第三章 直流电机
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直流电机工作原理及特性
转 子： 主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电 换向器： 枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
3.1.2 直流电机基本结构 1换向器2电刷装置3机座4主磁极5换向极6端盖7风扇8电枢绕组9电枢铁芯
3.1.2 直流电机基本机构结构
3.2直流电机的基本方程 3.2.1励磁方式
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
他励电动机的励磁电流If的大小 与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小
只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的
大小一定时, If为定值，即磁通为定
值。 ∵ E Ke n、 T Km Ia
∴U Ke n Ia Ra
1. 理想空载转速：
理想空载点
T=0时的转速称为理想空载转速， 用n0表示。
式中：E — 感应电动势（V）； Φ — 一对磁极的磁通（Wb）； n — 电枢转速（r/min）； Ke — 与电机结构有关的常数。
式中：TM—电磁转矩（N·m）； Φ—对磁极的磁通（Wb）； Ia—电枢电流（A）； Km—与电机结构有关的常数
E Ke n
TM Km Ia
发电机：
如图3-9所示,他励发电机中的电压与 电流间的关系遵循回路电压定律: 电压平衡方程：
转矩平衡方程：当原动机与发电机 电磁转矩和空载损耗转矩之和相等 时，转子稳速运行
电动机：
电压平衡方程：
当电磁转矩T 与负载转矩TL和空载 损耗转矩T0之和相等时，电动机稳 定运行。
图3-11 他励直流电动机电路原理
直流电机作为发电机运行和电动机运行时，虽然都产生电动势E和 电磁转矩T，但二者的作用正好相反。
第3章 直流电机
第三章 直流电机一、填空1. 直流电机的电枢绕组的元件中的电动势和电流是 。
2. ★★一台四极直流发电机采用单叠绕组，若取下一支或相邻的两支电刷，其电流和功率 ，而电刷电压 。
3. ★一台并励直流电动机，如果电源电压和励磁电流f I 不变，当加上一恒定转矩的负载后，发现电枢电流超过额定值，有人试在电枢回路中接一电阻来限制电流，此方法 。
串入电阻后，电动机的输入功率1P 将 ，电枢电流a I ，转速n 将 ，电动机的效率η将 。
4. ★一台并励直流电动机拖动恒定的负载转矩，做额定运行时，如果将电源电压降低了20℅，则稳定后电机的电流为 倍的额定电流（假设磁路不饱和）。
5. 并励直流电动机，当电源反接时，其中a I 的方向 ，转速方向 。
6. 直流发电机的电磁转矩是 转矩，直流电动机的电磁转矩是 转矩。
7. 一台串励直流电动机与一台并励直流电动机，都在满载下运行，它们的额定功率和额定电流都相等，若它们的负载转矩同样增加0.5，则可知： 电动机转速下降得多，而 电动机的电流增加得多。
8. ★电枢反应对并励电动机转速特性和转矩特性有一定的影响，当电枢电流a I 增加时，转速n 将 ，转矩T e 将 。
9. 直流电动机电刷放置的原则是： 。
10. 直流电动机调速时，在励磁回路中增加调节电阻，可使转速 ，而在电枢回路中增加调节电阻，可使转速 。
11. 电磁功率与输入功率之差，对于直流发电机包括 损耗；对于直流电动机包括 损耗。
12. ★串励直流电动机在负载较小时，a I ；当负载增加时，T e ，a I ；n 随着负载增加下降程度比并励电动机要 。
13. ★一台p 对磁极的直流发电机采用单迭绕组，其电枢电阻为a r ,电枢电流为a I ,可知此单迭绕组有 条并联支路，其每条支路电阻为 ；若为单波绕组其每条支路电阻为 ，电枢电阻为 。
14. 并励直流电动机改变转向的方法有 ， 。
15. 串励直流电动机在电源反接时，电枢电流方向 ，磁通方向 ，转速n 的方向 。
第三章 直流电机的工作原理及特性
由于励磁线圈发热和磁通饱和状态，磁通只能在低于额定值的范围内调节
电磁转矩Tst Kt I st随的降低而减小。不同磁通 值的人为机械特性曲线。
3、改变磁通时的人为机械特性
U＝UN ，Rad=0，额定电压和线圈不串接附加电阻的 人为机械特性方程为：
T K t I a , 磁通过过分削弱，负载转矩不变，电流增大导致电动机过载 I f 0, 0, 定子铁芯上剩磁，启动转矩很小，理想空载转速n 0 = 空载时，转速会上升到机械强度所不允许的，称为飞车 负载转矩大于电磁转矩，电动机不能启动，（转速为0，无反电动势E） U 电枢电流Ist 远远大于额定电流，会损坏电动机，称为堵转 Ra 他励电动机启动前加励磁电流，不允许励磁电路断开，并设有失磁保护。 U 很大，曲线很徒 K e
将励磁调节电阻减小。 并励发电机外特性曲线
并励发电机接负载后，转速n一定，励磁电路电阻Rf一定，发电机 端电压U与负载电流I的关系式U=f（I）。与他励发电机外特性曲
八 他励直流电动机的机械特性曲线
电枢回路电压平衡方程式：U E I a Ra , 反电动势E K e n n R U a Ia Ke Ke Ra U T n0 n，理想空载转速：T 0时，n n0 U 2 Ke Ke K e Kt
dT T 100% （作用：衡量机械特性曲线的平直程度） dn n 绝对硬特性 ，交流同步电动机的机械特性 机械特性硬度： 硬特性 10, 他励直流电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性上半部 软特性 10,串励和复励直流电动机的机械特性
九 他励直流电动机的固有机械特性曲线
U0 U N U 100% UN
七 并励发电机的特性
R负载电组，I负载电流， R f 是励磁调节电阻， Ra电枢电阻。 Ia电枢电流，E和U发电机的电动势和端电压，小灯泡8欧 Rf励磁电路电阻（励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）约几百欧
直流电机的基本理论
交轴磁势和直轴磁势
发电机 电动机
β
发电机 电动机
2β
发电机 电动机
2β
电枢磁势
交轴分量
Faq
直轴分量
Fad
分析直流电动机电刷移位
N N
电动机
2β
逆向移刷
顺向移刷
电刷偏移对主磁场的作用
电刷顺转向偏移 发电机 电动机 直轴去磁 直轴助磁 电刷逆转向偏移 直轴助磁 直轴去磁
以直流电机为例思考电枢反应
N
N
3-5 电磁转矩和电磁功率
一、电磁转矩
电枢绕组中有电枢电流流过时, 电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 磁转矩。 磁转矩。
一根导体的平均电磁力： 一根导体的平均电磁力：
fav = Bav ⋅ l ⋅ ia
1、当电刷在几何中性线上时
将主磁场分布和电枢 磁场分布叠加， 磁场分布叠加，得到 的负载电机磁场分布 情况如图。 情况如图。
合成磁势曲线
饱和时磁阻 不为常数不 能简单叠加
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bδx
主磁场的 磁通密度 分布曲线 不饱和两条曲线逐点叠 加后得到负载时气隙磁 场的磁通密度分布曲线
直流电机的损耗 损耗和 3-6 直流电机的损耗和基本方程 一、直流电机中的损耗
轴承摩擦/ 机械损耗 pm :轴vs轴承摩擦/电刷 换向器摩擦/通风损耗等。 轴承摩擦 电刷vs 换向器摩擦/通风损耗等。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 电枢铁心中磁场交变， 铁心损耗 pFe :电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损 铁耗近似与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。 次方成正比。 耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的 次方成正比 2 励磁损耗 pf : pf = U f I f = I f Rf
