第4,5节 直流电机公式和运行原理
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直流发电机运行原理
励磁绕组的接法与发 电机的转向相配合保 证励磁电流产生的磁 通方向与剩磁一致；
必须有剩磁；
电动势平衡方程式（实际 上就是电压回路方程）：
转矩平衡方程式（电机恒 速旋转，转矩须平衡） ：
功率平衡方程式 ：
Ea UIaRa
UIf(rf r)IfRf
P2(1
p )10%0
P1 P1
二、直流发电机的运行特性
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平均线
单击此处添加小标题
1.他励直流发电机的空载 特性
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自励建压的稳定工作点 自励建压过程仍在继续，图 中A点以下 不变， 自励建压稳定于A 点 自励建压的稳定工作点即为 空载特性与场阻线的交点。 Rf变大，n不变 n变大，Rf不变
dI f dt
dI f 0 dt
0
dIf dt
1 Lf
(U0If
Rf
)
自励条件：
3.Rf不能太大，n不能太低
思考：如何才能使并励发电机发出的电压反 向？习题33,34
他励：
并励（保持励磁回路电阻不变）：
nN r
Er
U
If
Er
U
I fBiblioteka 并励直流发电机的空载自励过程 一定导致磁通增加吗？ 不一定，只有励磁电流产生磁通方向与剩 磁一致才可以 这一过程是否会无休止进行下去？ 如何保证励磁电流产生的磁通方向与剩磁 一致？ 如不一致，单独改变转向或励磁绕组接法。
转速n=常数，发电机输出 端开路（I=Ia=0），电枢 空载端电压U0与励磁电流 之间的关系：U0=f(If)
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剩磁电压
2. 他励直流发电机的外特性
他励
IIaIaRaU IIaIaRaUIf
直流电机工作原理
直流电机工作原理第二章直流电机2．1 概述2.1.1 直流电机的工作原理首先，复习e=Bδlv 公式，说明e 正比于B δ。
结合图2.1解释v=2πRn/60 （m/s， n (r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn /60 ( r/s); 电角速度ω=pΩ=p2πn/60(rad/s) （记下来）；导体或线圈。
将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。
包括：N 、S 磁极和A 、B 电刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。
将其抽象成一个平面图。
假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。
得气隙磁密在空间得分布曲线B δ(θ) (0≤θ=ωt ≤2π) 。
进而得到导体电势e(ωt) 和线圈电势e AB (ωt) 。
经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势。
工作原理：（1）发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止的电刷把同一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出。
（发电机惯例）（2）电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电流方向不变，导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。
结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。
（2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电（3）从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行，是可逆的。
（4）电动机惯例发电机惯例u Motor uGenerator2．1．2 直流电机的主要结构部件定子——起机械支撑，产生磁场的作用机座、端盖、电刷、轴承直流电机结构气隙——耦合磁场转子——产生电磁转矩、产生感应电势电枢铁心和电枢绕组换向器、转轴、风扇 2．1．3 直流电机的额定值额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。
此时亦称电机满载运行。
否则为欠载或过载额定功率：指输出功率W, kW。
直流电机工作原理
(1) 同一极下每根导体受到的平均电磁力为
fav = Bavlia ※ ia —— 导体中的电流 。
每根导体受到的平均电磁转矩为
D
D
Tav = 2 fav = 2 Bav lia
第2章 直流电机
电枢直径为：
2p
D=
电枢电流与支路电流的关系为：
