直流电机
直流电动机
直流电动机直流电动机是利用电磁感应原理实现直流电能与机械能的相互转换。
如果将电能转换为机械能则为电动机，反之就是发电机。
直流电动机具有调速范围广且平滑，起动和制动转矩大，过载能力强，且易于控制，常用于对调速有较高要求的场合。
本章主要介绍直流电机的基本结构、工作原理和机械特性。
并以他励电动机为例，讨论了直流电动机的启动、反转与调速等运行问题。
8.1 直流电机的构造常用的中小型直流电动机的结构如图8.1.1所示。
它由定子、转子、电刷装置，端盖，轴承、通风系统等部件组成。
图8.1.1 直流电动机的结构1.定子定子有机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面结构示意图见8.1.2所示。
它的作用就是产生主磁场和附加磁场，作电机的机械支架。
图8.1.2 直流电动机定子结构机座用作电机的外壳，并固定主磁极和换向极，并且也是磁路的一部分。
机座常用铸钢或厚钢板制成，保证良好的导磁性能和机械支撑作用。
主磁极由磁极铁心、励磁线圈组成，它能产生一定形状分布的气隙磁密。
主磁通铁心，由1~1.5mm厚的硅钢片冲压叠制而成，用铆钉与电动机壳体相连，铁心外套上预先绕制的线圈，以产生主磁场。
主极掌面呈孤型，以保证主磁极掌面与电枢表面之间的气隙均匀，磁场分布合理。
换向极结构与主磁极相似，只是几何尺寸小主磁极小。
其作用是产生附加磁场，以改善电机的换向。
电刷装置通过固定的电刷与转动的换向片之间的滑动接触，使旋转的转子与静止的外电路相连接，是电机结构中的薄弱之处。
石墨制成的电刷放在刷握内，用压紧弹簧将其压在换向器表面。
刷握固定在刷杆上，通过电刷的刷辩，将电流从电刷引入或引出。
2.转子转子（又称电枢）由电枢铁心，电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，如图8.1.3所示。
它是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量转换的关键。
图8.1.3 直流电动机的转子结构电枢铁心也是电机主磁路的一部分。
为了减少涡流和磁滞损耗，铁心采用0.5mm 厚的两面涂绝缘漆的硅钢片选压而成。
直流电机参数_范文
直流电机参数_范文直流电机是一种常用的旋转电机，其原理是利用直流电流经过电枢和电枢磁场产生转矩，实现电能转化为机械能。
直流电机常用于家庭电器、工业设备、交通工具、船舶等领域。
直流电机的主要参数包括电压（V）、电流（I）、功率（P）、转速（N），以及负载扭矩（T）等。
1.电压（V）：直流电机的工作电压通常是提前确定的，例如12V或24V等。
电压是直流电机正常运转所必需的电能供应。
2.电流（I）：直流电机的工作电流也是提前确定的，通常电机的额定电流就是在额定负载下所消耗的电流。
电流与电机的功率直接相关，功率越大，所消耗的电流也越大。
3.功率（P）：直流电机的功率与电机的额定电流和额定电压有关，可以通过功率公式P=V*I计算得出，功率表征直流电机产生机械能的能力。
功率越大，电机的输出扭矩也越大。
4. 转速（N）：直流电机的转速是指电机旋转一周所用的时间，通常以每分钟转数（rpm）来表示。
转速与电压和负载有关，一般情况下，电机的额定转速是在额定电压下仅承受额定负载时的转速。
5.负载扭矩（T）：直流电机的负载扭矩是指电机产生的转矩大小，也可以理解为电机旋转产生的力矩。
负载扭矩是通过电机的电枢磁场和电流计算得出的，通常使用牛顿米（Nm）来表示。
在实际应用中，直流电机的参数还包括效率、启动力矩、起动电流、保护等级等。
1.效率（η）：直流电机的效率表示电机在将输入电能转化为机械能时的能量损耗情况。
效率越高，电机的能量利用率越高。
2.启动力矩（Ts）：直流电机启动力矩是指电机在正常运行前所需的扭矩大小。
启动力矩与电机的转速直接相关，需要根据负载的要求选择适当的电机启动力矩。
3.起动电流（Is）：直流电机起动电流是指电机在启动时所需的电流大小。
起动电流通常会比额定电流大，启动电流过大可能会影响电路的稳定性。
4. 保护等级（IP等级）：直流电机在设计和制造时会考虑保护等级，用来保护电机免受外部灰尘、水分等侵害。
保护等级通常以IP（Ingress Protection）标准来表示，IP等级由两个数字组成，第一个数字表示防尘等级，第二个数字表示防水等级。
直流电机介绍
一、直流电机的磁路
图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；
4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
N
A
If0 If
0
I fN F f 0 IN
图1.18 电机的磁化曲线
§1.3.2 直流电机负载时的磁场
负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作 用所建立。
