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第3章 直流电机原理

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第3章直流电机原理

第3章直流电机原理


电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
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。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
第03章 直流电机

第03章 直流电机


于一个极距 。
极距 定义为
Qu
2p
y应1 等于或接近
由于 Qu不一定能被极数 2整p除，而 又必y1须为整数，可使
Q y u 整数
式中 为小于1的分数。1 2 p 称为整距绕组，
称为长
距绕组,
称为短距绕组y。1 因短距绕组有利于换向y1，对
于叠绕组还可节约y1端部 用铜，故常被采用。
第二节距 y2
交流电动机。
3.2 直流电机的电枢绕组
一、电枢绕组的基本概念
电枢绕组由许多形状完全相同的元件（亦称为线圈）按一 定规律排列和连接而成。
每个元件有两个出线端， 一个称为首端，另一个 称为末端。 一个元件由两条元件边 和前、后端接线组成。
同一个元件的首端和末端分别接到两个不同的换向片上。同 一个换向片上，连有一个元件的首端和另一个元件的末端。
3、直流电机的可逆运行
直流电机是作为发电机运行还是作为电动机运行，主要 在于外部条件，即输入给电机的功率形式。
若从电刷上输入给电机 电功率时，电机作电动机运 行，经转轴向外输出机械功 率。
当从轴上输入给电机 机械功率时,电机作发电机 运行，通过电刷向外部输 出电能.
同一台电机既能作发电机又能作电动机运 行，称为电机的可逆运行。
说明：组成各支路的元件在电枢上处于对称位置，各支路电动势大小相等， 故从闭合电路内部来看，各支路电动势恰巧互相抵消，不会产生环流。
设槽内每层有u 个元件边，则每个实际槽包含 u个“虚
槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。若用 Q代
表槽数，Q
代表虚槽数，则
u
Qu uQ S K
电枢绕组的节距
第一节距 y1
一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离（即跨距）称 为第一节距。用所跨虚槽数表示。
《机电传动技术》第三章 直流电机的工作原理及特性

《机电传动技术》第三章 直流电机的工作原理及特性


T = TL +T0
转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时， 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电 动机转速、电动势、电枢电流的变化， 动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将 自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 一定， (平衡 此时， 平衡)， 例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL (平衡)，此时， 突然增加， 若TL突然增加，则调整过程为 E = KEΦn E↓ ↓ TL ↑ n↓ ↓ T↑
（3）求理想空载转速
根据（0，n0）和（TN，nN）两点，就可以作出他励电动 机的机械特性曲线。
正反转时的机械特性
2 、人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加 电压、励磁磁通的大小以及电枢回路串接附加电 阻所得到的机械特性。直流他励电动机有三种人 为机械特性。
Ra U n= − T = n0 − ∆n 2 KeΦ Ke Kt Φ
n
d T
– U + 直流电从两电刷之间通入电枢绕组， 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流 方向如图所示 由于换向片和电源固定联接， 如图所示。 方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论 线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里 极有效边的电流方向向里, 线圈怎样转动，总是 极有效边的电流方向向里 N 极有效边的电流方向向外。电动机电枢 极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后 中受力(左手定则 按顺时针方向旋转。 左手定则)按顺时针方向旋转 中受力 左手定则 按顺时针方向旋转。
转子
转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、 电枢铁心、 转子部分 电枢铁心 电枢绕组、换向器、风扇、 电枢绕组、换向器、风扇、轴等
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解

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

第3章 直流电机原理

e 结论： BA 为随时间正负交变的电动势
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
直流电机工作原理

