直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立
直流电机的工作原理及结构
电刷 换向器
直流电机主要
接线板
结构部件动画
端盖
励磁绕组
接线盒
定子
直 流 电 机
转子
主磁极 换向磁极 机座 端盖 电刷装置
转轴
磁极铁心 （产生励 励磁绕组 磁磁场）
电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
换向器 电枢铁心 电枢绕组
（产生电动势，流过 电流，产生电磁转矩）
直流电机的额定值
① 额定功率： PN（kW）
交 流 电 机 模 型 动 画
电磁感应定律： e ? Blv 满足右手定则
结论： eBA 为随时间正负交变的电动势
2 直流电动势的产生（直流发电机模型）
直 流 电 机 模 型 动 画
结论：
eBA
由于旋转电刷和静止换向器的
作用，eBA 为脉动的直流电动势。
3 电磁转矩的产生 （直流电动机模型）
以单线圈简化模型为例，进行 分析。 显然，在电刷间接入直流电源后， 在线圈中就有直流电流流过。
电磁力定律： f ? Bli 满足左手定则
直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替
变化的电流。
图中电刷相对于磁极的位置保证了，无论线圈边 处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生逆时针 方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方 向的电磁转矩。
第三节 直流电机的主要结构
铁心和绕组 机座
风扇
电枢
主磁极
第六章 直流电机的工作ห้องสมุดไป่ตู้ 理及结构
第一节 直流电机及其用途
用途： 直流发电机把机械能转化为电能； 直流电动机把电能转化为机械能。
直流电动机的优点： ① 调速范围宽，且易于平滑调速； ② 过载、起动、制动转矩大； ③ 易于控制，可靠性高； ④ 调速时能量损耗小。
直流有刷电机工作原理
直流有刷电机工作原理
直流有刷电机是一种常见的电动机，其工作原理基于电磁感应
和直流电流的作用。
本文将详细介绍直流有刷电机的工作原理，包
括结构、工作过程和应用。
结构
直流有刷电机主要由定子、转子、碳刷和电刷四部分组成。
定
子是电机的静止部分，通常由铁芯和绕组组成。
转子是电机的旋转
部分，通常由永磁体或电磁体组成。
碳刷和电刷用于连接电源和转子，以便传递电流。
工作过程
当直流电流通过电机的定子绕组时，会产生一个磁场。
这个磁
场会与转子上的磁场相互作用，从而产生一个力，使转子开始旋转。
同时，碳刷和电刷会不断地接触和脱离转子，以保持电流的传递。
这样，电机就能够持续地产生转动力，并将电能转换为机械能。
应用
直流有刷电机广泛应用于各种电动设备中，如电动车、电动工具、家用电器等。
由于其结构简单、效率高、响应快等优点，直流有刷电机在工业生产中得到了广泛的应用。
总结
直流有刷电机是一种基于电磁感应和直流电流作用的电动机。
其结构包括定子、转子、碳刷和电刷。
工作过程是通过电流在定子绕组产生磁场，并与转子上的磁场相互作用，从而产生转动力。
直流有刷电机广泛应用于各种电动设备中，具有结构简单、效率高、响应快等优点。
以上就是直流有刷电机的工作原理的详细介绍，希望能对您有所帮助。
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
直流电机工作原理和结构
一、直流电机的基本工作原理直流电机可分为直流电动机和直流发电机两大类，其工作原理可通过模型加以说明。
(一)直流发电机的工作原理图1—1所示为直流发电机的物理模型。
在图1—1中N、S为磁场，磁极固定不动，称为直流电机的定子。
abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体是直流电机可转动部分，称为电机转子(又称电枢)。
线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。
转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。
在定子与转子间有间隙存在，称为空气隙，简称气隙。
在直流发电机的模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在线圈abcd中将产生感应电动势。
设每边导体中的感应电势为e，则线圈电势为2e，电势e的瞬时值为：式中，e为导体感应电动势，单位为V;BX为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m ;l为导体ab或cd的有效长度，单位为m;v为导体ab或cd与BX间的相对线速度，单位为m/s。
导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。
在逆时针旋转情况下，如图1—1(a)所示导体ab在N 极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位;导体cd在S 极下，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位，在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。
