电机与拖动基础(直流电机)
电机与拖动基础第三章 直流电机原理(第二部分)
表示。每个元件首、末端所连两个换向片之间的跨 距是换向器节距yk，用换向片数来表示。
y=yk=1 （3）第二节距y2：连至同一个换向片的两个元件边 之间的距离，用虚槽数表示。
y2=y1-y
τ
•3
2. 单叠绕组的展开图
实例： 已知一台电机的极数2P＝4， Ze＝S＝K＝16，画出它的右行单叠 绕组的展开图。
额定电流
额定电磁转矩
•18
3.5 电枢电动势与电磁转矩
直流发电机和电动机电枢电动势与电磁转矩：
电枢电动势—输出电动势(与电枢 电流同方向) 电磁转矩—制动性转矩(与转速方 向相反)
电枢电动势—反电动势(与电枢电 流反方向）
电磁转矩—拖动性转矩(与转速方 向相同)。
电枢电动势的方向由电机的转向和主磁场的方向决定 电磁转矩的方向由电枢电流和主磁场的方向决定
•19
3.5.3 直流电机的电枢反应
Bδ τ
如磁路不饱和，总磁通量不变。但磁路饱和时，总磁通要降低， 称为去磁效应。
• 电枢磁通势改变气隙磁密分布及 每极磁通量大小的现象称为电枢 反应。
•06:50 •20
3.5.1 电枢电动势
电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的 感应电动势，也就是电枢绕组每个支路里的感 应电动势
一个极距范围内的平均磁密：Bav
li
一根导体的平均电动势： eav Bavliv
v 2 p n 60
eav
(
li
)li (2 p
n) 60
2 p
n 60
电枢电动势：Ea
根据感应电动势公式，气隙每极磁通Φ为
电机与拖动技术直流电机的基本知识(1)
定子
转子
这是一台直流电机的结构装配图和结构 剖面图。旋转电机都是由定子和 转子两大部分组成，每一部分也都由 电磁部分和机械部分组成，以便满足 电磁作用的条件，换向极用来改善换向 。
定子：
主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成 。
主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多
数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励 磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主 磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主 磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴， 它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场 分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子 转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心 采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固 定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极 用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶 数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极 性按 N，S 极交替出现。
电机运用与训练
电气工程系自动化教研室
李靖
项目1：直流电机的运行与维护
项目目标
熟悉直流电机的基本工作原理与结构 掌握直流电机的运行原理和运行特性 掌握直流电动机电力拖动技术 具备直流电机拆装与维修能力 具备直流电机故障检测和排查的能力
单元1：直流电机的基本知识(1)
概述
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
二 直流电机的电枢绕组简介
1 直流枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过 电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件 有两个元件边）里仅有一根导体。对多匝元件来说， 一个元件边里就不止一根导体了，左图就是一个多 匝元件。
电机与拖动技术(基础篇)习题解答
第1章 思考题与习题1-1直流电机由哪些主要部件构成?各部分的主要作用是什么? 答：（一）定子1．主磁极：建立主磁通，包括： 铁心：由低碳钢片叠成绕组：由铜线绕成2．换向磁极：改善换向，包括： 铁心： 型由低碳钢片叠成。
小型由整块锻钢制成。
绕组：由铜线绕成。
3．机座和端盖：固定、支撑、保护，同时构成主磁路的一部分，用铸铁、铸钢或钢板卷成。
4．电刷装置：与换向器配合，引出（或引入）电流，电刷由石墨等材料制成。
（二）转子1． 电枢铁心：构成主磁路，嵌放电枢绕组。
由硅钢片叠成。
2． 电枢绕组：产生感应电动势和电磁转矩，实现机—电能量转换。
由铜线绕成。
3． 换向器：与电刷配合，引入、引出电流，由换向片围叠而成。
4． 转轴和轴承：使电枢和换向器灵活转动。
1-2简述直流发电机的工作原理答：直流发电机主磁极通电产生主磁场，电枢绕组被原动机拖动旋转切割主磁场感应电动势实为交变电动势(如图示瞬间以导体a 为例), 电枢绕组的a 导体处于N 极底下, 由“右手发电机”定则判得电动势方向为⊙，转半圈后，a 处于S 极下，电动势方向变为⊕，再转半圈，又回到原来位置，电动势又为⊙……,它通过电刷和换向器，把电枢绕组的交流变为外电路的直流。
这就是直流发电机的工作原理。
