电机学第3章直流电机资料
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电机学第3章直流电机
空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材 料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的 大小和形状。 磁极中心及附近的气 隙小且均匀，磁通密度较 大且基本为常数，靠近极 尖处，气隙逐渐变大，磁 通密度减小；极尖以外， 气隙明显增大，磁通密度 显著减少，在磁极之间的 几何中性线处，气隙磁通 密度为零。
y yk
k 1 p
• 画出4极15槽单波左行 绕组展开图 分析：合成节距 y＝ （k －1）/P＝（15－1） /2＝7（槽）（左行） 第一节距 y＝ Z/(2P)+ε=15/43/4=31（槽）采用短距 绕组(y1<τ) 第二节距 y2＝y－y1＝ 4（槽）； • 小结：常用直流电机绕 组型式的支路数2a。 单叠绕组：2a=2p； 单波绕组：2a=2； 双叠绕组：2a=4p； 双波绕组：2a
极靴 几何中性线
极身
（a）气隙形状
空载时的气隙磁通密度为 一平顶波，如下图(b) 所示。
空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图(c) 所示。
为了感应电动势或产生电磁转 矩，直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。
发电机：是指输出额定电压；
额定转速 nN 在额定电压下，运行于
在额定状态下运行时，可以保证各电气设备 长期可靠地工作 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期 会影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量 不能充分利用，会降低效率； 当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。 又叫额定负载状态
3单波绕组
• 单波绕组：相邻联接的两个元件呈波 浪形 • 单波绕组的连接规律是从某一换向片 开始，把相隔约为一对极距的同极性 磁极下对应位置的所有元件串联起来， 直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰 好回到开始换向片的相邻换向片上。 然后，从该换向片开始，继续绕连， 一直把全部元件联完，最后又回到开 始出发的那个换向片，构成一个闭合 回路。 • 右行绕组端接交叉，且比左行绕组端 接线略长，故波绕组常用左行绕组。 对应元件边处于同极性主的磁极下， 所以其合成节距应接近或等于一对极 的距离，但不能正好等于二倍极距。 （如果相等的话无法绕下去）
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
《直流电动机》 知识清单
《直流电动机》知识清单一、直流电动机的定义与工作原理直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转电机。
它依靠直流电源供电，通过电磁作用来实现转动。
其工作原理基于安培力定律和电磁感应定律。
当直流电流通过电动机的电枢绕组时，会在绕组周围产生磁场。
同时，电动机内部的永磁体或励磁绕组产生的磁场与电枢绕组产生的磁场相互作用，从而产生电磁转矩，驱动电枢旋转。
二、直流电动机的结构组成1、定子定子是电动机中固定不动的部分，主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。
主磁极提供主磁场，通常由永磁体或励磁绕组构成。
换向极用于改善换向性能，减小电刷与换向器之间的火花。
机座起到支撑和固定的作用。
电刷装置用于将直流电源引入电枢绕组。
2、电枢电枢是电动机的转动部分，主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。
电枢铁芯由硅钢片叠压而成，用于减少涡流损耗。
电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩的关键部件。
换向器则用于将电枢绕组中的交流电动势转换为直流电动势，并保证电流在电刷间的换向。
3、气隙气隙是定子和电枢之间的空隙，它的大小对电动机的性能有重要影响。
三、直流电动机的励磁方式1、他励直流电动机励磁绕组由独立的直流电源供电，励磁电流不受电枢电流的影响。
2、并励直流电动机励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢电压。
3、串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，这种电动机具有较大的启动转矩。
4、复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组，综合了并励和串励电动机的特点。
四、直流电动机的机械特性机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。
1、自然机械特性在额定电压和额定励磁电流下，电动机的转速随电磁转矩的变化曲线。
2、人为机械特性通过改变电枢电压、励磁电流或电枢回路电阻等参数得到的机械特性。
五、直流电动机的启动启动时需要较大的启动转矩，但过大的启动电流会对电机和电源造成损害。
常见的启动方法有：1、全压启动直接将额定电压加在电枢两端，这种方法简单，但启动电流很大，一般只适用于小容量电机。
第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。
3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。
3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。
3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。
对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。
当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。
如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。
3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。
但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。
电机学第3章第1学期直流电机PPT课件
结构较复杂
直流电机
成本较高 可靠性稍差
使它的应用受到 限制
5
3.1 直流电机的工作原理及结构
1. 直流电动机的工作原理
电刷
＋ U －
N
S 换向片
N
＋
U
－
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
6
直流电机模型
磁极
产生旋转
支柱
半环形 金属环
