直流电动机基本理论
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
1、直流电动机的工作原理：
在图中，线圈连着换向片，换向片固定于转轴上，随电机轴一起旋转，换向片之间及换向片与转轴之间均相互绝缘，它们构成的整体称为换向器。
电刷A、B在空间上固定不动。
在电机的两电刷端加上直流电压，由于电刷和换向器的作用将电能引入电枢线圈中，并保证了同一个极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈边所受的电磁力方向不变，保证了电动机能连续地旋转，以实现将电能转换成机械能以拖动生产机械，这就是直流电动机的工作原理。
留意：每个线圈边中的电流方向是交变的。
2、直流发电机的工作原理：
如图，当用原动机拖动电枢逆时针方向旋转，线圈边将切割磁力线感应出电势，电势方向可据右手定则确定。
由于电枢连续旋转，线圈边ab、cd将交替地切割N极、S极下的磁力线，每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的，线圈内的感应电动势是交变电动势，但由于电刷和换向器的作用，使流过负载的电流是单方向的直流电流，这始终流电流一般是脉动的。
在图中，电刷A所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势，它始终具有正极性；电刷B始终具有负极性。
这就是直流发电机的工作原理。
3、电机理论的可逆性原理：
从基本电磁过程看，一台直流电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行，只是外界条件不同而已。
当外加直流电压，可作为拖动生产机械的电动机运行，将电能变换为机械能。
若用原动机拖动电枢旋转，可输出电能，为发电机运行，将机械能变换为电能。
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。
直流电动机工作原理
直流电动机工作原理1. 概述直流电动机是一种常见的电动机类型，广泛应用于各种电动设备中。
它的工作原理是利用直流电流在电磁场中的相互作用，使得电动机产生旋转运动。
直流电动机通常由定子、转子和电刷组成。
2. 定子定子是直流电动机的固定部分，通常由铁芯和绕组组成。
绕组由导线缠绕在铁芯上，形成多个线圈，每个线圈都经过一段定子绕组。
当电流通过绕组时，会在定子中产生一个磁场。
3. 转子转子是直流电动机的旋转部分，通常由铁芯、电枢和电刷组成。
电枢由导线缠绕在铁芯上，形成多个线圈，每个线圈都经过一段转子绕组。
当电通入电枢时，电枢会在转子上产生一个磁场。
4. 电刷电刷是直流电动机中非常重要的组件，它通常由碳材料制成。
电刷与定子和转子的绕组相连，用于供应电流到转子的绕组上。
电刷通过与转子绕组接触，将电流传递到转子上，同时也负责转子绕组中电流的引导。
5. 工作原理直流电动机的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：•步骤 1: 电流通过定子绕组，产生一个磁场。
•步骤 2: 电流通过电刷传递到转子绕组上，形成转子的磁场。
•步骤 3: 转子的磁场和定子的磁场相互作用，使得转子受到一个力的作用。
•步骤 4: 受到的力使得转子旋转。
•步骤 5: 转子旋转带动机械负载运动。
6. 工作原理详解在直流电动机中，电流在定子和转子的绕组之间形成一个相互作用的环路。
当电通入定子的绕组时，会在定子中产生一个磁场。
这个磁场通过定子的铁芯传导到外部。
同时，电刷将电流传递到转子的绕组上，形成了一个磁场。
由于转子上的磁场受到定子磁场的影响，两者之间形成了相互作用的力。
这个力被称为洛伦兹力，是由电流在磁场中的相互作用引起的。
洛伦兹力使得转子受到一个力的作用，从而产生旋转运动。
转子旋转的动力来自外部施加在转子上的机械负载。
通过调整电流的大小和方向，可以控制直流电动机的转速和转向。
电刷的设计和布局也对电机性能有一定影响。
7. 应用领域直流电动机由于其简单、可靠且易于控制的特点，在工业和家庭中得到广泛应用。
直流电机基本知识
构成：主极铁心和套装 在铁心上的励磁绕组。
第二十一页，编辑于星期五：十七点 二十一分。
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
二、直流电机主要结构 （一）定子各部件安装结构
（2）换向极
作用：用于改善换向
构成：换向极常用整块钢或厚钢板制成。换向极的数目 一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量 通常只有主磁极的一半，或不设置换向极
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
二、直流电机主要结构 （二）转子各部件安装结构
（3）换向器
作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。
构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间
用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而 构成。
第三十页，编辑于星期五：十七点 二十一分。
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
作用：电枢绕组——功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转 时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁 场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行 电功率和机械功率的转换。 特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两
换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连 接，形成闭合回路。
