电机学第二章直流电机(完美解析)
电机学(刘颖慧)课件第2章直流电机基本理论
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
Department of Electrical Engineering, HUT
第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
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2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
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电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
《电机学》习题解读
一台并励直流电动机在某负载转矩时的转速为1000r / min，电枢电流为40A，电枢回路总电阻Rs = 0.045Ω，电网电压为110V。当负载转矩增大到原来的4倍时，电枢电流及转速各是多少？（忽略电枢反应）
解：
由于 ，电网电压U及磁通Φ均不变时，有 。
则电枢电流为
而
于是转速为
P57，2-21
2.对于串励直流电动机，电枢电流的增大会使电枢电压降和磁通同时增大。这两个因素都会使电动机的转速随负载的增大而下降。
P57，2-15
一台并励直流电动机在额定电压UN=220V和额定电流IN=80A的情况运行，该电机的电枢回路总电阻Ra=0.08Ω，2ΔUc=2V，励磁回路总电阻Rf=0.08Ω，额定负载时的效率ηN= 85%，试求：
V
P58，2-23
一台并力直流电动机的数据为：UN= 220V，电枢回路电阻Ra=0. 032Ω，励磁回路电阻Rf= 275Ω。将其装在起重重机上，当使重物上升时，Ua=UN，Ia=350A，；而将重物下降时（重物负载不变，电磁转矩也近似不变），电压及励磁电流保持不变，转速nN=300r/min。问电枢回路要串入多大电阻？
P57，2-13
电动机的电磁转矩是驱动性质大的转矩，当电磁转矩增大时，转速似乎应该是上升的，当从直流电动机的电磁转矩及特性上看，电磁转矩增大时，转矩反而是下降的，这是为什么？
答：
1.对于并励直流电动机，直流电动机的电磁转矩是随电枢电流的增大而增大，电枢电流又随负载的增大而增大。但由转速公式 可知，并励直流电动机的电枢电流会使电阻电压降增大，尽管电枢反应的去磁特性，会使转速呈现增大趋势，但电枢电压降增大的分量要比去磁效应大一些，所以会使电动机的转速随负载的增大而有所下降。
电机第二章直流电机2
2.6.2 转矩方程
（1）直流发电机
T1 Tem T0
（2）直流电动机
Tem T2 T0
思考：对比上两方程，说明各电磁转矩的不同意义及空载 转矩含义？
2.6.3功率方程（以并励电机为例分析）
（1）并励发电机功率方程
P 1 T 1 (Tem T0 ) P em p0 P em pa pFe pm
当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流Ia， 电枢电流Ia也产生磁动势，叫电枢磁动势。 电枢磁动势对气隙磁通的大小和分布、电机的 运行性能、换向的好坏都有影响。 （1）电枢磁动势的性质 电枢磁动势的空间分布只决定于电枢绕组中电 流的分布，以电刷为界的电枢表面电流在空间上是 不变的，因此其产生的磁场和磁动势的分布也是固 定不变的。
Tem CT I a 28.66 0.02518 12.9N m
单叠： a 2
pZ 2 90 则有： C T 14 .33 2a 2 2
因每条支路的电流不变则： I a 36A
Tem CT I a 12.9N m
可见，如果相同的元件数，如果每条支路电流相等， 则单叠和单波绕组的电磁转矩是相等的。
（2）电枢磁动势波形
由电枢磁动势波形可知，磁极中心线下的气隙处电枢 磁动势为零，在几何中性线处达到最大值。
（3）电枢磁密波形
电枢磁场产生的磁通密度沿着气隙的分布为：
Fa ( x) Ax Bax Ba ( x) 0 H a ( x) 0 0 d ( x) d ( x)
可知，Bax与气隙成反比。在磁极极靴下，气 隙较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与Fax成正比。 而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超
