2第二章 直流电机
第2章直流电动机
Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1N )U N IN
Q Ia IN
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.1 他励直流电动机的机械特性
4．机械特性的绘制
1）固有机械特性的绘制
(2) 求 KeN
额定运行条件Ra 下的反电势为：
EN
求出电枢电阻Ra 、KeφN 后，各种人为机械特性的绘制也就容易了。
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.2 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路原理图如图2-19（a）所示，其最大特
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。当线 圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的 方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转。
机电传动与控制
ej Bjlv
第二章 直流电动机
2.2 直流电动机的的工作原理
2．直流电动机的感应电动势和电磁转矩
2.3 直流电动机的额定参数
4．额定转速nN 额定转速是指在额定电压、额定电流和输出额定功率的情
况下运行时，直流电动机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。 5．额定励磁电流IfN
额定励磁电流指直流电动机在额定状态时的励磁电流值， 单位为A（安培）。 6．额定励磁电压UfN
额定励磁电压指直流电动机在额定情况下工作时，励磁绕 组所加的电压，单位为V（伏） 7. 额定转矩
第2章 直流电机
第二章直流电机内容提要一、直流电机的工作原理1、皮—萨电磁定律f=其方向用左手定则确定。
Bil2、直流电机电枢绕组内电流是交变的，直流电机具有可逆性。
二、直流电机的绕组1、绕组的基本形式：单迭绕组和单波绕组。
2、单迭绕组的特点a=a为支路对数，p为磁极对数。
p3、单波绕组的特点=a a为支路对数，即单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总等于1。
1三、直流电机的励磁方式1、直流电机的励磁方式：分为他励、并励、串励和复励。
2、他励直流电机他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无联结关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电机，励磁电流与电枢电流无关。
3、串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，电机的电枢电流与励磁电流相等。
4、并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是电枢两端的电压。
5、复励直流电机复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联(称为并励绕组)，然后再和另一个励磁绕组串联(称为串励绕组)。
也可以一个励磁绕组与电枢绕组串联后，再和另一个励磁绕组并联。
四、直流电机的磁场和电枢反应1、直流电机的主磁路分为五段：定子、转子之间的气隙；电枢齿；电枢磁轭；主磁路和定子磁轭。
2、直流电机的空载磁场空载时，气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁动势建立。
电机磁路中磁通数值不大时，磁动势随磁通成正比例地增加；当磁通达到一定数值后，磁动势的增加比磁通增加得快，磁化曲线呈饱和特性。
3、直流电机负载时的磁场及电枢反应(1)负载时气隙磁场发生了畸变；(2)呈去磁作用；五、并励直流电动机的基本方程感应电动势 n C E e a ϕ=电磁转矩 a T em I C T ϕ=转矩方程 02T T T em +=电动势平衡方程 a a a R I E U +=功率平衡方程 N N N N I U P η= n T T I E p em em a a em 602π=Ω== N Fe c m ec Cuf Cua P p p p p p P +++++=1六、直流电动机的工作特性1、并励直流电动机的工作特性(1)转速特性 当fN f N I I U U ==,时，()a I f n =的关系曲线。
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；
第2章直流电机习题解答
第二章 直流电机的电力拖动2-1 一台他励直流电动机的额定数据为： N P =54 kW ，N U =220 V ，N I =270 A ， N n =1150 r /min 。
估算额定运行时的aN E ，再计算N e C Φ、N T 、0n ，最后画出固有机械特性。
解： 估算额定运行时的 V 20922095.095.0=⨯==N aN U Emin)/r /(V 182.01150209===ΦN aN N e n E C N.m 29.469270182.055.955.9=⨯⨯=Φ=Φ=N N e N N T N I C I C Tr/min 1209182.02200==Φ=N e N C U n 在n -T 直角坐标系中过点A （1209，0）和点B （1150，469.29）作直线，该直线就是他励直流电动机的固有机械特性，如题2-1图所示。
