直流电机工作原理与基本理论
电机学-直流电机原理与绕组
几何中性线
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
+－
+
－
N
+S
－N
S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
+
－
整理课件
－
电路图
结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图
每个极下的元件组成一条支路。 即单迭绕组的并联支路数正好等 于电机的极数。 这是单整迭理课绕件组的重要特点之一。
D a (弧长)
2p
Z （槽数）
2p
（电角度）
整理课件
有关电枢绕组名词、术语
元件（线圈）：
第一节距y1 y1
每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离， 常用槽数来表示
第二节距y2（y2<0）
联接在同一个换向片上两个不同元件的元件 边在电枢表面跨过的距离
合成节距y： y=y1+y2
0
整理课件
A
If0 If
I fN F f 0 IN
直流电机的空载磁场
空载时，励磁磁动势主要消
耗在气隙上。当忽略铁磁材料的
极靴
磁阻时，主磁极下气隙磁通密度
极身
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
几何中性线
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，
（a）气隙形状
整理课件
三、直流电机的额定值
额定容量PN： 输出功率 额定电压UN：额定状态下出线端电压； 额定电流IN：额定状态下出线端电流； 额定转速n： 额定状态下的电机转速
★
直流发电机： 电功率PN＝UN·IN 直流电动机： 机械功率PN＝UN·IN ·
直流电动机(原理)
电动机 PN U N I N N 103 kW 发电机 PN UNIN 103 kW
2、直流电动机工作原理
2、直流电动机工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。 此时电枢线圈中将有电流流过。 在磁场作用下，有导体产生F=BIL。该电磁力形成电磁转矩,使 电机转子旋转。
思考：电磁力的方向怎么判断？大小与哪些因素有关？分析转动过程？
换向极绕组与电枢绕组串联, 换向磁极的作用是消弱电枢磁场。
（3）电刷装置 与换向器配合,完成交直流的互换。数目与主磁极相同。
电刷座
电刷
3.转子 又称为电枢
（1）电枢铁心
既是主磁路的一部分， 又可以放置电枢绕组。 （2）电枢绕组 电枢绕组与换向器联结。 主要作用产生感应电动势和电 磁转矩，实现机电能量的转换。 （3）换向器 换向器由许多彼此绝缘的钢 质换向片组成一个圆柱体，装在 转子转轴的一端，与电刷装置配 合,完成直流与交流的互换。
二、直流电动机的种类和铭牌
1. 直流电机绕组端子标号： 电枢绕组：始端A1－末端A2 ；换向绕组：始端B1－末端B2 ； 补偿绕组：始端C1－末端C2 ；串励绕组：始端D1末端D2 ； 并励绕组：始端E1－末端E2 ；他励绕组：始端F1－末端F2 2.直流电动机的分类 直流电动机按产生磁场的方式来进行区分，分为两大类：他励和自励。 他励是指通入电动机定子中，产生磁场的电 流If与通入电动机转子，产生转矩的电流 Ia分 别由两个电源提供。 他励的特点是,励磁电流If的大小与 电枢电压U及负载等参数无关。
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1章 直流电动机基本理论及结构
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1.1 直流电动机的原理与结构
电动机铭牌上所标的数据为额定数据.具体含义有以下几点。 电动机铭牌上所标的数据为额定数据 具体含义有以下几点。 具体含义有以下几点 1.型号 型号 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯 数字表示。 数字表示。 2.直流电动机的额定值 直流电动机的额定值 (1)额定功率 N是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的 额定功率P 额定功率 机械功率.又称为额定容量 又称为额定容量(W) 机械功率.又称为额定容量(W) 。它等于额定电压和电流的 乘积再乘上电动机的效率. 乘积再乘上电动机的效率 (2)额定电压 N是指电动机寿命期内安全工作的最高电压 额定电压U 额定电压 (V). (3)额定电流 N是指电动机轴上带有额定机械负载时的输人 额定电流I 额定电流 电流(A). 电流 (4)额定转速 N是指在额定电压、额定电流和额定输出功率 额定转速n 额定转速 是指在额定电压、 的情况下电动机运行时的旋转速度(r/min) . 的情况下电动机运行时的旋转速度
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1. 2 直流电动机电枢绕组
1.2.2 电枢绕组的基本要求及绕制规则