电机学第2章直流电机课件
2.直流电机的基本结构
图2-5 电枢上装有6个线圈 (11′到66′)的情况
2.直流电机的基本结构
图2-7 直流电机剖面图
2.直流电机的基本结构
图2-8 主磁极
2.直流电机的基本结构
图2-9 电枢铁心
2.直流电机的基本结构
图2-10 电枢线圈
2.直流电机的基本结构
图2-12 换向器
3.励磁方式
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
图2-42 并励电动机的机械特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-43 串励电动机的接线图
3.串励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-44 串励电动机的工作特性
图2-14 直流电机的励磁方式 a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式
4.直流电机的额定值
(1)额定功率PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机 的输出功率，用千瓦(kW)表示。 (2)额定电压UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以伏(V)表 示。 (3)额定电流IN 指电机在额定电压下运行、输出功率为额定功 率时，电机的线电流，以安(A)表示。 (4)额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以转/分(r/mi n)表示。
2.单叠绕组
2.单叠绕组
图2-19 单叠绕组展开图(2p=4,S=K= =16)
2.单叠绕组
图2-20 图2-19所示瞬间电枢绕组的电路图
3.单波绕组
3.单波绕组
图2-21 单波绕组的展开图(2p=4, =S=K=15) a)部分展开图 b)全部展开图
3.单波绕组
电机学(第三版)第二章 直流电机
直流电机按励磁方式分类
★他励直流电机 ★并励直流电机 ★串励直流电机 ★复励直流电机
长沙理工大学电气工程学院
各种励磁方式的接线图
★他励直流电机 ★ 并励直流电机 ★ 串励直流电机 ★ 复励直流电机
长沙理工大学电气工程学院
直流电机空载磁场
长沙理工大学电气工程学院
空载时电机中的磁场分布是对称的，磁通可以分为两部分。 其中绝大部分从主极铁心经气隙、电枢，再经过相邻主极 下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合，同时交链励 磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势，实现机电 能量转换，称为主磁通；另一部分不穿过气隙进入电枢， 而是经过主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量 转换，称为漏磁通。
Ia
I
rj
ra
Ub
2U b Ra ra Ia 励磁回路电压方程为
U
E
rf
T0
Tem
Ub
U I f (rf rj ) I f Rf
电流方程为
T1
Ia I I f
长沙理工大学电气工程学院
功率平衡方程
2. 功率平衡方程 电磁功率
PN a PN a Pem nI a I a Tem 60a 2 a 30 Pem EI a Tem 电功率平衡方程就是
接下来分别考虑交轴分量和直轴分量对励磁磁场的作用 与影响，前者称之为交轴电枢反应，后者称之为直轴电 枢反应。
长沙理工大学电气工程学院
交轴电枢反应
长沙理工大学电气工程学院
交轴电枢反应对气隙磁场的影响
（1） 使物理中性线偏离几何中性线一个α角。对发电 机，偏移为顺电枢转向，对电动机则是逆电枢转向。 （2) 不计饱和影响，对每个主极下的磁场，一半被削 弱， 但另一半被加强，总的磁通不变。 （3） 记及饱和影响，对被削弱的一半来说，波形与 不计饱和时相同；但对于被加强的一半，由于实际磁路 中铁磁材料的饱和影响，磁密曲线会下降，因此，每极 磁通量也会减少。 综上述，实际电机中，交轴电枢反应不但使气 隙磁场畸变，而且还有去磁作用。
电机学总结
