第1章 电机的基本原理
《电气控制技术》第1章直流电机与拖动
田淑珍
直流电机及电力拖动
• 本章要点
• 直流电机的基本工作原理、结构、电枢绕 组简介及电动机的运行原理 • 负载特性及直流电动机的机械特性 • 直流电动机的启动、调速与制动 • 直流电机的实训
1.1直流电机的基本工作原理及结构
• 直流电机是通以直流电流的电机。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。 • 直流电动机具有良好的调速性能、较大的 启动转矩和过载能力等很多优点，在启动 和调速要求较高的生产机械中，仍得到广 泛的应用。
1.1.2直流电机的基本结构
12
13
a） 换向片
b）换向器
1.2直流电机的电枢绕组简介
• 1.2.1电枢绕组基本知识 • 电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件， 按照一定的规律连接起来组成的。 • 元件：构成绕组的线圈为绕组元件，元件 分为单匝和多匝两种。
• 元件的首末端：每一个元件不管是单匝还 是多匝，均引出两根线与换向片相连，其 中一根称为首端，另一根称为末端。
根据电磁力定律，电枢绕组中有电枢电流时，在磁场内将受 到电磁力的作用，该力乘以电机电枢铁心的半径即为电磁转矩。 电磁转矩可用下式表示：
式中，
，为转矩常数，仅与电机的结构有关；
Ia为电枢电流（A）； Φ为每极气隙磁通（Wb）； Tem为电磁转矩（N．m）。 可见，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和每极气隙磁通成正 比。
3.电机的功率
机械损耗和铁损耗与负载（电枢电流）的大小无关，Pmec和PFe在电机空 载时就存在，这两项之和称为空载损耗P0。空载损耗P0与电机的负载无 关，也称不变损耗。 P0＝PFe＋Pmec
电机的总损耗：ΣP=Pcu＋PFe＋Pmec＋Pad＝Pcu＋P0
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。
第1章 直流电机的结构与工作原理
（3）额定电流ＩＮ 指在额定情况下，电机流出或流入的电流，单位为A 。 直流发电机额定电流为 直流电动机额定电流为
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。
*
电枢绕组是直流电机的核心部分。无论是发电机还是电动机，感应电动势和电磁转矩都在电枢绕组中产生，电枢绕组是实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的转子称为电枢。
1.2.1 基本知识
第一章 直流电机的结构与工作原理
1.2直流电机的电枢绕组
1.3直流电机的铭牌数据及主要系列
1.1直流电机的结构与工作原理
*
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.1.1 直流电机的结构
电枢铁芯
电枢绕组
换向磁极
主磁极
电刷装置
机座
端盖
定子
转子
换向器
转轴
轴承
直 流 电 机
*
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.2 直流电机的电枢绕组
*
单叠绕组是指元件的首端和末端分别接到相邻的两片换向片上，下一个元件叠在前一个元件之上。
1.单叠绕组的链接规律 绘制展开图的步骤是： 第一步：计算绕组的各节距。包括 、y、y1。 第二步：画槽、画元件，按顺序编号。每槽用两条短线表示，实线表示上层，虚线表示下层。注意：实线上的标号既表示槽号又表示元件号，同时还表示该元件的上层边所在的位置。
1.1 直流电机的结构与工作原理
*
2. 直流电动机工作原理
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
电机学知识点讲义汇总
电机学知识点讲义汇总第一章 基本电磁定律和磁路电机的基本工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律、磁路定律和电磁力定律等定律的基础上的，掌握这些基本定律，是研究电机基本理论的基础。
▲ 全电流定律全电流定律 ∑⎰=I Hdl l式中，当电流方向与积分路径方向符合右手螺旋关系时，电流取正号。
在电机和变压器的磁路计算中，上式可简化为∑∑=Ni Hl▲电磁感应定律 ①电磁感应定律 e=-dtd N dt d Φ-=ψ 式中，感应电动势方向与磁通方向应符合右手螺旋关系。
②变压器电动势磁场与导体间无相对运动，由于磁通的变化而感应的电势称为变压器电动势。
电机中的磁通Φ通常是随时间按正弦规律变化的，线圈中感应电动势的有效值为m fN E φ44.4=③运动电动势e=Blv④自感电动势 dtdiL e L -= ⑤互感电动势 e M1=-dt di 2 e M2 =-dtdi1 ▲电磁力定律f=Bli▲磁路基本定律 ① 磁路欧姆定律 Φ=A l Ni μ=mR F =Λm F 式中，F=Ni ——磁动势，单位为A ；R m =Alμ——磁阻，单位为H -1； Λm =lA R m μ=1——磁导，单位为H 。
