直流电机的磁场和磁路
直流无刷电动机的励磁磁场的空间分布
直流无刷电动机是一种广泛应用于各种电动设备中的电机类型。
其励磁磁场的空间分布对于电机的性能和效率具有重要影响。
本文将从励磁磁场的空间分布的定义和特点、影响因素以及优化方法等方面进行深入分析和探讨。
一、励磁磁场的空间分布的定义和特点1.1 定义励磁磁场是指在电动机中由励磁电流产生的磁场。
在直流无刷电动机中，通常通过外加永磁体或电磁铁产生励磁磁场。
励磁磁场的空间分布是指磁场在电动机内部和周围的分布状态。
1.2 特点直流无刷电动机的励磁磁场通常具有以下特点：（1）磁场分布不均匀：由于电机结构的限制和磁路的特性，励磁磁场在空间上通常呈现不均匀的分布状态。
（2）磁场方向多样：不同类型的直流无刷电动机，其励磁磁场的方向可能存在差异，需要根据具体电机的设计和要求进行调整。
二、影响励磁磁场空间分布的因素2.1 电机结构电机的结构对于励磁磁场的空间分布起着至关重要的作用。
电机的定子、转子、励磁部件的布局、相对位置等都会直接影响励磁磁场的分布状态。
2.2 励磁方式直流无刷电动机的励磁方式多样，可以通过永磁体或电磁铁来实现。
不同的励磁方式对励磁磁场的空间分布会产生不同的影响。
2.3 磁路设计电机的磁路设计是决定励磁磁场分布的关键因素。
合理的磁路设计能够有效地调控励磁磁场的分布状态，从而提高电机的性能和效率。
三、励磁磁场空间分布的优化方法3.1 优化电机结构通过改变电机的结构设计，优化定子、转子、励磁部件的布局和相对位置，以实现更为均匀和合理的励磁磁场分布。
3.2 优化励磁方式在选择励磁方式时，根据具体的电机要求和性能需求进行合理的选择，并通过调整励磁参数以实现更为均匀和稳定的磁场分布。
3.3 优化磁路设计通过采用合理的磁路设计方案，优化电机的磁路结构，减少漏磁和磁阻，提高磁路的导磁性能，从而改善励磁磁场的分布状态。
四、总结与展望励磁磁场的空间分布对直流无刷电动机的性能和效率具有重要的影响。
在实际应用中，通过优化电机结构、励磁方式和磁路设计等手段，可以有效地调控励磁磁场的空间分布，提高电机的性能和效率。
第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组 成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 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，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
第05讲直流电机的磁场分析
8
1 ——主磁极
1
S
7
2 ——空气隙 3 ——电枢齿 4 5 6 7 8 ——电枢轭 ——电枢齿 ——空气隙 ——主磁极 ——定子轭
N 2
3
4
5
6
直流电机磁路的几点说明
主磁路的主体部分由导磁材料构成，同时与定子绕组（励磁 绕组）和转子绕组（电枢绕组）交链。
漏磁路经过相邻两极间的空间闭合，其主体部分为空气，只
和励磁绕组本身交链。 主磁通穿越空气隙，被电枢绕组切割，是产生感应电动势和 电磁转矩的主角。 漏磁通不穿越空气隙，不被电枢绕组切割，不参与能量转换，
只会增加磁路的饱和度。
漏磁通大约是主磁通的20%。
二、空载气隙磁通密度的分布波形
2 Ff 2 Rmd + RmFe Ff Rmd Ff 1 d m0 lD
三、补偿绕组
电枢磁势会产生电枢反应，电枢反应会对电机的 性能产生不利影响。 装设补偿绕组是克服电枢反应的基本方案。 补偿绕组安装在磁极表面的槽中，它与电枢绕组 串联，但产生的磁势与电枢绕组磁势相反。 补偿绕组提高了电机的成本，只有在对电机要求 较高时，才加装补偿绕组。
N
S
n性线
几何中性线
几何中性线
Bd
t
3 负载磁场分析(电枢反应）
一、电枢磁动势及电枢磁场的分布
空载运行时，电枢绕组中的电流为0，气隙磁场是由励磁 绕组单独产生的，称为励磁磁场或者主磁场，其波形为帽形。 负载后，电枢绕组有会流过电枢电流,在主磁路上产生电 枢磁动势(磁通势),在气隙中形成电枢磁场。 电枢磁场的轴线与电刷连线重合，与主磁场相互垂直。
D
Ff = I f N f
F ¢=
第四章直流电机电枢绕组
一、节距计算
y1
Z 2p
y= =1yk
y2 y1 y
二、绕组展开图
Z为电枢槽数 P为电机的极对数
三、元件连接顺序及并联支路图
空载时气隙磁磁通密度的分布图形
返回
如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均
为励磁磁通势。
在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范
围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为
