(完整版)西安交大的电机学课件2第一篇、第2章直流电机基本理论
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《直流电机基础》PPT课件
2
Bxldx
2
Ia 2aai
重要结论： TemCMIa
CM
pZ
2a
〔CM为转矩系数、转矩常数〕
特点： ·增加电机磁极对数p或总导体数 Z可增大电磁转矩。 TemCTIa，CT＝CM＝常数
·对他励DCCM －M60，9不.55考虑电枢反 响影响时、Ce励磁2电流恒定时，有
七、直流电机的换向
1、换向的电磁现象
〔3〕dx区间内导体所建d立 T 的T x(转D Z a矩d：)x B xlai2 Z dx
〔4T 〕主 2 2d 极 T 下Z 2 a 导i 2 2 体B xl产d 生其Z 2 x a 的中i转磁矩通：
T e m 2 p 2 T p 2 Z 2 2 a a a 2 i p a I a Z C M I a
Z 直流 F 发电机 D 电动机 W 卧式 L 立式
直流电机
O 封闭 C 船用 K 高速 Q 牵引 Y 冶金
2、直流电机的额定值：
〔1〕额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输
出功率，单位为 “W〞。当功率大于1kW或1MW时, 那么用“kW〞或“MW〞表示。
注意：
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
〔1〕电抗电动势 exeL eM L xd d ai tL x2 T iK a 〔2〕电枢反响电动势 e a ea2NyBalv
2、改善换向的方法
3、补偿绕组
B a x 0H a x 0F a(xT)
Fa xy
1
2iaNy(A),2x2
Faxy 12iaNy(A),2x32
N
N
N
几何
中性线
直流电机教学ppt
所以电刷A为正极性，电刷Ｂ为负极性。电枢旋转180°时，导 体cd转至Ｎ极下，感应电动势的方向由c指向d，电刷A与d所连
换向片接触，仍为正极性；导体ab转至S极下，感应电动势的 方向变为a指向b，电刷B与a所连换向片接触，仍为负极性。可 见，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而
通过换向器和电刷的作用，在电刷Ａ、Ｂ两端输出的电动势是 方向不变的直流电动势。若在电刷Ａ、Ｂ之间接上负载，发电
第一章 直 流 电 机 图1.2.3 主磁极
第一章 直 流 电 机 图1.2.4 换向极
第一章 直 流 电 机
2) 换向极（commutating pole）
两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。 换向极的作用是改善电机换向，减小电机运行时电刷与换向器 之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组构成， 如图1.2.4所示。换向极铁心一般用整块钢制成。对换向性能 要求较高的直流电机，换向极铁心可用1～1.5 mm厚的钢板冲 制叠压而成。 换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极 铁心上。整个换向极用螺钉固定于机座上。换向极的数目一般 与主磁极相等。
由c流向d。载流导体ab和cd均处于N、S极之间的磁场当中，受
到电磁力的作用，其方向由左手定则确定，可知这一对电磁力 形成一个转矩，称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针方向， 使整个电枢逆时针方向旋转。当电枢旋转180°，导体cd转到N 极下，ab转到S极，如图⒈⒈１所示，由于电流仍从电刷A流人， 使cd中的电流方向变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从 电刷B流出，用左手定则可判别，电磁转矩的方向仍是逆时针方 向。
(3)额定电流IN：是指电机按照规定的工作方式运行时电 枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安)。
换向片接触，仍为正极性；导体ab转至S极下，感应电动势的 方向变为a指向b，电刷B与a所连换向片接触，仍为负极性。可 见，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而
通过换向器和电刷的作用，在电刷Ａ、Ｂ两端输出的电动势是 方向不变的直流电动势。若在电刷Ａ、Ｂ之间接上负载，发电
第一章 直 流 电 机 图1.2.3 主磁极
第一章 直 流 电 机 图1.2.4 换向极
第一章 直 流 电 机
2) 换向极（commutating pole）
两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。 换向极的作用是改善电机换向，减小电机运行时电刷与换向器 之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组构成， 如图1.2.4所示。换向极铁心一般用整块钢制成。对换向性能 要求较高的直流电机，换向极铁心可用1～1.5 mm厚的钢板冲 制叠压而成。 换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极 铁心上。整个换向极用螺钉固定于机座上。换向极的数目一般 与主磁极相等。