② 磁路的基尔霍夫第一定律0=⎰sBds上式表明，穿入（或穿出）任一封闭面的磁通等于零。
③ 磁路的基尔霍夫第二定律∑∑∑==mRHl F φ上式表明，在磁路中，沿任何闭合磁路，磁动势的代数和等于次压降的代数和。
磁路和电路的比较第二章 直流电动机一、直流电机的磁路、电枢绕组和电枢反应 ▲磁场是电机中机电能量转换的媒介。
穿过气隙而同时与定、转子绕组交链的磁通为主磁通；仅交链一侧绕组的磁通为漏磁通。
直流电机空载时的气隙磁场是由励磁磁动势建立的。
空载时，主磁通Φ0与励磁磁动势F 0的关系曲线Φ0=f （F 0）为电机的磁化曲线。
从磁化曲线可以看出电机的饱和程度，饱和程度对电机的性能有很大的影响。
▲ 电机的磁化曲线仅和电机的几何尺寸及所用的材料有关，而与电机的励磁方式无关。
电机基本原理
电机基本原理
电机基本原理包括电磁感应、电磁力和电磁场等概念。
电机通过电路中的电流产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，产生电磁力，从而驱动电机运转。
具体而言，电机的基本工作原理可以分为直流电动机和交流电动机两种类型。
直流电动机的基本原理是在电枢上产生磁场，通过该磁场与永磁体或电磁铁之间的相互作用，实现转动。
当通电时，电流经过电枢绕组形成磁场，该磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生转动力矩，使电机转动。
交流电动机的基本原理是利用电流产生的旋转磁场与固定磁场之间的相互作用，使电机转动。
交流电动机主要包括异步电动机和同步电动机两种类型。
异步电动机的转子上有绕组，并通过感应电磁力来产生转动力矩。
而同步电动机则需要外部提供一个旋转磁场以使其同步运转。
无论是直流电动机还是交流电动机，其基本原理都建立在电磁感应和电磁力的基础上。
电流在电机中通过绕组形成磁场，磁场与永磁体或电磁铁之间相互作用产生力矩，从而驱动电机运转。
在实际应用中，电机的性能和效率会受到多种因素的影响，例如电源电压、电流大小、磁场强度等，因此需要合理选择电机类型和设计参数，以便实现预期的功能和效果。
第1章 直流电机的基础知识
C m = 9.55C e
直流电动机额定转矩：
TN
PN = 9 . 55 nN
TN:额定转矩(N.m) PN:额定功率(W) nN:额定转速(r/min)
补充：直流电动机中，转子旋转起来会切割磁力线，产生感 补充 应电动势，这被称为电枢电动势Ea，判断它的方向与电源输 入的电流方向相反，称为反电动势 直流发电机中，电枢绕组中有了感应电流，在磁场中又 会受到电磁力的作用，电磁力所形成的电磁转矩T与转子的 运动方向相反，阻碍运动，被称为制动转矩（或阻转矩） 在工作原理中重要的两个参数的不同作用 ： 直流电动机 直流发电机 T 驱动转矩 阻转矩 Ea 反电动势 相当于直流电源
1.2 直流电机的励磁方式和铭牌
一、直流电机的励磁方式 1．励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。 2．直流电机种类：按励磁方式分为有（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 电机等四种。
二、直流电机的铭牌 每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型 号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件。
2．直流电动机输入的电功率为： P1=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pm+ Pcu 上式说明：输入的电功率一部分被电枢绕组消耗 （电枢铜损）一部分转换成机械功率（电磁功率）。 3．直流电动机输出的机械功率为： P2=Pm-PFe-Pem-PS=Pm-P0-PS=P1-∑P 4．直流电动机的效率为：
3、电机的特点： 可逆性——看外部条件 ，发电机一般接负载；电 动机一般接电源。
4、直流电机转子电动势 1）概念 转子电动势：转子绕组切割磁力线而产生的感应电动势。 2）表达式 每根导体的感应电动势： e = BLv e:感应电动势(V) B:电磁感应强度(T) L:每根导体的有效长度(m) v:转子转动线速度(m/s)
第1章直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理与结构 1.2 直流电机电枢绕组简介 1.3 直流电机的电枢反应 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 直流电机的换向 1.6 直流发电机 1.7 直流电动机
