电机与拖动基础课件：直流电机原理

2025/6/261直流电机原理★5.1直流电机工作原理★5.2直流电机的结构和额定值★5.3直流电机的磁场、电动势和转矩★5.4直流电动机的基本平衡方程式★5.5直流电机的电枢反应和换向★5.6直流电动机的工作特性★5.7直流发电机★5.8应用实例5.1直流电机工作原理2025/6/263直流电动机与交流异步电动机相比，具有较好的启动性能、在较宽的范围内达到平滑无级地调速，同时又比较经济；所以广泛地应用于轧钢机、电力机车、大型机床拖动系统以及玩具行业中。控制性能优良。2025/6/2645.1直流电动机工作原理

图5.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。图5-1直流电动机工作原理示意图2025/6/265

如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。图5-2直流发电机工作原理图5.1.2直流发电机基本工作原理5.2直流电机的结构和额定值2025/6/2675.2.1直流电机的结构2025/6/2681.定子部分：直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。1）主磁极

又称主极。在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。2）换向极

容量在1kw以上的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极。换向极又称附加极或间极，其作用为了改善直流电机的换向。3）机座

一般直流电机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起两方面的作用：一方面起导磁的作用，一方面起机械支撑的作用。4）电刷装置

电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。5.2.1直流电机的结构2025/6/2692.转子部分：直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。1）电枢铁心

电枢铁心作用有二，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。2）电枢绕组

它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换。3）换向器

在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。5.2.1直流电机的结构2025/6/2610

按照连接规律的不同，电枢绕组主要分为单叠绕组(见图5-4)、单波绕组(见图5-5)5.2.2直流电机的电枢绕组图5-4单叠绕组

图5-5单波绕组1-首端2-末端3-元件边4-端接部分5-换向片2025/6/26111.电枢绕组元件电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽内、能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。元件的槽外部分亦即元件边以外的部分称为端接部分。为便于嵌线，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层，称为上层边，画图时以实线表示；另一个元件边则嵌放在另一槽的下层，称为下层边，画图时以虚线表示。每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S总等于换向片数K，即S=K；而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数S又等于槽数Z，即S=K=Z。

5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/26122.节距

节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电机电枢绕组的节距有第一节距y1、第二节距y2、合成节距y和换向器节距yk4种，如图5-6所示。(a)单叠绕组(b)单波绕组图5-6节距示意图5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/26131)第一节距。同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离，用槽数来表示，称为第一节距y1。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距τ，当用槽数表示时，节距的表达式为

式中--磁极对数。为使每个元件的感应电动势最大，第一节距y1应尽量等于一个极距τ，但τ不一定是整数，而y1必须是整数，为此，一般取第一节距5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2614整数式中，ε为小于1的分数。

的元件为整距元件，绕组称为整距绕组；

的元件称为短距元件，绕组称为短距绕组。2)第二节距。第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为第二节距y2，如图5-6所示。

5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/26153)合成节距。直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为合成节距y，如图5-6所示。

4)换向器节距。每个元件的首、末两端所连接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数表示，称为换向器节距yk。由图5-6可见，换向器节距yk与合成节距y总是相等的，即yk=y。单叠绕组的联接方法和特点。下面通过一个实例来说明。5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2616[例题5-1]设一台直流发电机2=4，Z=S=K=16，联接成单叠右行绕组。计算各节距,第一节距

合成节距

和换向器节距

5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2617第二节距绘制绕组展开图

如下图5-7所示。所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿的中间切开，并展开成平面的联接图5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2618图5-7绕组展开图5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2619绕组元件联接顺序图图5-8绕组元件顺序联接图5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2620绕组电路图图5-9绕组电路图5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2621总结：对电枢绕组中的单叠绕组，有以下特点：（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数，

。（2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电刷数等于极数。5.2.2直流电机的电枢绕组2025/6/2622励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类。1．他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系。2．并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。5.2.3直流电机的励磁方式2025/6/26233.串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联4．复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。5.2.3直流电机的励磁方式2025/6/2624图5-10直流电机分类5.2.3直流电机的励磁方式2025/6/2625

