最新电机学课件--清华大学教学讲义PPT
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电机学课件-清华大学
置。
02
伺服电机
伺服电机是一种将输入的电信号转换成旋转角度或线性位移的执行机构，
其工作原理是通过控制电机的输入电流或电压来控制电机的输出转矩和
转速，从而实现精确的位置控制和速度控制。
03
步进电机与伺服电机的比较
步进电机和伺服电机在应用上有所不同，步进电机适合于低精度、低成
本的应用场合，而伺服电机则适合于高精度、高可靠性的应用场合。
直流电机的分类
包括定子、转子、换向器等部分，其 中定子产生磁场，转子在磁场中旋转。
根据励磁方式的不同，可以分为永磁 式、电磁式和串励式直流电机。
工作原理
直流电机通过电流在磁场中受到的力 来产生旋转力矩，从而实现能量的转 换。
交流电机
交流电机的基本结构
包括定子、转子、轴承等部分，其中定子产生旋转磁场，转子在 磁场中旋转。
夹具等。
实验内容与方法
01
02
03
04
直流电机实验
通过测量电机的转速、电流、 电压等参数，分析电机的机械
特性和电磁特性。
交流电机实验
通过观察电机的启动、运行和 制动过程，分析电机的稳态和
动态特性。
变压器实验
通过测量变压器的变比、空载 电流、负载损耗等参数，分析
变压器的性能。
创新实验
学生自主设计实验方案，进行 探索性实验，培养创新能力和
制动控制
通过施加制动转矩使电 机迅速停止转动，包括 能耗制动、反接制动和 回馈制动等。
电机的调速方法
直流电机调速
通过改变电枢电压或励磁电流 来实现调速，包括可控硅整流
调速和直流斩波调速。
交流电机调速
通过改变电源频率、电压幅值或 相位差来实现调速，包括变频调 速、变压调速和变相调速等。
清华大学电机原理及拖动彭鸿才版课件
(4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以 保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可 以自由旋转.
(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向.
(1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承.
4.其他部分
(2).通风装置:作用是冷却电机.
为了说明方便,作下列规定: (1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的 导体称为S导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用 表示.
(2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.
综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.
2.直流电动机的基本工作原理
通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。
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⌒⌒⌒源自⌒⌒⌒⌒
(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向.
(1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承.
4.其他部分
(2).通风装置:作用是冷却电机.
为了说明方便,作下列规定: (1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的 导体称为S导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用 表示.
(2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.
综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.
2.直流电动机的基本工作原理
通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。
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⌒⌒⌒源自⌒⌒⌒⌒
电机学第1章1.ppt
3
2021/4/6
3、电机的发展
◇电机的发展:三个时期(1)直流电机形成(2)交流电机的
形成(3)电机理论、设计和制造工艺完善
▪ 电机的发展初期主要是直流电机的发展
▪ 电磁感应定律的发现——1831年法拉第电磁感应 定律
▪ 1833年后制成一台旋转磁机式直流发电机 ▪单相交流电的应用——远距离传输 ▪ 三相交流电的应用——解决电机启动问题
30
2021/4/6
感谢您的阅读收藏，谢谢！
2021/4/6
31
– 绝缘材料
27
2021/4/6
电路与磁路的类比
+ U
-
I R
+ F
-
Φ Rm
28
2021/4/6
概念思考
为什么说发电机和电动机的作用可以同时存在 于一台电机中，但又不能同时既是发电机又是 电动机
从能量传递，力的性质等方面考虑
29
2021/4/6
作业
1-1,1-4,1-8 (1-5，1-6)
4
2021/4/6
◇．电机的近代发展及趋势
▪ 单机容量不断增加——机组容量大时，单位容量的用料 （省）、损耗（小）、造价（低）
如汽轮发电机：
1900
5MVA
1956水内冷 208MVA
1920
25MVA 1960
320MVA
1937空气冷却 100MVA 目前
>1000MVA
氢气冷却 150MVA
9
2021/4/6
磁通连续性原理
由于磁感应线是闭合的，因此对任意封闭曲面 来说，进入该闭合曲面的磁感应线，一定等于 穿出该闭合曲面的磁感应线。如规定磁感应线 从曲面穿出为正，穿入为负，则通过任意封闭 曲面的磁通量总和必等于零
电机学课件--清华大学专业课课件-文档资料
第七章 直流电动机 单相异步电动机 步进电机
清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编
海南风光
第七章
电动机
§7.2 直流电动机 7.2.1 概述 7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
他励电动机和并励电动机的特性一样。
Uf
M U 他励
U E I a Ra E K EΦn T KTΦI a
Ra U n T 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T 即： n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
E K En
KE：与电机结构有关的常数 ：磁通 n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
以上两公式反映的概念： (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 E K En (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 U E K EΦn， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。
ห้องสมุดไป่ตู้ 7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩
T KTΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编
海南风光
第七章
电动机
§7.2 直流电动机 7.2.1 概述 7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
他励电动机和并励电动机的特性一样。
Uf
M U 他励
U E I a Ra E K EΦn T KTΦI a
Ra U n T 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T 即： n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
E K En
KE：与电机结构有关的常数 ：磁通 n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
以上两公式反映的概念： (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 E K En (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 U E K EΦn， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。
ห้องสมุดไป่ตู้ 7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩
T KTΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
《电机学课件》PPT课件
• 难点：电磁关系，磁动势，旋转磁场。
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
.