零。
为一平顶波
直流电机空载磁场的磁密分布
直流电机的空载磁化特性
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立 电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。
1、自励条件
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻R f 特性曲线， 也称场阻线 U f I f R f 。
增大R f ，场阻线变为曲线3时，R f 称为临界 电阻Rcr 。如图所示。
N pN Ea 2a e 60a n Cen
Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、 气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数
Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速 和磁通均可改变电枢电动势的大小。
三，直流电机的电磁转矩 定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流
直流电机的基本理论
交轴磁势和直轴磁势
发电机 电动机
β
发电机 电动机
2β
发电机 电动机
2β
电枢磁势
交轴分量
Faq
直轴分量
Fad
分析直流电动机电刷移位
N N
电动机
2β
逆向移刷
顺向移刷
电刷偏移对主磁场的作用
电刷顺转向偏移 发电机 电动机 直轴去磁 直轴助磁 电刷逆转向偏移 直轴助磁 直轴去磁
以直流电机为例思考电枢反应
N
N
3-5 电磁转矩和电磁功率
一、电磁转矩
电枢绕组中有电枢电流流过时, 电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 磁转矩。 磁转矩。
一根导体的平均电磁力： 一根导体的平均电磁力：
fav = Bav ⋅ l ⋅ ia
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， 磁场分布叠加，得到 的负载电机磁场分布 情况如图。 情况如图。
合成磁势曲线
饱和时磁阻 不为常数不 能简单叠加
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bδx
主磁场的 磁通密度 分布曲线 不饱和两条曲线逐点叠 加后得到负载时气隙磁 场的磁通密度分布曲线
直流电机的损耗 损耗和 3-6 直流电机的损耗和基本方程 一、直流电机中的损耗
轴承摩擦/ 机械损耗 pm :轴vs轴承摩擦/电刷 换向器摩擦/通风损耗等。 轴承摩擦 电刷vs 换向器摩擦/通风损耗等。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 电枢铁心中磁场交变， 铁心损耗 pFe :电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损 铁耗近似与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。 次方成正比。 耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的 次方成正比 2 励磁损耗 pf : pf = U f I f = I f Rf
交流磁路和直流磁路的异同点
交流磁路和直流磁路的异同点交流磁路和直流磁路是电机中两种不同的磁路。
它们在很多方面都有相似之处，但也存在着一些显著的不同点。
本文将从磁路特性、磁场分布、磁通量以及应用方面来探讨交流磁路和直流磁路的异同点。
一、磁路特性交流磁路和直流磁路的最大不同点在于其磁路特性。
直流磁路的磁路特性是线性的，即磁通量随磁场强度成正比。
而交流磁路的磁路特性则是非线性的，即磁通量随磁场强度变化不是线性关系。
这是因为交流磁路中，磁场强度和磁通量都是随时间变化的，而直流磁路中，磁场强度和磁通量都是恒定的。
二、磁场分布在交流磁路中，磁场的分布是不均匀的，因为随着时间的变化，磁场的方向和大小都在不断变化。
而在直流磁路中，磁场的分布是均匀的，因为磁场的方向和大小都是恒定的。
这也是为什么交流电机会产生噪音和振动，而直流电机则比较安静和稳定的原因之一。
三、磁通量磁通量是衡量磁路能力的重要指标。
在交流磁路中，磁通量的大小和方向随着时间的变化而变化。
而在直流磁路中，磁通量的大小和方向是恒定的。
因此，直流磁路中的磁通量比交流磁路中的磁通量更容易计算和控制。
四、应用方面交流电机和直流电机在应用方面也存在很大的不同。
交流电机通常用于高功率和高速度的应用，如工业生产线和交通运输。
