第二章直流电机的基本结构和运行分析 直流电杋是电能和杋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电机称 为直流发电机;将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直 流电源:直流电动机具有宽广的调速范围,较强的过载能力和较大的起动转矩等特点,广泛 应用于对起动和调速要求较高的生产机械,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。 本章介绍直流电机的工作原理和基本结构:分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁 过程;导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法;得出直流电机在不同运行状态的各种平衡 方程式和运行特性。 第一节直流电机基本工作原理 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。作直流发电机使用时,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。 、直流电机的模型结构 图2-1所示为一台直流电机简单模型图。N、S为定子上固定不动的两个主磁极,主磁 极可以采用永久磁铁,也可以采用电磁铁,在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流, 便形成一定极性的磁极 图2-1直流发电机工作原理
第二章 直流电机的基本结构和运行分析 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电机称 为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直 流电源；直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛 应用于对起动和调速要求较高的生产机械，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。 本章介绍直流电机的工作原理和基本结构；分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁 过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电机在不同运行状态的各种平衡 方程式和运行特性。 第一节 直流电机基本工作原理 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。作直流发电机使用时，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、直流电机的模型结构 图 2—1 所示为一台直流电机简单模型图。N、S 为定子上固定不动的两个主磁极，主磁 极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流， 便形成一定极性的磁极。 图 2-1 直流发电机工作原理
在两个主磁极N、S之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体,圆柱体表面 嵌有一线圈(称为电枢绕组),线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片(称为换向片)上 换向片之间用绝缘材料构成一整体,称为换向器,它固定在转轴上(但与转轴绝缘),随转 轴一起转动,整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路,在定子上装有两个固 定不动的电刷A和B,并压在换向器上,与其滑动接触。 二、直流发电机的工作原理 1.感应电势的产生 当直流发电机的电枢被原动机拖动,并以恒速ⅴ逆时针方向旋转时,如图2-2(a)所示 线圈两个有效边ab和cd将切割磁力线,而感应产生电势e。其方向用右手定则确定,导体 ab位于N极下,导体cd位于S极下,产生电势方向分别为b→a,d→c。若接通外电路,电 流从换向片1→A→负载→B→换向片2。电流从电刷A流出,具有正极性,用“+”表示; 从电刷B流入,具有负极性,用“一”表示 当电枢转到90时,线圈有效边ab和c转到N、S极之间的几何中心线上,此处磁密为 零,故这一瞬时感应电势为零。 当电枢转到1800时,导体ab和d及换向片1、2位置互换,如图2-1(b)所示。导体加位 于S极下,导体cd位于N极下,线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为a→b,c→d,电 势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片2→A→负载→B→换向片1。由此 可见,电刷A(B)始终与转到N(S)极下的有效边所连接的换向片接触,故电刷极性始终不变A 为“+”,B为“ 由以上分析可知,线圈内部为一交变电势,但电刷引出的电势方向始终不变,为一单方 向的直流电势 2.电势的波形 根据电磁感应定律,每根导体产生的感应电势e为: B LI (V) (2-1) 式中B一一导体所在位置的磁通密度(T) L一一导体切割磁力线的有效长度(m) 一一导体切割磁力线的线速度(m/s)。 要想知道电势的波形,先得找出磁密的波形,前已设电枢以恒速ⅴ旋转,V=常数,L在 电机中不变,则ε∝B3,即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将
