1、第第2章章直流電機直流電機 2.1概述概述 q直流電機直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作為是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作為發電機發電機使用，也可使用，也可 作為作為電動機電動機使用。用作發電機可以獲得使用。用作發電機可以獲得直流電源直流電源，用作電動機，由于其具有良，用作電動機，由于其具有良 好的好的調速性能調速性能，在許多調速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。，在許多調速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。 一一. . 直流電機的直流電機的用途用途 作作電源電源:直流發電機將機械能轉化為直直流發電機將機械能轉化為直 流電能。一般小于流電能。一般小于10萬萬kW即即100

2、MW的的 單機同步發電機要用直流發電機作為其單機同步發電機要用直流發電機作為其 勵磁機勵磁機 作作動力動力用用:直流電動機直流電動機 將直流電能轉化為機械能將直流電能轉化為機械能； 信號傳遞信號傳遞-直流伺服電動機將控直流伺服電動機將控 制電信號轉換為機械信號。制電信號轉換為機械信號。 信號傳遞信號傳遞:直流測速發電機將直流測速發電機將 機械信號轉換為電信號機械信號轉換為電信號 二二. . 直流電機的直流電機的優缺點優缺點 直流發電機的直流發電機的電勢波形電勢波形較好，受較好，受電磁干擾電磁干擾的影響小。的影響小。 直流電動機的直流電動機的調速范圍調速范圍寬廣，調速特性寬廣，調速特性平滑平滑。

3、 直流電動機直流電動機過載能力過載能力較強，較強，起動起動和和制動制動轉矩較大。轉矩較大。 由于存在由于存在換向器換向器，其制造，其制造復雜復雜，價格價格較高。較高。 B N S 2.1.10直流電機直流電機工作原理工作原理 一、原理圖一、原理圖( (物理物理模型圖模型圖) ) 磁極對磁極對N、S不動不動 線圈（繞組）線圈（繞組）abdc旋轉旋轉 換向片換向片1、2旋轉旋轉 電刷電刷A、B及出線不動及出線不動 a b c d 1 2 A 二、直流二、直流發電機發電機原理（機械能原理（機械能-直流電能）直流電能） 定子定子（不動部件）上的（不動部件）上的勵磁繞組勵磁繞組通過直流電流通過直流電流(

4、稱為稱為勵磁電流勵磁電流If)時產時產 生恒定生恒定磁場磁場（勵磁磁場，主磁場）；（勵磁磁場，主磁場）； 原動機原動機帶動帶動電樞線圈電樞線圈旋轉，旋轉， 切割切割主磁場主磁場B,轉速轉速n(r/min)； 電樞線圈的導體中將產生電樞線圈的導體中將產生 感應電勢感應電勢e=Bl v； 通過通過換向器換向器與與電刷電刷的作用，的作用， 可以引出可以引出直流直流的端電勢的端電勢EAB， 以便輸出以便輸出直流電能直流電能。 B N S a b c d 1 2 A 問題問題1-1：直流電機直流電機電樞單個導體電樞單個導體中感應電勢的性質？中感應電勢的性質？ 問題問題1-2：直流電機直流電機通過電刷引出

5、通過電刷引出的感應電勢的性質？的感應電勢的性質？ N S B x x e t AB et t t 氣隙磁場分布 波形 線圈導體電勢 波形 電刷引出電勢 波形 SN B x t 1 2435 678 9 101920 直流電機展開圖直流電機展開圖及氣隙磁場分布及氣隙磁場分布 三、直流三、直流電動機電動機的原理的原理 將直流電源通過將直流電源通過電刷電刷和和換向器換向器接入接入電樞繞組電樞繞組，使電樞導體有電流，使電樞導體有電流ia通過。通過。 電機內部有電機內部有磁場磁場存在。存在。 載流的轉子（即電樞）導體將載流的轉子（即電樞）導體將 受到受到電磁力電磁力f的作用的作用f=B l ia （左手

6、定則）（左手定則） 所有導體產生的電磁力作用于轉所有導體產生的電磁力作用于轉 子產生子產生電磁轉矩電磁轉矩，以便拖動機械負，以便拖動機械負 載以載以n(r/min)旋轉旋轉 B N S a b c d 1 2 A 直流電機結構簡圖直流電機結構簡圖 電刷電刷 電樞繞組電樞繞組 主磁極主磁極 換向器換向器 2.1.2直流電機的直流電機的結構結構 旋轉電機都是由旋轉電機都是由定子定子和和轉子轉子兩大部分組成兩大部分組成 定子定子轉子轉子 主磁極（勵磁繞組主磁極（勵磁繞組主極鐵心）主極鐵心）電樞繞組電樞繞組 換向極（繞組和鐵心）換向極（繞組和鐵心）電樞鐵心電樞鐵心 機座機座換向器換向器 端蓋端蓋轉軸轉