对电枢绕组的基本要求是:一方面能够产生足够大的电动势 对电枢绕组的基本要求是 一方面能够产生足够大的电动势. 一方面能够产生足够大的电动势 通过一定大小的电流.产生足够的转矩 产生足够的转矩;另一方面要尽可能节 通过一定大小的电流 产生足够的转矩 另一方面要尽可能节 约材料.结构简单 结构简单。 约材料 结构简单。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 元件边放在槽内.能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘ 能切割磁力线产生感应电动势.称为“‘有 元件边放在槽内 能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘有 效边” 端接线放在槽外 不切割磁力线.仅作为连接线使用 端接线放在槽外.不切割磁力线 仅作为连接线使用。 效边”;端接线放在槽外 不切割磁力线 仅作为连接线使用。 为了便于嵌线.每个元件的一个边放在某一个槽的上层 每个元件的一个边放在某一个槽的上层.称为 为了便于嵌线 每个元件的一个边放在某一个槽的上层 称为 上层边.另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。 另一个边则放在另一个槽的下层.称为下层边 上层边 另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。绘图 为了表达清晰.将上层边用实线表示 时.为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
电机学
产生: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磁转矩。
pN ΦI a CT ΦI a 大小: Tem 2 πa pN 其中C T 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
Ce为电势的结构常数， 由绕组结构决定。可 见感应电势正比于每 极磁通量和转子转速。 这一感应电势公式把 电量Ea、机械量n、磁 场量Φ联系起来了。
第2章 直流电机的基本理论 一、电枢绕组的感应电动势
设气隙磁场的分布所示，则每 根导体的感应电动势为 式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
v
l
— 导体的有效长度； — 导体相对气隙磁场的速度。
第2章 直流电机的基本理论 二、发电机功率平衡方程
功率流程图（永磁式时）
第2章 直流电机的基本理论
功率平衡方程 P1=PM+pm+pFe+pΔ=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+pΔ =P2+Σp 电磁功率PM：从机械功率转化为电功率的那一部分功 率,它是能量形态变化的基础。 PM= TΩ=CTΦIaΩ=pN/(2πa)ΦIa*(2πn/60) =pN/(60a)ΦnIa= EaIa
第2章 直流电机的基本理论 2.4电枢绕组中的感应电势
• 当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕 组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。 • 由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应 电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之 和。 • 本节将推导感应电势的计算公式。
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。
电机学 Electric machinery
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
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
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；
4极直流电机的结构_理论说明以及概述
4极直流电机的结构理论说明以及概述1. 引言1.1 概述在现代工业中，电动机作为一种重要的动力设备，被广泛应用于各个领域。
而4极直流电机作为一种常见而有效的电动机类型，具有结构简单、启动转矩大以及调速范围广等优点，因此在许多场合下受到广泛关注和使用。
本文将对4极直流电机的结构、理论原理以及概述进行详细说明和分析。
首先，我们将介绍4极直流电机的整体结构，并详细讨论其外壳和定子结构以及转子结构。
随后，我们将解释磁场产生的机制，并探讨其与电流之间的关系。
接下来，我们将对4极直流电机的理论原理进行深入分析。
我们将解析其工作原理，并研究磁场变化与电流之间的相互关系。
此外，我们还会对转速稳定性进行分析，以了解该类型电机在不同负载情况下的性能表现。
最后，在本文的概述部分中，我们将探讨4极直流电机在实际应用领域中的具体应用情况，并评估其优势与劣势。
我们还将探讨该技术的发展趋势和前景，以展望其未来在工业领域的应用潜力。
通过对4极直流电机结构、理论说明和概述的研究，我们可以更全面地了解并认识这一类型的电机，并为其在实际应用中提供有价值的参考和指导。
因此，本文具有一定的理论与实践意义，并对相关领域的学者、工程师和研究人员具有一定参考价值。
