第二章 直流电机
第2章直流电动机
Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1N )U N IN
Q Ia IN
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.1 他励直流电动机的机械特性
4．机械特性的绘制
1）固有机械特性的绘制
(2) 求 KeN
额定运行条件Ra 下的反电势为：
EN
求出电枢电阻Ra 、KeφN 后，各种人为机械特性的绘制也就容易了。
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.2 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路原理图如图2-19（a）所示，其最大特
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。当线 圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的 方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转。
机电传动与控制
ej Bjlv
第二章 直流电动机
2.2 直流电动机的的工作原理
2．直流电动机的感应电动势和电磁转矩
2.3 直流电动机的额定参数
4．额定转速nN 额定转速是指在额定电压、额定电流和输出额定功率的情
况下运行时，直流电动机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。 5．额定励磁电流IfN
额定励磁电流指直流电动机在额定状态时的励磁电流值， 单位为A（安培）。 6．额定励磁电压UfN
额定励磁电压指直流电动机在额定情况下工作时，励磁绕 组所加的电压，单位为V（伏） 7. 额定转矩
电机学第二章直流电机
y
y1
y2
y= -1 图2.19 单叠绕组 (左行)
各种形式直流电机绕组的区别主要表现在合成节矩 上，其公式为：
叠绕组：y = y1 - y2 单叠右行：y = + 1 单叠左行：y = - 1 因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。 波绕组：y = y1 ＋ y2
2.2.2 单叠绕组
一台4极16槽直流电机，换向片数K=16； 电枢绕组的元件数S=16；(z=zi=s=k)试画 出整距右行单叠绕组展开图。
不同的励磁方式， 电机的性能将不同。
励磁方式：
直流电机产生磁场的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，就决定了它是什么样的励磁方式。
二、励磁方式分类
他励式 并励式
自励式 串励式
复励式
(1)、他励：直流电机的励 + 磁电流由其它直流电源单独 供给。如图所示。
他励直流发电机的电枢 电流和负载电流相同，即：
(3)直流电动机的工作原理
（1）、换流b过程
c a
dS
b a
c d
电流正方向：dcba 转矩方向：顺时针 电势方向：abcd
电流正方向：abcd 电流正方向转：矩d方cb向a ：顺时针
转矩方向电：势方向：dcba 电势方向：
c
d
b
a
图2.5 直流电动机工作原理
直流电动机工作原理：
1.电源经电刷接通电枢绕组，电枢导体有电流流 过。
三.直流电机的特点
直流电机是电机的主要类型之一。直流电机 自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又 有着缺点。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!
纪真 电机学 讲义
纪真电机学讲义全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：纪真电机学讲义第一章电机原理概述电机是将电能转换为机械能的设备，是现代工业中不可或缺的重要组成部分。
电机的基本原理是根据安培法则和洛伦兹力定律，利用导体在磁场中受到力的作用，从而实现电能向机械能的转换。
电机的工作原理十分复杂，涉及电磁理论、力学、热力学等多个领域的知识。
本章将介绍电机的分类、工作原理以及电机在现代社会中的应用。
第二章直流电机直流电机是最早被发明和广泛应用的电机类型之一。
它由定子、转子、电刷和换相器等部分组成，利用直流电流在磁场中的作用力来实现机械转动。
直流电机具有结构简单、运行可靠、速度调节范围广等优点，在工业生产、家用电器等领域都有着广泛的应用。
本章将详细介绍直流电机的结构、工作原理及控制方法。
除了直流电机和交流电机，还有一些特种电机用于特定的工作场景。
例如步进电机用于精确位置控制，无刷电机用于高速运动，线性电机用于直线运动等。
这些特种电机在航天航空、精密仪器、医疗器械等领域都有着重要的应用。
本章将介绍几种特殊电机的结构、工作原理以及应用领域。
第五章电机控制与调速电机控制是电机应用中的一个重要环节，可以通过改变电机的电流、电压、频率等参数来实现对电机的控制。
电机调速是电机控制的一种重要方式，可以根据需要调整电机的转速和功率输出。
现代电机控制技术包括直流调速、变频调速、矢量控制等多种方法，能够实现电机的高效、精准控制。
本章将介绍电机控制技术的发展历程以及各种调速方法的原理和应用。