思考题与习题
第1章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
测速
电源
励磁机 伺服
第1章 直流电机
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
Bx
主磁场的 磁通密度 分布曲线
B0 x
Bax
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
物理中性线偏离几何中性线
第1章 直流电机
二、当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏 移 角，电枢磁动势 轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。
第1章 直流电机
1.1.1 直流电机的主要结构
第1章 直流电机
直流电机截面图
第1章 直流电机
直流电机主磁极
第1章 直流电机
换向极
换向极是安装 在两相邻主磁 极之间的一个 小磁极，它的 作用是改善直 流电机的换向 情况，使电机 运行时不产生 有害的火花。
第1章 直流电机
电刷装置
电刷装置—— 电刷装置是电 枢电路的引出 （或引入）装 置
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运 行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载 运行；运行电流大于额定电流——过载运行。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。
第1章 直流电机
第1章 直流电机
第1章 电机的基本原理 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第一章电机的基本原理习题解答：1、何为相对磁导率？答：材料的磁导率定义为该位置处的磁通密度与磁场强度之比，决定于磁场所在点的材料特性，单位为H/m。
根据材料的导磁性能，可将其分为铁磁材料和非铁磁材料。
非铁磁材料的磁导率可认为与真空的磁导率μ0相同，为4π⨯10-7H/m。
铁磁材料主要是铁、镍、钴以及它们的合金，其磁导率是非铁磁材料磁导率的几十倍至数千倍。
由于材料的磁导率变化范围很大，常采用相对磁导率μr来表征材料的导磁性能，μr为材料的磁导率与真空磁导率的比值。
2、磁路的磁阻如何计算？答：磁路的磁阻可用公式R m=L/(μA)计算，其中L为磁路的长度，单位为m，μ为材料的磁导率，单位为H/m，A为磁路的截面积，单位为m2。
从公式可以看出，磁路的磁阻主要取决于磁路的几何尺寸和材料的磁导率，大小上与磁路长度成正比，与磁路的截面积和磁导率成反比。
3、叙述磁路与电路的类比关系。
答：从电路和磁场的方程上看，两者形式上非常相似。
电路和磁路的类比关系可用下表表示：4、为什么希望磁路中的空气隙部分尽可能小？答：与磁路中铁磁材料相比，空气的磁导率小得多，如果磁路中的气隙部分长度增加，使得磁路的总磁阻大大增大，要想产生同样大小的磁通，需要的磁动势大大增加。
5、何为铁磁材料？为什么铁磁材料的磁导率高？答：铁磁材料包括铁、镍、钴及它们的合金、某些稀土元素的合金和化合物、铬和锰的一些合金等。
根据铁磁材料的磁化过程可知，当铁磁材料放置到磁场中之后，磁场会显著增强，表现为铁磁材料的导磁能力更强，因此磁导率大。
6、何为铁磁材料的饱和现象和磁滞现象？答：将未磁化的铁磁材料置于外磁场中，当磁场强度很小时，外磁场只能使少量磁畴转向，磁通密度增加不快，此时磁导率 较小；随着外磁场的增强，大量磁畴开始转向，磁通密度增加很快，磁导率很大；当外磁场增大到一定程度时，大部分磁畴已经转向，未转向的磁畴较少，继续增大外磁场时，磁通密度增加缓慢，磁导率逐渐减小，这种现象称为饱和。
电机学基础知识
对于某一电路，在任意时刻，沿任一回路，各支路电压的
代数和恒等于零。
ut 0
12
第1章 电机学基础知识
1.1.5 安培环路定律（全电流定律）
在磁场中，磁场强度H沿任意闭合回路 l 的线积分，等于
该闭合回路所包围的所有电流的代数和。 l Hdl i
i1
i2
i3 1. 对于通电螺线管，磁场是均匀
的，磁场强度H处处相等，总电
1.2.1 电机的磁路
磁路
主磁通
i1 ＋
u1 －
1 2
i2 ＋
u2 －
N
S
S
励磁绕组
漏磁通 变压器磁路
N
直流电机磁路
15
第1章 电机学基础知识
1.2.2 磁路定律
∮ 1. 安培环路定律 H dl = ∑i l 如图： ∑i = i1＋i2－i3
2. 磁路的欧姆定律
∮H dl = Hl = N i
l
② 软磁材料 B－H 曲线窄， Br 小、Hc 小。 用于制造变压器、电机等电器的铁心。
③ 矩磁材料 B－H 曲线形状接近矩形， Br 大、Hc 小。 用于计算机中，作记忆单元。
29
第1章 电机学基础知识
Φ
4. 铁心损耗