由c流向d。载流导体ab和cd均处于N、S极之间的磁场当中，受
到电磁力的作用，其方向由左手定则确定，可知这一对电磁力 形成一个转矩，称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针方向， 使整个电枢逆时针方向旋转。当电枢旋转180°，导体cd转到N 极下，ab转到S极，如图⒈⒈１所示，由于电流仍从电刷A流人， 使cd中的电流方向变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从 电刷B流出，用左手定则可判别，电磁转矩的方向仍是逆时针方 向。
(3)额定电流IN：是指电机按照规定的工作方式运行时电 枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安)。
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。
电机学第2章直流电机课件
2.直流电机的基本结构
图2-5 电枢上装有6个线圈 (11′到66′)的情况
2.直流电机的基本结构
图2-7 直流电机剖面图
2.直流电机的基本结构
图2-8 主磁极
2.直流电机的基本结构
图2-9 电枢铁心
2.直流电机的基本结构
图2-10 电枢线圈
2.直流电机的基本结构
图2-12 换向器
3.励磁方式
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
图2-42 并励电动机的机械特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-43 串励电动机的接线图
3.串励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-44 串励电动机的工作特性
图2-14 直流电机的励磁方式 a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式
4.直流电机的额定值
(1)额定功率PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机 的输出功率，用千瓦(kW)表示。 (2)额定电压UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以伏(V)表 示。 (3)额定电流IN 指电机在额定电压下运行、输出功率为额定功 率时，电机的线电流，以安(A)表示。 (4)额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以转/分(r/mi n)表示。
2.单叠绕组
2.单叠绕组
图2-19 单叠绕组展开图(2p=4,S=K= =16)
2.单叠绕组
图2-20 图2-19所示瞬间电枢绕组的电路图
3.单波绕组
3.单波绕组
图2-21 单波绕组的展开图(2p=4, =S=K=15) a)部分展开图 b)全部展开图
3.单波绕组
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。
THANKS
感谢观看
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
直流电机的工作原理学习ppt课件
4 无e
13
结论： 1 . 电枢线圈中的电势方向由于电枢旋转而随时间做正 负变化。
2. 电刷A、B间出现了一个极性不变的电动势或电压。 3. 换向器的作用：把直流发电机电枢线圈中交变的感 应电动势，变成电刷A、B两端输出的直流电动势，这 种作用称为整流。
.精品课件.
14
实际电机中，电枢上放置了许多线圈组成的电枢绕组，这些线 圈均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接起来。实践证明， 若每极下线圈边数大于8时，电势脉动的幅值将可小于1%，基本 是一直流电势。
.精品课件.
20
二、直流电动机工作原理（ f=Bli,方向：左手定则）
b
d
4
a
A
c
2
1
B
.精品课件.
21
二、直流电动机的工作原理（f=Bli,方向：左手定则）
f
i
Te
i
1
f
2
f i
Te
i
2
f
1
1 感应电流方向：
b →a , c →d 电压：A+ B-
2 无e
.精品课件.
3 感应电流方向：
a →b , d→c 电压： A+ B-
.精品课件.
27
小结： 一、直流发电机的工作原理 二、直流电动机的工作原理
.精品课件.
28
作业： 1. P11：二、（1）（2） 2. 直流发电机和直流电动机的特点？
.精品课件.
29
e v
i
要维持电动机状态，外部输入 电动势必须大于电枢内部切割运动 产生的感应电动势。
Te
1 2
i e
v
.精品课件.
