电机学课件 清华大学
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由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩 T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
T ? TL ? T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程： 当负载转矩（ TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
7.2.1 概述
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
直流电机的优点：
（1）调速性能好 :调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 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。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用 E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
– S
换向片
根据右手定则知， E和原通入的电流方向相反，
其大小为：
E ? K E?n
KE：与电机结构有关的常数 ? ：磁通
(2)若忽略绕组中的电阻 Ra，则 U ? E ? K EΦn，
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 ? 可调速。
7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩 T ? K TΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
? ：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： ? （韦伯）， Ia（安培）， T（牛顿?米）
n：电动机转速
单位： ? （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为 E 与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
U ? E ? I a Ra
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
Ia
U
–
+ ME
–
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
改变E，只能改变 ? 或 n。 E ? K E ? n
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系
一、 电枢中的感应电动势
7.2.2 工作原理
一、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
– S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
电刷
F
+
N I
U
F
I
–
S
换向片
注意： 换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
电刷
FE
+
N IE
据此公式做出 T-n 曲线
串励特性： (1) T=0时，在理想情况下， n?? 。但实际上负
载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，
但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载
运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大， n 下降得很快，这种特性属
软机械特性。
n
T
直流电动机特性类型的选择 : (1) 恒转矩的生产机械 (TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机 械等。
第七章 直流电动机 单相异步电动机 步进电机
清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编
海南风光
第七章 电动机
§7.2 直流电动机
7.2.1 概述
7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
二、 串励电动机的机械特性
串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。
设磁通和电流成正比，即 ? =K? Ia ,则
E ? K EΦn ? K E KΦ I a n T ? KTΦI a ? KT KΦ I a 2 n
U ? E ? I a Ra
U Ia M
串励
n ? KTU ? Ra
T
KE KΦT KE KΦ
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义： 磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
n ? n0 ? ? n
其中 n0 ?
U
KEΦ
，?
n
?
KT
Ra
K EΦ2
T
n0： 理想空载转速 ,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的 T不会为0。）
n
根据 n-T 公式
n0
画出特性曲线
nN
?n
T TN
当 T? 时n? ，但由于他励电动机的电枢电阻 Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械 特性。
转矩自动调整，以实现新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL ?
n?
E?
T?
Ia ?
最后达到新的平衡点。
U ? E ? I a Ra
T ? K T ΦI a
与原平衡点相比，新的平衡点： Ia ? 、 P入?
7.2.5 机械特性
机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，
U
F
I
–
S
换向片
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
直流发电机
用右手定则判 感应电动势 Ea 的方向
+ Ia U
–
感应电动势
E ? K E?n
E N
E
S 输出电压
U ?E
电枢绕组 电阻Ra
? IaRa
二、 直流电机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座
下边以他励和串励电机为例说明。
If
Ia
一、 他励电动机的机械特性
Uf M U
他励电动机和并励电动机的特性一样。
U ? E ? I a Ra
E ? KEΦn T ? KTΦI a
他励
n?
U?
K EΦ
KT
Ra
K EΦ
2
T
即：n ? n0 ? ? n
其中 n0 ?
U源自文库
KEΦ
，?
n
?
Ra T
K T K EΦ2
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩 T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
T ? TL ? T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程： 当负载转矩（ TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
7.2.1 概述
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
直流电机的优点：
（1）调速性能好 :调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 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。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用 E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
– S
换向片
根据右手定则知， E和原通入的电流方向相反，
其大小为：
E ? K E?n
KE：与电机结构有关的常数 ? ：磁通
(2)若忽略绕组中的电阻 Ra，则 U ? E ? K EΦn，
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 ? 可调速。
7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩 T ? K TΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
? ：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： ? （韦伯）， Ia（安培）， T（牛顿?米）
n：电动机转速
单位： ? （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为 E 与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
U ? E ? I a Ra
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
Ia
U
–
+ ME
–
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
改变E，只能改变 ? 或 n。 E ? K E ? n
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系
一、 电枢中的感应电动势
7.2.2 工作原理
一、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
– S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
电刷
F
+
N I
U
F
I
–
S
换向片
注意： 换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
电刷
FE
+
N IE
据此公式做出 T-n 曲线
串励特性： (1) T=0时，在理想情况下， n?? 。但实际上负
载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，
但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载
运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大， n 下降得很快，这种特性属
软机械特性。
n
T
直流电动机特性类型的选择 : (1) 恒转矩的生产机械 (TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机 械等。
第七章 直流电动机 单相异步电动机 步进电机
清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编
海南风光
第七章 电动机
§7.2 直流电动机
7.2.1 概述
7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
二、 串励电动机的机械特性
串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。
设磁通和电流成正比，即 ? =K? Ia ,则
E ? K EΦn ? K E KΦ I a n T ? KTΦI a ? KT KΦ I a 2 n
U ? E ? I a Ra
U Ia M
串励
n ? KTU ? Ra
T
KE KΦT KE KΦ
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义： 磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
n ? n0 ? ? n
其中 n0 ?
U
KEΦ
，?
n
?
KT
Ra
K EΦ2
T
n0： 理想空载转速 ,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的 T不会为0。）
n
根据 n-T 公式
n0
画出特性曲线
nN
?n
T TN
当 T? 时n? ，但由于他励电动机的电枢电阻 Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械 特性。
转矩自动调整，以实现新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL ?
n?
E?
T?
Ia ?
最后达到新的平衡点。
U ? E ? I a Ra
T ? K T ΦI a
与原平衡点相比，新的平衡点： Ia ? 、 P入?
7.2.5 机械特性
机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，
U
F
I
–
S
换向片
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
直流发电机
用右手定则判 感应电动势 Ea 的方向
+ Ia U
–
感应电动势
E ? K E?n
E N
E
S 输出电压
U ?E
电枢绕组 电阻Ra
? IaRa
二、 直流电机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座
下边以他励和串励电机为例说明。
If
Ia
一、 他励电动机的机械特性
Uf M U
他励电动机和并励电动机的特性一样。
U ? E ? I a Ra
E ? KEΦn T ? KTΦI a
他励
n?
U?
K EΦ
KT
Ra
K EΦ
2
T
即：n ? n0 ? ? n
其中 n0 ?
U源自文库
KEΦ
，?
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Ra T
K T K EΦ2