(1) 磁滞损耗 Ph (2) 涡流损耗 Pe
铜损耗使线圈发热，
铁损耗使铁心发热。 0.35mm
流由通有电流的匝线圈提供：
l
H lN i
H dl
13
第1章 电机学基础知识
2.工程中用到几何形状复杂的磁路，可以将磁路分成几 段，分别应用安培环路定律，再求电流的总和。
n
Hklk i
1
3.对于带气隙的铁心磁路，磁 场是不均匀的
第1章 电机与拖动基础解读
图1-7 三相异步电动机的引出线
a) 出线端的排列 b) 丫连接 c) △连接
通常把定于三相绕组的六根出线头都引出来。根据需 要可接成Y型或△型，如图1-8所示Y/△降压起动、起 动过程用丫连接(KM1闭合，KM2断开)，起动过程结 束后切换为△连接(KM2闭合，KM1断开)。 防护等级 IP为防护代号，第一位数字(0～6)规定了电 动机防护体的等级标准。第二位数字(0～8)规定了电动 机防水的等级标淮。如IP00为无防护，数字越大，防 护等级越高。 共他 对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、 转子额定电动势及转子额定电流．有些还标明了电动 机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。
图1-2 三相异步电动机的结构图
a）笼型绕组；b）转子外形
图1-3 绕线式异步电动机定转子绕组 及外加电阻的接线方式
2. 异步电动机的简单工作原理： 如图1-4所示。当定子接三相电源后，电动机内便形成 圆形旋转磁场。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁 场有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定 则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中 有电流，不考虑电动势与电流的相位差时。电流方向 同电动势方向。转子受力，产生转矩 T ，即为电磁转 矩，方向与旋转磁场同方向，转子便在该方向上旋转 起来。
1. 异步电动机的工作原理： 图1-1是一台三相异步电动机，它主要由定子、转子两 大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙。定子是 静止不动的部分，由定子铁心、定子绕组和机座组成。 转子是旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
图1-1 三相异步电动机的结构图
1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-散热筋； 5-定子铁心；6-定子绕组； 7-转轴； 8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座
电机及拖动基础 第5版 第一章 直流电机
线圈感应电动势——交变 换向整流——电刷间输出直流电动势
直流发电机的工作原理模型
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端 的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的 变化？
解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线 圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的 滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所 以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。
作用 静止部分:定子
电磁方面：产生磁场和构成磁路。 机械方面：整个电机的支撑。
中间有气隙 作用
旋转部分:转子
主要部件：磁极、机座、换向 极、电刷、轴承、端盖等
感应电动势和产生电磁转矩， 从而实现能量的转换
主要部件：电枢铁心、电枢绕 组、换向器、轴承和风扇等
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
1、定子部分
电枢绕组：电枢线 圈按一定规律连接 形成。其并联支路 对数用a表示。 单叠绕组：a=p 单波绕组：a=1
单波、单叠绕组联接示意图
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
换向器
作用：实现电刷内外 交直流的转换。
由许多燕尾状的铜片间 隔绝缘云母片而成
材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨 性能好的紫铜或铜合金制成。
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
