专题三十六 直流电机的结构（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十六 直流电机的结构 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 内转子式直流电机结构辨析，要求区分哪些部件属于定子，哪些属于转子 无刷直流电机结构关键特征识别：题目列出不同电机的结构特点，要求选出属于无刷直流电机的结构特征 外转子与内转子直流电机结构差异判断：给出两种电机的结构示意图或文字描述，要求判断对应电机类型 考纲解读—考试要求 能明确指出无刷直流电机与传统有刷直流电机在结构上的关键区别，并能简述电子换向装置在无刷直流电机结构中的功能。 可通过结构描述或示意图，准确判断电机类型，并能清晰说明两者在定子与转子相对位置、典型应用场景上的核心差异。 能准确区分内转子式直流电机定子、转子及其他辅助部分的组成部件，并能阐述各核心部件在电机运行中的基础作用。 4 考纲解读—易考题型 考查方向（内外转子对比+无刷电机理解）：题干要求“对比外转子与内转子直流电机的结构差异 简答题 如“内转子式直流电机中，（部件）属于定子，主要作用是产生主磁场；（部件）属于转子，负责输出机械转矩”，考查定子、转子的核心部件及功能。 填空题 题干列出主磁极、电枢绕组、换向器等部件，要求选出“属于内转子式直流电机定子的部件”，考查核心部件与结构部分的对应关系。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 直流电机实物图如图7-1所示,直流电机的结构如图7-2所示。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 直流电机的所有部件可分为固定的和转动的两大部分。固定不动的部分称为定子,包括主磁极、换向磁极、机座、端盖,电刷装置等部件。转动的部分称为转子,通常也称电枢,包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇和转轴等部件。 下面分别介绍定子和电枢的主要部件及其作用。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 1.定子 定子的作用是产生磁场并作为电机本身的机械支撑。 (1)主磁极 主磁极由铁心及线圈两部分组成,通过螺钉固定在机座上。如图7-3所示,主磁极铁心通常采用1~1.5mm厚的钢板经冲剪叠压而成。铁心的近气隙部分做成弧形,使气隙中的磁通能均匀分布,并能挡住套在铁心上的励磁绕组,不致脱落。铁心的弧形部分通常称为极掌。将绕制好的线圈--通常称为励磁绕组,套在铁心上组成主磁极。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 (2)换向磁极 换向磁极又称附加磁极,也是由铁心和线圈组成。其铁心多采用扁钢,大容量电机采用薄钢片制成。其励磁绕组的匝数较少,并与电枢绕组串联。换向磁极通常安装在两个相邻的主磁极间的中性线上,所以又称间极。如图7-4(a)所示,其数量与主磁极相同或为其一半，也用螺钉固定在机座上。 换向磁极应当这样安排:对于电动机,顺着电枢旋转方向依次为N、N'、S、S'、N、N'…如图7-4(b)所示。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 (3)机座 机座通常用铸铁、铸钢或钢板焊接而成。机座中传导磁通部分称为磁轭,主要作用有三：一是作为磁轭传导磁通,它是电机磁路的一部分；二是用来固定主磁极、换向磁极、电刷装置和端盖等部件；三是借用机座的底脚将电机固定在基础上。因此，机座必须具有足够的机械强度和良好的导磁性能。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 (4)电刷装置 电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧(片) 等零件构成,如图 7-5所示。电刷放在刷握内,用压紧弹以一定 的压力通过压指将其压在换向器的表面上。刷握固定在刷杆 上,刷杆固定在刷杆座上。借刷辫将电流从电刷引人或引出。根据电流的大小，每一刷杆上可安装一至数只刷握组成电刷组,电刷组的数目一般等于主磁极的数目。在换向器表面上,各电刷组之间的距离应该是相等的。电刷座是可以转动的,以便于调整电刷在换向器表面上的位置。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 (5)端盖 端盖一般用铸铁制成,其作用是:①装有轴承支撑转轴转动,并有电刷装置固定其上;②能保护电机避免外界杂物落进;③维护人身安全,防止接触电机内部器件受到伤害。 (6)补偿绕组 补偿绕组置于主磁极的极靴内,并且与主电路串联。其作用是用以抵消极靴范围内电枢反应磁通势,以改善磁场性能。只有大容量电机在换向困难的情况下,才安装补偿绕组。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 2.