第2章直流电机详解
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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
第2章 直流电机
第二章直流电机内容提要一、直流电机的工作原理1、皮—萨电磁定律f=其方向用左手定则确定。
Bil2、直流电机电枢绕组内电流是交变的，直流电机具有可逆性。
二、直流电机的绕组1、绕组的基本形式：单迭绕组和单波绕组。
2、单迭绕组的特点a=a为支路对数，p为磁极对数。
p3、单波绕组的特点=a a为支路对数，即单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总等于1。
1三、直流电机的励磁方式1、直流电机的励磁方式：分为他励、并励、串励和复励。
2、他励直流电机他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无联结关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电机，励磁电流与电枢电流无关。
3、串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，电机的电枢电流与励磁电流相等。
4、并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是电枢两端的电压。
5、复励直流电机复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联(称为并励绕组)，然后再和另一个励磁绕组串联(称为串励绕组)。
也可以一个励磁绕组与电枢绕组串联后，再和另一个励磁绕组并联。
四、直流电机的磁场和电枢反应1、直流电机的主磁路分为五段：定子、转子之间的气隙；电枢齿；电枢磁轭；主磁路和定子磁轭。
2、直流电机的空载磁场空载时，气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁动势建立。
电机磁路中磁通数值不大时，磁动势随磁通成正比例地增加；当磁通达到一定数值后，磁动势的增加比磁通增加得快，磁化曲线呈饱和特性。
3、直流电机负载时的磁场及电枢反应(1)负载时气隙磁场发生了畸变；(2)呈去磁作用；五、并励直流电动机的基本方程感应电动势 n C E e a ϕ=电磁转矩 a T em I C T ϕ=转矩方程 02T T T em +=电动势平衡方程 a a a R I E U +=功率平衡方程 N N N N I U P η= n T T I E p em em a a em 602π=Ω== N Fe c m ec Cuf Cua P p p p p p P +++++=1六、直流电动机的工作特性1、并励直流电动机的工作特性(1)转速特性 当fN f N I I U U ==,时，()a I f n =的关系曲线。
直流电机工作原理
直流电机工作原理第二章直流电机2．1 概述2.1.1 直流电机的工作原理首先，复习e=Bδlv 公式，说明e 正比于B δ。
结合图2.1解释v=2πRn/60 （m/s， n (r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn /60 ( r/s); 电角速度ω=pΩ=p2πn/60(rad/s) （记下来）；导体或线圈。
将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。
包括：N 、S 磁极和A 、B 电刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。
将其抽象成一个平面图。
假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。
得气隙磁密在空间得分布曲线B δ(θ) (0≤θ=ωt ≤2π) 。
进而得到导体电势e(ωt) 和线圈电势e AB (ωt) 。
经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势。
工作原理：（1）发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止的电刷把同一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出。
（发电机惯例）（2）电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电流方向不变，导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。
结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。
（2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电（3）从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行，是可逆的。
（4）电动机惯例发电机惯例u Motor uGenerator2．1．2 直流电机的主要结构部件定子——起机械支撑，产生磁场的作用机座、端盖、电刷、轴承直流电机结构气隙——耦合磁场转子——产生电磁转矩、产生感应电势电枢铁心和电枢绕组换向器、转轴、风扇 2．1．3 直流电机的额定值额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。
此时亦称电机满载运行。
否则为欠载或过载额定功率：指输出功率W, kW。
电机学(刘颖慧)课件第2章直流电机基本理论
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
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第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
电机学 Electric machinery
2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
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第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
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2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
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电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
直流电动机的原理及特性
直流电机
定子
机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器
转子
电枢绕组 轴承
风扇 转轴
2.1.2 直流电动机的励磁方式 定义：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。
1.他励式
若励磁绕组不与电枢 绕组联接，励磁绕组单独 由其他电源供电的直流电 机称为他励式直流电机。