件串联起来，象波浪式的前进。波绕组，又分为单波和复波
绕组。 (3)混合绕组。
第三十八页，编辑于星期五：十七点 二十一分。
15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
绕组是由元件构成的.放在槽内的元件边，能切割磁力线产 生感应电动势，叫有效边；放在槽外，不切割磁力线，仅
第九页，编辑于星期五：十七点 二十一分。
15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值
一、直流电机工作原理
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。
直流电机实训报告工作原理
一、引言直流电机作为电机领域的重要组成部分，广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器等领域。
为了更好地理解直流电机的工作原理，我们进行了直流电机实训，通过实际操作和理论学习，对直流电机的工作原理有了更深入的认识。
本文将对直流电机的工作原理进行详细阐述。
二、直流电机的工作原理直流电机的工作原理基于电磁感应和电磁力作用。
以下是直流电机工作原理的详细说明：1. 磁场产生：直流电机的磁场由定子绕组产生。
定子绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场。
励磁磁场是直流电机运行的基础。
2. 电枢绕组：电枢绕组是直流电机的旋转部分，由线圈组成。
线圈通电后，在磁场中受到电磁力作用。
3. 换向器：换向器是直流电机的重要组成部分，它由多个换向片组成。
换向片固定在转轴上，与电刷接触，起到换向作用。
换向器的作用是保证电枢线圈中的电流方向与磁场方向始终保持一致。
4. 电刷：电刷是直流电机中的导电部分，固定在机座上。
电刷与换向器接触，将直流电源引入电枢线圈。
5. 电磁力作用：当电枢线圈通电后，线圈在磁场中受到电磁力作用。
根据左手定则，电磁力的方向垂直于电流方向和磁场方向。
在直流电机中，电磁力形成力矩，使电枢旋转。
6. 电磁转矩：电磁转矩是直流电机输出的主要动力。
电磁转矩的大小与电流大小和磁场强度有关。
当电流和磁场强度增大时，电磁转矩也增大。
7. 发电机工作原理：当直流电机作为发电机运行时，电枢旋转，线圈切割磁力线，产生感应电动势。
由于电刷和换向器的作用，感应电动势的方向保持不变，从而产生直流电动势。
三、直流电机的分类直流电机根据不同的用途和结构，可以分为以下几类：1. 直流电动机：将电能转换为机械能，广泛应用于各种机械设备中。
2. 直流发电机：将机械能转换为电能，广泛应用于发电、照明等领域。
3. 直流电枢电动机：电枢绕组与换向器直接连接，适用于高转速、高精度要求的场合。
4. 直流无刷电动机：采用电子换向器，无电刷，适用于高速、高温、高可靠性的场合。
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。
直流电机介绍
一、直流电机的磁路
图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；
4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
N
A
If0 If
0
I fN F f 0 IN
图1.18 电机的磁化曲线
§1.3.2 直流电机负载时的磁场
负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作 用所建立。
一、电枢磁通势和电枢磁场
图1.2 直流发电机原理模型
Hale Waihona Puke 从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极 下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因 此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性， 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电 动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律 把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直 流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时 ，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状 态。
直流电动机的铭牌举例
§1.2
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识 §1.2.2 单迭绕组 §1.2.3 单波绕组简介
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通 过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
直流电机的基本原理和电磁关系
2）合成节距：y K 1 19 1 9
p
2
3）第一节距：y1
Ze 2p
19 4
5
4）第二节距： y2 y y1 4
2、作图 (2p=4、τ=4.75、y1=5、y=9、y2= 4 )
13452）标画连槽磁电并接号极流联各、 方 支 元换电向路件向刷。，片电引号刷出极出性线
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
交轴电枢反应的影响：
1）不考虑饱和 从 Bδ 的分布:
一半加强
G：后极尖 M：前极尖
一半削弱
G：前极尖 M：后极尖
产生畸变，总磁通量不变
几何 中性线
物理 中性线
2）若考虑饱和：分布不均→产生畸变→呈去磁作用 3）产生换向火花→引起环火
四、直轴电枢反应 1、电刷移过β角
电枢电流分布改变
Fad 呈 去 磁 作 用
+
B26
3、元件连接图
B26
