第1章 电机的基本原理
《电气控制技术》第1章直流电机与拖动
田淑珍
直流电机及电力拖动
• 本章要点
• 直流电机的基本工作原理、结构、电枢绕 组简介及电动机的运行原理 • 负载特性及直流电动机的机械特性 • 直流电动机的启动、调速与制动 • 直流电机的实训
1.1直流电机的基本工作原理及结构
• 直流电机是通以直流电流的电机。将机械 能转换为电能的是直流发电机，将电能转 换为机械能的是直流电动机。 • 直流电动机具有良好的调速性能、较大的 启动转矩和过载能力等很多优点，在启动 和调速要求较高的生产机械中，仍得到广 泛的应用。
1.1.2直流电机的基本结构
12
13
a） 换向片
b）换向器
1.2直流电机的电枢绕组简介
• 1.2.1电枢绕组基本知识 • 电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件， 按照一定的规律连接起来组成的。 • 元件：构成绕组的线圈为绕组元件，元件 分为单匝和多匝两种。
• 元件的首末端：每一个元件不管是单匝还 是多匝，均引出两根线与换向片相连，其 中一根称为首端，另一根称为末端。
根据电磁力定律，电枢绕组中有电枢电流时，在磁场内将受 到电磁力的作用，该力乘以电机电枢铁心的半径即为电磁转矩。 电磁转矩可用下式表示：
式中，
，为转矩常数，仅与电机的结构有关；
Ia为电枢电流（A）； Φ为每极气隙磁通（Wb）； Tem为电磁转矩（N．m）。 可见，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和每极气隙磁通成正 比。
3.电机的功率
机械损耗和铁损耗与负载（电枢电流）的大小无关，Pmec和PFe在电机空 载时就存在，这两项之和称为空载损耗P0。空载损耗P0与电机的负载无 关，也称不变损耗。 P0＝PFe＋Pmec
电机的总损耗：ΣP=Pcu＋PFe＋Pmec＋Pad＝Pcu＋P0
第1章 直流电动机基本理论及结构
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1.1 直流电动机的原理与结构
电动机铭牌上所标的数据为额定数据.具体含义有以下几点。 电动机铭牌上所标的数据为额定数据 具体含义有以下几点。 具体含义有以下几点 1.型号 型号 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯 数字表示。 数字表示。 2.直流电动机的额定值 直流电动机的额定值 (1)额定功率 N是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的 额定功率P 额定功率 机械功率.又称为额定容量 又称为额定容量(W) 机械功率.又称为额定容量(W) 。它等于额定电压和电流的 乘积再乘上电动机的效率. 乘积再乘上电动机的效率 (2)额定电压 N是指电动机寿命期内安全工作的最高电压 额定电压U 额定电压 (V). (3)额定电流 N是指电动机轴上带有额定机械负载时的输人 额定电流I 额定电流 电流(A). 电流 (4)额定转速 N是指在额定电压、额定电流和额定输出功率 额定转速n 额定转速 是指在额定电压、 的情况下电动机运行时的旋转速度(r/min) . 的情况下电动机运行时的旋转速度
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1. 2 直流电动机电枢绕组
1.2.2 电枢绕组的基本要求及绕制规则
对电枢绕组的基本要求是:一方面能够产生足够大的电动势 对电枢绕组的基本要求是 一方面能够产生足够大的电动势. 一方面能够产生足够大的电动势 通过一定大小的电流.产生足够的转矩 产生足够的转矩;另一方面要尽可能节 通过一定大小的电流 产生足够的转矩 另一方面要尽可能节 约材料.结构简单 结构简单。 约材料 结构简单。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 元件边放在槽内.能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘ 能切割磁力线产生感应电动势.称为“‘有 元件边放在槽内 能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘有 效边” 端接线放在槽外 不切割磁力线.仅作为连接线使用 端接线放在槽外.不切割磁力线 仅作为连接线使用。 