第3章 直流电机的过渡过程
直流电机换向的物理过程
直流电机换向的物理过程
直流电机的换向是指电机的电流方向和磁场方向在运转过程中发生变化，从而使电机转向。
具体来说，直流电机的换向过程包括下列几步：
1. 电机的旋转：在电机启动时，电流从直流电源流入电机绕组，形成一个磁场。
磁场与电机中的磁铁产生相互作用，导致转子开始旋转。
2. 切断电源：当电机转到一定角度时，需要切断电源，以便反转电流方向。
一般采用机械式换向器，在转子转到一定位置时，换向器自动切换电流方向。
3. 反转电流：当电源被切断后，电机绕组中的电流也被切断。
此时，磁场也停止了。
然而，由于转子的惯性作用，电机仍然继续旋转。
在这个过程中，磁场发生了变化，导致了电动势的产生。
这个电动势反向了电机绕组中的电流方向。
4. 再次接通电源：当电机旋转到另一个位置时，需要再次接通电源，以便让电流流入反向的绕组。
这使得磁场方向发生了改变，并且电机开始沿着反向方向旋转。
5. 重复以上步骤：这个过程不断重复，直到电机达到所需的转速和方向为止。
总之，直流电机的换向是通过周期性改变电流方向和磁场方向来实现的。
它是电机工作的关键过程之一，直接影响到电机的运行效率和性能。
机电传动控制第五版课后答案--最全版
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第一章绪论1、机电传动控制的目的是什么？答：机电传动控制的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速、反转以及各种生产工艺过程的要求，以满足生产的需要，提高生产效率和产品质量。
2、机电传动系统由哪些部分组成？答：机电传动系统通常由电动机、传动机构、生产机械、控制系统和电源等部分组成。
电动机作为动力源，将电能转化为机械能；传动机构用于传递动力和改变运动形式；生产机械是工作对象；控制系统用于控制电动机的运行状态；电源则为整个系统提供电能。
3、机电传动系统的运动方程式是什么？其含义是什么？答：运动方程式为 T M T L ＝J(dω/dt) 。
其中，T M 是电动机产生的电磁转矩，T L 是负载转矩，J 是转动惯量，ω 是角速度，dω/dt 是角加速度。
该方程式表明了机电传动系统中电动机的电磁转矩与负载转矩之间的平衡关系，当 T M ＞ T L 时，系统加速；当 T M ＜ T L 时，系统减速；当 T M ＝ T L 时，系统以恒定速度运行。
第二章机电传动系统的动力学基础1、为什么机电传动系统中一般需要考虑转动惯量的影响？答：转动惯量反映了物体转动时惯性的大小。
在机电传动系统中，由于电动机的转速变化会引起负载的惯性力和惯性转矩，转动惯量越大，系统的加速和减速过程就越困难，响应速度越慢。
因此，在设计和分析机电传动系统时，需要考虑转动惯量的影响，以确保系统的性能和稳定性。
2、多轴传动系统等效为单轴系统的原则是什么？答：多轴传动系统等效为单轴系统的原则是：系统传递的功率不变，等效前后系统的动能相等。
3、如何计算机电传动系统的动态转矩？答：动态转矩 T d ＝ T M T L ，其中 T M 是电动机的电磁转矩，TL 是负载转矩。
直流电动机的电力拖动特性和过渡过程
[例9-1 ] 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：PN 22kW UN 220V IN 116A nN150r/0min
试计算其机械特性。
解
R a3 2 U N II N N 2 P N 3 2 2 2 1 10 1 2 1 26 6 2Ω 0 0 .0 1Ω 0 74
C e N U N n N IN R a 22 1 10 1 5 0 .1 6 07 V 04/( r0 ./1 m V 3i3 /n ()r
起动开始时降低端电压 使 Ist＝(1.5 ～ 2.0)IN,
Tst=(1.5～2.0）TN。
随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制 在一定范围内。
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26
降低电源电压起动
调 压 电 源
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2、电枢回路串电阻起动
将启动电阻串入电枢回路，带转速上升后，逐步 将起动电阻切除。
理想空载点
n0
UN
Ce N
其中
IN，UN及nN为已知，Ra 可以估算
CeNE nN NUN nN INRa
Ra 12~32UNIINN 2PN
额定运行点
TNCTNIN
