5.1 直流电机的工作原理(课件）-《电机与拖动》同步教学（武汉大学出版社）

第5章 直流电机 直流电机的工作原理 5.1 直流电机的基本结构 5.2 直流电机的铭牌数据和主要系列 5.3 直流电机的磁场与基本公式 5.4 直流电动机的工作特性 5.5 直流发电机的运行特性 5.6 5.1 直流电机的工作原理 5.1.1 直流发电机的工作原理 5.1.2 直流电动机的工作原理 5.1.3 直流电机的换向 5.1.1 直流发电机的工作原理 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。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后 ，如下图。 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。 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，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N、S极交替旋转多对。 5.1.2 直流电动机的工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 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。 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。 当电枢旋转到右图所示位置时 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。 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。 从上述的基本原理可知，直流流电动机与直流发电机的结构是相同的，不同的运行状态是由使用条件不向形成的。直流电机工作在发电机状态时，由轴上输入机械能，转变成直流电能出电枢电路两出线端输出；直流电机工作在电动机状态时，从电枢两接线端输入电能，转变成机械能由转轴输出，二者是可逆的。从而可见，直流电机仅仅是一种能量转换与传递的电气机械。 5.1.3 直流电机的换向 一、换向概述 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时，元件里的电流方向改变，即换向。 电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。 元件1 1 2 电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。 电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。 元件1 1 2 电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 改善换向一般采用以下方法： 2.选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻。 1.装设换向磁极，位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势。 3.大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势。 4．移动电刷位置。 $$