1
2
3
4
5
6
20
19
7
18
8
9
17
10
16
绕组展开图 元件连接图
15
14
13
12
11
4、小结：
1）单叠绕组中： 2a 2 p(a p) （固定）
2）每支路有 Z e 个元件 2p
3）在整个电枢闭合回路中 e 0 内部无环流
4）电刷数＝极数
5）电刷间引出电势＝支路电势
3、上式为电刷接交轴导体位置导出，若将电刷移至 直轴导体位置时，则 Ea=0
5、电刷间为直流电动势，而导体电动势却是交变的 f pn 60
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
直流电机的基本工作原理及结构
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
1.1.3 直流电机的铭牌数据 额定功率 PN
指轴上输出 指电刷间输出的 电动机 额定条件下电机 发电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率 额 定 电U 压 N
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
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。 电枢磁动势可以分解 为两个垂直分量：交轴电 F aq 枢磁动势 和直轴电枢磁 动势 。 F ad
电刷顺转向偏移
发电机 电动机 交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁
电刷逆转向偏移
交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁
1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩
漏磁通
磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路
主磁通
磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极，再 经定子铁轭回到N极
主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得 多，大约是主磁通的20%。
0
N
A
为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定磁 通 N 设定在图中 A点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。
0
I fN
I f0 I f F f 0 IN
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
直流电动机与交流电动机
直流电动机与交流电动机直流电动机与交流电动机是常见的电动机类型，它们在我们的日常生活和工业生产中都占据了重要地位。
本文将介绍直流电动机和交流电动机的工作原理、特点以及应用领域。
直流电动机是利用直流电源供电的电动机。
它的工作原理基于电荷在磁场中受到力的作用而产生转动。
直流电动机通常由一个转子和一个固定在轴上的永磁体构成。
当通电时，通过电磁感应作用，电流在转子上产生磁场，这个磁场会与永磁体的磁场相互作用，使得转子开始旋转。
直流电动机的转速与输入电压和电流成正比，因此它可以通过调节电源电压或者外加电阻来实现转速的调节。
直流电动机具有启动扭矩大、转速调节范围宽、反转性能好的特点。
直流电动机广泛应用于各个领域。
在家庭和商业领域，直流电动机被用于风扇、洗衣机、冰箱等家电产品中。
在工业生产中，直流电动机被广泛应用于机械、造纸、化工、纺织等行业。
此外，直流电动机还被应用于电动车辆和无人机等先进技术领域。
交流电动机是利用交流电源供电的电动机。
它的工作原理基于电流在交变电场中产生力矩而产生转动。
交流电动机分为异步电动机和同步电动机两种类型。
异步电动机是最常见的交流电动机类型，它通过感应转子上的涡流而实现转动。
异步电动机通常由一个转子和一个固定在轴上的定子构成。
当定子通电时，产生的磁场会导致转子中感应出涡流，涡流与定子的磁场相互作用产生力矩，使得转子开始旋转。
同步电动机则是通过与电源提供的交流电同步运行的。
交流电动机具有启动扭矩小、结构简单、维护成本低等特点。
它们广泛应用于工业生产、交通运输以及可再生能源等领域。
在工业生产中，交流电动机被用于泵、风机、压缩机、传送带等机械设备上。
在交通运输中，交流电动机被用于电动火车、电动汽车等交通工具的驱动系统。
此外，随着可再生能源的发展，交流电动机也被广泛应用于风力发电和太阳能光伏领域。
综上所述，直流电动机和交流电动机是两种常用的电动机类型。
直流电动机适用于需要启动扭矩大、转速范围宽的场合，而交流电动机适用于结构简单、维护成本低的场合。
直流电机工作原理
电磁转矩——“电动作用”
发电机： 主电动势
反转矩
电动机： 反电动势
主转矩
原动机 Ea>U 电负载
发电机
直流电机
电源 Ea<U 机械负载
电动机
☞ 电机分交流电机和直流电机两种：
直流电机—工作电压为直流； 交流电机—工作电压为交流。
☞ 直流电机分直流电动机和直流发电机两种：
直流电动机—将电能转换为机械能； 直流发电机—将机械能转换为电能。
直流电机发展形势：
随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被 交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整 流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍 将在许多场合继续发挥作用。
直流电机的可逆原理
直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可 作为电动机运行。
感应电动势——“发电作用”
3. 换向极
