直流电动机基本理论及结构

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1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.实槽与虚槽 • 电机电枢上实际开出的槽称为实槽。电机往往有较多的元件来构成电
枢绕组，通常在每个槽的上、下层各放置若干个元件边，如图1-9所示。所谓“虚槽”，即单元槽。一个电机有Z个实槽，每个实槽有u 个虚槽，则总虚槽Zi为uZ。 • 2.元件数、换向片数与虚槽数 • 每个元件有两个元件边，而每一个换向片连接两个元件边，又因为每个虚槽里包含两个元件边，所以，绕组的元件数S、换向片数K和虚槽数Zi三者应相等。
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1.1 直流电动机的原理与结构
• （3）换向器。 • 作用：绕组中电流换向。 • 组成：如图1-6所示，多个压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片
与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接。换向器与转轴固定在一起。
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1.1 直流电动机的原理与结构
通过磁通的部分称为磁轭。 • 材料：由铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。
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1.1 直流电动机的原理与结构
• （2）主磁极。 • 作用：产生气隙磁场。 • 组成：如图1-2所示，主磁极包括铁芯和励磁绕组两部分，主磁极铁
芯柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴做成圆弧形，使气隙磁通均匀。 • 材料：主磁极铁芯一般由1.0～1.5 mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 3.极距 • 极距就是沿电枢表面圆周上相邻两磁极间的距离，用τ表示。通常用
虚槽数表示较为方便，即
• 式中 p——磁极对数。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 4.绕组节距 • 绕组节距通常都用虚槽数或换向片数表示。 • （1）第一节距y1。 • 同一个元件两个有效边之间的距离称为第一节距。为了获得较大的感
应电动势，y1应等于或接近于一个极距，即
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1.2 直流电动机电枢绕组
• （2）合成节距y。 • 相邻两个元件对应边之间的距离称为合成节距。 • （3）换向片节距yK。 • 一个元件两个出线端所连接的换向片之间的距离称为换向片节距。 • （4）第二节距y2。 • 它表示相邻的两个元件中，第一个元件下层边与第二个元件上层边之
• 波绕组：是指相串联的两个元件像波浪式的前进。 • 节距：是指被连接的两个元件边或换向片之间的距离，节距用跨过的
元件边数或换向片数表示。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.2 电枢绕组的基本要求及绕制规则
• 对电枢绕组的基本要求是：一方面能够产生足够大的电动势，通过一定大小的电流，产生足够的转矩；另一方面要尽可能节约材料，结构简单。
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1.1 直流电动机的原理与结构
• 2.转子部分 • （1）电枢铁芯。 • 作用：磁路的一部分。 • 结构：如图1-5所示，用0.5 mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠
压而成。 • （2）电枢绕组。 • 作用：产生感应电动势、通过电枢电流，它是电动机实现机电能量转
换的关键。 • 组成：绝缘导线绕成的线圈（或称元件），按一定规律连接而成。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 绕组是由元件构成的，一个元件由两条元件边和端接线组成。元件边放在槽内，能切割磁力线产生感应电动势，称为“有效边”；端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线使用。为了便于嵌线，每个元件的一个边放在某一个槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一个槽的下层，称为下层边，如图1-8所示。绘图时，为了表达清晰，将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
• 直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。 • 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
包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。 • 下面介绍直流电动机主要部件的作用与基本结构，如图1-1所示。 • 1.定子部分 • （1）机座。 • 作用：固定主磁极、换向极、端盖等，机座还是磁路的一部分，用以
• 直流电机空载（发电机开路；电动机空轴）运行时，其电枢电流等于零或近似等于零。因而空载磁场即为励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的。
• 如图1-12所示为四极空载磁场分布，通电产生N、S极间隔均匀的空载磁场。
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1.3 直流电机磁场
• （1）主磁通Φ：N极→气隙→电枢齿槽→电枢磁轭→电枢铁芯齿槽 →气隙→S极→定子磁轭→N极。
=I+If，而在并励电动机中Ia =I-If。
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1.5 直流电机基本特性
• 3.串励方式 • 串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串联关系。由于励磁电流等于电
• 1.4.1 直流电机的感应电动势
• 直流电机电枢绕组的感应电动势为
• 式中 Φ——电机的气隙磁通； • n——电机的转速； • Ce——与电机结构有关的常数，称为电动势常数，Ce=PN/60a。Ea
的方向由Φ与n的方向按右手定则确定，P为极对数，N为电枢导体总数，a为并联支路对数。 • 式（1.4.1）表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。
和气隙磁通成正比。
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1.5 直流电机基本特性
• 1.5.1 直流电机的励磁方式
• 直流发电机的各种励磁方式接线如图1-14所示。直流电动机的各种励磁方式接线如图1-15所示。
• 1.他励方式 • 他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压U与励磁
电压Uf彼此无关，电枢电流Ia与励磁电流If也无关。 • 2.并励方式 • 并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，在并励发电机中Ia
• 1.1.2 直流电动机工作原理
• 直流电动机是根据通电导体在磁场中受力而运动的原理制成的。根据电磁力定律可知，通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。
• 电磁力的方向用左手定则来判定，左手定则规定：将左手伸平，使拇指与其余四指垂直，并使磁力线的方向指向掌心，四指指向电流的方向，则拇指所指的方向就是电磁力的方向。
