机电传动3第三章 直流电动机工作原理及特性
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直流电机的工作原理及特性
同理在弱磁状态下，用增长磁通Φ 在措施降速时，也能产生反馈制动过程。
卷扬机下放重物时所产生旳反馈制动过程。
3.6.2 反接制动
1.电源反接制动
E U Ia (Ra Rad )
将E
K eΦn和I a
T
/
K
Φ
t
代入上式,
则得到电源反接制动状态
下的机械特性方程：
n
K
U Φ
e
Ra Rad
K
e
K
3.4 直流他励电动机旳开启特征
他励直流电动机在启动之前，转速n 0， 所以感生电动势E KeΦn 0， 由U E Ia Ra可知，启动瞬间电枢电流： Ist U N / Ra，导致启动电流达到额定电流的10～20倍。 造成设备、电源等的损伤。一般规定启动电流为额定 电流的1.5～2倍
定子：机座、主磁极、换向极、端盖、轴承、电刷 转子——电枢：转轴、电枢铁心、绕组、换向器、风扇
主磁极旳作用是产生恒定、有一定空间分 布形状旳气隙磁通密度。由主磁极铁心和 放置在铁心上旳励磁绕组构成 。铁心由 极身和极靴构成，极靴使气隙磁通密度分 布均匀。对励磁绕组支撑。
换向极即附加极，改善直流电动机换向， 1KW以上电机均按装。
直流电机机座有整体机座、叠片式机座。
电枢铁心是主磁路旳一部分，同步支撑电枢绕组。
电枢绕组是直流电机旳主要构成部分。由绝缘导体绕制而成。 每一种线圈称为一种元件，多种元件有规律地连接在一起形成 电枢绕组。槽内直线部分称为元件有效部分，槽两端把有效部 分连接起来旳部分称为端接部分。
换向器又称为整流子，对于发电机其 作用是将电枢绕组旳交流电变成外部 旳直流电。对于电动机是将外部旳直 流换成电枢绕组中旳交流电。 换向片由导电性好 、硬度大、耐磨性 能好旳紫铜或铜合金制成。 换向片旳底部做成燕尾形状，嵌在有 云母绝缘旳V形钢环内，换向片间以 0.6～1.2mm旳云母作为绝缘，以螺 栓压紧。
卷扬机下放重物时所产生旳反馈制动过程。
3.6.2 反接制动
1.电源反接制动
E U Ia (Ra Rad )
将E
K eΦn和I a
T
/
K
Φ
t
代入上式,
则得到电源反接制动状态
下的机械特性方程：
n
K
U Φ
e
Ra Rad
K
e
K
3.4 直流他励电动机旳开启特征
他励直流电动机在启动之前，转速n 0， 所以感生电动势E KeΦn 0， 由U E Ia Ra可知，启动瞬间电枢电流： Ist U N / Ra，导致启动电流达到额定电流的10～20倍。 造成设备、电源等的损伤。一般规定启动电流为额定 电流的1.5～2倍
定子：机座、主磁极、换向极、端盖、轴承、电刷 转子——电枢：转轴、电枢铁心、绕组、换向器、风扇
主磁极旳作用是产生恒定、有一定空间分 布形状旳气隙磁通密度。由主磁极铁心和 放置在铁心上旳励磁绕组构成 。铁心由 极身和极靴构成，极靴使气隙磁通密度分 布均匀。对励磁绕组支撑。
换向极即附加极，改善直流电动机换向， 1KW以上电机均按装。
直流电机机座有整体机座、叠片式机座。
电枢铁心是主磁路旳一部分，同步支撑电枢绕组。
电枢绕组是直流电机旳主要构成部分。由绝缘导体绕制而成。 每一种线圈称为一种元件，多种元件有规律地连接在一起形成 电枢绕组。槽内直线部分称为元件有效部分，槽两端把有效部 分连接起来旳部分称为端接部分。
换向器又称为整流子，对于发电机其 作用是将电枢绕组旳交流电变成外部 旳直流电。对于电动机是将外部旳直 流换成电枢绕组中旳交流电。 换向片由导电性好 、硬度大、耐磨性 能好旳紫铜或铜合金制成。 换向片旳底部做成燕尾形状，嵌在有 云母绝缘旳V形钢环内，换向片间以 0.6～1.2mm旳云母作为绝缘，以螺 栓压紧。
《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
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和机械特性
3．3 直流他励电动机的启动特性
启动方法 限制电流 在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。
降压启动：SCR自动调速系统的起动环节.是后面学习的一个重点.