2. 4极直流电机的结构2.1 外壳和定子结构4极直流电机是一种将电能转化为机械能的设备，其结构主要由外壳和定子组成。
外壳通常由金属材料制成，具有良好的散热性能和机械强度，以保护内部元件不受外界环境影响。
定子是电机的固定部分，也称为齿轮组。
它由绕组和铁芯组成。
绕组是多股导线经过特定的方式绕制而成，通过通入电流产生磁场。
2.2 转子结构转子是直流电机中的旋转部分，包括转子轴、绕组及磁极等。
转子轴通常使用高强度材料制成，以承受机械载荷并确保正常运行。
绕组则与定子绕组相连接，在通入电流后产生力矩使得转子旋转。
磁极是固定在转子上的磁体，根据应用需求可有多个磁极。
2.3 磁场产生机制在4极直流电机中，磁场产生是通过将直流电源连接到定子绕组上来实现的。
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
直流电机的原理
直流电动机直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表动玩具等。
1.电磁式直流电动机电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成，电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。
根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。
因励磁方式不同，定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的规律也不同。
串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。
其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。
可通过用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。
并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。
转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。
转速变化率较小，为5%~15%。
可通过消弱磁场的恒功率来调速。
他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。
转速变化也为5%~15%。
可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。
复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。
串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。
转速变化率为25%~30%(与串联绕组有关)。
转速可通过消弱磁场强度来调整。
换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
电机基本理论、直流发电机
鼠笼式：如铸铝形成转子绕组
2.转子
绕线式
定子三相绕组通入三相交流电
i A I m si nt
i B I m si nt 120
A
iA
i C I m si nt 240
A
Z X Y B
B X
Y
Z
iC C
iB
C
4.2
电机基本理论
4.2.1直流电机基本理论 4.2.2交流电机基本理论 4.2.3电机在飞机上的应用和发展
一、交流发电机的工作原理
在交流电机中，一般 电枢是定子，磁极装 在转子上。 励磁绕组上通直流电， 产生旋转磁场。定子 上的三相绕组A1A2、 B1B2、C1C2产生稳定 的三相感应电动势。
二、交流电动机的工作原理（以三相异步电动机为例）
1.定子
三相绕组
A ----X B ----Y C---- Z
4.2
电机基本理论
4.2.1直流电机基本理论 4.2.2交流电机基本理论 4.2.3电机在飞机上的应用和发展
电机是一种与电能密切相关的能量转换装置，可以实现电能 和机械能、电能和电能之间的转换； 机械能电能 电能机械能 发电机 电动机
电能分直流、交流。电机也分直流与交流。
发电机
电动机
分类
（一）按照能量转换和信号传递所起的作用分类 1. 发电机 将机械能转换为电能。 2. 电动机 将电能转换为机械能。 3. 变压器、变流器、变频机、移相器 变换电压、电流、频率、相位。 4. 控制电机 作为自动控制系统的控制元件，起检测、放大、 执行和校正作用。
4.3
直流发电机
4.3.1直流发电机的结构 4.3.2直流发电机的工作原理 4.3.3直流发电机的工作特性
第3章 直流电机原理
电机与拖动基础
结论：
由于静止电刷和旋转换向器的作用，
eBA 为脉动的直流电动势。
电机与拖动基础
直流电动势产生
1) 线圈内感应电动势的 性质； 2) 整流：机械式和电子 式；导电片又叫换向片 3) 脉振电动势的消除— —多线圈
按照一定的规律把它们连接起来，构成电枢绕组。
若流过电机的电流大于额定值，叫过载运行，损坏电 机。
电机与拖动基础
例3.1、直流发电机，PN=145KW，UN=230V， nN=1450r/min，ηN=90%，求该发电机的输入功率P1， 额定电流IN各为多少？
