第3章 直流电机原理
3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
直流电机的用途： 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速 有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、 龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造 纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，图 3-7所示是其应用的几种实例。
第3章 直流电机原理
3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
3.1.2直流电机的基本工作原理
（a）ab边在N极下cd边在S极上线圈转动方向及电动势方向 （b）转子转过180°后线圈转动方向及电动势方向
图3-8 直流发电机的物理模型
第3章 直流电机原理
3.2 直流电机的主要结构与铭牌数据
3.2.1 直流电机的主要结构 直流电动机结构主要由定子（静止部分）、转子（转动部分或称电枢）
图3-10 直流电机的组成部件 1-前端盖；2-风扇；3-机座； 4-电枢；
5-电刷架；6-后端盖
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3.2 直流电机的主要结构与铭牌数据
第3章 直流电机原理
3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
图3-1 第一台电机原理图
图3-2 法拉第圆盘发电机
图3-3 斯特金的旋转电动机
图3-4 现代直流电机
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3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展 直流电机得以迅速发展。在现代工业生产中，生产机械一般都用电动机拖 动随着现代化的发展，工业自动化水平不断提高，各种自动控制系统中也 日益广泛地应用各种控制电机。为了提高生产率和保证产品质量，大量的 生产机械要求直流电机以不同的速度工作。这就要求人们采用一定的方法 来改变机组的转速，即对直流电机进行调速。对电机的转速不仅要能调节 ，而且要求调节的范围宽广，过程平滑，调节的方法要简单、经济。直流 电机在上述方面都具有独到的优点，使它得到广泛的应用。
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3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
(a）地铁列车
(b)城市电车
(c）电动自行车
图3-7 直流电动机的用途
(d)造纸机
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3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
3.1.2直流电机的基本工作原理
(1)直流发电机工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。如图3-8为直流发电机 的物理模型。N、S为定子磁极，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称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个 相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上（由换向片构成的圆柱体称为换向 器）。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。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，线圈的 ab、cd两边因切割磁感应线而产生感应电动势。由右手定则可以判断出感应 电动势的方向为 d→c→b→a，电刷A极性为正，电刷B极性为负。
两大部分组成。定子与转子之间有间隙称为气隙。定子部分包括：主磁极、 换向磁极、电刷装置、机座、端盖和轴承等装置；转子部分包括电枢铁心、 电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部分。
图3-9 直流电机的结构 1-端盖；2-电刷装置；3-换向器；4-电枢线圈； 5-电枢铁芯；6-磁轭；7-主磁极； 8-3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
但直流电机也有它显著的缺点： 一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高； 二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差， 维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调 速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制 性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。
图3-5 直流发电机
图3-6 直流电动机
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3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
直流电机的特点： 直流电动机与交流电动机相比，具有优良的调速性能和启动性能。直 流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级 快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自 动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大 功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制。
第3章 直流电机原理
3.1直流电机的应用背景及基本工作原理 3.2直流电机的主要结构与铭牌数据 3.3直流电机的电枢绕组和磁场 3.4直流电机的电枢电动势与电磁转矩 3.5直流电动机运行原理
第3章 直流电机原理
3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
直流电机诞生至今已有180多年的历史了。和其他人类伟大的发明一样 ，直流电机也经历了漫长而艰苦的历程。1821年9月法拉第发现通电的导线能 绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械 运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机 ，如图3-1所示。1831年，法拉第发现了电磁感应现象之后不久，他又利用电 磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机-法拉第圆盘发电机，如图3-2 所示。1832年，斯特金发明了换向器，并制作了世界上第一台能产生连续运 动的旋转电动机，如图3-3所示。后来又经过许多科学家长期改进演变，最终 形成了现在美观实用的直流电机。有一种常被运用在玩具上的电机如图3-4所 示。
第3章 直流电机原理
3.1 直流电机的应用背景及基本工作原理
直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械，按照用 途可以分为直流电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能 的电机称为直流发电机，如图3-5所示；将直流电能转换成机械能的电机称 为直流电动机，如图3-6所示。直流电机是工矿、交通、建筑等行业中的常 见动力机械，是机电行业人员的重要工作对象之一。作为一名电气控制技 术人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点，掌握主要参数的 分析计算，并能正确熟练地操作使用直流电机。