第03章 直流电机
于一个极距 。
极距 定义为
Qu
2p
y应1 等于或接近
由于 Qu不一定能被极数 2整p除，而 又必y1须为整数，可使
Q y u 整数
式中 为小于1的分数。1 2 p 称为整距绕组，
称为长
距绕组,
称为短距绕组y。1 因短距绕组有利于换向y1，对
于叠绕组还可节约y1端部 用铜，故常被采用。
第二节距 y2
交流电动机。
3.2 直流电机的电枢绕组
一、电枢绕组的基本概念
电枢绕组由许多形状完全相同的元件（亦称为线圈）按一 定规律排列和连接而成。
每个元件有两个出线端， 一个称为首端，另一个 称为末端。 一个元件由两条元件边 和前、后端接线组成。
同一个元件的首端和末端分别接到两个不同的换向片上。同 一个换向片上，连有一个元件的首端和另一个元件的末端。
3、直流电机的可逆运行
直流电机是作为发电机运行还是作为电动机运行，主要 在于外部条件，即输入给电机的功率形式。
若从电刷上输入给电机 电功率时，电机作电动机运 行，经转轴向外输出机械功 率。
当从轴上输入给电机 机械功率时,电机作发电机 运行，通过电刷向外部输 出电能.
同一台电机既能作发电机又能作电动机运 行，称为电机的可逆运行。
说明：组成各支路的元件在电枢上处于对称位置，各支路电动势大小相等， 故从闭合电路内部来看，各支路电动势恰巧互相抵消，不会产生环流。
设槽内每层有u 个元件边，则每个实际槽包含 u个“虚
槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。若用 Q代
表槽数，Q
代表虚槽数，则
u
Qu uQ S K
电枢绕组的节距
第一节距 y1
一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离（即跨距）称 为第一节距。用所跨虚槽数表示。
《机电传动技术》第三章 直流电机的工作原理及特性
T = TL +T0
转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时， 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电 动机转速、电动势、电枢电流的变化， 动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将 自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 一定， (平衡 此时， 平衡)， 例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL (平衡)，此时， 突然增加， 若TL突然增加，则调整过程为 E = KEΦn E↓ ↓ TL ↑ n↓ ↓ T↑
（3）求理想空载转速
根据（0，n0）和（TN，nN）两点，就可以作出他励电动 机的机械特性曲线。
正反转时的机械特性
2 、人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加 电压、励磁磁通的大小以及电枢回路串接附加电 阻所得到的机械特性。直流他励电动机有三种人 为机械特性。
Ra U n= − T = n0 − ∆n 2 KeΦ Ke Kt Φ
n
d T
– U + 直流电从两电刷之间通入电枢绕组， 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流 方向如图所示 由于换向片和电源固定联接， 如图所示。 方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论 线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里 极有效边的电流方向向里, 线圈怎样转动，总是 极有效边的电流方向向里 N 极有效边的电流方向向外。电动机电枢 极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后 中受力(左手定则 按顺时针方向旋转。 左手定则)按顺时针方向旋转 中受力 左手定则 按顺时针方向旋转。
转子
转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、 电枢铁心、 转子部分 电枢铁心 电枢绕组、换向器、风扇、 电枢绕组、换向器、风扇、轴等
第三章直流电机的稳态分析
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額定功率 PN 指軸上輸出 電動機 指電刷間輸出的 額定條件下電機 發電機 的機械功率 額定電功率 所能提供的功率
额定电压U N
额定电流I N
在額定電壓下，運行於 額定功率時對應的電流
在額定工況下，電機 出線端的平均電壓
额定转速nN
在額定電壓、額定電流下，運 行於額定功率時對應的轉速
2—換向極繞組 3、機座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；
另外，又作為磁路的一部分。
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4、 電 刷 裝 置
1—刷握 2—電刷 3—壓緊彈簧 4—銅絲辮
（二）直流電機的轉動部分
1、電樞鐵心 a)—電樞鐵心 沖片
b)—電樞鐵心
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2、電樞繞組——由許多按一定規律連接的線圈組成。 3、換向器——由許多換 向片組成，換向片之間用 雲母絕緣。
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3、按以上計算出的規律放置繞組
4、放置磁極 5、放置電刷 6、求並聯支路對數
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結論：
1、單疊繞組的並聯支路數等於極數，即： 2a=2p 2、當繞組左右對稱時，電刷應放置在磁極的 中心線上
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直流電壓加於電刷端，直流電流經電刷流過電樞上的線圈， 則產生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。 由於換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要 處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方 向；而在S極下時，總是從電刷B流出的方向，就使電動 河北科技大學電氣資訊學院 機能夠連續地旋轉。
§3.1直流電機的工作原理和基本結構
直流电机及其控制系统
38
• 对和复励发电机，当负载电流增加时，由 于电枢反应、电枢电阻与串励绕组所引起 的电压降落，可由串励绕组的磁动势增强 来补偿。
• 所以，和复励发电机在任何负载下，其端 电压U几乎可以保持不变。
• 对差复励发电机，由于其串励绕组磁动势 与并励绕组磁动势相反。当有负载时，使 它的磁通大为削弱，端电压急剧下降。
器在内的励磁回路的总电阻。
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27
• ⒈ 空载特性（n不变）
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28
• ⒉ 外特性（n不变、Rf不变）
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29
• 对并励发电机，当负载增加时（即外电 路电阻减小），负载电流IL增加，当负载 增加到一定程度，电流达到最大ILm 。若 负载电阻继续减小，电流则不在增加，
