电机学第三章直流电机
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章7直流电动机的起动、调速和制动
调速的方法
U I a Ra n Ce
磁场控制
9 调励磁电流调速
电机学
调速 Speed Governing
调速：调节转速、转速控制 电动机调速的基本要求
– – – –
n nN n1 t1 O t
调速范围：D=nmax/nmin 平滑性 经济性
调速设备简单、可靠、操作方便
10
电机学
If
18
电机学
直流电动机的反接制动
方法
励磁回路不变，将加在电枢回路的电 压反接。
-U=Ea+Ia(Ra+RL) Ia=-(U+Ea)/(Ra+RL) 将产生很大的制动性质的电磁转矩。
原理
19
电机学
直流电动机的反接制动
+ U 电动
Q 制动 B n0
n A
Ra
Ia
RL I’a + Ea –
n Ia1
If3
ia
n0
O
If1>If2>If3
If2
If1 TeN Te
IaN n1 nN
O
Te=CTΦIa
n
13
t
电机学
串励电动机的调速
n n
TL
Rs1<Rs2<Rs3 Rs1 Rs3 O Rs2 Te O
TL U1>U2>U3 U1 U3 U2 Te
调速方式 改变Rs 改变U
14
主要优点 简单 转速可调低、可调高
他励和并励电动机的调速 ▲电枢回路串电阻调速
n
n0 RΩ=0
IaN nN n1
直流电机的磁场
磁化曲线的纵坐标有时不用F0，而用If表示，它们之间只差一个与励磁绕组匝数有关的比例系数，此外，纵坐标也可以用空载时的电枢电压U代替，当电机转速恒定时，U与Φ0，之间也只相差一个与电枢绕组匝数有关的比例系数。因此，磁化曲线可表示为U＝f(If)和Φ0=f(If)或U=f(F0)等多种形式，只需变换一下有关比例系数即可。
3.2 直流电机的电枢磁动势和磁场
电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场
电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势
直流电机空载时的气隙磁场仅由主极的励磁磁动势所建立。当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，产生的磁动势称为电枢磁动势。此时，气隙磁场就由主极磁动势与电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。正是由于这两个磁动势的互相作用，直流电机才能进行机电能量转换。
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两个齿，计算高度为2hz，磁场强度为Hz。
两个主极，计算高度为2hm，磁场强度为Hm。
一个定子轭，平均长度为Lj，磁场强度为Hj。
一个转子(电枢)轭，平均长度为La，磁场强度为Ha，用磁路计算方法求得磁动势F0，以及相应的励磁电流If。
两个气隙，计算长度为2δ，磁场强度为Hδ。
当电刷放在几何中性线上时，电枢磁势全部为交轴分量，直轴分量为零。因此这时只有交轴电枢反应。此时电机中的磁场应由主极磁势和交轴电枢磁势共同建立，如图a所示。由图可见磁场发生了畸变，电枢圆周上连接电刷的几何中性线处出现了磁通，而实际的磁密为零之点偏移了一个α角。我们将电枢圆周上通过圆心和磁密为零之点的直线称为物理中性线。
直流电机有负载时，由于电枢反应的去磁作用和电枢回路的电阻压降，使发电机端电压比空载时低。为了保持发电机的端电压不变，负载时必须增加主极的励磁电流， 以补偿电枢反应和电阻压降。
第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。
3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。
3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。
3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。
对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。
当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。
如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。
3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。
但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。
第三章 直流电机(2-5)
3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间 的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。 4）结构材料：使电机各个零件构成一个整体，要 求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。 四、电机的发热： 任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热 的现象，我们已经学过了电工，那么，很显然， 这是损耗的出现所导致的结果。 1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升 而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度 之差，我们称之为温升。 电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况， 还与电机的工作方式有关：
铁心是导电的，交变的磁通也能在铁心中感 性电动势，并引起环流，这些环流在铁心内 部围绕磁通做涡流状流动，称为涡流。涡流 在铁心中引起的损耗称为涡流损耗
磁滞损耗和涡流损耗，总称铁心损耗
PFe CFe B f G
2 m 1.3
硅 钢 片 中 的 涡 流
B
