1、新世纪高职高专新世纪高职高专电气自动化技术类课程规划教材电气自动化技术类课程规划教材 新世纪高职高专教材编审委员会新世纪高职高专教材编审委员会 组编组编主编主编 郑立平郑立平 张张 晶晶 王文一王文一主审主审 孙建忠孙建忠第一章第一章 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理1.2直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组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1.1直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理1.1.1 1.1.1 直流电机的结构直流电机的结构电枢铁芯电枢铁芯电枢绕组电枢绕组换向磁极换向磁极主
2、磁极主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换向器换向器转轴转轴轴承轴承直直流流电电机机1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理 图图1-2 1-2 直流电机的正剖面图直流电机的正剖面图 1 1极靴极靴 2 2电枢齿电枢齿 3 3电枢槽电枢槽 4 4主磁极主磁极 5 5励磁绕组励磁绕组 6 6机座（磁轭）机座（磁轭）7 7换向极换向极8 8换向极绕组换向极绕组 9 9电枢绕组电枢绕组 1010电枢铁芯电枢铁芯 1111底脚底脚1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理图图1-3 1-3 换向极结构换向极结构1 1换向极铁芯换向极铁芯 2 2换向极绕组
3、换向极绕组1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理图图1-4 1-4 电刷盒装配电刷盒装配1 1刷盒刷盒 2 2电刷电刷 3 3铜丝辫铜丝辫 4 4压紧弹簧压紧弹簧1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理图图1-5 1-5 电枢铁芯冲片电枢铁芯冲片1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理图1-6 直流电机换向器图图1-6 1-6 直流电机换向器直流电机换向器1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理1.1.2 1.1.2 直流电机的基本原理直流电机的基本原理1.直流发电机工作原理直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，右图为
4、直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈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连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连接到两连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的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接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。的电刷进行的。1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理1.1.2 1.1.2 直流电机的基本原理直流电机的基本原理1.直流发电机工作原理
5、直流发电机工作原理1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转180后后 ，如右图。，如右图。可见，和电刷可见，和电刷A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N极下，和电刷极下，和电刷B接触接触的导体总是位于的导体总是位于S极下。极下。导体导体ab在在S极下，极下，a点低电位，点低电位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在N极下，极下，c点低电位，点低电位，d点高电位；电刷点高电位；电刷A极极性仍为正，电刷性仍为正，电刷B极性仍为负。极性仍为负。可见，和电刷可见，和电刷A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N极下，和电刷
6、极下，和电刷B接触接触的导体总是位于的导体总是位于S极下，因此电刷极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷的极性总是正的，电刷B的的极性总是负的，在电刷极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。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。线圈分布在电枢铁芯表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，分布在电枢铁芯表面的不同位置，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。极交替旋转多对。1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理2.直流
