直流電動機工作原理

1、7.2.2 直流電動機工作原理與結構圖7-4 直流電動機模型圖7-4是一個最簡單的直流電動機模型。在一對靜止的磁極N和S之間，裝設一個可以繞Z-Z軸而轉動的圓柱形鐵芯，在它上面裝有矩形的線圈abcd。這個轉動的部分通常叫做電樞。線圈的兩端a和d分別接到叫做換向片的兩個半圓形銅環(huán)1和2上。換向片1和2之間是彼此絕緣的，它們和電樞裝在同一根軸上，可隨電樞一起轉動。A和B是兩個固定不動的碳質電刷，它們和換向片之間是滑動接觸的。來自直流電源的電流就是通過電刷和換向片流到電樞的線圈里。圖7-5 換向器在直流電機中的作用當電刷A和B分別與直流電源的正極和負極接通時，電流從電刷A流入，而從電刷B流出。這時線

2、圈中的電流方向是從a流向b，再從c流向d。我們知道，載流導體在磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則來決定。當電樞在圖7-5（a）所示的位置時，線圈ab邊的電流從a流向b，用表示，cd邊的電流從c流向d，用表示。根據(jù)左手定則可以判斷出，ab邊受力的方向是從右向左，而cd邊受力的方向是從左向右。這樣，在電樞上就產生了反時針方向的轉矩，因此電樞就將沿著反時針方向轉動起來。當電樞轉到使線圈的ab邊從N極下面進入S極，而cd邊從S極下面進入N極時，與線圈a端聯(lián)接的換向片1跟電刷B接觸，而與線圈d端聯(lián)接的換向片2跟電刷A接觸，如圖7-5（b）所示。這樣，線圈內的電流方向變?yōu)閺膁流向c，再從b流向a，從而保

3、持在N極下面的導體中的電流方向不變。因此轉矩的方向也不改變，電樞仍然按照原來的反時針方向繼續(xù)旋轉。由此可以看出，換向片和電刷在直流電機中起著改換電樞線圈中電流方向的作用。直流電機工作原理和結構一、直流電機工作原理 * 直流發(fā)電機的工作原理 * 直流電動機的工作原理 * 電機的可逆運行原理兩個定理與兩個定則 1、電磁感應定理 在磁場中運動的導體將會感應電勢，若磁場、導體和導體的運動方向三者互相垂直，則作用導體中感應的電勢大小為： e = Blv 符號 物理量 單位 B 磁場的磁感應強度 Wb/m2 v 導體運動速度 米/秒 l 導體有效長度 m e 感應電勢 V電勢的方向用右手定則 2.電磁力定

4、律 載流導體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導體互相垂直 (見下圖)，作用在導體上的電磁力大小為：f = Bli 符號 物理量 單位 i 導體中的電流 A l 導體有效長度 m f 電磁力 N 力的方向用左手定則（一）直流發(fā)電機的工作原理1.直流發(fā)電機的原理模型2.發(fā)電機工作原理 a、直流電勢產生 用電動機拖動電樞使之逆時針方向恒速轉動，線圈邊 a b 和 c d 分別切割不同極性磁極下的磁力線，感應產生電動勢 直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應產生的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿?因為電刷 A 通過換向片所引出的電動勢始終是切割N 極磁力

5、線的線圈邊中的電動勢。所以電刷 A 始終有正極性，同樣道理，電刷 B 始終有負極性。所以電刷端能引出方向不變但大小變化的脈動電動勢 b、結論 線圈內的感應電動勢是一種交變電動勢，而在電刷 A B 端的電動勢卻是直流電動勢。（二）直流電動機的工作原理1.直流電動機的原理模型（圖1.1.5）直流電動機的工作原理 要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于：當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換， 即進行所謂“換向”。 為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個極下線圈邊中電流始終是一個方向，就可以使電動機能連續(xù)的旋轉,這就是直流電動機的工作原理（三）

