • 指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的 输入电压。 4.额定电流IN • 指额定电压和额定负载时允许电机长期输人（电动机）或输 出（发电机）的电流。 5.额定转速nN • 指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。 6.电动机额定效率ηN • 指直流电动机额定输出功率PN与电动机额定输人功率P1＝UNIN 比值的百分数。 Z系列：一般用途直流电动机(如Z2 Z3 Z4 等系列) ZY系列：永磁直流电动机 ZJ系列：精密机床用直流电动机 ZT系列：广调速直流电动机 ZQ系列：直流牵引电动机 ZH系列：船用直流电动机 ZA系列：防爆安全型直流电动机 ZKJ系列：挖掘机用直流电动机 ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机
直流电机基本原理 主磁极励磁 N N -N极磁密B进入纸面 电枢/换向器旋转v ·感应电势E N极下向下，S极下向上 ·电刷两端电压U(+-) 电势大于电压E>U 一电枢电流与电势同向 -电磁转矩与转向相反 -发电机 。 电势小于电压E<U - 电枢电流与电势反向 - 电磁转矩与转向一致 -电动机 August 27,2011 9
August 27, 2011 9 直流电机基本原理 • 主磁极励磁 – N极磁密B进入纸面 • 电枢/换向器旋转v • 感应电势E – N极下向下,S极下向上 • 电刷两端电压U(+-) • 电势大于电压E>U – 电枢电流与电势同向 – 电磁转矩与转向相反 – 发电机 • 电势小于电压E<U – 电枢电流与电势反向 – 电磁转矩与转向一致 – 电动机 S N S N + U - E v
直流电机基本原理 ·在直流电机主磁极励磁的条件下： 一原动机拖动直流电机转子逆时针旋转， 电枢绕组产生感应电势，对外部负载 供电，形成电枢电流，电势与电流同 方向，同时产生与原动机转矩相平衡 的电磁转矩，即发电机运行状态。 - 直流电机接直流电源，产生电枢电流 与电磁转矩，驱动转子逆时针旋转， 并产生与电流反方向的电势，使得电 枢电流减小，直到电磁转矩与负载转 矩相平衡，即电动机运行状态。 August 27,2011 10
August 27, 2011 10 直流电机基本原理 • 在直流电机主磁极励磁的条件下： – 原动机拖动直流电机转子逆时针旋转, 电枢绕组产生感应电势，对外部负载 供电，形成电枢电流，电势与电流同 方向，同时产生与原动机转矩相平衡 的电磁转矩，即发电机运行状态。 – 直流电机接直流电源，产生电枢电流 与电磁转矩，驱动转子逆时针旋转， 并产生与电流反方向的电势，使得电 枢电流减小，直到电磁转矩与负载转 矩相平衡，即电动机运行状态