12
《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
05.12.2020
.
15
变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
05.12.2020
术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
05.12.2020
.
13
《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
.
12
《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
05.12.2020
.
15
变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
05.12.2020
术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
05.12.2020
.
13
《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。
电机学课件--清华大学专业课课件
（斜率变大），在相
同力矩下，n
Ra Ra + R
T
这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。 串励电机也可用类似的方法调速。
7.2.7 直流电动机的使用和额定值
一、使用
1.启动
启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则
I ast
UN Ra
IaN
Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。
法。
概念：改变磁通调速的方法— 减小磁通，n只能上调。
2.特性的变化
n n0 n
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
n
nn0n0'0''
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1
Φ
1
， n Φ 2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
n n0 n
其中 n0
转矩自动调整，以实现新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T
Ia
最后达到新的平衡点。
U E Ia Ra
T KTΦI a
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
7.2.5 机械特性
机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，
If
Ia
Uf M U
他励
措施：
他励直流电动机一定要有失磁保护。 一般在励磁绕组加失压继电器或欠 流继电器。当失压或欠流时，自动 切断电枢电源U。
清华大学交流电机暂态PPT第一章
——复杂电路Æ简单电路：等效纵、横轴阻尼绕组
（假设条件） （《电机学》）
——用等值电路来简化实际的复杂模型：变压器等
值电路、异步电机等值电路（正弦稳态电路）
——运算等值电路：含有算子ຫໍສະໝຸດ 阻尼绕组的简化电路d
q
d
笼形回路
假设
简化
1d和1q阻尼回路
等值电路
r1
x1
I 1
′ x2
I m
rm
r2′
′ I 2
磁导分析法
FΛ = Φ 对均匀磁路或磁路的微元：磁导
Φ Λ B= =F S S
→
EG = I
S Λ=μ l
G =σ
Fλ = B
•
μ0 隐极同步电机：气隙均匀，气隙长度δ恒定→ δ （常数） λδ =
1 λ = μ （导磁系数） l
S l
• 凸极同步电机：不同位置的气隙长度δ (x)不同
μ0 → λδ (x ) = δ (x )
交交变频同步电机系统的数学模型
•多回路模型
阻尼绕组：按原始的笼形回路列写方程
阻尼损耗
i1 i i3 i4 i5 i6
D 2 D D D D D
= = = = = =
i1 q + i 3 d i2 q + i2 d i 3 q + i1 i 3 q − i1 i2 q − i2 i1 q − i 3
K R
合K瞬间： iL (0+)= iL (0-)= i0 ——闭合回路磁链不能突变 合K后： diL + RiL = U sin(t + θ ) L
dt
iL , ∞ ( t ) =
iL ( t ) =
（假设条件） （《电机学》）
——用等值电路来简化实际的复杂模型：变压器等
值电路、异步电机等值电路（正弦稳态电路）
——运算等值电路：含有算子ຫໍສະໝຸດ 阻尼绕组的简化电路d
q
d
笼形回路
假设
简化
1d和1q阻尼回路
等值电路
r1
x1
I 1
′ x2
I m
rm
r2′
′ I 2
磁导分析法
FΛ = Φ 对均匀磁路或磁路的微元：磁导
Φ Λ B= =F S S
→
EG = I
S Λ=μ l
G =σ
Fλ = B
•
μ0 隐极同步电机：气隙均匀，气隙长度δ恒定→ δ （常数） λδ =
1 λ = μ （导磁系数） l
S l
• 凸极同步电机：不同位置的气隙长度δ (x)不同
μ0 → λδ (x ) = δ (x )
交交变频同步电机系统的数学模型
•多回路模型
阻尼绕组：按原始的笼形回路列写方程
阻尼损耗
i1 i i3 i4 i5 i6
D 2 D D D D D
= = = = = =
i1 q + i 3 d i2 q + i2 d i 3 q + i1 i 3 q − i1 i2 q − i2 i1 q − i 3
K R
合K瞬间： iL (0+)= iL (0-)= i0 ——闭合回路磁链不能突变 合K后： diL + RiL = U sin(t + θ ) L
dt
iL , ∞ ( t ) =
iL ( t ) =
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改变 的大小。
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
直流电机的优点：
（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 调速范围大的大型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
特性。
二、 串励电动机的机械特性
串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。
设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则
E KEΦn KE KΦIan T KTΦIa KT KΦIa2 n
U E IaRa
U Ia M
串励
n KTU Ra
T
KE KΦT KEKΦ
据此公式做出 T-n 曲线
(2) 恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比）， 要选软特性电机拖动。如：电气机车等。
7.2.6 直流电动机的调速
与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价 格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。 直流电动机调速的主要优点是：
（1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上
T KTΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
7.2.5 机械特性
机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，
下边以他励和串励电机为例说明。
If
Ia
一、 他励电动机的机械特性
Uf M U
他励电动机和并励电动机的特性一样。
U E IaRa
E
K
Φn
E
T K T ΦI a
他励
nKUEΦKTK RaEΦ2T
换向片
根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反， 其大小为：
EKEn
KE：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
以上两公式反映的概念：
直流发电机
用右手定则判 感应电动势Ea的方向
E
+ Ia N
E
电枢绕组UBiblioteka 电阻Ra–S
感应电动势
输出电压
EKEn UE IaRa