八、能量守恒定律： 物理中的能量守恒定律在这里同样使用， 稳态运行时，
电刷A与B间的电动势波形
思考：如果没有换向器，电刷A、B间的电动势 波形是什么样的？
2、直流电动机的工作原理
在电动机中换向器和电刷的作用
换向器和电刷的共同作用是： 1、保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方 向，使电动机能连续的旋转。 2、将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； 3、把外面不转的电路与转动的电路连接。 思考：若无换向器，会出现什么结果？
电刷
b
N
a c
S + U –
I F IE Fd Tn NhomakorabeaE
换向片
当直流电机运行于发电状态时，感应电动势 的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通 过电刷输出电能。
2. 电磁转矩 直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁 通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的 电磁转矩公式为 T=CT Ia
电机学3—4章重点
1第三章：1、直流电机的电枢反应（柴兆森说是重点）2、交轴电枢的去磁（参考p83—p84）3、并励发电机的自励条件（p92）,直流发电机的并励的外特性的特点（p93最上面一段）.4、串励电动机的运行特性（1、串励电动机的特点：转速随着负载的增加而迅速下降2、串励电动机不允许空载运行）5、直流电机的计算指标（他励发电机的额定电压调整率（p90最下面一段）、并励电动机的转速调整率（p95），并励直流电机的电磁转矩（p85—p86），电枢绕组的感应电动势（p84—p85））6、熟悉直流电机的基本方程。
7、分清直流电动机中U>Ea (U=Ea+Ia*Ra)、Te=T0+T2，电磁转矩是驱动转矩；直流发电机中Ea>U(Ea=U+Ia*Ra)、T1=T0+Te,此时电磁转矩是制动转矩。
8、发电机的额定功率是指输出的电功率，电动机的额定功率是指输出的机械功率。
典型例题；课后习题3—6、3—9、3—12、3—17、3—18、例题3—1；计算题都是类似于做过的课后习题的类型；第四章：1、整距线圈及短距线圈电动势（书上4.3节）、磁动势（课本4.5节和4.6节）的计算；2、每极每相下槽数的计算q=Q/2p*m1(Q:总槽数，m1:相数)3、节距因数的含义（p121），以及基波节距因数(p123)、基波分布因数(p123)、节距因数三者的不同）;典型例题：课后习题4—3、4—11、4—13、4—16、4—17、4—21；画图题有一道三相双层叠绕组的画法，如P138习题4-3，画图的时候自己还要会计算q、y1等；不考高次谐波的有关知识；第四章我记得不是特别全，大家可以去找侯俊杰、薛金华、或者王鹏坤再去问一下具体要考的；。
直流电机ppt
二、直流电二机、的直电流枢电反机应的电枢反应
直流电机的电枢反应
直轴
直轴与交轴：主极的轴线称为直轴，与直轴正交
的轴线叫交轴
电枢反应定义：电机带上负载时，电枢绕组中
交轴
有电流流过，载流的电枢绕组将产生磁动势，电枢磁 动势对主磁场的影响叫电枢反应。
图2-1 直流电机交直轴示意图
电枢反应分类：交轴电枢反应和直轴电枢反应
Te
Rj ：调节电阻
R为j 0时，由于 Ra远小于 ， CeCT2 故不计磁饱和时直流电动机的机 械特性为一稍微下降的直线。如 果计及磁饱和时，交轴电枢反应 呈现去磁作用，曲线下降程度减 小。
图4-2 直流电动机机械特性
五、直流电动机的启动、调速和制动
直流电动机的启动
启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则
工作特性
转矩特性：Te f (P2 )
Te
T0
T2
T0
P2
：转子机械角速度
转矩特性基本呈线性关系；实
际上，P2 增大时，转速略有下 降，故曲线将略微向上弯曲。
效率特性： f (P2 )
P2
P2 P
当不变损耗等于可变损耗 时，电机效率最大。
机械特性
n
u Ce
Ra CeCT
Rj 2
主要内容
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一、直流电机的工作原理和基本结构 二、直流电机的电枢反应 三、直流电机基本方程 四、直流电动机的运行特性 五、直流电动机的启动、调速和制动
一、直流电机的工作原理和基本结构
工作原理
电刷
+
N I
U I
–
换向片
S
以电动机为例
电机学第3章第1学期直流电机PPT课件
结构较复杂
直流电机
成本较高 可靠性稍差
使它的应用受到 限制
5
3.1 直流电机的工作原理及结构
1. 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？
6
直流电机模型
磁极
产生旋转
支柱
半环形 金属环
7
直流电机模型
转轴
换向片
电刷
8
直流电机模型
转向 电流方向 换向片
线圈 磁极
③ 换向器 ④ 转轴与风扇
(a) 转子主体 直流电机的转子
19
(b) 电枢铁心冲片
20
21
电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。
构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530 或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。
电枢绕组
作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用
电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。
（1）第一节距y1
一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称 为第一节距，用y1表示。
常采用短距绕组，可节省用铜。
y1
y1
Zi 2p
=整数
y1
整距绕组 短距绕组 长距绕组
+ Ia
If +
+ I Ia If
他 Ua
M
Uf
U
M
并
励－
－
－
励
+I
串U
励－
Ia
M