转子(电枢) 转子通常称为电枢,它的作用是产生感应电动势 和电磁转矩,实现能量的转换。 (1)电枢铁心电枢铁心由硅钢片构成。为了减小涡流损耗,它采用0.35mm厚的相互绝缘的硅钢片冲制叠压而成。有的为了加强电机冷却,在电枢铁心上冲制轴向通风孔,在较大型电机的电枢铁心上还安排有径向通风槽,用通风槽将铁心沿轴向分成数段,每段长40~100mm,通风槽的宽度一般为10mm。整个铁心固定在轴上,与轴一起旋转。电枢铁心及冲片形状如图7-6所示,冲片四周槽口供安放电枢绕组。电枢铁心有两大作用:一是作为电机主磁路的一部分,传导磁通:二是作为嵌放电枢绕组的骨架。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 (2)电枢绕组 电枢绕组通常用绝缘的铜线或扁铜线在模具上绕制成线圈后再放置于电枢铁心槽中,并且用槽楔封口,以防止运转时抛出。伸出槽外的绕组端部,用玻璃丝带或非磁性钢丝带扎紧,线圈可做成单匝或多匝。每个线圈的端头按一定规律接到换向器上,如图7-6所示。 电枢绕组的作用是作为发电机运行时,产生感应电动势和感应电流:作为电动机运行时,通电后受到电磁力的作用,产生电磁转矩。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 (3)换向器 换向器是由许多楔形铜片组装而成,形成一个圆柱体,片与片之间用厚 0.4~1.2mm的云母隔开,所有换向片与轴也是绝缘的。它装在电枢的一端,每一个换向片按一定规律与电枢线圈连接。换向器的结构如图 7-7 所示。 一、内转子式直流电机结构 换向片的作用,在发电机中,换向片使电枢绕组中的交变电动势变为电刷端点的直流电动势;在电动机中,它能将外加的直流电变为电枢绕组中的交流电。 知识点梳理和重点概念复习 3.其他部分 其他部分有风扇、转轴、支架、气隙。 风扇为自冷式电机中冷却气流的主要来源,防止电机温升过高。转轴是电枢的主要部件,它传送扭矩、承受重量及各种电磁力,应有足够的强度、刚度及抗疲劳寿命。中小型电机多为实心台阶轴。支架是大、中型电机电枢或转子组件的支撑件,有利于通风和减轻重量。气隙是电机主磁极与电枢之间的间隙,小型电机气隙为1~3mm,大型电机气隙为10~12mm。气隙虽小,因空气磁阻较大,在电机磁路系统中有重要作用,其大小、形状对电机性能有显著影响。综上所述,直流电机的结构有定子和转子两大部分,两者之间存在着气隙。直流电机的定子,主要用来建立磁场,并起机械支撑和防护作用;转子是电枢,用来产生感应电动势和通过电流,产生转矩,起着机械能与电能之间的转换作用。 一、内转子式直流电机结构 知识点梳理和重点概念复习 电动轮式电机是一种外转子式永磁直流电机,如图7-8所示。其结构是定子铁心、定子绕组在内,转子在外,将永久磁铁固定在车轮上,与车轮一起转动。定子铁心固定在轴上,定子绕组固定在定子铁心上。取消了机械换向器和电刷,采用逆变器进行电子换向。电机内的旋转磁场由逆变器供电产生。用传感器检测转速的同时控制电动机速度和转矩,永久磁铁多采用钐钴或钕铁硼类。 二、外转子直流电机的结构(简介) 知识点梳理和重点概念复习 机械电刷却是有刷电机的一个致命弱点。为此,早在1917年有人提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年美国D.赫尔森等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,标志着现代无刷电机的诞生。 作为一种优异磁性能的新型永磁材料,钕铁硼永磁体已经广泛应用于各种电机上,特别是无刷直流电动机。钕铁硼永磁体是一种无源硬磁性材料,在永磁体内部不存在宏观的电流源。永磁体内屑透部微缲煽褻赃湿的物理本质,其磁场是分子电流产生的(主要是电子的自旋),永磁体一旦被外界磁场所激励后,其磁畴即定向排列,形成剩余磁场强度,其一旦形成,在很大的外界磁场下也几乎保持不变。 三、无刷直流电机结构(简介) 知识点梳理和重点概念复习 无刷直流电机是电子换向电路和交流旋转电机的结合。它与有刷直流电机在控制方面的差别主要取决于换向电路功率开关的结构。无刷直流电机以电子换向器代替机械换向器,具有有刷直流电机和无接触式交流电机各自的优点,可靠性高,工作寿命长,效率高和控制性能好。 无刷电动机广泛用于航空航天、自动化装置、仪器仪表、计算机外围设备,机器人、家用音像视频设备及各种工业动力调速等方面。无刷直流电动机的种类很多,从绕组形式看,有显形绕组、封闭式绕组、正交绕组;从导电状态分,有三相三状态、三相六状态、四相四状态,五相十状态等;从位置传感形式分,有磁电式、霍尔元件、磁敏二极管光电式、高频耦合式。 三、无刷直流电机结构(简介) 知识点梳理和重点概念复习 典型的直流电机脉宽调制(PWM)速度控制系统原理简介如下: 直流电机PWM调速系统框图如图7-9所示。PWM放大器由脉 冲频率发生器、脉冲宽度调制器和开关功率放大器三大主要部 分组成。