第3章 直流电机原理
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5．励磁方式和额定励磁电流 IfN （A）
另外：还有额定转矩 TN和额定效率ηN
注意：额定容量，对直流发电机来说，是指 电刷端输出的电功率，对直流电动机来说， 是指轴上输出的机械功率。
? 所以，直流发电机：的额定容量为：
PN ? U N I N
? 而直流电动机的额定功率为
PN ? U N I N? N
并励线圈导 线细，匝 数多
I ? Ia ? I f
串励线圈 导线粗， 匝数少
? 积： F ? FS ? Ff
? 差： F ? FS - Ff
先并后串， 先串后 并
3.3 直流电机电枢绕组
电枢绕组是由许多形状完全一样的绕 组元件按一定规律连接起来的。 一个绕组元件就是一个线圈，称为元 件，元件数用 S表示。 线圈/元件可能单匝，也可能多匝。用 Ny表示。 每元件的二引出线称为首端和尾端。分别接到不同的换向 片上。即一个换向片既接一个元件的首端，也接一个元件 的尾端。故换向片数 K=S 。
? 3.8 直流电机的换向与改善方法
3.1 直流电机的用途及基本工作原理
直流发电机： 机械能变为直流电能
直流电动机： 直流电能变为机械能
直流电机发明较早，当三相交流电发明后，交流电机迅速 发展，但直流电机仍有使用，其优点有：
1、调速范围广，调速平滑。 2、过载能力较强，起动和制动转矩大。 3、易于控制，可靠性高 4、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影
响小。
一、直流电机的用途
直流电动机用于对调速要求较高的生产机械上，如 轧钢机、电力机车、挖掘机械、纺织机械等
直流发电机用作直流电动机和交流发电机的电源
测速发电机
伺服电动机
做励磁机用：一般小于 10万kW 即 100MW的单机同步发电机要用直 流发电机作为励磁机。
二、直流电机的基本工作原理
直流电动机工作原理： ? 建立主极磁场→外加
直流电机原理要求结构组成:
磁场→主磁极→永久磁铁/线圈 线圈→电枢绕组 换向器和电刷→换流/整流
3.2 直流电机的主要结构、额定值、 一、主要结构 励磁方式
直流电机剖面图
极掌/极靴 S
极心
N ···
励磁绕组
···
S
机座
转子
N
结构细说
风叶 磁极 电刷
转 轴
换 向 器
换向片 换向器
电枢转子
电Biblioteka Baidu绕组 压紧环
绕组端部
定子： 机座、主磁极、换向极和电刷装置等 转子： 电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴
承等 1、机座：
1）导磁，是主磁路的一部分，叫定子磁轭，用铸钢 制作。
2）机械支撑作用 2、主磁极：又叫主极，形成磁场
永久磁铁：小直流电机，叫永磁直流电机 电磁线圈：铁心和励磁线圈
钢板冲叠
3、换向极：又叫附加极，装在两主极之间。 1KW以 上电机，改善换向，见 3.10 节。铁心用整块钢板，绕 组流过电枢电流，匝数少、线粗
? 几何中心线：磁极的 几何分界线
? 电刷和换向器配合
? 电流换向=电流逆变： 导体运动经过磁极的 几何中心线期间→交 换线圈电源极性→交 换线圈电流方向→电 磁力方向维持不变
直流发电机工作原理： ? 建立主极磁场 →外加
机械转矩 →线圈在磁 场中旋转 →运动导体 在磁场中产生感应电 动势 e=Blv→ 带电负 载→对外输出电能
直流电机电枢绕组最基本的连接型式有单叠和单波绕组。 还 有复叠、复波和混合绕组。 我们介绍单叠绕组。
一、节距
指两元件边的距离，以虚槽数表示。
直流电压 →在线圈中 产生电流→载流导 体在磁场中受到力 的作用F=BIL→克服 阻力转动→对外输 出机械能
转子旋转180电角度：
? 直流电源供电，电 流方向不变→旋转 180度后电磁力方向 反向→平均电磁力 矩为零→若要保持 电磁力方向不变， 则：改变磁极极性 或改变电流方向
直流电动机原理—换向
换向=机械整流：
? 线圈旋转方向不变 →导体感应电动势（在不同极 下感应电势方向不同，导体感应电势交变） →感 应电势换向 =整流：经过磁极的几何中心线，交换 线圈输出极性，输出直流，否则输出交流
eXA
e AB
2?