1-3简述直流电动机的工作原理答：直流电动机主磁极通电产生主磁场，电枢绕组通过电刷引入直流电，（如图示瞬间以导体a 为例），电枢绕组的a 导体处于N 极底下，电流方向为⊙，由“电磁生力”定则判得产生电磁转矩势方向为逆时针，转半圈后，a 处于S 极下，电流方向变为⊕，产生电磁转矩势方向仍为逆时针，再转半圈，又回到原来位置……,它通过电刷和换向器，把外电路的直流电变为电枢绕组部的交流电，从而产生恒定方向的电磁转矩，使直流电动机沿着一个方向旋转。
这就是直流电动机的工作原理。
1-4在直流电机中，为什么要用电刷和换向器，它们各自起什么作用？答：在直流电机中，用电刷和换向器配合，把发电机电枢绕组部的交流电流引出到外电路变为直流电。
电机拖动基础试卷及答案
《电机与拖动》试题库第一部分直流电机一、填空题：1、并励直流发电机自励建压的条件是_______;_______;_______。
(主磁路存在剩磁；并联在电枢两端的励磁绕组极性要正确，使励磁电流产生的补充磁通方向与剩磁磁通方向相同；励磁回路的总电阻必须小于临界电阻)2、可用下列关系来判断直流电机的运行状态，当_______时为电动机状态，当_______时为发电机状态。
（Ea 〈U；Ea〉U）3、直流发电机的绕组常用的有_______和_______两种形式，若要产生大电流，绕组常采用_______绕组。
（叠绕组；波绕组；叠）4、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______。
（相反；相同）5、单迭和单波绕组，极对数均为p时，并联支路数分别是_______，_______。
（2p；2）6、直流电机的电磁转矩是由_______和_______共同作用产生的。
（每极气隙磁通量；电枢电流）7、直流电机电枢反应的定义是_______，当电刷在几何中线时，电动机产生_______性质的电枢反应，其结果使_______和_______，物理中性线朝_______方向偏移。
（电枢磁动势对励磁磁动势的作用；交磁；气隙磁场产生畸变；对主磁场起附加去磁作用）二、判断题1、一台并励直流发电机，正转能自励，若反转也能自励。
（）（F）2、一台直流发电机，若把电枢固定，而电刷与磁极同时旋转，则在电刷两端仍能得到直流电压。
（）（T）3、一台并励直流电动机，若改变电源极性，则电机转向也改变。
（F）4、直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，因此稳定运行时，大的电磁转矩对应的转速就高。
（）（F）三、选择题1、直流发电机主磁极磁通产生感应电动势存在于（）中。
（1）（1）电枢绕组；（2）励磁绕组；（3）电枢绕组和励磁绕组2、直流发电机电刷在几何中线上，如果磁路不饱和，这时电械反应是（）（3）（1）去磁；（2）助磁；（3）不去磁也不助磁。
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。
电机与拖动基础试题及答案
第二部分 直流电动机的电力拖动一、填空题： 1、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。
（U=UN 、φ=ΦN ，电枢回路不串电阻；n ；Tem2、直流电动机的起动方法有____ ___。
（降压起动、电枢回路串电阻起动）3、如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的_______倍。
（2）4、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。
（理想空载转速）5、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。
（降压或电枢回路串电阻；弱磁）1、直流电动机的人为特性都比固有特性软。
（ ）（F ）2、直流电动机串多级电阻起动。
在起动过程中，每切除一级起动电阻，电枢电流都将突变。
（ ） （T ）3、提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。
（ ） （T ）4、他励直流电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载运行。
（ ） （F ）5、他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。
（ ） （T ）三、选择题 1、电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（2）（1）旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见；（2）系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量；（3）系统储能的大小，但它不是一个整体物理量。
2、他励直流电动机的人为特性与固有特性相比，其理想空载转速和斜率均发生了变化，那么这条人为特性一定是：（3）（1）串电阻的人为特性；（2）降压的人为特性；（3）弱磁的人为特性。
3、直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（2）（1）为了使起动过程平稳；（2）为了减小起动电流；（3）为了减小起动转矩。
4、当电动机的电枢回路铜损耗比电磁功率或轴机械功率都大时，这时电动机处于：（2）（1）能耗制动状态；（2）反接制动状态；（3）回馈制动状态。
电机与拖动基础第一章 直流电机
17
二、直流电动机工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