效边”;端接线放在槽外 不切割磁力线 仅作为连接线使用。 为了便于嵌线.每个元件的一个边放在某一个槽的上层 每个元件的一个边放在某一个槽的上层.称为 为了便于嵌线 每个元件的一个边放在某一个槽的上层 称为 上层边.另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。 另一个边则放在另一个槽的下层.称为下层边 上层边 另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。绘图 为了表达清晰.将上层边用实线表示 时.为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
第1章 直流电机的结构与工作原理
（3）额定电流ＩＮ 指在额定情况下，电机流出或流入的电流，单位为A 。 直流发电机额定电流为 直流电动机额定电流为
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。
*
电枢绕组是直流电机的核心部分。无论是发电机还是电动机，感应电动势和电磁转矩都在电枢绕组中产生，电枢绕组是实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组的名称由此而来，并为此把直流电机的转子称为电枢。
1.2.1 基本知识
第一章 直流电机的结构与工作原理
1.2直流电机的电枢绕组
1.3直流电机的铭牌数据及主要系列
1.1直流电机的结构与工作原理
*
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.1.1 直流电机的结构
电枢铁芯
电枢绕组
换向磁极
主磁极
电刷装置
机座
端盖
定子
转子
换向器
转轴
轴承
直 流 电 机
*
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.2 直流电机的电枢绕组
*
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，下一个元件叠在前一个元件之上。
1.单叠绕组的链接规律 绘制展开图的步骤是： 第一步：计算绕组的各节距。包括 、y、y1。 第二步：画槽、画元件，按顺序编号。每槽用两条短线表示，实线表示上层，虚线表示下层。注意：实线上的标号既表示槽号又表示元件号，同时还表示该元件的上层边所在的位置。
1.1 直流电机的结构与工作原理
*
2. 直流电动机工作原理
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
电机学知识点讲义汇总
电机学知识点讲义汇总第一章 基本电磁定律和磁路电机的基本工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律、磁路定律和电磁力定律等定律的基础上的，掌握这些基本定律，是研究电机基本理论的基础。
▲ 全电流定律全电流定律 ∑⎰=I Hdl l式中，当电流方向与积分路径方向符合右手螺旋关系时，电流取正号。
在电机和变压器的磁路计算中，上式可简化为∑∑=Ni Hl▲电磁感应定律 ①电磁感应定律 e=-dtd N dt d Φ-=ψ 式中，感应电动势方向与磁通方向应符合右手螺旋关系。
②变压器电动势磁场与导体间无相对运动，由于磁通的变化而感应的电势称为变压器电动势。
电机中的磁通Φ通常是随时间按正弦规律变化的，线圈中感应电动势的有效值为m fN E φ44.4=③运动电动势e=Blv④自感电动势 dtdiL e L -= ⑤互感电动势 e M1=-dt di 2 e M2 =-dtdi1 ▲电磁力定律f=Bli▲磁路基本定律 ① 磁路欧姆定律 Φ=A l Ni μ=mR F =Λm F 式中，F=Ni ——磁动势，单位为A ；R m =Alμ——磁阻，单位为H -1； Λm =lA R m μ=1——磁导，单位为H 。
② 磁路的基尔霍夫第一定律0=⎰sBds上式表明，穿入（或穿出）任一封闭面的磁通等于零。
③ 磁路的基尔霍夫第二定律∑∑∑==mRHl F φ上式表明，在磁路中，沿任何闭合磁路，磁动势的代数和等于次压降的代数和。
磁路和电路的比较第二章 直流电动机一、直流电机的磁路、电枢绕组和电枢反应 ▲磁场是电机中机电能量转换的媒介。
穿过气隙而同时与定、转子绕组交链的磁通为主磁通；仅交链一侧绕组的磁通为漏磁通。
直流电机空载时的气隙磁场是由励磁磁动势建立的。
