1.1直流电机的工作原理和结构
《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
电机的种类及工作原理(一)2024
电机的种类及工作原理（一）引言概述：本文将介绍有关电机的种类及其工作原理（一）。
电机是一种将电能转化为机械能的设备，广泛应用于各个领域，包括工业生产、交通运输、家庭电器等。
了解不同类型的电机及其工作原理对于理解电机的应用和原理具有重要意义。
正文：一、直流电机1.1 原理：直流电机通过直流电源提供的电流，形成磁场，通过电流与磁场之间的相互作用产生转矩。
1.2 反电动势：直流电机在运行时产生反电动势，影响电机性能与效率。
1.3 构造：直流电机由电枢和磁极组成，电枢产生转矩，磁极提供磁场。
二、交流电机2.1 原理：交流电机根据电源提供的交流电，形成旋转磁场，通过磁场与电流之间的相互作用产生转矩。
2.2 类型：交流电机分为异步电机和同步电机两种，根据转子和旋转磁场之间的关系。
2.3 构造：交流电机由定子、转子和励磁装置组成，定子形成旋转磁场，转子在磁场中旋转产生转矩。
三、步进电机3.1 原理：步进电机通过逐步通电使电机转子运动，步距角决定了每次转动的角度。
3.2 控制方式：步进电机可通过开关控制或脉冲控制实现精确位置控制。
3.3 应用：步进电机常用于需要精确定位的场合，如打印机、数控机床等。
四、无刷直流电机4.1 原理：无刷直流电机通过电子控制器控制电流方向和大小，形成磁场与转子之间的相互作用产生转矩。
4.2 优点：无刷直流电机无需换向器，转子结构简单、可靠性高、效率高。
4.3 应用：无刷直流电机广泛应用于无人机、电动车等领域。
五、感应电动机5.1 原理：感应电动机通过电磁感应原理将定子的旋转磁场产生于转子上，从而产生转矩。
5.2 类型：感应电动机分为单相感应电动机和三相感应电动机。
5.3 控制方式：感应电动机可通过改变供电频率和电压实现调速。
总结：本文介绍了电机的种类及其工作原理。
直流电机通过直流电源提供的电流产生转矩，交流电机通过交流电产生旋转磁场产生转矩，步进电机逐步通电使转子运动，无刷直流电机通过控制电流形成转矩，感应电动机通过电磁感应原理产生转矩。
有刷直流电机和无刷直流电机的结构及工作原理
有刷直流电机和无刷直流电机的结构及工作原理一、有刷直流电机的结构及工作原理1.1 有刷直流电机的组成部分有刷直流电机主要由以下几个部分组成：定子、转子、电刷、换向器和轴承。
其中，定子和转子是电机的核心部件，电刷和换向器则起到传输电流和实现换向的作用，轴承则保证了电机的正常运转。
1.2 有刷直流电机的工作原理有刷直流电机的工作原理主要是利用电刷在换向器表面产生摩擦力，使电流在定子和转子之间的线圈中产生磁场，从而实现电机的转动。
当电流通过定子线圈时，会产生一个磁场，这个磁场会与转子上的永磁体相互作用，使转子产生旋转力矩。
而电刷则在换向器表面不断滑动，当电流方向改变时，电刷与换向器之间的接触点也会随之改变，从而实现电流方向的切换。
这样，电机就能连续不断地转动下去。
二、无刷直流电机的结构及工作原理2.1 无刷直流电机的组成部分无刷直流电机与有刷直流电机相比，最大的区别在于它采用了无刷设计，即没有传统的电刷。
因此，无刷直流电机的主要组成部分包括：定子、转子、霍尔传感器、电子控制器和轴承等。
其中，定子和转子是电机的核心部件，霍尔传感器用于检测转子的转速，电子控制器则负责控制电机的运行，轴承则保证了电机的正常运转。
2.2 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机类似，也是通过电磁感应原理实现的。
当电流通过定子线圈时，会产生一个磁场，这个磁场会与转子上的永磁体相互作用，使转子产生旋转力矩。
由于无刷直流电机采用了无刷设计，因此不需要传统的电刷来实现换向。
相反，霍尔传感器会实时监测转子的转速，并将这些信息传递给电子控制器。
电子控制器根据这些信息来判断是否需要进行换向操作，从而实现连续不断地转动下去。
三、总结有刷直流电机和无刷直流电机虽然在结构上有所不同，但其工作原理都是基于电磁感应原理。
有刷直流电机通过电刷在换向器表面产生摩擦力来实现换向和连续转动；而无刷直流电机则采用霍尔传感器和电子控制器来实现换向和连续转动。
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。
直流电机的结构和工作原理
直流电机的结构和工作原理1. 直流电机的基础知识嘿，朋友们！今天我们来聊聊直流电机。
没错，就是那个在你家电动玩具里，或者在一些大型机器上转来转去的家伙。
直流电机可不是个简单的转轮子，它背后有一套复杂却又让人觉得神奇的结构和原理。
你可能会问，电机到底是怎么工作的？别急，咱慢慢来，今天就给大家揭开这个小秘密！1.1 直流电机的组成部分首先，我们得知道，直流电机主要由三个部分组成：定子、转子和换向器。
听起来有点高大上，其实就是电机内部的几个重要“角色”。
定子就像电机的“家”，它负责产生一个固定的磁场。
转子呢，咱可以把它想象成电机的小伙子，它在电磁力的作用下旋转，就像一个旋转木马，乐此不疲。
至于换向器嘛，简单来说，它就是个调皮捣蛋的小家伙，负责改变电流的方向，让转子能够持续转动。
1.2 工作原理简单说好了，接下来咱就聊聊工作原理。
直流电机的运行其实很简单，主要是利用了电磁感应原理。
你给电机通电后，电流在转子上流动，转子就会在定子产生的磁场中受力，哗啦一下就开始旋转。
等到转子转到一定角度，换向器会把电流的方向调过来，转子又能继续转下去，简直就像“马达”一样，转个不停。
说白了，就是电流和磁场的“拉锯战”，让这个小家伙源源不断地工作。
