直流电机的基本常识
第一章直流电机的基本常识
直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的是直流发电机；将直流电能转换为机械能的是直流电动机。与交流电机相比较，直流电机结构复杂、运行维护困难、成本高。但直流电机具有宽广的的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等突出优点，仍广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械中，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。由于电力电子技术的迅猛发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所替代。本设计主要介绍电力机车上的大功率直流电机。
第一章第一节直流电机的基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙）。 1.定子直流电机定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。(1)机座兼起机械和导磁磁路两个作用。它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁。机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。对于换向要求较高的电机，也可采用叠片结构的机座。
(2)主磁极主磁极由铁芯和主极线圈两部分组成。主磁极铁芯一般用1~1.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。（3）换向极换向极又称附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。换向极由换向极铁芯和换向极线圈构成。换向极铁芯大多用
整块钢加工而成。但在整流电源供电的功率较大的电机中，为了更好的改善电机换向，换向极铁芯也采用叠片结构。换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁芯上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁。（4）电刷装置电刷的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成。电刷一般用石墨粉压制而成。 2.转子转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。（1）转轴转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。（2）电枢铁芯电枢铁芯是电机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。当电枢在磁场中旋转时，在电枢铁芯中将产生涡流和磁滞损耗，为了减少这些损耗的影响，电枢铁芯通常用0.5mm厚的电工钢片叠压而成，电枢铁芯固定在转子支架或转轴上。（3）电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现电能量转换。它是直流电机的主要部分。（4）换向器换向器的作用是机械整流，即在直流电动机中它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电；在直流发电机中它将绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势
第二节直流电机的基本工作原理直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。
（图1.1A）直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）在图1.1A所示瞬间，导体ab 、cd 的感应电动势方向分别由b 指向a和由d 指向c ，这时电刷A呈正极性,电刷B 呈负极性。图1.1 A为直流发电机原理模型。当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。从图看出，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。因此，电刷A始终有正极性，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。导体受力的方向用左手定则确定。这一对
电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。在上图中，当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转，这就是直流电动机的工作原理。
关于直流电机及控制系统的基本知识 6、直流电机的四象限运行： 直流电机与交流电机一样，也有两种运行方式：电动运行和制动运行。如果再以正、反转来分的话，则分为正转运行、正转制动运行和反转运行、反转制动运行四种运行方式。如果以坐标形式来表示的话，则称为电机的四象限运行坐标，见下图4-5各种运行方式的机械特性曲线。 当电机正向运行时，其机械特性是一条横跨1、2、4象限的直线。其中1象限为电动运行状态，电磁转矩方向与旋转方向相同，第2、4象限为制动运行状态，在此状态内是产生一个与转向方向相反的阻力矩，以使拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态下转矩的方向与转速的方向相反，此时电机从轴上吸收机械能并转化为电能消耗于电枢回路电路或回馈于电源。第3象限为反向电动运行。