空载时，主磁通Φ0与励磁磁动势F 0的关系曲线Φ0=f （F 0）为电机的磁化曲线。
从磁化曲线可以看出电机的饱和程度，饱和程度对电机的性能有很大的影响。
▲ 电机的磁化曲线仅和电机的几何尺寸及所用的材料有关，而与电机的励磁方式无关。
电机基本原理
电机基本原理
电机基本原理包括电磁感应、电磁力和电磁场等概念。
电机通过电路中的电流产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，产生电磁力，从而驱动电机运转。
具体而言，电机的基本工作原理可以分为直流电动机和交流电动机两种类型。
直流电动机的基本原理是在电枢上产生磁场，通过该磁场与永磁体或电磁铁之间的相互作用，实现转动。
当通电时，电流经过电枢绕组形成磁场，该磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生转动力矩，使电机转动。
交流电动机的基本原理是利用电流产生的旋转磁场与固定磁场之间的相互作用，使电机转动。
交流电动机主要包括异步电动机和同步电动机两种类型。
异步电动机的转子上有绕组，并通过感应电磁力来产生转动力矩。
而同步电动机则需要外部提供一个旋转磁场以使其同步运转。
无论是直流电动机还是交流电动机，其基本原理都建立在电磁感应和电磁力的基础上。
电流在电机中通过绕组形成磁场，磁场与永磁体或电磁铁之间相互作用产生力矩，从而驱动电机运转。
在实际应用中，电机的性能和效率会受到多种因素的影响，例如电源电压、电流大小、磁场强度等，因此需要合理选择电机类型和设计参数，以便实现预期的功能和效果。
第1章 直流电机的基础知识
C m = 9.55C e
直流电动机额定转矩：
TN
PN = 9 . 55 nN
TN:额定转矩(N.m) PN:额定功率(W) nN:额定转速(r/min)
补充：直流电动机中，转子旋转起来会切割磁力线，产生感 补充 应电动势，这被称为电枢电动势Ea，判断它的方向与电源输 入的电流方向相反，称为反电动势 直流发电机中，电枢绕组中有了感应电流，在磁场中又 会受到电磁力的作用，电磁力所形成的电磁转矩T与转子的 运动方向相反，阻碍运动，被称为制动转矩（或阻转矩） 在工作原理中重要的两个参数的不同作用 ： 直流电动机 直流发电机 T 驱动转矩 阻转矩 Ea 反电动势 相当于直流电源
1.2 直流电机的励磁方式和铭牌
一、直流电机的励磁方式 1．励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。 2．直流电机种类：按励磁方式分为有（1）他励直流电机； （2）并励直流电机；（3）串励直流电机；（4）复励直流 电机等四种。
二、直流电机的铭牌 每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型 号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件。
2．直流电动机输入的电功率为： P1=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pm+ Pcu 上式说明：输入的电功率一部分被电枢绕组消耗 （电枢铜损）一部分转换成机械功率（电磁功率）。 3．直流电动机输出的机械功率为： P2=Pm-PFe-Pem-PS=Pm-P0-PS=P1-∑P 4．直流电动机的效率为：
3、电机的特点： 可逆性——看外部条件 ，发电机一般接负载；电 动机一般接电源。
4、直流电机转子电动势 1）概念 转子电动势：转子绕组切割磁力线而产生的感应电动势。 2）表达式 每根导体的感应电动势： e = BLv e:感应电动势(V) B:电磁感应强度(T) L:每根导体的有效长度(m) v:转子转动线速度(m/s)
第1章直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理与结构 1.2 直流电机电枢绕组简介 1.3 直流电机的电枢反应 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 直流电机的换向 1.6 直流发电机 1.7 直流电动机
思考题与习题
第1章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
测速
电源
励磁机 伺服
第1章 直流电机
合成磁势曲线
饱和时磁阻 不为常数不 能简单叠加