例3.2、直流电动机， PN=160KW，UN=220V， ηN=90%，nN=1500r/min，求该电动机的输入功率、额 定电流、额定输出转矩各为多少？
电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
转子
换向器 电枢铁心 电枢绕组
（产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）
§3.2.2 直流电机的铭牌数据
1、额定值 电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械
量所规定的数据 2、额定工况
电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况 3、常用额定数据
额定功率 PN (W) 额定电压 UN (V) 额定电流 IN (A) 额定转速 nN (r/min) 额定励磁电流 IfN (A)和励磁方式等
§3.2.1 主要结构
旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求 的结构，旋转电机必须具备静止和转动两大部分
• 直流电机静止部分----定子 作用 —— 产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成
• 直流电机转动部分——转子(通常称作电枢) 作用——产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等组
直流电动机的原理及特性
单叠绕组
②连接方式
单波绕组
（3）换向器
1-V形套筒 2-云母环 3-换向片 4-连接片
图2.6 典型的换向器结构图
1-电枢绕组 2-电枢铁心 3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚
（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；
（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示；
（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流， 用A表示；
额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINηN
n
UN
CEN
Ra
CECTN2
T
n
n0
n0'
nN
0 T0
TN
T
图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线
他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：
（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线； （2）其特性为硬特性； （3）实际的空载转速为 n0' n0 T0 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；
2.6.1他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢时电，压 转速U、与励转磁矩电之流间I的f保关持系一。定（通常保持额定值）
n Ea
CE
U Ia Ra
CE
U
CE
Ra
CECT
2
T n0
T
式中，n0
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
直流电动机换向器的工作原理_理论说明以及概述
直流电动机换向器的工作原理理论说明以及概述1. 引言1.1 概述在现代工业中，电动机被广泛应用于各种设备和机械系统中。
而直流电动机作为一种常见的电动机类型，其换向器起着至关重要的作用。
直流电动机换向器是一种控制装置，用于改变电动机绕组的通电方向，从而实现电流方向的改变。
通过换向器的作用，直流电动机可以顺利地进行正常运转，并实现可靠的反向转向操作。
1.2 文章结构本文将主要围绕直流电动机换向器展开阐述，分为五个部分进行讨论。
首先，在引言部分介绍本文的概述、结构和目的。
其次，在第二部分中详细解释了直流电动机换向器的工作原理，包括换向器的定义、组成部分以及它们在整个系统中所扮演的角色和功能。
接下来，在第三部分中对直流电动机换向过程中涉及到的理论知识进行说明，包括涉及到换向基础原理、换向过程中发生的变化以及该过程对电动机性能所产生的影响。
然后，在第四部分将对直流电动机换向器在实际应用中的应用进行实例分析，对不同类型换向器进行比较与评价，并对成本效益进行分析和优化策略的推荐。
最后，在结论部分总结主要观点，并展望直流电动机换向器的未来发展趋势和研究方向。
1.3 目的本文的目的是为读者提供一个全面、清晰地了解直流电动机换向器工作原理和理论知识的指南。
通过对换向器的概述、组成部分和功能的介绍，能够帮助读者深入理解其在直流电动机运行中扮演的重要角色。
此外，文章还将通过实际案例分析和比较评价不同类型换向器，为读者提供实际应用中的参考和决策依据。
最后，通过结论部分的总结和展望，读者可以得出文章所阐述内容的主要观点，并进一步了解未来直流电动机换向器发展的趋势以及研究方向。