直流电动机的外形图（自带鼓风机的Z4系列）
图中上 为鼓风 机，下 为直流 电动机
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
1-端盖 2-风扇 3-机座 4-电枢 5-主磁极 6-电刷架 7-换向器 8-接线板 9-接线盒
直流电动机的内部结构图
第一章.直流电机
直流电机的基本结构总结
主要由定子、转子两部分组成
直流电机
定子
转子
机座 主磁极
电枢铁心
电枢绕组
换向极
电刷装置 换向器
风扇 转轴
轴承
1－3 直流电机分类－励磁方式
他励
串励
I Ia I Ia I f
并励
I Ia I f
注： I ：电源输入电流； I a ：电枢电流； I f ：励磁电流
复励
4
5
6 S7
8
9
10 N11
12 13 14 S 15 16
15 16 1 2 3 4
+
5 67
－
8 9 10 11 12 13 14
+
－
+
－
单迭绕组的特点
• 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。
• 并联支路数等于磁极数， 2a=2p;
• 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为 零， 绕组内部无环流；
电刷位置对电枢反应的影响
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 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
Fax
1 2
( Nia
Da
2x)
Bax
0
Fax
合成磁场的磁密波形
3 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
n
N：总导体数 Ce：电势常数
电枢电势的认识
Ea
pN 60aLeabharlann nCe 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。
第1章 直流电机的结构与工作原理
讲稿No 1讲稿No 2讲稿No 3讲稿No 4技术课将起到很大的帮助。
本课程的主要内容是结合电机的基本结构，介绍电机的基本工作原理，分析电机内部的电磁关系和规律，在定性分析的基础上，根据电磁定律导出电机各电、磁量的关系，对电机进行定量分析。
最后，应用基本理论，分析一些运行中遇到的问题，从而找出处理方法。
5. 学习本课程应注意的几点根据本课程的性质和特点，学习时应注意以下几点：(1) 要注意理论联系实际。
在理论学习时，要联系电机的结构和所发生的电磁或机械运动现象进行分析，把理论知识应用于实际问题的分析中，不能只满足于表面的理解。
(2) 应抓住重点，深刻理解基本概念和基本理论，注意区别各类电机的同、异点。
善于掌握规律，学会综合分析，解决各种问题。
(3)教案用纸No 5讲 稿No 61、定子定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。
（1）主磁极白银矿冶职业技术学院讲稿No 7）电刷装置白银矿冶职业技术学院讲稿No 8电刷的作用是：与换向器配合引入、引出电流。
（4）机座和端盖机座的作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。
白银矿冶职业技术学院讲稿No 9量电机中，气隙为0.5～3mm。
其大小对电机性能有很讲稿No10当原动机驱动电机转子逆时针旋转180°后，导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。
白银矿冶职业技术学院讲稿No 11左向右。
该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。
当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。
当电枢旋转到下图所示位置时，原N极性下导体ab极下，受力方向极下导极下，受力方向从右向左。
该电白银矿冶职业技术学院教案用纸No12讲稿No 13白银矿冶职业技术学院讲稿No 14电枢实际槽数。
叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组1.2.2 电枢绕组的节距．极距极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离πZD白银矿冶职业技术学院讲稿No 15白银矿冶职业技术学院讲稿No 16讲稿No 17、单叠绕组的并联支路图画出元件的连接及有关的换向片和电刷，就成了绕组的并联支路图。
电机与电气控制(第4版)课件全套 第1--5篇 直流电机及拖动---电气控制技术
第5章 三相变压器
内容提要 三相变压器的磁路结构及特点。 三相变压器的电路系统。 判断绕组极性的方法。 电力系统常采用多台变压器并联运行的意义，以及变压器并联运行的条件。