24
直流电机篇PPT课件
电机振动或噪声过大
常见问题 诊断方法 修复措施
电机振动或噪声过大可能是由于机械松动、转子不平衡 、轴承损坏等原因所致。
诊断电机振动或噪声过大的方法包括观察法、听觉法、 触摸法等，通过这些方法可以初步判断故障原因。
针对不同的故障原因，采取相应的修复措施，如紧固松 动部位、重新平衡转子或更换轴承等，以消除振动或噪 声。
05
直流电机常见故障与维护
电刷与换向器磨损
正常磨损 磨损原因 维护建议
电刷和换向器在电机运行过程中会发生正常磨损，这是 由于电流通过电刷与换向器接触产生摩擦所致。
电刷与换向器的磨损主要与电流大小、电刷压力、换向 器表面粗糙度以及电机运行环境有关。
为减缓电刷与换向器的磨损，应定期检查电刷和换向器 的磨损情况，保持适当的电刷压力和换向器表面粗糙度 ，并确保电机运行环境良好。
铁芯通常由硅钢片叠 压而成，以减小磁阻 和减少能量损失。
转子
转子是直流电机的旋转部分， 通常由铁芯和绕组组成。
铁芯同样由硅钢片叠压而成， 以减小磁阻和减少能量损失。
绕组则通常由绝缘导线绕制而 成，以产生磁场。
换向器
换向器是直流电机的重要部件之一，主要作用是将电刷上的直流电流转换为绕组上 的交流电流，以实现电流方向的改变。
电机过热或冒烟
01
严重故障
02
电机过热可能是由于负载过大、通风不良、轴承损坏等原 因所致，冒烟则可能是由于电机内部短路或严重过载引起 。
03
预防措施
04
为预防电机过热或冒烟，应定期检查电机运行状况，确保 通风良好，避免超载运行，并定期更换轴承等易损件。
05
处理方法
06
一旦发现电机过热或冒烟，应立即停机检查，找出故障原 因并排除，同时对电机进行全面检修和保养。
《电机学讲》课件
步进电机基本原理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
阐述步进电机的基本工作原理，包括每步的转动和磁场的变化。
步进电机特点及应用
介绍步进电机的特点，如精确控制和低速驱动，以及各种应用领域。
第五章：电机控制
电机控制基础
闭环控制及开环控制
说明电机控制的基本原理和概念， 包括驱动电路和控制信号。
对比闭环控制和开环控制的优劣 和适用场景，以及各自的控制策 略。
电机控制中的PID算法
介绍PID算法在电机控制中的应 用，以及如何调节PID参数。
第六章：电机保护
1
电机运行中的故障
列举电机运行中常见的故障，如过载、过热和短路等。
2
电机保护方法
介绍保护电机的多种方法，如热继电器、保险丝和断路器。
3
电机保护电路设计
指导如何设计电机保护电路，包括过流保护和过温保护。
详细介绍直流电机的结构和特点， 以及不同类型的直流电机。
揭示直流电机背后的基本原理， 包括电磁力、电刷和转子等。
直流电机的调速方法
介绍多种直流电机调速方法，如 电压变化、电阻调速和PWM调 速。
第三章：交流电机
1
三相异步电机基本原理
2
解析三相异步电机的基本工作原理，包
括转子的旋转和磁场的产生。
3
三相异步电机调速方法
第七章：电机维护
1 电机维护周期
建议定期进行电机维护，以保证其正常运行。
2 电机保养方法
介绍保养电机的方法，如清洁、润滑和紧固螺栓。
3 电机维修流程
概述电机维修的流程，包括故障诊断、部件更换和测试。
4
探讨三相异步电机的调速方法，包括转 子电阻调速和变频调速。
交流电机结构及分类
阐述步进电机的基本工作原理，包括每步的转动和磁场的变化。
步进电机特点及应用
介绍步进电机的特点，如精确控制和低速驱动，以及各种应用领域。
第五章：电机控制
电机控制基础
闭环控制及开环控制
说明电机控制的基本原理和概念， 包括驱动电路和控制信号。
对比闭环控制和开环控制的优劣 和适用场景，以及各自的控制策 略。
电机控制中的PID算法
介绍PID算法在电机控制中的应 用，以及如何调节PID参数。
第六章：电机保护
1
电机运行中的故障
列举电机运行中常见的故障，如过载、过热和短路等。
2
电机保护方法
介绍保护电机的多种方法，如热继电器、保险丝和断路器。
3
电机保护电路设计
指导如何设计电机保护电路，包括过流保护和过温保护。
详细介绍直流电机的结构和特点， 以及不同类型的直流电机。
揭示直流电机背后的基本原理， 包括电磁力、电刷和转子等。
直流电机的调速方法
介绍多种直流电机调速方法，如 电压变化、电阻调速和PWM调 速。
第三章：交流电机
1
三相异步电机基本原理
2
解析三相异步电机的基本工作原理，包
括转子的旋转和磁场的产生。
3
三相异步电机调速方法
第七章：电机维护
1 电机维护周期
建议定期进行电机维护，以保证其正常运行。
2 电机保养方法
介绍保养电机的方法，如清洁、润滑和紧固螺栓。
3 电机维修流程
概述电机维修的流程，包括故障诊断、部件更换和测试。
4
探讨三相异步电机的调速方法，包括转 子电阻调速和变频调速。
交流电机结构及分类
电机第2章.ppt
（1）电枢回路铜耗pcua 它包括以下几项，电枢绕组铜耗；与电枢绕组串联的 串励绕组、换向极绕组及补偿绕组的铜耗；电刷与换向器的接触电阻上的铜耗。