ia =
Ia 2a
则
D Te = NTav = N 2 Bav lia
换向
交流 电流
克服
电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
反电 做功 动势
第2章 直流电机
二、直流发电机的工作原理
N －
E
＋
S
N －
E
＋
S
第2章 直流电机
电磁关系
原动机
做功
感应电动 势和电流
电磁转矩 (阻转矩)
换向
输出 直流电
第2章 直流电机
气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形
b
N
A
0
X
A
2
t
3
+
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S1
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
Z =12
p =2
=3
y1 = 3 y2 = 2 y=1
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
3 6' 4 7' 5 8'
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S1
(1) 输入功率 P1
P1 = U I = UaIa (2) 电枢铜损耗 PCua
fav = Bavlia ※ ia —— 导体中的电流 。
每根导体受到的平均电磁转矩为
D
D
Tav = 2 fav = 2 Bav lia
第2章 直流电机
电枢直径为：
2p
D=
电枢电流与支路电流的关系为：
ia =
Ia 2a
则
D Te = NTav = N 2 Bav lia
换向
交流 电流
克服
电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
反电 做功 动势
第2章 直流电机
二、直流发电机的工作原理
N －
E
＋
S
N －
E
＋
S
第2章 直流电机
电磁关系
原动机
做功
感应电动 势和电流
电磁转矩 (阻转矩)
换向
输出 直流电
第2章 直流电机
气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形
b
N
A
0
X
A
2
t
3
+
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S1
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
Z =12
p =2
=3
y1 = 3 y2 = 2 y=1
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
3 6' 4 7' 5 8'
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S1
(1) 输入功率 P1
P1 = U I = UaIa (2) 电枢铜损耗 PCua
第19章 直流电机的运行原理 - 副本
电刷偏离 上页
目录 下页
τ 交轴电枢磁动势 Faq A( bβ ) 2
直轴电枢磁动势
Fad Abβ
目录
上页 下页
直轴电枢反应
上页 交轴电枢反应
目录 下页
① 使磁场的零点偏移； ① 不饱和时，每极磁通量不变； ② 饱和时，每极磁通量会减少。
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电枢反应
交轴电枢反应
单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。
• 区别在于电枢绕组的并联支路数不同。
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3.5
直流电机的电枢绕组
上页 目录 下页
上页 目录 下页
鼓形电枢绕组
2e 2e 2e 2e
2e 2e
2e 2e
2e 2e
2e 2e
2e 2e
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直流电机的电枢绕组
电枢绕组由结构相同的线圈组成， 可以是单匝或多匝的。 线圈由线圈边和线圈端部组成， 有首端和末端，首、末端分别与不 同的换向片联结。 每个槽内放置两层线圈边。 线圈的一个线圈边放在槽的上 层，称为上层边；另一线圈边 放在另一槽的下层，称为下层 边。
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单波绕组
单波绕组的联结规律 以2p＝4，Qu＝S＝K＝15 的直流电机为例。
Qu 15 1 y1 4 整数 2p 4 4
K 1 15 1 yK 7 整数 p 2 y yK 7
y 2 y y1 7 4 3 采用左行绕组。
节距：表示相关的两个线圈边之间的距离，用虚 槽数或换向片数表示。
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直流电机的电枢绕组
