模塊1直流電機及其拖動1第1章直流電機的結構和工作原理2本章要點直流電機的基本結構和工作原理。直流電機的電樞繞組、磁場、電動勢和電磁轉矩。直流電機的基本方程式。直流電機的運行特性和工作特性。31.1直流電機概述1.2直流電機的結構和工作原理1.3直流電機的磁場、電樞電動勢、電磁轉矩、電磁功率1.4直流電機的基本公式1.5直流電機的基本特性本章主要內容41.1直流電機概述任務1直流電機的外形觀察

任務2直流電動機的運行觀察

任務3直流電動機的拆裝5任務1直流電機的外形觀察

1、觀察直流電機的外觀電磁式直流電機如圖1-1所示，永磁式直流電機如圖1-2所示。圖1-1電磁式直流電機圖1-2永磁式直流電機6任務1直流電機的外形觀察

2、觀察直流電機的銘牌將銘牌數據記錄在表1-1中。表1-1直流電動機的銘牌數據型號產品編號結構類型勵磁方式額定功率勵磁電壓額定電壓工作方式額定電流絕緣等級額定轉速重量標準編號出廠日期7任務1直流電機的外形觀察

3、測量絕緣電阻值在電動機未接電源的情況下，將兆歐表端接外殼，端接繞組一端，測出定子繞組對地（外殼）的絕緣電阻值，記錄在表1-2中。表1-2直流電動機絕緣電阻測量值測量項目測量值絕緣電阻/8任務2直流電動機的運行觀察1、觀察某直流電動機的運行情況在直流電動機運行時，觀察電動機的轉速、噪聲、振動、冒煙等，并將觀察現象記錄在表1-3中。表1-3直流電動機的運行觀察觀察內容及現象觀察結果轉速（是否均勻）噪聲（大還是小）振動（是否強烈）發熱（是否有明顯的發熱現象）冒煙（是否冒煙）焦糊（是否有糊味）9任務2直流電動機的運行觀察2、測量電動機運行時的空載電流在電動機空載運行的情況下，將電流表串入電機線路，測出電機空載電流值，記錄在表1-4中。表1-4直流電動機正常運行時的電流測量值測量項目測量值空載電流/10任務3直流電動機的拆裝拆裝直流電動機的基本操作步驟為：切斷電源→做好標記→拆卸電刷→拆卸軸承外蓋→抽出電樞→檢查電機各部件→各部件質量檢測和清理無故障后再進行重新裝配→裝配完成后，測試空載電流大小及對稱性，最后帶負載運行。拆裝一臺直流電動機，初步了解直流電動機的基本結構，將其各部件名稱記錄在表1-5中。表1-5直流電動機的各部件名稱111.2直流電機的結構和工作原理直流電機的結構圖如圖1-3所示，其組成是：靜止部分:定子旋轉部分:轉子氣隙主要部件：機座、主磁極、換向極、端蓋、電刷裝置、出線盒主要部件：電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇作用：建立主磁場固定和支撐整個電機作用：產生感應電動勢和電磁轉矩，實現能量的轉換一、直流電機的結構直流電機的組成121.2直流電機的結構和工作原理圖1-3直流電機的結構圖a）直流電機的結構b）軸端剖面圖1-風扇2-機座3-電樞4-主磁極5-刷架6-換向器7-接線板8-出線盒9-換向極10-端蓋131、定子機座支撐和保護（固定主磁極、換向極、端蓋等零部件）磁軛（讓勵磁磁通經過，與主磁路共同構成閉合路徑）作用--電機定子部分的外殼（1）--由磁極鐵芯和勵磁繞組組成，如圖1-4所示。（2）主磁極作用：當勵磁繞組中通入直流電后，鐵芯中即產生勵磁磁通，并在氣隙中建立勵磁磁場。1.2直流電機的結構和工作原理圖1-4主磁極14（3）換向極--由換向極鐵芯和換向極繞組組成，如圖1-5所示。換向極鐵芯換向極繞組作用：產生換向磁場，用來改善直流電機的換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的火花。換向極裝在兩主磁極之間，其換向極繞組套在換向極鐵芯上，并與電樞繞組串聯。1.2直流電機的結構和工作原理圖1-5換向極15（4）電刷裝置--由刷握、銅絲辮、壓緊彈簧和電刷塊等部分組成，如圖1-6所示。刷握銅絲辮壓緊彈簧電刷塊作用：通過電刷與換向器表面的滑動接觸，把電樞繞組中的直流電壓、直流電流引入或引出。電刷塊是用導電性和耐磨性能好的石墨粉壓制而成的導電塊，放置在刷握內，用彈簧將它壓緊在換向器上。刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上，彼此之間都絕緣。1.2直流電機的結構和工作原理圖1-6電刷裝置

