直流电机的工作原理原理结构及额定值
直流电机工作原理、结构、励磁方式、额定值
直流电机的工作原理和结构直流电机是本课程学习的最后一种机种，在前面讲述变压器、异步电机、同步电机的过程中，我们不断地采用了归纳、类比、找出异同点的讲授方法，是希望大家通过这样的学习，能逐步训练自己掌握一种善于不断归纳、总结；善于采用类比、比较、找出异同点的学习方法，这种分析问题、解决问题的方法不但对学习电机、对学习其他课程、甚至对将来参加工作都是十分有用的，这是一种良好的学习、工作、生活方法和习惯。
在学习直流电机过程中，我们继续尝试采用这样的方法。
直流电机分直流发电机和直流电动机，其中：直流发电机是把机械能转变为直流电能、直流电动机是把直流电能转变为机械能。
与前面介绍过的各种电机比较，它们各有异同之处：1.由于发电机都是把机械能转变为电能，因此机械转矩都是驱动转矩、电磁转矩都是制动转矩，因此直流发电机的转矩平衡方程式将与交流（同步）发电机相同，均为：T 1＝T +T 0；所对应的功率平衡方程式也将相同：P 1＝P M ＋P 0；其中：T 1＝119550P P n =Ω；T ＝9550M M P P n =Ω； T 0＝009550p p n=Ω；n 是转子转速，对同步机n ＝n 1。
相异的只是P M 的表达式有所不同。
同理，由于电动机都是把电能转变为机械能，因此电磁转矩都是驱动转矩、机械转矩都是制动转矩，因此直流电动机的转矩平衡方程式应与异步电动机、同步电动机相同，均为：T ＝T 2+T 0；其中：T 2＝229550P P n =Ω；T 0＝009550p p n =Ω；n 是转子转速；T ＝119550M M P P n =Ω，n 1是转子旋转磁场的转速，对直流机和同步机也是转子转速，相异的同样是三种机种的P M 表达式各有区别。
比如：已学过的异步机P M ＝''2223r I s ；隐极同步机P M ＝3 U 1 I 1cos φ＝3；而直流电动机的将为：P M ＝E a I a 。
直流发电机的工作原理及结构
直流发电机的工作原理及结构电机的可逆运行原理两个定理与两个定则1、电磁感应定理在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直，则作用导体中感应的电势大小为： e = B- l • v符号物理量单位B磁场的磁感应强度Wb/m2 v导体运动速度米/秒I导体有效长度me感应电势V电势的方向用右手定则2.电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直（见下图），作用在导体上的电磁力大小为： f = B • I • i单位符号物理量Ai导体中的电流mI导体有效长度Nf电磁力力的方向用左手定则（一）直流发电机的工作原理1.直流发电机的原理模型图1 1 B 直猱友电机工作炽理2•发电机工作原理團直猱我电机工作原建a、直流电势产生用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边a b和c d分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势直流发电机的工作原理就是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因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势。
所以电刷A始终有正极性，同样道理，电刷B始终有负极性。
所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势b、结论线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷AB端的电动势却是直流电动势。
直流发电机［浏览次数：约145次］*直流发电机是一种把机械能转换为直流电输岀的电机，流电动机具有良好的起动性能和调速性能，因此广泛应用于要求调速平滑，调速范围广等对调速要求较高的电气传动系统中，如电力机车、无轨电车、轧钢机起重设备等。
目录*直流发电机的结构*直流发电机的部件功能・直流发电机的工作原理*直流发电机的额定值直流发电机的结构直流电机I區I的结构可分为静止和转动两部分，静止部分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）图1与图2分别为直流电机的纵剖面示意图和横剖面示意图。
直流电机的结构和控制原理
直流电机的结构和控制原理参考资料：/s/blog_71facf000100pyy4.html一、直流电机的结构和控制原理1、直流电机的工作原理概述：在电力拖动领域，随着变频器的出现形成交流调速技术的日渐成熟和低成本化，在不断侵蚀着直流调速的“地盘”，但直到今天，直流调速仍固守着日渐缩小的“阵地”。
直流电机具有调速性能好、调速方便平滑，调速装置简单、调范围广等特点，能承受频繁冲击负载、过载能力强（由变频器和交流电机构成的交流调速系统，还有一定差距），能实现频繁速启、制动及逆向旋转，能满足各种机械负载的特性要求。
直流电机的最大缺点，是因碳刷换向器的滑动电接触方式和整体结构交流电动机更为复杂等原因造成的维护工作量较大，需定期更换碳刷等。
二、直流电机的结构比交流电动机复杂得多，主要由：1）主磁极。
由主磁极铁芯及套装在铁芯上的励磁线圈构成，作用是建立主磁场；2）机座。
为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚钢板或铸钢件构成；3）电枢铁芯。
为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分，由硅钢片叠压而成；4）电枢绕组。
直流电机的电路部分，由绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成；5）换向器。