启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。
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
直流电机的基本结构
电刷装置
轴
组成:定子、转子、换向器
轴承及端盖
机座
主磁极
电枢绕组
风扇
换向器
电枢铁芯
励磁绕组
3．1 直流电机的基本结构和工作原理
直流电机的基本结构
剖面图： 1 电枢；2主磁极；3励磁绕组； 4换向极；5换向极绕组；6机座
3．4 直流他励电动机的调速特性
改变电动机电枢供电电压U
调速方法
可以平滑无级调速， 一般只能在额定转速以下调节；
固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；
调速时转矩T=Km N Ia不变
调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行调速；
3．3 直流他励电动机的启动特性
启动特性
添加标题
1
对直流电动机而言，将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：
添加标题
2
电流很大，能达到其额定电流的（10～20）倍。过大的启动电流危害很大：
机电传动控制(第3章)直流电机的工作原理及特性
技术创新
未来直流电机技术将继续创新，如新材料、新工艺 、新结构的应用将进一步提升直流电机的性能和可 靠性。
环境友好
随着环保意识的提高，直流电机的发展将更 加注重环保和节能，如采用更高效的冷却技 术、减少噪音和振动等。
THANKS
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调速效率
在额定负载范围内，直流电机调 速效率较高，能够实现高效平稳 的调速。
直流电机的启动与制动特性
启动特性
直流电机启动时，由于反电动势 的存在，会产生一定的启动电流 ，随着转速的增加，电流逐渐减 小。
制动特性
直流电机可以通过能耗制动、反 接制动和回馈制动等方式实现制 动，制动效果稳定可靠。
04
空调与冰箱
家用机器人
直流电机在家用空调和冰箱中用于控 制风门、调节温度和实现精准控温。
家用机器人内部也使用了直流电机， 实现各种动作和功能，如扫地机器人、 教育机器人等。
电动工具
手电钻、角磨机等家用电动工具中， 直流电机提供动力，方便用户进行各 种作业。
05
结论
直流电机的发展趋势
高效能
随着技术的进步，直流电机正向着更高效率的方向发展，以减少 能源消耗和运营成本。
直流电机的重要性
直流电机具有简单、可靠、高效的特 点，在许多工业领域中发挥着关键作 用，如电力、交通、制造业等。
直流电机的发展对于提高生产效率、 推动工业自动化和智能化具有重要意 义。
02
直流电机的工作原理
直流电机的结构
直ห้องสมุดไป่ตู้电机主要由定子 和转子两部分组成。
转子由导电的电枢绕 组和铁芯组成，在磁 场中旋转。
转矩与转速关系
02
在一定条件下，直流电机的转矩与转速成反比，即转速越高，
机电传动控制第3、5、11章知识点
第三章直流电机的工作原理及其特性1．直流电机的基本结构直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势和载流导体在磁场中受力为基础来实现机电能量转换的。
为实现机电能量转换，直流电机的结构应包括定子与转子两大部分[都有铁心和线圈(绕组)]。
定子用于建立磁场，并作为机械支撑；转子(亦称电枢)用于产生感应电势、电流，实现机电能量转换。
直流电机之所以能够工作，在其结构上有一个很重要的部件，即换向器。
要很好地理解换向器的作用，从教材图3.5和图3.6分析可知：直流电机作发电机运行时，换向器的作用在于将电枢绕组内的交变电动势转换成电刷之间极性不变的直流电动势；作电动机运行时，换向器的作用是当线圈的有效边从N极(或S极)下转到S极(或N极)下时改变其中电流的方向，使N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个有效边上受到的电磁力的方向不变，而且产生同一方向的转矩。
2．直流电机的基本工作原理直流电机中能量转换的方向是可逆的。
同一台电机既可作发电机运行，将机械能转换为电能，也可作电动机运行，将电能转换为机械能(见图3.1)。
它们的电磁关系和能量的转换关系，可用下列三个基本方程式来描述。
(1) 转矩方程式T ＝K tΦI a(方向由左手定则确定)注意：电机等速运行时，转矩是平衡的。