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当电枢旋转到下图所示位置时，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。
同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线 19 圈，磁极也并非一对。
三、直流电机的可逆性
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。如果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；如果在电刷端外加直 流电压，则电动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。
一、直流发电机工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。
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当原动机驱动电机转子逆时针旋转180 后 ，如图。
0
可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的 导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性 总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 16
实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个 线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照 一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极 也是根据需要N、S极交替多对。
2）当元件的几何形状对称 时，电刷在换向器表面上 的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大，电枢电 动势等于支路感应电动势。
3）电枢电流等于两条支路电流之和。
43
课外作业
1-13
44
1.3 直流电机的磁场
1.3.1 直流电机的励磁方式
电机与拖动基础考点总结
考点总结第四章e T L T —生产机械的阻转矩 n —转速(r/min)】第五章一、直流电机的励磁方式：III f I I f1图5-15直流电机的励磁方式a) 他励式 b) 并励式 b) 串励式 b) 复励式a)b)c)d)按励磁绕组的供电方式不同，直流电机分4种：○1他励直流电机 ○2并励直流电机 ○3串励直流电机 ○4复励直流电机 二、基础公式 1. 额定功率N PN P （N T 为额定输出转矩，N n 为额定转速） 直流发电机中，N P 是指输出的电功率的额定值：N N N I U P ⋅=2. 电枢电动势a E直流电机的电动势：n C E e a ⋅Φ⋅=（单位 V ） e C 为电动势常数aZn C P e 60⋅=（P n —磁极对数，Z —电枢总有效边数，a —支路对数）3. 电磁转矩e T直流电机的电磁转矩：a T e I C T ⋅Φ⋅= （单位m N ⋅） T C 为转矩常数aZn C P T ⋅⋅=π2 （P n —磁极对数，Z —电枢总有效边数，a —支路对数）4. 常数关系式由于55.9260≈=πe T C C 故 e T C C ⋅=55.9三、直流电机(一) 分类：直流电动机和直流发电机。
直流电动机：直流电能→→机械能 直流发电机：机械能→→直流电能(二) 直流电动机(考点：他励直流电动机【如下图】)I 图5-18直流电动机物理量的正方向与等效电路a) 物理量的参考正方向 b) 等效电路a)b)1. 电压方程：励磁回路：f f f I R U =电枢回路：a a a a I R E U += (特点：a a E U >) (a R ——包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻 a E ——直流电机感应电动势)其中 ΦnC E e a =2. 转矩方程：0L e T T T +=3. 功率方程：○1输入电功率→电磁功率 输入电功率1P =励磁回路输入电功率f P +电枢回路输入电功率a P(注意：一般题目没有给出励磁信息，那么输入电功率=电枢回路输入电功率)电枢回路输入电功率a P =电磁功率em P +铜耗功率Cua p ∆ 励磁回路输入的电功率：2f f f f f I R I U P ==电枢回路输入的电功率：()Cua em 2a a a a a a a a a a a p P I R I E I I R E I U P ∆+=+=+== (2a a Cua I R p =∆——电枢回路的铜耗 a a em I E P =——电机的电磁功率)且有ωωωe a p a p a p a a π2π2606060T ΦI aZn ΦI a Z n ΦnI Z n I E ==⋅== 即ωe a a T I E =（原本基础公式为a e ΦI C T T =）而由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式：n Pn P P T em em eme 55.960π2===ω 故n PT em e 55.9=（em P 的取值单位为w 才适用）nP T eme 9550=（em P 的取值单位为kW 才适用） ○2电磁功率→输出机械功率 电磁功率=机械功率=机械空载功率(损耗)+机械负载功率(输出功率)由于0L e T T T +=和ωe T P em = 故 ωωωL 0e T T T += L 0em P p P +∆=L P ——电机的机械负载功率0p ∆——电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗m p ∆和铁心损耗Fe p ∆○3输入电功率1P →输出机械功率2P 电功率电磁功率机械功率P 1P em P 2p Cua p Fe p mec p CufCufp ∆Cuap ∆Fep ∆mp ∆图5-19直流电动机的功率图p P P p p p p P p p P P P ∑∆+=+∆+∆+∆+∆=+∆+∆=+=22add m Fe Cu em Cua Cuf a f 1式中2P ——电动机的输出功率，有P2=PL ；add p ∆——电动机的附加损耗，是未被包括在铜耗、铁耗和机械损耗之内的其他损耗； p ∑∆——电动机的总损耗，并有add 02a a 2f f add m Fe Cua Cuf p p I R I R p p p p p p ∆+∆++=∆+∆+∆+∆+∆=∑∆故电动机的效率为：p P pP P ∑∆+∑∆-==2121η4. 工作特性：5. 如何避免造成“飞车”？ 答：直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。
电机与拖动基础习题1(第3-6章)
电机与拖动基础习题1（第3-6章）第三章：直流电机原理一、简答题：1、换向器在直流电机中起什么作用在直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组里交流电整流为直流电，在正、负电刷两端输出。
在直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。
2、直流电机铭牌上的额定功率是指什么功率直流电机铭牌上的额定功率：对直流发电机而言，指的是输出的电功率的额定值;对直流电动机而言，指的是电动机轴上输出的机械功率的额定值3、直流电机主磁路包括哪几部分磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分直流电机的主磁路主要包括;主磁极、定、转子之间的气隙电枢齿、电枢磁轭、定子磁轭。
磁路未饱和时，铁的磁导率远大于空气的磁导率，气隙的磁阻比磁路中的铁心部分大得多，所以，励磁磁通势主要消耗在气隙上。
4、如何改变他励直流发电机的电枢电动势的方向如何改变他励直流电动机空载运行时的转向通过改变他励直流发电机励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电枢电动势的方向;也可以通过改变他励直流发电机的旋转方向来改变电枢电动势的方向。
改变励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电动机旋转方向;也可通过改变电枢电压的极性来改变他励直流电动机的旋转方向。
5、直流发电机的损耗主要有哪些铁损耗存在于哪一部分,它随负载变化吗电枢铜损耗随负载变化吗直流发电机的损耗主要有:(1)励磁绕组铜损耗;(2)机械摩擦损耗;(3)铁损耗;(4)电枢铜损耗;(5)电刷损耗;(6)附加损耗。
铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时硅钢片中的磁滞和涡流损耗。
这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关。
当电机的励磁电流和转速不变时,铁损耗也几乎不变。
它与负载的变化几乎没有关系。
电枢铜损耗由电枢电流引起,当负载增加时,电枢电流同时增加,电枢铜损耗随之增加。
电枢铜损耗与电枢电流的平方成正比。
6、他励直流电动机的电磁功率指什么在直流发电机中，电磁功率指的是由机械功率转化为电功率的这部分功率。
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。
电机与拖动基础试题及答案
第二部份 直流电动机的电力拖动一、填空题： 一、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。
（U=UN 、φ=ΦN ，电枢回路不串电阻；n ；Tem二、直流电动机的起动方式有____ ___。
（降压起动、电枢回路串电阻起动）3、若是不串联制动电阻，反接制动刹时的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的_______倍。
（2）4、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。
（理想空载转速）五、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方式，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方式。
（降压或电枢回路串电阻；弱磁）一、直流电动机的人为特性都比固有特性软。
（ ）（F ）二、直流电动机串多级电阻起动。
在起动进程中，每切除一级起动电阻，电枢电流都将突变。
（ ） （T ）3、提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。
（ ） （T ）4、他励直流电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载运行。
（ ） （F ）五、他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。
（ ） （T ）三、选择题 一、电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（2）（1）旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见；（2）系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量；（3）系统储能的大小，但它不是一个整体物理量。