当电磁转矩T M与转速n同方向，T M是拖动负载运动的，所以电机运行曲线处于1、3象限，1象限为电机正向运行，3象限为电机反向运行；当T M与转速n的方向相反时，表示电机机处于制动运行方式，其机械特性曲线在坐标的2、4象限内，2象限内为电机正向制动，包含能耗制动过程（O A线段）、电源反接制动过程（-T M B线段）和正向回馈制动过程（-n0C）线段；处于第四象限时为电机反向制动，也包含能耗制动过程（O D线段）、倒拉反接制动过程（T M E线段）和反向回馈过程（-n0F线段）。 7、直流电机的启动、停止和制动控制： 直流电机从接入电源开始，电枢由静止开始转动到额定转速的过程，称为启动过程。要求启动时间短、启动转矩大、启动电流小。启动的要求是矛盾的，比如，用逐渐提升供电电压实施软起动，来降低起动电流，但启动时间又会加长；加大启动转矩，又势必增大的启动电流等。因而要根据实际应用和配置情况，对启动问题综合考虑。 1）启动方式： a、直接启动。只适用于小型直流电机。启动方法是先给电机加励磁，并调节励磁电流达到最大，当励磁磁场建立后，再使电枢绕组直接加上额定电压，电机开始启动。在启动过程中，电枢中最大冲击电流，称为启动电流。直流启动，因启动电流大，电气和机械冲击大等缺点，应用较少； b、早期采用变阻器启动，电动机在启动时在电枢回路中串入变阻器，用接触器触点切换电阻只数，限制启动电流。将启动电流限制在2位额定电流以内。后期采用晶闸管电子电力技术，用改变电枢电压的方式实现了软起动。 2）停止方式： a、自由停车。直流电机的电源关断后，电机按运转惯性自由停车； b、施加制动（刹车）措施，如机械抱闸刹车、能耗制动、反接制动等使其快速停车。 3）直流电机的制动方式和方法： 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。 制动的目的：使电动机减速或停车、限制电动机转速的升高（如电车下坡）。 机械抱闸制动也是一种制动（刹车）方式，但不属电机运行特性的范畴。属于电机运行特性的制动方式和方法有以下四种，有时也统称为电磁制动方式。 a、能耗制动。指运行中的直流电机突然断开电枢电源，然后在电枢回路串 入制动电阻，使电枢绕组的惯性能量消耗在电阻上，使电机快速制动。由于电压和输入功率都为0，所以制动平衡，线路简单；
电动机基本知识 电动机通常简称为电机，俗称马达，在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的作用就是将电能转换为机械能。 1、按工作电源分类 根据工作电源的不同，电动机可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机根据电源相数分为单相电动机和三相电动机。直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 2、按结构和工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为同步电动机和异步电动机两种。同步电动机又分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 3 种。异步电动机又分为感应电动机和交流换向器电动机两种。感应电动机又分为单相异步电动机、三相异步电动机和罩极异步电动机3 种。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机 3 种。 3、按启动与运行方式分类 电动机按启动与运行方式可分为电容启动式电动机、电容启动运转式电动机和分相式电动机。
4、按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、复读机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀、电动自行车、电动玩具等）用电动机、其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5、按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（早期称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（早期称为绕线型异步电动机）。 6、按运转速度分类 电动机按运转速度可分为低速电动机、高速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有极恒速电动机、无极恒速电动机、有极变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM 变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。 7、按防护形式分类
电机的基础知识探讨分析 电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。 电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。 电动机的种类 1．按工作电源分根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2．按结构及工作原理分根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3．按起动与运行方式分类根据电动机按起动与运行方式不同，可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 4．按用途分类可分为驱动用电动机和控制用电动机。 驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5．按转子的结构分类根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6．按运转速度分类根据电动机按运转速度不同，可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
直流电机参数
一、概述 1.Z2系列小型直流电机为中华人民共和国机械工业部JB1104-68部颁标准所规定的标准系列小型直流电机。 2.Z2系列小型直流电机共分11个机座号，每个机座号有两种铁心长度，制造有直流电动机、直流发电机、直流调压发电机三种，适用于一般正常的工作环境。电动机作一般传动用，发电机作为一般直流电源用，调压发电机作蓄电池组充电用。 3.励磁方式：电动机为带有少量稳定绕组的并激或他激励磁。 发电机为复激或他激励磁（额定电压为230伏的发电机），调压发电机为并激励磁（不带串激绕组）。 电机的他激励磁电压制成有110伏或220伏二种。 电动机额定电压110伏的仅有他励电压110伏一种。 4.Z2系列电机根据使用要求可制成湿热地区使用的具有防潮、防霉、防盐雾性能的湿热带型（TH）直流电机。 5.型号含义：Z表示“直”流，2表示第二次全国定型设计，横线后数字表示机座号与铁心长短，例如Z2-11前一个1代表1号机座，后一个1代表短铁心，而Z2-112中11代表11号机座，2代表长铁心。 二、结构型式 1.直流发电机或直流调压发电机仅制造卧式，机座带底脚的一种。 2.直流电动机可制成下表所示的结构型式。 三、Z2系列电动机 1.电动机可用三角皮带、正齿轮或弹性联轴器进行传动，不使电机轴承受轴向推力。 2.电动机可在正转或逆转情况下正常工作。 四、Z2系列发电机及调压发电机 1.Z2系列发电机及调压发电机的旋转方向自换向器端看去为顺时针方向，根据使用要求亦可制成逆时针方向旋转的发电机或调压发电机。 2.Z2系列发电机及调压发电机根据订货要求可制成与Y系列三相异步电动机配套成的发电机组成套供应。 3.调压发电机的额定功率为平均电压（对110/160伏的为135伏，对220/320伏的为270伏）时的功率，当电压高于平均电压时其输出功率不大于额定功率，当电压低于平均电压时其输出电流不大于额定电流。 五、订货须知 订货时须注明电机的型号及具体规格（包括励磁方式、旋转方向、出线盒位置、是否双轴伸、结构型式等），例如Z2-62 13千瓦220伏1500转/分他激电动机，他励电压220伏，卧式机座带底脚，端盖有凸缘。 配套的异步电动机、变阻器等附件，电刷、刷握等备件的供应，或有特殊要求（如供湿热带地
