直流电机结构、工作原理与特性
直流电动机的原理及特性
直流电机
定子
机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器
转子
电枢绕组 轴承
风扇 转轴
2.1.2 直流电动机的励磁方式 定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。 实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么 样的励磁方式。
1.他励式
若励磁绕组不与电枢 绕组联接，励磁绕组单独 由其他电源供电的直流电 机称为他励式直流电机。
2.1.2 直流电动机的励磁方式
并励式
励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。 并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的 电流为If ，经过负载或电源供给电机的总电流 为 I，三者须满足以下关系： 直流发电机：Ia ＝I＋If 直流电动机：Ia ＝I－If
2.1.2 直流电动机的励磁方式
第2章 直流电动机的原理及特性
直流电机的用途
测速
伺服
励磁机
电源
直流电机的特点
• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 • 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，起动和制动性能良好。
• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高
2.1直流电动机的基本结构和工作原理
端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支 撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还 起防护作用。
定子部分
电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入） 装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右 图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在 刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋 转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在 刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同 极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆 装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。
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
《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
直流电机的工作原理及特性
直流电机的工作原理及特性直流电机是一种电动机，以其结构简单、控制精度高、效率高、输出功率大等优点而受到广泛应用。
本文将从工作原理、特性两个方面对直流电机进行详细介绍。
一、工作原理直流电机的工作原理是靠用直流电产生的磁场作用在转子上，使转子旋转。
直流电机实际上是一个能把电动机和发电机互相转换的机器，因为直流电是双向运动的，所以他可以既做发电机又可以做电动机。
（一）机械结构直流电机机械结构分为定子和转子两部分。
定子包括机座、磁极、绕组等。
转子是电动机旋转的部分，包括转子铁心、绕组和电刷等。
当电机接入电源并加上磁通，就会在转子上产生一个磁场。
由于转子上产生的磁队是与磁通方向相反的，因此磁力会推动旋转电机，从而使转子开始转动。
（二）电磁学原理直流电机的转速与线圈导体上通过电流的方向、大小，磁极和线圈位置等因素有关。
当直流电通过定子绕组时，就会产生磁极磁通，因此在转子上的绕组中就会感应出电磁力和转矩。
电机转子的移动速度主要取决于该转矩。
转矩越大，电机就能承受更多的外力，提供更高的机械输出；反之，转矩越小，电机就需要承受更小的外力。
二、特性（一）功率和效率直流电机的输出功率和效率都很高。
在电机运行时，电梯将能量输出到外部驱动机器，其能量转化效率约为88%~96%，具有一定的经济性和高性价比的特点。
（二）输出特性直流电机存在强大的输出特性，这意味着它可以在不同的工作负载下产生不同的扭矩和速度。
直流电机的特性也非常稳定，当负载发生变化时，电机的输出也能及时发生相应地变化，从而实现更高的精度。
（三）寿命和维护直流电机的寿命较长，使用寿命通常可达到15000小时。
它还具备一定的可靠性和稳定性，使用稳态电源能有效促进电机使用寿命。
通常情况下，直流电机不需要经常维护，只需要清洗和润滑，更换磨损和损坏的部件即可。
（四）控制精度直流电机的速度控制精度非常高，控制范围广，在高低转速下都能实现同样高的控制精度。
这也让它在工业控制领域中得到了广泛应用，如分步马达、电动升降平台、电动梯等等。
直流电机的工作原理及特性
特性变软
Rad
If
U
Ia M E
Uf
Ra
Ф
n n0
Rad1< Rad1
0
Rad=0 Rad1 Rad2
T
2. 改变电枢电压U时的人为特性 N ,R a d 0
把nKU e NNKeK RtaN2T 与 nKU eNKeK RtaN2T
➢空载速度随着U的减小而减小；
硬度的概念，其定义为： dTΔT10% 0
dn Δn
n n0 nN △n
△T
即转矩变化与所引起的 转速变化的比值，称为机械 特性的硬度。
根据值的不同，可将
电动机机械特性分为三类。
0
TN T
（1）绝对硬特性
（2）硬特性>10
（3）软特性<10
dTΔT10% 0
dn Δn
二、固有机械特性