（换向器式直流电机）直流电动势换向器配合电刷电枢绕组感应电动势−−−−−−→−第二章直流电机2.1概述一、直流电机的工作原理电枢铁心气隙换向片换向器电枢电刷●增加线圈个数并按一定规律串联起来减少导体中感应电动势的脉动●电刷和磁极的位置相对静止●从电机的端口看，电机作发电机或电动机运行的区别在于电流方向发生变化发电机惯例电动机惯例二、直流电机的主要结构部件⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧换向器电枢绕组电枢铁心转子（电枢）机座电刷装置换向极主磁极定子三、直流电机的额定值1、额定功率P N （额定输出功率）6、额定转速n N 2、额定电压U N7、额定效率ηN 3、额定电流I N8、额定转矩T N 4、额定励磁电压U fN 9、额定温升τM5、额定励磁电流I fN2.2直流电机的电枢绕组一、基本特点绕组元件（元件）元件边端接虚槽S=K=Z i1、第一节距y 1（长距、短距、整距）2、第二节距y 23、合成节距y4、换向器节距y k（左行绕组、右行绕组）二、单叠绕组（1）节距计算（2）绕组连接表（3）绕组展开图每个主极下的串联元件总是构成一条电动势方向相同的支路几何中性线——电机空载时此处的径向磁场为零)(00F f =Φ)(0δF f =Φ（4）电刷放置电刷放置的一般原则：确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，被短路的元件中的电动势为零。
换向器上的几何中性线对应于一个主极，换向器上便有一条几何中性线●电刷应固定放置在换向器上的几何中性线上（5）绕组并联支路并联支路数等于主极数2a=2p三、单波绕组)2(2ττ≠≈y y 同极下的所有元件总是串联成一条支路，即两条并联支路的电路结构始终保持不变2a=2●换向器上的几何中性线：当元件轴线与主极轴线重合时，该元件所接两换向片之间的中性线。
●仍然放置2p 组电刷→降低电刷上的电流密度四、电枢绕组的均压线●将直流电枢绕组中理论上电位相等的点用均压线连接起来，保证电流在各支路均匀分配均压节距2.3直流电机的磁场一、直流电机按励磁方式分类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、直流电机的空载磁场主磁场1、磁通与磁动势主磁通漏磁通主极漏磁系数五段式主磁路结构2、主磁场分布气隙磁密为一平顶波3、磁化曲线∙直流电机的磁化曲线：电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线∙气隙磁化曲线（气隙线）∙饱和系数个三、直流电机的电枢磁场1、电刷在几何中性线上∙电刷正规的放置方法——“在几何中性线上”∙忽略铁磁材料磁压降，电枢磁动势Ax x aD ai a N a D a i a xN x a F ===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ππ221)(三角形)()(00x F x B δμδ'=)(0)()(a 0)(a 0)(a x Axx x H x H x B δμδμμ===∙电刷在几何中性线上时，电枢磁动势的轴线也在几何中性线上，恰与主极轴线正交∙交轴电枢磁动势2τA a F aq F ==∙磁通密度沿气隙的分布马鞍形2、电刷偏离几何中性线交轴磁动势最大值)2(aq βτb A F -=直轴磁动势最大值βAb F =ad 四、电枢反应电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应1、交轴电枢反应物理中性线∙交轴电枢反应不但使气隙磁场畸变，而且还有去磁作用3、直轴电枢反应直轴电枢磁场轴线与主极轴线重合→影响每极磁通的大小（发电机顺去逆助）五、感应电动势和电磁转矩1、感应电动势电动势常数ΦΩ=Φ=Φ=T C n E C n apN E 60a 2、电磁转矩转矩常数a a 2a T em I C I apN T Φ=Φ=π3、电动势常数与转矩常数的关系302/60/ππ==aa pN a a pN C C TE 2.4直流发电机的基本特性一、基本方程1、电动势平衡方程2、功率平衡方程电磁功率电功率平衡方程（可变损耗）总的功率平衡方程（不变损耗）发电机的效率3、转矩平衡方程)()()(a 0x B x B x B δ合成气隙磁密波形密分布电枢磁场产生的气隙磁空载气隙磁密分布→+⎪⎩⎪⎨⎧+==+=+=f a f f j f f a a )(I I I R I r r I U R I U E 电流方程励磁回路电枢回路ΩT