反而减小，当负载短路时，仅有不大的 短路电流Ia。
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45
• ⒊功率平衡方程
• 式中：P1=U*Ia是电源对电机输入的功率； • Pe=Ea*Ia是电机向机械负载转换的电功率； • Pcua=Ia2*Ra是电枢回路总的铜损耗。
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35
㈣ 复励发电机
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36
• 复励发电机在磁极上有两个励磁绕组： 一个绕组与电枢并联，导线细匝数多— —并励绕组；另一个绕组与电枢串联， 导线粗而匝数少——串励绕组。
• 发电机空载时，串励绕组中没有电流， 故空载特性与并励发电机相同。
• 和复励、差复励
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37
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第三章 直流电机及其控制系统
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1
第一节 直流电机的基本原理
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2
• 直流电机电刷间的感应电势为：
• 式中：φ：一个磁极的磁通； n：电枢转速； KE： K关E 的=p常N/数60。a是与电机结构有 a：电枢绕组并联支路数。
第三章直流电机原理
/
Ff Ff / Bx 0 (Wb / m 2 ) li 1 li 0 li
(b)
The air-gap Flux-density distribution curve with no-load
Bavl
极靴下的气隙远远小于极靴之外的气 隙， 显然，极靴下沿电枢圆周各点的 主磁场将明显大于极靴范围以外，在 两极之间的几何中心线处，磁场等于 零。对于这一点，我们可以通过数学 形式来看一下： 设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为 纵轴，又设电枢长度为 l，则离开坐 标原点为 的 d 范围内的气隙主磁 通为： d x Bxldx
§ 3.1 直流电机的用途及其基本 工 作原理
3.1.1直流电机的用途
电动机(Motor)：电能→机械能 直流电机 发电机(Generator) :机械能→电能 DC Machine
直流电机的用途
直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能 与直流电能相互转换的旋转式机械装置。
直流电动机
输出机械能
输入直流电能 输出直流电能
M U U 他励
If
M
并励
U
M
U
M
串励
复励
Field-circuit connections of DC Machines
Separate- Excitation (Separately-excited)
Self-excited
Compound excitation
Series field
Shunt field
特点：
1）由同一个磁动势所产生 2）所走的路径不同，这就导致了它们对 应磁路上所产生的磁场的分布规律不同， 在这里，气隙磁场的大小和分布直接关 系到电机的运行性能，所以，这一点将 是我们主要研究的方向。
Ff Ff / Bx 0 (Wb / m 2 ) li 1 li 0 li
(b)
The air-gap Flux-density distribution curve with no-load
Bavl
极靴下的气隙远远小于极靴之外的气 隙， 显然，极靴下沿电枢圆周各点的 主磁场将明显大于极靴范围以外，在 两极之间的几何中心线处，磁场等于 零。对于这一点，我们可以通过数学 形式来看一下： 设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为 纵轴，又设电枢长度为 l，则离开坐 标原点为 的 d 范围内的气隙主磁 通为： d x Bxldx
§ 3.1 直流电机的用途及其基本 工 作原理
3.1.1直流电机的用途
电动机(Motor)：电能→机械能 直流电机 发电机(Generator) :机械能→电能 DC Machine
直流电机的用途
直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能 与直流电能相互转换的旋转式机械装置。
直流电动机
输出机械能
输入直流电能 输出直流电能
M U U 他励
If
M
并励
U
M
U
M
串励
复励
Field-circuit connections of DC Machines
Separate- Excitation (Separately-excited)
Self-excited
Compound excitation
Series field
Shunt field
特点：
1）由同一个磁动势所产生 2）所走的路径不同，这就导致了它们对 应磁路上所产生的磁场的分布规律不同， 在这里，气隙磁场的大小和分布直接关 系到电机的运行性能，所以，这一点将 是我们主要研究的方向。
直流电机的工作原理及特性
2）改变电压
n
U
Ke
-
Ra
KeKt 2
T
n0
-
KT
n0 - n
3.13
1. n0随着U的变化而改变 2. 平行于固有特性曲线的一
簇曲线
24
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.3.1 他励电动机的机械特性
2. 人为机械特性（改变U、φ、 Rad）
3）改变磁通
1. n0增加
2. 随着φ的降低，斜率变大， T减小，n>nN，电动机工作在 交点左侧区语
U＜UN→n↑、E↑→↑U→U=UN、 2.电枢n=回n路N 内串接外加电阻启动
满足启动要求：Ist=UN/（Ra+Rst） Rst（3-4级） T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决定： T1=（1.6-2）TN T2=（1.1-1.2）TN
28
么么么么方面
Sds绝对是假的
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.5 直流他励电动机的调速特性
改变电压调速
特点
1.在在nN以下调速，可实现平滑无级调速； 2.机械特性硬度不变，调速稳定性高，范围大； 3.调速时电枢电流不变，转矩不变，恒转矩调速； 4.可以利用调压方法启动电动机。
39
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.5 直流他励电动机的调速特性
改变主磁通φ调速
20
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.3.1 他励电动机的机械特性
估算Ra Ra
0.5(1- PN ) U N UNIN IN
0.71W
计算KeФN
画出机械特性曲线
n0
UN KeN
KeN
UN
- IN Ra nN
直流电机原理
（3-1）
由电枢转动的机械角速度与感应电动势角频率e 的关系
e np
2π n 60
（3-2） （3-3）
-40-
第三章 直流电机原理 式（3-1）表示的直流电机感应电动势可写成 2n p N n Ea Φ 4np NΦ （3-4） π 60 由于电枢绕组的匝数N与电枢总有效边数Z以及支路对数a的关系 为 N = Z/4a， Z n np Z E a 4n p Φ Φn 4a 60 60a 令 Ce
I a 2aia
第三章 直流电机原理
单波绕组
波绕组：同一极性下的所有元件串联成一条支路，首末端相连 的两个换向片相隔很远，两元件紧相串联后形似波浪。
最大特点：
支路对数恒为 1， 与磁极对数无关！ 电枢电流等于两倍支路电流
I a 2ia
第三章 直流电机原理
电枢绕组装配图
第三章 直流电机原理
转轴 轴承 换向器 电枢铁心 电枢绕组 风扇 轴承
