直流电机的工作原理及特性
直流电机的工作原理与应用
直流电机的工作原理与应用一、工作原理直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它由电源、定子和转子三部分组成。
定子是由通电的线圈构成，通常称为“电枢”，而转子是由导电材料制成，通常称为“永磁体”。
直流电机的工作原理可以归纳如下：1.电枢和磁场的相互作用：当电枢通电时，产生的电流在电枢中形成一个磁场。
而磁场与永磁体的磁场相互作用，产生力矩。
2.电流的反向变化：当电流的方向发生改变时，该电流在磁场中受到力的方向也会改变。
这导致转子继续旋转。
3.机械输出：转子的旋转将电能转化为机械能，驱动电机的工作。
二、应用领域直流电机具有结构简单、控制方便、启动转矩大、转速可调等特点，被广泛应用于各个领域。
以下是直流电机常见的应用领域：1.工业制造：直流电机广泛应用于工业制造领域，用于驱动各种机械设备，如机床、风机、水泵等。
直流电机的调速性能好，使其在工业制造中能够满足不同功率和转速需求。
2.交通运输：直流电机被用于电动车、电动自行车、电动船和电动机车等交通工具中。
直流电机在交通运输方面的应用，减少了对化石能源的依赖，有助于减少环境污染。
3.家用电器：直流电机应用于家用电器，如洗衣机、风扇和空调等。
直流电机的可靠性和高效性使其成为家用电器的理想选择，提供了持久的性能和节能效果。
4.航空航天：直流电机在航空航天领域有广泛应用。
例如，在无人机和航天器中，直流电机通常被用于驱动螺旋桨或推进器，提供必要的推力。
5.医疗设备：直流电机在医疗设备中发挥着重要的作用。
例如，直流电机用于医用泵浦、手术器械和呼吸机等设备中，提供精确的控制和可靠的性能。
三、直流电机的优势相比其他类型的电机，直流电机有以下几个明显的优势：•可调速性好：直流电机的转速可以通过调节电压或极距来实现，提供了良好的调速性能。
•启动转矩大：直流电机的启动转矩较大，适合用于一些需要高启动转矩的设备。
•工作范围广：直流电机适用于多种负载和转速范围，具有较好的适应性。
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
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？
直流电动机的工作原理与性能
直流电动机的工作原理与性能直流电动机是一种常见的电动机类型，它被广泛应用于各种电气设备中。
它的工作原理和性能对于了解电动机的工作机制和设计相当重要。
本文将从工作原理和性能两个方面进行阐述。
工作原理是理解直流电动机的关键。
直流电动机的工作原理基于电磁感应和洛伦兹力原理。
在直流电动机中，有一个由通电绕组组成的转子，也称为电枢。
当通电绕组受到外部电源的直流电流供应时，形成一个磁场。
这个磁场与绕组中的电流方向相反。
同时，定子上有一组永久磁体或者励磁绕组产生的磁场也存在。
当电枢绕组的磁场与永磁场或励磁磁场相互作用时，就会产生一个力矩，使得电枢转动。
这就是直流电动机转动的基本原理。
直流电动机的性能也是我们需要关注的。
性能包括转速、转矩、效率等。
转速是指电动机转动的速度，通常以转/分钟（rpm）为单位。
它可以由电源电压和电枢绕组的电阻决定。
转矩是指电动机输出的力矩，它与电流和磁场强度有关。
电动机的效率是指输出功率与输入功率的比率。
高效率的电动机能够节省能源和减少能源浪费。
直流电动机的性能也与其结构有关。
直流电动机通常采用不同的结构形式，如分为永磁型和励磁型。
永磁型直流电动机使用永久磁体产生磁场，它具有简单、可靠和功率密度高等特点。
励磁型直流电动机则需要外部励磁设备提供磁场，它的结构相对复杂，但在一些特殊应用中更具优势，如需大功率输出或需要频繁变速的场合。
除了结构形式，电枢绕组的设计也会对性能产生影响。
绕组的设计关系到电动机的输出功率、效率和可靠性。
例如，将电枢绕组分为多个线圈可以增加电流密度和输出功率，但也会增加电阻损耗和可能的焦耳热问题。
因此，在设计中需要权衡这些因素，并做出合适的选择，以满足特定应用要求。
最后，直流电动机还具有一些特殊的性能特点，如启动特性和速度控制能力。
启动特性是指电动机启动时所需的电流和转矩。
由于直流电动机的转矩与电流密切相关，因此启动时可能需要较高的电流来产生足够的转矩。
而速度控制能力是指通过调整电源电压或者调整电枢绕组的电阻来实现转速的调整。
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
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?