EI P em a em ==cu 2cua cuf 2em p P p p P P +=++=0em ad Fe mec em 1p P p p p P P +=+++=100%-1100%112⨯∑=⨯=⎪⎭⎫⎝⎛P p P P η0em 10em 1T T T ΩP ΩP ΩP +=+=二、他励发电机的运行特性可测得物理量：端电压U ，负载电流I ，励磁电流I f 和转速n 等1、空载特性当n=常值、I=0时，的关系曲线空载特性曲线是电机最基本的特性曲线，是电机设计制造情况（即材料利用率和磁路饱和度）的综合反映无论是何种励磁方式的直流电机，其空载特性曲线均由他励接线方式测定2、负载特性当n=常值、I=常值时，的关系曲线相同励磁电流作用下，不同负载电流的端电压不同①电枢电阻上的压降②电枢反应的去磁作用特性三角形3、外特性当n=常值、I f =常值时，的关系曲线随负载电流增大而下垂的曲线电枢回路上的压降和电枢反应的去磁效应都随电流增加而增加电压变化率4、调节特性当n=常值、U=常值时，的关系曲线调节特性随负载电流增大而上翘要保持端电压不变，励磁电流必须随负载电流的增加而增加，以补偿电枢反应的去磁作用，并且由于铁磁材料的饱和影响，励磁电流增加的速率还要高于负载电流。
《电机学》课件 第二章直流电机6
1）此时电动机的转速是多少（磁路不饱和） 2）发电机额定运行时的电磁转矩是多少 3）电动机运行时的电磁转矩是多少
直流电动机的起动、调速和制动
例3：两台完全相同的并励直流电机，同轴相联，并接于230V的 电网上，空载运行，在1000r/min时，空载数据如下： 现已知电机A的励磁电流为1.4A，B的为1.3A。电枢回路总电阻 为0.1Ω,转速为1200r/min，忽略电枢反映的影响，试问：
If/A U0/V
1.3 186.7
1.4 195.9
1）哪台是发电机，哪台是电动机？ 2）两机的总机械损耗和铁耗是多少？ 3）只调节励磁电流是否可改变两机的运行状态（保持转速不变） 4）是否可以在两机在1200r/min时都为发电机或电动机运行？
直流电动机的起动、调速和制动
例4：一台他励直流发电机由一台并励直流电动机拖动发电，它 们的额定数据为：发电机：Pn=19kW,Un=230V,nN=1450r/min, η=85%, Ufn=220V，Ifn=2.0A，ra=0.177Ω,2ΔUb=2V。电动机： Pn=22kW,Un=220V,nN=1450r/min,η=86%, Ifn=3.82A， ra=0.107Ω,2ΔUb=2V。
直流电动机的起动、调速和制动
例1：一台并励直流电动机，Pn=10kW,Un=220V,nN=1000r/min, η=83%,Ra=0.283Ω,2ΔUb=2V,Ifn=1.7A。设负载总转矩Tl恒定， 在电枢回路串入一电阻使转速降低到500r/min，试求：
1）电枢电流
2）电枢回路串入调节电阻的大小
Ia U E Ra
产生很大的与旋转方向相反 的电磁转矩，使电机制动。
反接制动时，会产生很大的冲击电流，因此电枢回路中应串 入适当的电阻，限制电流；当电机转速降低到零时，应把电 源切除，否则电机将反转。
电机学第二章
y＝yk＝1
计算数据y和y1
画绕组展开图
安放电刷和磁极
实例： P＝2， Z＝S＝K＝16
合成节距
第一节距
绕组放置
元件1：定义 上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层。 元件2： 上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=4即6槽下层。 以此类推
元件连接顺序图
2.3 直流电机的磁场与电枢反应
直流电机的磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组共同产生。 励磁绕组起主要作用。
计算电枢电势、电磁转矩及分析电机换向时，必须了解电机内磁场分布情况。
1
1
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2
3
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16
15
N
S
N
S
τ
电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分。
转子＝电枢
电枢绕组基本形式：叠绕组、波绕组和蛙绕组