而直流电机通常用于低功率和低速度的应用，如家用电器和小型机械。
此外，由于交流电机的复杂性和成本较高，直流电机在一些应用领域中也具有一定的竞争优势。
综上所述，交流磁路和直流磁路在磁路特性、磁场分布、磁通量以及应用方面都存在着显著的不同点。
了解这些不同点可以帮助我们更好地理解电机的工作原理和应用场景。
直流电机
第一章直流电机直流电机是一种通过磁场的耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械，包括直流发电机和直流电动机。
将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。
与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。
但直流电动机调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合，仍获得广泛应用。
作为直流电源的直流发电机虽已逐步被晶闸管整流装置所取代，但在电镀、电解行业中仍被继续使用。
第一节直流电机的基本原理与基本结构直流电机是根据导体切割磁感线产生感应电动势和载流导体在磁场中受到电磁力的作用这两条基本原理制造的。
因此，从结构上看，任何电机都包括磁路和电路两部分；从原理上讲，任何电机都体现了电和磁的相互作用。
一、直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理图 1-1 所示两极直流发电机模型，可说明直流发电机的基本工作原理。
图中，N 、S 是一对固定不动的磁极。
磁极可以由永久磁铁制成，但通常是在磁极铁心上绕制励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电流，即可产生N 、S 极。
在N 、S 磁极之间装有由铁磁性物质构成的圆柱体，在圆柱体外表面的槽中嵌放了线圈abcd ，整个圆柱体可在磁极内部旋转。
整个转动部分称为转子或电枢。
电枢线圈abcd 的两端分别与固定在轴上相互绝缘的两个半圆铜环相连接，这两个半圆铜环称为换向片，即构成了简单的换向器。
换向器通过静止不动的电刷 A 和 B ，将电枢线圈与外电路接通。
电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向旋转，转速为n （r/min ）。
若导体的有效长度为 l ，线速度为v ，导体所在位置的磁感应强度为B ，根据电磁感应定律，则每根导体的感应电动势为e Blv =，其方向可用右手定则确定。
当线圈有效边ab 和cd 切割磁感线时，便在其中产生感应电动势。
如图1-1所示瞬间，导体ab 中的电动势方向由b 指向a ，导体cd 中的电动势则由d 指向 c ，从整个线圈来看，电动势的方向为d 指向a ，故外电路中的电流自换向片1流至电刷A ，经过负载，流至电刷B 和换向片2，进入线圈。
有刷直流电机工作原理详解
有刷直流电机工作原理详解有刷直流电机是一种广泛应用于各种工业领域的电机，其工作原理基于电磁感应原理，通过磁场和电流的作用力使转子转动。
下面将对有刷直流电机的工作原理进行详细解释。
一、有刷直流电机的结构有刷直流电机主要由定子、转子、电刷、换向器等部分组成。
定子通常由铁芯和绕组组成，用于产生磁场；转子由铁芯和绕组组成，其上产生的电流与定子的磁场相互作用产生转矩；电刷和换向器则用于控制电流的方向，保证电机正反转。
二、有刷直流电机的工作原理1、通电后，定子绕组产生磁场当有电流通过定子绕组时，绕组中的电流将产生磁场，该磁场在空间上呈闭合状态，称为磁路。
在磁路上，磁力线分布不均匀，使得磁路上的各点具有不同的磁阻。
2、转子在磁场中受力转动转子上的绕组在磁场中会受到力的作用，这个力就是转矩。
转矩的方向与电流的方向有关，当电流方向改变时，转矩方向也会改变。
因此，通过改变电流方向，可以控制电机的正反转。
3、电刷和换向器的作用电刷和换向器是有刷直流电机中非常重要的组成部分。
电刷的作用是将电源的正负极连接到转子的绕组上，以控制电流方向；换向器则用于自动改变电流的方向，以保证电机正反转。
4、调速原理有刷直流电机的调速原理主要是通过改变电流的大小来控制转矩的大小，从而控制电机的转速。
具体来说，当电流增大时，转矩增大，电机的转速也会相应提高；当电流减小时，转矩减小，电机的转速会降低。
因此，可以通过调节电流的大小来实现对电机转速的控制。
三、有刷直流电机的优缺点1、优点：有刷直流电机具有结构简单、控制方便、体积小、转速高、价格低等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。
2、缺点：有刷直流电机的缺点主要包括磨损大、维护成本高、寿命短等。
由于电刷和换向器的存在，使得电机的可靠性受到一定的影响。