7、电动机工作原理直流电动机工作原理 把电刷把电刷A、B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A接正极，电刷接正极，电刷B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右时电枢线圈中将电流流过。如右图。图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。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，在磁场作用下，N极性下导体极性下导体ab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S 极下导极下导体体cd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转
8、。1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理2.直流电动机工作原理直流电动机工作原理当电枢旋转到右图所示位置当电枢旋转到右图所示位置时原时原N极性下导体极性下导体ab转到转到S极下，极下，受力方向从左向右，原受力方向从左向右，原S 极下导极下导体体cd转到转到N极下，受力方向从右极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向向左。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成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。方向旋转。1.1 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并
9、非单一线圈，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。磁极也并非一对。电枢绕组是直流电机的核心部分。无论是发电机还是电动电枢绕组是直流电机的核心部分。无论是发电机还是电动机，感应电动势和电磁转矩都在电枢绕组中产生，电枢绕组是机，感应电动势和电磁转矩都在电枢绕组中产生，电枢绕组是实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的转子称为把直流电机的转子称为电枢电枢。1.2.1 1.2.1 基本知识基本知识 1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.绕组元件绕组元件构成绕组的线圈为绕组元件，是用
10、绝缘铜线绕制的。元件构成绕组的线圈为绕组元件，是用绝缘铜线绕制的。元件的开始端头称首端，终了端头称末端。嵌放在电枢铁芯槽中的的开始端头称首端，终了端头称末端。嵌放在电枢铁芯槽中的直线部分称有效边，连接两个有效边的部分称为端接部分。一直线部分称有效边，连接两个有效边的部分称为端接部分。一个元件可以是单匝或多匝。个元件可以是单匝或多匝。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.2.元件数、槽数、换向片数的关系元件数、槽数、换向片数的关系直流电机电枢绕组是双层的，即每个槽分上下两层嵌放元直流电机电枢绕组是双层的，即每个槽分上下两层嵌放元件有效边。每个元件的一个边嵌放在一个槽子的上层，另一个件有
11、效边。每个元件的一个边嵌放在一个槽子的上层，另一个边嵌放在另一个槽子的下层边嵌放在另一个槽子的下层。线圈数、槽数、换向片数的关系：线圈数、槽数、换向片数的关系：元件数等于换向片数等于槽数，即元件数等于换向片数等于槽数，即 S=K=Z式中式中 S 元件数；元件数；K换向片数；换向片数；Z电枢实际槽数。电枢实际槽数。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组3.3.叠绕组和波绕组叠绕组和波绕组叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组成褶叠式前进；波绕组是指相串件端接部分的上面，整个绕组成褶叠式前进；波绕组是指相
12、串联的两个元件像波浪式的前进如图所示联的两个元件像波浪式的前进如图所示 电枢绕组和节距电枢绕组和节距1 13 32 2y1y2yyk单叠绕组单叠绕组1 13 32 2y1y2yyk7 7单波绕组单波绕组1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.2.2 电枢绕组的节距电枢绕组的节距1极距极距 极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离，即极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离，即1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组=2 pDpD式中式中极距极距电枢直径电枢直径磁极对数磁极对数实际上，常用一个磁极表面所占的虚槽数实际上，常用一个磁极表面所占的虚槽数Zu 来计算极距，即来计算极距，即u2.2.
13、第一节距第一节距 y1 第第一一节节距距是是指指一一个个线线圈圈两两有有效效边边之之间间在在电电枢枢表表面面上上的的跨跨距距，以以槽槽数数表表示示，如如图图110所所示示。由由于于线线圈圈边边要要放放入入槽槽内内，所所以以应应是是整整数数。而而为为了了让让组组能能感感应应出出最最大大的的电电动动势势，应应使使接接近近或或等等于于极距。极距。为了节省铜线及其工艺的方便，一般采用短距或整距绕组。为了节省铜线及其工艺的方便，一般采用短距或整距绕组。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组u3 3第二节距第二节距 y2 它它是是指指相相串串联联的的两两个个相相邻邻线线圈圈中中，第第一一个个线线圈圈
14、的的下下层层边边与与相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，用槽数表示。相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，用槽数表示。4 4换向片节距换向片节距 yk 线线圈圈的的两两端端所所连连接接的的换换向向片片之之间间距距离离，用用该该线线圈圈跨跨过过的的换换向片数来表示。向片数来表示。5 5合成节距合成节距 y 它它是是指指相相串串联联的的两两个个相相邻邻线线圈圈对对应应的的有有效效边边之之间间的的距距离离，用槽数表示。用槽数表示。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组单叠绕组是指元件的首端和末端分别接到相邻的两片换向单叠绕组是指元件的首端和末端分别接到相邻的两片换向片上，下一个元件叠在前一个元件