2-2 一台他励直流电动机的额定数据为：N P =7.5 kW ，N U = 220 V ，N I =40 A ，N n =1 000 r /min ，a R =0.5 Ω。
拖动L T =0. 5N T 恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大?解： V 200405.0220=⨯-=-=Φ=N a N N N e aN I R U n C En /(r/min)1209 1150 T/N.m469.29 题2-1图1V/r.min 2.01000200-===ΦN aN N e n E C r/min 11002.02200==Φ=N e N C U n 由a N T I C T Φ=可知，当L T =0.5N T 时，A 20405.05.0=⨯==N a I Ir/min 10505011002.0205.0110000=-=⨯-=Φ-=∆-=a N e a I C R n n n n2-3 写出题2-3图所示各种情况下系统的运动方程，并说明系统的运行状态。
《电机学》(华中科大出版社,辜承林,第二版)课后答案
第二章 直流电机 2．1 为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？换向器与电刷共同把电枢导体中的交流电流，“换向”成直流电，如果没有换向器，电机不能发出直流电。
2．2 试判断下列情况下，电刷两端电压性质 （1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转； （2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。
(1)交流 ∵电刷与电枢间相对静止，∴电刷两端的电压性质与电枢的相同。
（2）直流 电刷与磁极相对静止，∴电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不动，磁场方向不变 ∴是直流。
2．3 在直流发电机中，为了把交流电动势转变成直流电压而采用了换向器装置；但在直流电动机中，加在电刷两端的电压已是直流电压，那么换向器有什么呢？ 直流电动机中，换向法把电刷两端的直流电压转换为电枢内的交流电，以使电枢无论旋转到N 极下，还是S 极下，都能产生同一方向的电磁转矩 2．4 直流电机结构的主要部件有哪几个？它们是用什么材料制成的，为什么？这些部件的功能是什么？有7个 主磁极 换向极， 机座 电刷 电枢铁心，电枢绕组，换向器 见备课笔记2．5 从原理上看，直流电机电枢绕组可以只有一个线圈做成，单实际的直流电机用很多线圈串联组成，为什么？是不是线圈愈多愈好？一个线圈产生的直流脉动太大，且感应电势或电磁力太小，线圈愈多，脉动愈小，但线圈也不能太多，因为电枢铁心表面不能开太多的槽，∴线圈太多，无处嵌放。
2．6 何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通的大小与哪些因素有关？主磁通： 从主极铁心经气隙，电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子绕组磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢中感应电动势，实现机电能量转换。
漏磁通： 有一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气隙钉子磁轭闭合，不参与机电能量转换，δΦ与饱和系数有关。
2．7 什么是直流电机的磁化曲线？为什么电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近？磁化曲线：00()f F Φ= 0Φ-主磁通，0F 励磁磁动势设计在低于“膝点”，则没有充分利用铁磁材料，即 同样的磁势产生较小的磁通0Φ，如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的0F ，若磁通0Φ基本不变了，而我的需要是0Φ（根据E 和m T 公式）选在膝点附近好处：①材料利用较充分②可调性好③稳定性较好。
第2章 直流电机的工作原理及拖动
直流发电机的工作原理
同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈 中的感应电动势的方向也是交变的，而通 过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、 B上输出的电动势是极性不变的直流电动 势。在电刷A、B之间接上负载，发电机 就能向负载供给直流电能。这就是直流发 电机的基本工作原理。
电机的可逆原理
一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也 可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的 不同条件。 将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将 电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为 电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的 磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能 转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势， 作发电机运行。
