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西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心 第一章 直流电机的工作原理和基本结构 引言 §1.1直流电机及其用途 §1.2直流电机的工作原理 §1.3直流电机的基本结构 §1.4直流电机的励磁方式 §1.5直流电机的额定值与铭牌 小结 主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的启动、调速和制动进行了分析。 §1.1 直流电机及其用途 一、直流电机的定义 二、直流电机的优缺点 三、直流电机的发展状况 一、直流电机的定义 定义：直流发电机把机械能变为直流电能，电动机把直流电能变为机械能。 二、直流电机的优缺点 优点：(1)调速范围广，且易于平滑调节。(2)过载、起动、制动转矩大。(3)易于控制，可靠性高。(4)调速时的能量损耗较小。 在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引，高炉送料、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到广泛的应用，直流发电机用作直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电以及交流发电机的励磁等的直流电源。 主要缺点是换向困难，它使直流电机的容量受到限制，不能做得很大。目前极限容量也不过1万kW左右。 而且由于有换向器，使它比交流电机费工费料，造价昂贵。运行时换向器需要经常维修，寿命也较短。 三、直流电机的发展状况 大功率半导体元件发展很快，它的可靠性、价格、控制方便等指标日益改进，在某些场合，已经可以成功地用可控整流电源代替直流发电机了。不过，有些性能(如波形平滑等)仍不及直流发电机。 电动机方面，采用电力电子技术配合同步电动机，构成电子换向的无换向器电动机，也可具有直流电动机的性能，已在大容量、高电压、高转速方面显示了很大优越性，并得到实际应用。但总的来说，还未做到全面代替直流电动机的程度。 §1.2直流电机的工作原理 一、直流电机的构成 瓦形永磁体N极与S极之间，安放电枢铁心，铁心与磁极之间的间隙称为气隙。 设铁心表面只敷设了两根导体ab和cd，并联接成单匝线圈abcd。 线圈首末端分别与弧形钢片(通称为换向片)相连。 由换向片构成的整体叫换向器。而整个转动部分称为电枢。 为了把电枢与外电路连通，特别装置了两把电刷A和B 二、直流发电机的工作原理 线圈内的电动势为交流电动势，由于换向器的“整流”作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。 三、直流电动机的工作原理 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷A、B和换向器再加到线圈上。 导体中的电流随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向一直保持不变，并使电动机连续旋转。 此时换向器起到将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流的“逆变”作用。这是直流电动机的工作原理。 四、直流电机运行的可逆性 从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一台直流电机即可作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是外界条件不同而已。一个是输入机械能，一个是输入电能，这种既能作发电机运行，又能作电动机运行的原理,在电机理论中称为可逆原理。 五、脉动的减小 为了减少电枢感应电动势和电磁转矩的脉动，实际的电枢绕组由许多个线圈串联而成。 图示由6个线圈连接而成的电枢绕组。此时电刷上的电动势其脉动程度将大为减小。 若每极下的导体数大于8时，电势脉动的幅度已小于1％。 §1.3直流电机的基本结构 旋转电机都有定子和转子两部分，在定、转子之间有一个储存磁能的气隙。 直流电机的定子由主磁极、机座和电刷装置等部件组成。转子是电枢，它由电枢铁心和电枢绕组、换向器等部件组成。图示出了国产直流电机的结构图。 一、定子部分 1．主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构 成。 当励磁绕组中通有直流励磁电流时，气隙中就会形成一个恒定的主磁场。 为了减少电枢转动时由于齿、槽移动造成主极极靴表面磁通密度变化所引起的铁心损耗，主极铁心通常用1～1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。套装在各磁极上的励磁绕组既可串联、也可并联，但连接时应使相邻的主磁极呈N、S交替排列。 2．电刷装置 电刷装置是电枢电路的引出(或引入)装置，它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。电刷是石墨或金属石墨做成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在剧杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连接线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷位置。 3．换向极 换向极装在两个主磁极之间，用以改善换向。换向极亦由铁心和绕组组成，如图所示。铁心常用整块钢或厚钢板制成，匝数不多的换向极与电枢绕组串联。换向极