脉冲频率发生器产生一个频率为fP,幅度为UP,并且具有良好线性度的三角波U△,它与电流控制器的输出信号同时作为脉宽调制器的输入信号其输出信号UP的频率与U△相同,宽度与UK成比例的矩形脉冲。开关功率放大器受UP控制，其输出Ud是幅度近似于电源电压Us,频率和宽度与UP相同的矩形功率方波,施加在电机两端产生控制电流,使电机动作,从而改变转速的大小和方向。电流检测器和转速检测器分别实现电流和转速的负反馈,构成闭环系统。 三、无刷直流电机结构(简介) 知识点梳理和重点概念复习 电动机绕组接法很多,三相绕组最常见的接法有星形联结和三角形联结。无刷直流电动机桥式电路如图7-10所示。图7-11所示为三相星形桥式电路电机绕组与品体管的通电示意图。 三、无刷直流电机结构(简介) 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：电子控制器根据霍尔传感器检测的转子位置信号，控制功率开关管的导通与关断，进而控制定子各相绕组的通电顺序，实现电子换向，产生旋转磁场；产生主磁场是转子永磁体的作用，A错误；支撑转子是轴承的作用，C错误；减少铁损耗是定子铁心叠压结构的作用，D错误。 1.无刷直流电机中，电子控制器的核心功能是（ ） A. 产生主磁场 B. 控制定子绕组通电顺序 C. 支撑转子 D. 减少铁损耗 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：无刷直流电机采用电子换向，取消了机械换向的换向器；永磁转子、定子绕组、霍尔传感器均是其重要组成部分，故C符合题意。 2.下列不属于无刷直流电机结构组成的是（ ） A. 永磁转子 B. 定子绕组 C. 换向器 D. 霍尔传感器 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：无刷直流电机的定子绕组在电子控制器控制下，按特定顺序通电，各相绕组产生的磁场叠加形成旋转磁场，带动转子（永磁体）旋转。 3.无刷直流电机的旋转磁场由（ ）产生 A. 转子永磁体 B. 定子绕组通电 C. 换向极 D. 电枢绕组 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：端盖安装在机座两端，内部装有轴承，用于支撑转子轴的两端，保证转子平稳旋转；产生磁场是定子主磁极的作用，A错误；产生电磁转矩是电枢绕组的作用，C错误；改善换向是换向极的作用，D错误。 4.内转子式直流电机中，端盖的主要作用是（ ） A. 产生磁场 B. 支撑轴承 C. 产生电磁转矩 D. 改善换向 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：按励磁绕组与电枢绕组的连接方式，内转子式直流电机分为串励（串联）、并励（并联）、复励（串并联结合）、他励（单独供电）。励磁绕组与电枢绕组并联时，为并励直流电机，故B正确。 5.内转子式直流电机的励磁绕组若与电枢绕组并联，该电机属于（ ） A. 串励直流电机 B. 并励直流电机 C. 复励直流电机 D. 他励直流电机 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：外转子直流电机转子直径较大、转动惯量大，适合低速平稳运行；内转子电机转子直径小、转动惯量小，可实现更高转速，故外转子电机转速通常更低。 6.外转子直流电机的转速通常比内转子直流电机（ ） A. 更高 B. 更低 C. 相同 D. 无法比较 28 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：外转子直流电机的转子为外部旋转部件，负载（如风扇叶片）可直接固定在转子外壳上，由转子带动负载旋转；定子轴固定不动，A错误；电枢绕组、换向器（若有）在转子内部，无法直接连接负载，C、D错误。 7.外转子直流电机的负载通常连接在（ ） A. 定子轴上 B. 转子外壳上 C. 电枢绕组上 D. 换向器上 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：霍尔传感器用于检测转子位置，为电子控制器提供换向信号。缺少霍尔传感器时，控制器无法判断何时切换定子绕组通电相序，导致无法实现电子换向；转子永磁体仍能产生磁场，A错误；轴承仍能支撑转子，C错误；铁心结构仍能减少铁损耗，D错误。 8.无刷直流电机若缺少霍尔传感器，最可能出现的问题是（ ） A. 无法产生磁场 B. 无法实现换向 C. 无法支撑转子 D. 无法减少铁损耗 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：轴承 解析：内转子电机的“其他部分”包括轴承、电枢轴等，轴承安装在端盖与转子轴之间，核心功能是支撑转子轴，降低旋转时的摩擦阻力，保证转子平稳运行。 1.内转子式直流电机的“其他部分”中，______用于支撑转子轴，减少旋转摩擦。 