3?
线圈电动势的波形
电刷间的电动势波
脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈 串联而构成的。 N ? ? 时，理想：E ? C
直流电机换向器结构
二、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。直流电机的额定值有：
1．额定容量（功率）（ kW）：PN 2．额定电压（ V）： UN 3．额定电流（ A）： IN 4．额定转速 （r／min）： nN
每元件的一边占了某槽的上边，另一 边就占某槽的下边。但一个槽里可并 列放几个元件，引入虚槽概念，设有 Z个实槽，一个实槽中的虚槽数为 u， 则总虚槽数 Ze=uZ=S=K
电枢总导体数 N为：N ?２uN yZ＝2N yZe 分析电枢绕组连接规律，着重研究它的节距、展开图、元 件连接次序和并联支路图。
TN
?
PN ?N
? 9.55 PN nN
或 9550
PN nN
( 功率单位
P32：国产直流电机的型号（略）
例3-1 3-2 P32
: kw)
三、励磁方式：
直流电机主极磁场：
永久磁铁：磁场弱
电源连接方式 直流励磁绕
它励
组
自励
并励 串励 复励
连接不同，特性不同3.8、3.9
I ? Ia
I ? Ia ? I f
4、电刷：靠弹簧压在换向器上，实现电枢电流的换 向。
5、电枢铁心：是电机主磁路一部分。电枢旋转时， 会有涡流与磁滞损耗，为减少损耗，用硅钢片冲压而 成。
6、电枢绕组：用包有绝缘的铜线绕制成一个个电枢 线圈，线圈又称为元件。元件 2个出线端连接换向片。
7、换向器：装在转轴上，由许多换向片组成，换向 片间是绝缘片。换向片与线圈元件数相同。
第三章 直流电机原理
主要内容
? 3.1 直流电机的用途及基本工作原理 ? 3.2 直流电机的主要结构、额定值和励磁方
式 ? 3.3 直流电机电枢绕组 ? 3.4 直流电机的磁路与电枢反应 ? 3.5 电枢电动势与电磁转矩 ? 3.6 它励直流电机稳态运行时方程 ? 3.7 直流电动机的运行特性 ? 3.9 串励和复励直流电动机
另外：还有额定转矩 TN和额定效率ηN
注意：额定容量，对直流发电机来说，是指 电刷端输出的电功率，对直流电动机来说， 是指轴上输出的机械功率。
? 所以，直流发电机：的额定容量为：
PN ? U N I N
? 而直流电动机的额定功率为
PN ? U N I N? N
并励线圈导 线细，匝 数多
I ? Ia ? I f
串励线圈 导线粗， 匝数少
? 积： F ? FS ? Ff
? 差： F ? FS - Ff
先并后串， 先串后 并
3.3 直流电机电枢绕组
电枢绕组是由许多形状完全一样的绕 组元件按一定规律连接起来的。 一个绕组元件就是一个线圈，称为元 件，元件数用 S表示。 线圈/元件可能单匝，也可能多匝。用 Ny表示。 每元件的二引出线称为首端和尾端。分别接到不同的换向 片上。即一个换向片既接一个元件的首端，也接一个元件 的尾端。故换向片数 K=S 。
? 3.8 直流电机的换向与改善方法
3.1 直流电机的用途及基本工作原理
直流发电机： 机械能变为直流电能
直流电动机： 直流电能变为机械能
直流电机发明较早，当三相交流电发明后，交流电机迅速 发展，但直流电机仍有使用，其优点有：
1、调速范围广，调速平滑。 2、过载能力较强，起动和制动转矩大。 3、易于控制，可靠性高 4、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影
响小。
一、直流电机的用途
直流电动机用于对调速要求较高的生产机械上，如 轧钢机、电力机车、挖掘机械、纺织机械等
直流发电机用作直流电动机和交流发电机的电源
测速发电机
伺服电动机
做励磁机用：一般小于 10万kW 即 100MW的单机同步发电机要用直 流发电机作为励磁机。
二、直流电机的基本工作原理
直流电动机工作原理： ? 建立主极磁场→外加
直流电机原理要求结构组成:
磁场→主磁极→永久磁铁/线圈 线圈→电枢绕组 换向器和电刷→换流/整流
3.2 直流电机的主要结构、额定值、 一、主要结构 励磁方式