直流电机的基本知识 1 直流电机的工作原理 永磁式直流电机是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图是这种电机的符号和简化等效电路[1]。 工作原理图： 图直流电机的符号和等效电路 这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。 永磁式换流器电机的特点： 当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。 当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。 加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。 当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。 转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。 体积小、重量轻、起动转矩大。 由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。 对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。
直流电机的基础知识/第三部分 ——直流调速的主电路形式和整机电路构成 直流电机需要直流电源的供给，这要求一个能将交流电转变为直流电的电源装置。另外，直流电机的起/停、保护、调速等控制电路，也常常与直流电源集成于一体，称为直流调速装置或直流调速器。 早期对直流电机的调速控制，用直流发电机作直流电机的直流电源，用接触器配合变阻箱实现直流电机的启/停控制和调速，系统繁杂、造价高。后期由于晶闸管等电力电子器件的成熟应用，出现了静止式直流调速装置，系统配置变得精简，而控制性能大幅度提升。国内外，有一些专业厂家，专门生产了专用于直流电机调速的系列产品，进口产品如英国欧陆传动系统有限公司生产的《590+直流数字式调速器》、ABB（瑞典阿西亚公司和瑞士的布朗勃法瑞公司合并而成）集团公司生产的《DCS400晶闸管变流器直流传动系统》等，国内生产厂家更是林林总总，不下百家。其产品范围囊括了大、中、小功率，他励、自励直流电机的调速控制。 1、小功率直流电机调速器的主电路形式： DC+(A1) SCR2 SCR1 DC-(A2) DC+(F1) DC-(F2)（a）主电路形式1（b）主电路形式2（c）主电路形式3 DC-(A2) L N L N 图1 小功率电机调速器的主电路形式 小功率直流电机，串、并励结构都有，上图（a）、（b）为串励直流电机所用的调压电路，电枢和励磁采用同一电源供电。（a）电路，当电源L端为电压极性为正时，形成SCR1→电机绕组回路→D2，回到电源N端；L端为电压极性为负时，形成SCR2→电机绕组回路→D1→电源N端的电流通路。从分析得出，SCR1与D2相串联，故控制SCR1的导通角，即可实现可控整流。这种由二极管和晶闸管构成的整流桥电路，又称半控桥调压电路。假定两只晶闸管处于最大导通角，电路形同一个桥式整流器，输入AC220V，输出整流电压为220V×0.9=198V，故调压范围约为0~198V；（b）电路，两只可控硅位于整流桥的上桥臂，仍呈现SCR1、D2和
第三章：直流电机原理 一、简答题： 1、换向器在直流电机中起什么作用? 在直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组里交流电整流为直流电，在正、负电刷两端输出。在直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。 2、直流电机铭牌上的额定功率是指什么功率? 直流电机铭牌上的额定功率：对直流发电机而言，指的是输出的电功率的额定值;对直流电动机而言，指的是电动机轴上输出的机械功率的额定值 3、直流电机主磁路包括哪几部分? 磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一 部分? 直流电机的主磁路主要包括;主磁极、定、转子之间的气隙电枢齿、电枢磁轭、定子磁轭。磁路未饱和时，铁的磁导率远大于空气的磁导率，气隙的磁阻比磁路中的铁心部分大得多，所以，励磁磁通势主要消耗在气隙上。 4、如何改变他励直流发电机的电枢电动势的方向? 如何改变他励直流电动机空 载运行时的转向? 通过改变他励直流发电机励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电枢电动势的方向;也可以通过改变他励直流发电机的旋转方向来改变电枢电动势的方向。 改变励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电动机旋转方向;也可通过改变电枢电压的极性来改变他励直流电动机的旋转方向。 5、直流发电机的损耗主要有哪些? 铁损耗存在于哪一部分,它随负载变化吗? 电枢铜损耗随负载变化吗? 直流发电机的损耗主要有:(1)励磁绕组铜损耗;(2)机械摩擦损耗;(3)铁损耗;(4)电枢铜损耗;(5)电刷损耗;(6)附加损耗。铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时硅钢片中的磁滞和涡流损耗。这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关。当电机的励磁电流和转速不变时,铁损耗也几乎不变。它与负载的变化几乎没有关系。电枢铜损耗由电枢电流引起,当负载增加时,电枢电流同时增加,电枢铜损耗随之增加。电枢铜损耗与电枢电流的平方成正比。