第六章电机故障诊断与维护电机在长期运行过程中可能会出现各种故障，如温升过高、轴承损坏、绝缘老化等。
及时发现并排除电机故障对于延长电机寿命、保证生产运行具有重要意义。
电机故障诊断是电机维护的重要内容，可以通过振动分析、红外热像仪、超声波检测等工具和方法来对电机进行检测。
本章将介绍电机故障的常见原因、诊断方法以及维护保养的技巧。
能源消耗是现代社会面临的一个严重问题，提高电机的能源利用效率对于节约能源、减少环境污染具有重要意义。
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
第2章直流电机习题解答
第二章 直流电机的电力拖动2-1 一台他励直流电动机的额定数据为： N P =54 kW ，N U =220 V ，N I =270 A ， N n =1150 r /min 。
估算额定运行时的aN E ，再计算N e C Φ、N T 、0n ，最后画出固有机械特性。
解： 估算额定运行时的 V 20922095.095.0=⨯==N aN U Emin)/r /(V 182.01150209===ΦN aN N e n E C N.m 29.469270182.055.955.9=⨯⨯=Φ=Φ=N N e N N T N I C I C Tr/min 1209182.02200==Φ=N e N C U n 在n -T 直角坐标系中过点A （1209，0）和点B （1150，469.29）作直线，该直线就是他励直流电动机的固有机械特性，如题2-1图所示。
2-2 一台他励直流电动机的额定数据为：N P =7.5 kW ，N U = 220 V ，N I =40 A ，N n =1 000 r /min ，a R =0.5 Ω。
拖动L T =0. 5N T 恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大?解： V 200405.0220=⨯-=-=Φ=N a N N N e aN I R U n C En /(r/min)1209 1150 T/N.m469.29 题2-1图1V/r.min 2.01000200-===ΦN aN N e n E C r/min 11002.02200==Φ=N e N C U n 由a N T I C T Φ=可知，当L T =0.5N T 时，A 20405.05.0=⨯==N a I Ir/min 10505011002.0205.0110000=-=⨯-=Φ-=∆-=a N e a I C R n n n n2-3 写出题2-3图所示各种情况下系统的运动方程，并说明系统的运行状态。
《电机学》(华中科大出版社,辜承林,第二版)课后答案
第二章 直流电机 2．1 为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？换向器与电刷共同把电枢导体中的交流电流，“换向”成直流电，如果没有换向器，电机不能发出直流电。
2．2 试判断下列情况下，电刷两端电压性质 （1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转； （2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。
(1)交流 ∵电刷与电枢间相对静止，∴电刷两端的电压性质与电枢的相同。
（2）直流 电刷与磁极相对静止，∴电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不动，磁场方向不变 ∴是直流。
2．3 在直流发电机中，为了把交流电动势转变成直流电压而采用了换向器装置；但在直流电动机中，加在电刷两端的电压已是直流电压，那么换向器有什么呢？ 直流电动机中，换向法把电刷两端的直流电压转换为电枢内的交流电，以使电枢无论旋转到N 极下，还是S 极下，都能产生同一方向的电磁转矩 2．4 直流电机结构的主要部件有哪几个？它们是用什么材料制成的，为什么？这些部件的功能是什么？有7个 主磁极 换向极， 机座 电刷 电枢铁心，电枢绕组，换向器 见备课笔记2．5 从原理上看，直流电机电枢绕组可以只有一个线圈做成，单实际的直流电机用很多线圈串联组成，为什么？是不是线圈愈多愈好？一个线圈产生的直流脉动太大，且感应电势或电磁力太小，线圈愈多，脉动愈小，但线圈也不能太多，因为电枢铁心表面不能开太多的槽，∴线圈太多，无处嵌放。
2．6 何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通的大小与哪些因素有关？主磁通： 从主极铁心经气隙，电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子绕组磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢中感应电动势，实现机电能量转换。
漏磁通： 有一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气隙钉子磁轭闭合，不参与机电能量转换，δΦ与饱和系数有关。