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bx
主磁场的 磁通密度 分布曲线
B0 x
Bax
不饱和两条曲线逐点叠 加后得到负载时气隙磁 场的磁通密度分布曲线
物理中性线偏离几何中性线
第1章 直流电机
二、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。
第1章 直流电机
1.1.1 直流电机的主要结构
第1章 直流电机
直流电机截面图
第1章 直流电机
直流电机主磁极
第1章 直流电机
换向极
换向极是安装 在两相邻主磁 极之间的一个 小磁极，它的 作用是改善直 流电机的换向 情况，使电机 运行时不产生 有害的火花。
第1章 直流电机
电刷装置
电刷装置—— 电刷装置是电 枢电路的引出 （或引入）装 置
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。
第1章 直流电机
第1章 直流电机
第1章 电机的基本原理 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第一章电机的基本原理习题解答：1、何为相对磁导率？答：材料的磁导率定义为该位置处的磁通密度与磁场强度之比，决定于磁场所在点的材料特性，单位为H/m。
根据材料的导磁性能，可将其分为铁磁材料和非铁磁材料。
非铁磁材料的磁导率可认为与真空的磁导率μ0相同，为4π⨯10-7H/m。
铁磁材料主要是铁、镍、钴以及它们的合金，其磁导率是非铁磁材料磁导率的几十倍至数千倍。
由于材料的磁导率变化范围很大，常采用相对磁导率μr来表征材料的导磁性能，μr为材料的磁导率与真空磁导率的比值。
2、磁路的磁阻如何计算？答：磁路的磁阻可用公式R m=L/(μA)计算，其中L为磁路的长度，单位为m，μ为材料的磁导率，单位为H/m，A为磁路的截面积，单位为m2。
从公式可以看出，磁路的磁阻主要取决于磁路的几何尺寸和材料的磁导率，大小上与磁路长度成正比，与磁路的截面积和磁导率成反比。
3、叙述磁路与电路的类比关系。
答：从电路和磁场的方程上看，两者形式上非常相似。
电路和磁路的类比关系可用下表表示：4、为什么希望磁路中的空气隙部分尽可能小？答：与磁路中铁磁材料相比，空气的磁导率小得多，如果磁路中的气隙部分长度增加，使得磁路的总磁阻大大增大，要想产生同样大小的磁通，需要的磁动势大大增加。
5、何为铁磁材料？为什么铁磁材料的磁导率高？答：铁磁材料包括铁、镍、钴及它们的合金、某些稀土元素的合金和化合物、铬和锰的一些合金等。
根据铁磁材料的磁化过程可知，当铁磁材料放置到磁场中之后，磁场会显著增强，表现为铁磁材料的导磁能力更强，因此磁导率大。
6、何为铁磁材料的饱和现象和磁滞现象？答：将未磁化的铁磁材料置于外磁场中，当磁场强度很小时，外磁场只能使少量磁畴转向，磁通密度增加不快，此时磁导率 较小；随着外磁场的增强，大量磁畴开始转向，磁通密度增加很快，磁导率很大；当外磁场增大到一定程度时，大部分磁畴已经转向，未转向的磁畴较少，继续增大外磁场时，磁通密度增加缓慢，磁导率逐渐减小，这种现象称为饱和。
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旋转电机——产生旋转运动
• 根据供电电源分
直流电机——使用或产生直流电
交流电机——使用或产生交流电
在交流电机中，根据供电电源相数的不同，又可
将电机分为单相电机和三相电机。
• 根据同步速度分
直流电机——没有固定的同步速度的电机
变压器——静止设备
同步电机——转速等于同步速度的电机
电磁力乘以导体与旋转轴中心线之间的距离r(通常为转
子半径)，就是电磁转矩，即
T Bilr
单位为N.m。
2.2磁路及其基本定理
• 麦克思韦方程是描述电磁现象的普遍适用方程。
• 但由于电机结构复杂且包含多种导磁性能不同的材料， 难以直接利用麦克思韦方程得到磁场的分布。
• 在电机中，通常把复杂的三维磁场问题的求解简化为相 应磁路的计算，在绝大多数情况下可以满足工程精度的 要求。
(1)磁路
• 所谓磁路，就是磁通流过的路径。
• 磁路的基本组成部分是磁动势源和磁通流过的物体，磁 动势源为永磁体或通电线圈。
• 由于铁磁材料的导磁性能远优于空气，绝大部分磁通在 铁磁材料内部流通。
定义为
BdA
A
单位为韦伯（Wb）。
在图1-1B所A示c的os均匀磁场中，
穿过面积A的磁通为
式中，为面积A的法线方向 与B之间的夹角。
图1-1 磁通