在发电机中，电磁转矩T为阻转矩，方向与n相反，原动机的转矩T1＝T＋T0，T0为空载损耗转矩；在电动机中，电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相同，T＝T L＋T0，T L为负载转矩。
(2) 电势方程式 E ＝K eΦn(方向由右手定则确定)在发电机中，电动势E为输出电功率的电源电动势，在电势作用下产生电枢电流I a，E与I a方向相同；在电动机中，电动势E为反电势，它与外加电压产生的电流I a方向相反。
(3) 电压平衡方程式在发电机中(见教材图3.8)，E＝U＋I a R a ，即发电机的电势为负载电压(发电机端电压)和电枢电阻压降所平衡；在电动机中(见教材图3.15)，U＝E＋I a R a，即电动机的外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。
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
机电传动 第3章 直流电机的工作原理及特性
第3章 直流电机的工作原理及特性
2、电枢串联电阻启动
（1）单段（串联一级电阻）启动
启动时KM断开，这时电动机按曲线1从Ist开始向a运动，随着 转速升高，反电势E增大，电流减小到a点时将KM合，工作点从a
到b点，电流再次增大，此后，电动机按曲线2工作继续升速直到
额定转速。
第3章 直流电机的工作原理及特性 （2）多段启动
（2）倒拉反接制动
增大Ra，电动机在重物的拖动下反转，输出的扭矩Tm与负载平 衡(位能扭矩)
E U I a ( Ra Rad ) Ra Rad U n T 2 Ke Ke K m
第3章 直流电机的工作原理及特性
3.6.3 能耗制动
电动机在电动状态运行时，若把外施电枢电压突然降为零，而将
阻 Rad 时的机械特性，称人为机械特性。
（1）电枢回路中串接附加电阻时的人为特性
UN Rad Ra n T n0 n 2 Ke N Ke Km N
（2）改变电枢电压U时的人为特性
（3）改变磁通时的人为特性
第3章 直流电机的工作原理及特性
第3章 直流电机的工作原理及特性
第3章 直流电机的工作原理及特性
直流电机作为电动机运行时，电磁转矩为：
第3章 直流电机的工作原理及特性
3.2 直流发电机
直流发电机的运行情
况受励磁绕组连接方法的
影响。 按励磁方法可分为：
他励、并励、串励和复励
发电机。
第3章 直流电机的工作原理及特性
3.2.1 他励发电机
电压电流的关系： U E I a Ra
I a ( E U ) / Ra
第3章 直流电机的工作原理及特性
3.2.2 并励发电机
机电传动控制(第3章) 直流电机的工作原理及特性
1）可以实现无级调节 2）特性曲线互相平行，机械特
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?
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?
机电传动控制 第3章 直流电机
机电传动控制第3章直流电机的工作原理及特性各种各样的电机常用的电机主要分为两大类：驱动电机：是设备的主要动力源，包括各类交流、直流电动机及步进电动机。
交流异步电动机较之其他类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，应用广泛。
控制电机：常见的有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机、测速发电机等，这类电机的主要任务时转换和传递控制信号，能量传递时次要的。
常用电机分类：第3章直流电机的工作原理及特性电机分为直流电机和交流电机。
直流电机——工作电压或输出电压为直流电压。
交流电机——工作电压为交流电压。
直流电机：直流电动机——将电能转换成机械能。
直流发电机——将机械能转换成电能。
直流电机与交流电机的比较交流电机较直流电机的结构简单，制造容易，维护方便，运行可靠；直流电机有交流电机不可比拟的启动和调速性能；直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和制动频繁的场合；直流电机即可做电动机用，又可作发电机用。
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包括定子、转子和换向器实际直流电机构造定子实际直流电机构造转子换向片剖视图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定子部分：主要由主磁极、换向极（铁芯）和绕在上面的励磁绕组等组成。