二、他励直流电动机的人为特性与固有特性相较，其理想空载转速和斜率均发生了转变，那么这条人为特性必然是：（3）（1）串电阻的人为特性；（2）降压的人为特性；（3）弱磁的人为特性。
3、直流电动机采用降低电源电压的方式起动，其目的是：（2）（1）为了使起动进程平稳；（2）为了减小起动电流；（3）为了减小起动转矩。
4、当电动机的电枢回路铜损耗比电磁功率或轴机械功率都大时，这时电动机处于：（2）（1）能耗制动状态；（2）反接制动状态；（3）回馈制动状态。
电机及拖动基础 第5版 第一章 直流电机
线圈感应电动势——交变 换向整流——电刷间输出直流电动势
直流发电机的工作原理模型
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端 的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的 变化？
解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线 圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的 滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所 以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。
作用 静止部分:定子
电磁方面：产生磁场和构成磁路。 机械方面：整个电机的支撑。
中间有气隙 作用
旋转部分:转子
主要部件：磁极、机座、换向 极、电刷、轴承、端盖等
感应电动势和产生电磁转矩， 从而实现能量的转换
主要部件：电枢铁心、电枢绕 组、换向器、轴承和风扇等
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
1、定子部分
电枢绕组：电枢线 圈按一定规律连接 形成。其并联支路 对数用a表示。 单叠绕组：a=p 单波绕组：a=1
单波、单叠绕组联接示意图
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
换向器
作用：实现电刷内外 交直流的转换。
由许多燕尾状的铜片间 隔绝缘云母片而成
材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨 性能好的紫铜或铜合金制成。
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
直流电动机的外形图（自带鼓风机的Z4系列）
图中上 为鼓风 机，下 为直流 电动机
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
1-端盖 2-风扇 3-机座 4-电枢 5-主磁极 6-电刷架 7-换向器 8-接线板 9-接线盒
直流电动机的内部结构图
电机与拖动基础(091301)
一、单选题1.直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（）A、为了使起动过程平稳B、为了减小起动电流C、为了减小起动转矩答案： B2.变压器中，不考虑漏阻抗压降和饱和的影响，若原边电压不变，铁心不变，而将匝数增加，则励磁电流：（）A、增加B、减少C、不变D、基本不变答案： B3.如果并励直流发电机的转速上升20%，则空载时发电机的端电压U0升高（）。
A、20%B、大于20%C、小于20%答案： B4.电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（）A、旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见B、系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量C、系统储能的大小，但它不是一个整体物理量答案： B5.异步电动机气隙较大，则电动机的（）。
A、励磁电流较小，功率因数较底B、励磁电流较大，功率因数较高C、励磁电流较大，功率因数较低D、励磁电流较小，功率因数较高答案： C6.一台变压器原边接在额定电压的电源上，当副边带纯电组负载时，则从原边输入的功率：（）A、只包含有功功率B、只包含无功功率C、既有有功功率，又有无功功率D、为零答案： C7.当电动机的电枢回路铜损耗比电磁功率或轴机械功率都大时，这时电动机处于：（）A、能耗制动状态B、反接制动状态C、回馈制动状态答案： B8.起重机类机械平移时产生的负载转矩是（）A、反抗性恒转矩负载机械特性B、位能性恒转矩负载机械特性C、恒功率负载机械特性D、通风机负载机械特性答案： A9.频率为40Hz的二十极交流电机，旋转磁势的同步转速为（）r/min。
A、2400B、2000C、120D、240答案： D10.直流发电机电刷在几何中线上，如果磁路不饱和，这时电械反应是（）A、去磁B、助磁C、不去磁也不助磁答案： C11.金属切削机床产生的负载转矩是（）A、反抗性恒转矩负载机械特性B、位能性恒转矩负载机械特性C、恒功率负载机械特性D、通风机负载机械特性答案： C12.异步电动机要实现回馈制动，则应满足如下条件（）A、转子转速应小于旋转磁场转速，且同向B、转子转速应等于旋转磁场转速，且同向C、转子转速应小于旋转磁场转速，且反向D、转子转速应大于旋转磁场转速，且同向答案： D13.三相异步电动机转子电阻增大时，电动机临界转差率Sm和临界转矩Tm应为（）A、Sm减小，Tm增大B、Sm增大，Tm 不变C、Sm增大，Tm减小D、Sm减小，Tm减小答案： B14.一台变压器在（）时效率最高。
