第二章 直流电机
第二章 直流电机(DC machine)
本章主要讨论
? 直流电机的基本结构和工作原理
? 直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及
改善换向方法
? 从应用角度分析直流电动机的工作特性和直流发电机的运行特性
2.1 直流电机的工作原理及结构
(basic operation principle and structure of DC machine)
一、直流电机的工作原理(basic operation principle)
1.直流电动机：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL 。
在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。 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。如图1。
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。
图1 图2
当电枢旋转到图2所示位置时,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。
2.直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机； 原理：导体切割磁力线产生感应电动势，e=BLV； 原动机驱动电机转子逆时针旋转，如图3。
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图3 图4
转过1800后如图4。导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。 和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下。 电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷 A、B两端可获得直流电动势。
线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。
3.直流电机的可逆性：
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。
二、直流电机的结构(basic structure)
1.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； 2.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴。 3.气隙
**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.
电枢绕组是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
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直流电机的主要结构
定子 主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
转子 2.2直流电机的铭牌数据(type and rated values)
1.型号： Z 2-9 2 铁心长度代号 机座号
第二次改型设计 直流
2.额定值
①额定功率：额定条件下电机所能提供的功率。 发电机PN：指电刷间输出的额定电功率；
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电动机PN：指轴上输出的机械功率。
②额定电压：UN；在额定工况下，电机出线端的平均电压。 发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。
③额定电流：IN；在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。 ④额定转速：nN；在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。 ⑤额定值之间的关系：发电机：额定容量PN= UN IN；
电动机：额定功率PN= UNINηN。
⑥额定励磁电压：UFn ；
额定励磁电流：IfN ；对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。
励磁方式：指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
2.3 直流电机的绕组
(introduction of armature winding)
说明电枢绕组的绕法及基本概念。
电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。
电枢绕组须满足以下要求：
? 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和
绝缘材料，
? 并且要结构简单、运行可靠等。 一、简单绕组
1.直流电枢绕组基本知识
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ 表示。???D2p
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也可用槽数表示，??Z2p（槽），式中Z为电枢总槽数。
元件节距y1（第一节距）： 元件两条边的距离，以槽
数计，总是整数。 换向器节距yk ：通常用换
向片数K来表示。 叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。
波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。
2.举例 P25-26 图2-12 、图2-13
1)原理图 2)展开图 3)元件连接顺序表
二、绕组的基本形式 1.单叠绕组
元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上， yk =1，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。
单叠绕组的特点：
（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上。
（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与并联支路数相同。 （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”。 （4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于
并联支路电动势。
（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电
压。
（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。 2.单波绕组
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所在边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。 单波绕组的特点：
1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关； 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数；
4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。 结论：
相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较
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