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并励发电机的电压建立的条件
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，这样，磁场才能 加强。 3、合适的电阻Rf，当Rf过大时，电压就 建立不起来。
并励发电机的外特性
四、复励发电机
优点：在正常运行范围内，其端电压变化不 大。
3· 3 直流电动机的机械特性
3.13
T0
（一）他励电动机的机械特性表达式
直流电动机的机械特性的一般表达式
Ra U n T n n 0 2 K e K e K t
机械特性曲线及其方程
Ra U n T n0 n 2 K e K e K t
（二）机械特性硬度
dT T 100 % 1、定义 dn n
e
四指方向
v
母指方向
4、电磁力定律
载流导体在磁场中受到力的作用，由于这种 力是由于磁场和电流的相互作用产生的，故 称之为电磁力。若磁场与导体互相垂直，则 作用在导体上的电磁力为：
f
母指方 向
i
四指方 向
左手定则
f Bli
5、电路定律
在电路里，对任何一个回路，若沿某一方 向环绕回路一周，则回路内所有电势的代 数和等于所有电压降的代数和。
电枢回路串接附加电阻时的人为特性
UN Ra Rad n T n0 KT 2 K eN K e KtN
改变电枢电压U时的人为特性
n
Ra U T n0 KT 2 K eN K e K tN
改变磁通Φ时的人为特性
应避免的现象
1、过载 2、飞车现象
n
UN Ra T n0 KT 2 K e K e Kt
2．电磁转矩TM
电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。 大小：
T Kt I a
Φ——对磁极的磁通（Wb）；
Ia——电枢电流（A）； Kt——与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke
式中：T ——电磁转矩（N· m）；
作用
发电机：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。 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：驱动转矩，它与电枢转动的方向相同， 使电枢转动。 在等速转动时，电动机的电磁转矩T必须与机 械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。
电枢铁心钢片、换向器
二．直流电机的基本工作原理来自建立在电磁力和电磁感应的基础上
1、电机的能量转换
电机是转换能量形态的一种机械。 1、发电机将机械能转换成电能。 2、电动机将电能转换成机械能。 3、变压器将一种电压等级的电能转变成 另一种电压等级的电能。 电机的工作原理是建立在电磁感应定律、 电磁力定律、电路定律等基本理论之上。
（3）求理想空载转速 （4）求额定转矩
n0 U N / KeN
PN PN TN 9.55 nN
3.17
TN K t N I N 9.55K e N I N
2、人为机械特性
Ra U n T n0 n 2 K e K e K t
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。 电动机有三种人为机械特性。 1）电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 2）改变电枢电压U时的人为特性 3）改变磁通Φ时的人为特性
解：两个已知条件，一个是负载转矩TL＝常数；一个是从一 个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是 稳态值。
TL T KtI a C I a E U I a Ra U C Ra C
I a E
E E1
注意：从
E K en
不能判断E是如何变化的
二、串励电动机的机械特性
第一段 软特性
T K t I a K t 2 / C
CI a
CT / K t
代入 n U
K e
3.19
Ra T n0 n 2 K e K t
UN Ra n K e CT / K t K e C UN Ra C1 T C 2 C1 K e C / K t
1、固有机械特性
一般就用理想空载点（0，n0） 和额定运行点（TN，nN） 近似地来作出直线。
固有机械特性曲线的绘制步骤
（1）估算电枢电阻Ra
PN U N I N PN
U N I N NU N I N 1 N U N I N
2 Ia Ra 0.50～0.751 N U N I N
5.5 103 PN U N Ra 0.51 0.51 0.71 UN IN IN 220 31 K e N U N I aN Ra / nN 220 31 0.71 / 1500
（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
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。
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
Ra U n T n0 n 2 K e K e K t
机械特性是直流电动机最重要的运行特性。 机械特性反映了电机转速与转矩之间的关系。 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 I a Ra
E K en Ra U n Ia K e K e
3.11
3.12
n=f(T)
T K tI a I a T / K t Ra U n T n0 KT 2 K e K e K t
n0 n
n0---理想空载转速（T=0） △n—速度降
2、法拉第电磁感应定律
设有一个匝数为ω的线圈放在磁场中，不论什 么原因，例如线圈的移动、转动或磁场强度 发生变化等，造成与线圈相交链的磁通Φ随时 间发生变化，这时线圈内部会感应出电势， 这种现象叫电磁感应。
3、右手定则
e Blv
如果磁场是恒定的，但线圈与磁场之间有相 对运动，引起与线圈相交链的磁通发生变化， 因而在线圈中感应出电势，则称这种电势为 运动电势。
PN Ra 0.50～0.75 1 U I N N
UN I N
固有机械特性曲线的绘制步骤 （2）计算K e N 额定条件下反电势 E K n U I R N e N N N N a 3.16 K e N U N I N Ra / n N
（一） 定子部分
换向 极
主磁极
1．主磁极：产生主磁场。 主磁极铁心 励磁绕组 2、换向极：改善换向 3、机座 固定 主磁路的一部分 4、电刷装置 引入或引出直流电压和直流电流
电刷盒
转子结构图
电枢绕组 换向器
电枢铁心 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 转换为对外引出的方向不变的直流电动势。
e u
（一）直流发电机的工作原理
直流发电机基本工作原理
原动机驱动电枢在磁场中旋转 电枢线圈的有效边切割磁力线 电枢线圈中产生感应电势 e 交变的感应电势在换向器的作用下变换成电 刷之间的直流电势E 接负载后，电枢中产生电流 i 载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁 转矩T 原动机克服T的作用将机械能转变成电能
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。
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
E K e n
方向: 直流发电机——总是与电流的方向相同，常称为 电源电动势。 直流电动机——总是与电流的方向相反，常称为 反电动势。
空载特性 E f ( I f )
外特性U=f(I)
U0 U N U 100% UN
大约为5%～10%
3.6
三、并励发电机
U E I a Ra
，
I a (E U ) / Ra
I f U / Rf
I U /R
Ia I I f I
并励发电机的工作原理
机电传动控制
直流电机的工作原理及特性