图3-4 直流电机的电枢
-13-
第三章 直流电机原理 3. 换向器和电刷
换向器安装在转轴上，有许多梯形截面的换向片围叠组成 一个圆柱体，相邻的换向片用云母片彼此绝缘。 换向器的作用是将电枢绕组内的交流电动势用机械换接的方 法转换成电刷间的直流电动势。
N
If N 励磁线圈 S 电刷
几何中线
电枢线圈 主磁通 主磁通 电动机 旋转方向
漏磁通
S
a) 图3-8 空载时的磁场分布
a) 空载时的磁场分布 b) 主磁场磁密分布曲线
发电机 旋转方向
b)
-33-
第三章 直流电机原理 主磁通0 的大小决定于励磁磁动势Ff 、磁路各段几何尺寸和 选用的材料性质。在磁路尺寸和材料已定的情况下，0 与Ff 满足 图3-9所示的 0 = f（Ff ）关系曲线。若励磁绕组匝数一定，磁动 势Ff 便与励磁电流If 成正比，使 0 = f（Ff ）= f（If ），称为磁 化曲线。 磁化曲线表明，电机中磁 通增大时，磁通与磁动势成线 性正比，但当磁通达到一定数 值时，磁通增长缓慢，呈饱和 趋势，随着磁动势继续增加， 磁通趋于平直。一般电机空载 时，电机的磁场处于磁化曲线 浅饱和区的a点。
第三章 直流电机
（1）用原动机拖动电枢逆时 针方向恒速转动（原动机输入 机械力【机械功率】） （2）线圈边ab和cd以相同转 速顺次切割不同极性磁极下的 磁场，线圈中产生了交变的电 动势；（机械能转换为电能） （3）换向器配合电刷对电流 的换向作用，电刷A、B端的 电动势为直流电动势。（交流 转换为直流）
Flash：电刷上的电动势
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和电动机问题
视频：直流发电机－直流电动机系统
换向器节距:yc=(K-1)/p=7
元件数S＝槽数Q＝换向片数K＝15；
yc =8-1=7
y1＝4-1=3
电流流向： A1—5号换向片－5上－8下－12上－15下－4上－7下－11上－14下 －3上－6下－10上－13下－2上－5下－12号换向片－B1 A2—12号换向片4上－7下－11上－14下－3上－－6下－10上－3下 －15上－15号换向片－B2
N
N － U ＋
＋ U －
S
S
由电磁力产生转矩的过程：
（1）线圈ax中通入直流电流时,电流从 a端流入，从x端流出；
B
A（2）线圈边a和x上均受到电磁力，根
据左手定则确定力的方向。 （3）这一对电磁力形成了作用于电枢 的一个电磁转矩，将产生逆时针旋转。
把这个装有线圈的铁质 圆柱体称为电枢。 （1）按照这种模式下，电枢将如何运动？
P 1
额定电流
N
PN
12 13.45(kw) 0.892
电机学第三章 直流电机的稳态分析
展开直流电机的转子
N
1 2 3 4 5
单叠绕组的设计
τ
τ
τ
τ
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16 1
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16
1
2
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
一 、空载气隙磁场
气隙磁场是产生感应电动势并进行能量转换的场所
平顶波
二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应
安培环路定律 当电枢电流Ia不是零时（负载时电枢输出或输入电流），绕 组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场。 此时，气隙磁场就由主机磁动势和电枢磁动势两者合成的磁 动势建立磁场。 由前面分析直流电机中电刷（固定的）是电枢表面导体中电 流方向的分界线（电枢磁势的轴线总是与电刷轴线重合）， 因此电枢电流建立的电枢磁动势与电刷位置有关，下面分别 讨论不同电刷位置时的电枢磁动势。
叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串 联起来，象波浪式的前进。
元件的概念
上元件边 前端接
N S
前端接
下元件边
换向片
电枢绕组的元件
线圈在槽中的安排
1. 元件数等于虚槽数 2.每一个元件两个边接到两个换向片上，每一个换向片接两个 元件的边，因此元件数等于换向片数
第三章 直流电机的稳态分析
直流电机是电机的主要类型之一 1.直流电动机以其良好的启动性能和调速性能著称。 2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。 结构较复杂 直流电机 成本较高 可靠性较差 近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能 的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽 管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值! 使它的应用受到限制
第3章 直流电机的工作原理及特性
直流电机的磁路
二、直流电机的工作原理
1.直流电机具有可逆性
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以 作为发电机运行，只是外界条件不同而已。
发电机——若用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从
电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电； 电动机——若在电刷端外加直流电压，电机就可以带 动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理， 在电机理论中称为可逆原理。
(1) 转矩方程式 T ＝ KtΦIa (2) 电势方程式 E ＝ KeΦ n (3) 电压平衡方程式 U＝E＋IaRa
他励电动机的 机械特性
一、直流他励电动机的机械特性表达式
Ra U n T 2 K eΦ K e K tΦ n 0 n
其中：n0 为理想空载转速 n0′为实际空载转速 △n 为转速降
概述
直流电机的铭牌数据
额定功率PN
指轴上输出 电动机 发电机 指电刷间输出 额定条件下电机 的机械功率 的额定电功率 所能提供的功率 额定电压U N 额定电流I N 在额定工况下，电机 在额定电压下，运行于 出线端的平均电压 额定转速n 额定功率时对应的电流
N
发电机:是指输出额定电压； 电动机:是指输入额定电压。
④学会用机械特性的四个象限分析直流电动机运行状态；
⑤学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动 机启动等运行特性。
重点
由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推
导出来的，而机械特性又是分析启动、调速和制动特 性的依据，所以机械特性是电动机内容的重中之重；
他励直流电动机的启动特性；
他励直流电动机的调压调速特性。
直流发电机工作原理图
《电机与电气控制技术》第2版 习题解答 第三章 直流电机
《电机与电气控制技术》第2版习题解答第三章直流电机3—1直流电机中为何要用电刷和换向器，它们有何作用？答:直流发电机与直流电动机的电刷是直流电压、电流引出与引入的装置.在发电机中换向器是将电枢元件中的交变电势度换为电刷向直流电势；在电动机中换向器使外加直流电流变为电枢元件中的交流电流,产生恒定方向的转矩，使电枢旋转。
3—4阐明直流电动机电磁转矩和电枢电动势公式T=C tφI a1，E a=C eφn中各物理量的涵义。
答：直流电动机电磁转矩T=C TφI a式中C T：与电动机结构有关的常数，称转矩系数;φ:每极磁通；I a：电枢电流、T:电磁转矩。
直流电动机电枢电动势公式E a=C eφn式中:C e:与电动机结构有关的另一常数，称电动势系数；φ:每极磁通；n：电动机转速；E a：电枢电动势。
3-5直流电动机电枢电动势为何称为反电动势?答：直流电动机电枢转动时，电枢绕组导体切割磁力线，产生感应电动势,由于该电动势方向与电枢电流的方向相反，故称为反电动势。