第一节距 y1 ：一个线 圈的两个线圈边在电枢圆 周表面上跨过的距离。
简单说明直流电机的工作原理
简单说明直流电机的工作原理
直流电机是电动机中广泛应用的机型之一，它的工作原理是将直流电能转变成机械能。
首先，电源通过正负极接入电机的定子线圈，形成电磁感应。
然后，定子线圈中的电流将
激起电磁感应的力矩，使磁合芯上的转子接受感应力矩的推动，从而形成转子的转动，这
就使电机达到了转动的目的。
直流电机同时具有传动和控制功能，并且具有速率可调和功率可控等特点。
速率可调
是指随着转子线圈的电流的改变，力矩推动转子的转速也会发生变化，可以用来满足机械
系统的不同动力要求，同时可以调节转子转速，使机械系统运转平稳可控。
功率可控表示
调整定子线圈电流强度不同时，可以调节电动机的转矩大小，从而调整所需功率和转子转速，以满足不同动力要求。
还有一个重要的特点是起励，当接入正负极后，转子即可受到激起电磁感应的力矩作用，自动开始转动，不用外加启动装置，从而大大简化了设备的控制和维护。
此外，由于直流电机的发热量较小，适合长时间工作，也因此在机器人、工业机器人、空调机器人等方面有着广泛的应用，成为工业设备的首选电机。
直流电机工作原理
2IN
启动转矩：
Rad
UN 2I N
Ra
0.99
Ts't
K
t
I
' st
9.55
Ke
N
I
' st
9.55 U N
I N Ra nN
I
' st
9.55
220
91 0.22 1500
2 IN
231 N
m
注意：
Tst
I st IN
TN
26
3.4 直流他励电动机的启动特性
（4）降压启动时的电源电压：
21
3.4 直流他励电动机的启动特性
1. 降压启动： U＜UN→n↑、E↑→↑U→U=UN、n=nN
2.电枢回路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 22
3.4 直流他励电动机的启动特性
23
3.4 直流他励电动机的启动特性
例题：一台他励直流电动机，其额定数据为： PN=17kW，UN=220V，IN=91A， nN=1500r/min, Ra=0.22Ω。试求：
（1） TN=？ （2）直接启动时的Ist=？ （3）如果要使启动电流不超过额定电流的两 倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩为多少？ （4）如果采用降压启动，启动电流不超过额 定电流的两倍，电源电压应为多少？
13
解： 因他励电动机的n=f（T）是一条直线，
故只要求出：（0，n0）、（TN，nN ）两点 即可。
n0
UN Ke N
直流电机的运行原理
新材料与新工艺的应用
新材料
随着科技的发展，新型材料如碳纤维、纳米材料等在直流电机中得到了广泛应用。这些新材料具有更高的导磁性 能、耐高温和轻量化等特点，提高了电机的性能和可靠性。
新工艺
新工艺的应用为直流电机的制造提供了更多的可能性。例如，采用先进的激光加工、3D打印等技术，可以实现对 电机零部件的高精度制造和快速成型，提高了生产效率和产品质量。
电能。
反接制动
通过反接电机电源来产生制动转 矩。这种方式适用于快速停止电 机，但会对电机造成较大冲击。
机械制动
通过机械摩擦力来产生制动转矩。 这种方式适用于高速或大惯量电 机的快速停止，但需要额外的机
械装置。
04
直流电机的应用
工业领域的应用
自动化生产线
直流电机广泛应用于自动化生产线， 如传送带、机械臂等，实现高效、精 准的物料搬运和加工。
02
直流电机的运行原理
直流电机的电磁场原理
磁场定义
磁场对电流的作用
磁场是存在于磁体周围的一种特殊物 质，它看不见摸不着，但具有能量， 可以被磁体所磁化。
在磁场中运动的导线会受到安培力的 作用，这个力就是直流电机转动的主 要驱动力。
直流电机中的磁场
在直流电机中，磁场是由励磁绕组产 生的，励磁绕组通入直流电流后，就 会在电机内部形成一个恒定的磁场。
串电阻调速
通过在电机回路中串入电 阻来调节转速。这种方式 适用于小功率电机，但电 阻耗能较大。
PWM调速
通过调节电机输入端的 PWM信号占空比来调节 转速。这种方式可以实现 宽范围的调速，且效率较 高。
直流电机的制动方式
能耗制动
在电机定子绕组中通入直流电， 产生制动转矩使电机迅速停止。 这种方式简单可靠，但需要消耗
直流电机的工作原理及调速特性
特点:电动机的转矩T与转速n方向相反,电机处于发电工作状态.
制动形式:稳定的制动状态; 过渡的制动状态.
制动方法有3种: 反馈制动; 反接制动; 能耗制动.
1.反馈制动
STEP5
STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
2.反接制动
1)实现条件:电枢电压或电枢电势反向. 2)分类: (1)电源反接制动.改变电枢电压U的方向所产生的制动. 机械特性方程式为; 为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻. 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上.