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（二）人为机械特性的绘制
各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入 相应的人为机械特性方程式即可。
w f d
b
g e
c
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a
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二、起动电阻的计算
各级起动电阻的计算，以起动过程中最大起动转矩
T1和切换转矩T2不变为原则：
I1 1.5 ~ 2IN I2 1.1 ~ 1.2IN
注意在切换起动电阻的瞬间，电机转速不变！即切换 瞬间的电枢电势不变，切换两点的电压降相等。
[工学]刘锦波 电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动第2部分
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图3.32 他励直流电机反接制动时的接线图
1. 反接制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算
反接制动过程中电机的机械特性可表示为：
n
U1 Ce
(Ra CeCT
RB ) 2
Tem
n0
Tem
（3-72）
上式可用图3.33所示曲线表示之。很显然，反接制动时电机的机械特性是一条位于第II 象限的直线。
反接制动时的制动电阻决定了制动转矩的大小。为防止制动电流过大，一般按照下列
规则选择制动电阻 RB ，即：
IB
U N EaN Ra RB
2IN
23
式中，I B 为反接制动的起始电流。相应的制动电阻为：
RB
UN EaN 2IN
Ra
UN IN
Ra
（3-73）
图3.33 反接制动时直流电机的机械特性
K ni ni1
（3-49）
上式中，K 越接近于1，则平滑性越好。若采用无级调速，即速度连续可调，则 K 1 。
d：原始投资与运行成本
调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费用主要是
指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：
4
P2 100% P2 100%
P1
P2 p
现说明如下：
图3.28分别给出了恒转矩负载采用恒功率调速方式以及恒功率负载采用恒转矩调速方式 时的负载转矩特性和电动机的机械特性。
图3.28 调速方式与负载类型不匹配的说明
14
a、假若恒转矩负载选择恒功率调速方式（见图3.28a）。
为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须满足：Tem TL 。根据图3.28a，显然，
结论： 随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁
控制电机第三章 直流伺服电动机_OK
改进。
35
I a3
2.反接制动工作状态
适用情况：驱动电机反转
原因：本身和负载的转动惯
量，n1维持不变。
U a 2
工作特点：
（1）既非发电机，又非电动机。
（2）Ia3很大（设计放大器时必须考虑的问题）。
（3）T很大，制动转速。
（4）吸收电能，又吸收机械能——电机电枢铜耗。
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3.动能制动工作状态
突变：U a1
U a2
U a 2 Ea1 I a 2 Ra
当 U a2
时，
Ia2
Ea1 为负。
Ia2
U a2
T为制动转矩，电机处于发电机状
态。当Ea1下降到比Ua2小时，电
机将回到电动机状态。
发电机状态加快了电机转速的衰减过程，提高了系统快速性。
34
U a2
实际电路中晶闸
管供电不允许反
措施：采用低速性能好的直流力矩电动机和低惯量直流电
动机。
30
由调节特性可知：
（1） 一定负载转矩下，当磁通不变时，Ua n。
（2） Ua=0时，电机立即停转，无自传现象。
（3）电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
（4）低速工作不稳定。
机械特性和调节特性的比较
31
4 过渡过程的运行状态
l
I a
Dl
2a 2 2a
T CT I a kT I a
转矩系数kT
11
➢电磁转矩和转矩平衡方程
电磁转矩
T CT I a
稳态转矩平衡方程