一、直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 1. 定子 （1）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。 （2）换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 （3）机座 电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 （4）电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 2. 转子(电枢) （1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 （2）电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 （3）换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向电枢槽的结构片的紧固，换向片的下部做成鸽1—槽楔2
直流电动机的构造原理及其工作过程 1. 如图所示的甲、乙两图中的矩形线圈，现在给它们通电，则下列说法正确的是（） A. 甲中线圈转动，乙中线圈不转动 B. 乙中线圈转动，甲中线圈不转动 C. 甲、乙中的线圈都会转 动 D. 甲、乙中的线圈都不会转动 2. 线圈abcd转动过程中经过图甲、乙位置时，导线ab所受磁场力的方向（） A. 相同，是由于磁场方向、流过ab的电流方向都没改变 B. 相同，是由于磁场方向、流过ab的电流方向都改变了 C. 相反，是由于流过ab的电流方向相反了 D. 相反，是由于磁场方向相反了 3. 同学们在制作电动机模型时，把一段粗漆包线烧成约3cm×2cm的矩形线圈，漆包线在线圈的两端各伸出约3cm．然后，用小刀刮两端引线的漆皮．用硬金属丝做两个支架，固定在硬纸板上．两个支架分别与电池的两极相连．把线圈放在支架上，线圈下放一块强磁铁，如图所示．给线圈通电并用手轻推一下，线圈就会不停的转下去． （1）在漆包线两端用小刀刮去引线的漆皮，刮线的要求是（填选项“A”或“B”）．A. 两端全刮掉 B. 一端全部刮掉，另一端只刮半周 （2）线圈在转动过程中________能转化为________能． （3）小华组装好实验装置，接通电源后，发现线圈不能转动，写出一条可能造成该现象的原因________．4. 学习了电动机后，小刚同学采取了下列办法自制了一个小型电动机，把漆包线绕成约1cm×2cm的矩形线圈，线的两端各留约5cm作为引线，从矩形短边引出（如图甲），然后用小刀刮去两条引线的漆皮，其中一端全部刮去，另一端刮去上半周或下半周（如图乙），这就是电动机的线圈。用钳子把粗铜丝或曲别针弄弯，做两个支架，固定在硬纸板上，永磁体放在线圈下，小型电动机就做成了（如图丙）。用手转一
直流永磁电机基本知识 一.直流电机的工作原理 1.直流电机的工作原理 这是分析直流电机的物理模型图。 其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
直流电机的原理图 对上上图所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。 将直流电机的工作原理归结如下 A.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 B.电机内部有磁场存在。 C.载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Bli a（左手定则） D.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。 2. 归纳 A. 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 B. 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数. 注：a－支路对数 p－极对数
直流电机的基础知识（第2部分） ——晶闸管直流调速装置的电路原理分析与调试 （电子管）二极管的出现，使人们找到了控制电流方向的“钥匙”，（电子管）三极管的出现，使人们掌握了控制电流大小的奥妙，人类文明由此进入了电子时代的新纪元。做为“弱电”的电子元件，从来都希望并且也有能力在“强电领域”占有一席之地，晶闸管在工业控制领域得以广泛的应用，即是一个有力的证明。 电子器件的发展，经历了电子管、晶体管、（小、中、大规模）集成电路的三个阶段。其中电子管除在高频高压电路，得到极少数应用外，常规电路中已难见到它们的踪影。但晶体管电路的“阵地”随集成电路的“强势出击”虽有所缩小，但并示全盘“退却”，像上文所述的滑差电机调速盒，仍以由晶体管分立元件构成的电路为主流。 正在应用中的直流电机调速器，仍有部分由晶体管分立元件构成的整机电路，分析其原理和给出检修指导，仍具有实际意义，并且为进一步掌握由集成电路（或单片机）构成的直流调速电路，也相当于一个基础和原理性的铺垫。 N 图1 单相晶闸管直流电机调速器（整机电路） 该电路用于小功率他励直流电机的调速与起停控制。
〔主电路〕由单相半控整流桥、滤波电抗器L0构成，桥式整流电路的左侧由两只晶闸管串联而成，右则的两只串联二极管（2CZ50A）与两只晶闸管呈并联关系，两只二极管身兼双职，即可作为整流元件，又并接于电枢绕组两端，提供电枢绕组的反电势通路，起到为电枢绕组的“续流作用”，因而该电路省去了并接于电枢电源两端的续流二极管。电抗器L0可抑制整流后脉动成分，改善电机的换向并降低电机损耗和温升，同时起到提高电网侧功率因数的作用，减弱晶闸管与二极管非线性整流造成的谐波影响。 〔励磁电路〕由桥式整流器组成，电机励磁线圈并串有电流继电器LJ，当励磁电流消失时，主电路晶闸管的触发信号同时消失，电枢绕组同时断电，避免了电机超速（或飞车）运行。他励和和复励直流电机的调速控制电路，都设有励磁电流检测回路，以实现“失磁”时的停机保护。 〔移相触发电路〕由DW0、DW1、DW2、晶体管BG1~BG5、脉冲变压器B2等元件组成。电阻R1、稳压器WG1对70V绕组整流电压进行削波处理成梯形波电压，做为触冲功放级BG5、BG3的供电和电网过零同步信号，控制BG5在电网电压过零时处于截止状态；该梯形波直流电压又经D1隔离、C4滤波成平滑和稳定直流电压，用作移相电路的前级信号处理电路——BG1放大器的供电，以提高电路工作的稳定性。 R16、WG3对另一70V绕组整流电压，削波生成梯形波直流电压，该电压作为同步采样信号，经DW0、DW1、DW2三只电位器调整后，经R7、BG1的发射结、射极电流负反馈电阻R6、DW3、DW4等元件形成了BG1的Ib回路（或称为基极偏压回路），形成了速度给定信号。