一般用于1kW以上的直流电机中，位置在两主极之间， 帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用整块钢 或钢板绝缘后叠装而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成， 且与电枢绕组相串联。
B
结论：线圈内部电流 I 交变，
A
感应电动势 Ea交变，但电刷
电动势方向不变，电磁转矩T
方向与T1相反。
直流电动机原理
1. 电源正接换向片A，电源负接换向片B
T Ea Ia
电流：由A流进，由B流出； 电磁转矩：方向逆时针； 线圈感应电动势：A为高电位 ，B为低电位。
2. 线圈逆时针旋转——电源正接换向片B，电源负接换向片A
直流电机的基本工作原理
电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。
若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=B·L·I
直流电机知识
作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能直流测速发电机将机械信号转换为电信信号传递-直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号1-1 直流电机工作原理一、原理图(物理模型图)磁极对N、S不动, 线圈（绕组）abcd 旋转, 换向片1、2旋转, 电刷及出线A、B不动二、直流发电机原理（机械能--->直流电能）( Principles of DC Generator)1.原动机拖动电枢以转速n(r/min)旋转；2.电机内部有磁场存在；或定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁电流I f)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场） (magnetic field, field pole)3.电枢线圈的导体中将产生感应电势 e = B l v ，但导体电势为交流电，而经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势E AB，以便输出直流电能。
（看原理图1，看原理图2）(commutator and brush)1.问题1-1：直流电机电枢单个导体中感应电势的性质？2.问题1-2：直流电机通过电刷引出的感应电势的性质？3.看直流发电机原理动画4.问题1-3：直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流电势？5.为了得到稳定的直流电势，直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置，并通过多个换向片联接成电枢绕组。
以前曾使用环形绕组.6.问题1-4：环形绕组的缺点是什么？三. 直流电动机的原理 ( Principies of DC Motor)1.将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流i a通过。
2.电机内部有磁场存在。
3.载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f = B l i a（左手定则）4.所有导体产生的电磁力作用于转子可产生电磁转矩，以便拖动机械负载以n(r/min)旋转。
5.结论：直流电机的可逆性原理：同一台电机，结构上不作任何改变，可以作发电机运行，也可以作电动机运行。
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
直流电机基本知识与控制方法
专业资料电机简要学习手册2015-2-3一、直流电机原理与控制方法1直流电机简介直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。
但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。
但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。
2 直流电动机基本结构与工作原理2.1 直流电机结构如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。
定子按照励磁可分为直励，他励，复励。
电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。
2.2 直流电机工作原理如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A 流入，经过线圈abcd，从电刷B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A 和换向片2接触，电刷B 和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B 流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
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转子
绕组的基本形式
直流电机电枢绕组结构形式：单叠绕组、单波绕组。 在实际电机中----- 为使线圈（元件）端部平整排列，一般 在每个槽中放置 上/下 两个有效边，所以，多为双层绕组。
（一）单叠绕组
特点：元件的两个端子连接在相邻的 两个换向片上。
y1------元件跨距 (2个有效边所跨槽数) yc------换向器节距（上层边与下层边 所连接的两个换向片之间。
三、直流电机负载时的磁场及电枢反应
当直流电机带上负载以后，在电机磁路 中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电 枢磁动势。 不论什么形式的绕组，在一个磁极下元 件边中的电流方向总是相同的，不同磁极 下元件边中的电流方向总是相反的。因此， 电枢磁动势分布规律如图：
14
可见：直流电机负载时气隙磁场是由励磁磁
定子磁轭 主磁通 漏磁通 励磁绕组 极身
S
极靴 四极直流电机空载时磁场示意图