T2 T T0 TL
Ts T0 TL
Ts T
动态转矩平衡方程
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它的工作原理基于洛伦兹力和电动行为的相互作用。
直流电机的核心部件是电枢，由大量线圈组成。
当直流电源施加在电枢上时，电流流经线圈，产生一圈圈的磁场。
在电枢旁边，有一个磁体称为永磁体或者磁场极，它产生恒定的磁场。
当电流通过电枢的线圈时，根据右手定则，线圈内的磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生力矩。
由于电流的方向是可逆的，所以直流电机的转向也是可逆的。
当电流改变方向时，电枢产生的磁场方向也会改变，进而改变了与永磁体的相互作用，实现了转向。
为了实现连续的旋转运动，直流电机需要一个机械装置来改变电枢线圈的方向。
这个装置通常由一个可调整的组件（如换向器和刷子）组成，它能够使电流从一个线圈转移到下一个线圈，从而保持电枢的旋转方向。
总之，直流电机工作的基本原理就是利用洛伦兹力和电动行为，通过电磁感应和相互作用实现电能到机械能的转换。
直流电机的换向
直流电机的换向旋转着的电枢某元件从一个支路转换到另外一个支路时，元件中的电流变化的过渡过程称为换向过程。
一、换向过程分析电刷是支路的分界线；我们讨论电刷与1、2片换向片分别和同时接触时的状况。
换向刚开头时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；处于换向过程中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由+ia变为-ia（左→右）。
一个元件的电流换向过程所需的时间就称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。
换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期。
Th=0.5～2ms换向问题非常简单，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。
当火花大到肯定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。
产生火花的缘由除电磁缘由外，还有电化学、工艺、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。
二、换向元件中的电势1．电抗电势ex一般, 换向周期特别短暂,电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势,两者的合成电势称为电抗电势,用ex表示。
依据楞次定理，电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化,亦即ex 的方向企图与换向前的电流方向相同。
或者说电抗电势是阻碍换向的。
电抗电势大小反比于换向周期。
2．电枢反应电势ea换向元件切割电枢反应磁场，从而产生了电枢反应电势。
其方向与ex相同，即其性质也是阻碍换向的。
其大小为: Ea=2Wy Ba l va3．换向极电势eK换向极电势是由于换向元件切割换向磁极感应的电势，换向磁极是为改善换向而设置的。
其方向企图与换向后的电流方向相同，或者说换向极电势是关心换向的。
三、影响换向的因素电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向.机械、化学、材料等缘由机械方面的缘由如：换向器偏心、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器表面接触不好等等；化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。
第3章 直流电机的过渡过程
第3章 直流电机的过渡过程
3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
由直流他励电动机的机械特性方程式
n
改变电枢回路的电阻Ra、端电压U及主磁通Φ可得不同的人为调速机械特性
Ra U T Ce Ce CT1）理想空载转速不变，只能在额定转速下调节 （2）改变机械特性硬度。电阻大，特性软稳定性差 （3）属于有级调速，调速的平滑性很差。 （4）串电阻越大，且运行时间越长，损耗也就越大 （5）属于强电流调速。电枢回路的电阻变化，直接控 制电枢电流变化，而电枢电路为主电路，电枢电流 一般来说要比励磁电流大，所以属于强电流调速。 （6）串电阻调速在电气控制上实现简单操作方便可靠 （7）属于恒转矩调速性质，因为在调速范围内，其长 时间输出的额定转矩基本未变。
