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电机及拖动基础 第二章 直流电机 电气与自动化工程学院 2 电流有交流和直流之分，因此电机也有直流电机和交流电机两大类。 直流电机具有调速性能好，起动转矩大的优点。 但其制造工艺复杂，生产成本高，维护较困难，可靠性差等缺点。 目前在很多场合直流电机已被交流电机和电力电子装置取代，但仍然有其应用场合。 旋转电机是一种实现机电能量转换的机电装置，将电能转换为机械能为电动机；将机械能转换为电能称为发电机。 电气与自动化工程学院 3 第二章 直流电机 2-1 直流电机的工作原理及结构 2-2 直流电机的铭牌数据 2-3 直流电机的绕组 2-4 直流电机的励磁方式及磁场 2-5 感应电动势和电磁转矩的计算 2-6 直流电机的运行原理 2-7 直流电机的换向 电气与自动化工程学院 4 重点： 第一节 直流电机工作原理 第五节 感应电动势和电磁转矩的计算 第六节 直流电机的运行原理 难点： 直流电机绕组的形式，直流电机的电枢反应和换向 直流电机的运行原理 特别注意：机电能量转换的物理过程。 电气与自动化工程学院 5 本节课的主要内容： (1) 直流电动机的工作原理——重点 换向的概念及其作用、电动机的物理工作过程 电气与自动化工程学院 8 2. 电机中导电线圈在磁场中的受力及电流分析 作垂直截面 电机截面图 直流电动机工作原理图 以一匝导电线圈ax（ax为转子上面的绕线 ，a为绕线开始端，缠绕在转子槽内，最后从x端引出）分析，当通入直流电流时，电流方向如图所示。 线圈边ab和cd上均受到电磁力（安培定则）。 电气与自动化工程学院 9 ab边在上，cd边在下时，左手定则判断电磁力F方向 形成电磁转矩，电磁转矩方向逆时针旋转。 ab边仍连电源正级，即ab和cd流过电流方向不变，只是位置互换 假设圈边ab和cd转动到位置互换的状态 电磁转矩方向顺时针旋转 电气与自动化工程学院 10 转子绕组（电枢绕组）受到一种方向交变的电磁转矩，电枢来回摇摆，不能连续转动。 问题：如何让电枢始终沿着一个方向运动？ 答：关键在于，处于同一个磁极下的线圈边中电流的方向应该始终不变，即进行“换向”。 设法让线圈边ab转到边dc位置时，ab边上的电流和以前cd边上的电流方向一样，S级下圈边电流为流出方向，N级下圈边电流为流入方向，这样电枢就能始终逆时针旋转了。 电气与自动化工程学院 11 为解决上述问题，引入换向器 3. 换向器 换向片 电刷 换向器：①由许多铜制换向片组成，换向片之间用云母绝缘。 ②线圈边ab 和dc也分别接到换向器的两个换向片上，换向片连同线圈一起随轴转动。 电气与自动化工程学院 12 4. 电刷 ① 两个固定不动由石墨制成的装置，图中的A B 。 ② 直流电压加于电刷端，直流电流经电刷，通过换向器，作用到电枢上，产生电磁转矩。 换向片 电刷 电刷是不动的 换向片随电机轴转动 电气与自动化工程学院 13 交流电→直流电 整流直流电→交流电 逆变 问题：直流电源始终不变，直流电流交替的由线圈ab和cd流入，那单个圈边ab上和cd上的电流是什么电流？ 5. 线圈上的电流 答：交流电。电刷外连接的直流电流方向始终不变，电机电枢圈边上的电流方向改变。 换向器：在直流电动机中起逆变作用，使电刷间的直流电→线圈内的交变电，保证电动机的转向恒定。 电气与自动化工程学院 14 1. 电磁感应定律 （二）直流发电机的工作原理(机械能→电能) 问题的切入点：运动导体在磁场中切割磁力线产生电动势，即电磁感应定律。 B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) v — 导体切割磁力线的速度（m/s） l — 导体的有效长度(m) 电气与自动化工程学院 15 2. 直流发电机的工作原理 － E ＋ 电刷 换向片 I E的方向，右手定则 － E ＋ 磁场力F，左手定则 电刷两端极性不变 圈边ab和cd上面的感应电动势变化了 问题：外接负载，导条中有电流，此时会产生什么现象？ 电气与自动化工程学院 16 电磁力F逆时针，与电枢旋转方向相反，会产生制动转矩，因此，发电机在向负载输出电功率的同时，外部需要不断的向电机输送机械功率，满足能量守恒第一定律。 I － E ＋ 磁场力F，左手定则 电气与自动化工程学院 17 如果没有换向器，发电机将呈现以下工作状态： 电气与自动化工程学院 18 一台直流电机作为 电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能； 电能转换为机械能 发电机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。 机械能转为电能 注意：不要孤立的看待发电机