7
直流电机模型
转轴
换向片
电刷
8
直流电机模型
转向 电流方向 换向片
线圈 磁极
③ 换向器 ④ 转轴与风扇
(a) 转子主体 直流电机的转子
19
(b) 电枢铁心冲片
20
21
电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。
构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530 或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。
电枢绕组
作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用
电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。
（1）第一节距y1
一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称 为第一节距，用y1表示。
常采用短距绕组，可节省用铜。
y1
y1
Zi 2p
=整数
y1
整距绕组 短距绕组 长距绕组
+ Ia
If +
+ I Ia If
他 Ua
M
Uf
U
M
并
励－
－
－
励
+I
串U
励－
Ia
M
电机学第三章直流电机
t 2 电枢绕组的元件和节距 secre 3 单叠绕组举例
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
重大电机学第三章直流电机
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
2)、对主磁场起去磁作用
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，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。
单波绕组的并联支路图
一、直流电机的空载磁场 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：
01
04
02
03
定状态下运行时，电机的输出功率，以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN
对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN
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。
合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。
第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。
第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。
额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。
电机学第五版第3章 直流电机
2.转矩方程
发电机情况下 电磁转矩为制动转矩，有
— 原动机的驱动转矩； — 电机本身的机械阻力转矩； — 为电磁转矩。 电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩，有
图3-29 直流电机的电磁转矩和外施转矩 a)发电机 b)电动机
— 电动机轴上的负载转矩。
3.电磁功率
电磁功率用 因
表示，则 ，得
发电机： 机械能 电动机： 电能
1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节 3.直流电动机的制动
1.直流电动机的起动
直流电动机常用的起动方法： （1）直接起动； （2）电枢回路接入变阻器起动； （3）降压起动。
图3-48 三点起动器 及其接线图
2.直流电动机转速的调节
从直流电动机的转速公式
可知，调速方法有两种： (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
式中 令
为电枢绕组的总导体数， 为平均气隙磁密，
为并联支路对数。
则上式改写为
将
代入上式得出
1.电枢绕组的感应电动势
电动势公式 ：
式中：
— 每极的总磁通量；
— 电动势常数；
— 电动势公式。
2.电枢的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距
为
式中， — 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩
3.串励电动机的运行特性
串励电动机的特点是，电 枢电流、线路电流和励磁 电流三者相等
图3-42 串励电动机 的接线图
3.串励电动机的运行特性
图3-43 串励电动机的工作特性
3.串励电动机的运行特性
图3-44 串励电动机的机械特性
电机学直流电机3-直流发电机
If
A
I Ia A
S
V
RL
rj
1
3-1 他励直流发电机的特性
一、他励发电机的空载特性（开路特性）是怎样的？
n = 额定转速，I = 0 条件下，端电压与负载电流之间的关系曲线U = f ( If ) 称为空载特性。 空载特性与电机主磁路的磁化曲线 F = f ( Ff ) 具有相似性。 空载特性反映了电机的饱和情况。额定工作点一般在曲线弯曲处。
Ia
I
n
Ea
If
Rc
U
Rf
U UN
4
2
1
3
IN
I
7
直流电机例题 3
3－1 一台并励直流发电机的额定数据为： PN 100kW ，额定电压 UN 230V
并励绕组的每极匝数为 Nb 940 ，空载时建立额定电压需要的励磁电流 I fN 7A
而在满载时建立额定电压需要的励磁电流为 I f 8.85A
现欲将该电机改成平复励发电机，每极串联匝数应取多少？
发电机端电压随负载变化而变化的幅度可用电压变化率 U 来衡量。n =nN，I=IfN 时，发电 机从额定负载过渡到空载时，端电压的变化值对额定电压的百分比。
他励发电机的电压变化率U 一般在5％～10％。
U Ea Ra Ia CenN Ra I
U U0 U N 100% UN
Ia
U
If
Ea U
一、什么叫自励？
自励：励磁绕阻并接于电枢绕组两端，由发电机本身的端电压提供励磁，而发电机的端电压 又必须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的 U = 0 到正常运行时U 为一定值， 有一个自己建立电压的过程, 这一过程称为自励过程。
电机学 第三章 直流电机 2
5、画绕组电路图（并联支路图）
• 单叠绕组元件连接顺序
＋y
上层元件边
＋y 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1 闭合
下层元件边
＋y
2
5 6 ＋y
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
• 单叠绕组的特征： 绕电枢一周， 所有元件串联构成一闭合回路。
第3章 直流电机 • 单叠绕组的电路图
第3章 直流电机
Thanks for your attention!
