第3章 直流电机
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第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组 成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下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
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
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
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。
第三章 直流电机(2-5)
3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间 的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。 4）结构材料：使电机各个零件构成一个整体，要 求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。 四、电机的发热： 任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热 的现象，我们已经学过了电工，那么，很显然， 这是损耗的出现所导致的结果。 1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升 而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度 之差，我们称之为温升。 电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况， 还与电机的工作方式有关：
铁心是导电的，交变的磁通也能在铁心中感 性电动势，并引起环流，这些环流在铁心内 部围绕磁通做涡流状流动，称为涡流。涡流 在铁心中引起的损耗称为涡流损耗
磁滞损耗和涡流损耗，总称铁心损耗
PFe CFe B f G
2 m 1.3
硅 钢 片 中 的 涡 流
B
八、能量守恒定律： 物理中的能量守恒定律在这里同样使用， 稳态运行时，
电刷A与B间的电动势波形
思考：如果没有换向器，电刷A、B间的电动势 波形是什么样的？
2、直流电动机的工作原理
在电动机中换向器和电刷的作用
换向器和电刷的共同作用是： 1、保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方 向，使电动机能连续的旋转。 2、将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； 3、把外面不转的电路与转动的电路连接。 思考：若无换向器，会出现什么结果？
电刷
b
N
a c
S + U –
I F IE Fd Tn NhomakorabeaE
换向片
当直流电机运行于发电状态时，感应电动势 的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通 过电刷输出电能。
2. 电磁转矩 直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁 通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的 电磁转矩公式为 T=CT Ia
《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
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
第3章 直流电机原理
e 结论： BA 为随时间正负交变的电动势
电机与拖动基础
结论：
由于静止电刷和旋转换向器的作用，
eBA 为脉动的直流电动势。
电机与拖动基础
直流电动势产生
1) 线圈内感应电动势的 性质； 2) 整流：机械式和电子 式；导电片又叫换向片 3) 脉振电动势的消除— —多线圈
按照一定的规律把它们连接起来，构成电枢绕组。
若流过电机的电流大于额定值，叫过载运行，损坏电 机。
电机与拖动基础
例3.1、直流发电机，PN=145KW，UN=230V， nN=1450r/min，ηN=90%，求该发电机的输入功率P1， 额定电流IN各为多少？
例3.2、直流电动机， PN=160KW，UN=220V， ηN=90%，nN=1500r/min，求该电动机的输入功率、额 定电流、额定输出转矩各为多少？
电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
转子
换向器 电枢铁心 电枢绕组
（产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）
§3.2.2 直流电机的铭牌数据
1、额定值 电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械
量所规定的数据 2、额定工况
电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况 3、常用额定数据
额定功率 PN (W) 额定电压 UN (V) 额定电流 IN (A) 额定转速 nN (r/min) 额定励磁电流 IfN (A)和励磁方式等
§3.2.1 主要结构
旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求 的结构，旋转电机必须具备静止和转动两大部分
• 直流电机静止部分----定子 作用 —— 产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成
• 直流电机转动部分——转子(通常称作电枢) 作用——产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等组
电机与拖动基础
结论：
由于静止电刷和旋转换向器的作用，
eBA 为脉动的直流电动势。
