直流电动机的机械特性
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学习要求:
在了解直流电动机的基本结构的基础上,着重掌握直流电 机的基本工作原理,特别应掌握转矩方程式、电势方程式 和电压平衡方程式；
掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性；
掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种 方法的优缺点和应用场所；
学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据,确定电动机启 动等运行特性。
重点:
掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性； 他励直流电动机的启动特性； 他励直流电动机的调压调速特性。
分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据：
电磁力定律、电磁感应定 律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
经主磁极铁心、空气隙、电枢铁心、磁轭（机座）形成的闭合 回路.
二、直流电机的基本工作原理
为了便于分析直流电机的工作原理,将电机简化为以下模型:
电刷
主磁极
换向片
电枢绕组
两极直流电机模型
磁极 N,S 不动; 线圈（绕组）旋转;换向片旋转; 电刷 A,B 不动 电枢旋转时,换向片与电刷滑动接触.
1.直流发电机的工作原理—基于电磁感应定律
(3) 串励方式
串励励磁绕组（C1C2）与电枢（H1H2）串联。Ia = If
C1
R'f
R'f Uf
H1
C2
H2
原理电路图
(4) 复励方式
复励方式有两个励磁绕组，其并励励磁绕组（B1B2） 与电枢（H1H2）并联。串励励磁绕组（C1C2）与电枢 （H1H2）串联。
(1)发电机旋转时，电枢绕组中将产生电源电动势 （e 与 ia 方向 相同）。
（2) 当发电机带负载 ( I ≠0 )后，电磁转矩 T 是制动转矩，和原 动机的力矩 T1 相平衡。
2. 直流电动机的工作原理—基于电磁力定律
电磁力定律
U
f fff adaad
ia b b cbc cc
aandd T
b f
E = Ke n T = Kt Ia
Kt = 9.55 Ke
每极主磁通 电枢电流
发电机和电动机均有电枢电势 E 、电磁转矩 T， 发电机
但性质却有很大不同。（见下表）
电动机
电机在发电状态和电动状态下, E 和 T 的作用
直流发电机
T1
T0
直流电动机
T
TL Biblioteka Baidu0
nT
n
E 和Ia 同方向，称为电源电动势
f ff f
ia
U
n
T
f
f
nT
ff
直流电动机的工作原理演示
UE
f c
d
an Te
b
ia f
nT
结论：
1) 电动机的电磁转矩 T 是驱动转矩。
2）电动机旋转时，电枢绕组中将产生反电动势（与ia反向）， 与电源电压U相平衡。
结论：
(1) 直流电机的可逆性： 若输入机械能, 可作为直流发电机 , 从电刷
RL
++++ aaadd
b b cc b
cc
E
d ee b c b
–––– ad a
B
电磁感应定律 n T1
1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场( N→ S)；
2.设原动机( T1 )带动电枢线圈以 n 旋转； 3.线圈导体(有效边)切割磁场 在导体内将感应交流电势 e. (右手定则） 4.通过换向器与电刷 A B 输出直流电动势 E.
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
换向极
转子 （电枢）
气隙
主磁极
磁极数:主磁极的个数 磁极对数(P)=磁极数/2
定子的作用：产生主磁场及机械支撑
机座
换向绕组
— 起支撑作用; 作为部分磁路
换向极
定 子
主磁极 — 产生主磁通
换向极 — 产生附加磁场，改善换向
上输出直流电能；若从电刷上输入直流电能, 又可作为直流电动机，从轴上输出机械能。
(2) 换向器的作用：
将电机内部的交流电 外部的直流电。
三、电动势和电磁转矩
当电枢以转速n转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线， 产生感应电势；
当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩。
电势常数 结构常数
电枢绕组线圈
有效边
换向片
电枢线圈
转子结构图
电刷装置将电枢电路与外部电路连接起来
电 刷
换 向 器
电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹 簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面 形成滑动接触.