当线圈旋转1800后，如图1—1(b)，导体ab在S极下，导体ab则在N极下，此时导体中的感应电动势方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。
从图1—1中可以看出，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。
实际直流发电机的电枢是根据实际应用情况需要有多个线圈。
线圈分布于电枢铁心表面的不同位置上，并按照一定的规定连接起来，构成电机的电枢绕组。
直流有刷电机原理
直流有刷电机原理直流有刷电机是一种常见的电动机，广泛应用于家电、汽车、机械等领域。
本文将介绍直流有刷电机的原理、结构和工作过程。
一、原理直流有刷电机是一种基于电磁感应原理的电动机。
它的基本结构包括转子、定子、刷子和电源。
当电源施加在定子上时，电流通过定子线圈产生磁场。
转子上的永磁体受到磁场的作用，产生旋转力矩，从而使转子转动。
刷子则起到了电流的导电作用。
二、结构直流有刷电机的结构比较简单，由转子、定子、刷子和电源组成。
其中，转子由永磁体和铁芯构成，定子由线圈和铁芯构成，刷子则是一对碳刷，通过弹簧与转子接触。
电源可以是直流电池或者外部直流电源。
三、工作过程直流有刷电机的工作过程可以分为四个阶段：励磁、转子旋转、刷子换向、再励磁。
具体过程如下：1. 励磁：当电源施加在定子上时，电流通过定子线圈，产生磁场。
这个过程称为励磁。
2. 转子旋转：转子上的永磁体受到磁场的作用，产生旋转力矩，从而使转子开始旋转。
3. 刷子换向：当转子旋转到一定角度时，刷子会与电极接触，从而改变电流的方向。
这个过程称为刷子换向。
4. 再励磁：当电流方向改变后，定子线圈的磁场也会改变，从而产生新的旋转力矩。
这个过程称为再励磁。
四、实际应用直流有刷电机广泛应用于各个领域，例如：1. 家电：吸尘器、洗衣机、风扇等。
2. 汽车：电动车、电动汽车、电动自行车等。
3. 机械：机床、风力发电机、水力发电机等。
五、总结直流有刷电机是一种基于电磁感应原理的电动机，结构简单、工作可靠。
它广泛应用于家电、汽车、机械等领域，为人们的生产和生活带来了极大的方便和效益。
直流电机的工作原理 直流电机工作原理
直流电机的工作原理直流电机工作原理直流电机是将电能转变为轴上输出的机械能的电磁转换装置。
由定子绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场，主电路引入直流电源，经碳刷（电刷）传给换向器，再经换向器将此直流电转化为交流电，引入电枢绕组，产生电枢电流（电枢磁场），电枢磁场与励磁磁场合成气隙磁场，电枢绕组切割合成气隙磁场，产生电磁转矩。
这是直流电机的基本工作原理。
右图为简单的两极直流电机模型，由主磁极（励磁线圈）、电枢（电枢线圈）、电刷和换向片等组成。
固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁级N、S，主磁级由励磁线圈的磁场产生；旋转部分（转子）上，装调电枢铁芯与电枢绕组。
电枢电流由外供直流电源所产生。
定子和转子之间有一气隙。
电枢线圈的首、末端分别连接于两个圆弧型的换向片上，换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向片固定在转轴上，与转轴也是绝缘的。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接触（引入外供直流电源）。
直流电动机运行时，将直流电源接住在两刷之间，电流方向为：N级下有效边电流总是一个方向，而S级上有效边中电流总是另一个方向，两边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。
当线圈有效边从N级下（S级上）转到S级上（N极下）下时，其中电流方向由于换向片而同时改变，而电磁力方向不变，使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，因而电机连续运行。
直流电机使用检查注意事项1、周围应保持干燥，其内外部均不应放置其他物件。
电机的清洁工作每月不得少于一次，清洁时应以压缩空气吹净内部的灰尘，特别是换向器、线圈连接线和引线部分。
2、换向器的保养（1）换向器应是呈正圆柱形的表面，不应有机械损伤和烧焦的痕迹。
（2）换向器在负载下长期无火花运转后，在表面产生一层褐色有光泽的坚硬薄膜，这是正常现象，它能保护换向器的磨损，这层薄膜必须加以保护，不能用砂布摩擦。
（3）若换向器表面出现粗糙、烧焦等现象时可用“0”号砂布在旋转着的换向器表面进行细致研磨。
直流电动机的结构和原理
直流电动机的结构和原理直流电动机具有良好的启动、调速性能和过载能力，主要用于交通、起重、轧钢和自动控制领域。
直流电机由于有换向器，与交流电机相比有结构复杂、制造成本高、运行维护工作量大等缺点，使直流电机的使用受到了一定的限制。
一、从简单模型入手讨论直流电动机的结构和原理上图为简单的两极直流电动机模型，由主磁极（励磁线圈）、电枢（电枢线圈）、电刷和换向器等组成。
定子上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N、S，主磁极由励磁线圈的磁场产生；转子上装有电枢铁芯与电枢绕组。
电枢电流由外供直流电源所产生，定子和转子之间有一气隙。
电枢线圈的首、末端分别连接于两个圆弧型的换向器片上，换向器片之间互相绝缘，由换向器片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，与转轴也是绝缘的。