一、电枢磁通势和电枢磁场
图1.2 直流发电机原理模型
Hale Waihona Puke 从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极 下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因 此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性， 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电 动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律 把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直 流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时 ，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状 态。
直流电动机的铭牌举例
§1.2
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识 §1.2.2 单迭绕组 §1.2.3 单波绕组简介
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通 过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
直流电动机的分类
直流电动机的分类直流电动机是一种常见的电动机类型，根据其不同的特性和用途，可以进行多种分类。
本文将从不同的角度对直流电动机进行分类介绍，以帮助读者更好地了解和理解直流电动机的特点和应用。
一、按照励磁方式分类1. 永磁直流电动机：永磁直流电动机是利用永磁材料产生磁场，用于产生转矩的一种直流电动机。
永磁直流电动机具有结构简单、体积小、效率高等优点，广泛应用于家用电器、机械设备等领域。
2. 电磁励磁直流电动机：电磁励磁直流电动机是通过外部电源提供电流，产生磁场，用于产生转矩的一种直流电动机。
电磁励磁直流电动机可根据不同的励磁方式进一步分为串激直流电动机、并激直流电动机和复合励磁直流电动机等。
二、按照转子结构分类1. 锚定转子直流电动机：锚定转子直流电动机是指转子上的绕组通过集电环与外部电源相连接的一种直流电动机。
锚定转子直流电动机具有结构简单、启动扭矩大等特点，广泛应用于起动和变速控制等场合。
2. 无刷直流电动机：无刷直流电动机是指转子上的绕组通过电子换向器与外部电源相连接的一种直流电动机。
无刷直流电动机不需要使用集电环和刷子，具有无摩擦、无火花、寿命长等优点，被广泛应用于航空航天、机器人等高精度领域。
三、按照工作原理分类1. 制动型直流电动机：制动型直流电动机又称为发电制动电动机，是指在发电状态下产生电能，用于制动负载的一种直流电动机。
制动型直流电动机通常用于电动车辆、电梯等需要制动的场合。
2. 发电型直流电动机：发电型直流电动机是指在机械转动的过程中产生电能的一种直流电动机。
发电型直流电动机通常用于风力发电、水力发电等领域。
四、按照用途分类1. 直流电机：直流电机是指用于将电能转换为机械能的一种电动机，广泛应用于各种机械设备和家用电器中。
2. 直流发电机：直流发电机是指将机械能转换为电能的一种电动机，常用于独立发电系统和特殊的工业用途。
以上是对直流电动机的分类介绍，希望能够帮助读者更好地理解直流电动机的不同类型和应用场景。
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
直流电动机的概述
直流电动机的概述1. 什么是直流电动机直流电动机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它通过直流电源提供的电流产生旋转力，驱动机械运动。
直流电动机广泛应用于工业、交通和家庭设备中，具有高效率、精确控制和稳定性等优势。
2. 直流电动机的工作原理直流电动机主要由电流产生装置、旋转部分和定位部分组成。
电流产生装置通常是采用直流电源或电池，通过接通电路提供电流。
电流经过旋转部分（由电枢和永磁体组成）和定位部分（由电枢和永磁体之间的磁场相互作用产生转矩）后，产生旋转力。
3. 直流电动机的类型直流电动机根据其结构和工作原理的不同，可以分为多种类型。
常见的直流电动机包括：3.1 刷型直流电动机刷型直流电动机是最为常见的一种直流电动机。
它由电枢、磁极和刷子组成。
电流通过电枢产生磁场，与电磁铁的磁场相互作用产生转矩，从而驱动电机旋转。
3.2 无刷直流电动机无刷直流电动机是近年来发展起来的一种新型直流电动机。
它消除了传统电刷和电枢之间的摩擦，并通过电子元器件实现对电流和转矩的精确控制。