16（6）出線盒作用：直流電機的電樞繞組和勵磁繞組通過出線盒（板）與外部連接。出線盒上的電樞繞組一般標記為“A”或“S”，

勵磁繞組標記為“F”或“L”。（5）端蓋--用于安裝軸承和支撐樞，一般為鑄鋼件1.2直流電機的結構和工作原理172、轉子轉子的結構如圖1-7所示。圖1-7轉子結構1-轉軸2-軸承3-換向器4-電樞鐵芯5-電樞繞組6-風扇7-軸承1.2直流電機的結構和工作原理18電樞鐵芯--用厚度為0.5mm的表面有絕緣層的圓形硅鋼沖片沖壓疊裝而成，如下圖所示。（1）作用：通過磁通和嵌放電樞繞組。1.2直流電機的結構和工作原理槽內可安放電樞繞組改善散熱19（2）電樞繞組--由許多用絕緣導線繞制的按一定規律連接的線圈組成，各線圈分別嵌放在不同的電樞鐵芯的槽內，其放置如圖1-8所示。圖1-8線圈在槽內的放置示意圖1-上層有效邊2、5-端接部分3-下層有效邊4-線圈尾端6-線圈首端作用：產生感應電動勢和電磁轉矩，從而實現機、電能量的轉換。電樞繞組多為雙層繞組，同一個槽可嵌放兩條邊，每條邊僅占半個電樞槽，即同一個線圈的一條邊占了某個槽的上半槽，另一條邊占了另一個槽的下半槽。1.2直流電機的結構和工作原理20單波繞組：并聯支路對數a=1單疊繞組：并聯支路對數a=p--第一節距--第二節距--換向器節距--合成節距1.2直流電機的結構和工作原理繞組聯接如圖1-9所示。--極距，就是一個磁極在電樞表面的空間距離，其計算是：21（3）換向器--由許多換向片構成，如圖1-10所示。

作用：實現電樞繞組中的交流電動勢和電流與電刷間的直流電動勢和電流的轉換。1.2直流電機的結構和工作原理圖1-10換向器22換向過程如圖1-11所示，電樞繞組一個線圈中的電流隨時間變化的波形如圖1-12所示。圖1-11換向元件的換向過程a）換向開始b）換向中期c）換向結束圖1-12元件中電流隨時間變化波形1.2直流電機的結構和工作原理23不良換向會給直流電機運行造成困難，所以要改善換向。改善換向的方法是從減小、甚至消除附加換向電流著手。一般容量在1KW以上的直流電機均在主磁極之間的幾何中性線處裝置換向極。換向極的作用是要產生一個與電樞電動勢方向相反的換向極磁通勢，它除了抵消處于幾何中性線處的電樞磁通勢外，還要產生一個換向極磁場。1.2直流電機的結構和工作原理24（4）轉軸--一般用合金鋼鍛壓加工而成作用：傳遞轉矩。（5）風扇作用：降低電機運行中的溫升。3、氣隙位于定子與轉子之間的間隙氣隙也是電機磁路的一部分。一般小型電機的氣隙為0.7～5mm，大型電機為5～10mm左右。氣隙如圖所示。1.2直流電機的結構和工作原理251.2直流電機的結構和工作原理每一臺直流電機上都有一個銘牌，用來標注直流電機的型號、額定值、勵磁方式等，如圖1-13所示。二、直流電機的銘牌數據和勵磁方式圖1-13直流電動機的銘牌261.2直流電機的結構和工作原理電動機的型號是用來表示電動機的一些主要特點的，它由產品代號和規格代號等部分組成。圖1-13中銘牌所標型號的含義如下：Z272電樞鐵芯長度（1號為短鐵芯，2號為長鐵芯）機座號（共有12個型號，1號到12號依次增大）第二次改型設計一般用途的中小型直流電機1．型號271.2直流電機的結構和工作原理2．額定值

（1）額定功率指電機在額定情況下長期運行時的輸出功率。（2）額定效率直流電動機額定運行時輸出機械功率與電源輸入電功率之比，即：（3）額定電壓在額定情況下，直流發電機的輸出電壓或直流電動機的輸入電壓。281.2直流電機的結構和工作原理（4）額定電流額定電壓和額定負載時允許電動機長期輸入的電流或允許發電機長期輸出的電流。（5）額定轉速指電機在額定電壓和額定負載時的旋轉速度。2．額定值

