直流电机工作原理及特性
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。
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。
直流电机的工作原理及调速特性
直流电机的磁场
直流电机通过磁场来传递能量， 磁场由励磁绕组通电产生。
磁场的方向与电流方向有关， 改变电流方向可以改变磁场方 向，从而实现电机的旋转。
磁场强度和电流大小成正比， 改变电流大小可以改变磁场强 度，从而影响电机的转矩和转 速。
电源引入。
02
直流电机的调速特性
调速方式与特性
调速方式
直流电机可以通过改变输入电压 、电流或电枢回路电阻等方式进 行调速。
调速特性
调速过程中，电机的转速与输入 电压、电流或电枢回路电阻成正 比，因此可以通过改变这些参数 来调节电机的转速。
调速电路与控制
调速电路
调速电路主要由电源、控制器、电机和反馈装置等组成，控制器根据输入信号 和反馈信号来调节电机的输入电压或电流，从而实现对电机转速的控制。
直流电机的工作原理
当直流电流通过电枢绕组时，产生磁 场，该磁场与主磁极相互作用，产生 转矩，从而使转子转动。
直流电机具有恒定磁场和可变电枢反 应两种工作状态，其工作特性与电枢 电流的大小和方向有关。
直流电机的应用场景
直流电机广泛应用于工业自动化、交通运输、医疗器械等领域，如电动工具、电 动汽车、电梯等。
VS
智能控制技术
智能控制技术如模糊控制、神经网络控制 等在直流电机控制中得到广泛应用。这些 技术能够实现自适应控制和自主学习，提 高直流电机的智能化水平和适应性。
直流电机在新能源领域的应用
风力发电
直流电机在风力发电领域的应用逐渐增多， 特别是在直驱式风力发电机组中，直流电机 作为发电机和驱动电机得到广泛应用。其优 点在于结构简单、维护方便和可靠性高等。
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
第三章 直流电机的工作原理及特性
第三章直流电机的工作原理及特性3.1、为什么直流电记得转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？答：直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠加而成是因为要防止电涡流对电能的损耗。
3.2、并励直流发电机正传时可以自励，反转时能否自励？答：不能，因为反转起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩与磁场方向相反，这样磁场被消除，所以不能自励。
3.3、一台他励直流电动机所拖动的负载转矩T L=常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中那些量必然要发生变化？答：T=K tφI a u=E+I a R a当电枢电压或电枢附加电阻改变时，电枢电流大小不变。
转速n与电动机的电动势都发生改变。
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T L=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？答：T=I a K tφ，φ减弱，T是常数，I a增大。
根据E N=U N-I a R a ，所以E N减小，小于E1。
3.5、一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：P N=180kW，U N=230V，n N=1450r/min，η=89.5%，试求：N①该发电机的额定电流；②电流保持为额定值而电压下降为100V时，原动机的输出功率（设此时η=ηN）解：①因为P N=U N I N，所以I N= P N/U N=180*1000/230=782.6A②因为η=IU/P，所以P= IU/ηN=782.6*100/89.5=87441W=87.44KW3.6、已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：P N=7.5KW，U N=220V，n N=1500r/min，η=88.5%，试求该电机的额定电流和额定转矩。
N解：对于电动机：P N=U N I NηN所以I N= P N/( U NηN)=7500/(220*0.885)=38.52A输出转矩：T N=9.55P N/n N=9.55*7500/1500=47.75N·m3.7、一台他励直流发电机：P N=15KW，U N=230V，I N=65.3A，n N=2850r/min，R a =0.25Ω，其空载特性为：U 0/ V 115 184 230 253 265I f/A 0.442 0.802 1.2 1.686 2.10今需在额定电流下得到150V 和220 V的端电压，问其励磁电流分别应为多少？解：由空载特性得到其空载特性曲线为：E2652532302201841501150.4420.710.802 1.21.08 1.6862.10f I当U=150V 时 I f =0.71A当U=220V 时 I f =1.08A 3.8、一台他励直流电动机的铭牌数据为：P N =5.5KW ，U N =110V ，I N =62A ，n N =1000r/min ，试绘出它的固有机械特性曲线。
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。
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
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?