6、電機的可逆運行原理 從上述基本電磁情況來看：一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行,也可以作為發(fā)電機運行,這種原理在電機理論中稱為可逆原理二、直流電機的結構 旋轉電機結構形式 , 必須有滿足電磁和機械兩方面要求的結構 旋轉電機必須具備靜止和轉動兩大部分1.直流電機靜止部分稱作定子 作用 - 產生磁場 由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成2.直流電機轉動部分稱作轉子(通常稱作電樞) 作用 - 產生電磁轉矩和感應電動勢 由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、軸和風扇等組成直流電機電樞照片(一) 直流電機的靜止部分1.主磁極是一種電磁鐵，用 1-1.5 毫米厚的鋼板沖片疊壓緊固而成的鐵心2.換向極（又稱附

7、加極或間極） 作用 - 改善換向 換向極裝在兩主磁極之間，也是由鐵心和繞組構成 鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成；換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)圖1.1.11 主磁極和換向極示意圖3.機座 機座通常由鑄鐵或厚鐵板焊成，有兩個作用： 固定主磁極、換向極和端蓋； 作為磁路的一部分。 機座中有磁通經過的部分稱為磁軛4.電刷裝置 (圖1.1.12) 作用-把直流電壓、直流電流引入或引出 由電刷（圖1.1.13）、刷握、刷桿座和銅絲辮組成 二) 直流電機的轉動部分1.電樞鐵心 兩個用處：電樞鐵心裝配圖 （圖1.1.14 ） 作為主磁路的主要部分； 嵌放電樞繞組，通常用.厚的硅鋼片沖片疊壓而成 2.電樞繞組 直流

8、電機的主要電路部分， 用以通過電流和感應產生電動勢以實現(xiàn)機電能量轉換，由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，元件及嵌放方法（圖1.1.16） 3.換向器 直流電機的重要部件，作用-將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流或將繞組內的交變電動勢轉換為電刷端上的直流電動勢換向器的構造直流電動機工作原理與結構直流電動機工作原理與結構 圖1 直流電動機模型 圖1是一個最簡單的直流電動機模型。在一對靜止的磁極N和S之間，裝設一個可以繞Z-Z軸而轉動的圓柱形鐵芯，在它上面裝有矩形的線圈abcd。這個轉動的部分通常叫做電樞。線圈的兩端a和d分別接到叫做換向片的兩個半圓形銅環(huán)1和2上。換向片1和2之間是彼此絕

9、緣的，它們和電樞裝在同一根軸上，可隨電樞一起轉動。A和B是兩個固定不動的碳質電刷，它們和換向片之間是滑動接觸的。來自直流電源的電流就是通過電刷和換向片流到電樞的線圈里。 圖2 換向器在直流電機中的作用 當電刷A和B分別與直流電源的正極和負極接通時，電流從電刷A流入，而從電刷B流出。這時線圈中的電流方向是從a流向b，再從c流向d。我們知道，載流導體在磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則來決定。當電樞在圖7-5（a）所示的位置時，線圈ab邊的電流從a流向b，用表示，cd邊的電流從c流向d，用表示。根據(jù)左手定則可以判斷出，ab邊受力的方向是從右向左，而cd邊受力的方向是從左向右。這樣，在電樞上就產生

10、了反時針方向的轉矩，因此電樞就將沿著反時針方向轉動起來。 當電樞轉到使線圈的ab邊從N極下面進入S極，而cd邊從S極下面進入N極時，與線圈a端聯(lián)接的換向片1跟電刷B接觸，而與線圈d端聯(lián)接的換向片2跟電刷A接觸，如圖2（b）所示。這樣，線圈內的電流方向變?yōu)閺膁流向c，再從b流向a，從而保持在N極下面的導體中的電流方向不變。因此轉矩的方向也不改變，電樞仍然按照原來的反時針方向繼續(xù)旋轉。由此可以看出，換向片和電刷在直流電機中起著改換電樞線圈中電流方向的作用。 圖1所示的直流電動機，只有一匝線圈，它所受到的電磁力是很小的，而且有較大的脈動。如果由直流電源流入線圈的電流大小不變，磁極磁密在垂直于導體運動