2.1 直流电机的基本结构
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产 机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采 用直流电动机驱动。 直流电动机的应用: （1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿 山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大 型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机 等。
2.6他励直流电动机的机械特性
所谓直流电动机的机械特性就是电机的转 速 n 随着负载转矩 T 的变化情况，研究电 机转速变化能够有助于更好地控制电机按 照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率 、低损耗地运行。
2.6.1. 他励直流电动机机械特性方程
直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁 转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：
2.8.2 直流电动机的反接制动
对位能负载而言，反接制动有两种情况： 一是转速反向的反接制动，另一是电压反 接的反接制动。
2直流电机的电枢绕组
•
2a＝2
•
或
a＝1
• 当电枢旋转时，各元件的位置随时间变化，构成支路的元件 交替更换，但从电刷外面看绕组时，仍然是一个有两条并联 支路的电路。
• 正因为如此，在元件数相同的情况下，波绕组每条支路的串 联元件数就可能比叠绕组多，支路电压也就会比较高。这也 是波绕组的基本特点。
• 波绕组增加并联支路数的方法是采用复波绕组。由m个单波 绕组构成的波绕组叫做m波绕组，其特点是 。m y yK (K m)/ p 波绕组通过电刷实现并联(电刷宽度等于或大于m个换向片宽 度)，其并联支路数增至2m。
2020年3月2日 第2页
• 分类：直流电枢绕 组有叠绕组、波绕 组和混合绕组等三 种类型。
• 本节主要说明单叠 和单波绕组的组成 和连接规律。
2020年3月2日 第3页
§2.1电枢绕组的一般知识
• 一、直流电枢绕组的构成 • 二、直流电枢绕组的节距
2020年3月2日 第4页
一、直流电枢绕组的构成
边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨 的距离，称为第二节距。第二节距用y2表示， 也用虚槽数计算。
2020年3月2日 第10页
• 3．合成节距y
• 相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离， 称为合成节距。合成节距用y表示，也用虚槽数计 算。波绕和叠绕、单绕组和复绕组之间的差别，主 要表现在合成节距上。所谓叠绕组是指：各磁极下 的元件依次相连，后一个元件总是“叠”在前一个 元件上。波绕组是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，像波浪一样向前延伸。 叠挠和波绕这两种联法，都能保证相串联的元件其 电动势方向相同而不互相抵消。
• 现举例说明单波绕组的绕法、支路电动势和 支路数等问题。
第2章 直流电动机的原理及特性
工作原理——直流发电机的工作原理 2.1.4 工作原理 直流发电机的工作原理
1.直流发电机的工作原理 1.直流发电机的工作原理 • 结论： 结论： ①在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流 交流的，通过换向 交流 片及电刷的整流 整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电 整流 动势。 ②虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但 从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因 此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不 变的磁场。 ③电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。 ④当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互 作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为 电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质 制动性质的。 电磁转矩 制动性质
第2章 直流电动机的原理及特性