2．7 什么是直流电机的磁化曲线？为什么电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近？磁化曲线：00()f F Φ= 0Φ-主磁通，0F 励磁磁动势设计在低于“膝点”，则没有充分利用铁磁材料，即 同样的磁势产生较小的磁通0Φ，如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的0F ，若磁通0Φ基本不变了，而我的需要是0Φ（根据E 和m T 公式）选在膝点附近好处：①材料利用较充分②可调性好③稳定性较好。
电机与拖动教案——第二章 直流电机
第二章直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理（一）直流电机的构成（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）气隙**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2）特点：e=BLV；a、电枢绕组中电动势是交流电动势b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2）特点：f=BiLa、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。
c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n同向）**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。
3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成（二）直流电机的基本结构1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3.电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4.电枢绕组——电路。
电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）5.换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）（三）励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。
电机学(第三版)第二章 直流电机
P EI a em
机械输入功率
P P pmec pFe p来自d P p0 1 em em
P P2 pCua pCuf pmec pFe pad 1 P2 pCu p0 P2 p
I
电压变化率
U U N U 0 100% U0
4.调节特性: n=常数、U=常 数时，If=f(I)
直流电机总体结构
长沙理工大学电气工程学院
主磁极
长沙理工大学电气工程学院
换向极
长沙理工大学电气工程学院
机 座
长沙理工大学电气工程学院
电枢铁芯及绕组
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽中的绝缘情况
长沙理工大学电气工程学院
换向器
长沙理工大学电气工程学院
电刷装臵
长沙理工大学电气工程学院
直流电机的额定值
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽内的放臵
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组的连接
长沙理工大学电气工程学院
D a 2 p或 Z i 2 p
Z 整数 y 2p
i 1
y y 叠绕组 y 0
1 2 2
y
波绕组的 y 0
2
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组－展开图
Bavl
（1）
n （ 5） v 2 p 60
故式（2）最终可改写为
（4 ）
E
令
Na / 2 a
k 1
ek lv
Na / 2 a
k 1
B ( x)
（ 2）
pN a E n C E n 60a
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第三节 直流电机的绕组
◆对绕组的要求: 在能够通过规定的电流和产生足 够的电动势的前提下, 尽可能节省铜和绝缘材料, 并 且结构简单、运行可靠。
一、简单的绕组
结构: 1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈.
(均匀分布，每两个相邻线圈隔45°)
缺点: 随着电枢的转动, 始终只有一个线圈有电流. 材料没有充分利用, 产生的总转矩或电势均 很小。
的交变电流； ②直流发电机中, 将绕组内的交变电动势转换为电
枢端上的直流电动势。 ◆ 换向器由许多换向片组成; 换向片间用云母绝缘
20
1—换向片 2—连接片
换向器
21
第二节 直流电机的铭牌数据 ◆额定值: 铭牌上的数据是额定值
额定值是电机制造厂按国家标准要求, 对电机的一 些电量或机械量规定的数值. ◆额定工况: 电机运行时, 电量和机械量符合额定值, 则电机运行情况为额定工况; 在额定工况下, 可以 保证电机可靠地正常工作,并具有优良的性能。
◆组成：
直流电 机结构
定子: 主磁极, 换向极, 机座, 电刷(产生磁场) 转子: 电枢铁心和绕组, 换向器, 轴, 风扇
(产生电磁转矩和感应电动势)
12
