第一章 直流电机基本知识

由此可见，直流电机具有可逆性，即一台直流电机既可 作发电机运行，也可以作电动机运行。例如电力机车牵 引电机，在牵引工况时，作电动机运行，产生牵引力； 在制动工况时，牵引电机作发电机运行。
本次课要点（作业）： 1、直流电机的概念及其分类。
2、电磁感应定律、公式。
3、直流发电机的工作原理，阻转矩概念。 4、直流电动机的工作原理，反电动势概念。
每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又与两个 不同线圈单元的两个出线端相连接，因而线圈元件数等 于换向片数，即
SK
每个实槽内嵌放上、下两个有效边，成为一个单元 槽或一个虚槽。但有些电机一个实槽上、下层常并列嵌 放多个元件边，如图，这时总的虚槽数为
Zu uZ
Z—电枢铁芯实槽数； u—一个实槽内所包含的虚槽 数。
3.直流发电机产生的电磁转矩 直流发电机电刷两端 获得直流感应电动势后， 若接通电外路负载，线圈 内便产生一电流，电流i方 向与电动势e方向相同。同 时通电导体在磁场又会产 生一电磁力f，形成以电磁 转矩T，T的方向由左手定 则判断可知，T与线圈转动 方向相反。即电磁转矩将 阻碍线圈的旋转，称为阻 转矩。
本次课要点 1.直流电机的组成及各部件的作用。 2.直流发电机和直流电动的额定功率有何不同，额定功 率、额定电压和额定电流的关系是什么？
第三节 直流电机的电枢绕组 电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽 研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组的 线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。不同类型 的电枢绕组，具有不同的连接规律。 直流电机的电枢绕组分为单叠绕组、复叠绕组、 单波绕组、复波绕组等几种类型。 对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前 提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电 气、热），运转可靠，结构简单等。
一般ε 取“-”, y1<τ ,为短 矩绕组，有利于电机换向。
(2)后节距y2 连至同一换向片上的两 个元件中第一个元件的下 层边与第二个元件的上层 边间的距离。 (3)合成节距y 连接同一换向片上的 两个元件对应边之间的距 离。 (4)换向器节距yK 同一元件首末端连接 的换向片之间的距离。
（2）主磁极 :产生电机的主磁场。由主极铁芯和主极线圈 组成。用螺栓固定在机座内壁。
主磁极的铁芯由 1 ～ 1.5mm厚钢 板冲片叠压后再 用铆钉铆紧而成
励磁绕组用绝缘铜线 绕制并进行绝缘处理 后套在主磁极极身上
（3）换向极：又称附加极，用来改 善直流电机的换向。 由换向极铁芯和换向极绕组构成， 同样用螺栓固定在机座内壁。
向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数 和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增 加。
3）增加导体数可以减少感应 电动势的脉冲。实际应用中， 电极电枢由许多线圈组成电枢 绕组，线圈均匀的分布在电枢 表面，并按一定规律连接起来。
多个线圈电刷两端的电动势波 形
实践证明，当每极下线圈边数大于8，电动势脉动的幅值 将小于1%。
f
在直流电动机中，通过电刷和换向器的作用，将外 电源直流电转换成线圈内部的交流电。产生单方向的电 磁转矩，驱动电机持续旋转。同时，电枢在转动时，线 圈又会切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右 手定则判定)的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总 是相反的，称为反电动势Ea。直流电动机若要维持继续 旋转，外加电压就必须高于反电动势，才能不断克服反 电动势而流入电流，正是这种不断克服，实现将电能转 换为机械能。
f f
三.直流电动机的工作原理 直流电动机结构与直流发电机相同，在A、B电刷 之间外接一直流电源，如下图。
f
f
直流电机工作原理图
电流方向为：＋→A→换向片→a→b→c→d→换向片 →B→－。 根据电磁力定律，通电导体ab、cd将受到电磁力f的作 用，大小为： f=BxLi i—导体中流过的电流（A） 电磁力方向有左手定则确定，方向如图所示。电磁力 对转轴形成一电磁转矩T，在T的作用下，电枢轴逆时 针旋转起来。
直流电机
直流电动机：将直流电能转换成机械能输 出。 直流电机具有可逆性，既可作直流电动机使用，也可作 直流发电机使用。