作用：产生主磁场和支撑电机转子部分：主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成。
作用：产生感应电动势和机械转矩，实现能量转换。
主磁极：产生气隙磁场，以便电枢绕组在此磁场中转动而感应电势。
产生磁场有两种方法，一是采用永久磁铁作主磁极——永磁直流电机(绝大部分的微小型直流电机)；二是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场(中大型直流电机) 。
电枢铁芯：主磁通磁路的一部分，嵌置电枢绕组。
一般用0.5或0.35毫米厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，以防涡流。
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称为理想空载转速。
其曲线特征为一条直线。
机械特性硬度：
为了衡量机械特性的平直 程度，引入机械特性硬度 概念：
dT T 100%
dn n
β越大，机械特性曲线越平。
绝对硬特性 交流同步电动机；
硬特性
10 直流他励、交流异步电动机
软特性
10 直流串励、直流复励电动机。
1. 他励直流电动机固有机械特性计算
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
直流电机照片
直流电机剖面结构示意图
直流电机装配结构示意图：
直流电机定子照片
转子结构：
电枢铁心，电枢绕组，换向器；
直流电机电枢照片：
直流电机的基本结构：
直流电机由定子和转子两部分组成。
3.1.2 直流电机的基本工作原理
直流电动机的启动方法
（1）降压启动 （2）在电枢回路中串接外加电阻启动
要求掌握电动机在启动、调速、制动时的机电过程分析，即分析 I（U、E、R、φ）、Td(TM、TL)、n之间的影响和变化关系。
电枢回路中串电阻时的人为机械特性
U U N , N 电枢附加电阻为Rad，其人为特性为
n
UN
Ke N
Ra Rad
K
e
Kt
2 N
T
n0 n
1）理想转速 不变；
2）曲线斜率 随着外串电阻 阻值的增大而 增大。
改变电枢电压U时的人为机械特性
Rad 0, N
U 0 ~UN
n
U N 、 Ra 的值
Ke N
K
e
K
t
2 N
(1)估算电阻Ra
PN 输入功率- 输出功率 UNIN PN
U NIN N UNIN (1 N )U NIN
故有I 2Ra (0.50 ~ 0.75)(1 N )UNIN
Ra
(0.50
~
0.75)(1 N )UN/I
（
N
已知N）
或Ra
(0.5～ 0.75)(U N I N
3.4 他励直流电动机的启动特性
启动：施电于电动机，使电机转子转动并达到稳定转速的过程。
直流电动机启动时存在的问题：
根据直流电动机电枢回路电压平衡方程式 U E I a Ra Ken I a Ra
由于启动时转速低，故感生电动势很小，另外由于 转子内阻Ra很小， 则启动电流 Ist很大，一般达到 额定电流IN的10~20倍。一方面，在换向时易产生 电火花，烧坏电机部件，另一方面， 电磁转矩很 大，对电机、机械设备和电网有很大冲击，因此， 启动时要采取控制措施。
第三章 直流电动机的工作原理及 特性
本章需要掌握的内容： 直流电机的工作原理和特性；
直流电动机的机械特性；
直流电动机的启动、调速和制动方法 及应用；
概述：电机的种类繁多
电动机按通电方式分两大类：
特点及应用
共同点
交流 电动 电机 动 直流 机 电动 机
结构简单，制造容易，成本 低，用于拖动、调速精度要 求不高的场合。
T KtIa
线圈在磁场中转动 产生感生电动势：
EK n e
直流电机作发电机和电动机运行时的性能对比
电机运行 E与Ia的
方式
方向
E的作用
T的性质
转矩之间的 关系
发电机
同向 电源电动势 阻转矩
T1=T+T0
电动机
反向 反电动势 驱动转矩 T=TL+T0
直流发电机的励磁方式
按照励磁绕组和电枢绕组的连接方式，分为他励， 并励、串励、复励（并励+串励）四种。
首先把电机结构简化：一对磁极和一个线圈， 发电机的工作原理：
将机械能转换为电能
直流电机的工作原理：
将电能转化为机械能
理论基础：电磁感应原理。 通电导体处于磁场中时， 将受到安培力作用。