电机学第三章直流电机
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
电机学_(孙旭东_著)_科技出版社_课后答案_电机学习题与题解
第三章直流电机的稳态分析3-9一台四极82kW 、230V 、970r/min 的他励直流发电机，电枢上共有123个元件，每元件为一匝，支路数22==a 。
如果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极的磁通，试计算当电机输出额定电流时的电磁转矩。
解：由题意可知，空载时：NN e U n C E =Φ=0所以额定情况下：NNN e N T N N e N TaN T e U Pn C U C I n C U C I C T ==Φ=mN m N n P N ⋅=⋅××==3.807970108255.955.93，，kWW I E P N aN em 45.210245=×==3-13一台四极82kW 、230V 、970r/min 的并励直流发电机，Ω=0259.0)75(o a R ，励磁绕组总电阻Ω=8.22)75(o f R ，额定负载时并励回路中串入3.5Ω的调节电阻，电刷压降为2V ，铁耗和机械损耗共2.5kW ，杂散损耗为额定功率的0.5%，试求额定负载时发电机的输入功率、电磁功率和效率。
解：电磁功率：A A R R U I f f N fN 745.85.38.22230'=+=+=，A A U P I N N N52.35623082000===AA A I I I N fN aN 267.365745.852.256=+=+=()VV U R I U E aN N aN 46.24120259.052.3562302=+×+=∆++=∴kWW I E P aN aN em 198.8846.241267.365=×==输入功率：∆+++=p p p P P mec Fe em 10.2Ω，时电定输出转矩；（2）额定电流时的电磁转矩；（3）电动机的空载转速。
解：（1）电动机的额定输出转矩：m N m N P T N ⋅=⋅××=Ω=46.1833605002960002π（2）额定电流时的电磁转矩A I N 255=，A I fN 5=，所以A I I I fN N aN 250=−=VA V R I U E a aN N aN 5.420078.0250440=Ω×−=−=m N m N I E P T aN aN em e ⋅=⋅×××=Ω=Ω=74.20076050022505.420π（3）电动机的空载转速：NaNN e n E C =Φmin 19.523min 5005.4204400r r n E U C U n N aN N N e N =×==Φ=。
重大电机学第三章直流电机
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
2)、对主磁场起去磁作用
1)、使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。
单波绕组的并联支路图
一、直流电机的空载磁场 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：
01
04
02
03
定状态下运行时，电机的输出功率，以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN
对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN
波绕组：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，象波浪式的前进。
合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。
第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。
第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。
额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。
电机学第五版第3章 直流电机
2.转矩方程
发电机情况下 电磁转矩为制动转矩，有
— 原动机的驱动转矩； — 电机本身的机械阻力转矩； — 为电磁转矩。 电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩，有
图3-29 直流电机的电磁转矩和外施转矩 a)发电机 b)电动机
— 电动机轴上的负载转矩。
3.电磁功率
电磁功率用 因
表示，则 ，得
发电机： 机械能 电动机： 电能
1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节 3.直流电动机的制动
1.直流电动机的起动
直流电动机常用的起动方法： （1）直接起动； （2）电枢回路接入变阻器起动； （3）降压起动。
图3-48 三点起动器 及其接线图
2.直流电动机转速的调节
从直流电动机的转速公式
可知，调速方法有两种： (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
式中 令
为电枢绕组的总导体数， 为平均气隙磁密，
为并联支路对数。
则上式改写为
将
代入上式得出
1.电枢绕组的感应电动势
电动势公式 ：
式中：
— 每极的总磁通量；
— 电动势常数；
— 电动势公式。
2.电枢的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距
为
式中， — 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩
3.串励电动机的运行特性
串励电动机的特点是，电 枢电流、线路电流和励磁 电流三者相等
图3-42 串励电动机 的接线图
3.串励电动机的运行特性
图3-43 串励电动机的工作特性
3.串励电动机的运行特性
图3-44 串励电动机的机械特性
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章2直流电机的磁场.