两极直流电机的磁路
空气隙
I ( 励磁电流 )
主磁极 电枢
励磁绕组
机座(磁轭)
磁路：当励磁绕组中通直流励磁电流时产生恒定主磁通 ,
E 和 Ia 反方向, 称为反电势
T 与 n 反方向， T 是制动转矩
T 与 n 同方向，T 是拖动转矩
T1 = T + T0 （稳态运行时）
T = T0 + TL （稳态运行时）
T0---电机空载损耗转矩(由摩擦引起的反抗转矩）
四. 直流电机的分类
----依据励磁绕组与电枢绕组的连接方式分类
(1) 他励方式
他励励磁绕组（T1T2）由外电源（Uf）供电，励 磁电流（If）不受电枢（H1H2）端电压（U ）的影响。
I
R'f Uf
T1
H1
Uf
U
T2
H2
R'f 原理电路图
(2) 并励方式
并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。U = Uf
I
B1 H1
R'f
Uf
B2
R'f
H2
原理电路图
Rf' ---调磁电阻，改变 Rf' ，即可调节 If
电刷 — 引入或引出直流电
励主 磁磁 绕极 组
转子的作用：产生感应电动势及电磁转矩.
电枢铁心
换向绕组
—其槽孔中放置电枢绕组
电枢绕组
转
— 产生感应电动势、电
子
磁转矩
换向器
— 与电刷一起，共同完成
直流电和交流电的转换
转轴 — 输入或输出机械功率
励 磁主 绕磁 组极
换向极
转转 轴子
电枢铁心硅钢片
电枢铁心 --- 由外圆开糟的硅钢片彼此 绝缘地叠成的.
bc f
nT B
d
ff
1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场 （ N→ S ）；
2.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 ia 流过。 3.载流的电枢导体将受到电磁力 f 的作用。 4.所有导体产生的电磁力作用于转子，产生电磁转矩 T 驱动转子以 n ( 转/分 )旋转，以便拖动机械负载。
直流发电机的工作原理演示
RL
E
+++
aada d
ddee
bbc c b
cc bc b
––– d aa
n T1
结论：
(1) 绕组中的感应电动势是交变的。---交流 (2) 电刷A、B间的电动势的极性是不变的。--直流 (3) 换向片的作用：将绕组中的交流电变换为电刷的直流电。
I +
E –
ia
e
f
T1 n T
在了解直流电动机的基本结构的基础上,着重掌握直流电 机的基本工作原理,特别应掌握转矩方程式、电势方程式 和电压平衡方程式；
掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性；
掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种 方法的优缺点和应用场所；
学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据,确定电动机启 动等运行特性。
重点:
掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性； 他励直流电动机的启动特性； 他励直流电动机的调压调速特性。
分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据：
电磁力定律、电磁感应定 律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
经主磁极铁心、空气隙、电枢铁心、磁轭（机座）形成的闭合 回路.
二、直流电机的基本工作原理
为了便于分析直流电机的工作原理,将电机简化为以下模型:
电刷
主磁极
换向片
电枢绕组
两极直流电机模型
磁极 N,S 不动; 线圈（绕组）旋转;换向片旋转; 电刷 A,B 不动 电枢旋转时,换向片与电刷滑动接触.
1.直流发电机的工作原理—基于电磁感应定律
(3) 串励方式
串励励磁绕组（C1C2）与电枢（H1H2）串联。Ia = If
C1
R'f
R'f Uf
H1
C2
H2
原理电路图
(4) 复励方式
复励方式有两个励磁绕组，其并励励磁绕组（B1B2） 与电枢（H1H2）并联。串励励磁绕组（C1C2）与电枢 （H1H2）串联。
(1)发电机旋转时，电枢绕组中将产生电源电动势 （e 与 ia 方向 相同）。
（2) 当发电机带负载 ( I ≠0 )后，电磁转矩 T 是制动转矩，和原 动机的力矩 T1 相平衡。
2. 直流电动机的工作原理—基于电磁力定律
电磁力定律
U
f fff adaad
ia b b cbc cc
aandd T
b f
E = Ke n T = Kt Ia
Kt = 9.55 Ke
每极主磁通 电枢电流
发电机和电动机均有电枢电势 E 、电磁转矩 T， 发电机
但性质却有很大不同。（见下表）
电动机
电机在发电状态和电动状态下, E 和 T 的作用
直流发电机
T1
T0
直流电动机
T
TL Biblioteka Baidu0
nT
n
E 和Ia 同方向，称为电源电动势
f ff f
ia
U
n
T
f
f
nT
ff
直流电动机的工作原理演示
UE
f c
d
an Te
b
ia f
nT
结论：
1) 电动机的电磁转矩 T 是驱动转矩。
2）电动机旋转时，电枢绕组中将产生反电动势（与ia反向）， 与电源电压U相平衡。
结论：
(1) 直流电机的可逆性： 若输入机械能, 可作为直流发电机 , 从电刷
RL
++++ aaadd
b b cc b
cc
E
d ee b c b
–––– ad a
B
电磁感应定律 n T1
1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场( N→ S)；
2.设原动机( T1 )带动电枢线圈以 n 旋转； 3.线圈导体(有效边)切割磁场 在导体内将感应交流电势 e. (右手定则） 4.通过换向器与电刷 A B 输出直流电动势 E.