根据左手安培定则，磁力 线方向、电流方向与安培 力方向之间的关系如图所 示。
两个重要公式：
通电线圈在磁场中 产生的转矩：
注意:（1）当磁通量过小时，若负载转矩 不变将使电机电流大大增加而严重过载。 （2）当励磁电流为0时，由于定子铁心存
在剩磁，当空载时，理论上n0 ，将
发生“飞车”现象。当额定负载时，将发 生堵转现象，电枢电流急剧增大，易烧毁 电机。
直流电机启动前必须先加励磁，运行
中，决不允许将励磁电路断开，要采用控 制电路实现失磁保护。
3.3 直流电动机的励磁方式
（a）他励
(b)并励
(c)串励
(d)复励（他励+串励）
3.3.1 他励直流电动机的机械特性
电枢回路的电压平衡方程式为
U E I a Ra
E Ken
T KtIa
直流电动机机械特性的一般表达式
n
U
K e
Ra
Ke Kt 2
T
n0
n
当负载T=0时，
n n0 U / Ke
PN
)
/
I
2 N
(已知PN
)
(2)求Ke NLeabharlann 由U NKe N nN
IN
R
得
a
KeN (UN INRa ) / nN
(3)求理想空载转速
n0 U N / Ke N
(4)求额定转矩：
TN
PN
N
9.55 PN nN
(5)KtΦ
TN IN
；
( 6)求
Ra
Ke • Kt
二、人为机械特性
由于供电电压、磁通及电枢电路电阻变 化时引起的机械特性n=f(T)的变化称为 人为机械特性。常用的有三种情况： （1）电枢回路中串接电阻时 （2）改变电枢电压时 （3）当改变磁通时
固有特性是指在额定条件下，电枢回路中没有外接电阻时的机械特性。 此 时其固有特性表达式为
nN
UN Ke N
Ra KeKt2
TN
它为一直线。可由（0,n0），（ TN, nN）两点确定。 根据电机铭牌上给出PN，UN，IN，nN等参数来求n0，TN。
绘制方法：两点连线法：求出以下两点坐标：（0,n0）,(TN,nN) 已知条件：nN，UN，IN， PN （或电机效率ηN或Ra） 计算步骤：依次计算Ra，E，KeΦ，n0，TN， KeΦ，得到
调速范围宽、平滑，启动、 制动转矩大，过载能力强， 用于调速精度高、正反转、 启停频繁或多元同步协调运 转的场合。
均是基于电磁感应 原理，由绕组通电 导体（直流电机靠 外部通电，交流电 机靠产生的感应电 流）在磁场中所受 到的安培力产生电 磁转矩。
目前，由于晶闸管（可控硅）整流技术的发展，直流电动 机已逐步被交流电动机取代。
U
K e N
Ra
K
e
K
t
2 N
T
n0
n
1）随着电枢电压 降低，理想转速减 小；
2）曲线斜率和硬 度不变。
改变磁通Ф时的人为机械特性
U U N , Rad 0, N
n
UN
K e
Ra
K e K t 2
T
n0
n
n
n02 2 n01 n0 1
N
N 1 2
T
o
TL Tst 2 Tst1 Tst
其曲线特征为一条直线。
机械特性硬度：
为了衡量机械特性的平直 程度，引入机械特性硬度 概念：
dT T 100%
dn n
β越大，机械特性曲线越平。
绝对硬特性 交流同步电动机；
硬特性
10 直流他励、交流异步电动机
软特性
10 直流串励、直流复励电动机。
1. 他励直流电动机固有机械特性计算
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
直流电机照片
直流电机剖面结构示意图
直流电机装配结构示意图：
直流电机定子照片
转子结构：
电枢铁心，电枢绕组，换向器；
直流电机电枢照片：
直流电机的基本结构：
直流电机由定子和转子两部分组成。
3.1.2 直流电机的基本工作原理
直流电动机的启动方法
（1）降压启动 （2）在电枢回路中串接外加电阻启动
要求掌握电动机在启动、调速、制动时的机电过程分析，即分析 I（U、E、R、φ）、Td(TM、TL)、n之间的影响和变化关系。
电枢回路中串电阻时的人为机械特性
U U N , N 电枢附加电阻为Rad，其人为特性为
n
UN
Ke N
Ra Rad
K
e
Kt
2 N
T
n0 n
1）理想转速 不变；
2）曲线斜率 随着外串电阻 阻值的增大而 增大。
改变电枢电压U时的人为机械特性
Rad 0, N
U 0 ~UN
n
U N 、 Ra 的值
Ke N
K
e
K
t
2 N
(1)估算电阻Ra
PN 输入功率- 输出功率 UNIN PN
U NIN N UNIN (1 N )U NIN
故有I 2Ra (0.50 ~ 0.75)(1 N )UNIN
Ra
(0.50
~
0.75)(1 N )UN/I
（
N
已知N）