由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒、片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。
用作直流发电机时，称整流子，起整流作用；用于直流电动机时，用于（逆变）换向；6）电刷装置。
由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出（或引入）装置。
7）换向极。
由铁芯和绕组构成，起改善换向，气隙磁场匀称等作用。
直流电机是将电源电能转变为轴上输出的机械能的电磁转换装置。
由定子绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场，主电路引入直流电源，经碳刷（电刷）传给换向器，再经换向器将此直流电转化为交流电，引入电枢绕组，产生电枢电流（电枢磁场），电枢磁场与励磁磁场合成气隙磁场，电枢绕组切割合成气隙磁场，产生电磁转矩。
这是直流电机的基本工作原理。
上图为简单的两极直流电机模型，由主磁极（励磁线圈）、电枢（电枢线圈）、电刷和换向片等组成。
电机及拖动基础_(第四版)
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
右图只是说明原理的示意图。它的缺 点是：随着电枢的转动，始终只有一个 线圈有电流。这样的话，材料没有充分 利用，产生的总转矩或电势均很小。 解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接 起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元 件边连接一个换向片。每个元件的两个元 件边连接2个不同的换向片。共用了4个换 向片，节省了材料，提高了输出转矩。
电枢反应后磁动势波形
1、有负载时气隙磁场发生了畸变 2、电枢反应呈现去磁作用
27
第五节 感应电动势和电磁转矩的计算
一、感应电动势的计算
直流电机无论作电动机运行，还是发 电机运行，电枢内部都感应产生电动势。
t 60 2 pn 2 pn 60
式中，n—电枢的转速；p—极对数。 根据电磁感应定律，一个匝数为 N y 的元件 中感应电动势的平均值为：
励磁方式
指直流电机的励磁线圈与电枢线 圈的连接方式 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、 出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状 态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额 定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载 运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态 附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
6—槽底绝缘
电枢槽内的绝缘
1—换向片
2—连接片
8
第二节 直、额定功率PN(kW)
2、额定电压UN(V) 3、额定电流IN(A) 4、额定转速nN(r/min) 5、额定励磁电压UfN(V)
直流电机
1.1.1直流电机的主要结构：直流电机由静止的部分定子和旋转的部分转子两大部分构成：1、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。
1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。
整个磁极用螺钉固定在机座上。
主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.2）、换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。
换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。
3）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。
因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。
机座通常用铸钢或厚钢板焊成。
4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。
2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。
1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。
2）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。
2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。
1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
1.1.2 直流电机的工作原理：1、直流发电机的工作原理：如图所示：从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。
电机拖动总复习
②移动电刷位置：其原理是利用主磁极对换向元件感应的电势 来改善换向，这里的关键是电刷移动的方向
发电机：顺转向移动一个小角度； 电动机；逆转向移动一个小角度。
1、直流电机的电枢导体里流过的是直流电流还是交流电流?
答；直流电机电枢导体里流过的是交流电流, 其频率f=np/60 Hz，其 中P为电机的极对数, n为转子转速, 单位为r／min, 通过换向器和电刷 引出来的电流才是直流电.