一、直流电机的模型结构
直流电机模型图如上图 磁场：图中 N和 S是一对静止的主磁极，用以产生磁场。 主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁。 励磁绕组：容量较小的发电机用永久磁铁做磁极的。容 量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上 的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组， 励磁绕组中的电流称为励磁电流If。 电枢绕组：在N极和 S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱 形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中abcd)， 电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。 换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组 同轴旋转的半圆形铜片----换向片上，组成一个换向器。 换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为 电枢。 在定子上装有两个电刷A和B，接通电枢电路和外电路。
二、直流电机的额定值
铭牌值
电动机铭牌
根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电 机性能的主要数据，称为电机的额定值 1.额定功率PN 指电机按固定的工作方式运行时，所能提供的输 出功率。发电机：电枢两出线端输出的电功率；电动 机：指电动机轴上输出的机械功率。单位为千瓦 （kW）。 PN U N I N 发电机： PN U N I N N 电动机： 2.额定电压UN 指电机安全工作时，电枢绕组允许输出的最高电压或 外加电压，单位为伏（V）。
（3）换向器：机械整流和逆变。即在直流电动机中，将外 加直 流电流逆变成电枢绕组内的交流电流 ；直流发电机中，将 电枢绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势。
直流电机的基本结构总结
主要由定子、转子两部分组成
直流电机 定子 机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器 风扇 转子 电枢绕组 转轴 轴承
若以线圈位置为横坐标， 线圈所在位置的磁通密度 为纵坐标，绘制出Bx分布 曲线如右图。
磁通密度变化波形
由于e∝Bx，电动势波 形和磁密波形变化趋势 一样，如右图。
线圈内感应电动势变化波形
2）通过电刷和换向器的作用， 线圈内的交变电动势转换成电 刷两端的直流电动势。电枢绕
组内虽是一交流电，但由于 换向器的作用，使得电刷 A 电刷两端电动势波形 总是接触 N极下的导线，而 电刷B总是接触S极下的导线，故电流由A流出 B流回， 方向不变，从而将交流电变换成直流电，做直流发电 机运行，如右图。但它的大小仍然是脉动的。欲获得在方
机车车辆系
第一章 直流电机基本知识
第一节 直流电机基本工作原理 第二节 直流电机的基本结构 第三节 直流电机的电枢绕组 第四节 直流电机的磁场
第五节 直流电机的感应电动势和电磁转矩
第六节 直流电机的基本方程 第七节 直流发电机的运行特性
第一节 直流电机基本工作原理
直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一， 是直流发电机和直流电动机的总称。 直流发电机：将机械能转换成直流电能输出。
一、电枢绕组概述
1、电枢绕组元件
构成 直流电机电枢绕组的基本单元为元件； 一个元件两个有效边，其中一个有效边嵌放 在某个槽的上层（上元件边），另一个有效 嵌放在另一个槽的下层（下元件边）,元件的 首末端分别接于两个换向片上。元件在铁芯 槽内部分称为有效部分，槽外部分仅起连接 作用，称端接部分。
2、元件数S、换向片数K、虚槽数Zu之间的关系
3.额定电流IN 指电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许 流过的最大安全电流，单位为安（A）。 4.额定转速nN 指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时， 电机的旋转速度，单位为 转/分（r/min）。 此外，还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、 额定温升、额定效率ηN等。 额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望电 机按额定值运行。实际上，电机运行时的各种数据可 能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。