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
换向极
转子 （电枢）
气隙
主磁极
磁极数:主磁极的个数 磁极对数(P)=磁极数/2
定子的作用：产生主磁场及机械支撑
机座
换向绕组
— 起支撑作用; 作为部分磁路
换向极
定 子
主磁极 — 产生主磁通
换向极 — 产生附加磁场，改善换向
上输出直流电能；若从电刷上输入直流电能, 又可作为直流电动机，从轴上输出机械能。
(2) 换向器的作用：
将电机内部的交流电 外部的直流电。
三、电动势和电磁转矩
当电枢以转速n转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线， 产生感应电势；
当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩。
电势常数 结构常数
电枢绕组线圈
有效边
换向片
电枢线圈
转子结构图
电刷装置将电枢电路与外部电路连接起来
电 刷
换 向 器
电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹 簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面 形成滑动接触.
两极直流电机的磁路
空气隙
I ( 励磁电流 )
主磁极 电枢
励磁绕组
机座(磁轭)
磁路：当励磁绕组中通直流励磁电流时产生恒定主磁通 ,
E 和 Ia 反方向, 称为反电势
T 与 n 反方向， T 是制动转矩
T 与 n 同方向，T 是拖动转矩
T1 = T + T0 （稳态运行时）
T = T0 + TL （稳态运行时）
T0---电机空载损耗转矩(由摩擦引起的反抗转矩）
四. 直流电机的分类
----依据励磁绕组与电枢绕组的连接方式分类
(1) 他励方式
他励励磁绕组（T1T2）由外电源（Uf）供电，励 磁电流（If）不受电枢（H1H2）端电压（U ）的影响。
I
R'f Uf
T1
H1
Uf
U
T2
H2
R'f 原理电路图
(2) 并励方式
并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。U = Uf
I
B1 H1
R'f
Uf
B2
R'f
H2
原理电路图
Rf' ---调磁电阻，改变 Rf' ，即可调节 If
电刷 — 引入或引出直流电
励主 磁磁 绕极 组
转子的作用：产生感应电动势及电磁转矩.
电枢铁心
换向绕组
—其槽孔中放置电枢绕组
电枢绕组
转
— 产生感应电动势、电
子
磁转矩
换向器
— 与电刷一起，共同完成
直流电和交流电的转换
转轴 — 输入或输出机械功率
励 磁主 绕磁 组极
换向极
转转 轴子
电枢铁心硅钢片
电枢铁心 --- 由外圆开糟的硅钢片彼此 绝缘地叠成的.
bc f
nT B
d
ff
1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场 （ N→ S ）；
2.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 ia 流过。 3.载流的电枢导体将受到电磁力 f 的作用。 4.所有导体产生的电磁力作用于转子，产生电磁转矩 T 驱动转子以 n ( 转/分 )旋转，以便拖动机械负载。
直流发电机的工作原理演示
RL
E
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n T1
结论：
(1) 绕组中的感应电动势是交变的。---交流 (2) 电刷A、B间的电动势的极性是不变的。--直流 (3) 换向片的作用：将绕组中的交流电变换为电刷的直流电。
I +
E –
ia
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f
T1 n T