N
气隙 电枢齿
电枢磁轭 主磁感应线：N极－N极下气隙－电枢铁心－相邻S极下气隙－相邻S极－定子磁轭
交链励磁绕组和电枢绕组的这 部分磁通，是直流电机进行电 磁感应和能量转换所必须的， 称为主磁通。
极身
定子磁轭 主磁通 漏磁通 励磁绕组
如图为四极(p=2)电机空载时磁场分布，当励磁绕 组通入直流电流后，主磁极产生磁场，以N, S极间隔均 匀地分布在定子内圆周上，此时只有励磁磁通势单独建 立的空载磁场。由于每对磁极下的磁通所经过的路径不 同，根据它们的作用可以分为两类，其中占绝大部分的 磁通是从主磁极的N极出来经过气隙进入电枢的齿槽、电 枢的磁轭、然后到达电枢铁心另一边的齿槽，再穿过气 隙，进入主磁极的S极，通过定子磁轭回到N极，形成闭 合磁回路。
动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势
在电机绕组结构中，规定： 元件2个有效边的跨距------第一节距（ y1） 元件2个有效边所连接的两个换向片之间的距离------- 换向 器节距 （ yc）
例如： 某直流 电机 磁极对数 p=2，电枢槽数 Q=16，元 件数 S=16，换向片数K=16；
Q 16 4 根据工程方法： y1 2p 4
A1
B1
A2
B2
B2
5' 2 4' 1 3' 12
※ 并联支路对数：a = 2。即：并联支路数为2a=4 ※ 电刷的中心线对着磁极的中心线。
备注
4、直流电机的额定值
额定功率 PN
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
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
第四节 直流电机的励磁方式及磁场
1、 直流电机的励磁方式
对励磁线 圈的要 求？？
他励：励磁绕组的电流由独立电源提供的。 并励：励磁绕组与电枢绕组并联。 串励：励磁绕组与电枢绕组串联。 复励：励磁绕组一部分与电枢绕组串联， 另一部分与电枢绕组并联。
自励
第四节 直流电机的励磁方式及磁场
直流电机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和 电枢绕组电流产生的电枢磁场合成的一个合成磁场， 它对直流电机产生的电动势和电磁转矩都有直接的 影响，而且直流电机的运行特性在很大程度上也取 决于磁场特性。因此，研究直流电机的磁场是十分 必要的。 二、直流电机的空载磁场 直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电 流输出；电动机轴上不带机械负载）运行时，其电 枢电流等于零或近似等于零。因而空载磁场可以认 为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势 所建立的。
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
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
根据 单叠绕组连接规则知： yc
1
设： 1#元件的上层边放着在1#槽，且与1#换向片连接， 可画出绕组展开图为：
单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首 端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最 后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一 个闭合回路。
根据绕组展开图可绘制绕组 等效电路图： 由图知： 凡上层边在同一磁极下 的元件串联构成一条支路， 由于p=4， 所以：电枢绕组由4条并 联支路构成。
另一小部分磁通从 N 极出来 后并不进入电枢绕组，而是经 过气隙直接进入相邻的磁极或 磁轭，它对电机的能量转换工 作不起作用，相反，使电机的 损耗加大，效率降低，增大了 磁路的饱和程度，这部分磁通 称为漏磁通，一般:
S
极靴 四极直流电机空载时磁场示意图
N
气隙 电枢齿
电枢磁轭 主磁感应线：N极－N极下气隙－电枢铁心－相邻S极下气隙－相邻S极－定子磁轭
结论：单叠绕组等效电路的支路数等于电机的极数。 并联支路对数等于磁极对数 -------> a=p
（二）单波绕组
单波绕组: 不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距， 即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。
该种连接保证元件中的电流产生相同方向的电磁力，从而 使电机产生的总电磁转矩最大。
单叠绕组的展开图
内容回顾：
直流发动机的电磁关系
原动机 Φ 做功
感应电动 输出 换向 势、电流 直流电
电磁转矩 （阻转矩）
内容回顾：
直流电机的主要结构概述：
定子 主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向磁极：改善换向。
电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换 机座和端盖：起支撑和固定作用。 电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。 电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。 换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换 转轴 轴承
设：磁极对---2，转子槽数----12，则 τ=z/2p=3,采样整距绕组结构。
3 6' 4 7' 5 8'
B1 1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12 S A1
11' 8 10' 7 9' 6
A2
9 12' 10 1' 11 2'
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12