3-6试写出直流电动机的基本方程式，它们的物理意义各是什么?答:直流电动机的基本方程式有电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式.1）电动势平衡方程式：U=E a+I a R a式中U：电枢电压;E a：电枢电动势；I a:电枢电流；R a:电枢回路中内电阻.2)功率平衡方程式：电动机的输入电功率P1=P em+P cua式中P em：电磁功率P cua：电枢绕组的铜损电动机输出的机械功率:P2=P em-P Fe-P m=P1-P cua-P Fe-P m式中P Fe：电枢铁心损耗；P m：机械损耗;P1：电动机输入的电功率.3）转矩平衡方程式：T2=T-T0式中T2:电动机轴上输出的机械转矩；T：电动机电磁转矩;T0：空载转矩.3。
7。
何谓直流电动机的机械特性，写出他励直流电动机的机械特性方程式。
答：直流电动机的机械特性是在稳定运行情况下,电动机的转速n与机械负载转矩T L之间的关系，即n=f（T L).机械特性表明电动机转速因外部负载变化而变化的情况,由于电动机电磁转矩T近似等于910负载转矩T L ，故n=f(T L )常写成n=f(T)。
第三章直流电动机工作原理及特性
第三章直流电动机⼯作原理及特性第三章3.1为什么直流电机的转⼦要⽤表⾯有绝缘层的硅钢⽚叠压⽽成？直流电机的转⼦要⽤表⾯有绝缘层的硅钢⽚叠加⽽成是因为要防⽌电涡流对电能的损耗。
3.2并励直流发电机正传时可以⾃励，反转时能否⾃励？不能,因为反转起始励磁电流所产⽣的磁场的⽅向与剩与磁场⽅向相反,这样磁场被消除,所以不能⾃励.3.3 ⼀台他励直流电动机所拖动的负载转矩T L=常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其运⾏其运⾏状态下电枢电流的⼤⼩？为什么？这个拖动系统中哪些要发⽣变化？T=K tφI a u=E+I a R a当电枢电压或电枢附加电阻改变时,电枢电流⼤⼩不变.转速n与电动机的电动势都发⽣改变.3.4⼀台他励直流电动机在稳态下运⾏时，电枢反电势E= E1，如负载转矩T L=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化? 是⼤于，⼩于还是等于E1？T=I a K tφ, φ减弱,T是常数,I a增⼤.根据E N=U N-I a R a ,所以E N减⼩.,⼩于E1.3.5 ⼀台直流发电机，其部分铭牌数据如下：P N=180kW, U N=230V,n N=1450r/min,η=89.5%，试求：N①该发电机的额定电流；②电流保持为额定值⽽电压下降为100V时，原动机的输出功率（设此时η=ηN）P N=U N I N180KW=230*I NI N=782.6A该发电机的额定电流为782.6AP= I N100/ηNP=87.4KW3.6 已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：P N=7.5KW, U N=220V, n N=1500r/min, η=88.5%, 试求该电机的额定电流和转矩。
NP N=U N I NηN7500W=220V*I N*0.885I N=38.5AT N=9.55P N/n N=47.75Nm3.7⼀台他励直流电动机：P N=15KW, U N=220V, I N=63.5A, n N=2850r/min,R a =0.25Ω，其空载特性为：今需在额定电流下得到150V 和220 V的端电压，问其励磁电流分别应为多少？由空载特性其空载特性曲线.当U=150V时I f=0.71A当U=220V时I f=1.08A3.8 ⼀台他励直流电动机的铭牌数据为：P N=5.5KW, U N=110V, I N=62A, n=1000r/min,试绘出它的固有机械特性曲线。
机电传动控制(第3章) 直流电机的工作原理及特性
1）可以实现无级调节 2）特性曲线互相平行，机械特
性硬度不变，调速范围较大；
3）恒转矩调速 4）U≤UN，n≤nN
3．改变电动机主磁通
UN Ra n T 2 K e 9.55( K e )
1）可以实现无级调节 2）随着Φ 的减小，n0增加，k 变大，特性变软； 3）恒功率调速 4）Φ ≤ΦN，n≥nN
1、改变电枢电路外串电阻 Rad 调速
UN Ra Rad n T 2 K e N 9.55( K e N )
特点： 1）
3）R越大，耗能越大
2．改变电动机电枢供电电压U
Ra U n T 2 K e N 9.55( K e N )
第三章
直流电机的工作原理及特性
重点掌握：
• 了解直流电机的基本结构及工作原理； • 掌握直流电动机的机械特性； • 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； • 掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关 的计算方法。
3．1 直流电机的基本结构和工作原理 一、直流电机的基本结构
直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。
3.21 有一台他励直流电动机，PN＝7.5kW，UN＝220V，IN=4lA， nN＝1500r／min，Ra＝0.38Ω，拖动恒转矩负载，且TL＝TN， 现将电源电压降到U=150V，问： (1)降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大? (2)稳定运行转速是多少?
3.22 有一台他励直流电动机，PN=21kW，UN＝220V，IN=115A， nN＝980r／min，Ra=0.1Ω，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时Φ 从ΦN调到0.8ΦN，问： (1)调速瞬间电枢电流是多少?(TL＝TN) (2)若TL＝TN和TL＝0.5TN，调速前后的稳态转速各是多少?
性硬度不变，调速范围较大；
3）恒转矩调速 4）U≤UN，n≤nN
3．改变电动机主磁通
UN Ra n T 2 K e 9.55( K e )
1）可以实现无级调节 2）随着Φ 的减小，n0增加，k 变大，特性变软； 3）恒功率调速 4）Φ ≤ΦN，n≥nN
1、改变电枢电路外串电阻 Rad 调速
UN Ra Rad n T 2 K e N 9.55( K e N )
特点： 1）
3）R越大，耗能越大
2．改变电动机电枢供电电压U
Ra U n T 2 K e N 9.55( K e N )
第三章
直流电机的工作原理及特性
重点掌握：
• 了解直流电机的基本结构及工作原理； • 掌握直流电动机的机械特性； • 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； • 掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关 的计算方法。
3．1 直流电机的基本结构和工作原理 一、直流电机的基本结构
直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。
3.21 有一台他励直流电动机，PN＝7.5kW，UN＝220V，IN=4lA， nN＝1500r／min，Ra＝0.38Ω，拖动恒转矩负载，且TL＝TN， 现将电源电压降到U=150V，问： (1)降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大? (2)稳定运行转速是多少?
3.22 有一台他励直流电动机，PN=21kW，UN＝220V，IN=115A， nN＝980r／min，Ra=0.1Ω，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时Φ 从ΦN调到0.8ΦN，问： (1)调速瞬间电枢电流是多少?(TL＝TN) (2)若TL＝TN和TL＝0.5TN，调速前后的稳态转速各是多少?