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
直流电机的剖面图
13
直流电机横向剖面图
6
电动机的电磁关系
7
(二) 直流发电机的工作原理
直流发电机的工作原理
8
直流发电机工作原理：把电枢线圈中感应产生的交 变电动势，靠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。 在直流发电机中, 换向器和电刷的共同作用： ①将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势 ②把转动的电路与外面不转的电路联接。
第二章 直流电机
1
第一节 直流电机的工作原理及结构 一、直流电机的工作原理
直流电动机 (电能机械能) 直流电机
直流发电机 (机械能电能)
(一) 直流电动机的工作原理
直流电动机的理论基础：安培定律(左手定则)
F = Bil (N)
B---磁场的磁感应强度(Wb/m2)
i---导体中的电流 (A)
l---导体的有效长度 (m)
14
(一) 直流电机的静止部分
1. 主磁极 ◆ 在大中型直流电机中, 主磁极为电磁铁。 ◆ 铁心: 1~1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成 ◆ 绕组套在铁心外边 ◆ 相邻磁极的极性呈N极和S极交替排列
2. 换向极(附加极或间极)
◆ 装在两主磁极之间, 作用是改善换向 ◆ 由铁心和绕组构成
◆ 换向极绕组和电枢绕组串联
(3)极距：
每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长. 相邻两个
主磁极轴线之间的距离称作极距, 记作τ, 一般用槽
数表示, 即有： τ = Q/2p
Q---电枢总槽数 p---主磁极极对数 36
18
(二) 直流电机的转动部分 1. 电枢铁心 ◆ 用处: ①主磁路的主要部分
②嵌放电枢绕组 ◆ 为减少铁耗, 铁心用0.5mm厚的硅钢片的冲片
叠压而成
19
2. 电枢绕组 ◆ 直流电机的主要电路部分, 是通过电流和感应产
生电动势以实现机电能量转换的关键部件。
3. 换向器 ◆ 作用： ①直流电动机中, 将电刷上的直流电流换为绕组内
2
左手定则
3
电流不换向时的电磁转矩
线圈边中电流不改变方向，则平均 Tem = 0
4
有换向刷时的情况
5
电动机运行时特点： 通过换向片的作用, 使线圈中通过的电流在某一磁 极下方向总是固定的, 因此在该磁极下受力方向总 是固定的, 线圈沿一个方向旋转。 1)外施电压, 电流是直流, 电枢线圈内电流为交流； 2)线圈中感应电势与电流方向相反； 3)线圈是旋转的，电枢电流是交变的； 4)产生的电磁转矩T与转子转向相同, 是驱动性质。
22
直流电机的铭牌数据
23
◆ 额定值包括： ①额定电压UN(V) 发电机的UN：指输出电压的额定值。 电动机的UN：指输入电压的额定值。 ②额定电流IN (A) 发电机的IN：指输出电流的额定值。 电动机的IN：指输入电流的额定值。
24
③额定功率PN (kW) 发电机的PN: 指输出电功率的额定值。 PN=UN× IN 电动机的PN: 指输出机械功率的额定值。PN=UN× IN× η
F
F 转过90度后展开图
33
转过45度后展开图
34
规律： ①同一磁极下的线圈电流方向总是一样的流向 ②一个线圈中的两边电流方向相反 ③任一线圈的两个有效边距离相等
35
绕组的基本概念
(1)元件： 是构成电枢绕组的基本单元, 其两端是分别与两片 换向片相连的单匝或多匝线圈。
(2)有效边： 切割磁场的边。
27
各线圈互不连接的多线圈装置
28
解决方法: 用换向片将4个线圈都连接起来，成为一 个闭合绕组。 连接方法: 线圈边嵌放在均匀分布的电枢槽内, 每个 线圈的两个边连在两个相邻的换向片上, 相邻线圈的 首端和末端焊在同一个换向片上, 使所有线圈通过换 向片连成一个整体。
29
30
31
F F
32
9
发电机的电磁关系
10
一台直流电机 作为电动机—在直流电机的两电刷端上加上直流电 压, 电枢旋转, 拖动生产机械旋转, 输出机械能； 作为发动机—用原动机拖动直流电机的电枢，电刷 端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。
Hale Waihona Puke 11二、直流电机的结构◆实现能量交换的条件: 电路和磁场之间必须有相对 运动。
15
主磁极
换向极
16
3. 机座 ◆ 由铸钢或厚钢板焊成 ◆ 用处: ①固定主磁极, 换向极和端盖;
②作为磁路的一部分 磁轭: 机座中有磁通经过的部分
17
4. 电刷装置 ◆ 作用: 把直流电压、直流电流引入或引出 ◆ 组成: 电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫 ◆ 电刷由石墨制成
1—刷握 2—电刷 3—压紧弹簧 4—铜丝辫
④额定转速nN (r/min)
⑤额定励磁电压UfN(V) ⑥额定励磁电流IfN(A) ⑦电动机轴上输出的额定转矩T2N
T2 N
PN N
PN
2 nN / 60
9.55 PN nN
额定状态：指 U、I、P、n 均为额定值的状态。
25
[例]一台Z2型直流发电机，UN =230V，nN =1450r/min，PN = 145kW, ηN＝90％, 求该发电机的额定电流和额定输入功率