（2）励磁回路的铜耗pcuf 由于励磁回路的铜耗很小，而且是一个不变的值， 一般把它归入不变损耗范畴。
不论发电机还是电动机，电枢电流都随负载的变化而变化，因而电机中的电枢 铜耗又叫可变损耗。电机的机械损耗和励磁一定时的铁耗只与转速有关，当电 机的转速变化不大时，由机械损耗和铁芯损耗合成的空载损耗是基本不变的， 故空载损耗又叫不变损耗。
1、自励条件
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻Rf 特性曲线， 也称场阻线 U f I f Rf 。
增大Rf ，场阻线变为曲线3时，Rf 称为临界 电阻Rcr 。如图所示。
若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自 励。
U
原动机带动发电机旋转时，如果主磁 U0
极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电
根据电路基尔霍夫定律可得电枢回路的电动势平
衡方程式： Ea U Ia Ra
式中 Ia I
I f U /(Rf
I
f
R
pf
；I是发电机的输出电流。
)
+U － I Ea
Ia
Rf If
Rfad
并励发电机电路图
2、功率平衡方程式
Pm
PFe
Pad
Pcua
P1
Pe
P2
m
Pcuf
并励直流发电机的功率流程图
P1 UI UIa P1 (Ea I a Ra )I a Ea I a I 2a Ra P1 Pem pCua
P2 Pem pFe pm pad P2 Pem pFe pm Pem p0
（2）励磁回路的铜耗pcuf 由于励磁回路的铜耗很小，而且是一个不变的值， 一般把它归入不变损耗范畴。
不论发电机还是电动机，电枢电流都随负载的变化而变化，因而电机中的电枢 铜耗又叫可变损耗。电机的机械损耗和励磁一定时的铁耗只与转速有关，当电 机的转速变化不大时，由机械损耗和铁芯损耗合成的空载损耗是基本不变的， 故空载损耗又叫不变损耗。
1、自励条件
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻Rf 特性曲线， 也称场阻线 U f I f Rf 。
增大Rf ，场阻线变为曲线3时，Rf 称为临界 电阻Rcr 。如图所示。
若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自 励。
U
原动机带动发电机旋转时，如果主磁 U0
极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电
根据电路基尔霍夫定律可得电枢回路的电动势平
衡方程式： Ea U Ia Ra
式中 Ia I
I f U /(Rf
I
f
R
pf
；I是发电机的输出电流。
)
+U － I Ea
Ia
Rf If
Rfad
并励发电机电路图
2、功率平衡方程式
Pm
PFe
Pad
Pcua
P1
Pe
P2
m
Pcuf
并励直流发电机的功率流程图
P1 UI UIa P1 (Ea I a Ra )I a Ea I a I 2a Ra P1 Pem pCua
P2 Pem pFe pm pad P2 Pem pFe pm Pem p0
电机学第二章PPT课件
功用： 是磁路的一部分；转
子槽中放置绕组
特点： 电枢旋转时被交变磁化，所以转子铁心中有铁耗。
（2）电枢绕组
功用： 感应电势，流过电流，产生电
磁力和电磁转矩，是电机能 够实现能量转换的核心部件。
构成： 由绝缘导线绕成线圈，各线圈以一定的规律焊接
在换向片上而连成一个整体。
（3）换向器
功用： 把电枢绕组内部的交流电势用
导 体 中 感 应 电 势 的 方 向： ab导 体 ：b a cd导 体 ：d c
e Blv
式中：B —导体所在处的气隙密磁度通 l — 导体的有效长度 v — 导体的线速度
v 2Rn
60
e B
2.当电枢旋转e时 随， 时间的变化规 B沿 律与 气隙的分布规律相同
规定： 从电枢进入磁极的磁
机械换接的方法转换为直流 电势。
构成： 换向器由多片彼此绝缘的换向
片组成。
§2.1.3 直流电机的额定值
一、什么是额定值？
电机生产厂家根据设计和试验数据，确定的电机 在额定运行工况时的物理量，如电压、电流、 功率、转速等等。
二、有哪些额定值？
1.额定电UN压 ，单位V） （
2.额 定 电IN， 流单 位 为 A）（
三、元件的形状与放置
1.直流电枢绕组的构成 电枢绕组是由结构形状相同的绕组元件（简称元 件）构成。
2.什么是元件？ 指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。
元件边: 每个元件两个放在槽中切割磁力线感应电动势 的有效边
端接:组元件在 电枢表面槽中的嵌 放，每个元件的一 个元件边放在某一 槽的上层另一个元 件边则放在另一个 槽的下层。