直流电机的额定值主要有下列几项：

1)额定功率PN额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是指电枢输出的电功率。单位为kW(千瓦)。2)额定电压UN额定电压是电机电枢绕组按照规定的工作方式外加电压或输出电压，单位为V(伏)。5.2.4直流电机的额定值2025/6/26263)额定电流IN额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安培)。

4)额定转速nN额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为rpm。

额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩TN、额定效率

等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。5.2.3直流电机的励磁方式2025/6/2627额定功率与额定电压和额定电流之间有如下关系：直流电动机

直流发电机

直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行(轻载)；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。5.2.3直流电机的励磁方式5.3直流电机的磁场、电动势和转矩2025/6/2629

由直流电机基本工作原理可知，直流电机无论作发电机运行还是作电动机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介

直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，负载时，电枢绕组流过电枢电流Ia，产生电枢磁势Fa，与励磁磁势Ff共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。

5.3.1直流电机的磁场2025/6/2630电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为：(1)使气隙磁场发生畸变。半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强。对发电机，是前极端(电枢进入端)的磁场削弱，后极端(电枢离开端)的磁场加强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对发电机，是顺旋转方向偏离；对电动机，是逆旋转方向偏离。(2)磁路饱和时，有去磁作用。因为磁路饱和时，半个极下增加的磁通小于另半个极下减少的磁通，使每个极下总的磁通有所减小。5.3.1直流电机的磁场2025/6/2631

电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢旋转时，电枢绕组元件边内的导体切割电动势，由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，所以导体中感应电动势的大小是变化的。为分析推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值

，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为

5.3.2电枢绕组的感应电动势2025/6/2632式中--一个极下气隙磁密的平均值，称平均磁通密度；--电枢导体的有效长度(槽内部分)；

--电枢表面的线速度。由于5.3.2电枢绕组的感应电动势2025/6/2633所以，一根导体感应电动势的平均值设电枢绕组总的导体数为N，则每一条并联支路总的串联导体数为

，因而电枢绕组的感应电动势5.3.2电枢绕组的感应电动势2025/6/2634式中，--对已经制造好的电机，是一个常数，故称为直流电机的电动势常数。

每极磁通

的单位用Wb(韦伯)，转速单位用r/m时，电动势Ea的单位为V。上式表明：对已制成的电机，电枢电动势Ea与每极磁通

和转速n成正比。5.3.2电枢绕组的感应电动势2025/6/2635

电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支路电流ia，成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力

的方向按左手定则确定，一根导体所受电磁力的大小为

如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密用平均值Bav表示，则每根导体所受电磁力的平均值为

5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2636一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为式中D--电枢外径。

不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩方向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值Tav乘以电枢绕组总的导体数N，即5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2637式中--对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。

磁通的单位用Wb，电流的单位用A时，电磁转矩T的单位为N·m(牛·米)。上式表明：对已制成的电机，电磁转矩T与每极磁通

和电枢电流Ia成正比。

5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2638电枢电动势

电磁转矩

是直流电机两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势常数Ce和转矩常数CT之间具有确定的关系：5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2639[例题5-2]:一并励电动机额定电压UN=220V，额定电流IN=40A，额定励磁电流IFN=1.2A，额定转速nN=1000r/m，电枢电阻Ra=0.5Ω，略去电枢反应的去磁作用。额定转速时空载特性如表格5-1：求：在负载转矩和励磁电阻不变，电源端电压为180V时1）输入总电流2）电机转速和理想空载转速。5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2640解：根据E0=CenN

得下列Ce=f(IF0)表格电枢额定电流1）当电源电压由220V降低至180V，励磁电阻不变，并励绕组的励磁电流5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2641对照上述表格：当IFN=1.2（A）时，CeφN=0.1986当IF=0.982（A），采用插入法求Ceφ5.3.3直流电机的电磁转矩2025/6/2642降压后电机负载不变，得：输入电流I=IF+Ia=42.6+0.982=43.582(A)2）降压后电动机的负载转速电机的理想空载转速

n0=1000r/m(?)