DW0、DW2用于用于调速范围的设定，D2、D3、D4三只二极管，起到BG1的be结正反向电压的限幅保护作用，将BG1的最大Ic（即BG2的最大Ib）限制于1.4V(两二极管串联压降)－0.7V(BG1发射结电压)/24kΩ=0.029Ma，从而限制了BG2的最小等效导通Rce电阻，限制了单结晶体管BG3形成直通而停振。串入DW3、DW4、DW5支路的目的，是引入电流、电压反馈信号，形成速度闭环控制及电流保护作用（见下文所述）。 当DW2活动臂上行时→BG1的Ub（Ib）上升→BG2的Ib/Ic上升→BG1的Rce（等效导通电阻）变小→C1上充电电压到达BG3基极峰点电压的时刻提前→BG3的导通提前→（在触发脉冲作用下）两只主电路晶闸管的导通时刻提前→半控桥整流电压升高→直流电机转速升高。 移相信号形成电路的主体为单结晶体管BG3、R3（包括BG2导通时的等效Rce）C1的定时电路所组成的张驰振荡器。BG5为脉冲功率放大电路，将输入移相触冲进行功率放大后，驱动脉冲变压器B2。而BG1、BG2两级放大器，组成了可控的变阻电路（BG2的等效导通Rce电阻），使之对C1的充电是可控的（可以调节RC时间常数），进而控制了张驰振荡器第一个脉冲出现的时刻。 注意：稳压二极管WG1两端形成的梯形波电压，为桥式整流所得的100个波头的削波电压，相邻两个波即对应电网电压的正负两个波，两只晶闸管的栅-阴极得到的实际为100Hz的
专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。
2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构 如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A 流入，经过线圈abcd，从电刷B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果
转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A 和换向片2接触，电刷B 和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。 如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。 3直流电机重要特性 如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。 我们可以得到直流电机的四个基本方程：
直流电机的基本常识 第一章直流电机的基本常识 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的是直流发电机；将直流电能转换为机械能的是直流电动机。与交流电机相比较，直流电机结构复杂、运行维护困难、成本高。但直流电机具有宽广的的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等突出优点，仍广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械中，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。由于电力电子技术的迅猛发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所替代。本设计主要介绍电力机车上的大功率直流电机。 第一章第一节直流电机的基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙）。 1.定子直流电机定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。(1)机座兼起机械和导磁磁路两个作用。它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁。机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。对于换向要求较高的电机，也可采用叠片结构的机座。 (2)主磁极主磁极由铁芯和主极线圈两部分组成。主磁极铁芯一般用1~1.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。（3）换向极换向极又称附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。换向极由换向极铁芯和换向极线圈构成。换向极铁芯大多用
整块钢加工而成。但在整流电源供电的功率较大的电机中，为了更好的改善电机换向，换向极铁芯也采用叠片结构。换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁芯上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁。（4）电刷装置电刷的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成。电刷一般用石墨粉压制而成。 2.转子转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。（1）转轴转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。（2）电枢铁芯电枢铁芯是电机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。当电枢在磁场中旋转时，在电枢铁芯中将产生涡流和磁滞损耗，为了减少这些损耗的影响，电枢铁芯通常用0.5mm厚的电工钢片叠压而成，电枢铁芯固定在转子支架或转轴上。（3）电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现电能量转换。它是直流电机的主要部分。（4）换向器换向器的作用是机械整流，即在直流电动机中它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电；在直流发电机中它将绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势 第二节直流电机的基本工作原理直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。