直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件
2. 额定电压 UN： 指额定状态下电枢出线端的 电压，以 V为量纲单位。
3. 额定电流 IN： 指电机在额定电压、额定功率 时的电枢电流值，以 A为量纲单位。
4. 额定转速 nN： 指额定状态下运行时转子的 转速，以r/min为量纲单位。
5. 额定励磁电流 If： 指电机在额定状态时的励 磁电流值。
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的
发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或 原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时， 原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗 转矩T0相平衡。
电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此， 电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损 耗转矩T0相平衡。
003-直流电机的工作原理及特性
“换 向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换
向 器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是 一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是 直流电动机的工作原理。
电机的可逆运行原理
(三) 电机的可逆运行原理 从上述基本电磁情况来看： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运
主 磁 极（静止部分）
1.主磁极 （图3-4） 主磁极一般是电磁铁 用 1-1.5 毫米厚的钢板冲片叠压紧固
而成的铁心。（励磁绕组套在上面）
换 向 极（静止部分）
2.换向极（又称附加极或间极）
换向极图片（图3-5） 主磁极和换向极示意图（图3-6） 作用为改善直流电机的换向性能，一般
用整块钢板加工而成，并在其外面套上 换向极绕组。
题解
解：两个已知条件： 负载转矩TL＝常数； 减弱励磁时系统是一个从稳态到另一个稳态（不涉
及瞬态过程），电枢反电势是稳态值。 ∵稳态运行时TL＝T＝KtΦIa＝常数，当减弱励磁时 Φ减少， Ia增加； 又∵ E＝U-IaRa ，U与Ra不变，则电枢反电势E减少 ∴到新的稳态值后，电枢反电势E<E1。
3.2.2 电压平衡方程式（电枢回路）
U＝E＋IaRa （3.3）
（3.1～3.3为三个基本公式） U:电动机外加电枢电压； E:电枢的反电压； IaRa:电动机电阻压降。 注意：电动机在运行时，它的转速、电动势、电 枢电流、电磁转矩能自动调整，以适应负载 的变化，保持新的转矩平衡。
例题分析
课本题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TL＝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？
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）
直流电机的工作原理及特性
电刷盒
转子结构图
电枢绕组
电枢铁心
换向器 转轴
（二） 转子(电枢)部分
1、电枢铁心 作为主磁通磁路的主要部分 嵌放电枢绕组 2、电枢绕组 能量转换的关键部件，
产生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换 3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的
交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变； 直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电动势
KeN U N I N Ra / nN
3.16
（3）求理想空载转速 n0 U N /KeN
（4）求额定转矩
TN
PN
9.55 PN nN
3.17
TN KtN I N 9.55KeN I N
2、人为机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
人为机械特性就是指供电电压U或磁通Φ不 是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时 的机械特性，亦称人为特性。
机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的 重要依据。
机械特性分固有机械特性和人为机械特性。
一、他励电动机的机械特性
机械特性方程的推导
U E Ia Ra
3.11
E Ken
n
U
K e
Ra
K e
Ia
3.12
T KtIa Ia T /Kt
n
U
K e
Ra
KeKt 2
T
n0
KT
n0 n
n0---理想空载转速（T=0）
具有一段启动电阻的他励电动机 Ist U N /Ra Rst 1.5～2I N
具有三段启动电阻的他励电动机
原则 1. T1(I1)≤2TN 2. T2(I2)基本相
直流电机的工作原理及特性
直流电机的工作原理及特性直流电机是一种将电能转化为机械能的装置，它的工作原理和特性主要包括：电动力原理、结构特点、性能特点和应用范围。
一、工作原理：直流电机的工作原理基于安培力和洛伦兹力的相互作用。
当电流通过电机的线圈时，电流会产生磁场。
根据安培力的原理，电流会受到磁场的力作用，使得电流所在的导线在磁场中受到力的作用。
而洛伦兹力的原理则指出，当有导体在磁场中运动时，导体内的电荷会受到磁场的力的作用。
由此可知，当电流通过电机的线圈时，线圈会在磁场的作用下受到力，并因此产生旋转运动。
具体来说，直流电机由定子和转子两部分组成。