电机与拖动基础第1章-直流电机
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。
图1-15 单叠绕组连接顺序表 图1-16 图1-14所示瞬间绕组的并联支路图
即 a=p (5)单叠绕组的特点 1)位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支
路，并联支路对数等于极对数，即a=p。 2)当元件形状左右对称、电刷在换向器表面的位
置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动 势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。 3)电刷刷杆数等于极数。
4、S，SZ，SY系列 此系列是直流伺服电动机，S系列为老产品，SY系列为
图1.10 普通换向器 1-套筒；2-压圈；3-V形云母环；4-换向
片；5-云母片；6-压圈
1.2.2 直流电机的电枢绕组
1.电枢绕组元件 每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件
的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S总等于换 向片数K，即 S=K
每个元件有两个元件边，而每个电枢槽分上下两层嵌放两 个元件边，所以元件数S又等于槽数Z，即S=K=Z
图1-13单叠电枢绕组的节距
合成节距y，如图1.13所示。
4)换向器节距 每个元件的首、末两端所接的两片
换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数
电机与拖动基础--直流电机2
第三章 直流电机的原理
3.3 直流电机的电枢绕组简介
3.3.3 单波绕组
单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图 所示。 两个串联元件 放在同极磁极下， 空间位置相距约两 个极距；沿圆周向 一个方向绕一周后， 其末尾所边的换向 片落在与起始的换 向片相邻的位置。
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直流电机的磁场
直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢电势和电磁转矩
直流电动机的运行原理
直流电动机的基本方程 直流电动机的工作特性 直流电动机的机械特性
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第三章 直流电机的原理
3.1.1 主要结构 N极和S极只能成对出现 且沿圆周均匀交替分布； 极对数：N极或S极的个 数，通常用 p 表示； 极数：主磁极的个数，等 于 2p 。 p=2 即4极电机
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第三章 直流电机的原理
3、直流电动机 导体中的电动势和 电流为交流
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第三章 直流电机的原理
增加导体减小感应电动势 脉动。当每极下导体数大 于8时，脉动可小于1%。
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第三章 直流电机的原理
3.3 直流电机的电枢绕组简介
3.3.1直流枢绕组基本知识 电枢绕组的演变 环形电枢绕组 只有一半的导体产生 感应电动势，导体利 用率低。
磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路
主磁通
磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极，再 经定子铁轭回到N极 主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得 多，大约是主磁通的20%。
电机与拖动技术基础第3章 直流电动机的电力拖动基础
—系统旋转的角速度
GD dn Tem TL 375 dt
2
GD2—飞轮惯量（飞轮矩），GD2 J gg—重力加速度2
3.1
3.1.1
电力拖动系统的运动方程式
运动方程式
系统旋转运动的三种状态
(1)当Tem TL 或 dn 0时 dt
系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态；
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3.4
直流电动机的机械特性
3. 减弱磁通时的人为机械特性
减弱磁通时的人为机械特性方程式为：
减弱磁通时的人为机械特性的特点是：
（1）理想空载转速与磁通成正比，比例系数为负，减弱磁 通 升高； （2）斜率 与磁通的平方成
反比，减弱磁通使斜率增大。
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3.5
电力拖动系统的稳定运行条件
3.5.1 电力拖动系统的稳定运行 一台电动机拖动生产机械，以多高的转速运行，取决于电动 机的机械特性和生产机械的负载特性。如果知道了生产机械的负 载转矩特性 和电动机的机械特性 ，把 两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。
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3.4
直流电动机的机械特性
3.4.1 直流电动机机械特性的表达式