一、电机学共同问题 1. 空载、负载磁场、漏磁场的产生： 直流电机、变压器、异步电机、同步电机空载时的主磁场各是由什么产生的？ 直流电机、变压器、异步电机、同步电机负载时的合成磁场各是由什么产生的？ 漏磁场是如何产生的？何时有？何时无？ 2. 磁势平衡方程、电枢反应问题 变压器、异步电机中，磁势平衡方程说明了什么？ 直流电机、同步电机中，电枢反应的物理意义是是什么？ 磁势平衡和电枢反应有何联系？ 3. 数学模型问题： I. 直流电机： u = E + I ×ra （+ 2?U b ）（电动） E = u + I ×ra （+ 2?U b ）（发电） E = C E Φ n C E = PN a /60/a T E = C M Φ I a C M = PN a /2π/a 其中N a 上总导体数 II. 变压器： 折算前1 1112222120121 022/m L U E I Z U E I Z I I k I E kE E I Z U I Z ?=-+? =-??+=?? =??-=??=? 折算后 1111 2222012121022'''''''''m L U E I Z U E I Z I I I E E E I Z U I Z ?=-+? =-??=+?? =??-=??=? III. 异步电机：f 折算后()1111 2222σ012121 m m //i e U E I Z E I R s jX I I I k E k E E I Z ?=-+? =+?? =+?? =??=-? w 折算后()1111 2222σ102 12 1 0m /j U E I Z E I R s X I I I E E E I Z ?=-+? ''''=+?? '=-?? '=??=-? 未折算时 ()1111 22222201212221 m m , , s s s s s e s U E I Z E I R jX X sX F F F E k E E sE E I Z σσσ?=-+? =+=?? =+?? ==??=-?
. 1-1.在直流电动机的电枢绕组中为什么也有感应电动势？其方向与电流方向有什么关系？在直流发电机空载即电枢电流为零时，是否电磁转矩？为什么？ 答：不管有没有外部电源，只要是电枢绕组磁通发生变化，均会产生感应电动势。虽然直流电动机通入直流电以后才会旋转，但是在旋转过程中电枢绕组同样会切割定子磁场磁力线，符合电磁感应原理（楞次定律/右手定则）就会在电枢中感应出电动势。就是这个电势抵消部分外加电源电压，抑制了直流电动机电流，它与电流方向相反。如果没有这个感应电动势，电动机电流就=直流电源电电压/电枢绕组的直流电阻，这时候电枢绕组只是相当于一个发热的电阻丝。直流发电机空载时没有电流，则电磁转矩为零。因为f=Bli i=0 则f=0,电动机和发电机只是工作状态不同。 1-2.直流电机机座中的磁通是恒定不变还是大小正负交变还是旋转的？而电枢铁芯中的磁通又是什么性质？ 答：机座（定子磁极）中的磁通是大小方向保持不变的。电枢铁芯中的磁通在空间上是不变的，相对转子是旋转的，也可以理解为正负交变的，不同电机不同。 1-3. 直流电机的电枢铁芯为什么必须采用硅钢片迭成而机座和主磁极可以采用整块的铁？为什么有的主磁极也采用薄钢板迭成？ 答：电枢铁芯旋转，电枢铁芯内的磁场是交变的，为了减小铁耗，故要用硅钢片迭成。机座和主极中的磁场是恒定的，故可采用整块的铁。 但是，由于电枢齿槽的影响，电枢旋转时主磁极极靴表面磁场发生脉动，引起附加损耗，为了降低表面损耗，主磁极有时采用薄钢板迭成 1-4. 直流电机各个主磁极的励磁线圈为什么都互相串联成一条支路而不采用并联的方式？答：这是电机制造工艺方便考虑，励磁线圈串联接法，绕组是头尾相接，这样只需要用一根线连接，电机内部空间有限，对大电机及多极电机更显优点，因为这种电机励磁线圈导线都较粗一般都是用矩形线。小容量电机励磁线圈串联并联就无所谓了。 1-5. 什么是电机的可逆原理？接在直流电源上运行的直流电机，如何判别它是运行在发电状态还是运行在电动状态？ 答：从原理上讲,一台直流电机既可作为电动机,把电能转换为机械能,也可作为发电机,把机械能转换为电能，这就是其可逆性。 当Ea>U，T与转速n反向，发电机。当Ea A Knowledge Based Decision Support Architecture for Designing Brushless DC Motors Vahab Akbarzadeh Ryerson University 350 Victoria Street Toronto, Ontario M5B 2K3 vahab.akbarzadeh@ryerson.ca Alireza Sadeghian Ryerson University 350 Victoria Street Toronto, Ontario M5B 2K3 asadeghi@ryerson.ca Abstract This paper presents a know l edge based decision support system that can be used to design brushless DC motors. A hybrid approach, that inc l udes an object oriented paradigm using frames and procedura l attachments together with a rul e based mechanism, is used to bui d the proposed architecture. The design strategy is impl emented using a rul e-based successive iterative method, through which the expert designer approach is emul ated and embedded in a knowl edge-based system. The performance of the proposed system is compared with results from the literature. 