谢谢 ！
1
2
3
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5
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9
10 11
12 13
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第3章 直流电机 • 放完所有元件
1
2
3
4
5
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12 13
14
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16
第3章 直流电机 • 画换向片，注意宽度，注意对应关系
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12 13
14
15
16
15 16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12 13
14
第3章 直流电机
第3章 直流电机
[解] 基本过程分为三大步五小步
机电传动第三章直流电机PPT课件
流）。
注意：各部件的作用。
.
21
结构 细说
转轴
风叶 磁极 电刷 换向器
换向片
电枢转子
换向器
压紧环.
电枢绕组
绕组端部
22
• 静止部分（称为定子）
– 产生磁场和构成磁路 ,电机机械支撑
• 旋转部分（称为转子）
– 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换
• 定子和转子之间间隙 （称为空气隙）
– 气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重 要组成部分
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
.
45
2、人为机械特性
• 人为机械特性是指人为改变（3·13）中的 相关参数得到的机械特性。人为改变电机 的机械特性是为了满足启动、停止、调速 等使用要求。
• 在（3·13）中可改变的有电压U、励磁φ和 电阻R。
产生电磁转矩，称为主磁通 0，
.
28
2、漏磁通：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，称为漏磁通 σ .
.
29
.
30
空载时每极主磁通为：
.
31
3、电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为 电枢反应。 而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴 电枢反应和直轴电枢反应，
（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
.
9
§3.2 工作 原理
一、 工作原理
电刷
+
U
N I
I
–
电机学-直流电机
合成节距与换向节距相等 yk ＝ y
左行
y
yK
K -1 p
右行
y
yK
K 1 p
单波绕组元件
直流电机-电枢绕组
➢ 单叠绕组
并联支路数恒等于2，并联支路数a==1
单波绕组电路图
单波绕组展开图
➢ 总结
直流电机-电枢绕组
直流电机的电枢绕组总是自成回路; 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；
直流电机-励磁方式
➢ 励磁方式
主磁极的励磁方式有永磁式和电励磁两种。电励磁式是给励磁绕组供电，产生励磁 磁动势而建立主磁场的方式。根据供电方式的不同，它又可以分为他励和自励两类，而自励 又被分为并励、串励和复励三种。
他励
I Ia
并励
I Ia +I f
串励
I Ia =I f
复励
I I f ' =Ia +I f
主磁极的中心线称为直轴，相邻N极和S极的分界线称为
交轴。
直流电机-磁动势和磁场
➢ 电枢磁动势和磁场（电刷位于几何中性线）
N
Hdl D 2x ia
Nia 2x A 2x
D
Fax
1 2
A2x
Ax
Faq
Fa
A
2
τ= D/2p
Bax
0Hax
0
Fax
k
直流电机-磁动势和磁场
➢ 负载气隙磁场（电刷位于几何中性线）
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是空载时通过正、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，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于 几何中线上的导体相接触。
左行
y
yK
K -1 p
右行
y
yK
K 1 p
单波绕组元件
直流电机-电枢绕组
➢ 单叠绕组
并联支路数恒等于2，并联支路数a==1
单波绕组电路图
单波绕组展开图
➢ 总结
直流电机-电枢绕组
直流电机的电枢绕组总是自成回路; 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；
直流电机-励磁方式
➢ 励磁方式
主磁极的励磁方式有永磁式和电励磁两种。电励磁式是给励磁绕组供电，产生励磁 磁动势而建立主磁场的方式。根据供电方式的不同，它又可以分为他励和自励两类，而自励 又被分为并励、串励和复励三种。
他励
I Ia
并励
I Ia +I f
串励
I Ia =I f
复励
I I f ' =Ia +I f
主磁极的中心线称为直轴，相邻N极和S极的分界线称为
交轴。
直流电机-磁动势和磁场
➢ 电枢磁动势和磁场（电刷位于几何中性线）
N
Hdl D 2x ia
Nia 2x A 2x
D
Fax
1 2
A2x
Ax
Faq
Fa
A
2
τ= D/2p
Bax
0Hax
0
Fax
k
直流电机-磁动势和磁场
➢ 负载气隙磁场（电刷位于几何中性线）
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是空载时通过正、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，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于 几何中线上的导体相接触。