由此可得S、K、 Zu之间的关系为
S K Zu uZ
4.极距 τ
电枢表面圆周上相邻两主磁极之间的距离，以长度 表示为

以虚槽表示为
Da
2p
Zu 2p
P：主磁极对数
Da：电枢外径
5.绕组节距
指被连接起来的两个元件 边或换向片之间的距离，通常 用虚槽数或换向片数表示。 (1)线圈节距y1： 同一个元件的两个有效边 在电枢表面跨过的距离。
二、直流发电机的工作原理 1.感应电动势的产生
1）如右图，直流电动 机的电枢绕组以恒定转 速n逆时针旋转，线圈 有效边ab和cd将切割 磁力线，产生感应电动 势 e。 由右手定则可确定， 感应电动势方向为 b→a，d→c。
e e
负 载
若接通外电路，电流流向为：红换向片→A→负载→B→绿换向片。
2）当电枢转过90° 时，如图，线圈有 效边ab和cd转到N、 S极的几何中心线上， 此处磁密Bx为零， 故这一瞬间感应电 动势e为零。
换向器
轴承
直流电机转子
（1）转轴：用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。 （2）电枢铁芯：电机磁路的一部分，承受电磁力作用的部件 ；嵌放电枢绕组。
均匀开槽 电枢铁心冲片 (ຫໍສະໝຸດ Baidu.35～0.5mm厚) （硅钢片） 涂绝缘漆冲片叠压而成， 减小磁滞和涡流损耗
（3）电枢绕组：切割磁场产生感应电动势和通过电流 产生电磁转矩，实现机电能量转换。电枢绕组通常用 圆形或者矩形截面的的导线绕制而成，再按一定规律 嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁芯之 间都要妥善的绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外， 槽口处需用槽楔将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部 分用无纬玻璃丝带绑紧。绕组端头 则按一定规律嵌放在换向器铜片的 升高片槽内，并用锡焊或氩弧焊焊 牢。
2.感应电动势的波形
根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电动势为： e=BxLv
Bx－导体所在位置的磁通密度 （T）； L －导体切割磁力线的有效长度（m）； V －导体切割磁力线的线速度（m/s）。
1）导体电动势随时间的变化规律与磁通密度的分布 规律相同。在电机中L一定，先假定电枢以恒转速n旋 转，则v也恒定，即v=常数。那么e∝Bx。
3）当电枢转过180° 时，导体ab和cd及红 绿换向片位置互换， 如右图所示。 由右手定则可确定感 应电动势方向分别为 a→b，c→d。此时， 电动势方向刚好与开 始瞬时方向相反。 外电路中电流方向为： 绿换向片→A→负载→B→红换向片。 由此可见，电刷A始终与N极下的有效边所连接的换向片接触，故电 刷的极性不变。
第二节 直流电机的基本结构
一、直流电机的基本结构 定子：机座、主磁极、换向极、电刷装置等 转子（电枢）：转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。 气隙：定子与转自之间的间隙。 1-风扇 2-机座 3-电枢 4-主磁极 5-换向器 6-刷架 7-接线板 8-出线盒 9-换向磁极 10-端盖 11-转轴
励磁绕组和串换向极 后的电枢绕组出线
定子机座 换向极铁心
换向极绕组
主磁极铁心
主磁极绕组 （励磁绕组）
换向极绕组与电枢 绕组的串联接线
直流电机定子
1.定子 定子：产生磁场和机械支撑 （1）机座：兼起机械支撑和导磁磁路两个作用。通常为 铸钢件，也有采用钢板焊接而成，对于换向要求较高的 电机，可以采用叠片结构的机座。
当电枢转过90°，电刷不与换向片接触，此时线圈中 没有电流，i=0，T=0。但由于机械惯性的作用，电枢 仍能转过一个角度。A、B线圈分别与两个换向片相接 触，位置互换。线圈中又有电流i流过，此时，导体ab、 cd中电流方向为 b→a，d→c， 导体所受电磁力 f 由左手定则判定， 方向如图所示。 因此，线圈仍受 到同一方向的电 磁转矩的作用， 电枢保持同一方 向旋转。
主磁极的铁芯一 般由整块钢，也 可用叠片结构 换向极绕组用绝缘铜线 绕制并进行绝缘处理后 套在换向磁极铁芯上
（4）电刷装置：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。
1—刷杆座 2—弹簧 3—刷杆 4—电刷 5—刷握 6—绝缘件。
刷辫 电刷 刷握 汇流条
2.转子
转轴 端盖 电枢铁心 电枢绕组和槽碶 电枢绕组端部