（8）应用：只能用在调速平滑性要求不高，低速工作时间 不长，容量较小的电动机。一般在采用其他调速方法不 值得的地方采用这种调速方法。
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(a) 升速特性
(a) 降速特性 图3.9电枢串电阻的调 速特性
第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
电机拖动
第 第 3 章 直流电机的过渡过程 直流电机的过渡过程
3.1 3.2 3.3 3.4 电力拖动系统的过渡过程 直流电动机的起动 直流电动机的调速 他励直流电机的制动 它励直流电机的制动
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第3章 直流电机的过渡过程
3.1
3.1
电力拖动系统的过渡过程
电力拖动系统的过渡过程
过渡过程就是电机从一种稳定运行状态过渡到另一种稳定运行状态的过程 动态特性是电力拖动系统在过渡过程的变化规律和性能
直流发电机电动机的机械特性和过渡过程实验报告
直流发电机电动机的机械特性和过渡过程实验报告实验目的：1.了解直流发电机和电动机的机械特性。
2.研究直流发电机和电动机的过渡过程。
实验原理：直流发电机和电动机是一种将电能和机械能相互转换的装置。
它们的机械特性可以通过转速和负载之间的关系进行描述，包括转速-负载曲线、转速-电流曲线和转矩-电流曲线等。
过渡过程是指在启动、制动或改变负载时，直流发电机和电动机的性能随时间变化的过程。
实验步骤：1.实验准备：a.将直流电动机与直流发电机分别连接到电源。
b.接通电源，调整电压以适应实验要求。
c.准备测量仪器，如电流表、电压表、转速表等。
2.机械特性实验：a.将直流发电机的输出轴连接到转速表，记录不同负载下的转速和输出电压。
b.在适当电压下改变负载，并记录转速-负载曲线和转速-电流曲线。
c.重复步骤a和b，得到完整的机械特性曲线。
3.过渡过程实验：a.将直流电动机连接到负载。
b.启动电动机，并记录起始转速和电流。
c.改变负载，观察和记录电动机的响应，包括转速的变化和电流的变化。
d.制动电动机，记录制动过程中的转速和电流的变化。
e.重复步骤b到d，得到完整的过渡过程。
实验结果：根据实验数据，绘制直流发电机和电动机的机械特性曲线和过渡曲线。
实验讨论：根据机械特性曲线，可以分析直流发电机和电动机在不同负载下的性能表现。
转速-负载曲线可以用来评估机械传动系统的效率和输出能力。
转速-电流曲线可以用来评估电机的电磁特性和工作状态。
而转矩-电流曲线可以用来评估电机的负载能力和性能稳定性。
过渡过程的实验结果可以揭示直流发电机和电动机在启动、制动和改变负载过程中的响应特性。
通过观察转速和电流的变化，可以评估电机系统的动态性能和控制策略的有效性。
在实际应用中，掌握过渡过程的特点对于电机系统的设计和优化至关重要。
实验总结：通过本次实验，我们深入了解了直流发电机和电动机的机械特性和过渡过程。
我们通过实验数据绘制了机械特性曲线和过渡曲线，并对实验结果进行了讨论和分析。
电机学 第三章 直流电机 3分解
1
第3章 直流电机
说明：
• 为了使串联的元件的电势同向相加， 合成节距应当满足：
y 2 , y 2
p yc k 1
k 1 yc p
N S N S
第3章 直流电机
[例 ]
已知一台直流电机， 2p＝4， Qu＝S＝K＝15，u=1，画出 单波绕组展开图。 [解] 基本过程同前例
第3章 直流电机
四、单波绕组
连接规律：将相隔约为两个极距的同极性磁场下对应位置的所有 元件依次串联起来，绕行一周后恰好回到出发换向片相邻换向片， 直到连完全部元件，最后回到出发换向片，构成一个闭合回路。 • 波： 两个相邻的元件串联后形似波浪 • 单： 首末端相联的两换向片相隔很远，最后也相差一个 换向片的宽度
第3章 直流电机
1.直轴电枢反应的性质
2
Fa A
2
f a ( x) Ax
f a ( x) f a ( x)
Nia 电负荷： A D
1 A 2x A x 2
第3章 直流电机 交轴磁动势和磁密的波形 电枢磁动势 Fa 在气隙圆周方向空间分布是三角形波
电枢磁动势产生的气隙磁密 Ba 是对称的马鞍形波
B2
• 注意：该瞬间，5个元件被短接！
第3章 直流电机
单叠绕组 • 先串联所有在同一极下的元件， 形成一条支路 每增加一对主极就增加一对支路，2a＝＝2p
•
并联支路数多， 每条支路中串联元件数少，适用于 较低电压较大电流的电机或高速电机