d
q
7
电机学
线负荷 Line Load
设：电刷位于几何中性线， 电枢绕组流过电流ia， 则：电枢磁动势只有交轴分量。 线负荷：电枢圆周表面单位长 度上的安培导体数。
Z a ia A （A / m） Ia＝2a=ia D Z a：电枢绕组总导体数 ia：导体电流， D：电枢直径
电机学 3.3
直流电机的磁场
Magnetic Fields of D.C. Machine
电机学
本节内容
空载时直流电机的气隙磁场 负载时的电枢磁动势和电枢反应
–
– –
–
– –
分析思路 基本概念 交轴电枢磁动势 交轴电枢反应（重点＋难点） 直轴电枢时直流电机的气隙磁场
发电机
电动机
去磁效应
助磁效应
助磁效应
去磁效应
13
δ
δ
0
δ
0
b0
ba(x)
O
bδ(x)
α
11
电机学
直轴电枢磁动势
· ··· · · · · + · F β + a · + · + · + ++ + + + ++
Faq A b （安 / 极） 2 Fad Ab （安/ 极）
· ··· · · ·
＝
++
bβ
Faq
+ + ++ +
＋
bβ
· · · · ·
Fad
+ bβ + + + b β +
(完整版)电机学第五版课后答案_(汤蕴璆)
第三章直流电机的稳态分析
3-9一台四极82kW、230V、970r/min的他励直流发电机，电枢上共有123个元件，每元件为一匝，支路数 。如果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极的磁通，试计算当电机输出额定电流时的电磁转矩。
解：由题意可知，空载时：
所以额定情况下：
3-12一台他励直流发电机的额定电压为230V，额定电流为10A，额定转速为1000r/min，电枢总电阻 ，励磁绕组电阻 ，已知在750r/min时的空载特性如下表所示：
解：
槽距角
基波绕组系数
5次谐波绕组系数
7次谐波绕组系数
每相绕组串联匝数
4-19试求题4-11中的发电机通有额定电流，一相和三相绕组所产生的基波磁动势幅值。发电机的容量为12000kW， ，额定电压（线电压）为6.3kV，星形联结。
解：
相磁动势幅值
三相磁动势幅值
4-21试分析下列情况下是否会产生旋转磁动势，转向怎样？（1）对称两相绕组内通以对称两相正序电流时；（2）三相绕组一相（例如C相）断线时。
第一章磁路电机学
1-1磁路的磁阻如何计算？磁阻的单位是什么？
答：磁路的磁阻与磁路的几何形状（长度、面积）和材料的导磁性能有关，计算公式为 ，单位：
1-2铁心中的磁滞损耗和涡流损耗是怎样产生的，它们各与哪些因素有关？
答：磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中，被反复交变磁化，磁畴间相互摩擦引起的损耗。经验公式 。与铁磁材料的磁滞损耗系数、磁场交变的频率、铁心的体积及磁化强度有关；
试验名称
线电压V线电流A三相功率W
备注
开路试验
短路试验
6300 7.4 6800
550 323 18000
电压加在低压侧
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章5直流发电机的运行特性
U RL Ea I +
Ia Rf If
(1)RL↘→I↗→U↘
(2)RL↘↘→U↘↘→If↘↘→Ea↘↘→I↘→拐弯 O (3)当U=0时：I=Ik，稳态短路电流不大。
Ik
IN
I
12
电机学
复励发电机的外特性
复励：既有并励绕组，又有串励绕组的励磁方式。 积复励：串励磁动势与并励磁动势的方向相同。 差复励：串励磁动势与并励磁动势的方向相反。
f P2 1
p P2 p
η ηN
小型： N ( 70 ～ 90 )% 中大型：
8
N ( 90 ～ 96 )%
O
PN
P2
电机学
并励发电机
9
自励问题 外特性
电机学
并励发电机 ▲自励过程 U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa
Uf =U=Rf If
U0
U0
Φ=f(If)
-
Ea I + Ia Rf
A
If
U0r O I f0
10
电机学
并励发电机 ▲自励条件
问题：如果并励发电机 旋转后不能建立电压， 应该如何处理？
Φr Φf U0 A
（1）电机必须有剩磁； （2）励磁磁动势的方向必须 与剩磁的方向一致； （3）励磁回路的总电阻必 须小于临界电阻。
3
电机学
他励发电机的运行特性 ▲空载特性 No Load Characteristic
当n=nN，I=0时：U0=f(If)
Ea=CenNΦ=U+IaRa=U0 U0∝Φ，Φ=f(If) 空载特性实质上就是电 机的磁化曲线。 剩磁电压U0r≈(2～4)%UN
电机学-直流电机
左行
y
yK
K -1 p
右行
y
yK
K 1 p