2.1 直流电动机的基本结构和工作原理 2.2 直流电机的电枢绕组 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.4 感应电动势和电磁转矩 2.5 直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率 关系 2.6 直流电动机的机械特性 2.7 电力拖动系统稳定运行条件
第2章 直流电动机的原理及特性
• 知识点：直流电动机与交流电动机的比较 直流电动机比交流电动机结构复杂、价 格高、维修繁琐；但起动转矩大，起动和 制动性能优良、可平滑调速。
2.1
直流电动机的基本结构和工作原理
2.1.1 基本结构 组成：定子+转子+气隙
图2.1 小型直流电机的结构图
基本机构——1.定子部分 1.定子部分 2.1.1 基本机构 1.
定子部分=机座+主磁极+换向极+ 定子部分=机座+主磁极+换向极+电刷装置 （1）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分（定子磁 机座： 轭），二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支 承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强 度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。 。 。 主磁极： （2）主磁极：主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电 磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用 1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在 机座上。（装配图）
第2章第2讲直流PWM变换器-电动机系统参考文档
s nN 100 % n0
式中 nN = n0 - nN 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。 调速范围和静差率两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
27
2、静差率s
s nN 100 % n0
机械特性越硬，静差率就
越小，转速的稳定度越高。
➢ 特性a和b的硬度相同， ➢ 特性a和b额定速降相同， ➢ 特性a和b的静差率不相同。
21
4. 电能回馈与泵升电压的限制
泵升电压限制
在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来
限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗 掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数 值时接通。
+
UUss
+ CC
过电压信号
RRbb VVTTbb
-
泵升电压限制电路
PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不 可逆与可逆两大类。
脉宽调制（PWM-Pulse Width Modulation）
4
(1). 不可逆PWM变换器
①简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统
主电路原理图如下图所示，功率开关器件VT 可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路 又称直流降压斩波器(buck变换器)。
2
2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
主要研究问题 1 PWM变换器的工作状态和波形； 2 直流PWM调速系统的机械特性； 3 PWM控制与变换器的数学模型； 4 电能回馈与泵升电压的限制。
3
1．PWM变换器的工作状态和电压、电流波形
脉宽调制(PWM)变换器的作用是：用脉冲宽度调 制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一 定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平 均输出电压的大小，以调节电动机转速。
电机与拖动教案——第二章 直流电机
第二章直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理（一）直流电机的构成（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）气隙**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2）特点：e=BLV；a、电枢绕组中电动势是交流电动势b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2）特点：f=BiLa、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。
c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n同向）**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。