四、总结有刷直流电机是一种应用广泛的电机，其工作原理基于电磁感应原理，通过磁场和电流的作用力使转子转动。
有刷直流电机的优缺点并存，但其结构简单、控制方便、体积小、转速高等优点使得其在许多领域具有广泛的应用前景。
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它的工作原理基于洛伦兹力和电动行为的相互作用。
直流电机的核心部件是电枢，由大量线圈组成。
当直流电源施加在电枢上时，电流流经线圈，产生一圈圈的磁场。
在电枢旁边，有一个磁体称为永磁体或者磁场极，它产生恒定的磁场。
当电流通过电枢的线圈时，根据右手定则，线圈内的磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生力矩。
由于电流的方向是可逆的，所以直流电机的转向也是可逆的。
当电流改变方向时，电枢产生的磁场方向也会改变，进而改变了与永磁体的相互作用，实现了转向。
为了实现连续的旋转运动，直流电机需要一个机械装置来改变电枢线圈的方向。
这个装置通常由一个可调整的组件（如换向器和刷子）组成，它能够使电流从一个线圈转移到下一个线圈，从而保持电枢的旋转方向。
总之，直流电机工作的基本原理就是利用洛伦兹力和电动行为，通过电磁感应和相互作用实现电能到机械能的转换。
第二十四章 直流电机的磁势、电势和基本方程式PPT课件
2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应 发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；
电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。
电动机：与发电机的情况相反。
24
三 电枢反应对直流电机的影响
1．电枢反应的去磁作用将使每极 略有减小
电刷总是位于交轴，电枢反应则只有交轴分量没有直轴分量。 交轴磁势对气隙磁场的影响是一半极面下磁通增加，一半下减 小，不考虑饱和时，总磁通不变。
如果负载时励磁电流与空载时
相等，则负载时每极磁通也与
E0
空载时相同。
电刷间感应电势只与每极磁通 成正比，与极面下磁通分布无 关，所以负载和空载时电刷感 应电势数值相同。
电枢电势的计算：求出一根导体在一个极距范围 内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路 里总的导体数。
设总导体数为N，共有2a条并联支路，每条支路 导体数为N/2a，则电枢绕组电势: （为 N/2a 条导体电势之和）
31
一根导体的平均电势： eav BavLv
Bav ：主极气隙磁场的平均磁密（
随电枢电流变化，也取决于磁
路饱和程度。为简便起见，近
似认为 Faqd I （电枢电流），
这时同样大小的If 产生的E0 ↓
0
Faqd
Ff0 Ff
Ff0
26
三 电枢反应对直流电机的影响
Ff为磁极磁势，Ff0为用以产生磁通的有效磁势。可见要保持E0 不变必须增加励磁电流If ，以弥补交轴磁势Faq的去磁作用。
2a60
9.55Ce
Bav
一台制造好的电机， 它
直流电机
解： 1）
2p 4
a 1
Z 31
E 115
nN 1450
N Z 12 31 12 372
pN 2 372 Ce 12.4 60 a 60 1
E 115 6.4 10 3 Wb C e n 12.4 1450
【例】一台4极直流发电机，单波绕制，有31槽，每槽元件数为12，额定 转速为1450转，在额定工作时，测出的电枢电势为115V。求： （1） （2） 每极磁通。 当作电动运行时，电枢电流为600A时，能产生多大的电磁转矩。
二、倒拉反转反接制动 倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载
在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实 现制动. n
电枢回路串入较大电 阻 RB 后特性曲线
正向电动状态提 升重物(A点)
n0
B
A
Ra
工作点由A-BC-D,CD段为制 动段
电机以稳 定的转速 下放重物D 点
C
0 TB TK
TL
Tem
负载作用下 电机反向旋 转(下放重物)
换向片 E F E
d T
n
– U + 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外 加电压方向总是相反，所以称反电势。 Ia Ra 2. 电枢回路电压平衡式 + + U E Ia Ra K E n Ia Ra M E U – 式中：U — 外加电压 – Ra — 绕组电阻
励磁电动机
他励电动机
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