单波绕组元件
直流电机-电枢绕组
➢ 单叠绕组
并联支路数恒等于2，并联支路数a==1
单波绕组电路图
单波绕组展开图
➢ 总结
直流电机-电枢绕组
直流电机的电枢绕组总是自成回路; 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶数；且至少 有2条并联支路；
直流电机-励磁方式
➢ 励磁方式
主磁极的励磁方式有永磁式和电励磁两种。电励磁式是给励磁绕组供电，产生励磁 磁动势而建立主磁场的方式。根据供电方式的不同，它又可以分为他励和自励两类，而自励 又被分为并励、串励和复励三种。
他励
I Ia
并励
I Ia +I f
串励
I Ia =I f
复励
I I f ' =Ia +I f
主磁极的中心线称为直轴，相邻N极和S极的分界线称为
交轴。
直流电机-磁动势和磁场
➢ 电枢磁动势和磁场（电刷位于几何中性线）
N
Hdl D 2x ia
Nia 2x A 2x
D
Fax
1 2
A2x
Ax
Faq
Fa
A
2
τ= D/2p
Bax
0Hax
0
Fax
k
直流电机-磁动势和磁场
➢ 负载气隙磁场（电刷位于几何中性线）
单叠绕组：a= p, 即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组：a = 1, 即并联支路对数恒等于1 电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者说，被电刷 短路的元件中的电动势为零; 对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于 几何中线上的导体相接触。
电机学PPT课件-直流电动机
3
机电一体化设计
结合机械、电子、信息等多学科知识，进行直流 电动机的优化设计，实现高效、紧凑、可靠的设 计目标。
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电动车与新能源汽车
随着电动车和新能源汽车的普及，直流电动机作为动力源将得到 更广泛的应用。
智能家居与家电
直流电动机在智能家居和家电领域的应用将不断拓展，如智能吸 尘器、电动窗帘等。
直流电动机的创新研究
1 2
新材料与新工艺
研究新型材料和制造工艺，提高直流电动机的性 能和可靠性。
控制策略优化
研究先进的控制算法和策略，提高直流电动机的 响应速度和稳定性。
电机学ppt课件-直 流电动机
目录
• 直流电动机简介 • 直流电动机的特性 • 直流电动机的控制 • 直流电动机的常见故障与维护 • 直流电动机的发展趋势与展望
01
CATALOGUE
直流电动机简介
直流电动机的基本结构
定子
固定部分，包括主磁极和换向器。
转子
旋转部分，由导电的电枢绕组和铁芯组成。
换向器
大。
转矩与磁通关系
02
在一定范围内，转矩与磁通成正比。但当磁通增加到一定程度
时，转矩增加趋缓。
转矩与转速关系
03
在一定转速范围内，转矩与转速成反比。转速越高，转矩越小
。
直流电动机的机械特性
机械特性方程
直流电动机的机械特性方 程表示了电动机的转速、 转矩和电源电压之间的关 系。
固有机械特性
固有机械特性是指在一定 励磁电流和电枢电压下的 机械特性。
当电机发生缺相故障时，自动切断电源，防 止电机因缺相而损坏。
04
CATALOGUE
电机学 第三章 直流电机 1
注意几点：
可以产生连续电磁转矩；
电刷间电流为直流电；
线圈内电流为交流电。
第3章 直流电机
3.脉动的减小
N A B1 e
eB B
1
2
B2 X
S
电枢上有2个槽、1个线圈
0
eAX
电刷间电动势脉动较大
wt
第3章 直流电机
N A B1 Y B2 X B e
eB B
1
2
eAX eBY
S
0
wt
电枢上有4个槽、2个线圈
第3章 直流电机
有换向器和电刷
• 换向片：半圆形 • k1换向片连接线圈a端 • k2换向片连接线圈d端
• 换向片和线圈一起旋转
• 电刷空间位置不动 • 电刷A总是连接N极下导体，正 • 电刷B总是连接S极下导体，负 电动势满足右手定则
结果：输出直流电！！！
第3章 直流电机 加换向器后电动势波形 • 脉动的直流电 N A B1 e
解决途径：无刷化—无刷直流电机
第3章 直流电机
三、励磁方式
直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机 的运行特性有大的影响 • 如何形成主极磁场 永磁式 励磁方式 电磁式 自励式 他励式 并励式 串励式 积复励 复励式 差复励
第3章 直流电机
• 永磁式 - 用永磁体 - 粘接到机壳上 - 小功率中最常用的
第3章 直流电机
四、直流电机的额定值