3.3 混合型直流电动机混合型直流电动机是刷型直流电动机和步进电动机的结合体。
它集两者的优势于一身，具有较高的转矩密度和精确的位置控制能力。
4. 直流电动机的优点与交流电动机相比，直流电动机具有以下优势：4.1 高效率直流电动机在能量转换过程中损耗较少，具有较高的能量利用率。
这使得直流电动机在能源消耗和成本控制方面更具优势。
4.2 精确控制直流电动机可以通过改变电流大小和方向来实现精确的转矩和速度控制。
这对于需要高精度位置控制的应用非常重要，例如机器人、自动化设备等。
4.3 起动扭矩大直流电动机具有较高的起动扭矩，适用于需要瞬时大功率输出的场合，如电动汽车、起重机等。
4.4 可逆性直流电动机的旋转方向可以通过改变电流的方向来调节。
这使得直流电动机在需要频繁反向运动的应用中非常有用，如卷筒机、搅拌机等。
5. 直流电动机的应用直流电动机由于其优异的性能，在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于：5.1 工业自动化直流电动机在工业自动化设备中广泛应用，如机床、输送机、风机等。
直流电机
第一章直流电机直流电机是一种通过磁场的耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械，包括直流发电机和直流电动机。
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。
与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。
但直流电动机调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合，仍获得广泛应用。
作为直流电源的直流发电机虽已逐步被晶闸管整流装置所取代，但在电镀、电解行业中仍被继续使用。
第一节直流电机的基本原理与基本结构直流电机是根据导体切割磁感线产生感应电动势和载流导体在磁场中受到电磁力的作用这两条基本原理制造的。
因此，从结构上看，任何电机都包括磁路和电路两部分；从原理上讲，任何电机都体现了电和磁的相互作用。
一、直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理图 1-1 所示两极直流发电机模型，可说明直流发电机的基本工作原理。
图中，N 、S 是一对固定不动的磁极。
磁极可以由永久磁铁制成，但通常是在磁极铁心上绕制励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电流，即可产生N 、S 极。
在N 、S 磁极之间装有由铁磁性物质构成的圆柱体，在圆柱体外表面的槽中嵌放了线圈abcd ，整个圆柱体可在磁极内部旋转。
整个转动部分称为转子或电枢。
电枢线圈abcd 的两端分别与固定在轴上相互绝缘的两个半圆铜环相连接，这两个半圆铜环称为换向片，即构成了简单的换向器。
换向器通过静止不动的电刷 A 和 B ，将电枢线圈与外电路接通。
电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向旋转，转速为n （r/min ）。
若导体的有效长度为 l ，线速度为v ，导体所在位置的磁感应强度为B ，根据电磁感应定律，则每根导体的感应电动势为e Blv =，其方向可用右手定则确定。
当线圈有效边ab 和cd 切割磁感线时，便在其中产生感应电动势。
如图1-1所示瞬间，导体ab 中的电动势方向由b 指向a ，导体cd 中的电动势则由d 指向 c ，从整个线圈来看，电动势的方向为d 指向a ，故外电路中的电流自换向片1流至电刷A ，经过负载，流至电刷B 和换向片2，进入线圈。
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
直流电机的运行原理
新材料与新工艺的应用
新材料
随着科技的发展，新型材料如碳纤维、纳米材料等在直流电机中得到了广泛应用。这些新材料具有更高的导磁性 能、耐高温和轻量化等特点，提高了电机的性能和可靠性。
新工艺
新工艺的应用为直流电机的制造提供了更多的可能性。例如，采用先进的激光加工、3D打印等技术，可以实现对 电机零部件的高精度制造和快速成型，提高了生产效率和产品质量。
电能。
反接制动
通过反接电机电源来产生制动转 矩。这种方式适用于快速停止电 机，但会对电机造成较大冲击。
机械制动
通过机械摩擦力来产生制动转矩。 这种方式适用于高速或大惯量电 机的快速停止，但需要额外的机
械装置。
04
直流电机的应用
工业领域的应用
自动化生产线
直流电机广泛应用于自动化生产线， 如传送带、机械臂等，实现高效、精 准的物料搬运和加工。
02
直流电机的运行原理
直流电机的电磁场原理
磁场定义
磁场对电流的作用
磁场是存在于磁体周围的一种特殊物 质，它看不见摸不着，但具有能量， 可以被磁体所磁化。
在磁场中运动的导线会受到安培力的 作用，这个力就是直流电机转动的主 要驱动力。