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：更低 解析：外转子电机转子直径大、转动惯量大，旋转时惯性阻碍转速提升，因此通常转速更低，适合家用风扇等需低速平稳运行的场景；内转子电机则适合高转速需求。 2.外转子直流电机的转速通常比内转子直流电机______，适合低速场景。 32 常考习题练习与讲解—填空题 答案：星形 解析：无刷电机定子绕组星形连接时，可通过电子控制器控制各相绕组依次通电，各相磁场叠加形成连续旋转磁场，驱动转子旋转，是主流连接方式。 3.无刷直流电机的定子绕组通常采用______连接方式，以产生连续旋转磁场。 33 常考习题练习与讲解—填空题 答案：铸铁 解析：机座需同时满足机械支撑（强度与刚度）和磁路导磁需求，铸铁既具备良好的机械性能，又有较好的导磁特性，因此成为内转子电机机座的常用材质。 4.内转子式直流电机中，机座的材质通常为______，兼具支撑和导磁功能。 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：外转子电机“转子在外”的结构特点，使其转子外壳可直接固定负载（如扇叶），转子旋转时直接带动负载，省去齿轮、皮带等传动部件，表述正确。 1.外转子直流电机的负载可直接安装在转子外壳上，无需额外传动部件。（ ） 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：无刷电机取消了电刷与换向器的机械摩擦损耗，虽增加电子控制器，但整体损耗更低，效率通常高于有刷电机，表述错误。 2.无刷直流电机的效率通常低于传统有刷直流电机，因为其增加了电子控制器。（ ） 36 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：机座需支撑定子、转子等部件，同时需传导主磁极产生的磁场（作为磁路的磁轭部分），兼具机械支撑和导磁功能，表述正确。 3.内转子式直流电机的机座不仅是支撑部件，还是磁路的一部分。（ ） 37 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：两者均通过电枢绕组（内转子在转子、外转子在转子）通电后，在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩，核心原理均为电磁力定律，表述正确。 4.外转子直流电机与内转子直流电机的核心工作原理均基于电磁力定律。（ ） 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：内转子式直流电机定子由主磁极、换向极、机座和端盖组成。主磁极：由主磁极铁心和励磁绕组组成，通电后产生电机运行所需的主磁场；换向极：由换向极铁心和换向极绕组组成，产生附加磁场，抵消电枢反应，改善电流换向；机座：采用铸铁制成，兼具机械支撑和导磁功能，同时保护内部部件；端盖：安装在机座两端，内部装有轴承，用于支撑转子轴，保证转子平稳旋转，并封闭电机两端。 1.简述内转子式直流电机定子的组成及各部分主要功能。 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：两者的核心区别是转子位置不同：内转子直流电机的转子在定子内部（内旋转），外转子直流电机的转子在定子外部（外旋转）。 外转子直流电机因转动惯量大、转速平稳、可直接驱动负载，适用场景包括家用风扇电机、小型通风设备、低速传动机构（如部分玩具电机）等需低速平稳运行且无需额外传动部件的场景。 2.外转子直流电机与内转子直流电机的核心区别是什么？简述外转子直流电机的适用场景。 40 常考习题练习与讲解—简答题 答案：无刷直流电机取消换向器和电刷，是因为传统有刷电机的换向器与电刷存在机械摩擦，会产生磨损、火花和噪声，需定期维护；取消后可减少损耗、降低维护量、提高可靠性。 3.无刷直流电机为何取消了换向器和电刷？ 41 常考习题练习与讲解—简答题 答案：内转子式直流电机转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器组成。电枢铁心：由硅钢片叠压而成，用于减少磁滞损耗和涡流损耗，同时作为电枢绕组的支撑骨架；电枢绕组：绕制在电枢铁心槽内，通电流后在定子磁场中受到电磁力，产生驱动转子旋转的电磁转矩，是能量转换的核心部件；换向器：由相互绝缘的铜片组成，与电刷配合，将外部直流电流引入电枢绕组。 4.简述内转子式直流电机转子（电枢）的组成及各部分主要功能。 42 重点复习知识点： 1.内转子式直流电机的三段式核心结构及功能：需明确其结构分为定子、转子（电枢）和其他部分。 2.内、外转子直流电机的核心差异与适用场景：两者核心区别在于转子位置，由此衍生出性能差异——内转子转动惯量小、适合高转速，外转子转动惯量大、转速平稳且可直接驱动负载。 3.无刷直流电机的“无刷”本质与电子换向结构：其核心是取消传统有刷电机的换向器和电刷，改用“永磁转子+定子绕组+霍尔传感器+电子控制器”实现电子换向。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 43 $