第6章 其他用途的变压器
内容提要 自耦变压器的结构特点、电磁关系、容量以及使用时的注意事项。 仪用互感器的结构特点、工作原理以及互感器与被测线路的连接方法、使用中的注意事项。 电弧焊工艺对电焊变压器的要求；电焊变压器应具有急剧下降的外特性；其输出电流I2在一定 范围内应具有可调性；为实现I2可调所采用的方法不同，便有不同的电焊变压器。这些电焊压器 均有着不同的结构特点。
第4章 单相变压器
内容提要 变压器的用途和结构。 变压器的运行原理。 阐述分析变压器运行的三种方法—电磁平衡关系、等值电路和向量图。 变压器参数的测定。 衡量变压器运行性能的重要标志是外特性和效率特性。掌握这些知识为选择、使用、维护变 压器奠定基础。
3．变压器的效率特性 当变压器电源电压和功率因数一定时，效率 随负载电流 （即负载系数 ）的变化关 系 称为变压器的效率特性，其变化规律如图4.29所示。
第1章 直流电机原理
内容提要 本章主要讲述直流电动机的基本工作原理；直流电动机的结构以及各部件的作用，重点介
绍能量转换的核心部件—电枢绕组不同形式的连接规律和特点。 感应电势和电磁转矩的计算。 直流电动机不同励磁方式的特点。 直流电机的磁场以及改善换向的方法。
1.1 直流电机基本工作原理
（4）单叠绕组和单波绕组的应用。
1.3.2 直流电机的磁场
1．直流电动机的分类 （1）直流他励电动机。 （2）直流并励电动机。 （3）直流串励电动机。 （4）直流复励电动机。
3．改善换向的方法 产生火花的电磁原因是换向元件K中出现了附加电流 ，因此要改善换 向，就得从减小甚至消除附加电流 着手。
《电机与拖动》第1章 直流电机的结构和工作原理
直 流 电 机 的 组 成
作
用：产生感应电动势和电磁转 矩，实现能量的转换
12
1.2
直流电机的结构和工作原理
图1-3 直流电机的结构图 a）直流电机的结构 b）轴端剖面图 1-风扇 2-机座 3-电枢 4-主磁极 5-刷架 6-换向器 7-接线板 8-出线盒 9-换向极 10-端盖
13
1.2
1、定子
30
1.2
3．励磁方式
直流电机的结构和工作原理
励磁绕组获得励磁电流的方式称为励磁方式，如图1-14所示。
图1-14 直流电机的励磁方式 a）他励 b）并励 c）串励 d）复励
31
1.2
直流电机的结构和工作原理
三、直流电机的工作原理
1．直流发电机的基本工作原理
当原动机拖着电枢以一定的转速在磁场中逆时针旋转时，根据 电磁感应原理，线圈边ab和cd以线速度v切割磁力线产生感应电动势， 其方向用右手定则确定。在图中所示的位置，线圈的边ab处于N极下， 产生的电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势 从d指向c。从整个线圈来看，电动势的方向为d c b a。反之， 当ab边转到S极下，边cd转到N极下时，每个边的感应电动势
图1-8 线圈在槽内的放置示意图 1-上层有效边 2、5-端接部分 3-下层有 效边 4-线圈尾端 6-线圈首端
20
1.2
直流电机的结构和工作原理
绕组联接如图1-9所示。
y1
--极距，就是一个磁极在电枢表面的空间距离，其计算是： --第一节距
yk
--换向器节距
y2
Z 2p
--第二节距
y
--合成节距
冒烟（是否冒烟）
第1章电机学基础知识
对各向同性介质 µ 为标量；线性介质 µ 为常数。 为标量； 为常数。 真空的磁导率： 真空的磁导率： µ0 = 4π×10－7 H/m π
第1章 电机学基础知识 章
4. 磁场储能 磁场能够储存能量。 磁场能够储存能量。 电机通过磁场储能实现机电能量的转换。 电机通过磁场储能实现机电能量的转换。 磁场中的能量密度为 1 wm= BH 2 对于线性介质： 对于线性介质： 1 B2 wm= BH = 2 2µ 磁场中的总储能为 Wm = ∫V wm dV 磁场能量主要集中储存在气隙中。 磁场能量主要集中储存在气隙中。
O'
i
f 电动势 反电动势， 反电动势， 由外施电源所克服 电源性质， 电源性质， 为外接负载供电
24
大连理工大学电气工程系
第1章 电机学基础知识 章
1.3 电机的制造材料
一、概述
制造材料主要包括： 制造材料主要包括： 导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、 导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、 散热材料、冷却材料、润滑材料等。 散热材料、冷却材料、润滑材料等。 导电材料： 导电材料：铜、铝。 导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。 导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。 绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、 绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、 有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料······ 有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料