3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成（二）直流电机的基本结构1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3.电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4.电枢绕组——电路。
电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）5.换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）（三）励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。
电机学(第三版)第二章 直流电机
P EI a em
机械输入功率
P P pmec pFe p来自d P p0 1 em em
P P2 pCua pCuf pmec pFe pad 1 P2 pCu p0 P2 p
I
电压变化率
U U N U 0 100% U0
4.调节特性: n=常数、U=常 数时，If=f(I)
直流电机总体结构
长沙理工大学电气工程学院
主磁极
长沙理工大学电气工程学院
换向极
长沙理工大学电气工程学院
机 座
长沙理工大学电气工程学院
电枢铁芯及绕组
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽中的绝缘情况
长沙理工大学电气工程学院
换向器
长沙理工大学电气工程学院
电刷装臵
长沙理工大学电气工程学院
直流电机的额定值
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽内的放臵
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组的连接
长沙理工大学电气工程学院
D a 2 p或 Z i 2 p
Z 整数 y 2p
i 1
y y 叠绕组 y 0
1 2 2
y
波绕组的 y 0
2
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组－展开图
Bavl
（1）
n （ 5） v 2 p 60
故式（2）最终可改写为
（4 ）
E
令
Na / 2 a
k 1
ek lv
Na / 2 a
k 1
B ( x)
（ 2）
pN a E n C E n 60a
电机与拖动第二章第二节直流电机的电枢绕组
• 通过规定的电流 • 产生足够的电势和电磁转矩 • 消耗的有效材料最省 • 强度高（机械、电、气、热） • 运转可靠 • 结构简单
绕组实物图
3
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
一、电枢绕组的基本知识—名词、术语
1、磁极中心线：极轴线 2、几何中心线：磁极之间的平分线
二、单叠绕组
5、画绕组电路图（并联支路图） • 特点：每个极下的元件组成一条支路
19
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
二、单叠绕组
• 整个电枢绕组为一个闭合回路，无头无尾 - 感应电动势总和为零
• 元件的两个出线端要连接于相邻两个换向片上 • 并联支路数等于磁极数， 2a=2p; • 电刷数等于磁极数，每条支路由不相同的电刷引出 • 电枢电压等于每一个支路的电压 • 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和
• 单叠：电刷数=磁极数
• 原则： - 引出来的电势最大 （2，3，4） - 被电刷短路的元件电势最小（1，5）
• 规律： - 端部对称时，一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
二、单叠绕组
4、安放电刷，完成连线
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S7 8 9 10 N11 12 13 14 S15 16
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S 7 8 9 10 N11 12 13 14 S 15 16
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第2章直流电机
n
a d
S φ
电刷
-
发电机模型
图 2-1 直流发电机的工作原理模型
根据分析，可以得出直流发电机以下结论： (1)在电枢线圈内感应电动势ea及电流ia都是交流电，通 过换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流 电动势，使外部电路得到方向不变的直流电流； (2)发电机电枢线圈中的感应电动势ea（称为电枢电动 势）与其电流ia（称为电枢电流）的方向始终一致； (3)电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，从 空间上看，N极与S极下的电枢电流方向不变，因此，由 电枢电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场； (4)电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f。据左手定则 可以得出f的方向。此电磁力f使转轴受到一个力矩 T=f.R(R为导体对转轴中心的半径)，称为电磁转矩，其 方向与转子转向相反，是制动性质。为此原动机须输入 机械功率克服电磁转矩的制动作用使转子继续恒速旋转 ，才能继续不断地发出电能输给负载，这就使机械能通 过电磁感应作用变成了电能。