7、軸、風扇風扇 電刷裝置電刷裝置 主磁極主磁極的作用是建立的作用是建立主磁場主磁場。絕大多數直流電機的。絕大多數直流電機的 主磁極不是用永久磁鐵而是由主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組勵磁繞組通以直流電流來通以直流電流來 建立磁場。主磁極由建立磁場。主磁極由主磁極鐵心主磁極鐵心和套裝在鐵心上的和套裝在鐵心上的勵磁勵磁 繞組繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為 極靴極靴，它的作用是使，它的作用是使氣隙氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分磁阻減小，改善主磁極磁場分 布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子轉動時由于布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子

8、轉動時由于 齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用11.5mm的鋼片的鋼片 沖壓一定形狀沖壓一定形狀疊裝疊裝固定而成。主磁極上裝有固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組勵磁繞組， 整個主磁極用整個主磁極用螺桿螺桿固定在機座上。主磁極的個數一定是固定在機座上。主磁極的個數一定是 偶數偶數，勵磁繞組的連接必須使得，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極相鄰主磁極的極性按的極性按N， S極極交替交替出現。出現。 機座機座磁軛磁軛連同連同底座底座總成為總成為機座機座,有兩個作用，一是作為有兩個作用，一是作為主磁路主磁路的一部分，二是作為電機的的一部分，二是作為電機的結結 構框架構框架。

9、機座中作為磁通通路部分稱為機座中作為磁通通路部分稱為磁軛磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小 型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有端蓋端蓋。 換向極換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極， 它的作用是它的作用是改善直流電機的換向情況改善直流電機的換向情況，使電機運行時不，使電機運行時不 產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向 極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，并用螺桿固定極鐵心和套在鐵心

10、上的換向極繞組構成，并用螺桿固定 在機座上。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在在機座上。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在 功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞 組在使用中是和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電流，組在使用中是和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電流， 因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截面。因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截面。 端蓋端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內 部還起防護作用。

11、部還起防護作用。 電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引出（或引是電樞電路的引出（或引 入）裝置，它由入）裝置，它由電刷電刷，刷握刷握，刷桿刷桿和和連連 線線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨等部分組成，右圖所示，電刷是石墨 或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內 用用彈簧彈簧以一定的壓力按放在換向器的表以一定的壓力按放在換向器的表 面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。 刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上 的一排電刷組成一個電刷組，同極性的的一排電刷組成一個電刷組，同極性的 各刷桿用連線連在一起，再引到出

12、線盒。各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。 刷桿裝在可移動的刷桿裝在可移動的刷桿座刷桿座上，以便調整上，以便調整 電刷的位置。電刷的位置。 電樞鐵心電樞鐵心既是既是主磁路主磁路的組成部分，又是的組成部分，又是電電 樞繞組樞繞組支撐部分；支撐部分；電樞繞組電樞繞組就嵌放在電樞鐵心就嵌放在電樞鐵心 的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心 一般用厚一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為且沖有齒、槽的型號為DR530 或或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。 小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大小型電機的電樞鐵心沖

13、片直接壓裝在軸上，大 型電機的電樞鐵心型電機的電樞鐵心沖片沖片先壓裝在轉子支架上，先壓裝在轉子支架上， 然后再將支架固定在軸上。為改善通風，沖片然后再將支架固定在軸上。為改善通風，沖片 可沿軸向分成幾段，以構成徑向通風道。可沿軸向分成幾段，以構成徑向通風道。 電樞繞組電樞繞組由一定數目的電樞線圈按一定的規律連由一定數目的電樞線圈按一定的規律連 接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動 勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈 用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞

14、成，分上下兩層 嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心 之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大 型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。 換向器（換向器（換向器實物換向器實物）在直流發電機在直流發電機 中，換向器起整流作用，在直流電動機中，中，換向器起整流作用，在直流電動機中， 換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機 的關鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的關鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形 的換向片排成一個圓筒

15、，其間用云母片絕緣，的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣， 兩端再用兩個兩端再用兩個V形環夾緊而構成，如圖所示。形環夾緊而構成，如圖所示。 每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入 相應換向片的升高片內。小型電機常用塑料相應換向片的升高片內。小型電機常用塑料 換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再 用塑料通過熱壓制成。用塑料通過熱壓制成。 2.1.3直流電機的額定值直流電機的額定值 額定值 是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機）是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機） 在指定工作條件下運行時所規定的一些量值。在額定在

16、指定工作條件下運行時所規定的一些量值。在額定 狀態下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。狀態下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。 并具有優良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產并具有優良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產 品設計或試驗的依據。額定值通常標在各電氣的銘牌品設計或試驗的依據。額定值通常標在各電氣的銘牌 上，故又叫上，故又叫銘牌值銘牌值。 直流電機的直流電機的額定值額定值主要有：主要有： 額定功率額定功率PN： ：指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以 指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以W 為量綱單位。若大于為量綱單位。若大于1kW