单波绕组 • 把全部相同极性下的元件相连，形成一条支路 整个绕组只有一对支路， 2a＝＝2 • 并联支路数少， 每条支路中串联元件数多， 适用于 较高电压较小电流的电机
直流电机的基本工作原理
直流电机的基本工作原理
直流电机是由正向和反向磁极以及电流导线组成的。
当通过电流导线时，会在电机内产生一个磁场。
这个磁场与电机内的磁极相互作用，产生力矩，使电机转动。
直流电机的基本工作原理可以分为两个方面：
1. 动能转换：当电流通过电机的电线时，产生电流的磁场与磁极相互作用，产生力矩。
这个力矩作用在电机上，导致电机开始转动。
动能由电能转换为机械能。
2. 换向系统：为了保持电机的连续转动，直流电机需要保持电流方向的周期性变化。
这是通过换向系统实现的。
换向系统由换向环（电刷）和换向子（集电器）组成。
当电机转到一个特定的角度时，换向环接触换向子，改变电流的方向，使得磁极与电流的磁场相互作用的方向改变，从而保持电机的连续转动。
总的来说，直流电机通过电流与磁极之间的相互作用产生力矩，将电能转换为机械能，从而实现转动。
同时，通过换向系统保持电流方向的周期性变化，使得电机能够连续转动。
电机与拖动试题库和知识点(经典)
电机与拖动绪论一、名词解释1. 磁场:电流周围的效应2.磁动势〔磁通势、磁势〕:产生磁场的源泉3.磁场强度:表征距离磁源即磁动势一定位置的地方，磁动势影响强度的一个物理量。
4.磁场感应强度〔磁通密度〕:表征距离磁源即磁动势一定位置的地方，磁动势感应能力强弱的一个物理量。
5.磁通量Φ：垂直穿过某一截面〔面积为S〕磁力线的数目6.磁阻：就是磁力线通过磁路时所遇到的阻碍，磁阻与磁路的长度成正比，与磁路的磁导率成反比，并与磁路的截面积成反比7电感：其实质表征的就是电磁装置电与磁转换能力的大小。
二、填空1、在电机中磁场的几个常用量分别是磁动势、磁场强度、磁感应强度、磁通等。
2、进行磁路分析和计算时，常用到磁路的基本定律有全电流定律、磁路的欧姆定律、磁路的基尔霍夫定律。
3、电机的电流有交、直流之分，所以，旋转电机也有直流电机与交流电机两大类。
4、旋转电机是一种机电能量转换的机电装置。
5、把电能转换机械能的电机称为电动机; 把机械能转换电能的电机称为电发电机。
三、判断题1、垂直穿过线圈的磁通量随时间变化，必然会在线圈中产生感应电动势。
〔√〕2、棱次定律说明垂直穿过线圈的变化磁通，会在线圈中产生电动势。
〔√〕3、棱次定律说明线圈中的感生磁场的方向始终是与原磁场变化率的方向一致的。
〔×〕4、棱次定律说明线圈中的感生磁场的方向始终是与原磁场方向一致的。
〔×〕六、问答题 1.电磁作用原理的综述有电流必定产生磁场，即“电生磁” ；磁场变化会在导体或线圈中产生感应电动势，即“动磁生电” ;载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，即“电磁生力”第一章直流电机的原理与结构一、名词解释〔一〕1.电枢：在电机中能量转换的主要部件或枢纽部分2.换向：直流电机电枢绕组元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向改变的过程。
3.额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数。
〔二〕 1.电机：机电能量〔或机电信号〕转换的电磁装置2.直流电机：直流电能与机械能量进行转换的电磁装置3.直流发电机：把机械能量转换为直流电能的电磁装置4.直流电动机：把直流电能转换为机械能量的电磁装置5.交流电机：交流电能与机械能量进行转换的电磁装置6.交流电动机：把交流电能转换为机械能量的电磁装置7.交流发电机：把机械能量转换为交流电能的电磁装置〔三〕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〔四〕极距：相邻两个磁极轴线之间的距离〔五〕电角度：磁场在空间变化一周的角度表示二、填空1、铁心损耗一般包括磁滞损耗、涡流损耗。
第3章 直流电机过渡过程
第3章 直流电机的过渡过程
3.2 直流电动机的起动
3.2.3
降低电枢电压的降压起动
1. 电枢电压降压起动电路 2. 电枢电压降压起动的机械特性
3. 电枢电压降压起动的特点
（1）由于RK=0 ，损耗较小，比较经济。 （2）恒加速起动。电枢静止，反电动势为 零；当开始起动时，加给电动机的电压 应以不产生超过电动机最大允许电流为 限。待电动机转动以后，随着转速升高， 其反电动势也升高，再让外加电压也随 之升高。这样如果能够控制得好，可以 保持起动过程电枢电流为最大允许值， 并几乎不变和变化极小，从而获得恒加 速无级起动过程。 （3）电源装置比较复杂，技术含量高。 （4）适用于自动化程度较高的情况。