二、 直流电机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
电机学课件--清华大学
第七章 电动机
§7.2 直流电动机
7.2.1 概述
7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
7.2.1 概述
串励特性： (1) T=0时，在理想情况下，n。但实际上负
载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，
但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载
运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属
软机械特性。
n
T
直流电动机特性类型的选择: (1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机 械等。
即：nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）
n
根据 n-T 公式 画出特性曲线
nnN0
n
TN
T
当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
改变E，只能改变 或 n。 (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U EEK EK E nΦ，n
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
7.2.4 电磁转矩 一、电磁转矩 T KTΦIa
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
TTL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
转矩自动调整，以实现新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
If
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系
一、 电枢中的感应电动势
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
（调速比等于最大转速和最小转速之比）。
下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。
一、改变磁通（调磁）
1.原理
If
Ia
Uf M U
他励
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
其中： =K If
由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情 况下，改变 可改变 n 。在励磁回路中串
上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
直流电机的优点：
（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 调速范围大的大型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
特性。
二、 串励电动机的机械特性
串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。
设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则
E KEΦn KE KΦIan T KTΦIa KT KΦIa2 n
U E IaRa
U Ia M
串励
n KTU Ra
T
KE KΦT KEKΦ
据此公式做出 T-n 曲线
(2) 恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比）， 要选软特性电机拖动。如：电气机车等。
7.2.6 直流电动机的调速
与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价 格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。 直流电动机调速的主要优点是：
（1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上
T KTΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
7.2.5 机械特性
机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，
下边以他励和串励电机为例说明。
If
Ia
一、 他励电动机的机械特性
Uf M U
他励电动机和并励电动机的特性一样。
U E IaRa
E
K
Φn
E
T K T ΦI a
他励
nKUEΦKTK RaEΦ2T
换向片
根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反， 其大小为：
EKEn
KE：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
以上两公式反映的概念：
直流发电机
用右手定则判 感应电动势Ea的方向
E
+ Ia N
E
电枢绕组UBiblioteka 电阻Ra–S
感应电动势
输出电压
EKEn UE IaRa
二、 直流电机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
电机学课件--清华大学
第七章 电动机
§7.2 直流电动机
7.2.1 概述
7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
7.2.1 概述
串励特性： (1) T=0时，在理想情况下，n。但实际上负
载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，
但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载
运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属
软机械特性。
n
T
直流电动机特性类型的选择: (1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机 械等。
即：nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）
n
根据 n-T 公式 画出特性曲线
nnN0
n
TN
T
当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
改变E，只能改变 或 n。 (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U EEK EK E nΦ，n
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
7.2.4 电磁转矩 一、电磁转矩 T KTΦIa
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
TTL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
转矩自动调整，以实现新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
If
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系
一、 电枢中的感应电动势
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
（调速比等于最大转速和最小转速之比）。
下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。
一、改变磁通（调磁）
1.原理
If
Ia
Uf M U
他励
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
其中： =K If
由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情 况下，改变 可改变 n 。在励磁回路中串
上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而