2. 直流电动机换向器的工作原理：2.1 什么是直流电动机换向器：直流电动机换向器（也称为直流电机的可逆控制器）是一种用于改变直流电动机旋转方向的装置。
它在实际应用中起到了至关重要的作用，使得直流电动机可以灵活地实现正转、反转和停止操作。
2.2 换向器的组成部分：换向器通常由以下几个基本组成部分构成：- 线圈或绕组：它们铺设在定子上，包括至少两个互补排列的线圈，其中一个产生磁场以推动转子旋转。
简述直流电机工作原理
简述直流电机工作原理
直流电机是一种将电能转化为机械能的装置。
其工作原理基于洛伦兹力和电流的相互作用。
直流电机通常由电磁铁、旋转部件和定子三部分组成。
当直流电机通电时，电流通过电磁铁的线圈，产生一个磁场。
该磁场会与电磁铁旁边的磁场互相作用，产生一个力矩，使电机开始旋转。
旋转部件通常由一根轴和一组线圈组成，线圈又被称为电枢。
电枢通过整流器连接到电源上，使电流得以流经线圈。
当电流通过线圈时，电流在由导电材料构成的线圈内形成一个磁场。
这个磁场与电磁铁产生的磁场相互作用，产生一个力矩，使电机旋转。
这是因为磁场中的磁力线与线圈中的电流相互作用，根据洛伦兹力原理，会产生一个垂直于磁场和电流方向的力。
为了保持电机的连续旋转，需要改变电流的方向。
这是通过电机中的换向器实现的。
换向器会反转线圈中的电流方向，使得电机继续旋转。
总的来说，直流电机的工作原理是通过电流和磁场之间的相互作用产生一个力矩，使电机旋转。
该工作原理的关键在于线圈内电流与磁场的相互作用，通过改变电流方向来保持连续旋转。
5-直流电机的运行原理与换向--注册电气工程师供配电专业
－
－
3. 转矩
=
U－E
Ra+ Rf
=
T CTΦ
T = CTΦ Ia (1)当 Ia 较小、磁路未饱和时，Φ∝Ia →T ∝Ia2
(2)当 Ia 较大、磁路已饱和时，Φ≈常数 →T ∝Ia
即 T∝Iam (1＜m＜2)
◆ 与并励电动机比较，有如下特点：
① 对应于相同的△T ，△Ia 小； ② 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T 大，
Tst 和 Tmax 较大。
T
◆ 转矩特性：
U = UN 时， T = f (Ia )
O
Ia
4. 转速 n= E
= U－(Ra + Rf ) Ia
CEΦ
CEΦ
=
U －Ra + Rf
CEΦ CECTΦ2
T
(1) 当T = 0 时，Ia = If = 0，Φ =Φr ，
n 很大，n = (5 ~ 6) nN (2) 当T 很小时，Ia 很小，磁路未饱和，
T↑→ Ia↑ →Φ↑ → n 迅速下降； (3) 当T 很大时，Ia 很大，磁路已饱和，
T↑→ Ia↑ →Φ 基本不变 → n下降较少；
n
n
O
T
O
Ia
◆ 转速特性： n = f (Ia )| UN= U
n=
U－
CEΦ
Ra + Rf CEΦ
Ia
=
U－
CE' Ia
Ra + Rf CE'
5. 应用
(1) 特别适用于起重机和电气机车等运输机械;
T = CTΦN Ia
O
Ia
= CT' Ia
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单位：Wb
E = CEΦ n (V)
CE 电动势常数：
单位：r/min
4 pN
CE = 60
3. 方向：由Φ 和 n 共同决定。
4. 性质
发电机为电源电动势；电动机为反电动势。
2pN CT =
CE =
4pN 60
CT CE
=
60 2
= 9.55
7.2 直流电机的基本结构
4. 额定转速 nN 5. 额定励磁电压 UfN 6. 额定励磁电流 IfN ※ 额定状态 ：
指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 ※ 满载状态 ：
指 I = IN 的状态。
7.3 直流电机的电枢反应
N
N
物理
中心线
几何
中心线
S
励磁磁场 （空载磁场）
电枢磁场
物理 中心线
5' 2 4' 1 3' 12
※ 并联支路对数：a = 2。 ※ 电刷的中心线对着磁极的中心线。
7.2 直流电机的基本结构
单叠绕组的展开图
磁极中心线
1 2 3N 5 6S 8 9N 11 12S
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
※ 电刷的中心线对 着磁极的中心线：
旋转
机械 负载
反电 做功 动势
7.1 直流电机的工作原理
二、直流发电机的工作原理
N
－
E
＋
S
N
－
E
＋
S
电磁 关系
原动机 做功
Φ
感应电动 势、电流
换向
输出 直流电
电磁转矩 （阻转矩）
7.2 直流电机的基本结构
一、主要部件
1. 定子 (1) 主磁极 (2) 换向磁极 (3) 机座 (4) 端盖等
(a) 主磁极
① 电刷之间的电动 势最大。
② 被电刷短接的元 件电动势为零。
※ 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。
几何中心线
7.2 直流电机的基本结构
直流电机的结构 电枢
7.2 直流电机的基本结构
电机装配图
更多的图片
7.2 直流电机的基本结构
直流电机
更多的图片
7.2 直流电机的基本结构
二、励磁方式
1. 直流电动机按励磁方式分类
AB
8
5
7
4
7 12
6 34
6 81
5 23
A
B
A
B
87 65
7 6 54
