2.5并励直流发电机、直流电动机

第五节直流电动机一、直流电动机的结构直流电动机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成。

图4-28直流电动机的结构图。

下面就一些主要的部件分别予以介绍。

1、定子定子主要部件包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等。

1）主磁极主磁极的作用是产生主磁场。

主磁极结构如图4-29所示。

绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。

主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

一般主磁极铁心采用低碳钢板冲成一定形状叠装固定而成。

主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。

套在主磁极铁心上的励磁绕组根据其不同的使用情况分为两种：一种是并励绕组；一种是串励绕组；并励绕组的匝数多、导线细，串励绕组的匝数少、导线粗。

整个主磁极再用螺杆固定在机座上。

2）换向极在相邻的主磁极之间装有换向磁极，它也是由铁心和绕组构成。

其作用是改善换向，使电机运行时，在电刷与换向器的接触面上不致产生有害的火花。

3）机座直流电机的机座有两个作用：一是构成主磁路的一部分，机座中作为磁路通路的部分称为磁轭，二是对电动机起到支撑作用，主磁极和换向极固定于磁轭上。

4）电刷装置电刷装置的作用是将转动的电枢(转子)中的电压和电流引出来，或将外加电源的电流输入到转动的电枢中去。

电刷是主要由石墨做成的导电块，放在刷握中，由弹簧机构施以一定的压力使其压在换向器表面上，电机运行时与换向器表面形成滑动接触，电刷上焊的铜丝辫引出或引入电流。

如图4-30所示。

电刷的组数即电刷杆数一般与主磁极的极数相等，各刷杆装在一圆形的可以转动的刷杆座上，刷杆座固定在一端的端盖上。

2、转子（电枢）直流电机的转子，它是电机实现机电能量转换的枢纽，所以常称之为电枢。

电枢部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

1）电枢铁心电枢铁心既是主磁路的一部分，又要嵌放电枢绕组。

为了减小铁心损耗，电枢铁心一般由涂有绝缘漆的0.5mm厚的硅钢片冲压后叠压而成，硅钢片边缘冲有槽口，叠成圆柱体后外表面形成许多均匀分布的槽，槽内嵌放着电枢绕组。

《电机学》（高起专）习题答案一、单选题1、并励直流发电机的额定功率P N等于（C ）A. U N I N‧ηNB. E a I aC. U N I N2、直流电动机电磁转矩的作用方向与转子的旋转方向( B )。

A.无关B.相反C.相同D.垂直3、直流电动机降压调速后稳定后，若磁场及负载转矩不变，则（B）不变。

A.输入功率B.电枢电流C.输出功率D.转速4、他励直流电动机拖动恒转矩负载进行串电阻调速，调速前后的电枢电流分别为I1和I2，那么两者之间的关系为：（B）A. I1 < I2B. I1 = I2C. I1 > I2D.不确定5、直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（B）A.为了使起动过程平稳B.为了减小起动电流C.为了减小起动转矩D.为了减小电压6、在直流电机中，增加电枢线圈的数量，可以使电磁转矩中的脉动( B )A.增大;B.减小C.不变D.不确定7、变压器负载电流不变时，功率因数越大，其效率（D）。

A.越大B.越小C.不变D.与铁损耗、铜损耗比值有关8、直流电动机启动时，随着转速的升高，电枢电流由大变小的原因是( A )A.Ea增大B. Ea减小C.Ea反向9、一台并励直流电动机空载运行时，若不慎将励磁回路断开，电机转速将( C )A. 升到某一值后稳定运行;B. 减速后停转;C. 增加到不允许的值即“飞车”;D. 原速运行。

10、某他励直流发电机空载运行，调节励磁电流为2.0A时能建立额定电压220V，若原动机使不变；将上升到4.0A，则能建立的电压值为( B )A. 440VB.大于220VC.小于440VD. 220V11、直流电动机降压调速稳定后，若磁场及负载转矩不变，则( B )不变A.输入功率B.电枢电流C.输出功率D.转速12、直流发电机电刷在与位于几何中线上的导体相接触的位置，若磁路不饱和，这时电枢反应是( C )A.增磁B.去磁C.不增磁也不去磁D.前极端去磁后极端不变13、变压器铁耗与铜耗相等时效率最大，设计电力变压器时应使铁耗（C）铜耗。