2.3.1 直流电机的电枢绕组
直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现 机电能量转换到核心部件。 电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈， 线圈边是产生感应电动势和电磁转矩的有效元件， 简称元件，元件数用S表示 按照元件首尾端与换向片连接规律不同，电枢绕组可 分为叠绕组和波绕组 叠绕组又有单叠和多叠之分，波绕组也有单波和复波之分。 单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式
2.1 直流电机的工作原理及结构
2.1.1直流电机的工作原理 （一）直流电动机的工作原理（电动机如何转起来？）
载流导体在磁场中受到的力
f Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A)
第2章 直流电动机的电力拖动
UN n = C eΦ
N
Ra − C eC tΦ
2 N
T
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小， 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有 机械特性是硬特性。 当改变 U 或 Ra 或 Φ 得到的机械特性称为人为机械特性。 得到的机械特性称为人为机械特性 人为机械特性。
1、电枢串电阻时的人为机械特性
I sc
Ia
Tsc 2 Tsc 1 Tsc
φ
不同时的 n = f (T ) 曲线
β n 特点：1）弱磁，0增大； 2）弱磁， 增大 弱磁， 特点： 弱磁， 增大；
三、机械特性的绘制
1.固有特性的绘制 1.固有特性的绘制
求两点: 已知 PN , U N , I N , n N，求两点:理想空载点
2.人为特性的绘制 2.人为特性的绘制
不变,只在电枢回路中串入电阻 保持U = U N , Φ = Φ N 不变 只在电枢回路中串入电阻R Ω的人为特性
Ra + RΩ UN n = − T 2 C eΦ N C eC tΦ N
n0
β 特点： 不变， 变大； 特点：1）n0 不变， 变大；
越大，特性越软。 2） β 越大，特性越软。
n
Ra
制动的目的是使电力拖动系统停车， 制动的目的是使电力拖动系统停车，转速降低或获得 稳定的下降速度（位能性负载） 稳定的下降速度（位能性负载）。
自由停车法 电磁制动器 能耗制动 电气制动法 反接制动 回馈制动 (再生制动 再生制动) 再生制动
一、能耗制动
1．实现能耗制动的方法
RΩ
＋
Ra
＋
K3
电动状态
φ
U N Ra n = − C eΦ C eΦ
第2章_直流测速发电机
反之， 当温度下降时， 输出电压便升高。
第一章 直流测速发电机
减少温度影响的措施： ①测速发电机磁路通常被设计的比较饱和，磁路 饱和后励磁电流变化引起的磁通变化较小； ②励磁回路串一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的 附加电阻来稳流；
③对温度变化引起误差要求比较严格的场合，可 在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网 络。
第一章 直流测速发电机
(4) 输出电压的纹波要小， 即要求在一定的转速 下输出电压要稳定， 波动要小；
(5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。
图 2 - 17 测速发电机的理想输出特性
第一章 直流测速发电机
2.3.3 输出特性
在2.2节中已经推导了直流电势公式:
Ea=CeΦn
Ea∝n
(2 - 14)
返回
第一章 直流测速发电机
式(2 - 14)是负载时输出电压与转速的关系。 如果 式中Φ、 Ra和RL都能保持为常数， 则Ua与n之间仍呈 线性关系， 只不过是随着负载电阻的减小， 输出特性 的斜率变小而已， 如图 2 - 19 所示。 但该图是理想情 况下， 即Φ、 Ra不变， RL为一定时的输出特性。
pN 其中 C e 称电动势常数，Φ为每极磁通。 60 a
第一章 直流测速发电机
2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.3.1 直流测速发电机的型式
按照励磁方式划分， 直流测速发电机有两 种型式。
1. 永磁式
永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久 磁钢做成， 没有励磁绕组， 以图 2 - 15 所示 的符号表示。
第一章 直流测速发电机
2.4.2 电枢反应影响 电机空载时，只有励磁绕组产生的主磁场。 电机负载时， 电枢绕组中流过电流也要产生磁 场， 称为电枢磁场。 所以， 负载运行时， 电
第二章 直流电动机
把电枢外圆展开成直线，为分析气隙的磁动势画出. 如图+x O x 闭合回路。忽略铁心部分所需的磁压降， 则消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
。
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
式中 ——电枢表面单位长度上的安培导 体数； ia导体的电流；N电枢总导体数；Da电枢的直 径。
