直流电机工作原理分解
直流电动机工作原理
直流电动机工作原理1. 概述直流电动机是一种常见的电动机类型，广泛应用于各种电动设备中。
它的工作原理是利用直流电流在电磁场中的相互作用，使得电动机产生旋转运动。
直流电动机通常由定子、转子和电刷组成。
2. 定子定子是直流电动机的固定部分，通常由铁芯和绕组组成。
绕组由导线缠绕在铁芯上，形成多个线圈，每个线圈都经过一段定子绕组。
当电流通过绕组时，会在定子中产生一个磁场。
3. 转子转子是直流电动机的旋转部分，通常由铁芯、电枢和电刷组成。
电枢由导线缠绕在铁芯上，形成多个线圈，每个线圈都经过一段转子绕组。
当电通入电枢时，电枢会在转子上产生一个磁场。
4. 电刷电刷是直流电动机中非常重要的组件，它通常由碳材料制成。
电刷与定子和转子的绕组相连，用于供应电流到转子的绕组上。
电刷通过与转子绕组接触，将电流传递到转子上，同时也负责转子绕组中电流的引导。
5. 工作原理直流电动机的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：•步骤 1: 电流通过定子绕组，产生一个磁场。
•步骤 2: 电流通过电刷传递到转子绕组上，形成转子的磁场。
•步骤 3: 转子的磁场和定子的磁场相互作用，使得转子受到一个力的作用。
•步骤 4: 受到的力使得转子旋转。
•步骤 5: 转子旋转带动机械负载运动。
6. 工作原理详解在直流电动机中，电流在定子和转子的绕组之间形成一个相互作用的环路。
当电通入定子的绕组时，会在定子中产生一个磁场。
这个磁场通过定子的铁芯传导到外部。
同时，电刷将电流传递到转子的绕组上，形成了一个磁场。
由于转子上的磁场受到定子磁场的影响，两者之间形成了相互作用的力。
这个力被称为洛伦兹力，是由电流在磁场中的相互作用引起的。
洛伦兹力使得转子受到一个力的作用，从而产生旋转运动。
转子旋转的动力来自外部施加在转子上的机械负载。
通过调整电流的大小和方向，可以控制直流电动机的转速和转向。
电刷的设计和布局也对电机性能有一定影响。
7. 应用领域直流电动机由于其简单、可靠且易于控制的特点，在工业和家庭中得到广泛应用。
第十六章直流电机的基本原理和电磁关系
电动机：前极尖磁密增强， 后极尖磁密减弱。
磁通密度分布不均匀的影响
导体产生的最高电动势比一般值高得多，若 超过换向片间的安全电压，将产生电位差火花。
交轴处的磁场不为零，将妨碍线圈中电流的 换向。
漏磁通Φσ：只与励磁绕组交链，不与电枢绕组 交链。 定义漏磁系数
K 1
取值范围：1.15 ~ 1.25。
主磁路：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭
二 、负载时的电枢磁场
电枢电流的特点： 各导体的电流大小相等
相邻两个电刷间的导体电流方向相同
同一电刷两边的导体电流方向相反 注意！电刷是静止的！
绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。
换向片
垫圈 绝缘层
套筒
直流电机的换向片
交流电机的集电环
三、励磁方式 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。
他励 直流电机 按励磁方式 分类 自励
(发电机）
并励
串励
积复励 复励
永磁
差复励
*以发电机为例 他励
励磁绕组由其他电源供电，励 磁绕组与电枢绕组不相连。
I Ia
2、双波绕组：y
并联支路数为4
3、复叠、复波、混合绕组等
§16.3 直流电机的磁场和电枢反应
一 、空载时直流电机的磁场 1、产生：
I a 0, I f Ff F B
2、波形：平顶帽状 边缘磁通 3、性质： 直流励磁→恒定磁场 τ
主磁极磁通
(KσΦ)
主磁通Φ
磁极漏磁通Φσ
主磁通Φ：同时交链励磁绕组和电枢绕组，是 产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。
第 二 篇 直 流 电 机
福州大学 电气工程与自动化学院 电机学教研组
直流电机
直流电机基础基本配置永磁直流有刷电机（PMDC电机）由位于定子的永磁体和位于转子的绕组所组成。
绕组线圈末端与换向器片连接，与静止电刷产生滑动接触。
电刷越过电机端子连接至直流供电电压。
旋转方向的改变可以通过电压极性的反转来实现。
通过线圈的电流在转子产生磁极，与永磁体的两极相互作用。
为了使产生的转矩保持在同一方向，当转子北极经过定子南极时，电流必须换向。
由于滑动接触分为多个片段，这些分段的滑环被称为换向器。
左图显示转子绕组电流换向之前的角位置，右图显示转子绕组电流换向之后的角位置。
为了产生更恒定的转矩，真正的直流电机拥有两个以上的绕组和整流片。
下图显示了一个五段式设计（HC685LG）永磁材料由弹簧固定（NF213G）这是规格为#200的JE永磁直流电机的分解图。
换向器片是由铜做成的。
上面这种电机有3个片段。
电刷是由贵金属（金属指型叶片电刷）或碳（石墨电刷）做成的。