直流电机工作原理

n0K U e NN K e NU N nN INR a
Ra 0.5(1UP NNIN)U IN N 0.7 1 KeN0.13V2/rmi1nn0166r/7min
TN9.5nP 5N N9.555.155130030N 5m 15
3.3 直流电动机的机械特性
37
3.6 直流他励电动机的制动特性
3.6.1 反馈制动
电动机在正常接法时，若在外部条件作用 下使电动机的实际转速大于理想空载转速时 （如电车下坡），反电势E＞供电电压U， 电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动 转矩，电动机变成发电机，把机械能转变成 电能，向电源馈送，电动机即处于反馈制动 状态。
22
3.4 直流他励电动机的启动特性
1. 降压启动： 2. U＜UN→n↑、E↑→↑U→U=UN、
n=nN 2.电枢回路内串接外加电阻启动：
满足启动要求：Ist=UN/（Ra+Rst） Rst （3-4级）
T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决 定：
T1=（1.6-2）TN T2=（1.1-1.2）TN 23
由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。
当系统转速等于n0b时， b
E=U2，制动电流、转矩降为 零，反馈制动过程结束。
n0b
但由于电磁转矩T＜TL，在负 载转矩的作用下转速进一步 -T
U1
c U2
下降，直到n=nc，T=TL（电 机在电动状态下稳定运行）。
41
3.6 直流他励电动机的制动特性
制动----是从某一稳定转速开始减速到停 止或是限制位能负载下降速度的一种运动状 态。
10
3.3 直流电动机的机械特性
电机正转在第一象限， 反转在第三象限。 根据铭牌参数（PN， UN，IN，nN ）计算Ra， KeΦ，n0 ，TN。
第3章 直流电机的工作原理及特性

第3章 直流电机的工作原理及特性


3.20
C2 K eC
第二段 Φ ＝C
Ra U n T n0 n 2 K e K e K t
串励电动机的机械特性相关分析
1． 硬度 2． 优点
1）串励电动机负载的大小对电动机的转速影响较大 2）起动时的励磁电流大
3、注意事项
（1）不容许空载运行。 （2）反转运行不能用改变电源极性的方式。
3· 直流电机的基本结构和工作原理 1
结构要点：定子、转子、换向器 原理要点：电磁感应定律、电磁力定律、 电路定律以及电势方程、转矩方程、电压 方程 分类：直流电机按照励磁方式的不同分为 他励、并励、串励、复励四种

一、直流电机的基本结构
直流电机的组成
1、定子：产生磁场、支撑电机 2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进 行能量转换

直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电
动势E和电磁转矩T，但作用正好相反。
电机运行 方式 转矩之间的 关系
E与I的方 向
E的作用
T的性质
发电机 电动机
相同 相反
电源电动 势 反电动势
阻转矩 驱动转 矩
T1=T+ T0 T= TL+ T0
电路方程
发电机
E U I a Ra U E I a Ra

（二）直流电动机的工作原理
直流电动机基本工作原理
电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体 载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩T 电枢在电磁转矩T作用下旋转 旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感 应电势E 由于换向器的作用，感应电势E总是与外加电 压的方向相反，称为反电势

三、电动势和电磁转矩
1. 电动势E 根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。
电机与拖动基础习题1(第3-6章)

电机与拖动基础习题1(第3-6章)

电机与拖动基础习题1（第3-6章）第三章：直流电机原理一、简答题：1、换向器在直流电机中起什么作用在直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组里交流电整流为直流电，在正、负电刷两端输出。

在直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。

2、直流电机铭牌上的额定功率是指什么功率直流电机铭牌上的额定功率：对直流发电机而言，指的是输出的电功率的额定值;对直流电动机而言，指的是电动机轴上输出的机械功率的额定值3、直流电机主磁路包括哪几部分磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分直流电机的主磁路主要包括;主磁极、定、转子之间的气隙电枢齿、电枢磁轭、定子磁轭。

磁路未饱和时，铁的磁导率远大于空气的磁导率，气隙的磁阻比磁路中的铁心部分大得多，所以，励磁磁通势主要消耗在气隙上。

4、如何改变他励直流发电机的电枢电动势的方向如何改变他励直流电动机空载运行时的转向通过改变他励直流发电机励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电枢电动势的方向;也可以通过改变他励直流发电机的旋转方向来改变电枢电动势的方向。

改变励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电动机旋转方向;也可通过改变电枢电压的极性来改变他励直流电动机的旋转方向。

