直流电机的基本工作原理与结构课件

学习情境学习情境1 1 直流电机直流电机1.1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构学习情境1直流电机1.1.1直流电机的工作原理与结构电机电机直流电机直流电机交流电机交流电机直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机直流电机的分类用途直流电机的分类用途直流发电机直流发电机：机械能：机械能 为电能；为电能；直流电动机直流电动机：把电能：把电能 为机械能。为机械能。用途用途：电机直流电机交流电机直流电动机直流发电机直流电机的分类用途直 一、一、电动机原理电动机原理直流电动机用来拖动生产机械，如拖动电力机车、直流电动机用来拖动生产机械，如拖动电力机车、吊车、机床等吊车、机床等输入电功率输入电功率输出机械功率输出机械功率 电流、电压电流、电压电磁转矩电磁转矩 怎样使一台直流电机通电后能转动并输出怎样使一台直流电机通电后能转动并输出机械功率？机械功率？一、电动机原理直流电动机用来拖动生产机械，如拖若磁场与载流导体互相垂直，作用在导若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力：体上的电磁力：f=BIL (N)N NB BS f i（左手定则确定）（左手定则确定）磁极磁极 NS电枢电枢.电机轴向电机轴向NS轴轴生生产产机机械械 电机简单结构（剖面图）电机简单结构（剖面图）若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电枢槽中嵌入的线圈电枢槽中嵌入的线圈 轴向看电枢轴向看电枢电动机转动条件：电动机转动条件：B 磁极和励磁电流（或永久磁铁）；磁极和励磁电流（或永久磁铁）；i 电枢开槽嵌入线圈，而且线圈通入电流；电枢开槽嵌入线圈，而且线圈通入电流；L 线圈有效长度。线圈有效长度。L L 线线 圈圈电枢槽中嵌入的线圈轴向看电枢电动机转动条件：L线圈直流直流电动机电动机的基本工作过程的基本工作过程电刷电刷换向片换向片线圈线圈磁极磁极直流电动机的基本工作过程电刷换向片线圈磁极U+SbNacd电枢绕组通直流电电枢绕组通直流电U+U+U+TemnIaIa电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流 I Ia a电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩T Tememn n 顺时针方向顺时针方向电磁力电磁力电磁力电磁力F F（左手定则）（左手定则）（左手定则）（左手定则）定子磁场定子磁场定子磁场定子磁场FF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交流电，以保交流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。讨论：当转动讨论：当转动180度后，电机的转向会改变吗？度后，电机的转向会改变吗？U+SbNacd电枢绕组通直流电U+U+U+TemnFFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向方向相反相反。FFU+NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转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：外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流。直流电机换向器将外部的直流电变成交流。直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流。了内部交替变化的电流。线圈中感应线圈中感应电势与电流方向相反电势与电流方向相反线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的流产生的磁场在空间上是恒定不变的产生产生的的电磁转矩电磁转矩T Temem与转子转向相同，是与转子转向相同，是驱动驱动性质性质直流电动机运行时的几点结论：外施电压、电流是直流，电枢线圈内二、直流二、直流发电机发电机的基本工作过程的基本工作过程（分组讨论）（分组讨论）原动机拖动转起来原动机拖动转起来n n电枢感应电势电枢感应电势电枢感应电势电枢感应电势e e感应电流感应电流感应电流感应电流i i通过电刷输出到负载通过电刷输出到负载二、直流发电机的基本工作过程（分组讨论）原动机拖动转起来n电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、电流方向是交流电电刷间为直流电势。线圈中感应电势电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致与电流方向一致从空间看，从空间看，电枢电流产生的磁场在空电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场间上是恒定不变的磁场产生的产生的电磁转矩电磁转矩T T与转子转向相反，与转子转向相反，是是制动性质制动性质直流发电机运行时的几点结论电枢线圈内电势、电流方向是交流电电 三、小结三、小结 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既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发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从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能转换成电能而成为发电机发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为能而成为电动机电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理可逆原理。直流直流直流直流电机可逆原理：电机可逆原理：三、小结从上述基本电磁情况来看，一1.1.