11、方向的空間按正弦規(guī)律分布，電樞為勻速轉動時，此電機有電流和磁場產生的電磁轉矩隨時間變化的波形，如圖3所示。由圖可以看出，轉矩是變化的，除了平均轉矩外，還包含著交變轉矩。為了克服這些缺點，實際的電動機都是由很多匝線圈組成，并且按照一定的聯(lián)接方法分布在整個電樞表面上，通常稱為電樞繞組。隨著線圈數(shù)目的增加，換向片的數(shù)目也相應地增多，由許多換向片組合起來的整體叫做換向器。 圖3 平均電磁轉矩的產生由上可知，直流電動機工作時，首先需要建立一個磁場，它可以由永久磁鐵或由直流勵磁的勵磁繞組來產生。由永久磁鐵構成磁場的電動機叫永磁直流電動機。對由勵磁繞組來產生磁場的直流電動機，根據(jù)勵磁繞組和電樞繞組的聯(lián)接方式

12、的不同，分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機、復勵電動機。他勵電動機是電樞與勵磁繞組分別用不同的電源供電，如圖4（a）所示，永磁直流電動機也屬于這一類。并勵電動機是指由同一電源供電給并聯(lián)著的電樞和勵磁繞組，如圖4（b）所示。串勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組相串聯(lián)，串勵繞組中通過的電流和電樞繞組的電流大小相等，如圖4（c）所示。復勵電動機是既有并勵繞組又有串勵繞組，并勵繞組和串勵繞組的磁勢可以相加，也可以相減，前者稱為積復勵，后者稱為差復勵，如圖4（d）所示。 圖4 直流電動機按勵磁分類接線圖（a）他勵 （b）并勵 （c）串勵 （d）復勵直流電動機工作原理與結構 近幾十年來，隨著永磁材料的發(fā)展，

13、尤其是稀土永磁的相繼問世，其磁性能有了很大提高。與電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，重量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。本節(jié)主要敘述串勵式雙轉直流電動機。 1-前支承 2磁系統(tǒng)線圈 3后支承 4電樞 5軸承 圖5 電動機原理結構1-轉子軸承 2滑環(huán) 3換向器電刷 4磁系統(tǒng) 5電樞 6磁系統(tǒng)軸承 7外軸8內軸 9磁繞組 10殼體 11換向器 12滑環(huán)電刷 圖6 電動機結構簡圖 圖5所示。電動機裝在支承座或殼體內，電動機在其上轉動。而電動機通過支承座（或殼體）固定.電動機本體由磁系統(tǒng)、轉子（電樞）、換向器、電刷等組成。圖4是有外

14、殼的串勵式電動機剖面簡圖。 磁系統(tǒng)是用以產生磁場的，當電樞的磁通在此磁場內相互作用時，產生作用力矩及反作用力矩，使電樞和磁系統(tǒng)轉動，并且二者轉動方向相反。磁系統(tǒng)由鐵心和激磁繞組組成。磁系統(tǒng)有主磁極和輔助磁極兩部分。主磁極的作用是產生磁場，磁極的磁通即由繞在其上的繞組線圈所產生。輔助磁極的功用是產生補充磁通，以改善換向性能。因為當電樞繞組中的線圈電流在換向時，與線圈相聯(lián)的換向片同電刷之間會產生火花。為了減少火花，改善換向性能，通常在兩主極之間均裝有一輔助磁極，也可稱換向磁極。 電樞也是用來產生磁通的，它由電樞鐵心和繞組線圈組成。電樞鐵心作為磁的通路及嵌放電樞繞組之用。當電樞在磁場中旋轉時，鐵心中的磁通方向不斷變化，因而也會產生渦流及磁滯損耗，為了減少渦流損耗，電樞鐵心一般用0.5或0.35mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片迭壓而成。電樞繞組是由許多個完全相同的繞組元件按一定的規(guī)律聯(lián)接起來所組成。繞組元件一般就是一個線圈，它的兩個線端分別接到換向器的兩個換向片上，各元件是在換向片上相互聯(lián)接起來的。 換向器是電動機的整流部分，它是用來向旋轉電樞供電和向各段繞組分配電流的。電樞繞組內流過的是交變電流，而外電路是直流電，換向器即是將電源提供的直流電轉換為電樞繞組中的交變電流，使電動機工作時始終按一個方向連續(xù)旋轉。 電刷是用以將轉動的磁系統(tǒng)和電樞與外線路過程回路系統(tǒng)。魚雷雙轉電動機有兩