17、或或1MW時時,則用則用kW或或MW表示。表示。 額定電壓額定電壓UN： ：指額定狀態下電樞出線端的電壓，以 指額定狀態下電樞出線端的電壓，以V為量綱單位。為量綱單位。 額定電流額定電流IN： ：指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以A為量綱單位。為量綱單位。 額定轉速額定轉速nN： ：指額定狀態下運行時轉子的轉速，以 指額定狀態下運行時轉子的轉速，以r/min為量綱單位。為量綱單位。 額定勵磁電流額定勵磁電流If： ：指電機在額定狀態時的勵磁電流值。 指電機在額定狀態時的勵磁電流值。 注意注意: 對于對于直流發電機直流發電機，PN是指輸出的

18、電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，即是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，即 PNUNIN 對于對于直流電動機直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率N存在存在，即，即 PNUNINN 2.2電樞繞組電樞繞組 一般來說直流電機中至少應該有兩套繞組：一般來說直流電機中至少應該有兩套繞組：勵磁繞組勵磁繞組和和電樞繞組。電樞繞組。二者的功能不同二者的功能不同。 勵磁繞組勵磁繞組用來產生用來產生主磁場，主磁場，為為集中繞組集中繞組；電樞繞組；電樞繞組實現機電能量轉換的實現機電能量轉換的樞紐，樞紐，稱為稱為功率繞功率繞 組，組，是

19、是分布繞組分布繞組。電樞繞組的構成，應能產生足夠的。電樞繞組的構成，應能產生足夠的感應電動勢感應電動勢，并允許通過一定多，并允許通過一定多電樞電樞 電流電流，從而產生所需的，從而產生所需的電磁轉矩電磁轉矩和和電磁功率電磁功率。此外，還要節省有色金屬和絕緣材料，結構。此外，還要節省有色金屬和絕緣材料，結構 簡單，運行可靠。簡單，運行可靠。 一、主要分類一、主要分類 分為分為疊繞組疊繞組、波繞組波繞組和和蛙形繞組蛙形繞組。 電樞繞組（展開圖）電樞繞組（展開圖） 電樞繞組電樞繞組有許多個形狀相同的線圈組成，有許多個形狀相同的線圈組成， 每個線圈有兩個每個線圈有兩個有效邊有效邊，分別位于電樞圓，分別位

20、于電樞圓 周相距約一個周相距約一個極距極距的兩個的兩個槽槽中。一個邊在中。一個邊在 上層上層時，另一個邊一般在時，另一個邊一般在下層下層。每個。每個換向換向 片片接兩個不同的接兩個不同的線圈端頭線圈端頭。將所有的電樞。將所有的電樞 線圈通過線圈通過換向片換向片按照一定的規律聯接起來，按照一定的規律聯接起來， 就構成就構成電樞繞組電樞繞組。在實際電機中，電樞繞。在實際電機中，電樞繞 組有多種形式。主要分為組有多種形式。主要分為疊繞組疊繞組，波繞組波繞組 和和蛙繞組蛙繞組等。等。 疊繞組示意圖疊繞組示意圖 波繞組示意圖波繞組示意圖 二、單疊繞組的聯接方法二、單疊繞組的聯接方法 幾個概念幾個概念：極

21、數：極數2p，極對數，極對數p，極距，極距 ，繞組元件，元件邊，上層邊，下層邊，第繞組元件，元件邊，上層邊，下層邊，第1節節 距，第距，第2節距，合成節距節距，合成節距等。等。 單疊繞組的展開圖舉例單疊繞組的展開圖舉例 一臺一臺4 4極極16 16 槽直流電機，已知換向片數槽直流電機，已知換向片數K=16K=16；電樞繞組的線圈數；電樞繞組的線圈數S=16S=16； 試畫出試畫出整距右行單疊繞組整距右行單疊繞組展開圖。展開圖。 【分析【分析】 每槽每槽( (虛槽虛槽) )兩個邊，每個線圈兩個邊，所以槽數兩個邊，每個線圈兩個邊，所以槽數 z= z= 線圈數線圈數 S=16, S=16, 極距極距

22、z/2pz/2p16/416/44 4 槽。槽。 因為要求為整距線圈即第一節距因為要求為整距線圈即第一節距 y y1 14 4（槽）（槽） 又因為單疊右行，則合成節距又因為單疊右行，則合成節距 y y +1+1； 則第二節距則第二節距y2y1y3（槽）；（槽）； 也就是說一個線圈的一個有效邊若放在也就是說一個線圈的一個有效邊若放在1 1號號槽內，另一個有槽內，另一個有 效邊必須放在效邊必須放在5 5號號槽內。即一個線圈跨過槽內。即一個線圈跨過4 4個槽個槽的位置的位置。 【畫出展開圖【畫出展開圖】 1.畫畫元件邊元件邊，下層下層邊用邊用虛線虛線，上層上層用用實線畫實線畫； 2.標出標出槽號槽號并畫出并畫出第一個元件第一個元件.跨跨15。 3.將將第一個元件第一個元件的引出線端連到對應的的引出線端連到對應的換向片換向片上，并標出上，并標出換向片號換向片號。 4.依次畫出其他依次畫出其他元件元件的連接。的連接。