3.1.1 电力拖动系统动态分析的假设条件
（1）忽略电磁过渡过程，只考虑机械过渡过程。 （2）电源电压在过渡过程中基本不变。 （3）磁通量基本保持不变。 （4）负载转矩基本保持不变
GD2 dn 与运动方程式 T TL 可得 375 dt GD 2 dn GD 2 dn n n0 (TL ) n0 TL 375 dt 375 dt TL 令 nss n0 为过渡过程的稳态值 2 GD TM 为过渡过程的时间常数也称 375 dn n n T ss M （电机时间常数）则上式可写成 dt 解微分方程可得通解 n n Ke t TM 可得三要素法 ss t TM 速度 = 稳态值 nss -（稳态值nss-起始值 nis）
3.1.2 电力拖动系统转速动态方程 综合机械特性 n n0 T
(a) 电动机的加速过程
(b) 电动机的减速过程 图3.2 电力拖动系统转速 的过渡过程曲线
n
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机电传动系统的过渡过程
2、增大系统加速过程的动态转矩
从电动机方面考虑。目前，大惯量直流电 动机（亦称宽调速直流力矩电动机）已在 很多场合取代了小惯量直流电动机。这种 电动机的电枢做得粗而短，即D/L较大， 较大，但它的最大转矩Tmax一般为额定 转矩TN的5～10倍 。
第3章 机电传动系统的过渡过程
T f (t)
3.1机电传动系统的过渡过程
机电传动系统的过渡过程是指系统因外部 或内部的原因从一个稳定状态过渡到另一 个稳定状态的动态过程，是电力拖动系统 的各参量随着时间t变化的动态过程。用 以下函数关系表达：
T=f(t)， Ia=f(t) ， n=f(t) ，……
3.2加快机电传动系统过渡过程
从上面分析机电传动系统产生过渡过程的 情况可知，主要因素便是系统存在巨大的 机械惯性。只考虑机械惯性的过渡过程是 指数衰减变化的动态曲线，从上面的直流 电动机起动和制动的例子中可见：指数函 数变化的快慢与机电时间常数Tm有关。
3.2.1 机电时间常数Tm
3.2.2 加快机电传动系统过渡过程的 方法
1、以减小系统的来加快动态过程
由于机电传动系统的是生产传动系统的与 电动机电枢之和，而且是整个机电传动系 统的主要部分。因此，要减小系统的，应 立足于减小电动机电枢的。为此，电机制 造厂家设计制造了一种小惯量直流电动机 。其特点是电动机做得细而长，电动机的 电枢较小，从而有利于加快动态过程，提 高系统的加速响应性能。
3.1.1. 直流电机电压突变的过渡过程
他励直流电动机在磁通Ф一定时，通过改变电 枢电压Ua以实现起动、制动和调速，其变化过 程如图所示。
一般来说，电枢绕组 电感量比较小的，电磁 暂态过程很短，为方便 分析，通常忽略La。
高中物理-直流电机的基本原理与结构课件
5.额定转速nN：指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。 6.电动机额定效率ηN：指直流电动机额定输出功率PN与电动机额定输人 功率P1＝UNIN比值的百分数。
第十三页，编辑于星期五：十一点 十五分。
第十四页，编辑于星期五：十一点 十五分。
P2=Pem-PFe-Pm-PS=Pem-P0=P1-∑P
〔3-8〕
第二十一页，编辑于星期五：十一点 十五分。
4．直流电动机的效率为
一般中小型直流电动机的效率在75％－85％之间，大 型直流电动机的效率在85％－94％之间。
第二十二页，编辑于星期五：十一点 十五分。
5．他励直流电动机的功率平衡关系可用功率流程图来表示， 如图3-1l所示。
空载损耗P0
P0=Pm+PFe
(3－5)
直流电动机总损耗∑P为
∑P=Pm+PFe+Pcu+Ps
2．直流电动机输人的电功率为
P1=UI=UIa=〔Ea+IaRa〕Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+ Pcua
上式说明：输入的电功率一局部被电枢绕组消耗〔电枢铜损〕一局部
转换成机械功率。
3．直流电动机输出的机械功率为
第二页，编辑于星期五：十一点 十五分。
工作原理：电枢由原动机拖动，以恒定 转速按逆时针方向旋转，当线圈有效边ab和 cd切割磁力线时，便在其中产生感应电动势， 通过换向器和电刷的作用，使线圈产生的交 变电动势变为电刷两端方向恒定的电动势， 保持外电路的电流按一定方向流动。
第三页，编辑于星期五：十一点 十五分。
第十九页，编辑于星期五：十一点 十五分。
机电传动第三章直流电机PPT课件
流）。
注意：各部件的作用。
.