或Ra
(0.5～ 0.75)(U N I N
3.4 他励直流电动机的启动特性
启动：施电于电动机，使电机转子转动并达到稳定转速的过程。
直流电动机启动时存在的问题：
根据直流电动机电枢回路电压平衡方程式 U E I a Ra Ken I a Ra
由于启动时转速低，故感生电动势很小，另外由于 转子内阻Ra很小， 则启动电流 Ist很大，一般达到 额定电流IN的10~20倍。一方面，在换向时易产生 电火花，烧坏电机部件，另一方面， 电磁转矩很 大，对电机、机械设备和电网有很大冲击，因此， 启动时要采取控制措施。
第三章 直流电动机的工作原理及 特性
本章需要掌握的内容： 直流电机的工作原理和特性；
直流电动机的机械特性；
直流电动机的启动、调速和制动方法 及应用；
概述：电机的种类繁多
电动机按通电方式分两大类：
特点及应用
共同点
交流 电动 电机 动 直流 机 电动 机
结构简单，制造容易，成本 低，用于拖动、调速精度要 求不高的场合。
T KtIa
线圈在磁场中转动 产生感生电动势：
EK n e
直流电机作发电机和电动机运行时的性能对比
电机运行 E与Ia的
方式
方向
E的作用
T的性质
转矩之间的 关系
发电机
同向 电源电动势 阻转矩
T1=T+T0
电动机
反向 反电动势 驱动转矩 T=TL+T0
直流发电机的励磁方式
按照励磁绕组和电枢绕组的连接方式，分为他励， 并励、串励、复励（并励+串励）四种。
首先把电机结构简化：一对磁极和一个线圈， 发电机的工作原理：
将机械能转换为电能
直流电机的工作原理：
将电能转化为机械能
理论基础：电磁感应原理。 通电导体处于磁场中时， 将受到安培力作用。
根据左手安培定则，磁力 线方向、电流方向与安培 力方向之间的关系如图所 示。
两个重要公式：
通电线圈在磁场中 产生的转矩：
注意:（1）当磁通量过小时，若负载转矩 不变将使电机电流大大增加而严重过载。 （2）当励磁电流为0时，由于定子铁心存
在剩磁，当空载时，理论上n0 ，将
发生“飞车”现象。当额定负载时，将发 生堵转现象，电枢电流急剧增大，易烧毁 电机。
直流电机启动前必须先加励磁，运行
中，决不允许将励磁电路断开，要采用控 制电路实现失磁保护。
3.3 直流电动机的励磁方式
（a）他励
(b)并励
(c)串励
(d)复励（他励+串励）
3.3.1 他励直流电动机的机械特性
电枢回路的电压平衡方程式为
U E I a Ra
E Ken
T KtIa
直流电动机机械特性的一般表达式
n
U
K e
Ra
Ke Kt 2
T
n0
n
当负载T=0时，
n n0 U / Ke
PN
)
/
I
2 N
(已知PN
)
(2)求Ke NLeabharlann 由U NKe N nN
IN
R
得
a
KeN (UN INRa ) / nN
(3)求理想空载转速
n0 U N / Ke N
(4)求额定转矩：
TN
PN
N
9.55 PN nN
(5)KtΦ
TN IN
；
( 6)求
Ra
Ke • Kt
二、人为机械特性
由于供电电压、磁通及电枢电路电阻变 化时引起的机械特性n=f(T)的变化称为 人为机械特性。常用的有三种情况： （1）电枢回路中串接电阻时 （2）改变电枢电压时 （3）当改变磁通时
固有特性是指在额定条件下，电枢回路中没有外接电阻时的机械特性。 此 时其固有特性表达式为
nN
UN Ke N
Ra KeKt2
TN
它为一直线。可由（0,n0），（ TN, nN）两点确定。 根据电机铭牌上给出PN，UN，IN，nN等参数来求n0，TN。
绘制方法：两点连线法：求出以下两点坐标：（0,n0）,(TN,nN) 已知条件：nN，UN，IN， PN （或电机效率ηN或Ra） 计算步骤：依次计算Ra，E，KeΦ，n0，TN， KeΦ，得到
调速范围宽、平滑，启动、 制动转矩大，过载能力强， 用于调速精度高、正反转、 启停频繁或多元同步协调运 转的场合。
均是基于电磁感应 原理，由绕组通电 导体（直流电机靠 外部通电，交流电 机靠产生的感应电 流）在磁场中所受 到的安培力产生电 磁转矩。
目前，由于晶闸管（可控硅）整流技术的发展，直流电动 机已逐步被交流电动机取代。
U
K e N
Ra
K
e
K
t
2 N
T
n0
n
1）随着电枢电压 降低，理想转速减 小；
2）曲线斜率和硬 度不变。
改变磁通Ф时的人为机械特性
U U N , Rad 0, N
n
UN
K e
Ra
K e K t 2
T
n0
n
n
n02 2 n01 n0 1
N
N 1 2
T
o
TL Tst 2 Tst1 Tst