2.1.2 直流电动机的励磁方式
并励式
励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。 并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的 电流为If ，经过负载或电源供给电机的总电流 为 I，三者须满足以下关系： 直流发电机：Ia ＝I＋If 直流电动机：Ia ＝I－If
2.1.2 直流电动机的励磁方式
第2章 直流电动机的原理及特性
直流电机的用途
测速
伺服
励磁机
电源
直流电机的特点
• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 • 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动性能良好。
• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高
2.1直流电动机的基本结构和工作原理
端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支 撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还 起防护作用。
定子部分
电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入） 装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右 图所示，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。刷握用螺钉夹紧在 刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同 极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆 装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。
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 直流电机的工作原理及拖动
直流发电机的工作原理
同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈 中的感应电动势的方向也是交变的，而通 过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、 B上输出的电动势是极性不变的直流电动 势。在电刷A、B之间接上负载，发电机 就能向负载供给直流电能。这就是直流发 电机的基本工作原理。
电机的可逆原理
一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也 可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的 不同条件。 将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将 电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为 电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的 磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能 转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势， 作发电机运行。
2.1 直流电机的基本结构
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产 机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采 用直流电动机驱动。 直流电动机的应用: （1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿 山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大 型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机 等。
2.6他励直流电动机的机械特性
所谓直流电动机的机械特性就是电机的转 速 n 随着负载转矩 T 的变化情况，研究电 机转速变化能够有助于更好地控制电机按 照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率 、低损耗地运行。
2.6.1. 他励直流电动机机械特性方程
直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁 转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：
2.8.2 直流电动机的反接制动
对位能负载而言，反接制动有两种情况： 一是转速反向的反接制动，另一是电压反 接的反接制动。
第2章 直流电动机的原理及特性
工作原理——直流发电机的工作原理 2.1.4 工作原理 直流发电机的工作原理
1.直流发电机的工作原理 1.直流发电机的工作原理 • 结论： 结论： ①在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流 交流的，通过换向 交流 片及电刷的整流 整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电 整流 动势。 ②虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但 从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因 此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不 变的磁场。 ③电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。 ④当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互 作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为 电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质 制动性质的。 电磁转矩 制动性质
第2章 直流电动机的原理及特性
2.1 直流电动机的基本结构和工作原理 2.2 直流电机的电枢绕组 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.4 感应电动势和电磁转矩 2.5 直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率 关系 2.6 直流电动机的机械特性 2.7 电力拖动系统稳定运行条件
第2章 直流电动机的原理及特性
• 知识点：直流电动机与交流电动机的比较 直流电动机比交流电动机结构复杂、价 格高、维修繁琐；但起动转矩大，起动和 制动性能优良、可平滑调速。
2.1
直流电动机的基本结构和工作原理
2.1.1 基本结构 组成：定子+转子+气隙
图2.1 小型直流电机的结构图