第三章 直流电机原理(最新)
第3章 直流电机原理 章
3.1直流电机的用途、结构及基本工作原理 直流电机的用途、 直流电机的用途 3.2直流电机的励磁磁场 直流电机的励磁磁场 3.3直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组 3.4 直流电机的负载磁场及电枢反应 3.5 直流电机的感应电势与电磁转矩 3.6 直流发电机 3.7 直流电动机 3.8 直流电机的换向
1.定子 定子
主磁极； 换向磁极； 机座； 主磁极； 换向磁极； 机座；电刷
主磁极 主磁极的作 用是建立主磁场。 用是建立主磁场。
S N N S
主磁极
换向磁极
换向极:它的作用是改善直流电机的换向情况， 换向极 它的作用是改善直流电机的换向情况， 它的作用是改善直流电机的换向情况 使电机运行时不产生有害的火花。 使电机运行时不产生有害的火花。
– – – – 调速范围广，平滑。 过载、起动、制动转矩大。 易于控制，可靠性高 调速时能量损耗小
• 直流电机缺点
– 换向困难 – 结构复杂，维修不方便 – 价格高
用途、 §3-1用途、结构及基本工作原理 用途
二、直流电机的工作原理
（1）直流发电机的工作原理
Shockwave Flash Object
第二节矩y2:在相串连的两个元件中，第一个元件的下层 第二节矩 边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为 第二节矩。第二节矩用y2表示，也用虚槽数计算。
合成节矩y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距 合成节矩y 离，称为合成节矩。 叠绕组： 叠绕组：y = y1 - y2
Shockwave Flash Object
随着的增大，铁心部分所需磁势 将很快增大，磁化曲线偏离气隙 线而开始弯曲，进入饱和区． 饱和系数 Φ0 a b c
3.1直流电机的用途、结构及基本工作原理 直流电机的用途、 直流电机的用途 3.2直流电机的励磁磁场 直流电机的励磁磁场 3.3直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组 3.4 直流电机的负载磁场及电枢反应 3.5 直流电机的感应电势与电磁转矩 3.6 直流发电机 3.7 直流电动机 3.8 直流电机的换向
1.定子 定子
主磁极； 换向磁极； 机座； 主磁极； 换向磁极； 机座；电刷
主磁极 主磁极的作 用是建立主磁场。 用是建立主磁场。
S N N S
主磁极
换向磁极
换向极:它的作用是改善直流电机的换向情况， 换向极 它的作用是改善直流电机的换向情况， 它的作用是改善直流电机的换向情况 使电机运行时不产生有害的火花。 使电机运行时不产生有害的火花。
– – – – 调速范围广，平滑。 过载、起动、制动转矩大。 易于控制，可靠性高 调速时能量损耗小
• 直流电机缺点
– 换向困难 – 结构复杂，维修不方便 – 价格高
用途、 §3-1用途、结构及基本工作原理 用途
二、直流电机的工作原理
（1）直流发电机的工作原理
Shockwave Flash Object
第二节矩y2:在相串连的两个元件中，第一个元件的下层 第二节矩 边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为 第二节矩。第二节矩用y2表示，也用虚槽数计算。
合成节矩y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距 合成节矩y 离，称为合成节矩。 叠绕组： 叠绕组：y = y1 - y2
Shockwave Flash Object
随着的增大，铁心部分所需磁势 将很快增大，磁化曲线偏离气隙 线而开始弯曲，进入饱和区． 饱和系数 Φ0 a b c
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23
• 工作原理
×
N
5 6 4 5 67
3 2 1 16 15
4
·
7
n
8 9 10 11
8 3 2 A B 9 _ + 10 1 16 11 15 13 14 12 14
×
13 12
S
·
环形铁心外表面的导体切割磁通产生感应电势 每一根导体的感应电势为e=Blv。
24
• 等效电路图
2 3 4 5 6 7 8 9 9 10 + 10
12
3-1-2 直流电机的基本结构
电机的特征：电机磁极与电枢绕组之间存在相对运动。
固定部分
定子
（磁极）
空 气 隙
旋转部分
转子
（电枢）
13
14
1、定子：
由机壳、主磁极、电刷架组件、电刷、端盖 和轴承组成。 主要作用：产生磁场和机械支撑。 1）机壳： 在小型直流电机中，仅起支撑作用。 在中型以上电机中，由铸铁或铸钢制成， 不仅起支撑作用，而且还是电机磁路的一部 分，又称 磁轭。
可见：外部—输出的直流电；内部—交流电。
11
这种情况下，直流电机对外电路便是一个直流电源，电 机向负载输出电功率。电机此时起着将机械能转换成电 能的作用。 M外
e（原动势，方向与I相同）
输出到电器负载 f 电磁力
I
电磁制动转矩 Mem（与M外方向相反） 原动机只有克服这一电磁转矩才能带动电枢旋转。 发电机向负载输出电功率的同时， 原动机向电机输入机械功率
37
1． 空载主磁场 对主磁极轴线对称 对几何中心线对称
× ×
N
· ·
× ×
S
空载主磁场
· ·
38
2．电枢磁场 电刷位于几何中性线上 电枢磁场的方向取决于 电枢 电流的方向。电刷将电枢元 件分成上下两半。 1) 与主磁极一样，也是两 极磁场。 2) 磁场空间位置不变。 3) 电枢磁场的轴线与主磁 场轴线相垂直，称交轴 电枢反应。(若相重 合，称直轴电枢反应。)
47
, π D = 2 Pτ
PN Ea = Φ n = Ce Φ n 60a
PN 其中：Ce = 60 a —电势常数；
小结
Ud I f M
带动电机旋转
反电势e（与I方向相反） 电源只有克服反电势才能向电机输入电流 电机向负载输出机械功率的同时， 电源向电机输入电功率
电动机将电能转为机械能
二. 直流发电机的工作原理
将电刷两端接到一电气负载上，而电枢由原动机带 动以恒定转速逆时针方向旋转。这时就构成了直流发 电机运行状态。
A
2 1 1 16 15 14
e N极下元件 e
13
B
_
S极下元件
12 11
RL
25
安放电刷的原则
为使电刷两端间获得的电势最大，电刷必须 通过换向器与位于几何中性线上的元件相连接。 即由电刷短路的元件应处于感应电势为零的位置。
26
二、鼓形绕组 N
8 7 6 5 4 3 2
9
10 11
8 2 9 1 10 16 11 1514 1312 15 1 16
第三章 直流电机
§3-0 §3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6 概述 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势、电磁转矩 直流电机的换向和火花 直流测速发电机 直流伺服电动机
1
§3-0
分类：
概
述
直流电机
直流电动机 直流电能转 换成机械能 直流发电机 机械能转换 成直流电能
N
S
