电机学课件 清华大学
合集下载
电机学课件清华大学
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
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
n
nn0n0'0''
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1
Φ
，
n
1
Φ2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
n n0 n
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
调速过程: U一定,则
Rf
E
Ia
Ia
E
n
最后达到新的平衡 T =TL
T
暂时 T > TL
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U
E
K
Φn，
E
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 KTΦI 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）
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
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
n
nn0n0'0''
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1
Φ
，
n
1
Φ2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
n n0 n
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
调速过程: U一定,则
Rf
E
Ia
Ia
E
n
最后达到新的平衡 T =TL
T
暂时 T > TL
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U
E
K
Φn，
E
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 KTΦI 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）
电机学课件-清华大学
置。
02
伺服电机
伺服电机是一种将输入的电信号转换成旋转角度或线性位移的执行机构，
其工作原理是通过控制电机的输入电流或电压来控制电机的输出转矩和
转速，从而实现精确的位置控制和速度控制。
03
步进电机与伺服电机的比较
步进电机和伺服电机在应用上有所不同，步进电机适合于低精度、低成
本的应用场合，而伺服电机则适合于高精度、高可靠性的应用场合。
直流电机的分类
包括定子、转子、换向器等部分，其 中定子产生磁场，转子在磁场中旋转。
根据励磁方式的不同，可以分为永磁 式、电磁式和串励式直流电机。
工作原理
直流电机通过电流在磁场中受到的力 来产生旋转力矩，从而实现能量的转 换。
交流电机
交流电机的基本结构
包括定子、转子、轴承等部分，其中定子产生旋转磁场，转子在 磁场中旋转。
夹具等。
实验内容与方法
01
02
03
04
直流电机实验
通过测量电机的转速、电流、 电压等参数，分析电机的机械
特性和电磁特性。
交流电机实验
通过观察电机的启动、运行和 制动过程，分析电机的稳态和
动态特性。
变压器实验
通过测量变压器的变比、空载 电流、负载损耗等参数，分析
变压器的性能。
创新实验
学生自主设计实验方案，进行 探索性实验，培养创新能力和
制动控制
通过施加制动转矩使电 机迅速停止转动，包括 能耗制动、反接制动和 回馈制动等。
电机的调速方法
直流电机调速
通过改变电枢电压或励磁电流 来实现调速，包括可控硅整流
调速和直流斩波调速。
交流电机调速
通过改变电源频率、电压幅值或 相位差来实现调速，包括变频调 速、变压调速和变相调速等。
电机学学习课件教学课件PPT直流电动机
Electrical Machinery
一、基本方程式
（1）电流方程 （2）电势平衡式
I I f Ia
U
I
Te,n
If Ia
Ea Ra
Rf
电枢回路： U Ea Ia (Ra R )
励磁回路：
U I f Rf
U > Ea
重要的转速公式
n U Ia (Ra R ) Ce
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
人为特性的几点补充
（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定 性。通过补偿绕组改善。
（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN)
（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性
n0
UN Ce N
,
Ce N
EaN nN
UN
I N Ra nN
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Te CT
Ra
n
U Ce
Ra CeCT 2
Te
n
可得
Ra CeCT 2
机械特性是稍下降的直线， 计及饱和， 成为水平或上翘。
Te
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而 稍有变化。
Electrical Machinery
电枢回路串电阻的人为机械特性
电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；
一、基本方程式
（1）电流方程 （2）电势平衡式
I I f Ia
U
I
Te,n
If Ia
Ea Ra
Rf
电枢回路： U Ea Ia (Ra R )
励磁回路：
U I f Rf
U > Ea
重要的转速公式
n U Ia (Ra R ) Ce
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
人为特性的几点补充
（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定 性。通过补偿绕组改善。
（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN)
（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性
n0
UN Ce N
,
Ce N
EaN nN
UN
I N Ra nN
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Te CT
Ra
n
U Ce
Ra CeCT 2
Te
n
可得
Ra CeCT 2
机械特性是稍下降的直线， 计及饱和， 成为水平或上翘。
Te
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而 稍有变化。
Electrical Machinery
电枢回路串电阻的人为机械特性
电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；
清华大学电机原理及拖动彭鸿才版课件
(4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以 保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可 以自由旋转.
