第2章直流电动机
第2章直流电动机
Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1N )U N IN
Q Ia IN
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.1 他励直流电动机的机械特性
4．机械特性的绘制
1）固有机械特性的绘制
(2) 求 KeN
额定运行条件Ra 下的反电势为：
EN
求出电枢电阻Ra 、KeφN 后，各种人为机械特性的绘制也就容易了。
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.2 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路原理图如图2-19（a）所示，其最大特
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。当线 圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的 方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转。
机电传动与控制
ej Bjlv
第二章 直流电动机
2.2 直流电动机的的工作原理
2．直流电动机的感应电动势和电磁转矩
2.3 直流电动机的额定参数
4．额定转速nN 额定转速是指在额定电压、额定电流和输出额定功率的情
况下运行时，直流电动机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。 5．额定励磁电流IfN
额定励磁电流指直流电动机在额定状态时的励磁电流值， 单位为A（安培）。 6．额定励磁电压UfN
额定励磁电压指直流电动机在额定情况下工作时，励磁绕 组所加的电压，单位为V（伏） 7. 额定转矩
电机学
产生: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磁转矩。
pN ΦI a CT ΦI a 大小: Tem 2 πa pN 其中C T 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
Ce为电势的结构常数， 由绕组结构决定。可 见感应电势正比于每 极磁通量和转子转速。 这一感应电势公式把 电量Ea、机械量n、磁 场量Φ联系起来了。
第2章 直流电机的基本理论 一、电枢绕组的感应电动势
设气隙磁场的分布所示，则每 根导体的感应电动势为 式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
v
l
— 导体的有效长度； — 导体相对气隙磁场的速度。
第2章 直流电机的基本理论 二、发电机功率平衡方程
功率流程图（永磁式时）
第2章 直流电机的基本理论
功率平衡方程 P1=PM+pm+pFe+pΔ=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+pΔ =P2+Σp 电磁功率PM：从机械功率转化为电功率的那一部分功 率,它是能量形态变化的基础。 PM= TΩ=CTΦIaΩ=pN/(2πa)ΦIa*(2πn/60) =pN/(60a)ΦnIa= EaIa
第2章 直流电机的基本理论 2.4电枢绕组中的感应电势
• 当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕 组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。 • 由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应 电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之 和。 • 本节将推导感应电势的计算公式。
《电机学》习题解读
一台并励直流电动机在某负载转矩时的转速为1000r / min，电枢电流为40A，电枢回路总电阻Rs = 0.045Ω，电网电压为110V。当负载转矩增大到原来的4倍时，电枢电流及转速各是多少？（忽略电枢反应）
解：
由于 ，电网电压U及磁通Φ均不变时，有 。
则电枢电流为
而
于是转速为
P57，2-21
2.对于串励直流电动机，电枢电流的增大会使电枢电压降和磁通同时增大。这两个因素都会使电动机的转速随负载的增大而下降。
P57，2-15
一台并励直流电动机在额定电压UN=220V和额定电流IN=80A的情况运行，该电机的电枢回路总电阻Ra=0.08Ω，2ΔUc=2V，励磁回路总电阻Rf=0.08Ω，额定负载时的效率ηN= 85%，试求：
V
P58，2-23
一台并力直流电动机的数据为：UN= 220V，电枢回路电阻Ra=0. 032Ω，励磁回路电阻Rf= 275Ω。将其装在起重重机上，当使重物上升时，Ua=UN，Ia=350A，；而将重物下降时（重物负载不变，电磁转矩也近似不变），电压及励磁电流保持不变，转速nN=300r/min。问电枢回路要串入多大电阻？
P57，2-13
电动机的电磁转矩是驱动性质大的转矩，当电磁转矩增大时，转速似乎应该是上升的，当从直流电动机的电磁转矩及特性上看，电磁转矩增大时，转矩反而是下降的，这是为什么？
答：
1.对于并励直流电动机，直流电动机的电磁转矩是随电枢电流的增大而增大，电枢电流又随负载的增大而增大。但由转速公式 可知，并励直流电动机的电枢电流会使电阻电压降增大，尽管电枢反应的去磁特性，会使转速呈现增大趋势，但电枢电压降增大的分量要比去磁效应大一些，所以会使电动机的转速随负载的增大而有所下降。
电机及拖动 第2章 直流电机的建模及特性(第2部分)
（2-38）
U 0 为直流发电机的空载端电压。 式中，
图2.33 中，显然，并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发 电机。主要原因为： 负载电流增加，电阻压降增加； 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降； 随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应 电势的进一步下降；
（2-44）
图2.38 他励直流电动机的机械特性
图2.38 他励直流电动机的机械特性
由图2.38可见，随着转矩的增大，电机转速有所下降。故此，机械特性可进一步表示为：
n n0 Tem n0 n
其中，转速降 n
（2-45）
Ra Ce CT N
2
Tem Tem 。 越小，转速变化越小，称电动机具有较硬
3、调节特性
定义： 在 系曲线
n nN 、 条件下，负载输出电流与励磁电流之间的关 U2 U N ,即为调节特性。 I f (I )
f 2
由曲线可见，在负载电流变化 时，若保持端电压不变，必须改变 励磁电流，补偿电枢反应及电枢回 路电阻压降对对输出端电压的影响.