此时电刷所放位置仅表示电刷短路掉电势为零的 元件，电刷间获得的电势最大。
31
§3-2-2 直流电机的磁场
直流电机的磁场包括： 1) 励磁绕组产生的主磁场 （空载磁场） 2) 负载时，电枢绕组中电 流产生的电枢磁场
N
A B
S
32
一、空载时的磁场
1．直流电机空载的概念 发电机空载时，外电路开路，电枢绕组没有电 流。此时，电机磁场仅由励磁绕组产生的励磁 磁势产生。 电动机空载时，输出不带负载。空载转矩很 小，空载电流也很小。电枢电流所产生的磁场 不足以影响主磁场，故可忽略。
3
4 5 6 7
12 13 14
S
27
1.鼓形绕组铁心冲有齿和槽，呈圆柱形。槽中安放 电枢绕组元件。而且一个槽中可放2个元件边。
9
N
8 7 6 5 4 3 2
10 11
上层
12 13 14
8 2 9 1 10 16 11 1514 1312 15 1 16
3
4 56 7
下层
S
28
2. 一个绕组元件有两条有效边，一条有效边放在N极下 一个槽的上层，另一条有效边放在相邻的S极下对应 位置的槽的下层,电枢绕组自成闭合回路。 3. 感应电势比环形绕组将增加一倍。
× × × ×
N · N · · · S
· ·
物理中 性线
合成磁场
40
× ×
· ·
·
×× ×
·
·
3．合成磁场 交轴电枢反应对主磁场的影响： ×
×
N · N · · ·
合成磁场 ×× ×
· ·
物理中 性线
× ×
S
× ×
× ×
个磁极下总的磁通量 减小，即去磁作用。
S
· ·
·
· ·
铁心饱和使每一
41
当电刷不在几何中性线上时
15
2）主磁极： 用来产生电机的主磁场。 除小型直流电机 用永久磁铁外，大部分直流 电机主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成。 主磁极的形状：
机壳 绕组
磁极铁心 极靴
主磁极
16
电机中磁极总是成对出现的，习惯上用 p 表 示磁极对数。例如，四极电机 2p =4，磁极对数 p=2 。 励磁绕组通以直流电产生磁场的方式，称为 电磁式。 用永久磁铁产生磁场的方式，称为永磁式。 3）电刷盒组件： 电刷盒固定在端盖上，电刷放在电刷盒中。 4）端盖和轴承： 用来放置电刷盒和轴承。
一、环形绕组
简单的两极（P=1)环形绕组直流发电机模型。
22
• 结构
3 2 1 16 15
×
4
N 5
6
·
7 8 9 10 11
4 5 67 8 3A B 9 2 1 + 10 11 16 15141312 14
×
磁极轴线
几何 中心线
13 12
S
·
环形铁心上每一个线圈称为一个元件。 换向片数=绕组元件数。
电枢磁场不仅包 括交轴分量，还包括 直轴分量。即: 不仅存 在交轴电枢反应，还 存在直轴电枢反应。
N S
42
第三章
§3-0 §3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6
直流电机
概述 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势、电磁转矩 直流电机的换向和火花 直流测速发电机 直流伺服电动机
在直流电动机中，外部电路中的直流电改变为电 机内部的交变电流，产生了方向恒定的电磁转 矩，这一过程称为电流的换向。换向用的铜片称 为换向片。互相绝缘的换向片组合而成的总体称 为换向器。
N
f
电刷
I
b M
A
ae
e c I
B d
铜片
f f A d
N
I e
c
M
S
B a
e b I
f
S
7
直流电动机的电枢在电磁转矩的作用下旋 转，电枢绕组切割磁力线，产生感应电势。 感应电势的方向与电枢电流的方向相反， 故称其为反电势。 电源克服这一反电势向电机输入电流。 电机在向负载输出机械功率的同时，从直 流电源输入电功率，电机将电能转换为机 械能——电动机运行状态。
10 11 7 12 13 14 15 6 5 4 3
8
9
N
10 11 12 13 14 15
3 8 2 9 1 10 16 11 15 13 12 14
4 56 7
3 8 2 9 1 10 16 11 15 13 12 14 2
4 56 7
S
1
16
S
30
1
16
为了讨论方便，今后直流电机一般表示成下述形式：
·
· S
· · ·
· N
·
× ×
× ××
× ×
负载时的电枢磁场
39
3．合成磁场 交轴电枢反应对主磁场的影响： × 在主磁极下，电枢 × 磁场在半个极下与主磁 场同向，加强主磁场； 在另半个磁极下与主磁 S 场反向，削弱主磁场。 使主磁场发生了畸 变。几何中心线磁密不 为零。 磁密为零处 —— 物理中性线
43
§3-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩
§3-3-1 电枢电势 1、定义 电刷两端间的感应电势称为电枢电势。 2、感应电势分布 每一根有效边的感应电势： ei = Blv
N
B (x)
ei ( x) ∝ B( x)
0
e(x)的分布与B(x)类似
τ
B(x)的分布
π
44
1) 它反映了任一瞬间，某 一磁极下各个导体感应 电势大小的分布曲线。 2) 它也反映了一根导体感 应电势在一个磁极下的 变化波形。
20
第三章
§3-0 §3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6
直流电机
概述 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势、电磁转矩 直流电机的换向和火花 直流测速发电机 直流伺服电动机
21
3.2 直流电机的电枢绕组和磁场
• 工作原理
×
N
5 6 4 5 67
3 2 1 16 15
4
·
7
n
8 9 10 11
8 3 2 A B 9 _ + 10 1 16 11 15 13 14 12 14
×
13 12
S
·
环形铁心外表面的导体切割磁通产生感应电势 每一根导体的感应电势为e=Blv。
24
• 等效电路图
2 3 4 5 6 7 8 9 9 10 + 10
12
3-1-2 直流电机的基本结构
电机的特征：电机磁极与电枢绕组之间存在相对运动。
固定部分
定子
（磁极）
空 气 隙
旋转部分
转子
（电枢）
13
14
1、定子：
由机壳、主磁极、电刷架组件、电刷、端盖 和轴承组成。 主要作用：产生磁场和机械支撑。 1）机壳： 在小型直流电机中，仅起支撑作用。 在中型以上电机中，由铸铁或铸钢制成， 不仅起支撑作用，而且还是电机磁路的一部 分，又称 磁轭。
可见：外部—输出的直流电；内部—交流电。
11
这种情况下，直流电机对外电路便是一个直流电源，电 机向负载输出电功率。电机此时起着将机械能转换成电 能的作用。 M外
e（原动势，方向与I相同）
输出到电器负载 f 电磁力
I
电磁制动转矩 Mem（与M外方向相反） 原动机只有克服这一电磁转矩才能带动电枢旋转。 发电机向负载输出电功率的同时， 原动机向电机输入机械功率
37
1． 空载主磁场 对主磁极轴线对称 对几何中心线对称
× ×
N
· ·
× ×
S
空载主磁场
· ·
38
2．电枢磁场 电刷位于几何中性线上 电枢磁场的方向取决于 电枢 电流的方向。电刷将电枢元 件分成上下两半。 1) 与主磁极一样，也是两 极磁场。 2) 磁场空间位置不变。 3) 电枢磁场的轴线与主磁 场轴线相垂直，称交轴 电枢反应。(若相重 合，称直轴电枢反应。)