在两个主磁极 N、S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面 嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。 换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转 轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固 定不动的电刷 A 和 B，并压在换向器上，与其滑动接触。 二、直流发电机的工作原理 1.感应电势的产生 当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速ｖ逆时针方向旋转时，如图 2－2(a)所示， 线圈两个有效边 ab 和 cd 将切割磁力线，而感应产生电势ｅ。其方向用右手定则确定，导体 ab 位于 N 极下，导体 cd 位于 S 极下，产生电势方向分别为 b→a，d→c。若接通外电路，电 流从换向片 1→A→负载→B→换向片 2。电流从电刷 A 流出，具有正极性，用“＋”表示； 从电刷 B 流入，具有负极性，用“一”表示。 当电枢转到 90o 时，线圈有效边 ab 和 cd 转到 N、S 极之间的几何中心线上，此处磁密为 零，故这一瞬时感应电势为零。 当电枢转到 180o 时，导体 ab 和 cd 及换向片 1、2 位置互换，如图 2-1(b)所示。导体加位 于 S 极下，导体 cd 位于Ｎ极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为 a→b，c→d，电 势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片 2→A→负载→B→换向片 1。由此 可见，电刷 A(B)始终与转到 N(S)极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变 A 为“＋”，B 为“―”。 由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方 向的直流电势。 2.电势的波形 根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势ｅ为： e B Lv = X （V） （2-1） 式中 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）。 要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，前已设电枢以恒速 v 旋转，v=常数，L 在 电机中不变，则 Bx e ，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将
电枢从外圆某一点沿轴切开,把圆周拉成一直线作为横坐标,纵坐标表示磁密,而绘出的几 分布曲线如图2-2所示,为一梯形波。由于e∝B.,电势波形与磁密波形可用同一曲线表示, 只需换一坐标即可得到线圈内部交变电势波形,如图2-2所示 通过电刷和换向器的作用,及时地将线圈内的交变电势转换成电刷两端单方向的直流电 势,如图2-3所示,但它是一个大小在零和最大值之间变化的脉振电势。 对于图2-1所示的直流电机简单模型图,由于电枢上只嵌放了一个线圈,所以感应电势 数值小,波动大。为了减小电势的脉动,实际电机中,电枢上放置许多线圈组成电枢绕组, 这些线圈均匀分布在电枢表面,并按一定规律连接起来。图2-4表示一台两极直流电机,电 枢上嵌有在空间互差90°的两个线圈产生的电势波形,由图可见,其脉动程度大大减小了。 实践证明,若每极下的线圈边数大于8,电势脉动的幅值将小于1%,基本是一直流电势,如 图1-5所示。 图2-2线圈内电势波形 图2-3电刷两端的电势波形 八∧ 图2-4两个线圈换向后的电势波形 图2-5多个线圈电刷两端的电势波形 3.直流发电机产生的电磁转矩 当直流发电机电刷两端获得直流电势后,若接上负载,便有一电流流过线圈,电流ⅰ与 电势e的方向相同。同时,载流导体在磁场中必然产生一电磁力f,其方向用左手定则确定
电枢从外圆某一点沿轴切开，把圆周拉成一直线作为横坐标，纵坐标表示磁密，而绘出的几 分布曲线如图 2-2 所示，为一梯形波。由于 Bx e ，电势波形与磁密波形可用同一曲线表示， 只需换一坐标即可得到线圈内部交变电势波形，如图 2-2 所示。 通过电刷和换向器的作用，及时地将线圈内的交变电势转换成电刷两端单方向的直流电 势，如图 2-3 所示，但它是一个大小在零和最大值之间变化的脉振电势。 对于图 2-1 所示的直流电机简单模型图，由于电枢上只嵌放了一个线圈，所以感应电势 数值小，波动大。为了减小电势的脉动，实际电机中，电枢上放置许多线圈组成电枢绕组， 这些线圈均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接起来。图 2-4 表示一台两极直流电机，电 枢上嵌有在空间互差 90o 的两个线圈产生的电势波形，由图可见，其脉动程度大大减小了。 实践证明，若每极下的线圈边数大于 8，电势脉动的幅值将小于 1%，基本是一直流电势，如 图 1-5 所示。 图 2-2 线圈内电势波形 图 2-3 电刷两端的电势波形 图 2-4 两个线圈换向后的电势波形 图 2-5 多个线圈电刷两端的电势波形 3.直流发电机产生的电磁转矩 当直流发电机电刷两端获得直流电势后，若接上负载，便有一电流流过线圈，电流 i 与 电势ｅ的方向相同。同时，载流导体在磁场中必然产生一电磁力 f，其方向用左手定则确定