图2.34 他励直流发电机的调节特性
第2章 直流电机的建模与特性 分析（第2部分）
2.7 直流发电机的运行特性及自励建压 过程
A、直流发电机的运行特性
1、空载特性
定义： Ia 0 n n N 条件下，正负电刷之间的空载端电压与励磁电流 在 、 之间的关系曲线 ，即为空载特性。 U 0 f (I f 0 )
空载时 U E a 空载特性实质上就是 Ea f ( I f ) 。 所以空载特性曲线的形状与空载磁 化特性曲线相同。
n0 n N n N 100% nN
电机学-第二章直流电机习题
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。
答：交流的。
2.一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）。
T em=φIa答：倍。
3.并励直流电动机，当电源反接时，其中I a的方向，转速方向。
答：反向，不变。
4.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。
答：制动，驱动。
5.：6.直流电动机电刷放置的原则是：。
答：空载时正、负电刷之间获得最大的电动势，这时被电刷短路的元件的电动势为零。
7.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。
答：升高，降低。
8.电磁功率与输入功率之差对于直流电动机包括损耗。
答：绕组铜损耗。
9.串励直流电动机在负载较小时，I；当负载增加时，aT e，I；负载增加时，n下降的程度比并励电a动机要。
答：小，增加，增加，严重。
10.并励直流电动机改变转向的方法有，。
答：将电枢绕组的两个接线端对调，将励磁绕组的两个接线端对调，但二者不能同时对调。
11./12.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。
答：反向，反向，不变。
13.当保持并励直流电动机的负载转矩不变，在电枢回路中串入电阻后，则电机的转速将。
答：14.直流电机单叠绕组的并联支路数为答：2p。
13．直流发电机，电刷顺电枢旋转方向移动一角度，直轴电枢反应是；若为电动机，则直轴电枢反应是。
答：去磁的，增磁的。
二、选择填空1.]2.一台串励直流电动机，若电刷顺转向偏离几何中性线一个角度，设电机的电枢电流保持不变，此时电动机转速。
A：降低B：保持不变，C：升高。
答：C3.一台直流发电机，由额定运行状态转速下降为原来的30℅，而励磁电流及电枢电流不变，则。
A：E a下降30℅，B：Tem下降30℅，C：E a和Tem都下降30℅，D：端电压下降30℅。
第2章直流电机习题解答
第二章 直流电机的电力拖动2-1 一台他励直流电动机的额定数据为： N P =54 kW ，N U =220 V ，N I =270 A ， N n =1150 r /min 。
估算额定运行时的aN E ，再计算N e C Φ、N T 、0n ，最后画出固有机械特性。
解： 估算额定运行时的 V 20922095.095.0=⨯==N aN U Emin)/r /(V 182.01150209===ΦN aN N e n E C N.m 29.469270182.055.955.9=⨯⨯=Φ=Φ=N N e N N T N I C I C Tr/min 1209182.02200==Φ=N e N C U n 在n -T 直角坐标系中过点A （1209，0）和点B （1150，469.29）作直线，该直线就是他励直流电动机的固有机械特性，如题2-1图所示。
2-2 一台他励直流电动机的额定数据为：N P =7.5 kW ，N U = 220 V ，N I =40 A ，N n =1 000 r /min ，a R =0.5 Ω。
拖动L T =0. 5N T 恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大?解： V 200405.0220=⨯-=-=Φ=N a N N N e aN I R U n C En /(r/min)1209 1150 T/N.m469.29 题2-1图1V/r.min 2.01000200-===ΦN aN N e n E C r/min 11002.02200==Φ=N e N C U n 由a N T I C T Φ=可知，当L T =0.5N T 时，A 20405.05.0=⨯==N a I Ir/min 10505011002.0205.0110000=-=⨯-=Φ-=∆-=a N e a I C R n n n n2-3 写出题2-3图所示各种情况下系统的运动方程，并说明系统的运行状态。
电机及拖动 第二章习题答案
第二章直流电动机的电力拖动答：由电动机作为原动机来拖动生产机械的系统为电力拖动系统。
一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源几部分组成。
电力拖动系统到处可见，例如金属切削机床、桥式起动机、电气机车、通风机、洗衣机、电风扇等。
答：电动机的理想空载转速是指电枢电流I a=0时的转速，即。
实际上若I a=0，电动机的电磁转矩T em=0，这时电动机根本转不起来，因为即使电动机轴上不带任何负载,电机本身也存在一定的机械摩擦等阻力转矩（空载转矩）。
要使电动机本身转动起来，必须提供一定的电枢电流I a0（称为空载电流），以产生一定的电磁转矩来克服这些机械摩擦等阻力转矩。