贵金属电刷的特点：∙用于低电压连续运转。
∙接触电阻比石墨电刷低，从而降低电压。
∙比石墨电刷的电磁噪声低。
∙“金属指型叶片电刷”的设计—电刷分为若干细的指形，能够与换向器片更好地接触。
石墨刷的特点：∙用于高功率、高速度、高频率起动、高寿命及高电压。
∙碳叶片或碳笼电刷设计（满足特别高的寿命要求）。
碳叶片电刷和金属指状叶片电刷（右）碳笼电刷：电刷偏移/旋转方向就永磁体而言，电刷会产生小角度移动（电刷偏移）。
T这可能对一个方向的旋转有利，而另一个方向会有较高的火花产生率和较差的表现。
在旋转有利的方向上失速转矩会更小，而最大效率点会更高。
德昌电机根据客户的应用要求提供偏移或无偏移（零导向）两种选择。
现存的德昌电机电机编码设计为偏移和无偏移两种，必须在新的运用之前进行核对。
永磁体德昌电机提供三种基本类型的磁体：∙电机代码P：塑料（橡胶）磁体，粘在电机壳上。
∙电机代码H：干、湿压制磁体，由弹簧分段支持或胶粘。
比P电机磁性强。
∙电机代码Q：稀土磁体，用于高转矩和高效率。
直流电机抱闸驱动电路原理_概述说明以及解释
直流电机抱闸驱动电路原理概述说明以及解释1. 引言1.1 概述直流电机抱闸驱动电路是一种常见的电路，用于控制直流电机的启动、停止和转向。
抱闸驱动电路通过控制信号输入和逻辑解析，实现对电机的控制。
本文将对直流电机抱闸驱动电路的原理进行详细说明和解释。
1.2 文章结构本文分为五个部分，分别是引言、直流电机的工作原理、抱闸驱动电路的概述、直流电机抱闸驱动电路的工作原理解释以及结论及展望。
1.3 目的本文旨在介绍直流电机抱闸驱动电路的原理，并详细解释其工作过程。
通过阐述其概述、分类特点以及优缺点，读者可以全面了解这种驱动方式在不同应用领域中的使用情况。
此外，该篇文章还将对信号输入与控制逻辑解析、信号转换与功率放大解析以及马达启动与停止过程进行深入讲解，帮助读者更好地理解和应用直流电机抱闸驱动电路。
以上为文章“1. 引言”部分内容。
2. 直流电机的工作原理2.1 电机基本原理直流电机通过直接提供或变换直流电源来产生转动力，是一种将电能转化为机械能的设备。
其基本构成包括定子（静子）和转子（动子）。
定子通常由绕组、铁芯和端盖组成，而转子则由磁极、绕组和轴心组成。
直流电机的工作原理可简单地描述为：当通过定子绕组施加一个与磁场正交的直流电流时，会在磁场中产生一个力矩，使得转子开始旋转。
这是由于磁场与传导系数所产生的洛伦兹力相互作用引起的。
2.2 直流电机结构直流电机有不同类型的结构，常见的有分解架式和整体架式两种。
其中，分解架式包含了割平开槽型、差弱法等结构形式；整体架式则包括了齐纳励磁法、复合励磁法等结构形式。
无论是哪种结构形式，直流电机都包含了固定在外壳内部并连接到功率源上的定子线圈以及安装在轴上并能自由旋转的转子。
2.3 直流电机的应用领域直流电机在各个行业中都有广泛的应用。
例如，在工业领域，直流电机主要用于驱动各类设备和机械，如风机、泵机、输送带和升降装置等。
此外，在汽车和交通运输领域，直流电机被应用于汽车座椅调节器、风挡刷动力系统和车辆动力传动系统等。
无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机工作原理是基于电磁感应和电子技术的。
它主要由定子、转子和电子换向器三部分组成。
首先，定子由若干组电枢绕组沿轴向分布，相邻两组电枢绕组之间的间隙内填充着磁铁。
当电枢绕组通电时，在间隙内形成一个恒定的磁场。
其次，转子由永磁体组成，永磁体上的磁极数目与定子的电枢绕组数目相等。
当外部给定子电枢绕组通电后，定子磁场与转子磁场之间会产生相互作用。
由于转子永磁体磁极与定子电枢绕组的磁场相互作用，转子会受到磁场的作用力而开始旋转。
最后，电子换向器是无刷直流电动机的控制中心。
它通过电子技术来控制定子电枢绕组的通断，从而实现电流的方向和大小的变化。
具体来说，电子换向器根据转子位置和速度的反馈信号，通过控制定子电枢绕组的电流，以保持永磁体与电枢绕组之间的相对位置适当，从而保持电动机的正常工作。
总而言之，无刷直流电动机利用电磁感应和电子换向器的控制，实现了电能向机械能的转换，从而驱动电动机正常运转。
它具有高效、可靠、稳定等优点，在很多领域得到广泛应用。
电机的工作原理
一、发电机的工作原理1．工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。
e=Blv。
B:磁密l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。
正方向：用右手定则判断。
电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。
如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。
理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势）2.发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。