2.2.1 直流电枢绕组的基本形式
叠绕组
波绕组
边在NS极下，转子转动
绕组实物图
有关电枢绕组名词、术语
极轴线：磁极中心线
几何中心线： 磁极之间的平分线
极距：电枢铁心表面， 一个极所占的距离。
当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同建立。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。
各支路电流都是通过电刷引入或引出，电刷是电枢表面电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。
电机学PPT课件-直流电动机
3
机电一体化设计
结合机械、电子、信息等多学科知识，进行直流 电动机的优化设计，实现高效、紧凑、可靠的设 计目标。
THANKS
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电动车与新能源汽车
随着电动车和新能源汽车的普及，直流电动机作为动力源将得到 更广泛的应用。
智能家居与家电
直流电动机在智能家居和家电领域的应用将不断拓展，如智能吸 尘器、电动窗帘等。
直流电动机的创新研究
1 2
新材料与新工艺
研究新型材料和制造工艺，提高直流电动机的性 能和可靠性。
控制策略优化
研究先进的控制算法和策略，提高直流电动机的 响应速度和稳定性。
电机学ppt课件-直 流电动机
目录
• 直流电动机简介 • 直流电动机的特性 • 直流电动机的控制 • 直流电动机的常见故障与维护 • 直流电动机的发展趋势与展望
01
CATALOGUE
直流电动机简介
直流电动机的基本结构
定子
固定部分，包括主磁极和换向器。
转子
旋转部分，由导电的电枢绕组和铁芯组成。
换向器
大。
转矩与磁通关系
02
在一定范围内，转矩与磁通成正比。但当磁通增加到一定程度
时，转矩增加趋缓。
转矩与转速关系
03
在一定转速范围内，转矩与转速成反比。转速越高，转矩越小
。
直流电动机的机械特性
机械特性方程
直流电动机的机械特性方 程表示了电动机的转速、 转矩和电源电压之间的关 系。
固有机械特性
固有机械特性是指在一定 励磁电流和电枢电压下的 机械特性。
当电机发生缺相故障时，自动切断电源，防 止电机因缺相而损坏。
04
CATALOGUE
电气工程概论第二章-直流电机上课讲义
二、直流电机
(一) 直流发电机工作原理
(二) 直流电动机工作原理
（1）电机的可逆原理：直流电机可作为发电机运行，也可作 为电动机运行。
（2）换向器的作用是实现电枢线圈内的交流电动势、电流与 电刷的直流电压、电流之间的转化。
(三) 直流电机的结构
直流电机主要包括转子和定子两大部分。转子是电机 的转动部分，定子是电机的静止部分。 1 定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括 主磁极、换向极、机座和电刷装置。
2 转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩， 实现能量的转换。主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、 转轴和风扇等。
(四) 直流电机的励磁
直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁 （并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。
(五) 直流电机中的感应电动势
其中p为极对数，N为电枢绕组的总导体数，a为支路对 数，Φ为每极主磁通，n为电机转速。
2 直流电机的功率平衡方程 （1）直流发电机的功率平衡方程
直流发电机的效率
（2）直流电动机的功率平衡方程
(九) 直流发电机的特性
1 空载特性:发电机当n为常值，I=0A时,发电机空载端电 压U0与励磁电流If之间的函数关系。 2 负载特性:发电机n为常值，I>0A时，发电机端电压U与
励磁电流之间的函数关系。
其中
（1）固有机械特性：当电动机端电压额定U=UN，每极气隙 励磁磁通额定Φ＝ΦN，电枢回路无串接电阻(Rst＝0)时的
机械特性。
（2）人为机械特性：在固有机械特性的基础上，主要分析 改变电枢回路串接电阻、改变端电压和改变励磁磁通三种 情况下的人为机械特性。
1）电枢回路串接电阻的人为机械特性：
电机拖动第二章.