答：由于电枢电动势和转速成正比，因此，如果把他励发电机转速升 高20％，则其电枢电动势就升高20％。而空载端电压等于电枢电动势， 因此它也就升高20％。 在并励发电机个，空载端电压也随转速的升高而升高，端电压 升高引起励磁电流增大，使电枢电动势和空载端电压进一步升 高．所以，并励发电机电压升高得比他励发电机的大．
电机的效率公式中，P1泛指输入功率，P2泛指输出功率。 P2 P1 · 电动机轴上输出的额定转矩
T2 N PN PN PN (W ) PN (kW ) 9.55 9.55 2n N N nN nN 60 ( N m)
4. 电枢绕组 电枢绕组一般装在直流电机的转子上。有叠绕组(单叠、复 叠)、波绕组(单波、复波)和混合绕组。最基本的是单叠绕组、 单波绕组。 各种绕组的规律常用绕组展开图来表示。 (二) 直流电机的磁场分析 1. 励磁方式 直流电机绕组，一般包括定子磁极上的励磁绕组和转子上 的电枢绕组。两个绕组的不同连接方式，决定直流电机的励磁 方式。励磁方式有两大类四种：他励方式；自励方式—并励、 串励、复励。 不同励磁方式电机的运行特性也不同。特别是并励电机的 电流关系： (1) 对直流电动机 I a I I f (2) 对直流发电机 I a I I f I a、I、I f 分别为电枢电流、负载电流和励磁电流。
直流电机工作原理
2IN
启动转矩：
Rad
UN 2I N
Ra
0.99
Ts't
K
t
I
' st
9.55
Ke
N
I
' st
9.55 U N
I N Ra nN
I
' st
9.55
220
91 0.22 1500
2 IN
231 N
m
注意：
Tst
I st IN
TN
26
3.4 直流他励电动机的启动特性
（4）降压启动时的电源电压：
21
3.4 直流他励电动机的启动特性
1. 降压启动： U＜UN→n↑、E↑→↑U→U=UN、n=nN
2.电枢回路内串接外加电阻启动： 满足启动要求：Ist=UN/（Ra+Rst） Rst （3-4级）
T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决 定：
T1=（1.6-2）TN T2=（1.1-1.2）TN 22
3.4 直流他励电动机的启动特性
23
3.4 直流他励电动机的启动特性
例题：一台他励直流电动机，其额定数据为： PN=17kW，UN=220V，IN=91A， nN=1500r/min, Ra=0.22Ω。试求：
（1） TN=？ （2）直接启动时的Ist=？ （3）如果要使启动电流不超过额定电流的两 倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩为多少？ （4）如果采用降压启动，启动电流不超过额 定电流的两倍，电源电压应为多少？
13
解： 因他励电动机的n=f（T）是一条直线，
故只要求出：（0，n0）、（TN，nN ）两点 即可。
n0
UN Ke N
直流电机的用途、原理及结构
f
-
n
+
f
2.直流发电机的基本工作原理 直流发电机的基本工作原理
2、直流发电机的基本工作原理
产生磁场：（N 产生磁场：（N、S极） ：（ 运动导线ab、cd切割磁场 运动导线ab、cd切割磁场 ab 线圈感应电动势——交变 线圈感应电动势——交变 ——
基于电磁感应原理：右手定则 基于电磁感应原理：
又增加了维护工作量
直流电动机应用于对起动和调速性能要求较 直流电动机应用于对起动和调速性能要求较 的生产机械，例如电力机车、轧钢机、 高的生产机械，例如电力机车、轧钢机、大 型机床、矿井卷扬机、船舶机械、 型机床、矿井卷扬机、船舶机械、造纸和纺 织机械等都广泛采用直流电动机作为原动机。 织机械等都广泛采用直流电动机作为原动机。 直流发电机主要用作直流电源， 直流发电机主要用作直流电源，为直流电动 电解、电镀等提供所需的直流电能。 机、电解、电镀等提供所需的直流电能。
3、直流电机的可逆原理 一台直流电机，原则上既可以做直流电动 一台直流电机， 机运行，又可以做直流发电机运行， 机运行，又可以做直流发电机运行，这叫做 可逆原理。 直流电机的可逆原理 直流电机的可逆原理。 电机的实际运行方式由外施条件决定： 电机的实际运行方式由外施条件决定： 如果电机转子输入机械能， 如果电机转子输入机械能，而电枢绕 组输出电能，电机作为发电机运行； 组输出电能，电机作为发电机运行； 如果在电枢绕组中输入电能， 如果在电枢绕组中输入电能，转子输出 机械能，则电机作为电动机运行。 机械能，则电机作为电动机运行。
主极极靴和电枢间 的间隙。不均匀。 的间隙。不均匀。
4
额定值和主要系列 所谓系列电机就是在应用范围、 所谓系列电机就是在应用范围、结构形 系列电机就是在应用范围
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5. 额定励磁电压 UfN 6. 额定励磁电流 IfN ※ 额定状态 ：
指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 ※ 满载状态 ：
指 I = IN 的状态。
31
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1.4 直流电枢绕组
电枢绕组有两个作用，一是产生感应电动势，二是 产生电磁转矩，是进行机电能量转换的重要部分。
装固定而成。
主磁极上有励磁绕组。主磁极个数一定是偶数，励
磁绕组的连接必须使相邻主磁极的极性按 N、S 交
替出现。
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直流电机的换向极和电刷
换向极绕组 换向极铁心
铜丝辫 压紧弹簧 电刷
刷握
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刷辫 电刷 刷握 汇流条
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二、转子（电枢）
(1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组
(2) 换向极
(3) 电刷
绝缘 框架
(4) 机座 励磁 (5) 端盖 绕组
(6) 轴承等
螺栓 电枢铁心
机座
换向极 主磁极 主磁极铁心
主磁极
机座
直流电机的定子
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励磁绕组和串换向 极后的电枢绕组出 线
定子机座 换向极铁心
换向极绕组 主磁极铁心
主磁极绕组 （励磁绕组）
直流电机定子
换向极绕组与 励磁的串联接 线
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直流电机结构图
电枢绕组 电枢铁心 换向器
电刷装置
磁轭
主磁极
励磁绕组 风扇 轴承 轴
端盖
换向极绕组 换向极
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端盖
直流电机横向剖面图
电枢槽
电枢齿 极靴
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主极铁心 励磁绕组 定子磁轭 换向极
换向极绕组 电枢导体 电枢铁心 底脚
一、 定子
(1) 主磁极
构成原则
在一定的导体数下，能够产生尽可能大的感 应电动势，承担足够大的电流、电磁转矩和 电磁功率；
在承担一定的电流、电磁转矩和电磁功率情 况下，导体数尽可能少；
结构简单，运行可靠，便于维护、检修。
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一、绕组的基本概念
单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、