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转 子： 主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电 换向器： 枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
3.1.2 直流电机基本结构 1换向器2电刷装置3机座4主磁极5换向极6端盖7风扇8电枢绕组9电枢铁芯
3.1.2 直流电机基本机构结构
3.2直流电机的基本方程 3.2.1励磁方式
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
他励电动机的励磁电流If的大小 与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小
只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的
大小一定时, If为定值，即磁通为定
值。 ∵ E Ke n、 T Km Ia
∴U Ke n Ia Ra
1. 理想空载转速：
理想空载点
T=0时的转速称为理想空载转速， 用n0表示。
式中：E — 感应电动势（V）； Φ — 一对磁极的磁通（Wb）； n — 电枢转速（r/min）； Ke — 与电机结构有关的常数。
式中：TM—电磁转矩（N·m）； Φ—对磁极的磁通（Wb）； Ia—电枢电流（A）； Km—与电机结构有关的常数
E Ke n
TM Km Ia
发电机：
如图3-9所示,他励发电机中的电压与 电流间的关系遵循回路电压定律: 电压平衡方程：
转矩平衡方程：当原动机与发电机 电磁转矩和空载损耗转矩之和相等 时，转子稳速运行
电动机：
电压平衡方程：
当电磁转矩T 与负载转矩TL和空载 损耗转矩T0之和相等时，电动机稳 定运行。
图3-11 他励直流电动机电路原理
直流电机作为发电机运行和电动机运行时，虽然都产生电动势E和 电磁转矩T，但二者的作用正好相反。
直流他励电动机原理电路图。
U E Ia Ra
式中:
U ——外加电枢电压（V）
E ——感应电势（V） Ia ——电枢电流（A）
Ra ——电枢回路内阻（Ω）
U E Ia Ra
∵ E Ke n、 T Km Ia
即：
……转速特性
∴U Ke n Ia Ra
n
U
Ke
Ra
K e K m
2
T
……机械特性
电机运行方式 E与I的方向
E的作用
TM的性质
发电机
相同
电源电动势 阻转矩
电动机
相反
反电动势 驱动转矩
3．3 直流他励电动机的机械特性
3.3.1固有机械特性
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。
不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在 调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。
电机是电动机和发电机之总称，分交流和直流两种。
直流电机—工作电压或输出的电压为直流；
直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电动机—将电能转换为机械能； 直流发电机—将机械能转换为电能。
直流电机从原理上既可以作电动机也可以作发电机。但受额定参 数和经济指标限制,通常直流电动机以电动工作方式为主。工程上实际 应用的直流电动机要求控制简单,具有良好的启动性能和调速性能。
1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性
U UN , N
电压平衡方程式为：
UN E Ia (Ra Rad )
得到的人为机械特性方程式为：
n
UN
K e N
Ra Rad
Ke KmN2
T
把n
UN
K e N
Ke
Ra
Km
2 N
T
与n
UN
K e N
Ra Rad
Ke KmN2
T
固有机械特性
人为机械特性
➢空载速度不变
➢随着电阻的增加，转速降落增加 特性变软
2. 改变电枢电压U时的人为特性
把n
UN
K e N
Ra
K
e
Km
2 N
T
固有机械特性
N , Rad 0
与n
n0
U
Ke
2. 转速降落
Δ
n
n0
n
Ra
K e K m
2
T
3. 机械特性硬度
为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其
定义为：
dT Δ T 100%
dn Δ n
n0
U
Ke
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。
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
3.2.2直流电机的基本方程 电枢转动切割磁力线两电刷间的有
感应电动势: E Ke n
发电机为电源电动势与电流方向相同 电动机为反电动势与电流的方向相反
电枢绕组的电流和磁通相互作用产生
电磁转矩: TM Km Ia
发电机为阻转矩:与电枢转动的方向 或原动机的驱动转矩的方向相反。 电动机为驱动转矩:与电枢转动的方 向相同，使电枢转动。
发电机：将转动的电枢绕组内感应的 交流电势转换成电刷间的直流电势。 电动机：将外加的直流电流转换为电 枢绕组的交变电流，保证每一磁极下， 电枢导体的电流的方向不变，以产生 恒定的电磁转矩。
3.1.2 直流电机基本结构
根据电机的工作原理，直流电机的组成可分三个部分：
定 子：
主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部 分组成。
3.1.1直流电机基本工作原理
可把复杂的直流电机结构简 化为电机具有一对主磁极，电枢 绕组只是一个线圈，线圈两端分 别联在两个换向片上，换向片上 压着电刷A和B。
定子主磁极(1)：励磁绕组上加上直 流电压，就有励磁电流通过，使定
子铁心产生固定磁场，即定子的主
要作用是产生主磁场。
转子电枢绕组(2)：在固定的磁场中 旋转，主要作用是产生感应电动势 或产生机械转矩，实现能量的转换。 换 向 器 (3 、 4) ： 电 刷 固 定 不 动 ， 换 向片与电枢绕组一起旋转。作用：
固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通 N )下和 电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)
即:
n
UN
K e N
Ra
KmN2
T
是一条直线。
3.3.2人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机的参数所得到的机械特性： ◆电动机电枢外加电压U ◆励磁磁通Φ的大小 ◆电枢回路串接附加电阻Rad
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 直流电机的基本方程 3.3 直流他励电动机的机械特性 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
• 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； • 熟悉直流电动机启动、调速和制动特点； • 学会直流电动机启动、调速和制动的方法。