电机与拖动基础
直流电动势产生
1) 线圈内感应电动势的 性质； 2) 整流：机械式和电子 式；导电片又叫换向片 3) 脉振电动势的消除— —多线圈
按照一定的规律把它们连接起来，构成电枢绕组。
若流过电机的电流大于额定值，叫过载运行，损坏电 机。
电机与拖动基础
例3.1、直流发电机，PN=145KW，UN=230V， nN=1450r/min，ηN=90%，求该发电机的输入功率P1， 额定电流IN各为多少？
例3.2、直流电动机， PN=160KW，UN=220V， ηN=90%，nN=1500r/min，求该电动机的输入功率、额 定电流、额定输出转矩各为多少？
电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
转子
换向器 电枢铁心 电枢绕组
（产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）
§3.2.2 直流电机的铭牌数据
1、额定值 电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械
量所规定的数据 2、额定工况
电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况 3、常用额定数据
额定功率 PN (W) 额定电压 UN (V) 额定电流 IN (A) 额定转速 nN (r/min) 额定励磁电流 IfN (A)和励磁方式等
§3.2.1 主要结构
旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求 的结构，旋转电机必须具备静止和转动两大部分
• 直流电机静止部分----定子 作用 —— 产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成
• 直流电机转动部分——转子(通常称作电枢) 作用——产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等组
第3章 直流电机的工作原理及特性
3.20
C2 K eC
第二段 Φ ＝C
Ra U n T n0 n 2 K e K e K t
串励电动机的机械特性相关分析
1． 硬度 2． 优点
1）串励电动机负载的大小对电动机的转速影响较大 2）起动时的励磁电流大
3、注意事项
（1）不容许空载运行。 （2）反转运行不能用改变电源极性的方式。
3· 直流电机的基本结构和工作原理 1
结构要点：定子、转子、换向器 原理要点：电磁感应定律、电磁力定律、 电路定律以及电势方程、转矩方程、电压 方程 分类：直流电机按照励磁方式的不同分为 他励、并励、串励、复励四种
一、直流电机的基本结构
直流电机的组成
1、定子：产生磁场、支撑电机 2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进 行能量转换
直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电
动势E和电磁转矩T，但作用正好相反。
电机运行 方式 转矩之间的 关系
E与I的方 向
E的作用
T的性质
发电机 电动机
相同 相反
电源电动 势 反电动势
阻转矩 驱动转 矩
T1=T+ T0 T= TL+ T0
电路方程
发电机
E U I a Ra U E I a Ra
（二）直流电动机的工作原理
直流电动机基本工作原理
电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体 载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩T 电枢在电磁转矩T作用下旋转 旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感 应电势E 由于换向器的作用，感应电势E总是与外加电 压的方向相反，称为反电势
三、电动势和电磁转矩
1. 电动势E 根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。
第3章直流电动机
功率流程图：
Pcua= Ia2Ra
P0= pm+ pFe
P1= UIa PM= EaIa
P2
pf
图3-4 他励直流电动机功率流程图
3.2 负载的机械特性
生产机械工作机构的负载转矩TL与转速之间的关系，即n=f(TL) 称为负载的机械特性。也就是负载的转矩特性，简称负载特性。
3.2.1 恒转矩负载的机械特性
用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生 产任务的过程称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力 拖动。电力拖动系统包括：电动机、传动机构、工作机构、控 制设备和电源五个部分。
电源
控制设备
电动机
传动机构
图3-1 电力拖动系统的组成
工作机构
3.1.1 电力拖动系统简介
2.电力拖动系统的运动方程
U M
T n
TL
F图3-2 单轴电力拖动
2.电力拖动系统的运动方程 系统旋转运动的三种状态
1)当 T = TL 于稳态。
或
dn dt
=
0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处
2)当 T 3)当 T
> TL
或
dn dt
>
0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。
< TL或
dn < 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
3.3.3 人为机械特性
n
n02
Φ2
n01
Φ1
n0
ΦN
0
T
图3-12 减弱磁通人为机械特性
对于一般电机，当Ф ＝Ф N时，磁路已经饱和，再增加磁 通已不容易，所以人为机械特性一般只能在Ф ＝Ф N的基础上 减弱磁通。
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
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?