(1)构成：磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。
励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。
容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。
用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。
电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。
换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。
换向器上压着固定不动的炭质电刷。
电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。
（2）工作过程：P1：电动势产生当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同。
电流由电刷Ａ流出，由电刷Ｂ流回。
电动势与电流关系：同向P2：换向当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。
这时线圈中感应电动势的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N 极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流仍由A流出B流回，方向不变。
虽然有换向器的作用，将线圈内的交变电动势在两电刷间变换为方向不变的电动势，但它的大小仍然是脉动的。
欲获得在方向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增加。
直流电机
直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件构成的。
所谓元件，是指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线 圈。元件有两个引出线，即首端和末端。
第3章 直流电机
图 3-12 元件图 （a） 单匝元件；（b） 两匝元件
第3章 直流电机
每一元件有两个有效部分，称为元件边，用于切割磁场
感应电动势。元件在槽外（电枢铁芯两端）的部分，不切割 磁通，因而不感应电动势，仅作为连接引线，称为端部。构 成元件线匝的两个有效边称为导体。
电刷及换向器的作用：
①把旋转电路与外电路联系起来
②把电枢绕组中的交流电整流为外电路 中的直流电
第3章 直流电机
3.1.2
直流电机的主要结构部件
图 3-5 直流电机的剖面图
第3章 直流电机
图 3-6 直流电机横截面示意图
第3章 直流电机
定子
主磁极 换向磁极 电刷装置
电机结构
转子
机座 端盖
电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
若PN的单位为kW，则系数9.55应改为9550。
第3章 直流电机
【例3-1】
一台直流电动机的额定值为PN=160 kW，
UN=220 V，nN=1500 r/min，ηN=90%，求该电机的额定输入 功率P1N、额定电流IN、额定输出转矩T2N。 解：额定输入功率为
P1 N PN
N
160 0 .9
第3章 直流电机 3.3.1 直流电机的磁路、磁密与磁通
图 3-20 直流电机的磁路
第3章 直流电机
主磁通所经过的磁路应分为以下几段：磁极极身、气隙、
转子齿、转子铁轭、定子铁轭。根据磁路欧姆定律有
2 Ff 2 R m 2 R m p 2 R m t R m yr R m yt
直流电机
Tav = f 2 = Bav l ia N 2
Tav
l Ia N 2 p l 2a 2
pN
2a
Ia
CT Ia
大小：T
pN
2 a
Ia
CT Ia
其中：CT
= pN 2πa
为电机的转矩常数
电磁转矩性质:发电机—制动(与转速方向相反)； 电动机—驱动(与转速方向相同)。
pm pFe p统称为空载损耗(不变损耗)。
负载损耗:电枢回路电阻损耗 pa ;I电a2 R刷a 接触压降损耗
pb （ 2负Δ载Us损Ia 耗又称可变损耗） 杂散损耗 p:Δ齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切
割磁通产生的铁耗等 pΔ (0.5 ~ 1)%P2
二、直流发电机的基本方程
Bx
B0 x
Bax
物理中性线偏离几何中性线
2.当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏
移 角，电枢磁动势
轴线也随之移动角， 如图(a)、(b)所示。