21
结构 细说
转轴
风叶 磁极 电刷 换向器
换向片
电枢转子
换向器
压紧环.
电枢绕组
绕组端部
22
• 静止部分（称为定子）
– 产生磁场和构成磁路 ,电机机械支撑
• 旋转部分（称为转子）
– 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换
• 定子和转子之间间隙 （称为空气隙）
– 气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重 要组成部分
运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属
软机械特性。
n
T
.
45
2、人为机械特性
• 人为机械特性是指人为改变（3·13）中的 相关参数得到的机械特性。人为改变电机 的机械特性是为了满足启动、停止、调速 等使用要求。
• 在（3·13）中可改变的有电压U、励磁φ和 电阻R。
产生电磁转矩，称为主磁通 0，
.
28
2、漏磁通：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，称为漏磁通 σ .
.
29
.
30
空载时每极主磁通为：
.
31
3、电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为 电枢反应。 而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴 电枢反应和直轴电枢反应，
（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。
（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
.
9
§3.2 工作 原理
一、 工作原理
电刷
+
U
N I
I
–
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理直流电机是一种将直流电能转换为机械能的装置。
它采用的是电磁感应的原理，通过电流在磁场中产生力矩，使得电机运转。
下面将详细介绍直流电机的工作原理。
一、电枢和磁极直流电机的关键部件是电枢和磁极。
电枢由绕组和电刷组成，绕组通常采用导电性能较好的铜线绕制，而电刷则由导电材料制成。
磁极由磁场产生器、磁铁等组成，其作用是产生均匀的磁场。
二、电磁感应在直流电机中，电枢通常由一对相互独立的绕组组成，分别称为电枢绕组和励磁绕组。
当外加电源将电流引入电枢绕组时，电枢绕组中产生的磁场与励磁绕组产生的磁场叠加，形成一个整体的磁场。
三、力矩产生当直流电机接通电源后，电枢中的电流开始流动。
根据洛伦兹力的原理，当导体在磁场中运动时，会受到一个力的作用。
在直流电机中，这个力会产生一个力矩，使电枢开始旋转。
电枢的旋转会改变磁通量的大小和方向，从而产生电感应电动势。
根据霍尔定律，电感应电动势的方向与电流变化方向相反。
这个电感应电动势会阻碍电枢继续增大电流，形成一个反作用力。
当力矩与反作用力达到平衡时，电枢将保持旋转。
四、换向器的作用为了使电枢继续旋转，需要不断改变电枢绕组的电流方向。
这就需要通过一个特殊的装置——换向器来实现。
换向器可以使电流方向周期性地变换，从而改变磁场方向，使得电枢继续运转。
五、直流电机的应用直流电机广泛应用于工业、交通、家电等领域。
在工业领域，直流电机被用于驱动各种机械设备，如风机、水泵、制造机械等。
在交通领域，直流电机被应用于电动汽车、电动自行车等。
在家电领域，直流电机被用于冰箱、洗衣机、吸尘器等家电产品。
总结起来，直流电机的工作原理是通过电磁感应的方式，利用洛伦兹力产生力矩，使得电机转动。
电枢和磁极是直流电机的关键部件。
通过换向器的作用，改变电枢绕组的电流方向，实现电机的连续运转。
直流电机在各个领域都有广泛的应用，促进了社会的发展和进步。
第3章 直流电机的工作原理及PPT课件
(1)并激发电机; (2)串激发电机; (3)复激发电机.
6
下面分析他激和并激发电机的电路图和外特性.