由于电动机本身的空载摩擦阻力转矩很小，克服它所需要的电枢电流I a0及电磁转矩T0很小，此所对应的转速略低于理想空载转速，这就是实际空载转速。
实际空载转速为简单地说，I a=0是理想空载，对应的转速n0称为理想空载转速；是I a= I a0实际空载，对应的转速n0’的称为实际空载转速，实际空载转速略低于理想空载转速。
答：固有机械特性与额定负载转矩特性的交点为额定工作点，额定工作点对应的转矩为额定转矩，对应的转速为额定转速。
理想空载转速与额定转速之差称为额定转速降，即：答：电力拖动系统稳定运行的条件有两个，一是电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点；二是在交点（T em =T L）处，满足，或者说，在交点以上（转速增加时）,T em<T L，而在交点以下（转速减小时）,T em>T L。
一般来说，若电动机的机械特性是向下倾斜的，则系统便能稳定运行，这是因为大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持不变。
答：只有（b）不稳定，其他都是稳定的。
答：他励直流电动机稳定运行时，电枢电流：可见，电枢电流I a与设计参数U、C eΦ、R a有关，当这些设计参数一定时，电枢电流的大小取决于电动机拖动的负载大小，轻载时n高、I a小，重载时n低、I a大，额定运行时n=n N、I a=I N。
第2章 直流电机的工作原理及拖动
直流发电机的工作原理
同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈 中的感应电动势的方向也是交变的，而通 过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、 B上输出的电动势是极性不变的直流电动 势。在电刷A、B之间接上负载，发电机 就能向负载供给直流电能。这就是直流发 电机的基本工作原理。
电机的可逆原理
一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也 可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的 不同条件。 将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将 电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为 电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的 磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能 转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势， 作发电机运行。
2.1 直流电机的基本结构
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产 机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采 用直流电动机驱动。 直流电动机的应用: （1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿 山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大 型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机 等。
2.6他励直流电动机的机械特性
所谓直流电动机的机械特性就是电机的转 速 n 随着负载转矩 T 的变化情况，研究电 机转速变化能够有助于更好地控制电机按 照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率 、低损耗地运行。
2.6.1. 他励直流电动机机械特性方程
直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁 转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：
2.8.2 直流电动机的反接制动
对位能负载而言，反接制动有两种情况： 一是转速反向的反接制动，另一是电压反 接的反接制动。
直流电动机的原理及特性
单叠绕组
②连接方式
单波绕组
（3）换向器
1-V形套筒 2-云母环 3-换向片 4-连接片
图2.6 典型的换向器结构图
1-电枢绕组 2-电枢铁心 3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚
（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；
（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示；
（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流， 用A表示；
额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINηN
n
UN
CEN
Ra
CECTN2
T
n
n0
n0'
nN