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3.4
直流电动机的机械特性
3.4.2 固有机械特性
把他励直流电动机的电源电压、磁通称为额定值，电枢回
路未接附加电阻时的机械特性称为固有机械特性。其固有机械
特性的方程式为
式中，
可以从铭牌数据中查到；电枢电阻
可由近似公式
估算得到。
（1）理想空载转速保持不变；
（2）斜率 随 的增大而增
大，转速降增大，特性曲线变软。
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3.4
直流电动机的机械特性
电机与拖动基础-他励直流电机部分
通过改变电机的输入电压或电流，可以控制电机的转速和转矩，从而实现电机的调速和 制动控制。
控制电路与控制系统
控制电路
他励直流电机的控制电路包括电源电路、控 制信号输入电路和执行器驱动电路等，用于 实现电机的启动、调速和制动等功能。
控制系统
他励直流电机控制系统通常采用开环或闭环 控制方式，通过调节电机的输入电压或电流， 实现对电机转速和转矩的精确控制。
生产效率和自动化水平。
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调速特性
他励直流电机的调速特性表现在转速与电枢电压、电流和磁通量之间的关系上。在一定的磁通量下，转速随电枢 电压的增加而增加，随电流的增加而减小。在一定的电枢电压下，随着磁通量的增加，转速先增加后减小。
制动方法与制动特性
制动方法
他励直流电机可以通过能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式进行制动。能耗制动是通过在电枢两 端反接一个制动电阻来消耗电机的动能；反接制动是将电机电源反接以产生反向转矩；回馈制动则是 将电机运行在发电状态，将机械能转化为电能回馈给电网。
转矩与转速特性
转矩
他励直流电机的输出转矩与电枢电流成正比，与磁通量成正 比。
转速特性
在一定负载转矩下，电机的转速与电枢电压成正比，与磁通 量成反比。
机械特性与调节特性
机械特性
他励直流电机的机械特性是指在不同励磁电流和电枢电流下，电机转速与转矩之 间的关系。
调节特性
通过调节励磁电流或电枢电流，可以改变电机的机械特性，从而实现电机的调速 控制。
效率与损耗
效率
他励直流电值。
损耗
电机在工作过程中会产生各种形式的 损耗，如铁损、铜损、机械损耗等， 这些损耗会降低电机的效率。
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直流电动机的基本工作原理
直流电动机的基本工作原理
将直流电加到电刷上（B1为+、B2为-），线圈 AX上就有电流通过（A端为⊕、X端为☉），根据电 磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为： f=Bxli（N），方向由左手定则确定。
直流电动机的基本工作原理
载流导体受力方向的确定： 伸开左手使大拇指与四指呈90°，当磁力线指
直流发电机的基本工作原理
电枢逆时针旋转时，导体切割磁力线，根据电磁 感应定律导体内产生感应电动势，大小为e=Bxlv。
感应电动势方向由右手定则判定，伸开右手使大 拇指与四指呈90°，当磁力线指向手心，大拇指指向 导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电动势方 向。
直流发电机的基本工作原理
在图(a)中ωt=0°时，A端为☉，与之相接触的 电刷B1为“+”，X端为⊕，与之相接触的电刷B2为“-
直流电机的主要结构
2）转子（电枢） 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等
组成。
直流电机的主要结构
电枢铁心 一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作
用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部 分。
直流电机的主要结构
电枢绕组 由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按
一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放 在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与 两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动 势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。
直流电机的主要结构
直流电机由两大部分组成： 定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）
直流电机的主要结构
1）定子 定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组
成。
直流电机的主要结构
主磁极 由主极铁心和励磁绕组组成，铁心用1~1.5mm
的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是 建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。
换向器和电刷的共同作用
在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用： ①将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势； ②把转动的电路与外面不转的电路联接。