3.额定功 PN，率 单位 W或k为 W (指输出功率） 4.额 定 转 nN，速 单 位 r m为 in
子槽中放置绕组
特点： 电枢旋转时被交变磁化，所以转子铁心中有铁耗。
（2）电枢绕组
功用： 感应电势，流过电流，产生电
磁力和电磁转矩，是电机能 够实现能量转换的核心部件。
构成： 由绝缘导线绕成线圈，各线圈以一定的规律焊接
在换向片上而连成一个整体。
（3）换向器
功用： 把电枢绕组内部的交流电势用
导 体 中 感 应 电 势 的 方 向： ab导 体 ：b a cd导 体 ：d c
e Blv
式中：B —导体所在处的气隙密磁度通 l — 导体的有效长度 v — 导体的线速度
v 2Rn
60
e B
2.当电枢旋转e时 随， 时间的变化规 B沿 律与 气隙的分布规律相同
规定： 从电枢进入磁极的磁
机械换接的方法转换为直流 电势。
构成： 换向器由多片彼此绝缘的换向
片组成。
§2.1.3 直流电机的额定值
一、什么是额定值？
电机生产厂家根据设计和试验数据，确定的电机 在额定运行工况时的物理量，如电压、电流、 功率、转速等等。
二、有哪些额定值？
1.额定电UN压 ，单位V） （
2.额 定 电IN， 流单 位 为 A）（
三、元件的形状与放置
1.直流电枢绕组的构成 电枢绕组是由结构形状相同的绕组元件（简称元 件）构成。
2.什么是元件？ 指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。
元件边: 每个元件两个放在槽中切割磁力线感应电动势 的有效边
端接:组元件在 电枢表面槽中的嵌 放，每个元件的一 个元件边放在某一 槽的上层另一个元 件边则放在另一个 槽的下层。
3.额定功 PN，率 单位 W或k为 W (指输出功率） 4.额 定 转 nN，速 单 位 r m为 in
直流电机基本知识--ppt课件
3
直流电机的优缺点
优点：
直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。 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。
缺点：
由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。
4
主要内容
1 直流电机的工作原理、主要结构、 额定值 2直流电机的电枢绕组 3直流电机的电枢反应 4电枢绕组感应电动势和电磁转矩 5直流电机换向
11
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 （二）直流电动机工作原理
左 手 定 则
12
n逆时针转向
n逆时针转向
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 （二）直流电动机工作原理
电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转 矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩 方向不变。
若电机实槽数为Q，虚槽数为Qu，
41
15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
3. 元件数、换向片数与虚槽数 每一元件有两个圈边， 每一换向片上接有两个圈边， 每一虚槽内放置有两个圈边， 元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
4. 元件、极距与节距 (1) 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多 匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换 向片相 连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 (2) 极距：是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距 离，用τ表示，
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一 槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下 层，称为下层边。
直流电机的优缺点
优点：
直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。 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。
缺点：
由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。
4
主要内容
1 直流电机的工作原理、主要结构、 额定值 2直流电机的电枢绕组 3直流电机的电枢反应 4电枢绕组感应电动势和电磁转矩 5直流电机换向
