a) 图1-1 直流电动机的工作原理
1.1.1 直流电动机的基本工作原理
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。
实际的直流电动机，电枢 圆周上均匀地嵌放许多线圈， 相应地换向器由许多换向片组 成，使电枢线圈所产生的总的 电磁转矩足够大并且比较均匀， 电动机的转速也就比较均匀。
1.2.2 电机的铭牌
1. 铭牌数据 根据国家标准，直流电机的额定数据有： ⒈额定功率 PN
指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功 率，以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 ★对于直流发电机，PN是指发电机带额定负载时，电刷输出 的功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN
用适当的导磁和导电材料构成能互相进行电磁感应 的电路和磁路，以产生电磁功率和电磁转矩，达到能量 转换的目的。
电机分类：
动力电机 旋 转 电 机
微特电机
交流电机 直流电机
感应电机
同步电机 直流电动机 直流发电机
感应电动机 感应发电机
同步电动机 同步发电机 同步补偿机
伺服电动机、步进电动机、测速发电机 回转变压器、自整角机、直线电动机
1.2.2 电机的铭牌
例题1-1： 一台直流电动机其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V， 额定效率η N=90%，额定转速nN=1500r/min，求该电动机 额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多 少？
解：额定输入功率 P1= PN/ η N=160/0.9=177.8kW
★对于直流电动机，PN是指电动机带额定负载时，转轴上输 出的机械功率，所以公式中还应有效率η N存在。 PN＝UNINη N (η N额定效率）
1.2.2 电机的铭牌
⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为量纲单位。
⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A”
图1-2 直流发电机的工作原理图
1.1.2 直流发电机的基本工作原理
直流发电机是将机械能转 变成电能的旋转机械。
当原动机驱动电机转子逆 时针旋转时，线圈abcd将产 生感应电动势。
如右图，导体ab在N极下， a点高电位，b点低电位；导 体cd在S极下，c点高电位，d 点低电位；电刷A极性为正， 电刷B极性为负。
面向21世纪高职高专系列教材
张 勇 主编
电机拖动与控制
青岛港湾职业技术学院
第0章 电机概述
电机的定义
电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电 动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为 电动机；将机械能转换为电能的电机称为发电机。
工作原理
电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。
构造的一般原则
1.2 直流电机的结构及铭牌
1.2.1 结构
直流电机结构： 主要由定子、转 子（电枢）两大 部分组成。
定子的作用是产 生磁场；转子的 作用是产生电磁 转矩和感应电动 势。
1.2.1 结构
图1-4 直流电机横剖面示意图
1.2.1 结构
1.定子 直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装
置等部件组成。 (1)主磁极：主要作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主 磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁 场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。 主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用 是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容 易固定。 (2)换向极：主要作用是改善换向，安装在两相邻主磁极之间， 是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成。 (3)机座：机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是 作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。 机座的两端装有端盖。 (4)端盖：端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子， 将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。
第一章 直流电机基本理论及结构
直流电机优缺点：
优点：起动性能和调速性能好，过载能力大。 缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多， 价格昂贵，运行可靠性差。
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。
1.1 直流电机的基本工作原理
(2)电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。
若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=B·L·V
E：感应电势，V B：磁感应强度, Wb/m2或T(特斯拉)
L: 导体的有效长度，m
V：导体的运动速度，m/s
•感应电动势的方向用右手定则确定：
1.1 直流电机的基本工作原理
(3)电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。
•磁场的方向用右手螺旋定则确定：
1.1 直流电机的基本工作原理
1.1.1 直流电动机的基本工作原理
直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械。
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。 把电刷A、B接到直流电源上，电 刷A接正极，电刷B接负极。此时 电枢线圈中将电流流过，电流方 向a到b到c到d到a。在磁场作用 下，N极性下导体ab受力方向从 右向左，S 极下导体cd受力方向 从左向右。该电磁力形成逆时针 方向的电磁转矩。当电磁转矩大 于阻转矩时，电机转子逆时针方 向旋转。如右图。
图1-2 直流发电机的工作原理图
1.1.2 直流发电机的基本工作原理
当原动机驱动电机转子逆 时针旋转180度后，如右图。 导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在 N极下，c点低电位，d点高 电位；电刷A极性仍为正， 电刷B极性仍为负。可见， 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。
• ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。 • ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。
1.3 直流电机的电枢绕组
1.3.1 电枢绕组的常用术语
•元件（线圈）：构成绕组的线圈称为绕组元件，分 单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组 成，元件边放在槽内，能切割磁力线而产生感应电动 势，叫“有效边”，端接线放在槽外，不切割磁力线， 仅作为连接线用。每个元件的一个元件边放在某一个 槽的上层，另一个元件边则放在另一槽的下层。
在额定电压下，运行于
出线端的平均电压 额定转速 nN 额定功率时对应的电流
发电机：是指输出额定电压； 在额定电压、额定电额定功率时对应的转速
1.2.2 电机的铭牌
额定励磁电流 I fN
励磁方式
对应于额定电压、额定电流、额 定转速及额定功率时的励磁电流
指直流电机的励磁线圈 与电枢线圈的连接方式
静 止 电 变压器 机
电力变压器：升压变压器、降压变压器
特种变压器：自耦、三绕组、互感器
我们周围的电机举例：
我们周围的电机举例：
第一章 直流电机基本理论及结构
本章内容：
直流电机的基本工作原理 直流电机的结构及铭牌 直流电机的电枢绕组 直流电机的磁场 电枢绕组的感应电动势与电磁转矩 直流电机中的换向 直流电动机的分类
1.2.1 结构
1.2.1 结构
1.2.1 结构
1.转轴 2.轴承 3.换向器 4.电枢铁心 5.电枢绕组 6.风扇 7.轴承
图1-9 直流电机转子结构
1.2.2 电机的铭牌
电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择 和使用时参考。
额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指 定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时， 可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能。额 定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通 常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。
此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、 出厂编号等。
●电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，其大小等于输出的额 定机械功率除以转子额定角速度，
即TN= PN /Ω N=PN/(2π nN/60)=9.55 PN/ nN
※实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运 行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行；而电机的负载 超过额定容量，称为过载运行。长期的欠载或过载都不好。
为量纲单位。
⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。
⒌额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。
1.2.2 电机的铭牌
指轴上输出 的机械功率
电动机
额定功率 PN
额定条件下电机
发电机
指电刷间输出的 额定电功率
所能提供的功率
额定电压 U N
额定电流 IN
在额定工况下，电机
b) 图1-1 直流电动机的工作原理
1.1.1 直流电动机的基本工作原理
电机的各组成部件
1.1 直流电机的基本工作原理
1.1.2 直流发电机的基本工作原理
右图为直流发电机的物 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。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。
1.1 直流电机的基本工作原理
补充：分析电机常用的基本电磁定律
(1)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