机电传动控制 第3章 直流电机
机电传动控制第3章直流电机的工作原理及特性各种各样的电机常用的电机主要分为两大类：驱动电机：是设备的主要动力源，包括各类交流、直流电动机及步进电动机。
交流异步电动机较之其他类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，应用广泛。
控制电机：常见的有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机、测速发电机等，这类电机的主要任务时转换和传递控制信号，能量传递时次要的。
常用电机分类：第3章直流电机的工作原理及特性电机分为直流电机和交流电机。
直流电机——工作电压或输出电压为直流电压。
交流电机——工作电压为交流电压。
直流电机：直流电动机——将电能转换成机械能。
直流发电机——将机械能转换成电能。
直流电机与交流电机的比较交流电机较直流电机的结构简单，制造容易，维护方便，运行可靠；直流电机有交流电机不可比拟的启动和调速性能；直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和制动频繁的场合；直流电机即可做电动机用，又可作发电机用。
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包括定子、转子和换向器实际直流电机构造定子实际直流电机构造转子换向片剖视图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定子部分：主要由主磁极、换向极（铁芯）和绕在上面的励磁绕组等组成。
作用：产生主磁场和支撑电机转子部分：主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成。
作用：产生感应电动势和机械转矩，实现能量转换。
主磁极：产生气隙磁场，以便电枢绕组在此磁场中转动而感应电势。
产生磁场有两种方法，一是采用永久磁铁作主磁极——永磁直流电机(绝大部分的微小型直流电机)；二是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场(中大型直流电机) 。
电枢铁芯：主磁通磁路的一部分，嵌置电枢绕组。
一般用0.5或0.35毫米厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，以防涡流。
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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13
3.3直流电动机的机械特性
• 1.他激和并激直流电动机的机械特性 • 1)原理电路图
14
2)他励直流电动机机械特性方程式
• 直流电动机电枢电压平衡方程式
• U E Ia Ra
• E Ken 代入得:
式中,Ra为电枢电阻，以
n
U
Ke
Re
Ke
Ia
由 T Kt Ia
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
• 解:只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机 械特性.
•
Ra
0
50
0
75
1
pN UNI
N
UN IN
=0.71
KeN
UN
I N Ra nN
=0.132
no
UN
K e N
=1667r/min
TN
9 55 PN nN
=35Nm
20
4)电动机人工机械特性(三种)
• (1)电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性 • 在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的
10
11
下面分析他激和并激发电机的电路图和外特性.
1.他激发电机原理电路图
U U0 U N 100 % UN
从空载到满载电压变化率5%-10%
U 0 E keφn
12
2.并激发电机原理电路图
并励电动机建立电压的三个条件： （1）发电机的磁极要有剩磁； （2）起始励磁电流所产生的磁场 的方向与剩磁磁场的方向相同； （3）空载特性曲线与直线有交点。 思考：正转时能自励，反转时能否 自励？
T的性质 转矩之间 的关系
发电机 相同
电源电动势 阻转矩 T1=T+T0
电动机 相反
反电动势 驱动转矩 T=TL+T0
9
3.2 直流发电机
• 1.按激磁方法分类 • 1)他激发电机:
发电机的激磁绕组由外电源供电. • 2)自激发电机:
发电机的激磁电流为电枢电流或电枢电流的一部分， 它又分为: • (1)并激发电机; • (2)串激发电机; • (3)复激发电机.
T
n0
n
将Ia值再代入，得:
上式为直流电动机机械特性的一般表达式 15
两个关键点： 理想空载点：（0，n0) 额定运行点：（TN，nN)
16
3)机械特性硬度
• 在机械特性方程式中, • no称为理想空载转速; • △n称为转速降落. • 机械特性硬度是衡量机械特性平直程度的。 • dT T
5
直流电机的结构图
剖面图：电枢1；主磁极2； 电枢铁心冲片 励磁绕组3；换向极4； 换向极绕组5；机座6
换向器：V型套筒1； 云母环2；换向片3； 连接片4；
6
2.直流电机的基本工作原理
简化为一对磁极,一个线圈
发电机
电动机
7
2.直流电机的基本方程式
• 1)感应电势E
E ken
式中:E-电动势(V);
dn n
绝对硬特性 如交流同步电动机的机械特性 • ＞10 硬特性 如直流他激电动机和异步电动机的机械特性
＜10 软特性 如直流串激电动机的机械特性
17
• 4.固有(自然)机械特性和人工机械特性
• 1)他激直流电动机的自然机械特性(正转) • 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的
(1)电枢电阻Ra的估算:
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
(2)理想空载转速no计算:
KeN
UN
I N Ra nN
n0
UN
K e N
(3)额定转矩TN的计算:
TN
9 55 PN nN
19
3)举例
• (1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率 5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速 1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性.
人工机械特性方程式:
n
UN
Ke
Rad Ra
KeKt 2
T
n0
n
附加电阻Rad越大,机械特性越软.
21
(2)改变电枢电压的人工机械特性
机械特性即为自然机械特性.
额定负载时,转速降 落不多,是硬特性;
金属切削机床,冷轧 机,造纸机等宜于选 用硬特性的电动机.