基本机构——1.定子部分 1.定子部分 2.1.1 基本机构 1.
定子部分=机座+主磁极+换向极+ 定子部分=机座+主磁极+换向极+电刷装置 （1）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分（定子磁 机座： 轭），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。 。 。 主磁极： （2）主磁极：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。（装配图）
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为什么？
• 转子铁心上放置的绕组称为电枢绕组。
• 电动机：线圈中通过电流，产生电磁转矩，线圈 转动，于是在线圈中产生反电动势，吸收电功率， 转换为机械功率，实现电能转换为机械能。
• 发电机：线圈在磁场中转动，产生感应电动势， 电刷接上负载后，电流流过线圈，产生制动的转 矩，吸收机械功率，转换为电功率输出。
S
换向片
电源 电枢绕组
直流 电流
换向
交流 电流
Φ
电磁转矩 （拖动转矩）
旋转
机械 负载
克服
反电 做功 动势
电能
机械能
直流电动机的工作原理
二、直流发电机 机械能
电能
F
N
－
e
E
＋
S
N
－
E
＋
S
原动机 做功
Φ
感应电动 势、电流
换向
电磁转矩 （阻转矩）
输出 直流电
eabcd t
线圈的电动势波形
eAB
t 电刷间的电动势波形
式中 S—元件数; K—换向片数; Z—电枢实际槽数。 包含虚槽的电机中元件数等于换向片数等于虚槽数， 即 S=K=Qu
a）元件边嵌放 直流绕组构成示意图
b）元件截面
◆极距——在电枢表面，一对磁极所跨过的距离 （可用槽数表示）。
τ=πD/2p
其中，τ表示极距，D表示电枢直径，p表 示磁极对数。
实际上，常用一个磁极表面所占的虚槽Qu 来计算极距，即
B1
11' 8 10' 7 9' 6
A2
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
9 12' 10 1' 11 2'
B2
5' 2 4' 1 3' 12
※ 电刷的中心线对着磁极的中心线。
2
3
1
4
AB
8
5
1 2 34
Ia +
e Ae
ee e Ee
e eB
－
8 7 65
电动机
自
I+
励
G
U
串励
－
I+
G
U
并励 －
I+
G
U
复励 －
2. 直流电动机按励磁方式分类
+ Ia
If +
Ua
M
直流电机的关键：换向器和电刷的配合。
2.2 直流电机的基本结构和额定值
主磁极
直流电机的结构
主磁极 换向磁极
磁极铁心 （产生励 励磁绕组 磁磁场）
定子 机座
直 流 电
端盖 电刷装置
电刷 刷握
绝缘支架
机
转轴
压紧力调整装置
转子
换向器 （产生电动势，流 电枢铁心 过电流，产生电磁
电枢绕组 转矩）
直流电机
• （3）直流电机的电枢绕组都是双层绕组（为端接 部分整齐排列）。
1. 直流电枢绕组 基本概念
◆ 元件——线圈
• 构成绕组的线圈称为绕组元件，是用绝缘铜线 绕制的。
• 每个元件一个边放在一个槽的上层，另一个边 放在其它槽的下层。
• 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
◆元件数、槽数、换向片数的关系 元件数等于换向片数等于槽数，即 S=K=Q
● 电刷的中心线对 着磁极的中心线：
(1) 电刷之间的电 动势最大；
(2) 被电刷短接的元 件电动势为零。
几何中性线
如假定电刷直接与导体接触，电刷放置在磁 极的几何中性线位置
N
3
2
4
1
1
几
4
2
何 中
S 3
电刷
性
线
三、按励磁方式分类
1. 直流发电机按励磁方式分类
+ If Uf
－
Ia +
G
Ua
他励 －
• 线圈是直流电机实现机电能量转换的枢纽。
电枢绕组的绕制要求： • 在能产生足够的转矩和电动势的前提下，节省材
料，结构简单，运行可靠。
电枢绕组构成原则：
• （1）电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合 绕组（产生足够的转矩或电动势）。
• （2）一个线圈的两个边在圆周上的跨矩等于或接 近于一个极矩（是一个线圈的两个边的电动势相 等或差不多）。
2 单叠绕组
单叠绕组是指元件的首端和末端分别接到相 邻的两片换向片上，后一个元件紧叠在前一 个元件之上，整个绕组成褶叠式前进。
通过以下方法反映连接规律： • 绕组展开图 • 并联支路图 • 元件联接次序
◆ 单叠绕组的展开图: Q=12, 2p=4, y1=3
3 6' 4 7’ 5 8'
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12S1 2 A1
τ=Qu /2p
◆元件的第一节距——元件的上层边与下层边在电 枢表面之间的距离（可用槽数表示，接近一个极 距）。
为了让绕组能感应出最大的电动势，应使接近 或等于极距.即
y1 =(Qu /2p) ±ε 式中ε——正分数，是将y1补成整数的一 个正分数。
• 若ε=0，则y1 =τ，称为整距绕组; • 若取正号，则y1 >τ称为长距绕组; • 若取负号，则y1 <τ，称为短距绕组.
◆元件第二节距y2 指相串联的两个相邻线圈中，第一个线圈的下层 边与相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，用 虚槽数表示。
◆元件换向片节距yk 线圈的两端所联结的换向片之间距离，用该线圈 跨过的换向片数来表示。
◆元件合成节距y 它是指相串联的两个相邻线圈对应的有效边之间的 距离，用虚槽数表示。
◆ 绕组形式：叠绕、波绕 叠绕元件（2匝） 波绕元件（2匝）
• （3）电枢电流等于各并联支路电流之和。
• （4）每一磁极下元件边的电流方向一致，相 邻磁极下电流方向相反。
• (5)被电刷短路的元件位于磁极的几何中心 线．
◆ 电刷放置
磁极中心线
1 2 3N 5 6S 8 9N 11 12S
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
第 2 章 直流电机
2.1 直流电机的工作原理 2.2 直流电机的基本结构和额定值 2.3 直流电机的磁场和电枢反应 2.4 电流电机的感应电动势和电磁转矩 2.5 直流电动机的运行分析 2.6 直流发电机的运行分析
2.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
电刷
N
N
i
e
＋
F
＋
U －
S
U －
7
6
1 2 34
结论：整个电枢绕组通
Ia +
e Ae
ee e Ee
e eB
－
过换向片连成一个闭合
8 7 65
回路。
发电机
单叠绕组的特点 • （1）2a=2p;一个主磁极下的元件串联在一起
组成一个支路，有几个主磁极就有几条支路;
• （2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支 路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支 路电动势;
一、主要部件
1. 定子 (1) 主磁极 (2) 换向极 (3) 机座 (4) 端盖
直流电机的定子
2. 转子（电枢）
(1) 电枢铁心 主磁路的一部分，电枢绕组的支撑部分
(2) 电枢绕组 直流电机的电路部分
(3) 换向器
发电机：整流作用。 电动机：逆变作用。
(4) 转轴与风扇
直流电机的转子
二、直流电枢绕组