直流电机的基本结构和运行分析

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1、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

2、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45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

3、，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

4、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

5、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：（V）（2-1）式中——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45，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分

6、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，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

7、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45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，

8、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