习题与思考题第二章机电传动系统的动力学基础2.1 说明机电传动系统运动方程中的拖动转矩，静态转矩和动态转矩。

拖动转矩是有电动机产生用来克服负载转矩，以带动生产机械运动的。

静态转矩就是由生产机械产生的负载转矩。

动态转矩是拖动转矩减去静态转矩。

2.2 从运动方程式怎样看出系统是处于加速，减速，稳态的和静态的工作状态。

TM-TL>0说明系统处于加速，TM-TL<0 说明系统处于减速，TM-TL=0说明系统处于稳态（即静态）的工作状态。

2.3 试列出以下几种情况下（见题2.3图）系统的运动方程式，并说明系统的运动状态是加速，减速，还是匀速？（图中箭头方向表示转矩的实际作用方向）TM TL TM TLNTM=TL TM< TLTM-TL>0说明系统处于加速。

TM-TL<0 说明系统处于减速TM TL TM TLTM> TL TM> TL系统的运动状态是减速系统的运动状态是加速TM TL TM TL TM= TL TM= TL系统的运动状态是减速系统的运动状态是匀速2.4 多轴拖动系统为什么要折算成单轴拖动系统？转矩折算为什么依据折算前后功率不变的原则？转动惯量折算为什么依据折算前后动能不变的原则？因为许多生产机械要求低转速运行，而电动机一般具有较高的额定转速。

这样，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，如减速齿轮箱或蜗轮蜗杆，皮带等减速装置。

所以为了列出系统运动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量这算到一根轴上。

转矩折算前后功率不变的原则是P=Tω, p不变。

转动惯量折算前后动能不变原则是能量守恒MV=0.5Jω22.5为什么低速轴转矩大，高速轴转矩小？因为P= Tω,P不变ω越小T越大，ω越大T 越小。

2.6为什么机电传动系统中低速轴的GD2逼高速轴的GD2大得多?因为P=Tω，T=G∂D2/375. P=ωG∂D2/375. ,P不变转速越小GD2越大，转速越大GD2越小。

直流电机的工作原理
直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。

它的工作原理基于洛伦兹力和电动行为的相互作用。

直流电机的核心部件是电枢，由大量线圈组成。

当直流电源施加在电枢上时，电流流经线圈，产生一圈圈的磁场。

在电枢旁边，有一个磁体称为永磁体或者磁场极，它产生恒定的磁场。

当电流通过电枢的线圈时，根据右手定则，线圈内的磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生力矩。

由于电流的方向是可逆的，所以直流电机的转向也是可逆的。

当电流改变方向时，电枢产生的磁场方向也会改变，进而改变了与永磁体的相互作用，实现了转向。

为了实现连续的旋转运动，直流电机需要一个机械装置来改变电枢线圈的方向。

这个装置通常由一个可调整的组件（如换向器和刷子）组成，它能够使电流从一个线圈转移到下一个线圈，从而保持电枢的旋转方向。

总之，直流电机工作的基本原理就是利用洛伦兹力和电动行为，通过电磁感应和相互作用实现电能到机械能的转换。

第二章直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理（一）直流电机的构成（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。

1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2）特点：e=BLV；a、电枢绕组中电动势是交流电动势b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1）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（2）特点：f=BiLa、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。

c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n同向）**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。

3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成（二）直流电机的基本结构1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3.电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4.电枢绕组——电路。

电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）5.换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）（三）励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图1.23（a）所示。

图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。

永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图1.23（b）所示。

作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图1.23（c）所示。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图1.23（d）所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

《电机学》课后习题答案华中科技大学辜承林主编第1章 导论1.1 电机和变压器的磁路常采用什么材料制成？这些材料各有哪些主要特性？ 解：磁路：硅钢片。

特点：导磁率高。

电路：紫铜线。

特点：导电性能好，电阻损耗小. 电机：热轧硅钢片， 永磁材料 铁氧体 稀土钴 钕铁硼 变压器：冷轧硅钢片。

1.2 磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因素有关？解：磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化，磁畴会不停转动，相互间产生摩擦，消耗能量，产生功率损耗。

