chap3_1直流电机原理一
直流电动机的原理及特性PPT课件(2024版)
a)—电枢铁心 冲片
b)—电枢铁心
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2.1.1 基本机构——2.转子部分
（2）电枢绕组：电枢绕组是 由许多按一定规律联接的 线圈组成，它是直流电机 的主要电路部分，也是通 过电流和感应电动势，从 而实现机电能量转换的关 键性部件。
1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体 4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
1
符号含义：H 平均磁场强度，l 平均计算长度
气隙
t 电枢齿 a 电枢轭 m 主磁极 j 定子轭
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直流电机的空载磁化特性曲线
空载磁化特性曲线： 0 f (2Ff ) 或0 f (Ff ), 0 f (I f )
在额定状态下，电机往往工 作在饱和点附近，这样即可 以获得较大的磁通，又不致 需要太大的励磁磁动势，从 而可以节省铁心和励磁绕组 的材料。（线性分析方法）
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2.2 直流电机的电枢绕组
2.1.1 单叠绕组
1.线圈的元件边及端接线（一个绕组原件就是一个线圈）
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2.2 直流电机的电枢绕组
2.1.1 单叠绕组
2.单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个 换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首 端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最 后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一 个闭合回路。
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交轴电枢磁场的特点：
①. 电枢磁势Fa与主极磁势Ff互相垂直； ②. 电枢表面各点的电枢磁势Fa不等；在几何中性线处电枢磁势Fa最大，在极轴线处等于零，即Fa=0。 ③. 电枢磁密Bmax在几何中心线处的值不为零。
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第3章直流电机原理分解
风扇 转轴
3.2.2 电机的铭牌数据
额定容量PN： 输出功率，单位kW 额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位V 额定电流IN：额定状态下出线端电流，单位A 额定转速nN： 额定状态下的电机转速，单位r/min 额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。
★
直流发电机： PN＝UN·IN 直流电动机： PN＝UN·IN · 电动机轴上输出 T PN PN 9.55 PN 2N 2n N N nN 的额定转矩：
电刷的作用是把转动的电枢 绕组与静止的外电路相连接， 并与换向器相配合，起到整 流或逆变器的作用。
1—铜丝辫 3—电刷 2—压紧弹簧 4—刷握
2、转子部分 （1）电枢铁心
作用： 一是作为电机主磁路的主要部分； 二是嵌放电枢绕组。 为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的 磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有 绝缘漆的硅钢片叠压而成。
（3）换向器 作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交 变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转 换为电刷端上的直流电动势。
换向器由许多换向 片组成。换向片之 间用云母绝缘。电 枢绕组的每一个线 圈两端分别焊接在 两个换向片上。
直流电机的基本结构总结
主要由定子、转子两部分组成
直流电机 定子 机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器 转子 电枢绕组 轴承
2、直流电动机的工作原理
eb
N
a
f
I
c
U
d
I
ef
S U
N
d
f
I
e
c
b
I
e f
a
f=Bli e=Blv
S
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
第3章 直流电机原理
电机与拖动基础
结论：
由于静止电刷和旋转换向器的作用，
eBA 为脉动的直流电动势。
电机与拖动基础
直流电动势产生
1) 线圈内感应电动势的 性质； 2) 整流：机械式和电子 式；导电片又叫换向片 3) 脉振电动势的消除— —多线圈
按照一定的规律把它们连接起来，构成电枢绕组。
若流过电机的电流大于额定值，叫过载运行，损坏电 机。
电机与拖动基础
例3.1、直流发电机，PN=145KW，UN=230V， nN=1450r/min，ηN=90%，求该发电机的输入功率P1， 额定电流IN各为多少？
例3.2、直流电动机， PN=160KW，UN=220V， ηN=90%，nN=1500r/min，求该电动机的输入功率、额 定电流、额定输出转矩各为多少？
电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
转子
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）
§3.2.2 直流电机的铭牌数据
1、额定值 电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械
量所规定的数据 2、额定工况
电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况 3、常用额定数据