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大连理工大学电气工程系
第1章 电机学基础知识 章
【例1-1】 图示的磁路由电工钢片叠压而成，铁心的 例 图示的磁路由电工钢片叠压而成， 叠压系数为 kFe= 0.94，各段铁心的截面积均为 A = 0.8× ， × 10-3 m2，长度分别为 l1 = 0.08 m，l2= 0.1 m，l3= 0.037 m， ， ， ， l4 = 0.037 m，l5 = 0.1 m，气隙长度δ = 0.006 m，已知铁心 ， ， ， 的磁导率为空气磁导率的 1900 倍，励磁绕组的匝数 N = 2000，如要在铁心中产生 10-3 Wb 的磁通，求需要多大的 的磁通， ， 励磁电流。 励磁电流。 解：铁心的净面积为 Ak = kFeA = 0.94×0.8×10-3 m2 × × = 0.752×10-3 m2 × 铁心中的平均磁通密度为 Φ 1 × 10−3 B= = T = 1.33T −3 Ak 0.752 × 10
34056《电机与拖动基础(第2版)》汤天浩(习题解答)2
电机与拖动基础第一章电机的基本原理 (1)第二章电力拖动系统的动力学基础 (6)第三章直流电机原理 (12)第四章直流电机拖动基础 (14)第五章变压器 (29)第六章交流电机的旋转磁场理论 (43)第七章异步电机原理 (44)第八章同步电机原理 (51)第九章交流电机拖动基础 (61)第十章电力拖动系统电动机的选择 (73)第一章 电机的基本原理1-1 请说明电与磁存在哪些基本关系，并列出其基本物理规律与数学公式。
答：电与磁存在三个基本关系，分别是（1）电磁感应定律：如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势。
感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即tΦN e d d -= 感应电动势的方向由右手螺旋定则确定，式中的负号表示感应电动势试图阻止闭合磁路中磁通的变化。
（2）导体在磁场中的感应电动势：如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，同样会在导体中产生感应电动势。
这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出Blv e =而感应电动势的方向由右手定则确定。
（3）载流导体在磁场中的电磁力：如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力。
载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关，当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F 与磁通密度B 、导体长度l以及通电电流i 成正比，即Bli F =电磁力的方向可由左手定则确定。
1-2 通过电路与磁路的比较，总结两者之间哪些物理量具有相似的对应关系（如电阻与磁阻），请列表说明。
答：磁路是指在电工设备中，用磁性材料做成一定形状的铁心，铁心的磁导率比其他物质的磁导率高得多，铁心线圈中的电流所产生的磁通绝大部分将经过铁心闭合，这种人为造成的磁通闭合路径就称为磁路。
而电路是由金属导线和电气或电子部件组成的导电回路，也可以说电路是电流所流经的路径。
磁路与电路之间有许多相似性，两者所遵循的基本定律相似，即KCL：在任一节点处都遵守基尔霍夫第一定律约束；KVL：在任一回路中都遵守基尔霍夫第二定律；另外，磁路与电路都有各自的欧姆定律。
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旋转电机——产生旋转运动
• 根据供电电源分
直流电机——使用或产生直流电
交流电机——使用或产生交流电
在交流电机中，根据供电电源相数的不同，又可
将电机分为单相电机和三相电机。
• 根据同步速度分
直流电机——没有固定的同步速度的电机
变压器——静止设备
同步电机——转速等于同步速度的电机
电磁力乘以导体与旋转轴中心线之间的距离r(通常为转
子半径)，就是电磁转矩，即
T Bilr
单位为N.m。
2.2磁路及其基本定理
• 麦克思韦方程是描述电磁现象的普遍适用方程。
• 但由于电机结构复杂且包含多种导磁性能不同的材料， 难以直接利用麦克思韦方程得到磁场的分布。
• 在电机中，通常把复杂的三维磁场问题的求解简化为相 应磁路的计算，在绝大多数情况下可以满足工程精度的 要求。