流电机带负载后的磁场；直流 电机换向不良产生的原因。
电机是利用电磁作用原理进行能量转 换的机电装置。直流电动机的功能是 将直流电能转换成机械能带动机械负 载，而直流发电机的功能是将机械能 转化成直流电能供给电负载。 直流电动机具有良好的起动和宽广平 滑的调速性能，因而被广泛应用于对 起动和调速性能要求较高的生产机械 上，如电力机车、轧钢机、船舶机械、 造纸机和纺织机等。
单叠绕组
单叠绕组的连接特点是：同一元件的 两个出线端分别连接到相邻的两个换 向片上，即换向片节距Yk=1，相邻元 件通过换向片依次相连，从而组成整 个闭合绕组，后一元件的端部紧紧叠 在前一个元件的端部上，故而称为单 叠绕组，单叠绕组绕制时，每绕过一 个元件便在电枢表面移过一个虚槽。
例题：
例2-1 一台直流电机的绕组数据为：极对 P=2，槽数Z=16， ，换向片数 K=16，试设计单叠绕组连接图。 解： 1．单叠绕组的展开图 （1）计算节距
（3）换向器 换向器是直流电机的重要部件。在直 流发电机中，它将电枢绕组内部的交 流电动势转换为电刷间的直流电动势； 在直流电动机中，它将电刷上的直流 电流转换为绕组内的交流电流。如下 图，换向器由许多梯形铜排制成的彼 此绝缘的换向片组成。换向片数与线 圈元件数相同。
四、直流电机的额定值
第二章 直流电机
本章重难点
重点
直流电机的工作原理及额定数据；直流 电机的励磁方式及电枢反应；直流电机 的基本方程式，包括感应电动势、电磁 转矩、电压平衡方程、转矩平衡方程式 及功率平衡方程式；直流电机的工作特 性；直流电动机的固有机械特性和人为 机械特性；
难点： 直流电机电枢绕组的设计；直
单叠绕组的并联支路图
第二章直流电机ppt课件
1、当电刷在几何中性线上时， 将主磁场分布和电枢磁场分布 叠加，可得到负载后电机的磁 场分布情况，如图〔a〕所示。
淮北职业技术学院机电工程系
磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因 此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的 膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻 增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电 刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。
2、当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏
淮北职业技术学院机电工程系
2.1 直流电机的基本工作原理和结构
2.1.1直流电机的主要结构
主磁极
换向磁极
定子
电刷装置 机座
端盖
电枢铁心
电枢绕组
转子
换向器
转轴
轴承
2.1.2 直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理
右图为直流发电机的物理模型， N、S为定子磁极，abcd是固定在 可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈 连同导磁圆柱体称为电机的转子或 电枢。线圈的首末端a、d连接到两 个相互绝缘并可随线圈一同旋转的 换向片上。转子线圈与外电路的连 接是通过放置在换向片上固定不动 的电刷进行的。（动画）
单叠绕组
yy1y2
单波绕组
yy1y2
yk
换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 （动画）
淮北职业技术学院机电工程系
2.2.2 单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节
【精品】电机学答案第二章
第二章直流电机2．1为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？换向器与电刷共同把电枢导体中的交流电流，“换向”成直流电，如果没有换向器，电机不能发出直流电。
2．2试判断下列情况下，电刷两端电压性质（1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转；（2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。
(1)交流∵电刷与电枢间相对静止，∴电刷两端的电压性质与电枢的相同。
（2）直流电刷与磁极相对静止，∴电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不动，磁场方向不变∴是直流。
2．3在直流发电机中，为了把交流电动势转变成直流电压而采用了换向器装置；但在直流电动机中，加在电刷两端的电压已是直流电压，那么换向器有什么呢？直流电动机中，换向法把电刷两端的直流电压转换为电枢内的交流电，以使电枢无论旋转到N极下，还是S极下，都能产生同一方向的电磁转矩2．4直流电机结构的主要部件有哪几个？它们是用什么材料制成的，为什么？这些部件的功能是什么？有7个主磁极换向极，机座电刷电枢铁心，电枢绕组，换向器见备课笔记2．5从原理上看，直流电机电枢绕组可以只有一个线圈做成，单实际的直流电机用很多线圈串联组成，为什么？是不是线圈愈多愈好？一个线圈产生的直流脉动太大，且感应电势或电磁力太小，线圈愈多，脉动愈小，但线圈也不能太多，因为电枢铁心表面不能开太多的槽，∴线圈太多，无处嵌放。