5、直流发电机的损耗主要有哪些铁损耗存在于哪一部分,它随负载变化吗电枢铜损耗随负载变化吗直流发电机的损耗主要有:(1)励磁绕组铜损耗;(2)机械摩擦损耗;(3)铁损耗;(4)电枢铜损耗;(5)电刷损耗;(6)附加损耗。

铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时硅钢片中的磁滞和涡流损耗。

这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关。

当电机的励磁电流和转速不变时,铁损耗也几乎不变。

它与负载的变化几乎没有关系。

电枢铜损耗由电枢电流引起,当负载增加时,电枢电流同时增加,电枢铜损耗随之增加。

电枢铜损耗与电枢电流的平方成正比。

6、他励直流电动机的电磁功率指什么在直流发电机中，电磁功率指的是由机械功率转化为电功率的这部分功率。

直流电机的工作原理及特性

直流电机的工作原理及特性


电刷盒
转子结构图
电枢绕组
电枢铁心
换向器 转轴
（二） 转子(电枢)部分
1、电枢铁心 作为主磁通磁路的主要部分 嵌放电枢绕组 2、电枢绕组 能量转换的关键部件，
产生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换 3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的
交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变； 直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电动势
KeN U N I N Ra / nN
3.16
（3）求理想空载转速 n0 U N /KeN
（4）求额定转矩
TN
PN
9.55 PN nN
3.17
TN KtN I N 9.55KeN I N
2、人为机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
人为机械特性就是指供电电压U或磁通Φ不 是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时 的机械特性，亦称人为特性。
机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的 重要依据。
机械特性分固有机械特性和人为机械特性。
一、他励电动机的机械特性
机械特性方程的推导
U E Ia Ra
3.11
E Ken
n
U
K e
Ra
K e
Ia
3.12
T KtIa Ia T /Kt
n
U
K e
Ra
KeKt 2
T
n0
KT
n0 n
n0---理想空载转速（T=0）
具有一段启动电阻的他励电动机 Ist U N /Ra Rst 1.5～2I N
具有三段启动电阻的他励电动机
原则 1. T1(I1)≤2TN 2. T2(I2)基本相
第三章 直流电机的工作原理及特性

第三章 直流电机的工作原理及特性

第三章直流电机的工作原理及特性3.1、为什么直流电记得转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？答：直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠加而成是因为要防止电涡流对电能的损耗。

3.2、并励直流发电机正传时可以自励，反转时能否自励？答：不能，因为反转起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩与磁场方向相反，这样磁场被消除，所以不能自励。

3.3、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？这时拖动系统中那些量必然要发生变化？答：T=K tφI a u=E+I a R a当电枢电压或电枢附加电阻改变时，电枢电流大小不变。

转速n与电动机的电动势都发生改变。

3.4、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？答：T=I a K tφ，φ减弱，T是常数，I a增大。

根据E N=U N-I a R a ，所以E N减小，小于E1。

3.5、一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：P N=180kW，U N=230V，n N=1450r/min，η=89.5%，试求：N①该发电机的额定电流；②电流保持为额定值而电压下降为100V时，原动机的输出功率（设此时η=ηN）解：①因为P N=U N I N，所以I N= P N/U N=180*1000/230=782.6A②因为η=IU/P，所以P= IU/ηN=782.6*100/89.5=87441W=87.44KW3.6、已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：P N=7.5KW，U N=220V，n N=1500r/min，η=88.5%，试求该电机的额定电流和额定转矩。

N解：对于电动机：P N=U N I NηN所以I N= P N/( U NηN)=7500/(220*0.885)=38.52A输出转矩：T N=9.55P N/n N=9.55*7500/1500=47.75N·m3.7、一台他励直流发电机：P N=15KW，U N=230V，I N=65.3A，n N=2850r/min，R a =0.25Ω，其空载特性为：U 0/ V 115 184 230 253 265I f/A 0.442 0.802 1.2 1.686 2.10今需在额定电流下得到150V 和220 V的端电压，问其励磁电流分别应为多少？解：由空载特性得到其空载特性曲线为：E2652532302201841501150.4420.710.802 1.21.08 1.6862.10f I当U=150V 时 I f =0.71A当U=220V 时 I f =1.08A 3.8、一台他励直流电动机的铭牌数据为：P N =5.5KW ，U N =110V ，I N =62A ，n N =1000r/min ，试绘出它的固有机械特性曲线。