鼠笼式三相异步电动机的结构示意图
定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座
鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线
2).三相异步电动机的工作原理
(1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速; (2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势; (3)转子绕组中感生电流; (4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了. 电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步. 设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为 ; no-n; 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是分析异步电动机运行情况的主要参数,且
起动工作点 T=Tst, n=0, S=1;此时有 临界工作点 T=Tanm, n=nm, s=Sm;有: 自然机械特性
人工机械特性 介绍4种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电抗时,变频率时,线绕电动机转子串电阻时. 电压越低,人工特性曲线越往左移; 电动机的过载能力和起动转矩会大大降低; 电压降低,负载转矩不变时,电动机过热; 电压降低太多,电动机将带不动负载(不能起动). (1)降低电压时的人工特性
直流电机的工作原理，调速原理，常用接线方式，常见故障处理
直流电机的工作原理，调速原理，常用接线方式，常见故障处理对于三项异步电机来说，现场使用非常多，大家对于其工作原理以及调速方式都相当熟悉，但是直流电机在现场也时有出现，今天小编就带大家熟悉一下直流电机的一些常见问题。
1、直流电机的物理模型直流电机的结构包括，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)直流电机的物理模型上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的定子上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在转子上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
2、直流电机的工作原理直流电机原理图对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
CH21 直流电机的运行原理
12
直流电机电枢磁动势的轴线位置如何确定？ 直流电机中，各支路电流都是通过电刷引 入或引出，因此电刷是电枢表面电流的分 界线，电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线 相重合。 电刷的位置决定电枢磁动势的轴线位置。
13
电刷在几何中性线上的电枢磁动势
• 电刷位于几何中性线，电枢磁动势轴线与电 刷轴线重合。 • 与主极轴线正交的轴为交轴，与主极轴线重 合的轴称为直轴。 • 电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势为交 轴电枢磁动势。
• 直流电机是可逆的，同一台电机既可作发 电机运行，又可作电动机运行。 • 如在原动机的拖动下，可作为发电机，将 输入的机械能转变为电能；如在电枢两端 输入直流电能，可作为电动机，将输入的 电能转变为机械能。所以其方程有相似性。
46
直流电动机的基本方程式
• 采用电动机惯例，规定直流电动机各物理 量正方向。
B0 ( x) 0 F / ( x)
8
直流电机空载运行磁场
主磁场的分布•Βιβλιοθήκη B0 ( x ) 1
• 主磁极范围内，气隙小且均匀，气隙磁密分布均匀； 极靴尖，气隙增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙 迅速增大，气隙磁密急剧下降；在相邻两极空间分 界线上，磁密降为零， 气隙磁密沿电枢表面空间分 布的波形为平顶波，也可称 之为钟形曲线。
第二十一章 直流电机的运行原理
1
本章主要内容
第一节直流电机空载运行磁场
第二节直流电机负载运行时电枢磁场
第三节 直流电机的电枢反应
第四节 电枢绕组的感应电动势和直流电机的 电磁转矩 第五节 稳态运行时直流电机的基本方程式
2
第一节 直流电机空载运行磁场
• 空载：电机对外无功率输出、不带负载 的状态。
直流电机的基本工作原理及结构
0
A
If0 I f I fN F f 0 IN
1.3.2 直流电机负载时的负载磁场
直流电机带上负载后，电枢绕组 中有电流，电枢电流产生的磁动势称 为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使 电机的磁场发生变化。
右图为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布 情况。
假设励磁电流为零，只有电枢电 流。由图可见电枢磁动势产生的气隙 磁场在空间的分布情况，电枢磁动势 为交轴磁动势。
电枢磁场磁通 密度分布曲线
主磁场的 磁通密度 分布曲线
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
Bx
B0x
B ax
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
1)、使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于 电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削
当电枢旋转到右图所示位置时
原N极性下导体ab转到S极下， 受力方向从左向右，原S 极下 导体cd转到N极下，受力方向 从右向左。该电磁力形成逆时 针方向的电磁转矩。线圈在该 电磁力形成的电磁转矩作用下 继续逆时针方向旋转。
与直流发电机相同，实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈， 磁极也并非一对。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生 火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面， 使电机不能正常工作。