定子由绕组组成，绕组将通电产生的磁场产生在空间中。
转子是电机的旋转部分，它由磁场通过的线圈和电刷组成。
当电流通过绕组时，线圈产生磁场，并与定子磁场相互作用，使得转子发生旋转运动。
电刷则负责将电流引入转子的线圈中，使得线圈能够保持旋转。
二、特性：1.转速可调性：直流电机的转速可以通过调节电压或改变转子绕组的连接方式来实现。
这使得直流电机具有广泛的应用场景，可以应对不同转速需求的工作环境。
2.启动性好：由于直流电机的转子线圈本身具有自感性，当通电时产生的感应电动势可以帮助电机启动。
因此，直流电机的启动过程相对较容易。
3.负载适应性强：直流电机对负载的适应能力较强，即使在大负载情况下，电机的转速和车速相对稳定，不易受到负载的干扰。
4.转矩密度高：与其他类型的电机相比，直流电机的转矩密度较高，能够在相同体积和重量的情况下提供更大的转矩输出。
5.快速动态响应：直流电机具有快速动态响应的特点，可以在瞬间从静止状态加速到工作状态，并且变速过程平稳。
6.易于控制：直流电机可以通过斩波调速、串联调速、分级调速等方式进行控制，实现精确的速度和转矩调节。
三、应用范围：直流电机广泛应用于各个领域，包括工业生产、交通运输、家用电器等。
1.工业生产：直流电机在机床、起重设备、工作台、输送机和机器人等工业设备中得到广泛应用，用于提供驱动力和转矩。
直流电机的工作原理及特性
Ia
3.12
T KtIa Ia T /Kt
n
U
K e
Ra
KeKt 2
3.7
Ia I f I I
3.10
并励发电机工作的条件：
1.要有剩磁（起始电流）； 2.励磁电流产生的磁场方向 和剩磁方向相同；
3.Rf’不能太大。
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.2.2 并励发电机
并励发电机自励和外特性 U f I
U0
tg
U0 If
Rf
If
U
U0
n=nN,调节If以获得所需的 空载电压U0 ,然后接上负载
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.3 直流电动机的机械特性
3.3.1 他励电动机的机械特性
电压平衡方程
U E Ia Ra
3.11
Ia
U E Ra
Ia IN I f
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
U E Ia Ra
3.11
E Ken
n
U
K e
Ra
K e
定子 换向器
转子
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和 工作原理
3.1.1 直流电机的基本结构 (定子剖面图)
换向 极
主磁极
磁极数－主 磁极的个数
磁极对数= 磁极数/2
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和 工作原理
3.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图）
第三章 直流电机的 工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流发电机 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性
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
直流电机工作原理及特性
直流电机工作原理及特性一、工作原理直流电机是一种将直流电能转化为机械能的电动机。
其工作原理基于洛伦兹力和电磁感应原理。
直流电机由电枢和磁极组成。
电枢由导电线圈绕制而成，磁极则由永磁体或电磁铁构成。
当电流通过电枢时，电枢会产生磁场。
与此同时，磁极的磁场也存在。
根据洛伦兹力原理，当电枢的磁场与磁极的磁场相互作用时，电枢会受到一个力的作用，使其开始旋转。
电枢旋转的方向与电流的方向有关。
为了保持电枢的持续旋转，需要通过电刷和换向器来改变电流的方向。
电刷和换向器的作用是在电枢旋转到一定角度时，改变电流的方向，使电枢继续受到力的作用，保持旋转。
二、特性1. 转速特性：直流电机的转速与电压成正比，转速随着电压的增加而增加。
当负载增加时，转速会下降，这是由于负载对电机的机械阻力增加所致。
2. 转矩特性：直流电机的转矩与电流成正比，转矩随着电流的增加而增加。
当负载增加时，电机需要提供更大的转矩来克服负载的阻力。
3. 效率特性：直流电机的效率是指输出功率与输入功率之比。
在额定负载下，直流电机的效率通常在80%到90%之间。
效率越高，电机的能源利用率就越高。
4. 起动特性：直流电机具有较高的起动转矩，即在启动瞬间能够提供较大的转矩。
这使得直流电机在需要快速启动或对起动转矩要求较高的应用中具有优势。
5. 调速特性：直流电机的转速可以通过调节电压或改变电枢电流来实现调速。
通过改变电压或电流的大小，可以控制电机的转速，使其适应不同的工作要求。
6. 可逆性：直流电机具有可逆性，即可以正转和反转。
通过改变电流的方向，可以改变电机的旋转方向。
7. 稳定性：直流电机具有较好的稳定性，即在负载变化较大的情况下，仍能保持较稳定的转速和转矩输出。
总结：直流电机是一种将直流电能转化为机械能的电动机。
其工作原理基于洛伦兹力和电磁感应原理。
直流电机具有转速特性、转矩特性、效率特性、起动特性、调速特性、可逆性和稳定性等特点。
这些特性使得直流电机在许多应用领域中得到广泛应用，如工业生产线、交通运输、家用电器等。
直流电机原理及其转动特性分析
直流电机原理及其转动特性分析直流电机是一种常见而重要的电动机类型，广泛应用于工业生产、家庭设备以及交通工具等领域。
本文将从直流电机的工作原理和转动特性两个方面进行详细的分析。
一、直流电机的工作原理直流电机是利用电磁感应原理和洛伦兹力原理来实现电能转换为机械能的装置。
它由定子和转子两部分组成。
定子是由一组定子绕组和磁极组成，绕组通电产生磁场。
转子是由永磁体或可电磁激磁体组成，受到磁场力作用而旋转。
在工作时，施加在直流电机的电源上直流电流，经过定子绕组产生一个旋转的磁场。