18
• 2)自然机械特性曲线的作法
• 已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra, KeφN, n0,TN,找出两个点,即理想空载点(o,n0)和额定运行点
(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性.
直流发电机主要作为直流电源。目前， 由于晶闸管等整流设备的大量使用，直流 发电机已逐步被取代，但从电源的质量与 可靠性来说，直流发电机仍有其优点，所 以直流发电机仍有其广泛的应用。
3
3.1直流电机的基本结构和工作原理
• 直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势 和载流导体在磁场中受力为基础来实现能量转换 的。
第3章 直流电机的工作原理及特性
• 掌握直流电机的电势方程式，转矩 方程式和电压平衡方程式； 掌握直流电动机的机械特性，特别 是人工机械特性；
• 掌握直流电动机起动，制动，调速 的各种方法和应场所；
• 了解用机械特性来分析直流电动机 运行状态的方法。
1
• 电动机有直流电动机和交流电动机两大类，二者 各有优点：
• 为实现机电能量转矩，直流电机的结构应包括定 子和转子两大部分（都有铁心和线圈），定子用 于建立磁场，并作为机械支撑；转子（亦称电枢） 用以产生感应电势、电流，实现机电能量转换。
4
• 1.直流电机的基本结构
1．定子部分 主磁极 换向极 机座 电刷装置 2．转子部分 电枢铁芯 电枢绕组 换向器
1-机座 2-励磁绕组 3-轴承端盖 4-换向器 5-摇环和刷握 6-风扇 7-主磁极 8-电枢铁心 9-电枢绕组
-一对磁极的磁通(Wb);
n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.
3.电压方程 U=E+IaRa
• 2)电磁转矩T
T KtIa
式中:
T-电磁转矩(Nm);
- 磁极的磁通(Wb);
Ia-电枢电流(A);
Kt-与结构有关的常数.
8
表3.1 电机在不同运行方式下，E和T的作用
电机运行 E和Ia的方向 E的作用 方式
• 交流电动机结构简单，制造容易，维护方便，运 行可靠，并且具有较好的调速性能，所以它在工 业生产中获得了非常广泛的应用。
• 直流电动机比交流电动机要复杂的多，但它具有 良好的起动性能和调速性能，因而在速度调节要 求较高，正反转和启制动频繁的生产机械上，仍 广泛采用直流电动机拖动。
2
直流电机中能量转换的方向是可逆的， 用一台电机既可作发电机运行，将机械能 转化为电能，也可作电动机运行，将电能 转换为机械能。
3.3直流电动机的机械特性
• 1.他激和并激直流电动机的机械特性 • 1)原理电路图
14
2)他励直流电动机机械特性方程式
• 直流电动机电枢电压平衡方程式
• U E Ia Ra
• E Ken 代入得:
式中,Ra为电枢电阻，以
n
U
Ke
Re
Ke
Ia
由 T Kt Ia
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
• 解:只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机 械特性.
•
Ra
0
50
0
75
1
pN UNI
N
UN IN
=0.71
KeN
UN
I N Ra nN
=0.132
no
UN
K e N
=1667r/min
TN
9 55 PN nN
=35Nm
20
4)电动机人工机械特性(三种)
• (1)电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性 • 在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的
10
11
下面分析他激和并激发电机的电路图和外特性.
1.他激发电机原理电路图
U U0 U N 100 % UN
从空载到满载电压变化率5%-10%
U 0 E keφn
12
2.并激发电机原理电路图
并励电动机建立电压的三个条件： （1）发电机的磁极要有剩磁； （2）起始励磁电流所产生的磁场 的方向与剩磁磁场的方向相同； （3）空载特性曲线与直线有交点。 思考：正转时能自励，反转时能否 自励？
T的性质 转矩之间 的关系
发电机 相同
电源电动势 阻转矩 T1=T+T0
电动机 相反
反电动势 驱动转矩 T=TL+T0
9
3.2 直流发电机
• 1.按激磁方法分类 • 1)他激发电机:
发电机的激磁绕组由外电源供电. • 2)自激发电机:
发电机的激磁电流为电枢电流或电枢电流的一部分， 它又分为: • (1)并激发电机; • (2)串激发电机; • (3)复激发电机.