直流电机中的磁场
在直流电机中，磁场是由励磁绕组产 生的，励磁绕组通入直流电流后，就 会在电机内部形成一个恒定的磁场。
串电阻调速
通过在电机回路中串入电 阻来调节转速。这种方式 适用于小功率电机，但电 阻耗能较大。
PWM调速
通过调节电机输入端的 PWM信号占空比来调节 转速。这种方式可以实现 宽范围的调速，且效率较 高。
直流电机的制动方式
能耗制动
在电机定子绕组中通入直流电， 产生制动转矩使电机迅速停止。 这种方式简单可靠，但需要消耗
直流电机
解： 1）
2p 4
a 1
Z 31
E 115
nN 1450
N Z 12 31 12 372
pN 2 372 Ce 12.4 60 a 60 1
E 115 6.4 10 3 Wb C e n 12.4 1450
【例】一台4极直流发电机，单波绕制，有31槽，每槽元件数为12，额定 转速为1450转，在额定工作时，测出的电枢电势为115V。求： （1） （2） 每极磁通。 当作电动运行时，电枢电流为600A时，能产生多大的电磁转矩。
二、倒拉反转反接制动 倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载
在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实 现制动. n
电枢回路串入较大电 阻 RB 后特性曲线
正向电动状态提 升重物(A点)
n0
B
A
Ra
工作点由A-BC-D,CD段为制 动段
电机以稳 定的转速 下放重物D 点
C
0 TB TK
TL
Tem
负载作用下 电机反向旋 转(下放重物)
换向片 E F E
d T
n
– U + 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外 加电压方向总是相反，所以称反电势。 Ia Ra 2. 电枢回路电压平衡式 + + U E Ia Ra K E n Ia Ra M E U – 式中：U — 外加电压 – Ra — 绕组电阻
励磁电动机
他励电动机
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
2.3.1 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n
S
U
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3 直流电动机的平衡方程式
I Ia 电压平衡式
E a = U I a ∑ I a 2U
电流平衡式 （并励时）
Ia
I = Ia + I f
3 直流电动机的平衡方程式
I Ia 功率平衡式（并励时）
输入电功率 P = UI = UI a + UI f = UI a + p f 1 电磁功率
用环型绕组说明直流绕组的闭合情况
电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端 各线圈依次通过电刷作为引出端
2.1 双层绕组
线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割 磁场而产生感应电势。 两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面 下，线圈的跨距约等于一个极距 线圈的跨距约 线圈的跨距 等于一个极距。 线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层 位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。
Ze y1 = ±ε 2p
yk = y
2.3 单叠绕组
每个元件出线端依次连在相邻的换向片上，后一个绕组 元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。 右行
y = yk = 1
左行
y = y k = 1
虚槽， 例：绕组20虚槽，四极，双层 绕组 虚槽 四极，
单叠右行 第一节距 第二节距 y = yk = 1 y1 = Ze 20 ±ε = =5 2p 4
3.2 两线圈串联后的合成电势
与原有线圈相距90°电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片， 并与原有换向片A、B相距90°电角度，换向器包含4片换向片，相邻 换向片间各相距90°电角度。 当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相距90°电角度
当有足够多的线圈 和换向片时，可获 得稳定直流电势。 若电机每极下的导 体数大于8，电势脉 动幅度可小于1% 直流发电机实质是带换向器的交流发电机
1.4 电刷装置