0 T0
TN
T
图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线
他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：
（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线； （2）其特性为硬特性； （3）实际的空载转速为 n0' n0 T0 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；
2.6.1他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢时电，压 转速U、与励转磁矩电之流间I的f保关持系一。定（通常保持额定值）
n Ea
CE
U Ia Ra
CE
U
CE
Ra
CECT
2
T n0
T
式中，n0
第2章 直流电动机的原理及特性
工作原理——直流发电机的工作原理 2.1.4 工作原理 直流发电机的工作原理
1.直流发电机的工作原理 1.直流发电机的工作原理 • 结论： 结论： ①在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流 交流的，通过换向 交流 片及电刷的整流 整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电 整流 动势。 ②虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但 从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因 此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不 变的磁场。 ③电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。 ④当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互 作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为 电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质 制动性质的。 电磁转矩 制动性质
第2章 直流电动机的原理及特性
2.1 直流电动机的基本结构和工作原理 2.2 直流电机的电枢绕组 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.4 感应电动势和电磁转矩 2.5 直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率 关系 2.6 直流电动机的机械特性 2.7 电力拖动系统稳定运行条件
第2章 直流电动机的原理及特性
• 知识点：直流电动机与交流电动机的比较 直流电动机比交流电动机结构复杂、价 格高、维修繁琐；但起动转矩大，起动和 制动性能优良、可平滑调速。
2.1
直流电动机的基本结构和工作原理
2.1.1 基本结构 组成：定子+转子+气隙
图2.1 小型直流电机的结构图
基本机构——1.定子部分 1.定子部分 2.1.1 基本机构 1.
定子部分=机座+主磁极+换向极+ 定子部分=机座+主磁极+换向极+电刷装置 （1）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分（定子磁 机座： 轭），二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支 承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强 度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。 。 。 主磁极： （2）主磁极：主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电 磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用 1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在 机座上。（装配图）
第2章电力拖动系统动力学基础和直流电动机的电力拖动
由于电枢电流反向，电磁转矩为制动转矩，电动机的运 行点沿着能耗制动时的机械特性下降直到原点，电磁转 矩和转速都为零，系统停止转动。
图2-8 能耗制动过程机械特性
图2-9
能耗制动运行机械特性
制动时回路中串入的电阻越小，能耗制动开始瞬间的制 动转矩和电枢电流越大。但电枢电流过大，则会引起 换向困难。因此能耗制动过程中电枢电流有个上限， 即电动机允许的最大电流，由此可计算串入的电阻：
U N EaN 110 103.4 Ra 0.036 IN 185 Ea N 103.4 Ce N 0.1034V . min/ r nN 1000
0.8TN TL 制动前电枢电流 I a I N 185 148 A TN TN
制动前电枢电势 Ea U N I a Ra 110 148 0.036 104.67V （1）若采用能耗制动停车，电枢应串入的最小电阻为：
(旋转运动)