• 额定值 —为使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行 性能，制造厂家对电气设备在指定工作条件下运行时规定的 一些量值 • 额定值通常标在铭牌上，又叫铭牌值
第3章 直流电机
四、直流电机的额定值
• 额定功率PN： 输出功率; kW • 额定电压UN：额定状态下出线端电压；V • 额定电流IN：额定状态下出线端电流；A
电机学第三章 直流电机的稳态分析
展开直流电机的转子
N
1 2 3 4 5
单叠绕组的设计
τ
τ
τ
τ
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16 1
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
N
11 12 13 14
S
15 16
1
2
单叠绕组的设计
N
1 2 3 4 5 6
S
7 8 9 10
一 、空载气隙磁场
气隙磁场是产生感应电动势并进行能量转换的场所
平顶波
二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应
安培环路定律 当电枢电流Ia不是零时（负载时电枢输出或输入电流），绕 组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场。 此时，气隙磁场就由主机磁动势和电枢磁动势两者合成的磁 动势建立磁场。 由前面分析直流电机中电刷（固定的）是电枢表面导体中电 流方向的分界线（电枢磁势的轴线总是与电刷轴线重合）， 因此电枢电流建立的电枢磁动势与电刷位置有关，下面分别 讨论不同电刷位置时的电枢磁动势。
叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：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，象波浪式的前进。
元件的概念
上元件边 前端接
N S
前端接
下元件边
换向片
电枢绕组的元件
线圈在槽中的安排
1. 元件数等于虚槽数 2.每一个元件两个边接到两个换向片上，每一个换向片接两个 元件的边，因此元件数等于换向片数
第三章 直流电机的稳态分析
直流电机是电机的主要类型之一 1.直流电动机以其良好的启动性能和调速性能著称。 2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。 结构较复杂 直流电机 成本较高 可靠性较差 近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能 的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽 管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值! 使它的应用受到限制
机电传动控制 第3章 直流电机
机电传动控制第3章直流电机的工作原理及特性各种各样的电机常用的电机主要分为两大类：驱动电机：是设备的主要动力源，包括各类交流、直流电动机及步进电动机。
交流异步电动机较之其他类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，应用广泛。
控制电机：常见的有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机、测速发电机等，这类电机的主要任务时转换和传递控制信号，能量传递时次要的。
常用电机分类：第3章直流电机的工作原理及特性电机分为直流电机和交流电机。
直流电机——工作电压或输出电压为直流电压。
交流电机——工作电压为交流电压。
直流电机：直流电动机——将电能转换成机械能。
直流发电机——将机械能转换成电能。
直流电机与交流电机的比较交流电机较直流电机的结构简单，制造容易，维护方便，运行可靠；直流电机有交流电机不可比拟的启动和调速性能；直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和制动频繁的场合；直流电机即可做电动机用，又可作发电机用。
3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构包括定子、转子和换向器实际直流电机构造定子实际直流电机构造转子换向片剖视图3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构定子部分：主要由主磁极、换向极（铁芯）和绕在上面的励磁绕组等组成。
作用：产生主磁场和支撑电机转子部分：主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成。
作用：产生感应电动势和机械转矩，实现能量转换。
主磁极：产生气隙磁场，以便电枢绕组在此磁场中转动而感应电势。