产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原 因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。
1.5.2 换向的电磁理论
换向元件中的电动势：
自感电动势 e和L 互感电动势 eM：换向元件（线圈）在换向过程
二、直流电动机工作原理
直流电机工作原理
B:磁密l：导体长度； v：导体与磁场的相对速度。
正方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。
理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势）
2 发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。
（1） 构成：
换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。
电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。
（2）工作过程：
P1：电动势产生
当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同。电流由电刷A流出，由电刷B流回。
（3） 电磁转矩与能量转换分析 ：
电磁转矩：电枢电流 Ia与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩 T。
用左手定则可以判定，电磁转矩 T的方向与电枢旋转方向相反。因此，在电枢等速旋转时，原动机的驱动转矩 T1必须与发电机的电磁转矩 T和空载损耗转矩 T0相平衡( T0是发电机轴上的转矩)，即T1=T+ T0
直流电机的工作原理
原理：任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。
为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。
（一）直流发电机的工作原理
1．工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。
e=Blv。
直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反
*电磁转矩方向与转速方向关系：反向
正方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。
理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势）
2 发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。
（1） 构成：
换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。
电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。
（2）工作过程：
P1：电动势产生
当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同。电流由电刷A流出，由电刷B流回。
（3） 电磁转矩与能量转换分析 ：
电磁转矩：电枢电流 Ia与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩 T。
用左手定则可以判定，电磁转矩 T的方向与电枢旋转方向相反。因此，在电枢等速旋转时，原动机的驱动转矩 T1必须与发电机的电磁转矩 T和空载损耗转矩 T0相平衡( T0是发电机轴上的转矩)，即T1=T+ T0
直流电机的工作原理
原理：任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。
为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。
（一）直流发电机的工作原理
1．工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。
e=Blv。
直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反
*电磁转矩方向与转速方向关系：反向
第4,5节 直流电机公式和运行原理
二、电机工作原理
发电机工作的理论基础是通电导体在周围产生 磁场（定子部分）和在磁场中运动的导体将产 生感应电动势（转子部分）。 电动机工作的理论基础是通电导体在周围产生 磁场（定子部分）和通电导体在磁场中要受力 （转子部分）。
电机工作时在电枢绕组上将产生感应电动势， 大小为 Ea Ce n ，对发电机而言是输出电动 势，对电动机而言是反电动势。同时还将产生 电磁转矩，大小为 Tem CT Ia，对发电机而言 是阻转矩，对电动机而言是拖动转矩。
2.4 电枢绕组电动势与电磁转矩
电动势Ea.：正负电刷间的感应电动势
回忆：直流电机的电枢绕组绕线方式？ 极对数p=电刷对数=并联支路对数a
.
. . . . . .
. . . . . . .
bδ
bδ
Bav
0
ia
n
f
每条 支路 的瞬 时感 应电 动势 x 相等
2.4 直流电机电枢绕组的感应电动势
单根导体的电动势：
三、电机运行原理（要求掌握定量计算！）
直流电动机内部物理量之间的关系主要由 电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率 平衡方程式来反映，外部运行性能主要由转 速特性、转矩特性、效率特性来反映。
Ntav
NBavl
Ia 2a
D 2
电枢绕组的电磁转矩
将 D 2 p / 及 Bavl 代入总电磁转矩表
达式得：
pN
T 2 a Ia CtIa [ N ]
且有
Ct
pN
2 a
转矩常数
• 结论：对于已制造的电机，它的电枢电磁 转矩正比于每极磁通和电枢电流。
电机学最重要的两个公式
二、直流电动机的工作特性
发电机工作的理论基础是通电导体在周围产生 磁场（定子部分）和在磁场中运动的导体将产 生感应电动势（转子部分）。 电动机工作的理论基础是通电导体在周围产生 磁场（定子部分）和通电导体在磁场中要受力 （转子部分）。
电机工作时在电枢绕组上将产生感应电动势， 大小为 Ea Ce n ，对发电机而言是输出电动 势，对电动机而言是反电动势。同时还将产生 电磁转矩，大小为 Tem CT Ia，对发电机而言 是阻转矩，对电动机而言是拖动转矩。
2.4 电枢绕组电动势与电磁转矩
电动势Ea.：正负电刷间的感应电动势
回忆：直流电机的电枢绕组绕线方式？ 极对数p=电刷对数=并联支路对数a
.