1. Introduction Application of brushless DC (BLDC) motors has increased significantly over the past decades. This is mainly due to high reliability and efficiency of BLDC motors as well as their ability to reach very high speed. Brushless DC motors are rotational brushless permanent magnet motors which are driven by DC current and use electronic control systems instead of the brushes that are usually used in conventional DC motors. Compared to conventional commutator type DC motors, BLDC motors are more efficient, need less maintenance and have longer life span. On the other hand, the control system of BLDC motors needs a rotor positioning mechanism, and the magnets might gradually demagnetize [1], [8]. BLDC motors have been used in a wide variety of applications from industrial to household devices. Typical examples include industrial tools (pumps, compressors), power tools (drills, hammers), transportation (electric vehicles), and household devices (electric shavers, mixers) [4]. Small BLDC motors have also been extensively used in precision devices including medical equipment, computer drives, hard disks, and players. The conventional design process for BLDC motors consists of selection of the appropriate magnetic material and specification of the geometrical properties of the motor. First, based on the design specifications, the expert designer selects the set of materials to be used for motor construction, including material for the permanent magnet. Properties of the selected materials are then plugged into a set of equations which calculate the geometrical properties of the motor. Characteristics of the proposed design are then measured in terms of indicators such as efficiency, motor constant, weight, and cost. Magnetic modeling in the conventional method is usually simplified to use a magnetic circuit instead of finite element analysis. This simplification reduces the computation complexity of the design process [6]. Table 1 shows the types of knowledge involved in motor design, independent of the design process and the assumptions [7]: Tab l e 1. Types of know l edge to be incorporated in the know l edge base environment DATA TYPE DESCRIPTION Structural Physical data including material, core, wire gauge, etc. Graphical Charts and graphs, e.g., core loss rates of various magnetic materials versus frequency and flux density. Heuristic The empirical knowledge rules used by the experts as a design aid. Procedural The motor design process and the modification steps. Criteria The final performance requirements of the system. Analytical The design and performance equations. This paper presents a knowledge based architecture that provides an attractive setting for the BLDC motor design problem by providing a suitable framework whereby analytical data as well as empirical and heuristic data can be readily incorporated and assessed. By presenting a number of alternate designs that have satisfied the design specifications and vary in one or more key characteristics, the proposed system acts as a knowledge driven decision support system capable of providing assistance to expert designers. A contrasting 978-1-4244-2728-4/09/$25.00 ?2009 IEEE无刷直流电机结构设计的基本知识
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