与磁场交变频率f ，磁通密度B ，材料，体积，厚度有关。

涡流损耗：由电磁感应定律，硅钢片中有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生叫涡流，涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的损耗叫涡流损耗。

与磁场交变频率f ，磁通密度，材料，体积，厚度有关。

1.3 变压器电动势、运动电动势产生的原因有什么不同？其大小与哪些因素有关？ 解：变压器电势：磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势 4.44m EfN φ=。

运动电势：线圈与磁场间的相对运动而产生的e T 与磁密B ，运动速度v ，导体长度l ，匝数N 有关。

1.6自感系数的大小与哪些因素有关？有两个匝数相等的线圈，一个绕在闭合铁心上，一个绕在木质材料上，哪一个自感系数大？哪一个自感系数是常数？哪一个自感系数是变数，随什么原因变化？ 解：自感电势：由于电流本身随时间变化而在线圈内感应的电势叫自感电势。

d L e d t Lψ=-对空心线圈：L Li ψ= 所以die L L dt=-自感：2LL N N m m iiiLNi N φψ===∧=∧ Am l μ∧=所以，L 的大小与匝数平方、磁导率µ、磁路截面积A 、磁路平均长度l 有关。

闭合铁心µ>>µ0，所以闭合铁心的自感系数远大于木质材料。

因为µ0是常数，所以木质材料的自感系数是常数，铁心材料的自感系数是随磁通密度而变化。

电机与拖动刘锦波第2章习题解答第2章习题解答思考题2.1 直流电机电刷内的电枢绕组中所流过的电流是交流还是直流？若是交流，其交变频率是多少？答：直流电机电刷内的电枢绕组中所流过的电流是交流，⽽电刷外部为直流。

电刷与换向器组合实现了外部直流与内部交流的转换（或换流）。

内部电枢绕组所感应电势或电流的频率为：Hz n p f 60=，即内部电流的⽅向每转交变p 次（p 为电机的极对数）。

2.2 为什么直流电动机必须采⽤电刷和换向器把外加直流电源转变交流然后再给电枢绕组供电，⽽不是直接采⽤直流电源供电？答：对于直流电动机，若不采⽤电刷或换向器将直流转换为内部交流，⽽是直接采⽤直流供电，则当电枢绕组的某⼀导体边转⾄极下时，假定电流为流⼊的，电磁转矩沿顺时针⽅向。

则当该导体边转⾄极下时，电流仍为流⼊的，则所产⽣的电磁转矩必为逆时针⽅向。

这样，在⼀个周期内，电机的转⼦（或电枢）不可能产⽣有效的电磁转矩。

故此，必须采⽤机械式换流器完成直流到交流的转换。

N S 2.3 直流电机铭牌上所给出的额定功率是指输出功率还是输⼊功率？是电功率还是机械功率？答：电机铭牌上的额定功率均指输出功率。

对于电动机，其额定功率是指机械输出功率；对于发电机，其额定功率是指电枢绕组的输出电功率。

2.4 为什么说直流电机的绕组是闭合绕组？答：直流电机的线圈之间是通过换向⽚依次相联的，每⼀个换向⽚均与不同线圈的两个导体边相连，由此构成的电枢绕组⾃然是闭合绕组。

2.5 如果将传统永磁直流电动机的定⼦和转⼦颠倒，即定⼦侧为电枢绕组⽽转⼦采⽤永久磁钢产⽣励磁，试分析这样⼀台反装式直流电动机其电刷应该是静⽌还是旋转的？说明理由。

答：传统永磁直流电动机的磁极位于定⼦,⽽电枢绕组位于转⼦，其换向器随电枢绕组⼀同旋转，⽽电刷则固定在定⼦侧，只有这样才能产⽣有效的电磁转矩。

换句话说，直流电机的电刷必须相对主极是静⽌不动的，才能产⽣有效的电磁转矩。

因此，当传统直流电动机反装，亦即电枢绕组位于定⼦，⽽主极位于转⼦时，其电刷应随主极⼀同旋转。