电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷 （固定在定子上）接通外电路 1.将转动的电枢与外电路相连 2.与换向器配合作用而获得直 流电压 电刷组数一般等于电机极对数
1.5 直流电机的励磁方式
直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的 运行特性有大的影响 他励——励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接
k ±1 y= p
例：电枢绕组19槽，四极 电枢绕组 槽
单波左行 第一节距 k 1 19 1 = =9 p 2 Z 19 y1 = e ± ε = ± ε = 5 第二节距 2p 4 y= y2 = y y2 = 4
例：电枢绕组19槽，四极 电枢绕组 槽
只有两条并联支路：所有N极下的导体并联为一支路，所有S 极下的并联为另一支路。2a=2 电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷 电刷位置：应与电势为零的元件所连接的换向片相连
电枢绕组的感应电动势
电枢绕组的感应电势——电机正、负电刷之间的电势， 电枢绕组的感应电势 即每一并联支路的电势。
位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电势之和 假设电枢导体是连续均匀分布的，则电势为恒定的直流电势
1 电枢绕组的感应电势
设电枢总导体数为W，有2a条并联支路，则每一支路中 电刷在交轴，如果移动电刷位置，则支路中一部 直流电机的感应电势与每极磁通量及转速有关。 的串联导体为W／2a 分导体的感应电势将因方向相反而互相抵消，导致 电刷间的感应电势为每一支路中的串联导体的感应电势之 如将每极磁通量保持不变，直流电机的感应电势将和 电刷间电势Ea的减小。 和 转速成正比。
电枢铁心 电枢绕组 换向器 轴 风扇
感应电势， 感应电势，而实现能量转 换的部分
1.2 直流电机的磁路
1. 电枢铁心
由0．5mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。 铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。
1.2 直流电机的磁路
1. 电枢铁心 由0．5mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。 铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。
电刷放置法
使电刷间导出的电势有最大值 使与电势为零的元件所连接的换向片相连接 当导体转至交轴时，感应电势 为零，电刷应与处于交轴位置 的导体相连 如导体对称，则磁极的几何中 心线处为电刷位置 换向绕组的绕组轴线、磁极轴 线和电刷位置在同一位置上。
N
2.4 单波绕组
每一绕组元件的出发点和终端不在相邻的两换向片上，而相隔近 似为一个极距 相邻两元件相隔近似一对极距 连接p个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽
E a = U + I a ra + 2U
Ia U——每一电刷的接触电压降 并励发电机 电刷接触电阻随电流的增大而减 小，通常假定为常数，当用石墨 电刷或碳石墨电刷时，取为1V
2 直流发电机的平衡方程式
IL 功率平衡式 附加损耗产生P的原因 电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动， 输入功率 在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中 P1 = PM + 产生脉动损耗p mec + p Fe + p Ia 并励发电机 空载损耗 电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢 电磁功率 损耗 电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁 ra:串接在电枢回路中各种绕组的总 耗 = P2 + p f + pa + pb 电阻，如电枢绕组、串励绕组和换 向极绕组等。负载损耗 由换向电流产生的损耗
自励——励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给
励磁回路的功率占总功率的1-5%。
自励的形式
二、 直流电机电枢绕组
二、直流电机电枢绕组