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构直直流流电电机机定定子子转转子子气气隙隙1.1.2直流电机的基本结构直流电机定子转子气隙直流电机外部结构直流电机外部结构直流电机外部结构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电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心换向器换向器转轴转轴磁极铁心磁极铁心励磁绕组励磁绕组电刷电刷刷握刷握绝缘支架绝缘支架压紧力调整装置压紧力调整装置定子定子转子转子直直流流电电机机（产生励产生励产生励产生励 磁磁场磁磁场磁磁场磁磁场）（产生电动势，流过产生电动势，流过产生电动势，流过产生电动势，流过电流，产生电磁转矩电流，产生电磁转矩电流，产生电磁转矩电流，产生电磁转矩）主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极直流电机内部结构直流电机内部结构直流电机内部结构电动自行车用直流电机器电动自行车用直流电机器儿童遥控汽车用的微型直流电机儿童遥控汽车用的微型直流电机电动缝纫机用直流电机电动缝纫机用直流电机电动自行车用直流电机器儿童遥控汽车用的微型直流电机电动缝纫机直流电机的基本工作原理与结构课件(1)主磁极主磁极(2)励磁绕组励磁绕组主磁极钢板冲片主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）厚）主磁极由钢板主磁极由钢板冲片叠压而成冲片叠压而成励磁绕组套在励磁绕组套在主磁极极身上主磁极极身上一、定子：一、定子：(1)主磁极主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）主磁极由钢板uN极极和和S极极只只能能成成对对出出现现且沿圆周均匀交替分布；且沿圆周均匀交替分布；u极极对对数数：N极极或或S极极的的个个数，通常用数，通常用 p 表示；表示；u极极数数：主主磁磁极极的的个个数数，等等于于 2p 。p=2即即4极电机极电机NSNSN极和S极只能成对出现且沿圆周均匀交替分布；p=2NSNS直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构主磁极主磁极单片主磁极铁芯图单片主磁极铁芯图主磁极铁芯叠加图主磁极铁芯叠加图主磁极铁芯图主磁极铁芯图主励磁绕组图主励磁绕组图换向极图换向极图-1换向极图-1换向极图换向极图-2换向极图-2电刷示意图电刷示意图电刷结构图电刷结构图(1)电枢铁心电枢铁心(2)电枢绕组电枢绕组电枢铁心冲片电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚厚)（硅钢片）（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成均匀开槽均匀开槽二、转子：二、转子：(1)电枢铁心电枢铁心冲片涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽二、绕组实物绕组实物图图绕组实物图转子结构图转子结构图-1转子结构图-1直流电机的转子直流电机的转子直流电机的转子电枢铁芯示意图电枢铁芯示意图单片电枢铁芯图单片电枢铁芯图电枢绕组图电枢绕组图电枢绕组图电枢绕组放置原理图电枢绕组放置原理图-1电枢绕组放置原理图-1电枢绕组放置原理图电枢绕组放置原理图-2电枢绕组放置原理图-2电枢绕组放置原理图电枢绕组放置原理图-3电枢绕组放置原理图-3电枢绕组放置原理图电枢绕组放置原理图-4电枢绕组放置原理图-4电枢绕组放置原理图电枢绕组放置原理图-5电枢绕组放置原理图-5电枢绕组放置原理图电枢绕组放置原理图-6电枢绕组放置原理图-6电枢绕组电枢绕组展开展开原理图原理图-1电枢绕组展开原理图-1电枢绕组电枢绕组展开展开原理图原理图-2电枢绕组展开原理图-2(3)(3)换向器换向器作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用用V V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。构成。(4)(4)电刷电刷(3)换向器作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由换向器换向器换向器直直流流电电机机模模型型直流电机模型 1.1.3 1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列直流电机的铭牌数据及主要系列 电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择和电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择和使用时参考。使用时参考。额定值额定值 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，故又叫气的铭牌上，故又叫铭牌值。铭牌值。1.1.3直流电机的铭牌数据及主要系列直流电机的额定值直流电机的额定值（1）额定功率）额定功率PN单位单位W或或kW（2）额定电压）额定电压UN单位单位V（3）额定电流）额定电流 IN单位单位A（4）额定励磁电压）额定励磁电压 UfN单位单位V（5）额定励磁电流）额定励磁电流 IfN单位单位A（6）额定转速）额定转速nN单位单位r/min（7）额定效率）额定效率 N（8）额定转矩）额定转矩TN单位单位Nm直流电机的额定值（1）额定功率PN 单位W或kW 额定功率额定功率 P PN N指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的的输出功率输出功率，以，以 W W 为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于 1kW 1kW 或或 1MW 1MW 时时,则用则用 kW kW 或或 MW MW 表示。表示。对于直流发电机对于直流发电机，P PN N是指发电机带额定负载时，是指发电机带额定负载时，电刷输出的功率，电刷输出的功率，它等于额定电压和额定电流的乘它等于额定电压和额定电流的乘积。积。