起重传动 T ' L d GL R L (直线运动)
折算到电动机轴上的转矩分别为
TL T 'L j
GL R GL v L T 'L j d
2.飞轮矩折算 根据动能守恒定律可知，折算后等效系统存储的动能应 该等于实际系统的动能。因此，对于双轴传动系统有
1 J 2
2
1 1 2 2 J d d J LL 2 2
Jd
JL
所以
-----电动机的转动惯量 -----负载轴的转动惯量
J -----电动机轴上等效的转动惯量
J Jd JL j
2
同理
GD GDd GDL
2 2
2
电机与拖动教案——第二章 直流电机
第二章直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理（一）直流电机的构成（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）气隙**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2）特点：e=BLV；a、电枢绕组中电动势是交流电动势b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2）特点：f=BiLa、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。
c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n同向）**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。
3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成（二）直流电机的基本结构1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3.电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4.电枢绕组——电路。
电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）5.换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）（三）励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。
电机学(第三版)第二章 直流电机
P EI a em
机械输入功率
P P pmec pFe p来自d P p0 1 em em
P P2 pCua pCuf pmec pFe pad 1 P2 pCu p0 P2 p
I
电压变化率
U U N U 0 100% U0
4.调节特性: n=常数、U=常 数时，If=f(I)
直流电机总体结构
长沙理工大学电气工程学院
主磁极
长沙理工大学电气工程学院
换向极
长沙理工大学电气工程学院
机 座
长沙理工大学电气工程学院
电枢铁芯及绕组
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽中的绝缘情况
长沙理工大学电气工程学院
换向器
长沙理工大学电气工程学院
电刷装臵
长沙理工大学电气工程学院
直流电机的额定值
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽内的放臵
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组的连接
长沙理工大学电气工程学院
D a 2 p或 Z i 2 p
Z 整数 y 2p
i 1
y y 叠绕组 y 0
1 2 2
y
波绕组的 y 0
2
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组－展开图
Bavl
（1）
n （ 5） v 2 p 60
故式（2）最终可改写为
（4 ）
E
令
Na / 2 a
k 1
ek lv
Na / 2 a
k 1
B ( x)
（ 2）
pN a E n C E n 60a
第2章直流电机
n
a d
S φ
电刷
-
发电机模型
图 2-1 直流发电机的工作原理模型
根据分析，可以得出直流发电机以下结论： (1)在电枢线圈内感应电动势ea及电流ia都是交流电，通 过换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流 电动势，使外部电路得到方向不变的直流电流； (2)发电机电枢线圈中的感应电动势ea（称为电枢电动 势）与其电流ia（称为电枢电流）的方向始终一致； (3)电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，从 空间上看，N极与S极下的电枢电流方向不变，因此，由 电枢电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场； (4)电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f。据左手定则 可以得出f的方向。此电磁力f使转轴受到一个力矩 T=f.R(R为导体对转轴中心的半径)，称为电磁转矩，其 方向与转子转向相反，是制动性质。为此原动机须输入 机械功率克服电磁转矩的制动作用使转子继续恒速旋转 ，才能继续不断地发出电能输给负载，这就使机械能通 过电磁感应作用变成了电能。
