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1、第第1章章 直流电机直流电机机电传动与控制E-mail:联系电话：5/21/20231本章基本要求本章基本要求了解直流电机的基本结构、工作原理了解直流电机的基本结构、工作原理熟悉直流电机的励磁方式熟悉直流电机的励磁方式理解直流电机电枢绕组的构成及特点理解直流电机电枢绕组的构成及特点掌握电枢电动势和电磁转矩的计算掌握电枢电动势和电磁转矩的计算理解和掌握直流电机的工作特性和机理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性械特性了解直流电机的换向了解直流电机的换向5/21/20232主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴转
2、轴轴承轴承直流电机直流电机一、一、直流电机的基本结构直流电机的基本结构1.1 直流电机的基本结构及工作原理直流电机的基本结构及工作原理5/21/20233直流电动机的构造直流电动机的构造极掌极掌极掌极掌极心极心极心极心励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组机座机座机座机座转子转子转子转子直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定直流电机由定子子(磁极磁极)、转子、转子(电枢电枢)和机座等和机座等部分构成。部分构成。S SN N+N N+S S+5/21/202341 1、定子部分、定子部分、定子部分、定子部分（1）主磁极主磁极1主磁极铁心主
3、磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座主磁极铁心用主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压而成。厚的钢板冲片叠压而成。5/21/20235（2 2）换向极）换向极）换向极）换向极1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组换向极铁心一般用整块钢换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。或钢板板叠片加工而成。换向极绕组与电枢绕组串换向极绕组与电枢绕组串联。联。作用作用：改善换向。：改善换向。5/21/20236（3 3）机座）机座）机座）机座作用：作用：作用：作用：vv一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机
4、械支一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用；承的作用；承的作用；承的作用；vv二是作为电机磁路的一部分。二是作为电机磁路的一部分。二是作为电机磁路的一部分。二是作为电机磁路的一部分。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。（4）电刷装置）电刷装置电刷的电刷的作用作用是把转动的电枢是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。流或逆变器的作用。1刷握刷握2电电刷刷3压紧弹簧压紧弹簧4铜丝辫铜丝辫5/21/202372 2、转子部分、转子部分、转子部分、转子部分（1）电枢铁心电枢铁心
5、作用：作用：作用：作用：vv一是作为电机主磁路的主要部分；一是作为电机主磁路的主要部分；一是作为电机主磁路的主要部分；一是作为电机主磁路的主要部分；vv二是嵌放电枢绕组。二是嵌放电枢绕组。二是嵌放电枢绕组。二是嵌放电枢绕组。为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。绝缘漆的硅钢片叠压而成。5/21/20238（2 2）电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直电枢绕组是由许多按一定规律联接的
6、线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。以实现机电能量转换的关键部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌放在电抠截面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈槽内，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。心力将绕组甩出槽外。5/21/20239（3 3）换向器换向器换向器换向器作用：作用：是将电刷上所通过的直流电流转换
7、为绕组内的交是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向换向器由许多换向片组成。换向片之片组成。换向片之间用云母绝缘。电间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在圈两端分别焊接在两个换向片上。两个换向片上。5/21/202310直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成直流电机直流电机定子定子转子转子机座机座换向极换
8、向极主磁极主磁极电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴电枢绕组电枢绕组5/21/202311二、二、直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理5/21/202312直流电机的工作原理直流电机的工作原理IU+SbNacd 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电极有效边的电流方向向外。电动机电枢枢绕组通电后绕组通电后中受
9、力中受力(左手定则左手定则)按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转。U+U+电刷电刷换向片换向片U+IFFTn换向器作用：换向器作用：将外部直流电将外部直流电转换成内部的转换成内部的直流电，以保直流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。5/21/202313直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理5/21/202314直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流电枢线圈内电流是交流；是交流；2）线圈中感应电势与电流方向相反；）线
10、圈中感应电势与电流方向相反；3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动与转子转向相同，是驱动性质。性质。5/21/202315直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理电刷电刷换向片换向片5/21/202316直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流
11、方向一致；流方向一致；3）从空间看，）从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；是恒定不变的磁场；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相反，与转子转向相反，是制动是制动性质。性质。5/21/202317电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服直流发电机的用途直流发电机的用途5/21/202318结结 论论 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的作为电动