额定功率 PN (W) 额定电压 UN (V) 额定电流 IN (A) 额定转速 nN (r/min) 额定励磁电流 IfN (A)和励磁方式等
§3.2.1 主要结构
旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求 的结构，旋转电机必须具备静止和转动两大部分
• 直流电机静止部分----定子 作用 —— 产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成
• 直流电机转动部分——转子(通常称作电枢) 作用——产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等组
三相直流电机工作原理
三相直流电机工作原理三相直流电机是一种在现代工业中使用广泛的电机，其工作原理主要是通过通电后，三个电磁线圈之间形成一个磁场，从而将转子带动转动。
下面将从以下几个方面来详细阐述三相直流电机的工作原理。
第一步：了解三相电三相电是电力系统中常用的供电方式，它是由三根电线构成的。
三个电线之间的电压总是120度相位差，这意味着在任意时刻只有一个电线具有最大电压。
三相电的优点在于它比单相电更加稳定，可以为大型机器提供足够的动力。
第二步：三相直流电机的构造三相直流电机由固定子和转子两部分组成。
固定子包括三个线圈，分别称为A相、B相和C相。
转子则由许多磁极组成，它们的数量等于线圈的数量的两倍或三倍，具体取决于电机的制造商和使用目的。
第三步：磁场产生三相直流电机的工作原理是基于磁场的相互作用，其中，固定子中的电流会在电磁线圈中形成一个磁场。
这个磁场会在转子中感应出一个磁场，这个磁场会追随着旋转的转子而转动，从而产生了电机的动力。
第四步：电流变化接下来，可以通过改变线圈中的电流来改变磁场的方向和大小。
在三相直流电机中，电流会随着时间的推移而发生变化。
每个电磁线圈都会在不同的时间内通电，这样就会创建三个不同的磁场，每个磁场都会与另外两个磁场发生相互作用。
第五步：转子旋转当线圈中的电流发生变化时，磁场也会发生变化，这就导致了相应的力矩。
这个力矩会使电机转子开始旋转。
如果电机中的磁极数量足够多，那么转子就会以非常稳定的速度旋转下去。
综上所述，三相直流电机的工作原理是基于电流和磁场的相互作用而产生动力的。
对于三相直流电机的设计师和制造商来说，了解这些原理非常重要，因为只有理解了这些原理，才能够设计和制造出高效、可靠的电机。
第三章直流电机的工作原理及特性3.1.
和电枢电阻压降所平衡；
在电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反， 被称为反电动势。
U E I a Ra
即电动机的外加电枢电压为电枢的反电势 和电阻压降所平衡。
2018/10/11
吉林大学珠海学院机电工程系
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第三章 直流电机的工作原理及特性
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第三章 直流电机的工作原理及特性
换向极
铁心 绕组 ——用来改善电流的换向性能。
换向极 1—换向极铁心 2—换向极绕组
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第三章 直流电机的工作原理及特性
电刷装置 电刷 电刷座 固定在机座上，其 电刷与换向器配合保持 滑动接触，以便将电枢 和外电路接通。
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第三章 直流电机的工作原理及特性
练习：
1.一台他励直流电动机所拖动的负载转矩T L=常数， 当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定 运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统 中哪些量必然要发生变化？ 2.一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势 E=E1，如负载转矩T L =常数，外加电压和电枢电路中的 电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后， 电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？
定子的结构
机座 固定主磁极、换向极、端 盖等； ——机械强度和刚度。 是电机磁路的一部分； ——良好的导磁性能、足够 的导磁面积。 主磁极
主磁极铁心 励磁绕组 ——产生主磁场。铁心包括极 身和极掌两部分。
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电机与拖动 直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值
电机与拖动直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值主题：直流电机的辅导文章——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学习时间：2016年10月10日--10月16日内容：我们这周主要学习课件第2章直流电机的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对直流电机相关知识的理解。
一、直流电机的工作原理（重点掌握）直流电机按其能量转换方向的不同分为直流发电机和直流电动机，两者之间具有可逆性。
1.直流电动机的工作原理：当给电枢绕组通入直流电流时，通过电刷和换向器转换为交变电流，使处于主极磁场中绕组的线圈始终受到相同方向电磁转矩的作用，保证了电动机连续转动，从而实现电能到机械能的转换。
图1 直流电动机的工作原理图2.直流发电机的工作原理：当原动机拖动电枢转动时，电枢绕组的线圈切割主极磁场而产生交变感应电动势，再通过电刷和换向器转换为直流电动势，由电枢绕组输出直流电流，从而实现机械能到电能的转换。