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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 （二）直流电动机工作原理
左 手 定 则
12
n逆时针转向
n逆时针转向
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 （二）直流电动机工作原理
电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转 矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩 方向不变。
若电机实槽数为Q，虚槽数为Qu，
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
3. 元件数、换向片数与虚槽数 每一元件有两个圈边， 每一换向片上接有两个圈边， 每一虚槽内放置有两个圈边， 元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
4. 元件、极距与节距 (1) 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多 匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换 向片相 连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 (2) 极距：是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距 离，用τ表示，
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15.2直流电机电枢绕组
一、电流电枢绕组基本知识
现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一 槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下 层，称为下层边。
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S
6
•设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距0点为x处作一闭合磁力线回路。 该闭路包围的电流数即为总磁势Fa 。 •电枢表面单位长度上的安培导体数A 称为电机的线负荷。
线负荷 A Nia 0,1
Da
距0点为x处，每个气隙的电枢反应
磁势为（忽略铁心中的磁势降）
Fa (x) Ax
( x )
2
2
Ba x
B0 x B x
9
四、补偿绕组
为了减少电枢反应的影响，在磁极表面的槽 中安装补偿绕组；
补偿绕组与电枢绕组串联； 补偿绕组导体电流的方向与其对应的极面下
的电枢电流的方向相反。
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五、直轴电枢反应 •如果将电刷位置逆时针移动β角，则电枢磁势可分为两部分
直轴电枢磁势Fad ； 交轴电枢磁势Faq。
一、公式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ导
单个导体中的电流为： ia
Ia 2a
N
x处导体电磁力为： fx B xlia
每个导体产生的电磁转矩为（导体有效长度为l）：
x
Tx
B xlia
D 2
Bxl
Ia 2a
2 p 2
B xlIa
p 2a
所有N个导体产生的电磁转矩为：
B(x)
Bp
p
p pN
T NBplIa 2a N l lIa 2a 2a Ia CT Ia
l
l2 p
n 60
N 2a
l
pN 60a
n
Cen
Ce为电势的结构常数。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。
励磁绕组示意图（他励或并励）：
•直流电机的电路包括电枢支路和励磁支路。 •在分析直流电机时，最好先根据励磁方式画出电机的电路连线。
CT为结构常数。可见电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。
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二、转 矩 平 衡 （稳态时）
❖对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩T1。T1克服各种阻力转矩（如 摩擦，铁耗，风阻等）T0后与负载后电枢电流Ia产生的电磁转矩T相平衡:
❖
T1 = T0 + T
❖对于电动机来说，从电枢端输入电流并产生电磁转矩T，T克服各种阻 力转矩T0后与机械负载转矩T2相平衡:
电动机的特点： Ea和Ia反方向； U 比 Ea大；T为拖动转矩。
•转子一旦旋转，就有电势存在。 •因电势与电流方向相反。故电动机的感应电 势又叫反电势。 U = Ea+IaRa+2△Us
If Rf
Ia I Ea U
并励式电动机
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2-6 电磁转矩
在电动机中，电磁转矩是拖动转矩；而在发电机中则为阻力转矩。
第一篇 直流电机
第 2 章 直流电机的基本理论
内容简介
直流电机的磁场: 励磁方式、磁场分布、电枢反应
直流感应电势： 电势公式、电势方程式
电磁转矩： 转矩公式、转矩平衡方程式
功率与损耗 损耗分析、功率平衡方程式
1
2-1 直流电机的励磁方式
一、定义 直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是
励磁绕组和电枢绕组如何联接。
导体有效长度为 l
切割磁力线的速度为： v 2 p n
N
60
x处导体感应电势为： ex B xlv
导体总数为N，每一支路导体数为N/(2a)
则支路电势即电刷间电势为：
x
B(x)
Bp
12
N /(2a)
Ea
B
x 1
x
N /(2a)
lv lv B
x 1
x
lv
N 2a
Bp
lv
N 2a
——电枢反应
Ba x
B0 x
B x
8
•在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内 磁密减弱。 •实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。 磁场发生了畸变，0点发生了位移。
•(交轴）电枢反应的影响： •1、气隙磁场发生畸变
对发电机而言前极端去磁、 后极端增磁；
对电动机而言则为前极端 增磁、后极端去磁。 2、此反应会使某一支路 的电势分布不均匀（如图示）。
B0 ( X )
5
2-3 负载时直流电机的磁场――电枢反应
•电枢磁场对主磁场的影响，被称为电枢反应。 •电枢反应会影响电机的性能。
一、电枢磁势的分布
N
•电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。
•电枢电流的方向以电刷连线来分界。
•电枢磁势的轴线总是与两电刷的连线相重合。
•当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时， 电枢磁势的轴线在交轴方向，称为交轴电枢反 应磁势。
二、分类 除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励式和
自励（即串励、并励和复励）式。
2
I
Ia
If
I
R fC
rf
n Ea U
Rf
U
RL
If
Ia
n Ea
他励式发电机
串励式电动机
If Rf
Ia I Ea U
并励式电动机
I U
Ia
If
Rf c
Ea
n
Rf
复励式发电机
3
2-2 空载时直流电机的磁场
一、直流电机的磁通路经（磁路）
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2-5 直流电机的电势平衡方程式
一、直流发电机的电势平衡方程
发电机的特点： Ea与Ia同向； Ea比U 大；T为制动转矩。
•除了压降IaRa外，还要考虑电刷压降△Us
•电势平衡方程为 Ea= IaRa+2△Us+U
If
rf
Rf
Ia n Ea U
他励式发电机
I
RL
二、直流电动机的电势平衡方程
直轴电枢磁势的性质是： ❖对发电机来说，电刷顺转向偏移时为去磁，逆转向偏移时为增磁； ❖对电动机来说，电刷顺转向偏移时为增磁，逆转向偏移时为去磁。
11
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。
上式表达了电枢磁势的分布，将一对极 的电枢磁势波形画出，将得到三角波。
7
二、电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布：
•磁密由磁势和气隙磁阻共同决定。 •极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势； •两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小。一个周期的 磁密波形呈马鞍形。
Ba
x
0
Fa x
三、电枢磁场与励磁磁场 （主磁场）的合成
主磁极1 — 气隙1－电枢齿1－电枢轭－电枢齿2－气隙2－
主磁极2－定子轭－主磁极1
主磁极1
电枢齿1 电枢齿2
气隙1 电枢轭
定子轭 主磁极2
气隙2
4
二、空载磁通密度波形
空载时电枢电流为0，气隙 磁场是由励磁电流单独决定。 磁极面下气隙较小且均匀， 磁密较强且均匀。 极面外，气隙迅速增大，磁 密也迅速减弱，几何中性线处 磁密为0。 空载气隙磁密沿电枢外圆的 分布用函数B0（x）表示；分 析可知它是平顶波。