Nia A πDa
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为
Ba ( x) 0 H a 0 Fa
0
Ax
Ba ( x) 0
Ax
Fa ( x) Ax
2.3.3 电枢反应
直流电机电枢磁动势对励磁磁场的影响，称为电枢反应 1、使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离。 2、电枢反应有一定的去磁作用。
2. 换向的基本概念 直流电机工作作时，电抠绕组各元件不断地 从一个支路，换入另一个支路，元件中的电 流也不断地改变方向，过程叫做换向。
磁通密度不为为 零
磁通密度为零
空载磁场
负载磁场
常用的改善换向方法有两种： 加装换向磁极和移动电刷
1、加装换向磁极: 换向极绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势与 电枢反应磁动势方向相反，
2.1 直流电机的工作原理
2.1.1 直流电动机的工作原理
直流电动机组成： NS磁极、绕有线圈的圆柱体电枢、换 向器、电刷
电刷和换向器
把转动的电枢与外 部固定的电源连接在 一起。 产生方向不变的电 磁转矩使电机连续转 动。 将输入的直流电能 变换为机械能输出。
2.1 直流电机的工作原理
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磁化特性曲线
◆
空载磁化特性计算方法 空载磁化特性计算方法 首先：对主磁路各段： 首先：对主磁路各段： 都由已知的Ф，求出磁密 ， 都由已知的 ，求出磁密B，
Φ = BS
B = µH
（S：截面积） ：截面积）
再求出磁场强度H， 再求出磁场强度 ，
（µ：各段磁导率）
空载磁化特性
以 H 乘以本段磁路长度 l ， H l 即为本段磁位差； 即为本段磁位差；
（4）元件嵌入电枢铁心的槽中 元件边置于电枢铁心的槽中， 有效边” ◆ 元件边置于电枢铁心的槽中，称“有效边”；
◆ 每槽分上下两层排列
如一个元件的一边放在某槽的上层， 如一个元件的一边放在某槽的上层， 则其另一边放于另一槽的下层； 则其另一边放于另一槽的下层；
◆ 元件之间的连接
每一个元件的末端（下层边） 每一个元件的末端（下层边）同 另一个元件的首端（上层边）相接； 另一个元件的首端（上层边）相接； 且共同接于同一换向片上。 且共同接于同一换向片上。
然后：将各段磁位差求和， 然后：将各段磁位差求和，即得磁通势 Ff 。
Ff =∑Hi li
（6）讨论
◆空载磁化特性计算
磁管
的主磁路应包括： 的主磁路应包括：
◆Ф
– I 关系
2段气隙 2段电枢齿部 电枢磁轭 2段主磁极 定子磁轭
∆
因为： 因为：F=IN，即：磁通势为励磁 ， 电流与绕组匝数的乘积； 电流与绕组匝数的乘积； 所以： 所以：磁化特性曲线的横坐标也 可标注 为If ； 其与F 其与 f 值相差 N 倍。 工程上应用I 更为方便。 工程上应用 f 更为方便。
(b)
几何中 线 漏磁通
主磁 通
（4）空载磁化特性
◆ 定义
空载时气隙每极磁通Ф 空载时气隙每极磁通 与空载励磁磁通势F 与空载励磁磁通势 f 或 空载励磁电流I 的关系， 空载励磁电流 f 的关系， 称为直流电机的空载磁化特性。 称为直流电机的空载磁化特性。 即： Ф＝ f ( Ff ) 或 Ф ＝ f ( If )
（3）主磁路 主磁通Ф经过的路径。 主磁通Ф经过的路径。
主磁极 (×2) 定、转子间气隙(×2) 转子间气隙( 电枢齿 (×2) 电枢磁轭 定子磁轭
含:
（4）主磁极漏磁通Фσ 主磁极漏磁通Ф
◆
不进入电枢铁心， 不进入电枢铁心， 只连着励磁绕组本身 的磁通. 的磁通. 漏磁通不感应电动势， 只增加主磁路的饱和度。 漏磁通不感应电动势， 只增加主磁路的饱和度。
= If Nf
Ff ：磁通势，即：场强 H ×长度 l 磁通势， Nf ：一个磁极上励磁绕组的串联砸数； 一个磁极上励磁绕组的串联砸数； If ：励磁电流
极身
（3）空载时气隙磁密 Bx分布波形 空载时气隙磁密 由:
极靴
Bx = µ0
Ff
气隙磁密分布波形
1—均匀气隙时的气隙磁密 2—不均匀气隙时的气隙磁密
Hale Waihona Puke 直流电机电枢绕组的几个基本概念 2.5.2 直流电机电枢绕组的几个基本概念 （1）电枢绕组
由多个结构形状相同的绕组元件 以一定的规律连接而成。 以一定的规律连接而成。
（2）绕组元件（简称元件） 绕组元件（简称元件）
即线圈。一个元件就是一个线圈。 即线圈。一个元件就是一个线圈。 线圈 元件个数以 S 表示。 表示。
仅励磁绕组里有励磁电流， 仅励磁绕组里有励磁电流，电枢绕组 和其他绕组无电流时,形成的气隙磁场。 和其他绕组无电流时,形成的气隙磁场。 空载磁场特点： 空载磁场特点： 特点
◆ ◆ ◆
气隙磁场基本为主磁场； 气隙磁场基本为主磁场； 每对磁极的磁路相同； 每对磁极的磁路相同； 每极的励磁磁通势为： 每极的励磁磁通势为：F f
单叠绕组
单波绕组
2.5.4 单叠绕组 （1）第一节距 y1
虚槽数） 同一元件的两个元件边之间距离（虚槽数）。 N
τ
S
Ze y1 = ± ε = 整数 2p
说明: 说明:
Y1 ：第一节距 Ze ：虚槽数 P ：电机极对数 ε ：凑整分数
设：电枢圆周表面相邻两个磁极的距离为τ， 电枢圆周表面相邻两个磁极的距离为τ 应等于或接近于τ 则：为获得较大的线圈电动势,第一节距 y1应等于或接近于τ， 为获得较大的线圈电动势, 因：极距τ的计算公式为： 故：极距τ以虚槽数表示为： 极距τ的计算公式为： 极距τ以虚槽数表示为：