根据洛伦兹力原理，当转子处于磁场中时，由于磁场和电流方向的交叉作用，转子上会受到一个力矩的作用。
这个力矩使得转子开始旋转。
同时，转子上产生的感应电动势作用于绕组，产生感应电流，这个感应电流也会在磁场中产生一个力矩，使得转子继续旋转。
直流电机通过定子绕组的电流和转子上的磁场之间的相互作用，实现了电能到机械能的有效转换。
这一工作原理为直流电机的转动特性奠定了基础。
二、直流电机的转动特性分析1. 转速特性直流电机的转速与供电电压和负载有关，根据直流电机的特性曲线可以得知，当负载较小时，转速与供电电压成正比。
而当负载增加时，转速则会下降。
这是因为，在负载增大时，电机内部的反电动势增加，抵消了供电电压的作用，导致转速下降。
2. 转矩特性直流电机的转矩与电流成正比，转矩与转速成反比。
当电机负载增大时，为了保持一定的转速，电机需要输出更大的转矩。
因此，调节电机的电流可以实现对转矩的控制。
3. 效率特性直流电机的效率是指电能转换为机械能的比例，即功率输出与功率输入比值。
根据直流电机的特性曲线可以得知，当电机负载较小时，电机的效率较高。
而当电机负载增加时，电机的效率会下降，因为更多的能量被转化为热量。
4. 起动特性直流电机在启动前需要克服静摩擦力和动摩擦力的阻力。
根据电机的起动曲线可以得知，当启动电流较大时，电机能够迅速克服阻力实现起动。
而当启动电流较小时，电机的起动时间会延长。
机电传动控制(第3章) 直流电机的工作原理及特性
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?
直流电机的工作原理与基本结构
2）在电刷AB两端接上直流电源。
-
S
2.直流电动机的工作原理分析
电刷AB接直流电源： A接正极，B接负极。
图a 导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转
当导体ab处于N极下、cd处于S极下时，ab中的电流由a流向 b，cd中的电流由c流向d，整个线圈中的电流顺时针流动。 用左手定则判定：导体ab受力方向从右向左；导体cd受力方 向从左向右，形成逆时针方向的电磁转矩，带动电枢逆时针 旋转。
直流电机的工作原理与基本结构
一、直流电机简介
1.直流电机的定义
直流电机是通以直流电流的旋转电机，是电能和机械 能相互转换的设备。
将机械能转换为电能的是直流发电机； 将电能转换为机械能的是直流电动机。
与交流电机一样，直流电机的工作也遵循“导体切割 磁力线产生感应电动势”“载流导体在磁场中会受到 电磁力的作用”，这两条基本物理原理。
2.直流电机的特点（与交流电机相比）
●直流电动机的优点
调速性能好，启动转矩大，过载能力强。
●直流发电机的优点
性能好，能提供无脉动的大功率直流电源，输出电压还可 以精确调节和控制。
●直流电机的缺点
1）制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高。 2）运行时电刷和换向器之间容易产生火花，工作可靠性较 差，维护比较困难。
2.直流电动机的工作原理分析
图a
图b
图c
图d
直流电动机工作过程分解图
直流电动机电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷 流到电枢线圈中的电流，却是交变的。
在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向 始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。
实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁 转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。
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二、直流电机的基本工作原理
为了便于分析直流电机的工作原理,将电机简化为以下模型:
电刷
主磁极
换向片
电枢绕组
两极直流电机模型
磁极 N,S 不动; 线圈（绕组）旋转;换向片旋转; 电刷 A,B 不动 电枢旋转时,换向片与电刷滑动接触.
1.直流发电机的工作原理—基于电磁感应定律
他励励磁绕组（T1T2）由外电源（Uf）供电，励 磁电流（If）不受电枢（H1H2）端电压（U ）的影响。
I
R'f Uf
T1
H1
Uf
U
T2
H2
R'f 原理电路图
(2) 并励方式
并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。U = Uf
I
B1 H1
R'f
Uf
B2
R'f
H2
➢掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性；
➢掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种 方法的优缺点和应用场所；
➢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:
➢掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性； ➢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。
E 和 Ia 反方向, 称为反电势
T 与 n 反方向， T 是制动转矩
T 与 n 同方向，T 是拖动转矩
T1 = T + T0 （稳态运行时）
T = T0 + TL （稳态运行时）
T0---电机空载损耗转矩(由摩擦引起的反抗转矩）
四. 直流电机的分类
----依据励磁绕组与电枢绕组的连接方式分类
(1) 他励方式
电刷装置将电枢电路与外部电路连接起来
电 刷
换 向 器
电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹 簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面 形成滑动接触.