P PN NU UN NI IN N 对于直流电动机对于直流电动机，P PN N是指电动机带额定负载时，是指电动机带额定负载时，转轴上输出的机械功率，转轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率所以公式中还应有效率N N存在。存在。P PN NU UN NI IN NN N(N N额定效率）额定效率）额定功率PN指电机在铭 额定电压额定电压 U UN N指额定状态下指额定状态下电枢出线端电枢出线端的电压，以的电压，以 “V V”为为量纲单位。量纲单位。额定电流额定电流 I IN N指电机在额定电压、额定功率时的指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流电枢电流值，值，以以 “A A”为量纲单位。为量纲单位。额定转速额定转速 n nN N指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/minr/min为为量纲单位。量纲单位。额定励磁电流额定励磁电流 I If f指电机在额定状态时的励磁电流值。指电机在额定状态时的励磁电流值。额定电压UN指额定状态下电 额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机发电机：是指：是指输出输出额定电压；额定电压；电动机电动机：是指：是指输入输入额定电压。额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式与电枢线圈的连接方式励磁方式额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂日期、出厂编号等。电动机轴上输出的额定转矩用电动机轴上输出的额定转矩用T TN N表示，其大小等于表示，其大小等于输出的额定机械功率除以转子输出的额定机械功率除以转子额定角速度额定角速度，即即T TN N=P=PN N/N N=P=PN N/(2n/(2nN N/60)=9.55 P/60)=9.55 PN N/n/nN N实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运行时电机的负载小于额定容量，称为如果运行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行欠载运行；而电机的负载超过额定容量，称为而电机的负载超过额定容量，称为过载运行过载运行。长期的。长期的欠载或过载都不好。欠载或过载都不好。此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励 例题例题1-11-1：一台直流电动机其额定功率一台直流电动机其额定功率P PN N=160kW=160kW，额定电压，额定电压U UN N=220V=220V，额定效率额定效率N N=90%=90%，额定转速，额定转速n nN N=1500r/min=1500r/min，求该电动机额定运行状态时的输，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少？入功率、额定电流及额定转矩各是多少？解：解：额定输入功率额定输入功率:P P1 1=P=PN N/N N=160=1600.9=177.8kW0.9=177.8kW 额定电流额定电流 :I IN N=P=PN N/U/UN N N N=160=16010103 32202200.9=808.1A0.9=808.1A 额定转矩额定转矩 :T TN N=9.55 P=9.55 PN N/n/nN N=9.55=9.5516016010103 3 1500=1018.7N1500=1018.7N m m例题1-1：解：额定输入功率:P1=本次课小结本次课小结直流电机及其用途直流电机及其用途直流电机的工作原理直流电机的工作原理直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机直流电机的主要结构直流电机的主要结构直流电机的额定值直流电机的额定值本次课小结直流电机及其用途1、换向器与电刷无接触时，直流电动机转速为、换向器与电刷无接触时，直流电动机转速为零零本次课习题本次课习题2、直流发电机换向器与电刷无接触时，电刷两端、直流发电机换向器与电刷无接触时，电刷两端的电动势的电动势零零3、直流电动机电枢绕组中流通、直流电动机电枢绕组中流通C、随时间交变的电流、随时间交变的电流B、随磁极极性而换向的交流电流随磁极极性而换向的交流电流A、直流电流直流电流1、换向器与电刷无接触时，直流电动机转速为零本次课习题2、直4、直流电机被原动机拖动，励磁供电产生磁直流电机被原动机拖动，励磁供电产生磁 场，电机将处什么运行状态？场，电机将处什么运行状态？答：发电机状态（答：发电机状态（E=BVLE=BVL）5、电枢输入直流电，励磁供电产生磁场，电枢输入直流电，励磁供电产生磁场，直流电机处于何种运行状态？直流电机处于何种运行状态？答：电动机状态答：电动机状态 (f=BiL)(f=BiL)？4、直流电机被原动机拖动，励磁供电产生磁答：发电机状态（E6、直流发电机正负电刷间的电动势是、直流发电机正负电刷间的电动势是C、随时间交变的电动势、随时间交变的电动势B、随磁极极性而改变的交流电动势随磁极极性而改变的交流电动势A、直流电动势直流电动势6、直流发电机正负电刷间的电动势是C、随时间交变的电动势B、7、直流电动机换向器把、直流电动机换向器把 直流电直流电转换为转换为随磁极极性而变的交流电流。随磁极极性而变的交流电流。8、直流发电机换向器把电枢内的、直流发电机换向器把电枢内的转换为电刷端的转换为电刷端的电刷端电刷端电枢绕组电枢绕组随磁极极性变化的随磁极极性变化的交变电动势交变电动势直流电源直流电源7、直流电动机换向器把9、当直流电机磁极旋转，电枢静止时、当直流电机磁极旋转，电枢静止时A、换向器静止，电刷旋转、换向器静止，电刷旋转B、换向器旋转，电刷静止、换向器旋转，电刷静止C、换向器静止，电刷静止、换向器静止，电刷静止D、换向器旋转，电刷旋转、换向器旋转，电刷旋转9、当直流电机磁极旋转，电枢静止时A、换向器静止，电刷旋转B电电 枢枢换向器换向器电枢绕组与换向片焊接电枢绕组与换向片焊接电电枢枢绕绕组组电电动动机机工工作作原原理理电枢换向器NS电枢绕组与换向片焊接电枢绕组电直流电机的基本工作原理与结构课件