结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。
7.2 直流电机的基本结构
直流电枢绕组
1 2 34
1 2 34
Ia ＋
e Ae
＋e e
Ee e
－e e
B
Ia
－＋
e Ae
＋
e e
E
e － e
e eB
－
87 65
87 65
Φ
l
·l i
R
= 4aN · ·Φ i 2pN
电枢电流 Ia
= ·Φ · 2ai
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
2. 大小
单位：Wb
T = CTΦ Ia (N·m)
CT 转矩常数：
单位：A
2pN CT =
3. 方向
由Φ 和 Ia 共同决定。 4. 性质
发电机： T 与 n 方向相反，为制动转矩。 电动机： T 与 n 方向相同，为拖动转矩。
Φ
l
极距
l 每根导线上电磁力所
R
形成的电磁转矩： FR
l
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
l 电枢绕组串联总匝数： N
l 电枢绕组并联支路数：2a
l 总导体数： 2N·2a = 4aN
ห้องสมุดไป่ตู้
l 电枢的周长： 2R = 2p
l 电磁转矩：
T = 4aN ·FR
p
= 4aN · ·B l i
p
= 4aN· p
电动机
发电机
两匝元件
7.2 直流电机的基本结构
单叠绕组的展开图
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
3 6' 4 7' 5 8'
B1
11' 8 10' 7 9' 6
A1 A2
9 12' 10 1' 11 2'
B2
三、额定值
1. 额定电压 UN 发电机的 UN ：指输出电压的额定值。 电动机的 UN ：指输入电压的额定值。
2. 额定电流 IN 发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动机的 IN ：指输入电流的额定值。
3. 额定功率 PN 发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值 (UN INηN ) 。
S
合成磁场 （负载时的磁场）
电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。
7.3 直流电机的电枢反应
电枢反应的影响 ① 总磁场被扭歪了
几何中心线与物理中心线分开了, 电刷位置处的元件的 e≠0，增加换向困难。 ② 一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少， 磁路不饱和时，每极磁通不变； 磁路饱和时，每极磁通减少，e 和T 相应减少。
+ Ia
If +
+ I Ia If
他 Ua
M
Uf
U
M
并
励－
－
－
励
+I
串U
励－
Ia
+I
MU
－
Ia If
M 复 励
7.2 直流电机的基本结构
2. 直流发电机按励磁方式分类
+ If 他 Uf
励－
Ia If
串G 励
Ia +
G
Ua
－
自 I+ 励
U
－
If Ia I +
G
U并
－励
If
Ia
G
I+
U复
－励
7.2 直流电机的基本结构
直流电机的工作原 理和基本理论
直流电机的工作原理和基本理论
一、直流电动机的工作原理
N
＋ U －S
N
－ U ＋S
7.1 直流电机的工作原理
一、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？
7.1 直流电机的工作原理
电磁关系
直流 电流
换向
交流 电流
Φ
克服
电磁转矩 (拖动转矩)
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
一、电磁转矩
1. 产生
电枢电流 i
磁 场Φ
F →T
2. 大小
B
电磁力： F = B l i
平均磁密： B =
Φ
l
极距
l
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
一、电磁转矩
1. 产生
电枢电流 i
磁 场Φ
F →T
2. 大小 l 电磁力： F = B l i
B
l 平均磁密： B =
(b) 机座
直流电机的定子
7.2 直流电机的基本结构
直流电机的定子
更多的图片
7.2 直流电机的基本结构
2. 转子（电枢） (1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组
(3) 换向器 (4) 转轴与风扇
(a) 转子主体
(b) 电枢钢片
直流电机的转子
7.2 直流电机的基本结构
直流电枢绕组
2
3
1
2
1
4
AB
8
3
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
二、电动势
1. 产生
电枢旋转 n 磁场Φ
e →∑e →E
2. 大小
l 每个导体：e = B l v
l 导体切割磁场线的线速度：
v
=
2R 60
n
=
2p
60
n
l 电动势：
E = 2N e = 2N B l v
= 2N·Φl
2p
·l ·60
n
4pN = 60
Φn
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势