复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。
2
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直流电机的用途
作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能。
3
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直流电机的用途
作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能。
4
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直流电机的用途
测速 伺服
信号传递-直流伺服电动机将控制电信号转换为 机械信号。
信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电 信号。
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
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。
3. 额定功率 PN
发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值(UN INηN ) 。
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换向器和电刷的几点说明： 作用：（1）换向器在直流发电机中起整流作用。 （2）换向器在直流电动机中起逆变作用。
换向器和电刷直电流电机特有的。
缺点：存在换向问题（火花，电磁干扰等）。
解决途径：无刷化---无刷直流电机。
29
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1.3 直流电机的额定值
1. 额定电压 UN
(3) 换向器 (4) 转轴与风扇
直流电机的转子
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端盖 轴
电枢铁心
电枢绕组 和槽碶
电枢绕组 端部
换向器
轴承
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直流电机的电枢绕组
均匀开槽
直流电枢的铁心模型
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涂绝缘漆冲 片叠压而成
电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚)
（硅钢片）
直流电机的换向器
N
－ U ＋S
线圈边中电流不改变方向，则平均 Te = 0。
9
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电刷
N
＋
U
－
S
换向片
N ＋
U
－
S
线圈边切割磁力线会产生什么？
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电磁关系
直流 电流
换向
交流 电流
克服
电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
反电 做功 动势
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二、直流发电机的工作原理
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直流电机的主磁极
作用：建立主磁场。由主磁极铁心和套装在铁心 上的励磁绕组构成。
21
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主磁极铁心靠近转子一端扩大的部分称为极靴，作 用是减小气隙磁阻，改善主磁极磁场分布，并使励 磁绕组易固定。
为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主
磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠
第1章 直流电机的工作原理、结构及额定值
1.1 直流电机的工作原理 1.2 直流电机的结构 1.3 直流电机的额定值 1.4 电枢绕组
1
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概述
直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电 机即可作发电机使用，也可作电动机使用。
作发电机可获得直流电源，作电动机，具有良 好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合， 得到广泛使用。
1. 元件 是构成电枢绕组的基本
上元件边 后端接
单元，其两端分别与两
片换向片相连的单匝或
多匝线圈。
前端接
下元件边
电枢绕组的元件
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实际中，为了使元件的端接平整地排列，每个槽中 的元件边分上下两层叠放。
N －
E
＋
S
N －
E
＋
S
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电磁关系
原动机
做功
感应电动 势和电流
电磁转矩 (阻转矩)
换向
输出 直流电
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气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形
b
N
A0XFra bibliotekA2t
3
+
eXA
0
e
π
－
0
t
X×
e
S
0
t
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每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形
5
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直流电机的优缺点
优点 调速范围宽广、平滑、经济； 过载、起动、制动转矩大。
缺点 结构复杂、成本高； 可靠性较差。
6
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更多的直流电机
7
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直流电机的物理模型
8
第8页/共46页
1.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
N
＋ U －S
e
0
2
3 t
15
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1.2 直流电机的结构
主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向极：改善换向 定子 电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换
机座和端盖：起支撑和固定作用 轴承
转子
电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组 电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。 换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换 转轴