作用：电枢绕组——功率绕组 功率绕组。当电枢绕组在磁场中 功率绕组 旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流 和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组 通过电枢绕组 直流电机进行电功率和机械功率的转换。 直流电机进行电功率和机械功率的转换 特点：直流绕组是闭合绕组 直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别 直流绕组是闭合绕组 连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元 件依一定规律依次连接，形成闭合回路。
IL 转矩平衡式
T1 = T + T0
输入机械转矩 Ia 并励发电机
电磁转矩 PM Ea I a T= = p n W Φ = a 60 I a = CT ΦI a 2πn 60
1.3 直流电机的电路
励磁绕组 套在磁极铁芯上。 并励绕组——和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小 串励绕组——和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大 从电阻和能量消耗的角度考虑 电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中 叠绕组和波绕组 换向极绕组 与电枢绕组串联，激励换向极磁通。 换向器 将 电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电 刷间的直流电势。
Ia Fj = B jl 2a D I D T j = Fj a = B jl a a 2 2a 2 I D I 2 pτ p Tav = Bavl a a = Bavl a = ΦI a 2a 2 2a 2π 2πa
电枢总的电磁转矩 T =
∑T
j =1
W
j
= wTav = CT ΦI a
1 直流发电机的转矩平衡
虚槽概念
在大型电机中、每层可能有 个并列圈边 每层可能有N个并列圈边 每层可能有 为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心 不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。
每一元件有两个圈边， 每一换向片上接有两个圈边， 每一虚槽内放置有两个圈边， 元件数S等于换向片数K，也 等于虚槽数 虚槽
三、直流电机的简单工作原理
旋转电枢式的直流电机
–
电枢旋转、磁极固定，带有换向器
旋转 换向片
磁极——定子 电枢线圈——转子
静止 电刷
通过换向片，电刷1总 与位于N极下的导体 相连，极性为正 电刷2与位于S极下的 导体相连，极性为负
3.1 单线圈导体的感应电势
电刷l、2间的电势e12为一含有很大脉动分量的直流电 势，如单相全波整流一样。电势和电流脉动的很大 电势和电流脉动的很大
1.2 直流电机的磁路
Байду номын сангаас
5. 换向极磁路 4. 磁轭 2. 磁极铁心 3. 极靴 靴 换向极，是位于两个主磁极之间的小磁极，用于改善换向。换向 在磁极外围将磁路闭合的部分，磁轭和底座相连 由l-1.5mm厚的钢片叠成，与励磁线圈一起固定在磁轭上 极靴较磁极极芯向外引伸，使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时 极常用整块钢或厚钢板制成 较为缓渐而均匀，有利于固定励磁线圈 其中磁通不变（当直流励磁电流不变时），由铸刚构成 极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极上沿空气隙圆周 换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极 表面的距离称为极距，极弧与极距比为极弧系数，约0.6—0.7 由于齿槽效应，表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由叠片制成 数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极
由右手定则判电流方向 在电枢几何中心线上的元 件边感应电势为0
y2 = y y1 = 5 1 = 4
为获得对称的绕组， 为获得对称的绕组，每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合
虚槽， 例：绕组20虚槽，四极，双层 绕组 虚槽 四极，
直流绕组是闭合绕组 每支路中一个元件被电刷短路， 每一极面下的元件串联成一支路 电刷之间的引出电势为每一支路个 电刷数等于极数。 在整个闭合回路中，感应电势总和 处于换向状态中 元件的电势和 同极性的电刷连接形成一个“极” 为0，绕组内部无环流 N极 S极 N极 S极 并联支路数2a=2p 被电刷短路，处于 换向状态 电刷
第2章 直流电机 章 DC Machines
结构 基本原理 电磁关系
一、 直流电机的基本结构
电枢 铁心和绕组 风扇 机座 主磁极 电刷 换向器