2.3.1 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n
S
U
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
直流电机是一种常见的电动机，它通过直流电源提供电能，将电能转换为机械能，驱动机械装置运转。
直流电机的工作原理主要包括磁场产生、电流通路和力矩产生三个方面。
首先，直流电机的工作原理与磁场产生密切相关。
在直流电机中，通常会有一个磁场产生装置，它可以是永磁体或者电磁铁。
当电流通过磁场产生装置时，会在装置周围产生磁场，形成磁极。
这个磁场是直流电机工作的基础，因为它与电流之间会产生相互作用，从而产生力矩，驱动电机运转。
其次，直流电机的工作原理还与电流通路有关。
在直流电机中，电流通路是通过电刷和换向器来实现的。
电刷是连接电源和电机的导电装置，它与换向器配合工作，使得电流可以按照一定的规律在电机的绕组中流动。
这样，电流在磁场中产生作用，产生力矩，从而驱动电机转动。
最后，直流电机的工作原理还涉及到力矩的产生。
在直流电机中，当电流通过绕组时，会在绕组中产生磁场，这个磁场与磁场产生装置的磁场相互作用，产生力矩。
这个力矩会驱动电机转动，实现能量转换。
综上所述，直流电机的工作原理是通过磁场产生、电流通路和力矩产生三个方面相互作用，实现电能到机械能的转换。
通过对这些原理的深入理解，可以更好地掌握直流电机的工作特点，为实际应用提供理论支持。
直流电机的基本理论
附加损耗
铁损耗
电 机 学
在电机正常运行条件下，功率平衡方程式中的P1、 PM、P0 分别对应的表达式如下：
T1 T T0 P 1 P M P 0 其中，P0 T0 Pm PFe Ps pN 2 n pN PM T I a nI a Ce nI a Ea I a 2a 60 60a Ia I I f
电 机 学 基本方程式
U Ea I a Ra Ea CeΦn I I a I f (并励） P 1 P M pCua p f P2 PM ( pm p fe pad ) PM Ea I a PM TM CM ΦI a TM T2 T0
I
电 机 学
U
T1
T G Ia I f Ea
n
T0
U I f Rf
2、转矩平衡方程式 发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 T1 、电磁转 Tem 矩T 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 T0 。它是制动转矩，与 转速n方向相反，转矩平衡方程为：
15
Ra
U
T1 T T0
两个物理量之间的函数关系。
主要特性：
（1）外特性：If＝常数，U＝f（I） （2）调节特性：U＝常数，If＝f（I）。 （3）负载特性：I＝常数， U＝f（If）；
28
1 他励直流发电机的特性
电 机 学
他励发电机励磁回路与电枢回路互不连接，励磁电 流不随负载电流的变化而改变。
Rf
Ia
If
U
•电磁转矩：
•电磁转矩：
D
2 p
TM N
pN CM 2a
直流电动机基本结构
直流电动机基本结构
直流电动机是一种常用的电动机类型，可转换直流电能为机械能。
其基本结构包括转子、定子、电刷和磁场磁路。
1. 转子：直流电动机的转子通常采用换向器，由铜或铝制成。
转子通常由轴和箍板组成，箍板上安装有通电线圈，并在轴上固定了一组换向器。
转子的任务是在电场作用下旋转，并通过箍板上的电刷和定子上的电刷接触来实现电流传输。
2. 定子：直流电动机的定子由闭合铁芯电磁铁、包括磁铁线圈和铁心组成。
定子的任务是在通电状态下产生磁场，与转子的旋转运动相互作用，从而产生转矩。
3. 电刷：直流电动机的电刷是连接电源和转子线圈的导电器件，通常由碳石墨材料制成。
电刷固定在电机两端的电刷架上，并与转子上的换向器进行接触。
当转子旋转时，电刷架和电刷也会跟随转动，以保持电刷与转子上的换向器的良好接触。
4. 磁场磁路：磁场磁路是直流电动机中产生磁场的关键部分。
它由磁铁和磁路铁芯组成。
磁铁的作用是产生恒定的磁场，通常在定子上安装，包括极片和领头极。
磁路铁芯用于导磁，通常由铁制成，通过连接定子上的磁铁来形成一个完整的磁路。
直流电动机的工作原理是通过电源提供电流，产生磁场，使得转子在磁场的作用下旋转。
当电流通过转子线圈时，由于电刷的不断换向，使得电流方向不断变化，进而导致转子中产生电流，与磁场相互作用，产生转矩使转子旋转。
直流电动机具有结构简单、转矩平稳、调速范围广等优点，在工业生产中得到广泛应用。
它可以应用于各种需要转矩恒定和速度调节的场合，例如机床、风机、压缩机、交通工具等。
直流电机（12）直流电机的共同问题（二）直流电机的电枢反应感应电动势电..