这时电枢磁动势可 以分解为两个垂直 分量：交轴电枢磁 动势 Faq 和直轴电 枢磁动势 Fad 。如 图(a)、(b)所示。
交轴磁势和直轴磁势
P1 PM p0 原动机输入给发电机的机械功率 P1
输入直流发电机后扣除空载损耗，其余为电磁功率 空载损耗p0包括：机械摩擦损耗、铁损耗、附加损耗。
p0 pm pFe p ❖电磁功率是转换成电功率的那部分机械功率
将式 U Ea Ia Ra 两边同乘电枢电流：
UIa Ea Ia Ia2 Ra
A Nia
D 在原点O左右x处取磁力线闭
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第2章 直流电机
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 直流电机的工作原理 直流电机的基本结构和额定值 直流电机的磁场和电枢反应 直流电机的感应电动势和电磁转矩 直流电动机的运行分析 直流发电机的运行分析
1
第2章 直流电机
2.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
N ＋ U － － U ＋
二、直流电机的电枢绕组
1. 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）。 (1) 元件 上元件边 后端接 是构成电枢绕组的基本 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
第2章 直流电机
(2) 叠绕组和波绕组
元件边 (有效边)
If
他励 I U If Ia M U I
并励
Ia M If
串励
复励
第2章 直流电机
2. 直流发电机按励磁方式分类 分为他励和自励。
If Uf Ia G I Ua If Ia G I U
他励 Ia G If I If
并励（自励） Ia G
I U
U
串励（自励）
复励（自励）
第2章 直流电机
2.3 直流电机的磁场和电枢反应
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
※ 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。 ※ 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。
几何中心线
第2章 直流电机
电机装配图
第2章 直流电机
三、直流电机的额定值
1. 额定电压 UN
4. 额定转速 nN
第2章 直流电机
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。
第2章 直流电机
四、直流电机的励磁方式
1. 直流电动机按励磁方式分类
Ia
Ua M If
I Uf
U
Ia M
一、直流电机的空载磁场
空载时电枢电流可忽略不计。 空载磁场由主磁极的励磁磁 动势单独作用产生。 空载时磁场轴线与磁极轴线 相重合。 几何中性线： 相邻两主极之间的中心线。 该处的径向磁通密度为零。
几何 中性线
B0
几何 中性线 磁场轴线 磁极轴线
第2章 直流电机
二、负载时的电枢磁动势
直轴d
交轴q
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 附加极绕组 补偿磁极 端盖
第2章 直流电机
直流电机横向剖面图
主极铁心
电枢槽
励磁绕组 定子磁轭
换向极
电枢齿
极靴 换向极绕组 电枢导体 电枢铁心 底脚
第2章 直流电机
直流电机的定子
第2章 直流电机
直流电机的换向极和电刷
在几何中性线处 (x = /2) 的电枢磁动势为 1 Faq = A = Famax 2
第2章 直流电机
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为 Fa(x) Ax Ba(x) = 0Ha(x) = 0 = 0 (x) (x)
※ ——等效气隙长度。
三、直流电机的电枢反应
负载时电机中磁场： 由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。 电枢反应： 电枢磁动势对主极磁场的影响。
几何 中性线 Fa
2
O
x
2 Fa(x)
x
Ba(x)
第2章 直流电机
消耗在 x 点处每个气隙上的电枢磁动势为 1 2x Fa(x) = Nia = Ax － ≤x≤ 2 2 Da
2
※ ia —— 导体的电流； N —— 电枢总导体数； Da —— 电枢的直径。 Nia A = D —— 电枢表面单位长度上的安培导体数， a 称为电枢的线负荷。
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 ) 。
第2章 直流电机
换向不良的影响 ① 会在换向器和电刷间产生火花； ② 火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器； ③ 火花会产生电磁波，对无线通信造成干扰。