图2 直流发电机的工作原理图二、直流电机的基本组成和额定值（重点掌握）1.直流电机主要由定子和转子两大部分组成，其基本组成如图3所示。
转子称为电枢，它是能量转换的枢纽。
电枢绕组构成了直流电机的主要电路，它是由很多元件按一定规律连接起来的闭合绕组。
按元件的连接方式和端接形状分类，电枢绕组主要有叠绕组和波绕组两大类。
电枢绕组是电机的重要部件。
直流电机的绕组有五种形式：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组和蛙绕组。
换向器是直流电机所特有的部件，与电刷配合，实现电枢绕组端部的直流电流与电枢绕组内部的交变电流之间的转换，即在直流电动机中起到了“逆变器”的作用，在直流发电机中起到了“整流器”的作用。
图3 直流电机的基本组成2.直流电机的额定值主要有额定电压、额定电流、额定功率和额定转速等。
1）额定电压N U ：对于直流电动机，N U 是输入电压的额定值；对于直流发电机，N U 是输出电压的额定值。
第01讲直流电机的原理和结构
13
12
11
5
6
10
7
9 8
S
N
S
电枢的位置问题
N
+
16
14 15 16 1
2
3
13
4
4
13
5
15
14
1
2 2
15
14 13
12
11
16 1
3 3
12
4 4
13
12
11
12 11 10
9
8
7
6
5
5
10 9 8 8
5
7
6 6 7
10
9
S
直轴：磁极中线 交轴或中轴：几何中性线 电刷与连接几何中性线上 的线圈的换向片相接触时， 可引出最大电势。
第 01 讲 直流电机的原理和结构
1. 直流电机的原理 2. 直流电机的结构 3. 直流电机的铭牌值
1. 直流电机的原理
直流电机概述
实现直流电能与机械能相互转换的设备。
直流电动机具有良好的起动、调速和制动性能。广
泛应用于国民经济的各个领域。
直流发电机能产生高质量的直流电源，在许多特殊
场合使用。 直流电机的缺点是结构复杂、体积大、成本高。
电刷两端施加的直流电。 电枢线圈或导体中流通的是交流电。 换向器的作用是逆变。
直流发电机电势波形的改善
原理发电机产生的电势波形不如人意。 可以通过增加电枢线圈数目和使电枢线圈分布来 改善波形。
e1
e1 +e2
t
e1 +e2
t
e2
t
t
早期的环形直流电机
直流电机的基本工作原理及结构
0
A
If0 I f I fN F f 0 IN
1.3.2 直流电机负载时的负载磁场
直流电机带上负载后，电枢绕组 中有电流，电枢电流产生的磁动势称 为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使 电机的磁场发生变化。
右图为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布 情况。
假设励磁电流为零，只有电枢电 流。由图可见电枢磁动势产生的气隙 磁场在空间的分布情况，电枢磁动势 为交轴磁动势。
电枢磁场磁通 密度分布曲线
主磁场的 磁通密度 分布曲线
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
Bx
B0x
B ax
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
1)、使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于 电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削
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。
与直流发电机相同，实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈， 磁极也并非一对。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生 火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面， 使电机不能正常工作。
产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原 因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。
1.5.2 换向的电磁理论
换向元件中的电动势：
自感电动势 e和L 互感电动势 eM：换向元件（线圈）在换向过程
二、直流电动机工作原理
第3章直流电机工作原理与特性
即：
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
……转速特性
n
U
Ke
Ra
K e K m
2
T
……机械特性
他励电动机的励磁电流If的大 小与电枢电流 Ia的大小无关，它 的大小只取决于 Rf、 Uf的大小， 当 Rf、 Uf的大小一定时, If为定值，
即磁通为定值。
n
U
Ke
Ra
KeKm 2
T
1. 理想空载转速：
2．电磁转矩TM
电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。
大小： TM Km Ia
式中：TM——电磁转矩（N·m）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； Ia——电枢电流（A）； Km——与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke
作用： 发电机：阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的 方向相反。 在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及 空载损耗转矩T0相平衡。
电压平衡方程式为：
UN E Ia(Ra Rad)
得到的人为机械特性方程式为：
n
UN
KeN
Ra Rad
Ke
K
m
2 N
T
把n
UN
KeN
Ra
Ke KmN2
T
与n
UN
KeN
Ra Rad
Ke
Km
2 N
T
固有机械特性
人为机械特性
空载速度不变 随着电阻的增加，转速降落增加
得 TN ,nN
根据 0,n0 、TN ,nN