在换向器片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器片和电刷与外电路接触，引入外供直流电源。
直流电动机运行时，将直流电源接在两刷之间，电流方向为：N级下有效边电流总是一个方向，而S级上有效边中电流总是另一个方向，两边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。
当线圈有效边从N级下（S级上）转到S级上（N极下）时，其中电流方向由于换向器片同时改变，而电磁力方向不变，使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，直流电动机的电枢由多个线圈组成，这样线圈产生的电磁转矩比较均匀，不会有太大的脉动，因此电动机能够连续平稳运行。
二、直流电动机的基本结构1、定子定子的主要作用是产生磁场和作为电机的机械支撑，由主磁极、换向磁极、机座和端盖以及电刷装置等组成。
1）主磁极主磁极用来产生主磁场，大部分直流电机的主磁极不用永久磁铁，而是由励磁绕组通入直流电流来建立磁场。
主磁极由铁芯和绕组组成，铁芯用厚0.5～1.5 mm的低碳钢板冲成，叠装后用铆钉铆紧，紧靠气隙的扩大部分称为极靴，极靴对励磁绕组起支撑作用，使气隙磁通有较好的波形分布，励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，经绝缘漆浸渍处理，然后套在磁极铁芯上。
直流电机工作原理
电磁转矩——“电动作用”
发电机： 主电动势
反转矩
电动机： 反电动势
主转矩
原动机 Ea>U 电负载
发电机
直流电机
电源 Ea<U 机械负载
电动机
☞ 电机分交流电机和直流电机两种：
直流电机—工作电压为直流； 交流电机—工作电压为交流。
☞ 直流电机分直流电动机和直流发电机两种：
直流电动机—将电能转换为机械能； 直流发电机—将机械能转换为电能。
直流电机发展形势：
随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被 交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整 流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍 将在许多场合继续发挥作用。
直流电机的可逆原理
直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可 作为电动机运行。
感应电动势——“发电作用”
3. 换向极
一般用于1kW以上的直流电机中，位置在两主极之间， 帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用整块钢 或钢板绝缘后叠装而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成， 且与电枢绕组相串联。
B
结论：线圈内部电流 I 交变，
A
感应电动势 Ea交变，但电刷
电动势方向不变，电磁转矩T
方向与T1相反。
直流电动机原理
1. 电源正接换向片A，电源负接换向片B
T Ea Ia
电流：由A流进，由B流出； 电磁转矩：方向逆时针； 线圈感应电动势：A为高电位 ，B为低电位。
2. 线圈逆时针旋转——电源正接换向片B，电源负接换向片A
直流电机的基本工作原理
电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。
若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=B·L·I
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直流电机工作原理和有刷直流
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直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立
一、 直流电机的基本结构
直流电机可概括地分为静止和转动两大部分。静止部分称为定
子；转动部分称为转子。定、 转子之间由空气隙分开，如图。
图a所示为直流电机结构，图b所示为直流电机剖面图。
1. 定子部分
定子由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。
(1)主磁极 它的作用是产生恒定的主极磁场，由主磁极铁心和
套在铁心上的励磁绕组组成。
(2)换向极 换向极的作用是消除电机带负载时换向器产生的
有害火花，以改善换向。
(3)机座 机座的作用有两个，一是作为各磁极间的磁路，这
部分称为定子磁轭；二是作为电机的机械支撑。
(4)电刷装置 其作用，一是使转子绕组能与外电路接通，使电
流经电刷输入电枢或从电枢输出；二是与换向器相配合，获得直流
电压。
2. 转子部分
转子是直流电机的重要部件。由于感应电势和电磁转矩都在转
子绕组中产生．是机械能与电能相互转换的枢纽，因此称作电枢。
电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。另外转子上还有风
扇、转轴和绕组支架等部件。
（1）电枢：铁心电枢铁心的作用有两个，一是作为磁路的一部
分，二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。
（2）电枢绕组：
4