说明
从刷间电动势波形看，电动势脉动很大，为了 减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组 成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律 联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所 需的直流电。
直流电机的主要结构
换向极 由铁心和绕组组成，
铁心一般是由整块钢组成 换向极安放在相邻两主磁 极之间，它的作用是改善 电机的换向。
直流电机的主要结构
电刷装置 由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的
作用是联接转动和静止之间的电路。 机座
作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一 部分。
直流电机的主要结构
重点
直流电机的基本平衡方程式和工作特性。
直流电机（dc machines）
是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为 机械能的一种装置。
把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电 机(dc generators)，把电能转换为机械能的直流电机 称为直流电动机(dc motor)。
直流发电机的基本工作原理
直流电机的主要结构
换向器 由许多相互绝缘的换
向片组成，作用是将电枢 绕组中的交流电整流成刷 间的直流电或将刷间的直 流电逆变成电枢绕组中的 交流电。
直流电枢绕组
直流电机电枢绕组的基本形式是单叠和单波。
直流电枢绕组
匝数为1的是单匝元件，匝数大于1的是多匝元 件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一 实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边， 将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为 一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边， 则总元件数S等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u 个元件边时，则有：S=uQ=Qu，Qu为虚槽数。
直流电枢绕组
极距 在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的
距离称作极距，记作t，一般用槽数表示，即有： t Qu
2p 式中p为主磁极的极对数。
直流电枢绕组
直流电枢绕组
直流电机中，各元件在电枢表面的几何关系一 般用元件的节距表示。
直流电枢绕组
（1）第一节距y1 指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距
” 当电枢旋转了180°后，在图(b)中ωt=180°时，X端 旋转到N极下，X端为☉，A端旋转到S极下，A端为⊕ 其波形如图1-3所示。
气隙磁蜜分布波形
线圈AX的感应电势波形
刷间电动势波形
分析
N极下导体电动势指向纸外，电刷B1总为“+”； S极下导体电动势指向纸内，电刷B2总为“-”，不难 看出，线圈中的电动势是交流电动势，而通过换向 器的作用，使电刷间的电动势为直流电动势。
电机与拖动基础
第一章 直流电机
本章教学基本要求
1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用； 2.熟悉直流发电机和直流电动机基本工作原理，理解 感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物 理意义，掌握求解它们的计算方法； 3.掌握直流电机的运行原理，电动势、转矩平衡方程 式以及不同励磁方式的直流电机的工作特性； 4.了解直流电机的换向。
直流电枢绕组
向手心四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指 向导体受力方向在图1-5中A受向左的切向力，X受向 右的切向力，这一对力形成了力矩T(称电磁转矩)， 使电枢按逆时针方向旋转。
换向器和电刷的共同作用
在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用： ①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； ②把外面不转的电路与转动的电路联接。
离，用槽数表示。其表达式为：
y1
Qu 2p
整数
式中为把y1凑整的小于1的分数。当ε=0，y1=t称
为整距元件；当ε>0称为长距元件；当ε<0称为短
距元件，实际电机中采用短距元件，节省铜。
直流电枢绕组
（2）第二节距y2 指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与
第二个元件的上层边所跨的距离，用槽数表示。
直流电枢绕组
（3）合成节距y 指直接串联的两个元件的对应边所跨的距离。
（4）换相器节距yk 指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间
所跨的距离，用换相片数表示。
直流电枢绕组
单叠绕组 单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连
成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个 换相片上，最后形成一闭合回路。