第三章 直流电机

第三章 直流电机本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、 电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调 速和制动 。

3.1 直流电机的基本工作原理与结构 3.2 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场3.3 直流电机电枢绕组 3.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 3.5 直流发电机 3.6 直流动电机 3.7 直流电动机的起动、调速和制动

直流发电机的作用：直流电源。 直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。 直流电动机优点：(1)调速范围广，且易于平滑调节； (2)过载、启动、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。 直流电机缺点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。

3.1 直流电机的基本工作原理和结构3.1.1直流电机的主要结构主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承

定子

转子

1.主磁极——建立主磁场(N、S交替排列) a.主极铁心——磁路，通常由0.5~3mm厚低碳钢板构成 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厚低硅硅钢片而成或冷扎硅 钢片叠压(外圆冲槽，以便嵌放电枢绕组) 4.电枢绕组——电路。带绝缘的铜导线绕制(闭合回路， 由电刷分成若干支路) 5.换向器——换向片间相互绝缘(用云母或塑料)

6.电刷装置 a.电刷——石墨或金属石墨 b.刷握、连线(铜丝辨) 7.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)

3.1.2 直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型， N、S为定子磁极，abcd是固定在 可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈 连同导磁圆柱体称为电机的转子或 电枢。线圈的首末端a、d连接到 两个相互绝缘并可随线圈一同旋转 的换向片上。转子线圈与外电路的 连接是通过放置在换向片上固定不 动的电刷进行的。(动画)

导体ab在N极下，b点低电位，a点高电位；导体cd在S极下， d点低电位，c点高电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。

当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 1800 后 ，如右图。 导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位； 电刷A极性仍为正，电刷B极 性仍为负。 可见，和电刷A接触的导体 总是位于N极下，和电刷B接触 的导体总是位于S极下。

可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触 的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的 极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势

。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈 分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来， 构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要为N、S极交替旋转 形成多对极。

二、直流电动机工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。把电刷A、B接到直流电源 上，电刷A接正极，电刷B接负 极。此时电枢线圈中将电流流 过。 在磁场作用下，N极性下导 体ab受力方向从右向左，S 极 下导体cd受力方向从左向右。 该电磁力形成逆时针方向的电 磁转矩。当电磁转矩大于阻转 矩时，电机转子逆时针方向旋 转。

当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下，受 力方向从左向右，原S 极下导体 cd转到N极下，受力方向从右向 左。该电磁力形成逆时针方向的 电磁转矩。线圈在该电磁力形成 的电磁转矩作用下继续逆时针方 向旋转。(动画) 同直流发电机相同，实际的 直流电动机的电枢并非单一线 圈，磁极也并非一对。

3.1.3 直流电机的铭牌数据额定值是制造厂对各种电气设备(本章 指直流电机)在指定工作条件下运行时所规 定的一些量值。在额定状态下运行时，可以 保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优 良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产 品设计或试验的依据。额定值通常标在各电 气的铭牌上，故又叫铭牌数据。 1、额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W” 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时，则用 kW 或 MW 表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。

即 ：PN=UNIN对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以：PN=UNINηN

⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 ⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 ⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单 位。 ⒌额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。

3.2 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生 电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 3.2.1 直流电机的空载磁场 右图为一台四极 直流电机空载时的磁 场示意图。 励磁绕组的串联匝数 为 N f ,流过电流为 I f

每极的励磁磁动势为：

Ff I f N f

直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电 动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主 磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大 约是主磁通的20%。

空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的 磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形 状。 磁极中心及附近的气隙小且 极靴 极身 均匀，磁通密度较大且基本为常 数，靠近极尖处，气隙逐渐变大， 几何中性线 磁通密度减小；极尖以外，气隙 明显增大，磁通密度显著减少， 在磁极之间的几何中性线处，气 (a)气隙形状 隙磁通密度为零。

空载时的气隙磁通密度为一平 顶波，如下图(b) 所示。

Bx(b)气隙磁密分布

空载时主磁极磁通的分布情况， 如右图(c) 所示。

为了感应电动势或产生电磁转 矩，直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通 0 ,空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的 0 空载磁化特性。 N 为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定磁 通 N 设定在图中A点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。

A

0

I fN

If0 If F f 0 IN

3.2.2. 直流电机负载时的负载磁场直流电机带上负载后，电枢绕 组中有电流，电枢电流产生的磁动 势称为电枢磁动势。电枢磁动势的 出现使电机的磁场发生变化。

右图为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布 情况。 假设励磁电流为零，只有电枢电 流。由图可见电枢磁动势产生的气隙 磁场在空间的分布情况，电枢磁动势 为交轴磁动势。