2. 直流电机的优缺点2.1 优点当然，直流电机也是有优缺点的，咱先从优点说起。
它的控制非常简单，你只要调节电压，就能轻松地改变转速。
用通俗的话说，就是“调调就行”，非常方便。
而且，直流电机启动时的扭矩很大，能很快达到所需的速度，就像你喝了咖啡后的精神状态，瞬间清醒，干劲十足！再者，它的结构相对简单，维护起来也不费劲，几乎是个“懒人电机”。
2.2 缺点但是，没事就不能光说好，直流电机也有它的缺点。
比如说，换向器容易磨损，使用一段时间后可能就得更换，虽然这也不算太麻烦，但你总不能老是折腾它嘛。
还有，直流电机在高速运转时可能会出现噪音，嘿，这就像是个不太会控制音量的小朋友，欢快得让人有点受不了。
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。
01第1章直流电机-课件
第1章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.2 直流电动机的工作原理
二、直流电动机工作原理
当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下，受力 方向从左向右，原S 极下导体cd转 到N极下，受力方向从右向左。该 电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作 用下继续逆时针方向旋转。
在额定电压下，运行于
出线端的平均电压 额定转速nN 额定功率时对应的电流
发电机：是指输出额定电压；
在额定电压、额定电流下，运
电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速
第1章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.3 直流电机的铭牌数据
额定励磁电流 I fN
励磁方式
对应于额定电压、额定电流、额 定转速及额定功率时的励磁电流
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。
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。
第1章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.3 直流电机的铭牌数据
指轴上输出 的机械功率
电动机
额定功率PN
额定条件下电机
发电机
指电刷间输出的 额定电功率
所能提供的功率
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)
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
思考题：P33
20
思考题：P34
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
二、直流电机的主要结构
1-直流电机总成；2-后端盖；3-通风机；4-定子总成； 5-转子（电枢）总成；6-电刷装置；7-前端盖
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§1-1 直流电机的工作原理和结和结构
小型直流电动机的剖面结构
1—电枢绕组；2—电枢铁芯；3—机座； 4—主磁极铁芯；5—励磁绕组；6—换向绕组； 7—换向极铁芯；8—主磁极极靴；9—机座底脚
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
（3）换向器 换向器的作用是 在电刷间得到直流电 动势，并保证每个磁 极下电枢导体电流方 向不变，以产生恒定 方向的电磁转矩。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
3、气隙
气隙是定子和转子（电枢）之间自然形成的间 隙。它是电机主磁路的一部分,是电机能量转换的 媒介。气隙的大小对电机运行的影响很大。小容 量电机约为1-3mm，大容量电机可为几毫米。
注：具体换向过程在1.7讲解
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
2、转子部分 （1）电枢铁芯
电枢铁心是主磁路的组成部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心 的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm 且冲有齿、槽的硅钢片叠压夹紧而成，如图所示。
1-电枢铁心；2-换向器；3-绕组元件；4-铁心冲片
第一章 直流电机
§1-1 直流电机的工作原理和结构
§1-2 直流电机的电枢绕组
§1-3 直流电机的磁场
§1-4 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率
§1-5 直流电动机的运行原理 §1-6 直流发电机的运行原理(*) §1-7 直流电机的换向
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之 一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电 机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动 机。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生 感应电势和通过电流产生 电磁转矩，实现机电能量 转换。它是直流电机的主 要电路部分。 电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定 规律嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁心之间都要 妥善地绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔 将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部分用玻璃丝带绑紧。绕组端 头则按一定规律嵌放在换向器钢片的升高片槽内，并用锡焊或氩 弧焊焊牢。