• 磁通连续性定理：由于磁力线是闭合的，对于任何一个 闭合曲面，进入该闭合曲面的磁力线数应等于穿出该闭 合曲面的磁力线数。若规定磁力线从曲面穿出为正、进 入为负，则通过闭合曲面的磁通恒为零。
到电磁力作用，电磁F力的B大il小可表示为
电磁力F的单位为N。
电磁力的方向可用左手定则确定。
将左手伸开，使磁力线
指向手心，拇指在手掌
平面中与其它四指成
90角，其它四指指向 电流的方向，则拇指
图1-5 左手定则
所指方向就是电磁力的方向。
• 在旋转电机中，假设载流导体位于转子上，则其所受的
410-7H/m。
• 铁磁材料主要是铁、镍、钴以及它们的合金，其磁导率 是非铁磁材料磁导率的几十倍至数千倍。由于材料的磁
导率变化范围很大，常采用相对磁导率r来表征材料的 导磁性能，r为材料的磁导率与真空磁导率的比值
r
0
(2)磁通与磁通连续性定理
• 磁通是通过磁场中某一面积A的磁力线数，用表示，
第1章 电机的基本原理
1.2电机的基本构成和分类 电机是基于电磁感应定律实现能量转换的装置。 要实现能量转换，必须 • 有一个闭合磁路产生磁场，磁场与两个或两个以上的电
路耦合。 • 电机中的能量转换，就是通过有关电路中磁链的变化来
实现的。 最常见的电机是旋转电机，它产生旋转运动， • 有一静止部分（称为定子） • 一旋转部分（称为转子） • 二者之间有一空气隙。
由于磁场为电流所激发，上式中 闭合路径所包围的电流数称为
磁动势，用F表示，单位为A。
通常我们称磁路的磁压为该磁 路所需的磁动势，隐去了磁压 这一概念。
图1-2安培环路定律
(4)磁链与电磁感应定律
• 处于磁场中的一个N匝线圈，若其各匝通过的磁通都
相同，则经过该线圈的磁链为
正电流，则感应电动势可表示为
e d
dt
单位为V。上式称为电磁感应定律。
• 若磁场由交流电流产生，则磁通随
时间变化，所产生的电动势称为变压器
电动势。 • 若通过线圈的磁通不随时间变
图1-3 电流、磁通和 电动势的正方向
化，但线圈与磁场之间有相对运动，也
会引起线圈磁链的变化，所产生的电动势
感应电机——作为电动机运行时，速度总低于同步速； 作为发电机运行时，速度大于同步速
交流换向器电机——速度可以从同步速度以下调至同
2 磁场与磁路
2.1与磁场有关的基本概念
(1)磁感应强度、磁场强度和磁导率
• 磁场是由电流(运动电荷)或永磁体在其周围空间产生的 一种特殊形态的物质，可用磁感应强度和磁场强度来表 征其大小和方向。
N
• 当线圈中的磁链发生变化时，线圈中将产生电动势，称 为感应电动势。
• 感应电动势的大小与磁链的变化率成正比
• 感应电动势的方向倾向于产生一电流，若该电流能流通， 所产生的磁场将阻止线圈磁链的变化。
• 若电动势、电流和磁通的正方向如图1-3所示，即电流
正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系，正电动势产生
(3)磁动势和安培环路定律
• 磁场强度沿一路径l的线积分定义为该路径上的磁压降，
也称为磁压，用符号U表示，单位为A，即
U Hdl
l
• 磁场强度沿任一闭合路径的线k 积分等于该路径所包围的
电流的代数和，即 Hdl l
Ii
i 1
称为安培环路定律
电流的正方向与积分路径的方向 之间符合右手螺旋关系。
电机的种类多种多样，一般有以下几种分类方式：
• 按照能量转换方式分
电动机——将电能转换为机械能 发电机——将机械能转换为电能 电能转换装置——将一种形式的电能转换为另一种形
式的电能，包括变压器(输入和输出的电压不同)、变频 机(输入和输出的频率不同)、变流机(输入和输入的波形 不同，将直流变为交流)和移相器(输入和输出的相位不 同)。 控制电机——不以功率转换为主要职能，在电气、机 械系统中起调节、放大和控制作用。
运动电动势的大小可用另一种形式表示
e Blv
l 为导体在磁场中的长度，m； v 为导体与磁场之间的运动速度，
m/s；
e的单位为V。
三者之间互相垂直， 电动势的方向用右手定则确定
图1-4 右手定则
(5)电磁力与电磁转矩
• 若将一导体置于磁场中，导体中通以电流i，则其将受
• 磁感应强度定义为通以单位电流的单位长度导体在磁场
中所受的力，是一个矢量，用B表示，单位为特斯拉(T)，
也称为磁通密度，或简称磁密。
• 磁场强度也是一个矢量，用H表示，单位为A/m，与磁
感应强度之间满足
B＝H
• 根据材料的导磁性能，可将其分为铁磁材料和非铁磁材
• 非铁磁材料的磁导率可认为与真空的磁导率0相同，为