第2章 直流电机
3. 改善换向的方法 (1) 加装换向磁极 (2) 移动电刷
换向极
第2章 直流电机
2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
一、直流电机的感应电动势
单位：AΒιβλιοθήκη 第2章 直流电机3. 电磁转矩的方向和性质 方向：由 和 Ia 共同决定。 性质：发电机为制动转矩，Te 与 n 方向相反。 电动机为拖动转矩，Te 与 n 方向相同。 4. 电动势常数和转矩常数的关系 pN pN CE = ，CT = 因为 2a 60a 60 则 CT = CE = 9.55 CE 2
1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12 S1
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
3 6' 4 7' 5 8'
B1 1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12 S1 A1
11' 8 10' 7 9' 6
A2
9 12' 10 1' 11 2'
N/2a N/2a N/2a
平均气隙磁密 B Bav
E = ex = Bxlv = lv Bx 1 1 1 N 每极下的磁通 = lv Bav 2a 2p pN N =l n = n = CE n 60 60a 2a l
第2章 直流电机
单位：Wb
E = CE n
※ CE —— 电动势常数。
二、直流发电机的工作原理
N －
N －
E
E
＋ S
＋
S
第2章 直流电机
电磁关系
原动机
做功
电磁转矩 (阻转矩)
感应电动 势和电流
换向
输出 直流电
第2章 直流电机
气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形
b
N
A
0 A
X
2
3
t
+
0
eXA
e
X×
S
π
0 e
－
t
0
t
第2章 直流电机
每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形
N
S
S
线圈边中电流不改变方向，则平均 Te = 0。
第2章 直流电机
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 ＋ S
换向片
N
＋ U －
U
－
S
线圈边切割磁力线会产生什么？
第2章 直流电机
电磁关系
直流 换向 电流
交流 电流
电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
做功
克服
反电 动势
第2章 直流电机
※ T0—— 空载转矩，是由电动机的机械摩擦损耗及铁损 引起的总转矩； T2—— 输出转矩，即生产机械的制动转矩； TL——负载转矩，它是电动机的空载转矩 T0 与生产 机械的转矩 T2 的总称。
第2章 直流电机
电枢直径为：
2 p D=
电枢电流与支路电流的关系为： Ia ia = 2 a D 则 Te = NTav = N B li 2 av a p Ia pN =N l = Ia 2 a 2 a l
单位：Wb
Te = CT Ia
※ CT —— 转矩常数。
(N· m)
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1
B1
A2
B2
B2
5' 2 4' 1 3' 12
结论：
① 每个主磁极下的元件串联成一条支路； ② 绕组的并联支路对数等于极对数，即 a = 2= p。
第2章 直流电机
单叠绕组的展开图
磁极中心线
1 2 3 N 5 6S 8 9N 11 12 S
(V)
单位：r/min
3. 感应电动势的方向和性质 方向：由 和 n 共同决定。 性质：发电机为电源电动势； 电动机为反电动势。
第2章 直流电机
二、直流电机的电磁转矩
1. 电磁转矩的产生 电枢电流 ia F →Te 磁 场 2. 电磁转矩的大小 设电刷在几何中性线处，元件为整距。 (1) 同一极下每根导体受到的平均电磁力为 fav = Bavlia ※ ia —— 导体中的电流 。 每根导体受到的平均电磁转矩为 D D Tav = fav = Bav lia 2 2
第2章 直流电机
四、电枢反应对换向的影响及改善措施
1. 电枢反应对换向的影响 ① 处在几何中性线处的换向元件的 e≠0，使换 向发生困难。 ② 气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀； 当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限 度，将产生电位差火花； 而且随着电弧的拉长可能出现环火。 ※ 电刷是与处在几何中性线处的元件所连接 的换向片接触的。
第2章 直流电机
2. 单叠绕组