直流电机原理

直流电机原理


（3-1）
由电枢转动的机械角速度与感应电动势角频率e 的关系
e np
2π n 60
（3-2） （3-3）
-40-
第三章 直流电机原理 式（3-1）表示的直流电机感应电动势可写成 2n p N n Ea Φ 4np NΦ （3-4） π 60 由于电枢绕组的匝数N与电枢总有效边数Z以及支路对数a的关系 为 N = Z/4a， Z n np Z E a 4n p Φ Φn 4a 60 60a 令 Ce
I a 2aia
第三章 直流电机原理
单波绕组
波绕组：同一极性下的所有元件串联成一条支路，首末端相连 的两个换向片相隔很远，两元件紧相串联后形似波浪。
最大特点：
支路对数恒为 1， 与磁极对数无关！ 电枢电流等于两倍支路电流
I a 2ia
第三章 直流电机原理
电枢绕组装配图
第三章 直流电机原理
转轴 轴承 换向器 电枢铁心 电枢绕组 风扇 轴承
图3-4 直流电机的电枢
-13-
第三章 直流电机原理 3. 换向器和电刷
换向器安装在转轴上，有许多梯形截面的换向片围叠组成 一个圆柱体，相邻的换向片用云母片彼此绝缘。 换向器的作用是将电枢绕组内的交流电动势用机械换接的方 法转换成电刷间的直流电动势。
N
If N 励磁线圈 S 电刷
几何中线
电枢线圈 主磁通 主磁通 电动机 旋转方向
漏磁通
S
a) 图3-8 空载时的磁场分布
a) 空载时的磁场分布 b) 主磁场磁密分布曲线
发电机 旋转方向
b)
-33-
第三章 直流电机原理 主磁通0 的大小决定于励磁磁动势Ff 、磁路各段几何尺寸和 选用的材料性质。在磁路尺寸和材料已定的情况下，0 与Ff 满足 图3-9所示的 0 = f（Ff ）关系曲线。若励磁绕组匝数一定，磁动 势Ff 便与励磁电流If 成正比，使 0 = f（Ff ）= f（If ），称为磁 化曲线。 磁化曲线表明，电机中磁 通增大时，磁通与磁动势成线 性正比，但当磁通达到一定数 值时，磁通增长缓慢，呈饱和 趋势，随着磁动势继续增加， 磁通趋于平直。一般电机空载 时，电机的磁场处于磁化曲线 浅饱和区的a点。

第三章 直流电机


（1）用原动机拖动电枢逆时 针方向恒速转动（原动机输入 机械力【机械功率】） （2）线圈边ab和cd以相同转 速顺次切割不同极性磁极下的 磁场，线圈中产生了交变的电 动势；（机械能转换为电能） （3）换向器配合电刷对电流 的换向作用，电刷A、B端的 电动势为直流电动势。（交流 转换为直流）
Flash：电刷上的电动势
一台直流电机作为
电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋 转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能；
电能转换为机械能
发电机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流 电动势，作为直流电源，输出电能。
机械能转为电能
注意：不要孤立的看待发电机和电动机问题
视频：直流发电机－直流电动机系统
换向器节距:yc=(K-1)/p=7
元件数S＝槽数Q＝换向片数K＝15；
yc =8-1=7
y1＝4-1=3
电流流向： A1—5号换向片－5上－8下－12上－15下－4上－7下－11上－14下 －3上－6下－10上－13下－2上－5下－12号换向片－B1 A2—12号换向片4上－7下－11上－14下－3上－－6下－10上－3下 －15上－15号换向片－B2
N
N － U ＋
＋ U －
S
S
由电磁力产生转矩的过程：
（1）线圈ax中通入直流电流时,电流从 a端流入，从x端流出；
B
A（2）线圈边a和x上均受到电磁力，根
据左手定则确定力的方向。 （3）这一对电磁力形成了作用于电枢 的一个电磁转矩，将产生逆时针旋转。
把这个装有线圈的铁质 圆柱体称为电枢。 （1）按照这种模式下，电枢将如何运动？
P 1
额定电流
N
PN
12 13.45(kw) 0.892