291.2直流電機的結構和工作原理【例1-1】一臺直流電動機，，，，。求。解：對于電動機所以301.2直流電機的結構和工作原理3．勵磁方式勵磁繞組獲得勵磁電流的方式稱為勵磁方式，如圖1-14所示。圖1-14直流電機的勵磁方式a）他勵b）并勵c）串勵d）復勵311.2直流電機的結構和工作原理三、直流電機的工作原理

1．直流發電機的基本工作原理圖1-15直流發電機工作原理模型當原動機拖著電樞以一定的轉速在磁場中逆時針旋轉時，根據電磁感應原理，線圈邊ab和cd以線速度v切割磁力線產生感應電動勢，其方向用右手定則確定。在圖中所示的位置，線圈的邊ab處于N極下，產生的電動勢從b指向a；線圈的cd邊處于S極下，產生的感應電動勢從d指向c。從整個線圈來看，電動勢的方向為dcba。反之，當ab邊轉到S極下，邊cd轉到N極下時，每個邊的感應電動勢方向都要隨之改變，于是，整個線圈的感應電動勢方向變為abcd。所以線圈中的感應電動勢是交變的。為了在電刷上得到直流電動勢，就要利用到換向器。在圖1-15所示的時刻：線圈ab的邊處于N極下，電動勢的方向從b向a引到電刷A，所以電刷A的極性為正。當線圈轉過180°，線圈ab邊與cd邊互換位置，使cd邊處于N極下時，于是cd邊與電刷A接觸，其電動勢的方向是從c向d引到電刷A，電刷a的極性仍為正。同理可分析出電刷B極性為負。進一步觀察可以發現，電刷A總是與旋轉到N極下的導體接觸，所以電刷A總是正極性。而電刷B總是與旋轉到極下的導體接觸，所以電刷B總是負極性，故在電刷A、B之間得到的是脈動直流電動勢。當電樞上分布的線圈足夠多時，就可使脈動程度大為降低，得到平滑的直流電動勢。322．直流電動機的基本工作原理1.2直流電機的結構和工作原理圖1-16直流電動機工作原理模型原來電刷A通過換向片1與經過N極面下的導體ab相連，現在電刷A通過換向片2與經過S極面下的導體cd相連，原來電刷B通過換向片2與經過S極下面的導體cd相連，現在電刷B通過換向片1與經過S極面下的導體ab相連，線圈中的電流方向為dcba，用左手定則判斷電磁力和電磁轉矩的方向未變，電樞仍逆時針旋轉。其中，換向器起到使導體中的電流方向發生變化的作用。在圖1-16所示位置，電流從電源的正極流出，經過電刷A與換向片1流入電動機線圈，電流方向為abcd，然后再經過換向片2與電刷B流回電源的負極。根據電磁力定律，線圈邊ab與cd在磁場中分別受到電磁力的作用，其方向可用左手定則確定。此電磁力形成的電磁轉矩，使電動機逆時針方向旋轉。當線圈邊ab轉到S極面下、cd轉到N極面下時，流經線圈的電流方向必須改變，這樣導體所受的電磁力方向才能不變，從而保持電動機沿著一個固定的方向旋轉。333．電機的可逆原理1.2直流電機的結構和工作原理無論發電機還是電動機，由于電磁的相互作用，電樞電動勢和電磁轉矩是同時存在的。從原理上說發電機和電動機兩者并無本質差別，只是外界條件不同而已。一臺電機，既可以作為發電機運行，又可作為電動機運行，這就是直流電機的可逆原理。但在設計電機時，需考慮兩者運行的些許差別。341.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

一、直流電機的磁場

1．直流電機的空載磁場直流電機空載運行：是電機電樞電流（或輸出功率）為零的運行狀態。直流電動機中的空載：機械軸上無任何機械負載。直流發電機中的空載：電刷兩端未接任何電氣負載，電樞處于開路狀態。主磁場：直流電機的空載磁場可以看作是由定子的勵磁磁通勢單獨產生的。351.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