47
, π D = 2 Pτ
PN Ea = Φ n = Ce Φ n 60a
PN 其中：Ce = 60 a —电势常数；
小结
Ud I f M
带动电机旋转
反电势e（与I方向相反） 电源只有克服反电势才能向电机输入电流 电机向负载输出机械功率的同时， 电源向电机输入电功率
电动机将电能转为机械能
二. 直流发电机的工作原理
将电刷两端接到一电气负载上，而电枢由原动机带 动以恒定转速逆时针方向旋转。这时就构成了直流发 电机运行状态。
A
2 1 1 16 15 14
e N极下元件 e
13
B
_
S极下元件
12 11
RL
25
安放电刷的原则
为使电刷两端间获得的电势最大，电刷必须 通过换向器与位于几何中性线上的元件相连接。 即由电刷短路的元件应处于感应电势为零的位置。
26
二、鼓形绕组 N
8 7 6 5 4 3 2
9
10 11
8 2 9 1 10 16 11 1514 1312 15 1 16
第三章 直流电机
§3-0 §3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6 概述 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势、电磁转矩 直流电机的换向和火花 直流测速发电机 直流伺服电动机
1
§3-0
分类：
概
述
直流电机
直流电动机 直流电能转 换成机械能 直流发电机 机械能转换 成直流电能
N
S
此时电刷所放位置仅表示电刷短路掉电势为零的 元件，电刷间获得的电势最大。
31
§3-2-2 直流电机的磁场
直流电机的磁场包括： 1) 励磁绕组产生的主磁场 （空载磁场） 2) 负载时，电枢绕组中电 流产生的电枢磁场
N
A B
S
32
一、空载时的磁场
1．直流电机空载的概念 发电机空载时，外电路开路，电枢绕组没有电 流。此时，电机磁场仅由励磁绕组产生的励磁 磁势产生。 电动机空载时，输出不带负载。空载转矩很 小，空载电流也很小。电枢电流所产生的磁场 不足以影响主磁场，故可忽略。
3
4 5 6 7
12 13 14
S
27
1.鼓形绕组铁心冲有齿和槽，呈圆柱形。槽中安放 电枢绕组元件。而且一个槽中可放2个元件边。
9
N
8 7 6 5 4 3 2
10 11
上层
12 13 14
8 2 9 1 10 16 11 1514 1312 15 1 16
3
4 56 7
下层
S
28
2. 一个绕组元件有两条有效边，一条有效边放在N极下 一个槽的上层，另一条有效边放在相邻的S极下对应 位置的槽的下层,电枢绕组自成闭合回路。 3. 感应电势比环形绕组将增加一倍。
× × × ×
N · N · · · S
· ·
物理中 性线
合成磁场
40
× ×
· ·
·
×× ×
·
·
3．合成磁场 交轴电枢反应对主磁场的影响： ×
×
N · N · · ·
合成磁场 ×× ×
· ·
物理中 性线
× ×
S
× ×
× ×
个磁极下总的磁通量 减小，即去磁作用。
S
· ·
·
· ·
铁心饱和使每一
41
当电刷不在几何中性线上时
15
2）主磁极： 用来产生电机的主磁场。 除小型直流电机 用永久磁铁外，大部分直流 电机主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成。 主磁极的形状：
机壳 绕组
磁极铁心 极靴
主磁极
16
电机中磁极总是成对出现的，习惯上用 p 表 示磁极对数。例如，四极电机 2p =4，磁极对数 p=2 。 励磁绕组通以直流电产生磁场的方式，称为 电磁式。 用永久磁铁产生磁场的方式，称为永磁式。 3）电刷盒组件： 电刷盒固定在端盖上，电刷放在电刷盒中。 4）端盖和轴承： 用来放置电刷盒和轴承。
一、环形绕组
简单的两极（P=1)环形绕组直流发电机模型。
22
• 结构
3 2 1 16 15
×
4
N 5
6
·
7 8 9 10 11
4 5 67 8 3A B 9 2 1 + 10 11 16 15141312 14
×
磁极轴线
几何 中心线
13 12
S
·
环形铁心上每一个线圈称为一个元件。 换向片数=绕组元件数。
电枢磁场不仅包 括交轴分量，还包括 直轴分量。即: 不仅存 在交轴电枢反应，还 存在直轴电枢反应。
N S
42
第三章
§3-0 §3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6
直流电机
概述 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势、电磁转矩 直流电机的换向和火花 直流测速发电机 直流伺服电动机
在直流电动机中，外部电路中的直流电改变为电 机内部的交变电流，产生了方向恒定的电磁转 矩，这一过程称为电流的换向。换向用的铜片称 为换向片。互相绝缘的换向片组合而成的总体称 为换向器。
N
f
电刷
I
b M
A
ae
e c I
B d
铜片
f f A d
N
I e
c
M
S
B a
e b I
f
S
7
直流电动机的电枢在电磁转矩的作用下旋 转，电枢绕组切割磁力线，产生感应电势。 感应电势的方向与电枢电流的方向相反， 故称其为反电势。 电源克服这一反电势向电机输入电流。 电机在向负载输出机械功率的同时，从直 流电源输入电功率，电机将电能转换为机 械能——电动机运行状态。
10 11 7 12 13 14 15 6 5 4 3
8
9
N
10 11 12 13 14 15
3 8 2 9 1 10 16 11 15 13 12 14
4 56 7
3 8 2 9 1 10 16 11 15 13 12 14 2
4 56 7
S
1
16
S
30
1
16
为了讨论方便，今后直流电机一般表示成下述形式：
·
· S
· · ·
· N
·
× ×
× ××
× ×
负载时的电枢磁场
39
3．合成磁场 交轴电枢反应对主磁场的影响： × 在主磁极下，电枢 × 磁场在半个极下与主磁 场同向，加强主磁场； 在另半个磁极下与主磁 S 场反向，削弱主磁场。 使主磁场发生了畸 变。几何中心线磁密不 为零。 磁密为零处 —— 物理中性线
43
§3-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩
§3-3-1 电枢电势 1、定义 电刷两端间的感应电势称为电枢电势。 2、感应电势分布 每一根有效边的感应电势： ei = Blv
N
B (x)
ei ( x) ∝ B( x)
0
e(x)的分布与B(x)类似
τ
B(x)的分布
π
44
1) 它反映了任一瞬间，某 一磁极下各个导体感应 电势大小的分布曲线。 2) 它也反映了一根导体感 应电势在一个磁极下的 变化波形。
20
第三章
§3-0 §3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6
直流电机
概述 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势、电磁转矩 直流电机的换向和火花 直流测速发电机 直流伺服电动机
21
3.2 直流电机的电枢绕组和磁场