2．6何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通的大小与哪些因素有关？主磁通：从主极铁心经气隙，电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子绕组磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢中感应电动势，实现机电能量转换。
漏磁通：有一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气隙钉子磁轭闭合，不参与机电能量转换，δΦ与饱和系数有关。
2．7什么是直流电机的磁化曲线？为什么电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近？ 磁化曲线：00()f F Φ=0Φ-主磁通，0F 励磁磁动势设计在低于“膝点”，则没有充分利用铁磁材料，即同样的磁势产生较小的磁通0Φ，如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的0F ，若磁通0Φ基本不变了，而我的需要是0Φ（根据E 和m T 公式）选在膝点附近好处：①材料利用较充分②可调性好③稳定性较好。
电机学第二章直流电机(完美解析)(借鉴教学)
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通：空载是电机中的磁场是对称分布的，分为两部分
✓ 主磁通：经气隙、电枢、相邻主极下的气隙、主极铁芯、定 子磁轭闭合。
主磁通同时交链与励磁绕组和电枢绕组； 在电枢绕组中产生感应电动势，实现机电能量交换；
用0表示。
✓ 漏磁通：经主极间的空气或定子磁轭闭合。 不穿过气隙； 不参与机电能量交换；
直流电机主磁极与换向极
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机机座
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电枢冲片和电枢绕组
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机换向器
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电刷装置
2.1.3 直流电机的额定值
➢ 额定功率：PN，单位 W或kW ➢ 额定电压：UN，单位 V ➢ 额定电流：IN，单位 A ➢ 额定励磁电压：UfN，单位 V ➢ 额定励磁电流：IfN，单位 A ➢ 额定转速：nN，单位 r/min
间的距离，用弧长或虚槽数表示。
✓ y1应接近一个极距 ，且为整数。 ✓ 整距： y1= ✓ 短距： y1< ✓ 长距： y1>
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第二节距y2：与同一换向器相连的两个元件，第一个元件的 下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，也常 用虚槽数表示。叠绕组， y2 <0；波绕组， y2 >0;
电流方程 Ia I If
2.4.1 基本方程
2、功率平衡方程
电磁功率：电枢绕组感应电动势E与电枢电流Ia的乘积
Pem EIa
Pem
pNa 60a
ΦnIa
pNa 2πa
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➢一般情况下，直流电机电枢磁场方向 总是对准交轴，称为交轴电枢反应。
电刷位于几何中性线上
34
电刷偏离几何中性线
电机学 Electric Machinery
（第2章 直流电机）
2.1 概述
➢ 直流电机工作原理 ➢ 直流电机的主要结构部件 ➢ 直流电机额定值
2.1.1 直流电机工作原理
2.1.2 直流电机的主要结构部件
风扇 机座 电枢
主磁极 刷架 换向器
端盖
接线板
出线盒 换相极
直流电机整体结构
2.1.2 直流电机的主要结构部件
23
小结
➢ 直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组。 ➢ 直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。
在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数；
单叠绕组，a = p，即并联支路对数恒等于电机极对数；
单波绕组，a = 1，即并联支路对数恒等于1。 ➢ 电刷放置的一般原则：
确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大； 被电刷短路的元件中的电动势为零； 端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。
➢ 额定效率：N
➢ 额定转矩：TN，单位 N·m
➢ 额定温升：，单位 oC
2.2 直流电机电枢绕组
➢ 基本特点 ➢ 单叠绕组 ➢ 单波绕组
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 电枢绕组设计的基本要求
➢ 电动势大，波形好 ➢ 电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大 ➢ 结构简单，连接可靠 ➢ 便于维修 ➢ 换向性能好
➢ 电枢绕组类型
➢ 叠绕组：单叠绕组和复叠绕组 ➢ 波绕组：单波绕组和复波绕组 ➢ 蛙绕组：叠绕组与波绕组的组合
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 绕组元件：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。 ✓ 元件边：放在槽中切割磁力线、感应电动势的有效边。 ✓ 上（下）元件边：放在某一槽上（下）层。 ✓ 端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。