机电传动控制(第3章) 直流电机的工作原理及特性

1）可以实现无级调节 2）特性曲线互相平行，机械特
性硬度不变，调速范围较大；
3）恒转矩调速 4）U≤UN，n≤nN
3．改变电动机主磁通
UN Ra n T 2 K e 9.55( K e )
1）可以实现无级调节 2）随着Φ 的减小，n0增加，k 变大，特性变软； 3）恒功率调速 4）Φ ≤ΦN，n≥nN
1、改变电枢电路外串电阻 Rad 调速
UN Ra Rad n T 2 K e N 9.55( K e N )
特点： 1）
3）R越大，耗能越大
2．改变电动机电枢供电电压U
Ra U n T 2 K e N 9.55( K e N )
第三章
直流电机的工作原理及特性
重点掌握：
• 了解直流电机的基本结构及工作原理； • 掌握直流电动机的机械特性； • 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； • 掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关 的计算方法。
3．1 直流电机的基本结构和工作原理 一、直流电机的基本结构
直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。
3.21 有一台他励直流电动机，PN＝7.5kW，UN＝220V，IN=4lA， nN＝1500r／min，Ra＝0.38Ω，拖动恒转矩负载，且TL＝TN， 现将电源电压降到U=150V，问： (1)降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大? (2)稳定运行转速是多少?
3.22 有一台他励直流电动机，PN=21kW，UN＝220V，IN=115A， nN＝980r／min，Ra=0.1Ω，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时Φ 从ΦN调到0.8ΦN，问： (1)调速瞬间电枢电流是多少?(TL＝TN) (2)若TL＝TN和TL＝0.5TN，调速前后的稳态转速各是多少?

机电传动控制 第3章 直流电机

机电传动控制第3章直流电机的工作原理及特性各种各样的电机常用的电机主要分为两大类：驱动电机：是设备的主要动力源，包括各类交流、直流电动机及步进电动机。

交流异步电动机较之其他类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，应用广泛。

控制电机：常见的有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机、测速发电机等，这类电机的主要任务时转换和传递控制信号，能量传递时次要的。

常用电机分类：第3章直流电机的工作原理及特性电机分为直流电机和交流电机。

直流电机——工作电压或输出电压为直流电压。

交流电机——工作电压为交流电压。

直流电机：直流电动机——将电能转换成机械能。

直流发电机——将机械能转换成电能。

直流电机与交流电机的比较交流电机较直流电机的结构简单，制造容易，维护方便，运行可靠；直流电机有交流电机不可比拟的启动和调速性能；直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和制动频繁的场合；直流电机即可做电动机用，又可作发电机用。

3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构包括定子、转子和换向器实际直流电机构造定子实际直流电机构造转子换向片剖视图3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构定子部分：主要由主磁极、换向极（铁芯）和绕在上面的励磁绕组等组成。

作用：产生主磁场和支撑电机转子部分：主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成。

作用：产生感应电动势和机械转矩，实现能量转换。

主磁极：产生气隙磁场，以便电枢绕组在此磁场中转动而感应电势。

产生磁场有两种方法，一是采用永久磁铁作主磁极——永磁直流电机(绝大部分的微小型直流电机)；二是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场(中大型直流电机) 。

电枢铁芯：主磁通磁路的一部分，嵌置电枢绕组。

一般用0.5或0.35毫米厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，以防涡流。

第三章 直流电机原理(最新)