1. 理解直流电机的磁动势和磁场2.掌握直流电机的电枢反应3.掌握直流电机电枢绕组的感应电动势4.掌握直流电机的电磁转矩本章基本要求直流电机的共同问题（二）直流电机的电枢磁动势和磁场 直流电机的电枢反应直流电机电枢绕组的感应电动势 直流电机的电磁转矩主要内容直流电机的共同问题（二）内容回顾直流电机绕组小结◆直流电机的电枢绕组总是自成闭路,为闭合绕组;◆电刷放置的一般原则是空载时正、负电刷间的电动势最大,或者说,被电刷短路的元件中的电动势为零;◆对于端接对称的元件,电刷放置在主极轴线下的换向片上,且总是与位于几何中性线上的导体相接触;内容回顾直流电机绕组小结◆电枢绕组的支路数(2a )永远是成对出现,因为磁极数(2p )是一个偶数;且至少有2条并联支路; 单叠绕组: a = p (并联支路对数恒等于电机极对数)单波绕组:a = 1(并联支路对数恒等于1)◆单叠绕组适应于较大电流、较低电压的电机;单波绕组适用于较高电压、较小电流的电机。
23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场1.主磁通和漏磁通◆磁场是电机实现机电能量转换的媒介;◆主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生;◆空载时电机中的磁场分布是对称的。
0f f I F s ìF -ïï F íïF -ïïî主磁通，经气隙进入电枢。
主极漏磁通(15-25%)φ0不进入电枢,只增加磁极的饱和程度。
内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场主磁通路径：气隙→电枢齿→电枢轭→电枢齿→气隙→主磁极→定子轭→主磁极→气隙。
内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场直流电机空载时的磁场分布内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场2.气隙主极磁场的分布◆磁动势: 磁极范围内,励磁磁势大小相同。
◆磁密波形: 空载时的气隙磁通密度为平顶波。
直流电机
一台直流电机作为
电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋 转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能；
电能转换为机械能
发电机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流 电动势，作为直流电源，输出电能。
机械能转为电能
注意：不要孤立的看待发电机和电动机问题
二、直流电机的结构
（一）直流电机的静止部分（定子） 1、主磁极
E U Ra Ia 110 0.04 234 100.6 V
7.5 并励（他励）电动机的起动 与反转 起动
直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。 1. 起动问题： (1) 起动电流大 起动时,n =0 E K E n 0 UN I ast (10 ~ 20) I a N Ra Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器； (2) 起动转矩大
T2: 机械负载转矩 T0: 空载转矩
T KT ΦIa
Ia
U Ea Ia Ra
达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。
第四节 直流电动机的机械特性
特点: 励磁绕组与电枢并联 由图可求得
U E I a Ra U If Rf
I
+ E M Ia _ +
UE If Ia Ra
系。
-
+
-
+
他励式
并励式
并励绕组
-
+
-
+
串励绕组
串励式
复励式
按照上面的描述，存在如下四种情况：
1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。
2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。
电机学第三章 直流电机的稳态分析
展开直流电机的转子
N
1 2 3 4 5
单叠绕组的设计
τ
τ
τ
τ
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16 1
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16
1
2
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
一 、空载气隙磁场
气隙磁场是产生感应电动势并进行能量转换的场所
平顶波
二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应
安培环路定律 当电枢电流Ia不是零时（负载时电枢输出或输入电流），绕 组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场。 此时，气隙磁场就由主机磁动势和电枢磁动势两者合成的磁 动势建立磁场。 由前面分析直流电机中电刷（固定的）是电枢表面导体中电 流方向的分界线（电枢磁势的轴线总是与电刷轴线重合）， 因此电枢电流建立的电枢磁动势与电刷位置有关，下面分别 讨论不同电刷位置时的电枢磁动势。
叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串 联起来，象波浪式的前进。
元件的概念
上元件边 前端接
N S
前端接
下元件边
换向片
电枢绕组的元件
线圈在槽中的安排
1. 元件数等于虚槽数 2.每一个元件两个边接到两个换向片上，每一个换向片接两个 元件的边，因此元件数等于换向片数
第三章 直流电机的稳态分析
直流电机是电机的主要类型之一 1.直流电动机以其良好的启动性能和调速性能著称。 2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。 结构较复杂 直流电机 成本较高 可靠性较差 近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能 的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽 管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值! 使它的应用受到限制