12、机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。条件不同而已。条件不同而已。条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机
13、；转换成机械能而成为电动机；转换成机械能而成为电动机；转换成机械能而成为电动机；如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。出电
14、能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为在电机理论中称为在电机理论中称为在电机理论中称为可逆原理可逆原理可逆原理可逆原理。5/21/202319直流电机的特点：直流电机的特点：直流电机的特点：直流电机的特点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。响小。响小
15、。响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。大。大。大。易于控制，可靠性较高易于控制，可靠性较高易于控制，可靠性较高易于控制，可靠性较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高5/21/202320直流电机的
16、励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式他励他励串励串励并励并励复励复励永磁材料励磁永磁材料励磁IIaIIaIfI=Ia+IfI=IaIfc=Ia,I=Ia+Ifb;I=Ifc=Ia+Ifb5/21/202321三、他励直流电动机的基本方程式三、他励直流电动机的基本方程式 电枢电压平衡方程式电枢电压平衡方程式电枢电压平衡方程式电枢电压平衡方程式 U U U U E E E Ea a a a+I+I+I+Ia a a aR R R Ra a a a 1 1 1 1、电磁转矩电磁转矩 T=CT=CT TIIIIa a T T T T 9550955095509550 P/n
17、P/n P/n P/n2 2 2 2、电枢电动势电枢电动势 E E E Ea a a aC C C Ce e e en n n n 5/21/2023221、电压平衡方程式 U=Ea+IaRa 式中U电枢电压（V）Ia电枢电流（A）Ra电枢回路中总电阻（）2、电动机的转矩平衡方程式 T=To+TL ToTo空载转矩；空载转矩；T TL L负载静阻转矩，电动机稳定运行时，输出转矩负载静阻转矩，电动机稳定运行时，输出转矩T T2 2=T=TL L3、功率平衡方程式 电源输入功率P1=U Ia 电磁功率 PM=EaIa（反电势从电源吸收的电功率）电枢铜损耗 Pacu=IaRa P1=PM+Pacu
18、PM=Po+P2他励直流电动机的基本方程式他励直流电动机的基本方程式5/21/202323功率平衡方程式功率平衡方程式功率平衡方程式功率平衡方程式 直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机输输输输入入入入的的的的电电电电功功功功率率率率是是是是不不不不可可可可能能能能全全全全部部部部转转转转换换换换成成成成机机机机械械械械功功功功率率率率的的的的，因因因因为为为为在在在在转转转转换换换换的的的的过过过过程程程程中中中中存存存存在在在在着着着着各各各各种种种种损损损损耗耗耗耗。按按按按其其其其性性性性质质质质可可可可分分分分为为为为机机机机械械械械损耗损耗损耗损耗P Pmm，铁心损耗，铁心损耗，
19、铁心损耗，铁心损耗P PFeFe，铜损，铜损，铜损，铜损P PCuCu和附加损耗和附加损耗和附加损耗和附加损耗P PS S四种。四种。四种。四种。电动机总损耗电动机总损耗电动机总损耗电动机总损耗P P P Pmm+P+PFeFe+P+PCuCu+P+PS S电网向电动机输入的电功率电网向电动机输入的电功率电网向电动机输入的电功率电网向电动机输入的电功率P P P P1 1 1 1 U I U I U I U I U IU IU IU Ia a a a 电动机输出的机械功率电动机输出的机械功率电动机输出的机械功率电动机输出的机械功率 P P P P2 2 2 2P P P P1 1 1 1PPP
20、P 直流直流直流直流电动电动电动电动机的效率机的效率机的效率机的效率 =(=(=(=(P P P P2 2 2 2/P P P P1 1 1 1)100)100)100)1005/21/202324四、直流电机的额定数据四、直流电机的额定数据额定容量额定容量PN：输出功率，单位输出功率，单位kW额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位：额定状态下出线端电压，单位V额定电流额定电流IN：额定状态下出线端电流，单位：额定状态下出线端电流，单位A额定转速额定转速nN：额定状态下的电机转速，单位额定状态下的电机转速，单位r/min直流发电机：直流发电机：PNUN IN直流电动机：直流电动机：P
21、NUN IN N 伊塔 额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。电动机轴上输出电动机轴上输出的额定转矩：的额定转矩：5/21/202325电机的铭牌数据电机的铭牌数据电机的铭牌数据电机的铭牌数据5/21/2023265/21/2023275/21/202328直流电机的铭牌 WALLISDOWN SDOWN ROAD BOURNEMOUTH DORSET VOLTS 12 DC RPM 3800 AMPS 22 PM63-50-2-12-4300-3 0-CUS-NON COOE-63LN-6000 INS.CLASS F RATING.INT 5/21
22、/202329直流电机的铭牌 EMD电动机驱动 WALLISDOWN SDOWN ROAD WALLISDOWN SDOWN ROAD 产地（英国）产地（英国）BOURNEMOUTH DORSET BOURNEMOUTH DORSET VOLTS 12 DCVOLTS 12 DC直流直流1212伏伏 RPM 3800 RPM 3800 38003800转每分钟转每分钟 AMPS 22AMPS 22电流电流2222安安 PM63-50-2-12-4300-3 0-CUS-NON COOE-PM63-50-2-12-4300-3 0-CUS-NON COOE-63LN-600063LN-6000公
23、司产品系列号公司产品系列号 INS.CLASS FINS.CLASS F国际评级，国际评级，F F级级 RATING.INTRATING.INT 5/21/202330直流电机主要系列直流电机主要系列直流电机主要系列直流电机主要系列 Z4 Z4 Z4 Z4 系列系列系列系列 一般用途的小型直流电动机。一般用途的小型直流电动机。一般用途的小型直流电动机。一般用途的小型直流电动机。ZT ZT ZT ZT 系列系列系列系列 广调速直流电动机。广调速直流电动机。广调速直流电动机。广调速直流电动机。ZJ ZJ ZJ ZJ 系列系列系列系列 精密机床用直流电动机。精密机床用直流电动机。精密机床用直流电动机
24、。精密机床用直流电动机。ZTDZTDZTDZTD系列系列系列系列 电梯用直流电动机。电梯用直流电动机。电梯用直流电动机。电梯用直流电动机。ZZJZZJZZJZZJ系列系列系列系列 起重冶金用直流电动机。起重冶金用直流电动机。起重冶金用直流电动机。起重冶金用直流电动机。ZD2ZD2ZD2ZD2、ZF2ZF2ZF2ZF2系列系列系列系列 中型直流电动机。中型直流电动机。中型直流电动机。中型直流电动机。ZQZQZQZQ系列系列系列系列 直流牵引电动机。直流牵引电动机。直流牵引电动机。直流牵引电动机。Z-HZ-HZ-HZ-H系列系列系列系列 船用直流电动机。船用直流电动机。船用直流电动机。船用直流电动机。ZAZAZAZA系列系列系列系列 防爆安全用电动机。防爆安全用电动机。防爆安全用电动机。防爆安全用电动机。ZLJ ZLJ ZLJ ZLJ 系列系列系列系列 力矩直流电动机。力矩直流电动机。力矩直流电动机。力矩直流电动机。5/21/202331例题例题5/21/2023325/21/202333