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1.3 直流电机磁场
• 与图 1-13（a）比较可见带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分布有如下明显的影响。
• （1）电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变。
• （2）电枢反应使主磁场削弱，电动机出力减小。
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1.4 直流电机的感应电动势与转矩
第1章直流电动机基本理论及结构
• 1.1 直流电动机的原理与结构 • 1.2 直流电动机电枢绕组 • 1.3 直流电动机磁场 • 1.4 直流电动机的感应电动势与转矩 • 1.5 直流电动机基本特性 • 1.6 直流电动机的换向 • 本章小结
1.1 直流电动机的原理与结构
• 1.1.1 直流电动机的结构
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1.1 直流电动机的原理与结构
• 如图1-7（a）所示，导体ab在N极下，电流方向由a到b，根据左手定则可知导体ab受力方向向左；导体cd在S极下，电流方向由c到d，因此导体cd的受力方向向右，两个电磁力所产生的电磁转矩使电枢按逆时针方向旋转。当转子旋转180°，转到如图1-7（b）所示的位置时，导体ab转到S极下，电流方向由b到a，导体的受力方向向右；而导体cd在N极下，电流方向由d到c，导体的受力方向向左，故电枢仍按逆时针方向旋转。
• 图1-13（a）为主磁场在电机中的分布情况。其方向用右手螺旋定则确定。。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m，它与磁极的几何中性线n-n重合。
• 如图1-13（b）所示的电动机的电枢磁场，其方向由右手定则确定。在电刷两边，N极面下的导体和S极面下的导体电流方向始终相反。
• 电枢反应：电枢磁场对主磁场的影响。图1-13（c）所示为电枢反应时的磁场。
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1.4 直流电机的感应电动势与转矩
• 1.4.2 直流电机的电磁转矩Tem
• 电磁转矩Tem为
• Tem=CTΦIa
（1.4.2）
• 式中 Ia——电枢电流；
• CT——一个与电机结构相关的常数，称为转矩常数。电磁转矩Tem 的方向由气隙磁通Φ及电枢电流Ia的方向按左手定则确定。
• 从式（1.4.2）可看出，制造好的直流电机的电磁转矩仅与电枢电流
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.4 单波绕组
• 单波绕组的连接是每个元件与相距约两个极距的元件相串联，绕完一周以后，第x个元件的末端落到与起始换向片相邻的换向片上，如图 1-11所示。由于连接后的形状似波浪，故称为单波绕组。
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1.3 直流电机磁场
• 1.3.1 直流电机的空载磁场
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1.1 直流电动机的原理与结构
• 例如 • Z4—112/2—1 • 式中 Z——Z系列一般用途直流电动机； • 4——设计系列号； • 112——电动机中心高112 mm； • 2——极数为2； • 1——1号铁芯。
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1.1 直流电动机的原理与结构
• 2.直流电动机的额定值 • （1）额定功率PN是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的机械
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1.1 直流电动机的原理与结构
• 1.1.3 直流电动机铭牌
• 铭牌数据主要包括：电动机型号、电动机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电动机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。
• 电动机铭牌上所标的数据为额定数据，具体含义有以下几点。 • 1.型号 • 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。
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1.1 直流电动机的原理与结构
• 由此可知，通过换向器的作用，与电源负极相连的电刷B始终和S极下导体相连，故S极下导体中电流方向恒为流出；而与电源正极相连的电刷A始终和N极下导体相连，故N极下导体中电流方向恒为流入。当导体ab和cd不断交替出现在N极和S极下时，两导体所受电磁力矩始终为逆时针方向，因而使电枢按一定方向旋转。
间的距离。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.3 单叠绕组
• 单叠绕组是指每个元件的首端和末端分别接到相邻的两个换向片上，后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，并接到同一个换向片上，依次串联，最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起，形成一个闭合的结构，又称单叠绕组展开图，如图1-10所示。此时， y=yK=1。
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1.1 直流电动机的原理与结构
• （3）换向极。 • 作用：改善换向。 • 组成：如图1-3所示，有铁芯、绕组。 • 材料：铁芯用整块钢制成，如要求较高，则用1.0～1.5 mm厚的钢板
叠压而成；绕组用粗铜线绕制，流过的是电枢电流。 • 安装位置：在相邻两主极之间。 • （4）电刷装置。 • 作用：连接；交流、直流变换。 • 组成：电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成，如图 1-4 所示。
• 元件：构成绕组的线圈称为绕组的元件，元件分为单匝和多匝两种。 • 元件的首末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，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：相邻主磁极间的距离称为极距。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 叠绕组：是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组呈折叠式前进。
功率，又称为额定容量（W）。 • （2）额定电压UN是指电动机寿命期内安全工作的最高电压（V）。 • （3）额定电流IN是指电动机轴上带有额定机wenku.baidu.com负载时的输入电流
（A）。 • （4）额定效率ηN是指在额定电压、额定电流和额定输出功率的情
况下电动机的效率。
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1.2 直流电动机电枢绕组
• 1.2.1 电枢绕组的常用术语
• 作用：同时交链励磁绕组和电枢绕组，实现能量转换。 • （2）漏磁通Φσ：N极→气隙→相邻S极磁极。 • 影响：电机的能量转换工作不起作用。相反，使电机的损耗加大，效
率降低，增大了磁路的饱和程度，一般情况下，Φσ=（15%～20%） Φ0。
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1.3 直流电机磁场
• 1.3.2 直流电机的电枢磁场

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