5
§1-1 直流电机的工作原理和结构
直流电动机工作原理
状态1
状态2
6
§1-1 直流电机的工作原理和结构
直流电动机小结：☆
• 在直流电动机中，虽然外施电压U及电流I是直流，但 在电枢绕组中内部电流是交流，这是靠换向片及电刷 的逆变作用，将外部直流变成内部的交流； • 从空间上看，由电枢电流所产生的磁场也是一个恒定 的磁场；具体内容在1.3讲解 • 当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势 而且是交变的，其方向与电枢电流的方向相反，称为 反电动势； • 直流电动机中电磁转矩的方向与转子的转向一致，是 驱动性质的。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
直流发电机和电动机特征比较：☆
直流发电机： 直流电动机：
1.外部输入直流电； 1.外部输出直流电； 2.内部电枢电流为交流电； 2.内部电枢感应电流为交流电； 3.在主磁极下电枢电流方向不 3.在主磁极下感应电流方向不变； 变； 4.感应电动势与电枢感应电流的 4.感应电动势与电枢电流的方 方向始终一致； 向始终相反； 5.电枢电流所产生的磁场在空间 5.电枢电流所产生的磁场在空 上是一个恒定不变的磁场； 间上是一个恒定不变的磁场； 6.电枢内感应电流与磁场相互作 6.电枢内电流与磁场相互作用 用产生的电磁力矩为制动转矩 产生的电磁力矩为驱动转矩。 （与外部机械转矩方向相反）。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
直流发电机工作原理
状态1
状态2
4
§1-1 直流电机的工作原理和结构
直流发电机小结：☆
• 在电枢线圈中的感应电动势和电流都是交流电，通过 换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流 电动势，使外部电路得到方向不变的直流电流； • 发电机电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终 一致； • 虽然电枢线圈是旋转且电枢线圈中的电流是交变的， 但从空间上来看，N极与S极下的电枢电流方向不变， 因此，由电枢电流所产生的磁场在空间上是一个恒定 不变的磁场； 具体内容在1.3讲解 • 电枢绕组电流与磁场相互作用产生电磁力f(左手定则判 别)，产生电磁转矩方向与转子转向相反，是制动性质。
直流发电机可作为各种直流电源。
直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能 力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和 调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、 工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构 一、直流电机的工作原理
直流电机是直流发电机和直流 电动机的总称。直流电机具有可 逆性，既可作直流发电机使用， 也可作直流电动机使用。 图为直流电机工作原理。N、S 为定子上固定不动的两个主磁极， 主磁极可以采用永久磁铁，也可 以采用电磁铁 。通电导体受到力 的作用，从而产生转距。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
三、直流电机的额定值（铭牌数据）
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
（1）额定电压 UN（V）指额定状态下电机出线端的电 压（电枢绕组端电压）。
（2）额定电流 IN（A）：指额定状态下电机出线端的 电流。满载、欠载、过载。
（3）额定励磁电流 IfN（A）
（4）额定转速 nN（转/分，r/min）
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
1、定子部分
（1）主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。 主磁极由主磁极铁心和套装在铁心 上的励磁绕组构成。 主磁极的个数一定是偶数，励磁绕 组的连接必须使得相邻主磁极的极性 按 N，S 极交替出现。 直流电机主磁极的结构
（2）机座
1—机座；2—主磁极铁芯；3—励磁绕组
机座有两个作用，一是作为主磁路的一部分，二是作 为电机的结构框架。
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§1-1 直流电机的工作原理和结构
（3）换向极 换向极又称附加极，安装在相邻两主磁极的几何 中心线上。 Why？在1.7讲 换向极的作用是改善直流电机换向。在小容量电 机（1kw以下）中，有时换向极只有主磁极的一半， 或不安装换向极。 （4）电刷装置 电刷与换向器相配合，在电动机中起到逆变（将 直流变为交流）作用；而在发电机中则起到整流 （将交流变为直流）作用。