电磁力对转轴形成一电磁转矩T,T与电枢旋转的方向相反,起到了阻碍作用,故称为阻转 矩。直流电机要维持发电状态,原动机就必须输入机械能克服电磁转矩T,正是这种不断的 克服,实现了将机械能转换成为电能。 三、直流电动机的工作原理 图2-6所示为两极直流电动机工作原理图。直流电动机结构与直流发电机相同,不同的 是电刷A、B外接一直流电源。图示瞬时电流的流向为+→A换向片→1→a→b→c→d→换向 片2→B→一。根据电磁力定律,载流导体ab、cd都将受到电磁力f的作用,其大小为 f=BLi (N) (22) 式中一导体中流过的电流(A) 图2-6直流电动机工作原理图 导体所受电磁力的方向用左手定则确定,在此瞬时,ab位于N极下,受力方向从右向左, cd位于S极下,受力方向从左向右,电磁力对转轴便形成一电磁转矩T。在T的作用下,电 枢逆时针旋转起来 当电枢转到90°,电刷不与换向片接触,而与换向片间的绝缘片相接触,此时线圈中没 有电流流过,=0,故电磁转矩T=0。但由于机械惯性的作用,电枢仍能转过一个角度,电刷 A、B又将分别与换向片2、1接触。线圈中又有电流ⅰ流过,此时,导体ab、cd中电流改变 了方向,即为b→a,d→c,,且导体ab转到S极下,ab所受的电磁力f方向从左向右,cd 转到N极下,dd所受的电磁力方向从右向左。因此,线圈仍然受到逆时针方向电磁转矩的作
电磁力对转轴形成一电磁转矩 T，T 与电枢旋转的方向相反，起到了阻碍作用，故称为阻转 矩。直流电机要维持发电状态，原动机就必须输入机械能克服电磁转矩 T，正是这种不断的 克服，实现了将机械能转换成为电能。 三、直流电动机的工作原理 图 2-6 所示为两极直流电动机工作原理图。直流电动机结构与直流发电机相同，不同的 是电刷 A、B 外接一直流电源。图示瞬时电流的流向为＋→A 换向片→1→a→b→c→d→换向 片 2→B→－。根据电磁力定律，载流导体 ab、cd 都将受到电磁力 f 的作用，其大小为： f B Li = x （N） （2-2） 式中 i——导体中流过的电流（A）。 图 2-6 直流电动机工作原理图 导体所受电磁力的方向用左手定则确定，在此瞬时，ab 位于 N 极下，受力方向从右向左， cd 位于 S 极下，受力方向从左向右，电磁力对转轴便形成一电磁转矩 T。在 T 的作用下，电 枢逆时针旋转起来。 当电枢转到 90°，电刷不与换向片接触，而与换向片间的绝缘片相接触，此时线圈中没 有电流流过，i=0，故电磁转矩 T=0。但由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个角度，电刷 A、B 又将分别与换向片 2、1 接触。线圈中又有电流 i 流过，此时，导体 ab、cd 中电流改变 了方向，即为 b→a，d→c，，且导体 ab 转到 S 极下，ab 所受的电磁力 f 方向从左向右，cd 转到 N 极下，cd 所受的电磁力方向从右向左。因此，线圈仍然受到逆时针方向电磁转矩的作
用,电枢始终保持同一方向旋转。 在直流电动机中,电刷两端虽然加的是直流电源,但在电刷和换向器的作用下,线圈内 部却变成了交流电,从而产生了单方向的电磁转矩,驱动电机持续旋转。同时,旋转的线圈 中也将感应产生电势e,其方向与线圈中电流方向相反,故称为反电势。直流电动机若要维 持继续旋转,外加电压就必须高于反电势,才能不断地克服反电势而流人电流,正是这种不 断克服,实现了将电能转换成为机械能 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,也可作电动机运 行。当输入机械转矩将机械能转换成电能时,电机作发电机运行;当输入直流电流产生电磁 转矩,将电能转换成机械能时,电机作电动机运行。例如电力机车在牵引工况时,牵引电机 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,将机车和列车的动能 转换成电能,产生制动力对机车进行电气制动。 第二节直流电机的基本结构 、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),如图2-7所示 图2-7直流电机结构图 1-直流电机总成:2-后端盖:3-通风机:4定子总成 5-转子(电枢)总成:6-电刷装置:7-前端盖 1.定子 直流电机定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极 和电刷装置等组成
用，电枢始终保持同一方向旋转。 在直流电动机中，电刷两端虽然加的是直流电源，但在电刷和换向器的作用下，线圈内 部却变成了交流电，从而产生了单方向的电磁转矩，驱动电机持续旋转。同时，旋转的线圈 中也将感应产生电势 e，其方向与线圈中电流方向相反，故称为反电势。直流电动机若要维 持继续旋转，外加电压就必须高于反电势，才能不断地克服反电势而流人电流，正是这种不 断克服，实现了将电能转换成为机械能。 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，也可作电动机运 行。当输入机械转矩将机械能转换成电能时，电机作发电机运行；当输入直流电流产生电磁 转矩，将电能转换成机械能时，电机作电动机运行。例如电力机车在牵引工况时，牵引电机 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，将机车和列车的动能 转换成电能，产生制动力对机车进行电气制动。 第二节 直流电机的基本结构 一、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)，如图 2-7 所示。 图 2-7 直流电机结构图 1-直流电机总成；2-后端盖；3-通风机；4-定子总成； 5-转子（电枢）总成；6-电刷装置；7-前端盖 1.定子 直流电机定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极 和电刷装置等组成