2-6-直流电机的磁场和磁路
n Ia
M em
机械功率
直流电动机：从电源吸收的电功率， 通过电磁感应
作用， 转换成轴上的机械功率；
直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的 机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的 电功率。
Φ0
膝点
饱和部分
直线，不 饱和部分
F0’ Fδ’
Ff
k
F0' F'
(约1.1~1.35)
三、直流电机负载时磁场
负载时的电枢磁动势
Ia
Fa
If
Ff
Fδ = Fa + Ff
三、直流电机负载时磁场
主极磁场
电枢磁场
合成磁场
电枢磁场、电枢反应的定义
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的 磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电 枢反应。
主磁通、主磁路：由N极出发， 经气隙进入电枢齿部，经电枢 铁心的磁轭到另外的电枢齿， 通过气隙进入S极，再经定子 轭回到原来N极。
漏磁通、漏磁路：不进入 电枢铁心，直接经过相邻 的磁极或定子轭。
主磁通交链励磁 绕组和电枢绕组， 在电枢绕组中感 应电势，产生电
磁转矩。
影响饱和 程度
主磁通和漏磁通
主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁动势建立； φ0所走的路径气隙小，磁阻小； 漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；
漏磁系数:
k
1 0
;
p 0 k0
励磁磁势的计算*
磁路： 两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个 主极铁心和一个定子轭。
磁势： F HxLx
计算方法：1. 先求经过某一段的磁通； 2. 根据该段的截面积SX计算该段的磁密BX； 3. 由Bx在磁化曲线上查HX。
第5章 直流电机的运行分析
第5章直流电机的运行分析本章主要介绍直流电机的空载和负载磁场分布、直流电机的电枢绕组、电枢绕组的感应电动势和电磁转矩、直流电机的换向问题和电机稳态运行时的基本方程。
5.1直流电机的磁场磁场是电机感应电动势和产生电磁转矩，从而实现机电能量转换的重要因素之一。
电机的运行性能很大程度决定于电机的磁场特性。
因此，要掌握电机的运行原理必须了解电机的磁场，了解电机空载和负载运行时磁场的建立过程和磁场波形特点。
5.1.1空载时直流电机的磁场在直流电机空载运行时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁磁动势F f建立，由于励磁电流是直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。
这一磁场在一个极面下的空间分布如图5-1（a）所示，磁极面下气隙小且较均匀，故磁通密度较高，幅值为Bδ，而两极之间的气隙增加，磁通密度显著降低，从磁极边缘至几何中心线处，磁通密度沿曲线快速下降。
电机主磁极产生的磁通分成两部分，主磁通Φ通过气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组，是电机中产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。
另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气隙，总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向相邻的磁极，它只与励磁绕组交链，不与电枢绕组交链，故称磁极漏磁通Φσ。
（a）（b）图5-1直流电机的磁路（a）空载时极面下的磁通密度；（b）四极直流电机两极下的磁路直流电机的主磁路包括以下部分：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。
除气隙外，其它部分均由铁磁材料组成。
主磁路和漏磁路如图5-1（b）所示。
5.1.2负载时电枢电流的磁场当直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也将产生磁场，称作电枢磁场。
为了分析方便，认为电枢表面光滑（无齿槽），磁场分析略去换向器只画主磁极、电枢绕组和电刷。
电机空载磁场、电枢反应磁场和两者的合成磁场分布图如图5-2（a）、（b）、（c）所示，图5-2（c）的扭曲磁通清楚地表明了电枢反应磁场对磁通分布的影响。
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影响饱和 程度
主磁通和漏磁通
主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁动势建立； φ0所走的路径气隙小，磁阻小； 漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大； 漏磁系数:
k 1
0
;
p
0 k 0
二、电磁转矩
一根导体的平均电磁力：
f av B av l i i a
ia Ia 2a
作用在电枢上的总电磁力：
f f av N B av l i i a N
电磁转矩： M
M
em
em
f
D 2
B av l i i a N
D 2
D
2 p
在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均 匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在 此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐 渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁 密等于0。
引进极弧系数bp’和气隙卡氏系数
主磁场磁密的分布