5.3.3直流电机的电磁转矩5.4直流电动机的基本方程2025/6/2644电枢回路的电势平衡方程式为5.4.1电压平衡方程Ud=Ea+IaRa+2Δus

式中Ia--电枢电流；

Ra--电枢回路的电阻；

2Δus--正负电刷的接触电压降落。在额定负载时，一般情况下取2Δus=2V。2025/6/2645如果端电压Ud大于感应电动势Ea，即Ud>Ea

，电流从电网流入电枢绕组，成为电动机运行；反之，如果Ud<Ea，则电枢绕组向外输送电流，成为发电机运行。同样，在这两种运行状态下，电枢均产生电磁转矩。在电动机中，电磁转矩与转向同方向，成为驱动转矩；而在发电动机中，电磁转矩与转向相反，使之成为制动转矩。5.4.1电压平衡方程2025/6/2646

以并励电动机为例来进一步论述电动机内部的功率平衡关系。并励电动机的负载电流I为电枢电流Ia与励磁电流If之和，I=Ia+If由电网输入的电功率为P1=UdI=UdIa+UdIf=UdIa+pf

UdIa=EaIa+Ia2Ra+2ΔusIa=Pem+pa+pb

5.4.2功率平衡方程式2025/6/2647式中称为电磁功率，是电枢电流与电枢电动势的乘积，是电枢绕组因切割主磁通而产生的电功率。输入至电枢回路中的功率除了一小部分化作电枢回路的铜损（或）和电刷接触损耗外，大部分为电磁功率。在直流电动机情况下，电磁功率就是转变为机械功率的功率。这一转变而来的机械功率尚不能全部被利用，还需克服铁心损耗、机械损耗和杂散损耗后，才是电动机轴上的输出功率，即有5.4.2功率平衡方程式2025/6/2648电动机的功率平衡方程式为画出直流并励电动机的功率流程如图5-11所示。图5-11直流电机功率流程图5.4.2功率平衡方程式2025/6/2649直流电动机的转矩平衡方程式是：电磁转矩电动机轴上的输出转矩5.4.3转矩平衡方程式2025/6/2650损耗引起空载转矩电动机轴的电磁转矩一部分与负载转矩相平衡，另一部分是空载损耗。5.4.3转矩平衡方程式2025/6/2651

电枢磁动势对主极磁场产生的影响，这种现象称为电枢反应。

当电枢绕组中没有电流通过时，由磁极所形成的磁场称为主磁场，近似按正弦规律分布。当电枢绕组中有电流通过时，绕组本身产生一个磁场，称为电枢磁场。电枢磁场对主磁场的作用将使主磁场发生畸变,产生电枢反应;5.5直流电机的电枢反应和换向2025/6/26521．主极磁场主极磁场有励磁绕组通入励磁电流产生（1）几何中性线nn。（2）物理中性线mm。在电枢电流为零的情况下，主极磁场的nn和mm是重合的。2．电枢磁场当电机在负载下运行时，电枢绕组中有负载电流流过，电枢电流产生的磁场称为电枢磁场。5.5.1直流电机的磁场2025/6/2653图5-12直流电机磁场分布直流发电机主磁场分布直流发电机电枢磁场分布直流发电机合成磁场分布5.5.1直流电机的磁场2025/6/26541．交轴电枢反应交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。在这里，我们为了分析问题的简单，假定(1)磁场是不饱和的，(2)发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。可知A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的位置我们称之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。5.5.2电枢反应2025/6/26552.直轴电枢反映当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应。A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应;若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的。5.5.2电枢反应2025/6/2656

直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷短路后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程称为换向过程，简称换向。产生换向火花的原因有多种，最主要的是电磁原因。还有机械方面和化学方面的原因。1.机械原因产生换向火花的机械原因有很多，主要是换向器偏心、换向片间云母绝缘凸出、转子平衡不良、电刷在刷握中松动、电刷压力过大或过小、电刷与换向器的接触面研磨得不好因而接触不良等等。为使电机能正常工作，应经常进行检查、维护和保养。5.5.3直流电机的换向2025/6/26572.化学原因电机运行时，由于空气中氧气、水蒸气以及电流通过时热和电化学的综合作用，在换向器表面形成一层氧化亚铜薄膜，这层薄膜有较高的电阻值，能有效地限制换向元件中的附加换向电流