直流电机剖面图
极掌/极靴 S
极心
N ···
励磁绕组
···
S
机座
转子
N
结构细说
风叶 磁极 电刷
转 轴
换 向 器
换向片 换向器
电枢转子
电Biblioteka Baidu绕组 压紧环
绕组端部
定子： 机座、主磁极、换向极和电刷装置等 转子： 电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴
承等 1、机座：
1）导磁，是主磁路的一部分，叫定子磁轭，用铸钢 制作。
2）机械支撑作用 2、主磁极：又叫主极，形成磁场
永久磁铁：小直流电机，叫永磁直流电机 电磁线圈：铁心和励磁线圈
钢板冲叠
3、换向极：又叫附加极，装在两主极之间。 1KW以 上电机，改善换向，见 3.10 节。铁心用整块钢板，绕 组流过电枢电流，匝数少、线粗
? 几何中心线：磁极的 几何分界线
? 电刷和换向器配合
? 电流换向=电流逆变： 导体运动经过磁极的 几何中心线期间→交 换线圈电源极性→交 换线圈电流方向→电 磁力方向维持不变
直流发电机工作原理： ? 建立主极磁场 →外加
机械转矩 →线圈在磁 场中旋转 →运动导体 在磁场中产生感应电 动势 e=Blv→ 带电负 载→对外输出电能
直流电机电枢绕组最基本的连接型式有单叠和单波绕组。 还 有复叠、复波和混合绕组。 我们介绍单叠绕组。
一、节距
指两元件边的距离，以虚槽数表示。
直流电压 →在线圈中 产生电流→载流导 体在磁场中受到力 的作用F=BIL→克服 阻力转动→对外输 出机械能
转子旋转180电角度：
? 直流电源供电，电 流方向不变→旋转 180度后电磁力方向 反向→平均电磁力 矩为零→若要保持 电磁力方向不变， 则：改变磁极极性 或改变电流方向
直流电动机原理—换向
换向=机械整流：
? 线圈旋转方向不变 →导体感应电动势（在不同极 下感应电势方向不同，导体感应电势交变） →感 应电势换向 =整流：经过磁极的几何中心线，交换 线圈输出极性，输出直流，否则输出交流
eXA
e AB
2?
3?
线圈电动势的波形
电刷间的电动势波
脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈 串联而构成的。 N ? ? 时，理想：E ? C
直流电机换向器结构
二、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。直流电机的额定值有：
1．额定容量（功率）（ kW）：PN 2．额定电压（ V）： UN 3．额定电流（ A）： IN 4．额定转速 （r／min）： nN
每元件的一边占了某槽的上边，另一 边就占某槽的下边。但一个槽里可并 列放几个元件，引入虚槽概念，设有 Z个实槽，一个实槽中的虚槽数为 u， 则总虚槽数 Ze=uZ=S=K
电枢总导体数 N为：N ?２uN yZ＝2N yZe 分析电枢绕组连接规律，着重研究它的节距、展开图、元 件连接次序和并联支路图。
TN
?
PN ?N
? 9.55 PN nN
或 9550
PN nN
( 功率单位
P32：国产直流电机的型号（略）
例3-1 3-2 P32
: kw)
三、励磁方式：
直流电机主极磁场：
永久磁铁：磁场弱
电源连接方式 直流励磁绕
它励
组
自励
并励 串励 复励
连接不同，特性不同3.8、3.9
I ? Ia
I ? Ia ? I f
4、电刷：靠弹簧压在换向器上，实现电枢电流的换 向。
5、电枢铁心：是电机主磁路一部分。电枢旋转时， 会有涡流与磁滞损耗，为减少损耗，用硅钢片冲压而 成。
6、电枢绕组：用包有绝缘的铜线绕制成一个个电枢 线圈，线圈又称为元件。元件 2个出线端连接换向片。
7、换向器：装在转轴上，由许多换向片组成，换向 片间是绝缘片。换向片与线圈元件数相同。
第三章 直流电机原理
主要内容
? 3.1 直流电机的用途及基本工作原理 ? 3.2 直流电机的主要结构、额定值和励磁方
式 ? 3.3 直流电机电枢绕组 ? 3.4 直流电机的磁路与电枢反应 ? 3.5 电枢电动势与电磁转矩 ? 3.6 它励直流电机稳态运行时方程 ? 3.7 直流电动机的运行特性 ? 3.9 串励和复励直流电动机