空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间 的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算得到。
* 励磁磁势的计算
磁路： 两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个 主极铁心和一个定子轭。 磁势：
F
H x Lx
计算方法：1。先求经过某一段的磁通；
2。根据该段的截面积SX计算该段的磁密BX；
3。由Bx在磁化曲线上查HX。
气隙磁场
在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样， Bδ大小完全与气隙长度成反比。
：每极磁通
n 60
支路电势：
Ea pN
N 2a
e av
2 a li
li 2 p
N：总导体数 Ce：电势常数
60 a
n C e n
电枢电势的认识
Ea pN 60 a n Ce n
对电枢电势的认识：
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于 每极磁通φ （韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分 布无关。
H
B
二、空载时磁场分布
磁路从气隙1出发经－电枢齿 －电枢轭－电枢齿2－气隙2－ 主磁极2－定子轭－主磁极1， 最后又回到气隙1
直流电机空载时的磁场分布
磁通、磁路
主磁通、主磁路：由N极出 发， 经气隙进入电枢齿部， 经电枢铁心的磁轭到另外的 电枢齿，通过气隙进入S极， 再经定子轭回到原来N极。 漏磁通、漏磁路：不进入 电枢铁心，直接经过相邻 的磁极或定子轭。
电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙 磁场的影响。
具体表现： •使气隙磁场分布发生畸变；
•使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线 与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生 偏转； •呈去磁作用
§1－4 直流电机的感应电势 和电磁转矩
一、直流电机的电枢电势
电枢电势：直流机正、负电刷之间的感应电势， 即每个支路里的感应电势。
直流电机的磁场和磁路
磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、附加极绕 组、补偿绕组共同产生。 励磁绕组起主要作用。 （1）线圈套在铁心上产生磁场。磁力线集中在铁磁 物质内。 （2）磁路：使磁力线集中经过的路径。 （3）磁路计算：
H dl
n
I
1
H k l k IW
B
S
直流电机的磁场和磁路
一、励磁方式
直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以 直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不 同的联接，决定了不同的励磁方式。 不同的励磁方式， 电机的性能将不同。
励磁方式
I＝Ia
I＝Ia＝If
I=Ia+If
他励
串励
并励
I=Ia Ifc=Ia,I=Ia+Ifb; I=Ifc=Ia+Ifb 复励 永磁材料励磁
合成磁场的磁密波形
4 直轴电枢反应
增磁与去磁与电刷的旋转角度有关。
若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。 ★★直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小 角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将 是去磁的。 ★★而直流发电机的电刷若是逆转向偏移 一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的 作用将是增磁的。
直流电机的电枢反应
li
li
Ia 2a
N
2 p 2
pN 2a
I a C M I a
CM: 转矩常数
电磁转矩的认识
M
em
pN 2a
I a C M I a
一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每极 磁通和电枢电流， 与磁密分布无关。
饱和部分
Φ0
膝点
k;
(约1.1~1.35) Ff
F0’ Fδ’
三、直流电机负载时磁场
主极磁场
电枢磁场
合成磁场
电枢磁场、电枢反应的定义
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电 流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁 场的影响就称为电枢反应。 当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁 场和电枢两个磁场共同决定。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获引出，因此电 刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势 的轴线总是与电刷轴线相重合。
1. 交轴磁势
与主极轴线正交的轴线通常称为交轴 与主极轴线重合的轴线称为直轴；
2 直轴磁势
电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴分量
3 交轴电枢反应
N S 主极产生磁场的磁密波形
电枢绕组产生磁场的磁密波形
F ax 1 2 Da ( Ni
a
2 x)
B ax 0
F ax
计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁 密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。
直流电机的感应电势
具体计算： 一根导体：
e av B av l i v
v 2 p n 60
Bav：平均磁密；li：导体长度； v：电枢旋转线速度 n：电枢旋转速度（r/min)
N
B av l i
电势常数Ce和转矩常数CM决定于结构常数。 它们的关系为：
CM Ce 60 2
三、电磁功率
电枢电功率
Pem E a I a C e n I a 2 60 C M n I a M