. . . . . .
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bδ
bδ
Bav
0
ia
n
f
每条 支路 的瞬 时感 应电 动势 x 相等
2.4 直流电机电枢绕组的感应电动势
单根导体的电动势：
三、电机运行原理（要求掌握定量计算！）
直流电动机内部物理量之间的关系主要由 电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率 平衡方程式来反映，外部运行性能主要由转 速特性、转矩特性、效率特性来反映。
Ntav
NBavl
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D 2
电枢绕组的电磁转矩
将 D 2 p / 及 Bavl 代入总电磁转矩表
达式得：
pN
T 2 a Ia CtIa [ N ]
且有
Ct
pN
2 a
转矩常数
• 结论：对于已制造的电机，它的电枢电磁 转矩正比于每极磁通和电枢电流。
电机学最重要的两个公式
二、直流电动机的工作特性
简述直流电机工作原理
简述直流电机工作原理
直流电机是一种将电能转化为机械能的装置。
其工作原理基于洛伦兹力和电流的相互作用。
直流电机通常由电磁铁、旋转部件和定子三部分组成。
当直流电机通电时，电流通过电磁铁的线圈，产生一个磁场。
该磁场会与电磁铁旁边的磁场互相作用，产生一个力矩，使电机开始旋转。
旋转部件通常由一根轴和一组线圈组成，线圈又被称为电枢。
电枢通过整流器连接到电源上，使电流得以流经线圈。
当电流通过线圈时，电流在由导电材料构成的线圈内形成一个磁场。
这个磁场与电磁铁产生的磁场相互作用，产生一个力矩，使电机旋转。
这是因为磁场中的磁力线与线圈中的电流相互作用，根据洛伦兹力原理，会产生一个垂直于磁场和电流方向的力。
为了保持电机的连续旋转，需要改变电流的方向。
这是通过电机中的换向器实现的。
换向器会反转线圈中的电流方向，使得电机继续旋转。
总的来说，直流电机的工作原理是通过电流和磁场之间的相互作用产生一个力矩，使电机旋转。
该工作原理的关键在于线圈内电流与磁场的相互作用，通过改变电流方向来保持连续旋转。
直流电机的基本工作原理和结构
电动机：是指输入额定电压。
行于额定功率时对应的转速.
额定励磁电流I fN
对应于额定电压、额定电流、额 定转速及额定功率时的励磁电流
电机铭牌上还标有其它数 据，如励磁电压、出厂日 期、出厂编号等。
此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、 出厂编号等。
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于 额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运 行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电 机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好 运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工 作性能等比较好。
1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
指轴上输出 的机械功率
电动机
额定功率PN
额定条件下电机
发电机
指电刷间输出的 额定电功率
所能提供的功率
额定电压U N 在额定工况下，电机
额定电流I N
出线端的平均电压
额定转速nN
发电机：是指输出额定电压；
在额定电压下，运运
当电枢旋转到右图所示位置时
原N极性下导体ab转到S极下， 受力方向从左向右，原S 极下 导体cd转到N极下，受力方向 从右向左。该电磁力形成逆时 针方向的电磁转矩。线圈在该 电磁力形成的电磁转矩作用下 继续逆时针方向旋转。
与直流发电机相同，实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈， 磁极也并非一对。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