1．直流電機的空載磁場圖1-17直流電機空載時磁場分布圖1-17所示的是直流電機空載時的磁場分布情況。當勵磁繞組通入直流電流后，主磁極呈磁性，并且以N、S極間隔均勻地分布在定子內圓周上。由于每對磁極下的磁通所經過的路徑不同，根據它們的作用可以分為主磁通和漏磁通兩類。其中絕大部分的磁通勢從主磁極的極出來經過氣隙進入電樞的齒槽和磁軛，然后到達電樞鐵芯另一邊的齒槽，再穿過氣隙，進入主磁極的S極，通過定子磁軛回到N極，形成閉合磁回路。這部分磁通是直流電機進行電磁感應和能量轉換所必需的，稱為主磁通。此外，還有一小部分磁通從極出來后并不進入電樞，是經過空間直接進入相鄰的磁極或磁軛，它對電機的能量轉換工作毫無用處，相反，還使電機的損耗加大，效率降低，增大了磁路的飽和程度，這部分磁通稱為漏磁通，一般。361.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

2．直流電機的負載磁場電樞磁場：直流電機負載運行時，電樞繞組中便有電流通過，產生電樞磁通勢。該磁通勢所建立的磁場，稱為電樞磁場。合成磁場：電樞磁場與主極磁場一起，在氣隙內建立一個合成磁場。兩極直流電動機負載后的合成磁場的分布如圖1-18所示。圖1-18合成磁場分布371.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

2．直流電機的負載磁場圖1-18a為主極磁場的分布情況。按照圖中所示的勵磁電流方向，應用右手螺旋定則可以確定主極磁場的方向。在電樞表面上磁感應強度為零的地方是物理中性線m-m，它與磁極的幾何中性線n-n重合，幾何中性線與磁極軸線互差90°電角度，即正交。圖1-18b為電樞磁場，它的方向由電樞電流來確定。由圖中可以看出，不論電樞如何轉動，電樞電流的方向總是以電刷為界限來劃分的。在電刷兩邊，N極面下的導體和S極面下的導體電流方向始終相反，只要電刷固定不動，電樞兩邊的電流方向不變。因此，電樞磁場的方向不變，即電樞磁場是靜止不動的。根據圖上的電流方向用左手定則可判定該臺電動機旋轉方向為逆時針。圖1-18c為合成磁場，它是由主極磁場和電樞磁場共同合成的。比較圖1-18a和c，可見由于負載后電樞磁場的出現，對主極磁場的分布有明顯的影響。這種電樞磁場對主極磁場的影響稱為電樞反應。381.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

2．直流電機的負載磁場以圖1-18c直流電動機為例的電樞反應性質是：

1）電樞反應使磁極下的磁力線扭斜，磁通密度分布不均勻，合成磁場發生畸變，使原來的幾何中性n-n線處的磁感應強度不等于零，磁感應強度為零的位置，即電磁中性線m-m順旋轉方向旋轉α角度，電磁中性線與幾何中性線不再重合。

2）電樞反應使每一個磁極下的磁通勢發生變化，如N極下的左半部分主極磁通勢被削弱，右半部分的主極磁通勢被增強。由于電樞磁場磁力線是閉合的，所以電樞磁通勢對主極磁通勢的削弱數量等于主極磁通勢的增加數量。一般電動機的磁路總是處在比較飽和的非線性區域。這樣磁通勢增強處（飽和度增加）的鐵磁磁阻大于被削弱處（飽和度降低）的磁阻，因此增強的磁通量小于減少的磁通量，故負載時每極合成磁通比空載時每極磁通Φ0略小，我們稱此為電樞反應的去磁作用。因此，負載運行時的感應電動勢略小于空載時的感應電動勢。391.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

二、直流電機的電樞電動勢

直流電機的電樞電動勢：指電機正、負電刷間的電動勢。根據電磁感應定律，一根導體在磁感應強度為B的磁場中的感應電動勢e為。根據繞組連接規律，直流電機每條支路上的導體數為N/2a，其支路電勢也就是電刷間的電勢為所以直流電機的感應電動勢與磁通和轉速之積成正比，它的方向與電樞電流方向相反，在電路中起著限制電流的作用。401.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

二、直流電機的電樞電動勢

【例1-3】一臺直流發電機，功率為10kW，2p=4，轉速為2850r/min，單波繞組，電樞的總導體數N=372。當每極磁通時，此發電機電樞繞組的感應電動勢為多少？解：單波繞組a=1，電勢常數為:

電勢為：411.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

三、直流電機的電磁轉矩

電轉矩的大小為：轉矩常數與電動勢常數之間有固定的比值關系，即電磁轉矩：是由電樞電流與合成磁場相互作用而產生的電磁力所形成的。在電動機運行狀態下：電磁轉矩為拖動轉矩，帶動機械負載旋轉，輸出機械功率。在發電機運行狀態下：電磁轉矩為制動轉矩，阻礙機組旋轉，吸收原動機的機械功率。421.3直流電機的磁場、電樞電動

勢、電磁轉矩、電磁功率

四、直流電機的電磁功率

通過電磁轉矩的傳遞,實現機械能和電能的相互轉換,通常把電磁轉矩傳遞的功率稱為電磁功率。由力學知識可知,電機的電磁功率為實際中的直流電機是有功率損耗的，因此電磁功率總是小于輸入功率而又大于輸出功率。431.4直流電機的基本公式

一、直流電動機的基本方程式

圖1-19電動機慣例下各物理量參考方向1．電動勢平衡方程式電樞回路的電動勢平衡方程式：勵磁回路的電壓方程式為：2．功率平衡方程式并勵直流電動機的總損耗為：輸入功率為：輸出的機械功率為：直流電動機的效率為：441.4直流電機的基本方程式

3．轉矩平衡方程式直流電動機以轉速n穩態運行時，作用在電樞上的轉矩有三個：電樞電流與氣隙磁場相互作用產生的拖動性電磁轉矩T；機械負載的制動性轉矩TL，其大小等于電動機的輸出轉矩T2；制動性的空載轉矩T0。其關系為：輸出轉矩常用公式是：在額定情況下：451.4直流電機的基本方程式

二、直流發電機的基本方程式

1．電動勢平衡方程式圖1-20發電機慣例下各物理量參考方向電樞回路的電動勢平衡方程式為：2．功率平衡方程式當直流發電機接上負載后，其輸入功率為：輸出功率為：461.4直流電機的基本方程式

3．轉矩平衡方程式直流發電機以轉速n穩態運行時，作用在電樞上的轉矩有三個：原動機的拖動轉矩:T1電樞電流與氣隙磁場相互作用產生的制動性電磁轉矩:T電機的機械摩擦和鐵損耗等引起的制動性空載轉矩:T0穩態運行時，拖動轉矩與制動轉矩相平衡，按圖中1-20規定的參考方向，有471.4直流電機的基本方程式

【例1-4】一臺額定功率的并勵直流發電機，它的額定電壓,額定轉速，電樞回路總電阻，勵磁回路總電阻。已知機械損耗和鐵損耗，求額定負載情況下各繞組的銅損耗、電磁功率、總損耗、輸入功率及效率（計算過程中，令，附加損耗）。解：先計算額定電流勵磁電流電樞繞組電流電樞回路銅損耗481.4直流電機的基本方程式

總損耗輸入功率效率勵磁回路銅損耗電磁功率491.5直流電機的基本特性

一、直流電動機的工作特性

他勵直流電動機的工作特性：當外加電壓為額定值，勵磁電流為額定值，電樞回路附加電阻為零時，電動機的轉速n、電磁轉矩T、效率η與電樞電流Ia之間的關系。圖1-21他勵直流電動機的工作特性關于直流電動機的額定勵磁電流是這樣規定的：當直流電動機加上額定電壓，帶上負載后，電樞電流、轉速、輸出的機械功率都達到額定值時，電機的勵磁電流為額定勵磁電流。501.5直流電機的基本特性

1．轉速特性2．轉矩特性當電樞電流Ia增加時，如氣隙磁通不變，轉速n將隨Ia的增加而直線下降。由可知，當氣隙磁通不變時，電磁轉矩T與電樞電流Ia成正比，轉矩特性應是直線關系。511.5直流電機的基本特性

3．效率特性電流較小時，隨電流Ia增加較小，效率η增加較快，當電流Ia較大時，隨電流Ia增加較大，效率η增加變慢。【例1-5】一臺他勵直流電動機的額定數據為PN=19KW，UN=220V，nN=3000r/min，IN=91.3A，電樞回路總電阻Ra=0.121Ω，忽略電樞反應影響。求：（1）電動機額定負載時的輸出轉矩；（2）額定電磁轉矩；（3）額定效率；（4）理想空載時的轉速。52解：（1）額定輸出轉矩

（2）額定電磁轉矩

（3）額定效率（4）理想空載時的轉速1.5直流電機的基本特性

531.5直流電機的基本特性

二、直流發電機的運行特性

直流發電機的運行特性：發電機運行時，端電壓U、負載電流I和勵磁電流If這三個基本物理量之間