，有利于换向。同时薄膜吸附的潮气和石墨粉能起润滑作用，使电刷与换向器之间保持良好而稳定的接触。电机运行时，由于电刷的摩擦作用，氧化亚铜薄膜经常遭到破坏。但是在正常使用环境中，新的氧化亚铜薄膜又能不断形成，对换向不会有影响。如果周围环境氧气稀薄、空气干燥或者电刷压力过大时，氧化亚铜薄膜难以生成，或者周围环境中存在化学腐蚀性气体能破坏氧化亚铜薄膜，都将使换向困难，火花变大。5.5.3直流电机的换向2025/6/26583.改善换向的方法 改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。产生火花的原因是多方面的，其中最主要的是电磁原因。消除或削弱电磁原因引起的电磁性火花的方法有：1）选择合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻。2）装设换向极。3）装补偿绕组。5.5.3直流电机的换向5.6直流电动机的工作特性2025/6/2660直流电动机的工作状态和性能可用下列几个特性来表示：1.转速特性转速特性是指当时，5.6直流电动机的工作特性Ua=UN，IF=IFNn=f（Ia）的关系曲线。由电动势公式和电压方程得转速特性公式2025/6/2661

若忽略电枢反应，当Ia增加时，转速n下降，形成转速降

n，如图5-13所示。若考虑电枢反应的去磁效应，磁通下降可能引起转速的上升，与Ia增大引起的转速降相抵消，使电动机的转速变化很小。实际运行中为保证电动机稳定运行，一般使电动机的转速随电流Ia的增加而下降。转速降一般为额定转速的3~8%，呈基本恒速状态。5.6直流电动机的工作特性图5-13直流电动机的工作特性2025/6/26622.转矩特性转矩特性是指当Ud=UN，IF=IFN时，T=f（Ia）的关系曲线。由转矩特性公式T=CTφIa可知在磁通为额定值时，电磁转矩与电枢电流成正比。若考虑电枢反应的去磁效应，转矩随电枢电流的增加而略微下降，如图5-13所示。3.效率特性效率特性是指Ua=UN，IF=IFN时，

=f（Ia）的关系曲线。电动机运行的总损耗为5.6直流电动机的工作特性2025/6/2663

电动机的损耗中仅电枢回路的铜耗与电流Ia成平方正比关系，其他部分与电枢电流无关。电动机的效率随Ia增大而上升，当Ia大到一定值后，效率又逐渐下降，如图5-13所示。一般直流电动机的效率在75%~94%之间。

直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。若使励磁电流IF=0，则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若电动机负载为轻载，电动机的转速迅速上升，造成“飞车”；若电动机的负载为重载，电动机的电磁转矩将小于负载，电机转速减小但电枢电流将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。因此在闭合电动机电枢电路前应先闭合励磁电路，保证电动机可靠运行。5.6直流电动机的工作特性5.7直流发电机2025/6/26651.电动势平衡方程式用基尔霍夫电压定律，可以列出电动势平衡方程式为5.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式Ud上式表明，直流发电机的端电压Ud等于电枢电动势

减去电枢回路内部的电阻压降

，所以电枢电动势

应大于端电压Ud。2025/6/26662.转矩平衡方程式直流发电机以转速n稳态运行时，作用在电机轴上的转矩有三个：一个是原动机的拖动转矩T1，方向与n相同；一个是电磁转矩T，方向与n相反，为制动性质的转矩；还有一个由电机的机械损耗及铁损耗引起的空载转矩T0，也是制动性质的转矩。因此，可以写出稳态运行时的转矩平衡方程式为5.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式2025/6/26673.功率平衡方程式将上式乘以发电机的机械角速度，得可以写成5.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式2025/6/2668式中，，为原动机输给发电机的机械功率，即输入功率；，发电机的电磁功率；，发电机的空载损耗功率。电磁功率5.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式2025/6/2669和直流电动机一样，直流发电机的电磁功率亦是既具有机械功率的性质，又具有电功率的性质，所以是机械能转换为电能的那一部分功率。直流发电机的空载损耗功率也是包括机械损耗，和铁损耗两部分。将电动势平衡方程式两边乘以电枢电流,有即5.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式2025/6/2670式中，

Ua

，为发电机输出的功率；

，为电枢回路铜损耗。上式可以写成如下形式综合以上功率关系，可得功率平衡方程式5.7.1直流发电机稳态运行时的基本方程式2025/6/2671一般情况下，直流发电机的总损耗直流发电机的效率5.7