产生磁场有两种方法，一是采用永久磁铁作主磁极——永磁直流电机(绝大部分的微小型直流电机)；二是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场(中大型直流电机) 。
电枢铁芯：主磁通磁路的一部分，嵌置电枢绕组。
一般用0.5或0.35毫米厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，以防涡流。
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电机学Electric Machinery
电气工程教研室
1
基本要求：
1.掌握直流电机的基本工作原理
2.了解直流电机的基本结构
3.掌握直流电机的额定值
4
5
一、直流电机及其用途
1.直流电机的功能
•直流电动机：直流电能⇨机械能•直流发电机：机械能⇨直流电能
2.直流电机的用途1）直流电动机
直流电动机具有良好的起动性能和调速性能。
主要应用于对起动和调速性
能要求较高的生产机械中。
Z4系列直流电动机
二、直流电机的基本工作原理
通电导体和线圈在磁场下的受力分析
结论：
要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体中电流方向总是流出。
7
1.直流电动势的产生（直流发电机）
通过换向器和电刷将交流变成直流
8
12
直流发电机电枢绕组感应的电动势是极性交替
变化的交流电动势，只是由于换向器和电刷的
配合作用，在电刷两端输出的电动势是极性恒
定的直流电动势。
13
14
2.平均电磁转矩的产生（直流电动机）
导体中的电动势和电流为交流
加于直流电动机的直流电压，借助于换向器和电刷的配合作用，将外电路的直流电流变为线圈内的交变电流，这样每极下导体中所流过的电流方向是不变的，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，电机能够沿确定的方向连续地旋转。
结论：
（1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流；
（2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆
变器；
（3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整
流器。
17
18
3.直流电机的可逆原理
同一台直流电机在不同的外界条件下，既可以作为发电机运
行，也可以作为电动机运行，这称为直流电机的可逆原理。
永磁直流电动机
直流励磁机
直流电机横剖面示意图
20
小型直流电机的3D剖面图
21
22
作为磁路的一部分；
极只能成对出现
极的个
S
N
极数：主磁极的个数，等
S N
24
252）主磁极
作用：建立主磁场。
构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。
主磁极钢板冲片（1-1.5mm 厚）
主磁极由钢板冲片
叠压而成
励磁绕组套在主磁极极身上
3）换向极
作用：改善换向。
构成：换向极铁心和套装在铁心上的换向极绕组。
换向极绕组与电枢绕组串联。
26
4）端盖
端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定、转子连为一体。
同时还对电机内部起防护作用。
作用：电枢电路的引出（或
引入）装置。
构成：电刷、刷握、刷架、
汇流条、座圈等。
1—刷握；2—电刷；
3—压紧弹簧；4—铜丝辫
27
电刷
转轴电枢铁心
电枢绕组
换向器
轴承
30
1）电枢铁心
•作用： 电机主磁路的一部分；
嵌放电枢绕组。
•构成：一般用0.5mm 厚的硅钢片
叠装而成。
电枢铁心
轴向通风孔
(a)矩形槽(b)梨形槽
电枢铁心冲片
上元件边
前端接
下元件边
电枢绕组在槽中
32
3）换向器
•作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。
•构成：由许多燕尾式的换向片排列成一个圆筒，片间用V 形云母片绝缘，两端再用两个V
形环夹紧而构成。
换向器
33
3.直流电机的额定值
1）额定功率P N(kW)
额定运行状态下电机的输出功率。
直流电动机：轴上输出的机械功率。
直流发电机：电刷间输出的电功率。
2）额定电压U N(V)
额定运行状态下电枢出线端的平均电压。
3）额定电流I N(A)
额定运行状态下电枢出线端的电流。
34
354）额定转速n N ( r/min)额定运行状态下时转子的转速。
5）额定励磁电流I fN (A)
额定运行状态时电机的励磁电流值。
N N N P U I =N N N N
P U I η=•直流电动机：•直流发电机：。