T
n0
n
将Ia值再代入，得:
上式为直流电动机机械特性的一般表达式 15
两个关键点： 理想空载点：（0，n0) 额定运行点：（TN，nN)
16
3)机械特性硬度
• 在机械特性方程式中, • no称为理想空载转速; • △n称为转速降落. • 机械特性硬度是衡量机械特性平直程度的。 • dT T
5
直流电机的结构图
剖面图：电枢1；主磁极2； 电枢铁心冲片 励磁绕组3；换向极4； 换向极绕组5；机座6
换向器：V型套筒1； 云母环2；换向片3； 连接片4；
6
2.直流电机的基本工作原理
简化为一对磁极,一个线圈
发电机
电动机
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2.直流电机的基本方程式
• 1)感应电势E
E ken
式中:E-电动势(V);
dn n
绝对硬特性 如交流同步电动机的机械特性 • ＞10 硬特性 如直流他激电动机和异步电动机的机械特性
＜10 软特性 如直流串激电动机的机械特性
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• 4.固有(自然)机械特性和人工机械特性
• 1)他激直流电动机的自然机械特性(正转) • 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的
(1)电枢电阻Ra的估算:
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
(2)理想空载转速no计算:
KeN
UN
I N Ra nN
n0
UN
K e N
(3)额定转矩TN的计算:
TN
9 55 PN nN
19
3)举例
• (1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率 5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速 1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性.
人工机械特性方程式:
n
UN
Ke
Rad Ra
KeKt 2
T
n0
n
附加电阻Rad越大,机械特性越软.
21
(2)改变电枢电压的人工机械特性
机械特性即为自然机械特性.
额定负载时,转速降 落不多,是硬特性;
金属切削机床,冷轧 机,造纸机等宜于选 用硬特性的电动机.
18
• 2)自然机械特性曲线的作法
• 已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra, KeφN, n0,TN,找出两个点,即理想空载点(o,n0)和额定运行点
(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性.
直流发电机主要作为直流电源。目前， 由于晶闸管等整流设备的大量使用，直流 发电机已逐步被取代，但从电源的质量与 可靠性来说，直流发电机仍有其优点，所 以直流发电机仍有其广泛的应用。
3
3.1直流电机的基本结构和工作原理
• 直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势 和载流导体在磁场中受力为基础来实现能量转换 的。
第3章 直流电机的工作原理及特性
• 掌握直流电机的电势方程式，转矩 方程式和电压平衡方程式； 掌握直流电动机的机械特性，特别 是人工机械特性；
• 掌握直流电动机起动，制动，调速 的各种方法和应场所；
• 了解用机械特性来分析直流电动机 运行状态的方法。
1
• 电动机有直流电动机和交流电动机两大类，二者 各有优点：
• 为实现机电能量转矩，直流电机的结构应包括定 子和转子两大部分（都有铁心和线圈），定子用 于建立磁场，并作为机械支撑；转子（亦称电枢） 用以产生感应电势、电流，实现机电能量转换。
4
• 1.直流电机的基本结构
1．定子部分 主磁极 换向极 机座 电刷装置 2．转子部分 电枢铁芯 电枢绕组 换向器
1-机座 2-励磁绕组 3-轴承端盖 4-换向器 5-摇环和刷握 6-风扇 7-主磁极 8-电枢铁心 9-电枢绕组
-一对磁极的磁通(Wb);
n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.
3.电压方程 U=E+IaRa
• 2)电磁转矩T
T KtIa
式中:
T-电磁转矩(Nm);
- 磁极的磁通(Wb);
Ia-电枢电流(A);
Kt-与结构有关的常数.
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表3.1 电机在不同运行方式下，E和T的作用
电机运行 E和Ia的方向 E的作用 方式
• 交流电动机结构简单，制造容易，维护方便，运 行可靠，并且具有较好的调速性能，所以它在工 业生产中获得了非常广泛的应用。
• 直流电动机比交流电动机要复杂的多，但它具有 良好的起动性能和调速性能，因而在速度调节要 求较高，正反转和启制动频繁的生产机械上，仍 广泛采用直流电动机拖动。
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直流电机中能量转换的方向是可逆的， 用一台电机既可作发电机运行，将机械能 转化为电能，也可作电动机运行，将电能 转换为机械能。