15、之上。片上，下一个元件叠在前一个元件之上。1.单叠绕组的链接规律单叠绕组的链接规律绘制展开图的步骤是：绘制展开图的步骤是：第一步：计算绕组的各节距。包括、第一步：计算绕组的各节距。包括、y、y1。第第二二步步：画画槽槽、画画元元件件，按按顺顺序序编编号号。每每槽槽用用两两条条短短线线表表示示，实实线线表表示示上上层层，虚虚线线表表示示下下层层。注注意意：实实线线上上的的标标号号既既表表示槽号又表示元件号，同时还表示该元件的上层边所在的位置。示槽号又表示元件号，同时还表示该元件的上层边所在的位置。1.2.3 1.2.3 单叠绕组单叠绕组1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组第第三三步步：画
16、画换换向向片片，按按顺顺序序编编号号。用用小小方方块块代代表表各各换换向向片片，换换向向片片与与电电枢枢同同周周长长，换换向向片片的的编编号号也也是是按按顺顺序序从从左左向向右右并并以以第一元件上层边所连接的换向片作为第一换向片号。第一元件上层边所连接的换向片作为第一换向片号。第四步：排列、连接绕组。根据各节距按规律排列连接。第四步：排列、连接绕组。根据各节距按规律排列连接。第第五五步步：放放置置主主磁磁极极。主主磁磁极极应应N、S极极交交替替地地、均均匀匀地地放放置在各槽之上，每个磁极的宽度约为置在各槽之上，每个磁极的宽度约为0.7倍的极距。倍的极距。第第六六步步：安安放放电电刷刷。在在展展
17、开开图图中中，直直流流电电机机的的电电刷刷置置于于磁磁极极中中心心线线下下，电电刷刷大大小小与与换换向向片片相相同同，电电刷刷数数与与主主磁磁极极数数相相同同。在在实实际际生生产产过过程程中中，直直流流电电机机电电刷刷的的位位置置是是通通过过实实验验方方法法确确定定的。的。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组【例例 1-1】已已知知一一台台直直流流电电机机 2 p=2，S=K=Z =8，画画出出单叠绕组展开图。单叠绕组展开图。解：计算绕组的各节距：解：计算绕组的各节距：极距：极距：第一节距第一节距：合成节距合成节距：y=yk=1 按照上述步骤绘制单叠绕组按照上述步骤绘制单叠绕组的展开图
18、，如图所示。的展开图，如图所示。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组uuu2.单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图画出元件的连接及有关的换向片和电刷，就成了绕组的并联画出元件的连接及有关的换向片和电刷，就成了绕组的并联支路图。并联支路图，就是绕组的电路简图支路图。并联支路图，就是绕组的电路简图 1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组3.单叠绕组的特点单叠绕组的特点综上所述，单叠绕组是有以下特点：综上所述，单叠绕组是有以下特点：（1）y=yk=1（2）2a=2p（3）同同一一个个主主磁磁极极下下的的元元件件串串联联在在一一起起组组成成一一个个支支路路，有几个主磁极就有几条支路；
19、有几个主磁极就有几条支路；（4）电电刷刷数数等等于于主主磁磁极极数数，电电刷刷位位置置应应使使支支路路感感应应电电动动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势；势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势；（5）电枢电流等于各并联支路电流之和）电枢电流等于各并联支路电流之和1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.2.4 单波绕组单波绕组1.单波绕组的排列规律单波绕组的排列规律单波绕组直接相连的两个线圈的对应边不是在同一个主磁单波绕组直接相连的两个线圈的对应边不是在同一个主磁极下面，而是分别处于相邻两对主磁极中的同极性磁极下面，极下面，而是分别处于相邻两对主磁极中的同极性磁极下面，合成节距约等于
20、两个极距合成节距约等于两个极距。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.2.4 单波绕组单波绕组1.单波绕组的排列规律单波绕组的排列规律1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.单波绕组并联支路图单波绕组并联支路图单波绕组对应的瞬间并联支路图如图所示。由图可知，单单波绕组对应的瞬间并联支路图如图所示。由图可知，单波绕组只有一对并联支路，支路对数与磁极对数无关，即波绕组只有一对并联支路，支路对数与磁极对数无关，即a=1。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组3.单波绕组的特点单波绕组的特点 （1）（2）a=1；（3）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势
21、；（4）正负电刷间电动势最大。）正负电刷间电动势最大。1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组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1.3.1 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据铭牌数据主要包括：电机型号、额定功率、额定电压、额铭牌数据主要包括：电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流、励磁方式、励磁电压、工作方定电流、额定转速和励磁电流、励磁方式、励磁电压、工作方式、绝缘等级等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出式、绝缘等级等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。厂日期等。1 1直流电机的型号直流电机的型号其其格格式式为为：第