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。
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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
电机学 第三章 直流电机 1
注意几点：
可以产生连续电磁转矩；
电刷间电流为直流电；
线圈内电流为交流电。
第3章 直流电机
3.脉动的减小
N A B1 e
eB B
1
2
B2 X
S
电枢上有2个槽、1个线圈
0
eAX
电刷间电动势脉动较大
wt
第3章 直流电机
N A B1 Y B2 X B e
eB B
1
2
eAX eBY
S
0
wt
电枢上有4个槽、2个线圈
第3章 直流电机
有换向器和电刷
• 换向片：半圆形 • k1换向片连接线圈a端 • k2换向片连接线圈d端
• 换向片和线圈一起旋转
• 电刷空间位置不动 • 电刷A总是连接N极下导体，正 • 电刷B总是连接S极下导体，负 电动势满足右手定则
结果：输出直流电！！！
第3章 直流电机 加换向器后电动势波形 • 脉动的直流电 N A B1 e
解决途径：无刷化—无刷直流电机
第3章 直流电机
三、励磁方式
直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机 的运行特性有大的影响 • 如何形成主极磁场 永磁式 励磁方式 电磁式 自励式 他励式 并励式 串励式 积复励 复励式 差复励
第3章 直流电机
• 永磁式 - 用永磁体 - 粘接到机壳上 - 小功率中最常用的
第3章 直流电机
四、直流电机的额定值
• 额定值 —为使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行 性能，制造厂家对电气设备在指定工作条件下运行时规定的 一些量值 • 额定值通常标在铭牌上，又叫铭牌值
第3章 直流电机
四、直流电机的额定值
• 额定功率PN： 输出功率; kW • 额定电压UN：额定状态下出线端电压；V • 额定电流IN：额定状态下出线端电流；A
直流电机篇PPT课件
电机振动或噪声过大
常见问题 诊断方法 修复措施
电机振动或噪声过大可能是由于机械松动、转子不平衡 、轴承损坏等原因所致。
诊断电机振动或噪声过大的方法包括观察法、听觉法、 触摸法等，通过这些方法可以初步判断故障原因。
针对不同的故障原因，采取相应的修复措施，如紧固松 动部位、重新平衡转子或更换轴承等，以消除振动或噪 声。
05
直流电机常见故障与维护
电刷与换向器磨损
正常磨损 磨损原因 维护建议
电刷和换向器在电机运行过程中会发生正常磨损，这是 由于电流通过电刷与换向器接触产生摩擦所致。
电刷与换向器的磨损主要与电流大小、电刷压力、换向 器表面粗糙度以及电机运行环境有关。
为减缓电刷与换向器的磨损，应定期检查电刷和换向器 的磨损情况，保持适当的电刷压力和换向器表面粗糙度 ，并确保电机运行环境良好。
铁芯通常由硅钢片叠 压而成，以减小磁阻 和减少能量损失。
转子
转子是直流电机的旋转部分， 通常由铁芯和绕组组成。
铁芯同样由硅钢片叠压而成， 以减小磁阻和减少能量损失。
绕组则通常由绝缘导线绕制而 成，以产生磁场。
换向器
换向器是直流电机的重要部件之一，主要作用是将电刷上的直流电流转换为绕组上 的交流电流，以实现电流方向的改变。
电机过热或冒烟
01
严重故障
02
电机过热可能是由于负载过大、通风不良、轴承损坏等原 因所致，冒烟则可能是由于电机内部短路或严重过载引起 。
03
预防措施
04
为预防电机过热或冒烟，应定期检查电机运行状况，确保 通风良好，避免超载运行，并定期更换轴承等易损件。
05
处理方法
06
一旦发现电机过热或冒烟，应立即停机检查，找出故障原 因并排除，同时对电机进行全面检修和保养。
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
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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2直流电机的主要结构
电刷盒
3直流电机的励磁方式
• • • •
他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。 并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。 串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。 复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。 先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联） 为短复励；先串在并是长复励。如果Fs（串）和Ff（并）方向一 致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。
• 直流电机的用途：视频
• 1基本工作原理
• 定子上有磁铁（主磁极）和电刷。 • 转子有环形铁心和铁心上的绕组。 • 左图表示一台最简单的两极直流电 机模型， • 定子上，装设了一对直流励磁的静 止的主磁极N和S， • 转子上装设电枢铁心。定子与转子 之间有一气隙。在电枢铁心上放置 电枢线圈，线圈的首端和末端分别 连到两个圆弧形的铜片上，此铜片 称为换向片。换向片之间互相绝缘， 由换向片构成的整体称为换向器。 换向器固定在转轴上，换向片与转 轴之间亦互相绝缘。 • 在换向片上放置着一对固定不动的 电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢 线圈通过换向片和电刷与外电路接 通。
发电机：是指输出额定电压；
额定转速 nN 在额定电压下，运行于