两极直流电机的磁路
空气隙
I ( 励磁电流 )
主磁极 电枢
励磁绕组
机座定主磁通 ,
E = Ke n T = Kt Ia
Kt = 9.55 Ke
每极主磁通 电枢电流
发电机和电动机均有电枢电势 E 、电磁转矩 T， 发电机
但性质却有很大不同。（见下表）
电动机
电机在发电状态和电动状态下, E 和 T 的作用
直流发电机
T1
T0
直流电动机
T
TL T0
nT
n
E 和Ia 同方向，称为电源电动势
换向极
转子 （电枢）
气隙
主磁极
磁极数:主磁极的个数 磁极对数(P)=磁极数/2
定子的作用：产生主磁场及机械支撑
机座
换向绕组
— 起支撑作用; 作为部分磁路
换向极
定 主磁极
子
— 产生主磁通
换向极 — 产生附加磁场，改善换向
电刷 — 引入或引出直流电
励主 磁磁 绕极 组
转子的作用：产生感应电动势及电磁转矩.
电枢铁心
换向绕组
—其槽孔中放置电枢绕组
电枢绕组
转
— 产生感应电动势、电
子
磁转矩
换向器
— 与电刷一起，共同完成
直流电和交流电的转换
转轴 — 输入或输出机械功率
励 磁主 绕磁 组极
换向极
转转 轴子
电枢铁心硅钢片
电枢铁心 --- 由外圆开糟的硅钢片彼此 绝缘地叠成的.
电枢绕组线圈
有效边
换向片
电枢线圈
转子结构图
f ff f
ia
U
n
T
f
f
nT
ff
直流电动机的工作原理演示
UE
f c
d
an Te
b
ia f
nT
结论：
1) 电动机的电磁转矩 T 是驱动转矩。
2）电动机旋转时，电枢绕组中将产生反电动势（与ia反向）， 与电源电压U相平衡。
结论：
(1) 直流电机的可逆性： 若输入机械能, 可作为直流发电机 , 从电刷
直流电机的结构、工作原 理和特性
3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流发电机的工作特性 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流电动机的启动与反转 3.5 直流电动机的调速 3.6 直流电动机的制动特性
学习要求:
➢在了解直流电动机的基本结构的基础上,着重掌握直流电 机的基本工作原理,特别应掌握转矩方程式、电势方程式 和电压平衡方程式；
分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据： 电磁力定律、电磁感应定律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
(1)发电机旋转时，电枢绕组中将产生电源电动势 （e 与 ia 方向 相同）。
（2) 当发电机带负载 ( I ≠0 )后，电磁转矩 T 是制动转矩，和原 动机的力矩 T1 相平衡。
2. 直流电动机的工作原理—基于电磁力定律
电磁力定律
U
f fff adaad
ia b b cbc cc
aandd T
b f
RL
++++ aaadd
b b cc b
cc
E
d ee b c b
–––– ad a
B
电磁感应定律 n T1
1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场( N→ S)； 2.设原动机( T1 )带动电枢线圈以 n 旋转； 3.线圈导体(有效边)切割磁场 在导体内将感应交流电势 e. (右手定则） 4.通过换向器与电刷 A B 输出直流电动势 E.
上输出直流电能；若从电刷上输入直流电能, 又可作为直流电动机，从轴上输出机械能。
(2) 换向器的作用：
将电机内部的交流电 外部的直流电。
三、电动势和电磁转矩
➢当电枢以转速n转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线， 产生感应电势；
➢当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩。
电势常数 结构常数
bc f
nT B
d
ff
1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场 （ N→ S ）；
2.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 ia 流过。 3.载流的电枢导体将受到电磁力 f 的作用。 4.所有导体产生的电磁力作用于转子，产生电磁转矩 T 驱动转子以 n ( 转/分 )旋转，以便拖动机械负载。
直流发电机的工作原理演示
RL
E
+++
aada d
ddee
bbc c b
cc bc b
––– d aa
n T1
结论：
(1) 绕组中的感应电动势是交变的。---交流 (2) 电刷A、B间的电动势的极性是不变的。--直流 (3) 换向片的作用：将绕组中的交流电变换为电刷的直流电。
I +
E –
ia
e
f
T1 n T