(1)磁路
• 所谓磁路，就是磁通流过的路径。
• 磁路的基本组成部分是磁动势源和磁通流过的物体，磁 动势源为永磁体或通电线圈。
• 由于铁磁材料的导磁性能远优于空气，绝大部分磁通在 铁磁材料内部流通。
定义为
BdA
A
单位为韦伯（Wb）。
在图1-1B所A示c的os均匀磁场中，
穿过面积A的磁通为
式中，为面积A的法线方向 与B之间的夹角。
图1-1 磁通
• 磁通连续性定理：由于磁力线是闭合的，对于任何一个 闭合曲面，进入该闭合曲面的磁力线数应等于穿出该闭 合曲面的磁力线数。若规定磁力线从曲面穿出为正、进 入为负，则通过闭合曲面的磁通恒为零。
到电磁力作用，电磁F力的B大il小可表示为
电磁力F的单位为N。
电磁力的方向可用左手定则确定。
将左手伸开，使磁力线
指向手心，拇指在手掌
平面中与其它四指成
90角，其它四指指向 电流的方向，则拇指
图1-5 左手定则
所指方向就是电磁力的方向。
• 在旋转电机中，假设载流导体位于转子上，则其所受的
410-7H/m。
• 铁磁材料主要是铁、镍、钴以及它们的合金，其磁导率 是非铁磁材料磁导率的几十倍至数千倍。由于材料的磁
导率变化范围很大，常采用相对磁导率r来表征材料的 导磁性能，r为材料的磁导率与真空磁导率的比值
r
0
(2)磁通与磁通连续性定理
• 磁通是通过磁场中某一面积A的磁力线数，用表示，
第1章 电机的基本原理
1.2电机的基本构成和分类 电机是基于电磁感应定律实现能量转换的装置。 要实现能量转换，必须 • 有一个闭合磁路产生磁场，磁场与两个或两个以上的电
路耦合。 • 电机中的能量转换，就是通过有关电路中磁链的变化来
实现的。 最常见的电机是旋转电机，它产生旋转运动， • 有一静止部分（称为定子） • 一旋转部分（称为转子） • 二者之间有一空气隙。
由于磁场为电流所激发，上式中 闭合路径所包围的电流数称为
磁动势，用F表示，单位为A。
通常我们称磁路的磁压为该磁 路所需的磁动势，隐去了磁压 这一概念。
图1-2安培环路定律
(4)磁链与电磁感应定律
• 处于磁场中的一个N匝线圈，若其各匝通过的磁通都
相同，则经过该线圈的磁链为
正电流，则感应电动势可表示为
e d
dt
单位为V。上式称为电磁感应定律。
• 若磁场由交流电流产生，则磁通随
时间变化，所产生的电动势称为变压器
电动势。 • 若通过线圈的磁通不随时间变
图1-3 电流、磁通和 电动势的正方向
化，但线圈与磁场之间有相对运动，也
会引起线圈磁链的变化，所产生的电动势
感应电机——作为电动机运行时，速度总低于同步速； 作为发电机运行时，速度大于同步速
交流换向器电机——速度可以从同步速度以下调至同
2 磁场与磁路
2.1与磁场有关的基本概念
(1)磁感应强度、磁场强度和磁导率
• 磁场是由电流(运动电荷)或永磁体在其周围空间产生的 一种特殊形态的物质，可用磁感应强度和磁场强度来表 征其大小和方向。
N
• 当线圈中的磁链发生变化时，线圈中将产生电动势，称 为感应电动势。
• 感应电动势的大小与磁链的变化率成正比
• 感应电动势的方向倾向于产生一电流，若该电流能流通， 所产生的磁场将阻止线圈磁链的变化。
• 若电动势、电流和磁通的正方向如图1-3所示，即电流
正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系，正电动势产生
(3)磁动势和安培环路定律
• 磁场强度沿一路径l的线积分定义为该路径上的磁压降，
也称为磁压，用符号U表示，单位为A，即
U Hdl
l
• 磁场强度沿任一闭合路径的线k 积分等于该路径所包围的
电流的代数和，即 Hdl l
Ii
i 1
称为安培环路定律
电流的正方向与积分路径的方向 之间符合右手螺旋关系。
电机的种类多种多样，一般有以下几种分类方式：
• 按照能量转换方式分
电动机——将电能转换为机械能 发电机——将机械能转换为电能 电能转换装置——将一种形式的电能转换为另一种形
式的电能，包括变压器(输入和输出的电压不同)、变频 机(输入和输出的频率不同)、变流机(输入和输入的波形 不同，将直流变为交流)和移相器(输入和输出的相位不 同)。 控制电机——不以功率转换为主要职能，在电气、机 械系统中起调节、放大和控制作用。
运动电动势的大小可用另一种形式表示
e Blv
l 为导体在磁场中的长度，m； v 为导体与磁场之间的运动速度，
m/s；
e的单位为V。
三者之间互相垂直， 电动势的方向用右手定则确定
图1-4 右手定则
(5)电磁力与电磁转矩
• 若将一导体置于磁场中，导体中通以电流i，则其将受
• 磁感应强度定义为通以单位电流的单位长度导体在磁场
中所受的力，是一个矢量，用B表示，单位为特斯拉(T)，
也称为磁通密度，或简称磁密。
• 磁场强度也是一个矢量，用H表示，单位为A/m，与磁
感应强度之间满足
B＝H
• 根据材料的导磁性能，可将其分为铁磁材料和非铁磁材
• 非铁磁材料的磁导率可认为与真空的磁导率0相同，为