2.3.1 直流电机的电枢绕组
直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现 机电能量转换到核心部件。 电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈， 线圈边是产生感应电动势和电磁转矩的有效元件， 简称元件，元件数用S表示 按照元件首尾端与换向片连接规律不同，电枢绕组可 分为叠绕组和波绕组 叠绕组又有单叠和多叠之分，波绕组也有单波和复波之分。 单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式
2.1 直流电机的工作原理及结构
2.1.1直流电机的工作原理 （一）直流电动机的工作原理（电动机如何转起来？）
载流导体在磁场中受到的力
f Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A)
第2章 直流电动机的电力拖动
UN n = C eΦ
N
Ra − C eC tΦ
2 N
T
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小， 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有 机械特性是硬特性。 当改变 U 或 Ra 或 Φ 得到的机械特性称为人为机械特性。 得到的机械特性称为人为机械特性 人为机械特性。
1、电枢串电阻时的人为机械特性
I sc
Ia
Tsc 2 Tsc 1 Tsc
φ
不同时的 n = f (T ) 曲线
β n 特点：1）弱磁，0增大； 2）弱磁， 增大 弱磁， 特点： 弱磁， 增大；
三、机械特性的绘制
1.固有特性的绘制 1.固有特性的绘制
求两点: 已知 PN , U N , I N , n N，求两点:理想空载点
2.人为特性的绘制 2.人为特性的绘制
不变,只在电枢回路中串入电阻 保持U = U N , Φ = Φ N 不变 只在电枢回路中串入电阻R Ω的人为特性
Ra + RΩ UN n = − T 2 C eΦ N C eC tΦ N
n0
β 特点： 不变， 变大； 特点：1）n0 不变， 变大；
越大，特性越软。 2） β 越大，特性越软。
n
Ra
制动的目的是使电力拖动系统停车， 制动的目的是使电力拖动系统停车，转速降低或获得 稳定的下降速度（位能性负载） 稳定的下降速度（位能性负载）。
自由停车法 电磁制动器 能耗制动 电气制动法 反接制动 回馈制动 (再生制动 再生制动) 再生制动
一、能耗制动
1．实现能耗制动的方法
RΩ
＋
Ra
＋
K3
电动状态
φ
U N Ra n = − C eΦ C eΦ
第二章 直流电动机
把电枢外圆展开成直线，为分析气隙的磁动势画出. 如图+x O x 闭合回路。忽略铁心部分所需的磁压降， 则消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
。
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
式中 ——电枢表面单位长度上的安培导 体数； ia导体的电流；N电枢总导体数；Da电枢的直 径。
Nia A πDa
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为
Ba ( x) 0 H a 0 Fa
0
Ax
Ba ( x) 0
Ax
Fa ( x) Ax
2.3.3 电枢反应
直流电机电枢磁动势对励磁磁场的影响，称为电枢反应 1、使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离。 2、电枢反应有一定的去磁作用。
2. 换向的基本概念 直流电机工作作时，电抠绕组各元件不断地 从一个支路，换入另一个支路，元件中的电 流也不断地改变方向，过程叫做换向。
磁通密度不为为 零
磁通密度为零
空载磁场
负载磁场
常用的改善换向方法有两种： 加装换向磁极和移动电刷
1、加装换向磁极: 换向极绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势与 电枢反应磁动势方向相反，
2.1 直流电机的工作原理
2.1.1 直流电动机的工作原理
直流电动机组成： NS磁极、绕有线圈的圆柱体电枢、换 向器、电刷
电刷和换向器
把转动的电枢与外 部固定的电源连接在 一起。 产生方向不变的电 磁转矩使电机连续转 动。 将输入的直流电能 变换为机械能输出。
2.1 直流电机的工作原理
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2.4 直流电动机的机械特性 2.4.3 人为机械特性 3．减弱磁通时的人为机械特性
n UN T Ra
Ce
CeCT 2
（1）理想空载转速n0与磁通 成反比，即当↓→n0↑。
（2）磁通↓→↑，且 与2
成反比，曲线变软。
（3）一般↓→n↑，由于受机械强度的限制，磁通不能
下降太多。
Ia
T CT
n
U
Ce
Ia
R
Ce
U Ce Kf Ia
Ia
R Ce Kf Ia
U CeIa
R Ce
U
CT B
A B
Ce T
T
2.5 直流串励电动机 2.5.2 串励电动机机械特性 综上所述，串励电动机的机械特性的特点是： （1）负载增加，即Ia增加， 增加，T增加而转速n迅 速减小，机械特性为一软特性。