第3章 直流电机原理 章
3.1直流电机的用途、结构及基本工作原理 直流电机的用途、 直流电机的用途 3.2直流电机的励磁磁场 直流电机的励磁磁场 3.3直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组 3.4 直流电机的负载磁场及电枢反应 3.5 直流电机的感应电势与电磁转矩 3.6 直流发电机 3.7 直流电动机 3.8 直流电机的换向
1.定子 定子
主磁极； 换向磁极； 机座； 主磁极； 换向磁极； 机座；电刷
主磁极 主磁极的作 用是建立主磁场。 用是建立主磁场。
S N N S
主磁极
换向磁极
换向极:它的作用是改善直流电机的换向情况， 换向极 它的作用是改善直流电机的换向情况， 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。 使电机运行时不产生有害的火花。
– – – – 调速范围广，平滑。 过载、起动、制动转矩大。 易于控制，可靠性高 调速时能量损耗小
• 直流电机缺点
– 换向困难 – 结构复杂，维修不方便 – 价格高
用途、 §3-1用途、结构及基本工作原理 用途
二、直流电机的工作原理
（1）直流发电机的工作原理
Shockwave Flash Object
第二节矩y2:在相串连的两个元件中，第一个元件的下层 第二节矩 边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为 第二节矩。第二节矩用y2表示，也用虚槽数计算。
合成节矩y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距 合成节矩y 离，称为合成节矩。 叠绕组： 叠绕组：y = y1 - y2
Shockwave Flash Object
随着的增大，铁心部分所需磁势 将很快增大，磁化曲线偏离气隙 线而开始弯曲，进入饱和区． 饱和系数 Φ0 a b c
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并励线圈导 线细，匝 数多
I ? Ia ? I f
串励线圈 导线粗， 匝数少
? 积： F ? FS ? Ff
? 差： F ? FS - Ff
先并后串， 先串后 并
3.3 直流电机电枢绕组
电枢绕组是由许多形状完全一样的绕 组元件按一定规律连接起来的。 一个绕组元件就是一个线圈，称为元 件，元件数用 S表示。 线圈/元件可能单匝，也可能多匝。用 Ny表示。 每元件的二引出线称为首端和尾端。分别接到不同的换向 片上。即一个换向片既接一个元件的首端，也接一个元件 的尾端。故换向片数 K=S 。
? 3.8 直流电机的换向与改善方法
3.1 直流电机的用途及基本工作原理
直流发电机： 机械能变为直流电能
直流电动机： 直流电能变为机械能
直流电机发明较早，当三相交流电发明后，交流电机迅速 发展，但直流电机仍有使用，其优点有：
1、调速范围广，调速平滑。 2、过载能力较强，起动和制动转矩大。 3、易于控制，可靠性高 4、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影
直流电压 →在线圈中 产生电流→载流导 体在磁场中受到力 的作用F=BIL→克服 阻力转动→对外输 出机械能
转子旋转180电角度：
? 直流电源供电，电 流方向不变→旋转 180度后电磁力方向 反向→平均电磁力 矩为零→若要保持 电磁力方向不变， 则：改变磁极极性 或改变电流方向
直流电动机原理—换向
? 几何中心线：磁极的 几何分界线
? 电刷和换向器配合
? 电流换向=电流逆变： 导体运动经过磁极的 几何中心线期间→交 换线圈电源极性→交 换线圈电流方向→电 磁力方向维持不变
直流发电机工作原理： ? 建立主极磁场 →外加
机械转矩 →线圈在磁 场中旋转 →运动导体 在磁场中产生感应电 动势 e=Blv→ 带电负 载→对外输出电能
第三章 直流电机原理
主要内容
? 3.1 直流电机的用途及基本工作原理 ? 3.2 直流电机的主要结构、额定值和励磁方
式 ? 3.3 直流电机电枢绕组 ? 3.4 直流电机的磁路与电枢反应 ? 3.5 电枢电动势与电磁转矩 ? 3.6 它励直流电机稳态运行时方程 ? 3.7 直流电动机的运行特性 ? 3.9 串励和复励直流电动机