用表示。 ✓ 总磁通：为主磁通与漏磁通之和，用m表示。
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通间的关系
Φm
Φ0
Φσ
Φ0
1
Φσ Φ0
kσΦ0
k—主极漏磁系数，一般取值1.15~1.25
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁动势
Ñ F0 Hgdl 2Nf If
F0 — 每对极励磁磁动势 Nf — 每极主极上的励磁绕组匝数 ➢ 主磁路结构 —五段式
左行
y
yK
K 1 p
单波绕组元件
右行
y右 行yK
K 1 p
17
2.2.2 单叠绕组
✓ 4极电机，
✓ Z=Zi=S=K=16 ✓ 单叠右行整距绕组
y1
Zi 2p
mε
16 4
4
y 1
y2 y y1 1 4 3
✓ 单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路
19
✓并联支路数等于极数，并联支路对数a=2 ✓ 电刷放置
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 槽内每层元件边数：u ✓ 槽数Z与虚槽数Zi： Zi =uZ ✓ 元件数S、换向片数K与虚槽数Zi：S=K= Zi
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第一节距y1：两个元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示
✓ 极距：每个主磁极在电枢表面占据的距离，或相邻两主极
直流电机主磁极与换向极
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机机座
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电枢冲片和电枢绕组
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机换向器
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电刷装置
2.1.3 直流电机的额定值
➢ 额定功率：PN，单位 W或kW ➢ 额定电压：UN，单位 V ➢ 额定电流：IN，单位 A ➢ 额定励磁电压：UfN，单位 V ➢ 额定励磁电流：IfN，单位 A ➢ 额定转速：nN，单位 r/min
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2.2.3 单波绕组
✓ 4极电机
✓ Z=Zi=S=K=15 ✓ 单波左行短整距绕组
y1
Zi 2p
mε
15 4
3 4
3
y Zi 1 15 1 7 p2
y2 y y1 7 3 4
✓ 单波绕组：所有处于同极性下的元件串联起来构成一条支路
22
✓ 并联支路数等于2，并联支路对数a=1 ✓ 电刷放置位置
✓ 合成节距y：串联的两个元件对应边在电枢表面的跨距，用 虚槽数表示。y= y1+ y2
✓ 换向器节距yK：与每个元件相连的两个换向器在换向器表面 的跨距，用换向片数表示。 y= yK
单叠绕组元件
右行
左行
第一节距 y1 第二节距 y2 合成节距 y 换向节距 yK
y1
Zi 2p
ε
整数
y y1 y2 yK
2.3 直流电机的磁场
➢ 磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 ➢ 主极磁场可由永久磁铁产生 ➢ 主极磁场也可由励磁绕组通入直流电流或由产生。
2.3.1 直流电机按励磁方式分类
他励直流电机 并励直流电机 串励直流电机 复励直流电机
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 空载磁场（主磁场）：电枢电流Ia=0，仅由If 建立的励磁磁场。
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通：空载是电机中的磁场是对称分布的，分为两部分
✓ 主磁通：经气隙、电枢、相邻主极下的气隙、主极铁芯、定 子磁轭闭合。
主磁通同时交链与励磁绕组和电枢绕组； 在电枢绕组中产生感应电动势，实现机电能量交换；
用0表示。
✓ 漏磁通：经主极间的空气或定子磁轭闭合。 不穿过气隙； 不参与机电能量交换；
✓ 两个气隙 ✓ 两个齿 ✓ 两个主极 ✓ 一个定子轭 ✓ 一个转子轭
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 主磁场分布
B0 (x)
μ0 Fδ δ(x)
Bδ
气隙磁密为平顶波
➢ 磁化曲线
起始阶段为直线 其延长线为气隙线 铁磁饱和导致磁化 曲线的弯曲
kμ
F0 Fδ
1
FFe Fδ
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2.3.3 直流电机的电枢磁场
间的距离，用弧长或虚槽数表示。
✓ y1应接近一个极距 ，且为整数。 ✓ 整距： y1= ✓ 短距： y1< ✓ 长距： y1>
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第二节距y2：与同一换向器相连的两个元件，第一个元件的 下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，也常 用虚槽数表示。叠绕组， y2 <0；波绕组， y2 >0;