在额定状态下运行时，可以保证各电气设备 长期可靠地工作 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期 会影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量 不能充分利用，会降低效率； 当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。 又叫额定负载状态
第3章 直流电机
• • • • • • • • 3.1直流电机的基本工作原理和结构 3.2直流电枢绕组 3.3直流电机磁场 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5直流电机基本方程 3.6直流电动机的运行特性 3.7直流电动机的起动、调速、制动 3.8直流电机的换向
3.1直流电机的基本工作原理和结构
eXA
2
3
Байду номын сангаас
图3-2a 线圈电动势的波形
图3-2b
电刷间的电动势波形
直流发电机
• （1）线圈中的电动势和 电流都是交流电，通过换 向片及电刷作用产生的直 流电动势及直流电流。 • （2）感应电动势和电流 的方向始终一致。 • （3）电磁电流产生的磁 U 场在空间上是一个恒定不 变的磁场。 • （4）电磁力制动性质与 转子转向相反，原动机必 须输入机械功率克服电磁 力矩制动作用使转子恒速 旋转产生电能。
• 归纳：（1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 • （2）电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p) 是一个偶数.注：a－支路对数 ；p－极对数 • （3）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相 接触。 • （4）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流 电势。
单波绕组
y y1 y2
单叠绕组
y y1 y2
2.单叠绕组
E +
Ia
N
E
–
S
直流电动机工作原理 在磁场作用下，N极性下导体 直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左，S 极下导 成机械能的旋转机械。 体cd受力方向从左向右。该电磁 把电刷A、B接到直流电源上， 力形成逆时针方向的电磁转矩。 电刷A接正极，电刷B接负极。此 当电磁转矩大于阻转矩时，电机 时电枢线圈中将电流流过。 转子逆时针方向旋转。 电刷
4直流电机的额定值
指轴上输出 电动机 指电刷间输出的 发电机 额定条件下电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率 额定电压 UN
额定功率 PN
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流 IN
额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下，运 电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 电机铭牌上还标有其它数 额定励磁电流 I fN 据，如励磁电压、出厂日 对应于额定电压、额定电流、额 期、出厂编号等。 定转速及额定功率时的励磁电流
Z 2p
基本术语：
第一节矩y1:元件的两条有效边在电 枢表面上所跨的距离称为第一节矩。 用槽数来表示。当y1 =τ，为整矩绕 组，当y1 <τ为短矩绕组。因为短矩 绕组有利于换向，尚能节省部分端部 用铜，故常被采用。ε为小于1的分 数。 Z y1
2p
第二节矩y2:在相串连的两个元件中， 第一个元件的下层边与第二个元件的 上层边在电枢表面上所跨的距离，称 为第二节矩y2，用槽数表示。 合成节矩y：相串连的两个元件的对 应边在电枢表面所跨的距离，称为合 成节矩y。用槽数表示。 换向器节矩yk:每个元件的首末两端 所连接的两片换向片在换向器表面上 的距离，用换向片数表示。注：换向 器的节距总是等于合成节矩。y=yk
长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过 载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运 行于额定状态或额定状态附近，此时电机的 运行效率、工作性能等比较好。
3.2 直流电机的电枢绕组
• 1.直流电机绕组的构成
• • 电枢绕组是直流电机的电路部分，实现机电能量转换的枢钮。 直流电机电枢绕组分三种形式：叠绕组、波绕组、混合绕组。 绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。 电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。 元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有 效边是指线圈的直线部分。 端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。 上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个 有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。 槽数Z=元件数S=换向片数K 极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示 p为 主磁极极对数
+ U –
换向片
N
I
I
S
直流电动机
• • • • • • （1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 （交 流）流过。换向片和电刷起逆变作用。 （2）从空间上看，电枢电流产生的磁场是一个恒定磁场。 （3）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与 电枢电流方向相反。 （4）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是 驱动性质。