当原动机驱动电 机转子逆时针旋转 时同，线圈abcd将 感应电动势。如右 图，导体ab在N极 下，a点高电位，b 点低电位；导体cd 在S极下，c点高电 位，d点低电位；电 刷A极性为正，电 刷B极性为负。
当原动机驱动电机转子逆时针
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电枢线速度：v 2 p n / 60(m / s)
每根导体的平均感应电动势：
Ce
Np 60a
eav
Bavlv
l
lv
l
电动势常数
2 pn 2 p n
l 60 60
电枢绕组感应电动势：
N
2a
N
N 2p
Np
Ea
ei
i 1
2a eav
2a
60
n
n 60a
Ea Cen
2.转矩特性
Tem CT Ia CT kIa2
当电枢电流较大，磁路饱和时，磁通 Φ近似为一常数
Tem CT Ia CT ' Ia
（三）复励电动机的工作特性
思考： 他（并）励和串（复）励 直流电机的优缺点及应用 场合？
作业： P50: 25、26、28
第一章小结
通过本章的学习，主要应从以下几个方面来 掌握直流电机的有关内容：
T2输出转矩； T0空载转矩(U=Ea)；
励磁电流
If
Uf Rf
第五节 直流电动机的运行原理
+
-- 电压平衡方程式 U Ea Ia Ra
+-
电枢电动势 Ea Cen
电磁转矩 Tem CT Ia
转矩平衡方程式 T em T2 T0
Ea Ia Pem
空载转矩T0
功率平衡方程式
二、直流电动机的工作特性
直流电机的工作特性：在额定电压和励磁电流
工作状态时，电动机的转速、电磁转矩和效率与输 出功率(电枢电流)的关系。
n、Tem、 f (P2 ) U UN
Ia可直接量，近似正比于 P2
I f I fN Rad 0
转速特性
转矩特性
n f (Ia )
T f (Ia)
P1 Pem pCua
Pem
P2
p 0
Pcu电枢铜损耗
P0空载损耗(U=Ea)
功率平衡方程式：
U=Ea+Iara+2△Ub
UIa=(Ea+Iara+2△Ub)Ia
UI a=EaIa+Ia2ra+2△UbIa P1=Pem+pcua+pb
电磁功率 Pem=EaIa=CenIa=Tem
一、电机结构及各部分的主要功能
直流电机是由定子和转子两大部分组成，定子部 分包括机座、主磁极、换向磁极、补偿绕组和电 刷装置，其主要作用是建立工作磁场。转子部分 包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和轴承， 其主要作用是传递电磁功率。
直流电动机按励磁方式的不同可分为他 励、并励、串励和复励直流电动机，各种励 磁方式的运行性能不同。
bδ
提问：直流电机感应电动势如何产生？
eav Bavlv 右手定则
bδ
Bav
0
有效导体数： N 2s
.
. . . . . .
. . . . . . .
ia T
x n
每一支路串连导体数： N 2a S是线圈的个数
N
电枢感应电动势为
Ea
2a
ei
i 1
N 2a
eav
电枢绕组的电动势（续）
Tem
电枢反应
0
Ia
3.效率特性: f (Ia )
P2 P1 p 1 p
P1
P1
P1
1
p Fe
pm
I
2 a
rLeabharlann 2U bIa
UI a
当U=UN，If=IfN，pFe+pm基本不变，称不变损耗； I2ara和 2UbIa随Ia变化，称可变损耗；
令d/dIa=0 pFe+pm=I2ara时，→ =max
Pem=P2+pFe+pm+pad=P2+p0+pad P1=P2+pFe+pm+pad+pcua+pb
pFe:铁损耗,铁心中的涡流和磁滞损耗 pm:机械损耗、机械摩擦和风阻 pad：附加损耗、杂散损耗、齿槽效应和磁通脉动
他励直流电动机功率流程图
pFe: 铁损耗,铁心中的涡流和磁滞损耗 pm: 机械损耗、机械摩擦和风阻 pad：附加损耗、杂散损耗、齿槽效应和磁通脉动
三、电机运行原理（要求掌握定量计算！）
直流电动机内部物理量之间的关系主要由 电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率 平衡方程式来反映，外部运行性能主要由转 速特性、转矩特性、效率特性来反映。