(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向.
(1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承.
4.其他部分
(2).通风装置:作用是冷却电机.
为了说明方便,作下列规定: (1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的 导体称为S导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用 表示.
(2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.
综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.
2.直流电动机的基本工作原理
通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒⌒⌒源自⌒⌒⌒⌒
(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向.
(1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承.
4.其他部分
(2).通风装置:作用是冷却电机.
为了说明方便,作下列规定: (1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的 导体称为S导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用 表示.
(2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.
综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.
2.直流电动机的基本工作原理
通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒
⌒⌒⌒源自⌒⌒⌒⌒
电机学课件ppt
电感方程
描述电机内部电感与电流的关 系。
磁路方程
磁通方程
描述电机内部磁通与磁动势的 关系。
磁动势方程
描述电机内部磁动势与电流的 关系。
磁阻方程
描述电机内部磁阻与磁通的关 系。
磁场强度方程
描述电机内部磁场强度与磁通 的关系。
机械方程
力矩方程
描述电机内部力矩与转速的关系。
转速方程
描述电机内部转速与电流的关系。
直时，电磁转矩为零。
03
直流电机的调速特性
直流电机的转速与电枢电压成正比，与电枢电阻成反比。通过调节电枢
电压或电枢电阻，可以改变直流电机的转速。
交流电机的性能分析
交流电机的基本结构
交流电机根据结构可以分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式电机定子由定子铁心和三相绕组 组成，转子由转子铁心和转子绕组组成。绕线式电机定子由定子铁心、三相绕组和机座组 成，转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
数字控制器的优缺点
该方法具有精度高、调试方便等优点，但也存在响应速度较慢、硬件成本高等缺点。
智能控制方法
基于人工智能的控制方法
利用神经网络、模糊控制等人工智能技术， 实现对电机的控制。
智能控制器的优缺点
该方法具有自适应性、鲁棒性好等优点，但 也存在算法复杂度高、难以实现等问题。
CHAPTER 06
直流电机的性能分析
01
直流电机的基本结构
直流电机的结构与交流电机类似，包括定子和转子。定子包括机座、端
盖、电枢铁心、电枢绕组等部分，转子包括转轴、换向器、电枢铁心、
电枢绕组等部分。
02
直流电机的电磁转矩
直流电机的电磁转矩是由电枢电流和磁通相互作用产生的。当电枢电流
电机学课件--清华大学专业课课件-文档资料
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
他励电动机和并励电动机的特性一样。
Uf
M U 他励
U E I a Ra E K EΦn T KTΦI a
Ra U n T 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T 即： n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
E K En
KE：与电机结构有关的常数 ：磁通 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。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
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 En (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。
ห้องสมุดไป่ตู้ 7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩
T KTΦI 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
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
他励电动机和并励电动机的特性一样。
Uf
M U 他励
U E I a Ra E K EΦn T KTΦI a
Ra U n T 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T 即： n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
E K En
KE：与电机结构有关的常数 ：磁通 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。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
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 En (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。
ห้องสมุดไป่ตู้ 7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩
T KTΦI 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
电机学课件(超全讲解)