22、第一一个个字字符符用用大大写写的的汉汉语语拼拼音音表表示示产产品品系系列列代代号号，第第二二个个字字符符用用阿阿拉拉伯伯数数字字表表示示设设计计序序号号，第第三三个个阿阿拉拉伯伯数数字字是是机机座座中中心心高高，第第四四个个阿阿拉拉伯伯数数字字表表示示电电枢枢铁铁芯芯长长度度代代号号，第五个阿拉伯数字表示端盖的代号。第五个阿拉伯数字表示端盖的代号。例例如如型型号号是是Z Z4 42002002121的的直直流流电电机机，Z Z是是系系列列（即即一一般般用用途途直直流流电电动动机机）代代号号，200200是是电电机机中中心心高高（mmmm），2121中中的的2 2是是电电枢枢铁芯长度代号，铁芯长
23、度代号，1 1是端盖的代号。是端盖的代号。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.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对对于于发发电电机机来来说说，是是指指正正负负电电刷刷之之间间输输出出的的电电功功率率；对对于于电动机，则是指轴上输出的机械功率。电动机，则是指轴上输出的机械功率。（2）额定电压）额定电压UN指指额额定定运运行行状状况况下下，直直流流发发电电机机的的输输出出电电压压或或直直流流电电动动机机的输入电压，单位为的输入电压，单位为V。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（3）额定电流）额定电流 指在额定情况
24、下，电机流出或流入的电流，单位为指在额定情况下，电机流出或流入的电流，单位为A。直流发电机额定电流为直流发电机额定电流为 直流电动机额定电流为直流电动机额定电流为 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（4）额定效率）额定效率 式中式中PN 是额定输出功率；是额定输出功率；P1 是输入功率。是输入功率。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（5）额定转速）额定转速nN 在在额额定定功功率率、额额定定电电压压、额额定定电电流流时时电电机机的的转转速速，单单位位为为r/min。（6）额定励磁电压）额定励磁电压 Uf 在额定情况下，励磁绕组所加的电
25、压，单位为在额定情况下，励磁绕组所加的电压，单位为V。（7）额定励磁电流）额定励磁电流If 在额定情况下，通过励磁绕组的电流，单位为在额定情况下，通过励磁绕组的电流，单位为A。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.直流电机出线端标志直流电机出线端标志直直流流电电机机每每个个绕绕组组的的出出线线端端都都有有明明确确的的标标志志，用用字字母母注注在在接线柱旁或引出导线的金属牌上。接线柱旁或引出导线的金属牌上。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绕组名称绕组名称出线端标志出线端标志新国家标准新国家标准旧国家标准旧国家标准电枢绕组电枢绕组换向极绕
26、组换向极绕组补偿绕组补偿绕组串励绕组串励绕组并励绕组并励绕组他励绕组他励绕组A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 F1 F2 S1 S2 H1 H2 BC1 BC2 C1 C2 B1 B2 T1 T21.3.21.3.2 直流电机的主要系列直流电机的主要系列搞搞系系列列化化的的目目的的是是为为了了产产品品的的标标准准化化和和通通用用化化。我我国国电电机机的主要系列有：的主要系列有：（1）Z2系列。系列。一般用途的中小型直流电机。一般用途的中小型直流电机。（2）Z和和ZF系系列列。一一般般用用途途的的中中大大型型直直流流电电机机，其其中中“Z”为直流电动机系列，为直流电动机
27、系列，“ZF”为直流发电机系列。为直流发电机系列。（3）ZT系系列列。用用于于恒恒功功率率且且调调速速范范围围较较宽宽的的宽宽调调速速直直流流发电机。发电机。（4）ZZJ系系列列。冶冶金金辅辅助助拖拖动动机机械械用用的的冶冶金金起起重重直直流流电电动机，它具有快速起动和承受较大过载能力的特性。动机，它具有快速起动和承受较大过载能力的特性。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1.3.21.3.2 直流电机的主要系列直流电机的主要系列（5）ZQ系系列列。电电力力机机车车、工工矿矿电电机机车车和和蓄蓄电电池池供供电电的的电电车用的直流牵引电动机。车用的直流牵引电动机。（6
28、）ZH系列。系列。船舶上各种辅机船用的直流电动机。船舶上各种辅机船用的直流电动机。（7）ZA系系列列。用用于于矿矿井井和和易易爆爆气气体体场场合合的的防防安安爆爆全全型型直直流电机。流电机。（8）ZU系列。系列。用于龙门刨床的直流电动机。用于龙门刨床的直流电动机。（9）ZW系系列列。是是无无槽槽直直流流电电动动机机，在在快快速速响响应应的的伺伺服服系系统中作执行元件。统中作执行元件。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1.3.21.3.2 直流电机的主要系列直流电机的主要系列（10）ZLJ系系列列。是是力力矩矩直直流流电电动动机机，在在伺伺服服系系统统中中做做执执行元件。行元件。（11）BFG系系列列。是是直直流流三三换换向向片片永永磁磁电电动动机机，用用于于盒盒式式录音机、电动玩具等。录音机、电动玩具等。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