单波绕组的支路对数a与极对数 与极对数p无关 ◆ 单波绕组的支路对数 与极对数 无关
2.5.6
单叠绕组同单波绕组的比较
在电机的极对数（大于1）、元件数、导体截面积相同情况下， 在电机的极对数（大于1）、元件数、导体截面积相同情况下， 元件数 结果见下表。 结果见下表。 绕组类型 支路数 单叠绕组 并联支路数多 a = p 单波绕组 支路对数恒为 a =1 每个支路里元件较多 高电压、 高电压、小电流 [记住]
空载磁化特性
◆ 气隙线
磁管
较小时（ 较小时）， 当： Ф 较小时（或If 较小时）， 特性曲线近似直线； 有： 特性曲线近似直线； 原因： 原因：此时总磁位差主要由气隙 磁位差决定, 为常数， 磁位差决定,且μ0为常数， 故得一直线。称气隙线。 故得一直线。称气隙线。 ◆ 磁饱和 较大时（ 较大时）， 当： Ф 较大时（或If 较大时）， 特性曲线趋于饱和； 有： 特性曲线趋于饱和； 原因：铁磁材料的µ值非常数 值非常数， 原因：铁磁材料的 值非常数， 故表现为铁磁材料的磁饱和, 故表现为铁磁材料的磁饱和, 使曲线具饱和特点。 使曲线具饱和特点。
τ=
πDa
2p
Ze τ = 2p
（2）合成节距 y
◆
定义： 定义：相串联的两个元件的对应边之间 的距离（虚槽数） 的距离（虚槽数） 。 对于单叠绕组， 对于单叠绕组，有： y = 1
◆
（3）换向片节距 yk ）
◆
定义：每个元件首 定义：每个元件首、末端所连两个 换向片之间的距离（虚槽数）。 换向片之间的距离（虚槽数）。 对于单叠绕组， 对于单叠绕组，有： yk = y = 1
① 每极下元件组成支路,故:支路
对数a 等于极对数p： 对数 等于极对数 ：a = p。 。
←电枢转向
←电动势方向 ←电动势方向 ←电动势方向 ←电动势方向
元件按序平移, ② 元件按序平移 各支路的组成
元件变化,但各支路的结构 元件变化, 不变, 不变,且各支路e的方向固 A。 定,B A。 支路时， ③ 元件处于不同支路时，元件 的方向将发生变化。 上e的方向将发生变化。 即为总电路 ④ 每一支路的e值, 即为总电路
支路元件数 每个支路里元件少 适用电机 低电压、 低电压、大电流
2.6 2.6 直流电机的磁路与空载磁化特性
2.6.1 直流电机的磁路 （1）主磁场 主极产生的磁场； 主极产生的磁场；即： 由励磁绕组通以直流励磁 电流产生。 电流产生。 （2）主磁通Ф 主磁通Ф 同时连着励磁绕组和电枢 绕组的磁通。 绕组的磁通。 当电枢旋转时, 当电枢旋转时,能在电枢 绕组中感应电动势(电磁转矩) 绕组中感应电动势(电磁转矩)。
（3）单匝元件与多匝元件
◆ ◆ ◆ ◆
一个元件有两个元件边。 一个元件有两个元件边。 单匝元件： 单匝元件：每个元件边里仅有一根导体 多匝元件：每个元件边里有 根导体 即多圈。 根导体， 表示。 多匝元件：每个元件边里有n根导体，即多圈。匝数以 Ny 表示。 无论单匝或多匝 引出线只有两根：首端，尾端。 单匝或多匝， 无论单匝或多匝，引出线只有两根：首端，尾端。
（3）单波绕组的并联支路图
◆
单波绕组的支路对数a 恒为“ 单波绕组的支路对数 恒为“1”
单波绕组将所有N极下的全部元件串联起成一个支路； 单波绕组将所有 极下的全部元件串联起成一个支路；将所有 极下的全部元件串联起成一个支路 之分， S 极下的全部元件串联起成另一个支路；且磁极只有 、S之分， 极下的全部元件串联起成另一个支路；且磁极只有N 之分 所以， 恒为“ 所以，单波绕组的支路对数 a 恒为“1”，即： a =1。
(二者相差匝数Nf 。) 二者相差匝数
（5）空载磁化特性计算
◆
空载磁化特性计算内容 空载磁化特性计算内容
已知气隙每极磁通为Ф， 已知气隙每极磁通为 ， 求出励磁磁通势F 求出励磁磁通势 f ； 对于不同的Ф计算出不同的 计算出不同的F 对于不同的 计算出不同的 f ； 于是得到： 于是得到： Ф = f（Ff） 磁化特性曲线。 磁化特性曲线。
◆
◆
（6）实槽与虚槽
◆
实槽 电枢结构中的实际物理槽， 电枢结构中的实际物理槽， 称实槽。实槽数以 Z 表示。 称实槽。 表示。 虚槽 实槽中一组上下两层的元件， 实槽中一组上下两层的元件， 即构成一虚槽。 即构成一虚槽。 一个实槽中的虚槽数以 u ， 表示。 电机总虚槽数以 Ze 表示。 实槽与虚槽的关系 总虚槽数为： 总虚槽数为： Ze = u Z = S = K 虚槽
◆
（4）第二节距 y2
◆ ◆
定义：连至同一换向片的两个元件边之间的距离（虚槽数） 定义：连至同一换向片的两个元件边之间的距离（虚槽数） 。 对于单叠绕组， 对于单叠绕组，有 ： y2 = y1 - y
（5）单叠绕组的展开图
◆
绕组展开图内容 设：将电枢槽内的各元件构成的
电枢绕组取出， 电枢绕组取出， 单独画在同一张图里。 并：单独画在同一张图里。
◆
◆
（7）电枢绕组的全部导体数z
z = 2uZNy = 2NyZe
其中： 其中： z - 电枢绕组的全部导体数 u - 一个实槽中的虚槽数 Z - 电枢实槽数 Ny - 每个多匝元件匝数 Ze - 总虚槽数 2 - 每虚槽放置2层 每虚槽放置2
2.5.3 直流电机电枢绕组的基本形式 （1）两种最基本的电枢绕组形式 单叠绕组 单波绕组 （2）节距 指被联结起来的两个元件边 或换向片之间距离。 或换向片之间距离。 (以跨过的元件边数或虚槽数 以跨过的元件边数或虚槽数 或换向片数来表示。 或换向片数来表示。)