绪论
电机的发展 主要类别 基本作用原理——多个（电磁）定律 电机可逆性原理 电机的材料 作业
电机的发展
1．电机的发展初期
电磁感应定律的发现——1831年法拉第 直流电机的发展 单相交流电的应用——远距离传输 三相交流电的应用——解决电机启动问题
电机的发展
2．电机的近代发展及趋势
c y1 y 2 0
磁路的基尔霍夫第二定律
–
沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势
U I
i
k
磁化曲线
饱和区
不同的磁性材料有 不同的磁导率 同一材料当其磁通 密度不同时，亦有 不同的磁导率
线性区，磁导 率大且不变
起始段，磁导率较小
磁滞现象与磁滞回线
磁场强度H缓 慢地循环变化， B一H曲线是一 封闭曲线 —— 磁 滞 回 线 矫顽磁力Hc 剩余磁感应强 度Br
电磁感应定律
设有一线圈位于磁场中 ，当该线圈中的磁链发生变化 时，线圈中将有感应电动势(简称电势)产生。感应电 势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比。感应 电势的方向将倾向于产生一电流，如电流能流通，该 电流的磁化作用将阻止线圈的磁链发生变化。 线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化
磁场储能
磁场是一种特殊形式的物质，磁场中能够储存能量， 在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。 电机——通过磁场储能来实现机、电能量转换 体积能量密度
Wm
1 2
1 2
BH
1 2
BHdv
V
B
2
磁场能量主要存储在气隙中
《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
清华大学交流电机暂态PPT第一章
——复杂电路Æ简单电路：等效纵、横轴阻尼绕组
（假设条件） （《电机学》）
——用等值电路来简化实际的复杂模型：变压器等
值电路、异步电机等值电路（正弦稳态电路）
——运算等值电路：含有算子ຫໍສະໝຸດ 阻尼绕组的简化电路d
q
d
笼形回路
假设
简化
1d和1q阻尼回路
等值电路
r1
x1
I 1
′ x2
I m
rm
r2′
′ I 2
磁导分析法
FΛ = Φ 对均匀磁路或磁路的微元：磁导
Φ Λ B= =F S S
→
EG = I
S Λ=μ l
G =σ
Fλ = B
•
μ0 隐极同步电机：气隙均匀，气隙长度δ恒定→ δ （常数） λδ =
1 λ = μ （导磁系数） l
S l
• 凸极同步电机：不同位置的气隙长度δ (x)不同
μ0 → λδ (x ) = δ (x )
交交变频同步电机系统的数学模型
•多回路模型
阻尼绕组：按原始的笼形回路列写方程
阻尼损耗
i1 i i3 i4 i5 i6
D 2 D D D D D
= = = = = =
i1 q + i 3 d i2 q + i2 d i 3 q + i1 i 3 q − i1 i2 q − i2 i1 q − i 3
K R
合K瞬间： iL (0+)= iL (0-)= i0 ——闭合回路磁链不能突变 合K后： diL + RiL = U sin(t + θ ) L
dt
iL , ∞ ( t ) =
iL ( t ) =
（假设条件） （《电机学》）
——用等值电路来简化实际的复杂模型：变压器等
值电路、异步电机等值电路（正弦稳态电路）
——运算等值电路：含有算子ຫໍສະໝຸດ 阻尼绕组的简化电路d
q
d
笼形回路
假设
简化
1d和1q阻尼回路
等值电路
r1
x1
I 1
′ x2
I m
rm
r2′
′ I 2
磁导分析法
FΛ = Φ 对均匀磁路或磁路的微元：磁导
Φ Λ B= =F S S
→
EG = I
S Λ=μ l
G =σ
Fλ = B
•
μ0 隐极同步电机：气隙均匀，气隙长度δ恒定→ δ （常数） λδ =
1 λ = μ （导磁系数） l
S l
• 凸极同步电机：不同位置的气隙长度δ (x)不同
μ0 → λδ (x ) = δ (x )
交交变频同步电机系统的数学模型
•多回路模型
阻尼绕组：按原始的笼形回路列写方程
阻尼损耗
i1 i i3 i4 i5 i6
D 2 D D D D D
= = = = = =
i1 q + i 3 d i2 q + i2 d i 3 q + i1 i 3 q − i1 i2 q − i2 i1 q − i 3
K R
合K瞬间： iL (0+)= iL (0-)= i0 ——闭合回路磁链不能突变 合K后： diL + RiL = U sin(t + θ ) L
dt
iL , ∞ ( t ) =
iL ( t ) =
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
KEΦ
，?
n
?
Ra T
K T K EΦ2
(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）
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
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
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
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：
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+来自N IEUFI
– 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
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。
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
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
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
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
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，
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
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。