• 结论：对于已制造的电机，它的电枢电 动势正比于每极磁通和转速。
e lBv Ce
Np 60a
电枢电动势和电磁转矩的方向
Ne
+n
i
A
fe
i
BS --
在发电机中 电磁转矩和 电机转速方 向相反，是 制动性转矩
电流与感应 电动势方向 一致
N f +n
S --
i
e
ie
f
在电动机中电 磁转矩和电机 转速方向相同， 是拖动性转矩
例 某他励直流电动机，Ua=110V，Ra=0.2Ω， 带某负载运行时，n=980r/min，Ia=30A。
①求该电机的电动势和电磁转矩；
②保持磁通Φ不变，而电磁转矩增加一倍， 求这时的电枢电流Ia和转速n
例1-4 一台幷励直流电动机，PN=7.5kW， UN=110V，nN=1500r/min，IN=82.2A, Ra=0.104Ω，Rf= 46.7 Ω，忽略电枢反应，
Ea Cen
Ce
Np 60a
Tem CT Ia
CT
pN
2 a
CT 9.55Ce
第五节 直流电动机的运行原理
+
--
+-
直流电机的运行原理：
用运动方程式表征其内部的电磁过 程和机电过程。
1，基本平衡方程：
包括电机电气系统的电压平衡方程 式和机械系统的转矩平衡方程式。
2，工作特性：
考虑电枢电阻上压降后的电动机空载运行定义：
当输入功率全部消耗在电枢绕组发热上，即电动机没有拖动负 载，空转的情况。
第五节 直流电动机的运行原理
+
基本方程式包括：
--
1.电压平衡方程式
+-
U Ea Ia Ra
电枢电动势：
反电动势： Ea Cen
电磁转矩
Tem CT Ia
2.转矩平衡方程式 T em T2 T0
电枢绕组是直流电机中传递能量的关键元 件，电枢绕组构成一个闭合回路并由电刷将这 个回路分成几个并联支路，绕组中的电动势和 电流是交流的，通过换向器和电刷输入（输出） 的是直流电动势和直流电流。电枢绕组常见的 连接方式有叠绕组和波绕组，不同的连接方式 其允许的电压电流大小是不同的。
电枢磁场对励磁磁场的影响叫电枢反应。电枢 反应将使磁场削弱并产生畸变，其结果是使功率下 降并造成换向的困难。
Ntav
NBavl
Ia 2a
D 2
电枢绕组的电磁转矩
将 D 2 p / 及 Bavl 代入总电磁转矩表
达式得：
pN
T 2 a Ia CtIa [ N ]
且有
Ct
pN
2 a
转矩常数
• 结论：对于已制造的电机，它的电枢电磁 转矩正比于每极磁通和电枢电流。
电机学最重要的两个公式
例 某他励直流电动机，PN=6kW， UN=220V，nN=1000r/min，pcua=500W, p0=395W。 试求额定运行时，电动机的：
①额定输出转矩T2N； ② T0空载转矩； ③ TemN额定电磁转矩； ④电磁功率Pem；
⑤额定效率ηN； ⑥电枢回路总电阻Ra；
作业：
P49:8 P50:23、24
试求： ①额定输出转矩； ②额定电磁转矩； ③理想空载转速； ④空载电流和实际空载转速。
（二）串励电动机的工作特性
1.转速特性
UR n Ce Ce Ia
kIa
磁路未饱和
n
UN Ce k Ia
Ra Cek
理想空载转速很大， 不允许空载启动和运行！
I Ia I f
电流与感应 电动势方向 相反
2.4 直流电机电枢绕组的电磁转矩
提问：电磁力？
f
b lia
b
l
Ia 2a
左手定则
bδ
电磁转矩： t f D
2
bδ
Bav
tav
Bavl
Ia 2a
D 2
.
. . . . . .
. . . . . . .
0
ia T
x n
总电磁转矩：
T
N i 1
ti
三类曲线
效率特性 f (Ia )
（一）他（并）励电动机的工作特性
1.转速特性：n f (Ia ) n
n0
n
n
U Ce
Ra Ce
Ia
N
n0 n
0
IN
Ia
固有转速特性
n0：电动机的理想空载转速
Δn：由负载引起的转速降
2.转矩特性 T f (Ia )
Tem CT Ia
二、电机工作原理
发电机工作的理论基础是通电导体在周围产生 磁场（定子部分）和在磁场中运动的导体将产 生感应电动势（转子部分）。 电动机工作的理论基础是通电导体在周围产生 磁场（定子部分）和通电导体在磁场中要受力 （转子部分）。