P—j —机械损耗，指轴与轴承之间，电刷与换向器之 间，
旋转电枢与空气之间产生的损耗；
P0 Pj —PF—e 空载损耗。
2.1 直流电动机的基本方程式 2.1.3 转矩平衡方程式 （1）电枢电流与磁场相互作用产生的电磁转矩T，T与转速 n方向相同，起拖动作用。 （2）电动机空载阻转矩T0， T0与转速n方向相反， T0起制 动作用。 （3）生电产动机机械轴负上载的转输矩出TL转相矩平T衡2，，其即值T2与= T电L ，动T机L与轴n上方拖向动相的反， TL起制动作用。它们之间的关系为：
式：
U Ea Ia Ra
（2-4）
式中，Ea——电枢绕组直流电阻及电刷与换向器的接触电 阻之和；
U——外加电源电压。 由上式可见，直流电动机中Ea ＜U，这是判定直流电机电 动运行状态的依据(注意：若电机为发电机运行，则Ea ＞U，
U=Ea-IaRa)
2.1 直流电动机的基本方程式 2.1.2 功率平衡方程式 1．并励电动机能量流程图
转速降落n越大，特性越软，
稳定性越差。
（3）串入电阻越大，电枢电流流
过产生的损耗越大。
2.4 直流电动机的机械特性 2.4.3 人为机械特性 2．改变电源电压的人为机械特性
n
U
CeN
T
R
CeCTN2
（1）理想空载转速n0与电源电压 成正比。
（2） 不变，n不变，特性曲线
互相平行。 （3）当T=C时，降低电压，可使
P0，而与电流无关，在电机正常工作时，n及U变化不 大，所以空载损耗又称不变损耗，P0=Pfe+Pj
2.3 生产机械的负载转矩特性
1．恒转矩负载
（1）反抗性恒转矩负载。
（2）位能性恒转矩负载。
2．恒功率负载
PL
TL
TL
2n 60
0.105TLn
3．通风机负载
2.4 直流电动机的机械特性 2.4.1 电动机机械特性方程式
第2章 直流电动机
内容提要: 直流并（他）励电动机能量转换过程中的三
大平衡关系。 直流电动机的工作特性、机械特性的特点。 直流电动机实现正、反转的方法。 直流串励电动机的特点和使用中的注意事项。
2.1 直流电动机的基本方程式 2.1.1 电压平衡方程式
根椐图2.2用基尔霍夫电压定律，可得电压U的平衡方程
U Ea Ia R
n
U
Ce
Ia
R
Ce
n
U
Ce
T
R
CeCT 2
n0T
n0 n
n 100% n0 nN 100% (3 ~ 8)%
nN
nN
2.4 直流电动机的机械特性 2.4.2 固有机械特性
n
UN
CeN
T
R
CeCTN2
（1）对于任何一台直流电动机，
只有唯一的一条固有机械特性
曲线。
（2）由于电枢回路无外串电阻，
得
曲线，如图2.3
曲线T 2所f示(P。2 )
2.2 直流并（他）励电动机的工作特性 2.2.3 效率特性
根椐直流电动机能流图2.2所示，可得出直流电动机的效
率：
P2 P1
100%
1
P P1
100%
(1 PFe Pj PCua PCuf ) 100% UI
式中，铁耗PFe和机械损耗Pj分别与电机外加电压U和转速 n有关，未带负载就已经存在了，二者之和称为空载损耗
2.4
直流电动机的机械特性
2.4.4 直流电动机的正、反转
许多生产机械都要求电动机能正、反
转，如龙门刨床工作台的往复运动。我
们知道，直流电动机的转向是由转矩决
定的，而，因此改变转矩的方法有两种
。图2.13 直流并励电动机正、反转 电路图
（1）保持电枢绕组两端电压极性（方 向）不变，将励磁绕组反接（即改
变方向，达到改变的方向）。
（2）保持励磁绕组两端电压极性（
方向）不变，将电枢绕组反接（即 改变方向）。
2.5 直流串励电动机 2.5.1 串励电动机的接线与特点 1．接线 直流串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联如图2.14 所示。
2．特点
2.5 直流串励电动机 2.5.2 串励电动机机械特性 Kf Ia T CT Ia CT Ia2
（2）与此同时，电枢反应的去磁作用,使n趋于上升。
2.2 直流并（他）励电动机的工作特性 2.2.2 转矩特性
T2
P2 2n /
60
9.55P2
/
n
若n不变为，过那原么点，的T2一条，P直2即 线T2。但f 实(P2际) 中，当负载增加，
P2增加，n略为下降，故
为一条略为上翘的 曲T2线。f 在(P2T)2曲线上加上T0，便
T T2 T0 TL T0
2.2 直流并（他）励电动机的工作特性 2.2.1 转速特性
n UN Ia Ra
CeN
UN
CeN
Ia
Ra
CeN
在并励电动机中，当负载（TL）增加时，P2↑→P1↑→Ia↑，此时 影响电动机转速的因素有：
（1）电枢绕组压降随之增加，从式（2-7）可见，n趋于下降。
PM
Ea Ia
PN 60a
nIa
PN 2a
Ia
2n 60
T
2.1 直流电动机的基本方程式 2.1.2 功率平衡方程式 2．并励电动机功率平衡方程式 PM P1 (PCua PCuf ) ห้องสมุดไป่ตู้1 PCu P2 PM P0 P2 P1 P
式中， P PCua PCuf —P—j 并PF励e 电动机总损耗；
Ra很小，则 很小，那么n
很小，因此它是一条微微下降
的直线，所以固有机械特性曲
线属于硬特性。
2.4 直流电动机的机械特性 2.4.3 人为机械特性
1．电枢回路串电阻Rpa的人为机械特性
（1）串入电阻增大或减小（↑
或↓）理想空载转速n0不变。
（2）串入电阻越大， 越大，
n UN T Ra Rpa CeN CeCTN2