直流电机原理要求结构组成:
磁场→主磁极→永久磁铁/线圈 线圈→电枢绕组 换向器和电刷→换流/整流
3.2 直流电机的主要结构、额定值、 一、主要结构 励磁方式
直流电机剖面图
极掌/极靴 S
极心
N ···
励磁绕组
···
S
机座
转子
N
结构细说
风叶 磁极 电刷
转 轴
换 向 器
换向片 换向器
电枢转子
电枢绕组 压紧环
换向=机械整流：
? 线圈旋转方向不变 →导体感应电动势（在不同极 下感应电势方向不同，导体感应电势交变） →感 应电势换向 =整流：经过磁极的几何中心线，交换 线圈输出极性，输出直流，否则输出交流
eXA
e AB
2?
3?
线圈电动势的波形
电刷间的电动势波
脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈 串联而构成的。 N ? ? 时，理想：E ? C
5．励磁方式和额定励磁电流 IfN （A）
另外：还有额定转矩 TN和额定效率ηN
注意：额定容量，对直流发电机来说，是指 电刷端输出的电功率，对直流电动机来说， 是指轴上输出的机械功率。
? 所以，直流发电机：的额定容量为：
PN ? U N I N
? 而直流电动机的额定功率为
PN ? U N I N? N
响小。
一、直流电机的用途
直流电动机用于对调速要求较高的生产机械上，如 轧钢机、电力机车、挖掘机械、纺织机械等
直流发电机用作直流电动机和交流发电机的电源
测速发电机
伺服电动机
做励磁机用：一般小于 10万kW 即 100MW的单机同步发电机要用直 流发电机作为励磁机。
二、直流电机的基本工作原理
直流电动机工作原理： ? 建立主极磁场→外加
每元件的一边占了某槽的上边，另一 边就占某槽的下边。但一个槽里可并 列放几个元件，引入虚槽概念，设有 Z个实槽，一个实槽中的虚槽数为 u， 则总虚槽数 Ze=uZ=S=K
电枢总导体数 N为：N ?２uN yZ＝2N yZe 分析电枢绕组连接规律，着重研究它的节距、展开图、元 件连接次序和并联支路图。
4、电刷：靠弹簧压在换向器上，实现电枢电流的换 向。
5、电枢铁心：是电机主磁路一部分。电枢旋转时， 会有涡流与磁滞损耗，为减少损耗，用硅钢片冲压而 成。
6、电枢绕组：用包有绝缘的铜线绕制成一个个电枢 线圈，线圈又称为元件。元件 2个出线端连接换向片。
7、换向器：装在转轴上，由许多换向片组成，换向 片间是绝缘片。换向片与线圈元? 9.55 PN nN
或 9550
PN nN
( 功率单位
P32：国产直流电机的型号（略）
例3-1 3-2 P32
: kw)
三、励磁方式：
直流电机主极磁场：
永久磁铁：磁场弱
电源连接方式 直流励磁绕
它励
组
自励
并励 串励 复励
连接不同，特性不同3.8、3.9
I ? Ia
I ? Ia ? I f
绕组端部
定子： 机座、主磁极、换向极和电刷装置等 转子： 电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴
承等 1、机座：
1）导磁，是主磁路的一部分，叫定子磁轭，用铸钢 制作。
2）机械支撑作用 2、主磁极：又叫主极，形成磁场
永久磁铁：小直流电机，叫永磁直流电机 电磁线圈：铁心和励磁线圈
钢板冲叠
3、换向极：又叫附加极，装在两主极之间。 1KW以 上电机，改善换向，见 3.10 节。铁心用整块钢板，绕 组流过电枢电流，匝数少、线粗
直流电机换向器结构
二、电机的铭牌数据（额定值）
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计 数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、 转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额 定值。直流电机的额定值有：
1．额定容量（功率）（ kW）：PN 2．额定电压（ V）： UN 3．额定电流（ A）： IN 4．额定转速 （r／min）： nN
直流电机电枢绕组最基本的连接型式有单叠和单波绕组。 还 有复叠、复波和混合绕组。 我们介绍单叠绕组。
一、节距
指两元件边的距离，以虚槽数表示。