电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流，使电机实现机
电．能量转换它由许多形状完全相同的线圈按一定规律连接而成。
每一线圈的两个边分别嵌在包枢铁心的槽里，线圈的这两个边也称
为有效线圈边。
（3）换向器：换向器又称整流子，在直流电动机中，是将电刷
上的直流电流转换为绕组内的交变电流，以保证同一磁极下电枢导
体的电流方向不变，使产生的电磁转矩恒定；在
直流发电机中，是将绕组中的交流感应电势转换
为电刷上的直流电势，所以换向器是直流电机中
的关键部件。
换向器由许多鸽尾形铜片（换向片）组成。
换向片之间用云母片绝缘，电枢绕组每一个线圈
的两端分别接在两个换向片上，换向器的结构如图1-2所示。
直流电机运行时在电刷与换向器之间往往会产生火花。微弱的
火花对电机运行并无危害，若换向不良，火花超过一定程度，电刷
和换向器就会烧坏，使电机不能继续运行。
此外，在静止的主磁极与电枢之间，有一空气隙，它的大小和
形状对电机的性能影响很大。空气隙的大小随容量不同而不同。空
气隙虽小，但由于空气的磁阻较大，因而在电机磁路系统中有着重
要的影响。
5
二、直流电机的基本工作原理
在A、B电刷上接入直流电源U，则该电机模型为电动机模型。
按入直流电源以后，电刷A为正
极性，电刷B为负极性。电流从正电
刷A经线圈ab→cd，到负电刷B流
出。根据电磁力定律．在载流异体与
磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。
电磁力的方向可用左手定则判断。
在换向器与静止电刷的相互配合作用下，线圈不论转到何处，
电刷A始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电刷B始终与运动
到S极下的线圈边相接触，这就保证了电流总是由电刷A经N极下
的导体流入，再沿S极下的导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁
转矩的方向始终保持不变，使电机能沿逆时针方向连续转动。
在如图所示的电动机模型中，转子线圈中流过电流时，受电磁
力的作用而产生的电磁转矩可用下式表示：
am
ICT
式中，T为电磁转矩(N·m）；Ia为电枢电流（A)；Cm为与电机结
构有关的常数，称为转矩常数，Cm = 9.55Ce。
当线圈在磁场中转动时，线圈的有效边也切割磁力线，根据对
发电机所作的分析可知，显然其中也会出现感应电势。根据右手法
则，由磁场及转动方向不难判断出有效边中感应电势的方向，总是
与其中的电流方向相反，故该感应电势又常称为电枢反电势。这时
电机将电能转换成了轴上输出的机械能。
三.有刷直流电机建模
1典型的单位反馈系统
一般研究的传递函数是将时域函数经拉普拉斯变换后的复频域
函数。
如图：WO(s) 为系统的开环传递函数，R(s) 和C(s)分别为系
统的输入和输出而E(S)为系统的误差。
系统开环传递函数的一般形式:W0(s)=
2直流电机的数学模型
直流电动机中，有电机转速变化的机械过程和电量变化的电磁
过程这两个过程,按照实际情，在此模型中，我们认为它们同时发
生。据此，从电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程出发，建立其状
态方程及传递函数关系。
电枢电压平衡方程为
转矩平衡方程为
其中ua —电枢电压(V)；
ε—电枢反电势 (V)；
ia —电枢电流 (A)；
La 、Ra—电枢电感(H)、电枢电阻(Q)；
Φ—每极磁通(Wb)；
n—转子转速(r／min)
Ce、Cm—直流电机电势常数和转矩常数，Ce =PN／(60a)、Cm =
PN／(2πa)，其中P为电机极对数，N为电枢总导体数，a 为并联
支路数
M、ML — 电磁转矩和负载转矩 (N•m)；
J—转速惯量(N•m•s•min／r)．
其中转速惯量J,与转动惯量J0(N•m•s•／rad) 之间关系如下。
由
得
作拉普拉斯变换可解得电枢电流ia与电枢电压ua,之间的传递 函数
转子转速n与动态转矩(M-ML)之间的传递函数
其中
Ka=1／Ra—电枢回路放大倍数；
T=La／R—电枢回路电磁时间常数(s)；
令
Tm =—机电时间常数 (s)
建立精确模型时要考虑到机电(Tm)和电磁(Ta)的过渡过程，反映
在传递函数中，即它形成了一个有反馈的闭环二阶系统，由此系统
可得电机精确模型的传递函数框图(如图2所示)，则可得到转速与
电枢电压的传递函数。
框图：
传递函数：
注意到实际情况下，系统中时间常数r和在数量上差别较大，
由转子惯性引起的机电时间常数往往比电枢回路电磁时间常数大一
个数量级，两个过程可以不看作同时发生而是接续发生，这样可以
近似认为较快电流变化时，电机转递不变，即电枢反向电动势s不
变，而在研究比较缓慢的变化过程时，可以认为电磁过程已经
衰减 完毕，即认为T=0，这样可以简化电机模型，得到简化传递公
式：
当输入电压为单位阶跃函数时，即
将n(s)转换为时域形式
n(t)=[Φ/(TmCe)](1-)
例如取[Φ/(TmCe)]=1，Tm=0.5，则可得到下图
示例n-t图
若电机为永磁式的则有简化形式
n(t)=K(1-)
在上式中取t=Tm,则有
n(T)=K(1-e-1)≈0.632K
在得到的曲线中取纵坐标为0.632K点，则它的横坐标为周期
值。由此我们可以用阶跃电压法得到传递函数中的参数。通过图像
即可得传递函数的参数，从而为实验法测电机模型参数法奠定理论
基础，可知此模型类似电路暂态过程中的电容充电模型。
阶跃响应曲线