1.他激发电机原理电路图
3.他激和并激发电机的 外特性曲线
电源----------外特性
U=f(I) 硬特性
从空载到满载电压变化率5%-10%
主磁极 电枢 换向器 电刷装置
2
直流电机的结构图
剖面图：电枢1； 主磁极2向片3； 连接片4；云母环2
3
2.直流电机的基本工作原理
简化为一对磁极,一个线圈
发电机
电动机 4
2.直流电机的基本方程式
1)感E应电K势eEn
式中:E-电动势(V); -
一对磁极的磁通(Wb);
右图为具有三段起动电阻的
他激电动机电路原理图和起
动特性,
其起动特性就是前面刚刚学
习过的一种人工机械特性.
18
3.5直流他激电动机的调速特性
nKUeRKaeKtRa2dT
由直流他激电动机人工机械特性方程式 直流电动机的调速方法:
式中, Ke,Kt,Ra 均为常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U;
2.并激发电机原理电路图
7
3.3直流电动机的机械特性
1.他激和并激直流电动机的机械特性 1)原理电路图
8
2)直流电动机机械特性方程式
直流电动机电枢电压平衡方程式
UEIaRa
E Ken
式中,Ra为电枢电阻.以 代入得:
n
U
Ke
Re
Ke
Ia
由 T Kt Ia 将Ia值再代入,得::
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(1.8 ~ 2.5)I N
(a) 电路图
4.电枢回路串电阻起动的特点
（1）电枢串接的附加电阻RK 越大，电枢电流流过
RK所产生的损耗就越大；
（2）属于有级起动，主要是电阻连续变化困难引
起的；
（3）只能用于容量较小、不频繁起动、也不长时
间运行的电动机；
(b) 特性图
（4）实现方法简单。
图3.4 直流他励电动机 二级起动电路和特性
障影响生产的成本，维修元器件的成本，以及维护人员的成本等都在维护费用中。
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第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
由直流他励电动机的机械特性方程式
n U Ra T
Ce CeCT 2
改变电枢回路的电阻Ra、端电压U及主磁通Φ可得到不同的人为调速机械特性。
枢电流变化 。
（6）控制简单，容易实现。
（7）属于恒功率的调速方式。因为电动机发热所允
许的电枢电流不变，所以电动机的转矩随磁通的减小而减
小，故这种调速方法是恒功率调节。
（8）可调磁电动机的设计是在允许最高转速的情况
下，降低额定转速以增加调速的范围。适用于高转速工作，
一般调速范围可达1∶2、1∶3或1∶4。常与调压调速联合
态特性是电力拖动系统在过渡过程的变化规律和性能
3.1.1 电力拖动系统动态分析的假设条件
（1）忽略电磁过渡过程，只考虑机械过渡过程；
（2）电源电压在过渡过程中基本不变；
（3）磁通量基本保持不变；
（4）负载转矩基本保持不变。
3.1.2 电力拖动系统转速动态方程
综合机械特性 可得 n n0 (TL
tTx
TM
ln Tis Tx
Tss Tss
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(a) 电动机的加速过程
(b) 电动机的减速过程 图3.3 电力拖动系统转矩 的过渡过程曲线
第3章 直流电机的过渡过程
3.2 直流电动机的起动
3.1.1 电力拖动系统的起动
起动就是电动机从静止状态过渡到某一稳定运行状态的过程；实际
n n与0 运T动方程式
GD 2 375
dn) dt
n0
TL
GD 2 375
T TL dn dt
GD 2 375
dn dt
令 nss n0为过T渡L 过程的稳态值，
TM
为 G过D 2 渡过程的时间常数也称电机时间常数。
375
则上式可写成
n
nss
TM
dn dt
使用，以扩大调速范围，因而在生产中得到了广泛应用。
(a) 升速特性
(a) 降速特性 图3.11改变主磁通 的调速性能
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第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.4 调速方式与负载类型的配合
电动机实际输出的转矩和功率随转速如何变化，由负载的性质来决定。 1.恒转矩调速方式配恒转矩负载
第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.2 调速指标(技术指标、经济指标)
技术指标包括调速范围、相对静差度（调速的稳定性）、调速的平滑性、调速
时的容许输出；经济指标主要是是指在调速时的经济性等。
1.技术指标
(1)调速范围：一定负载下，电动机可能运行的最大转速与最小转速之比。 D nmax (2)调速的静差率（也称为静差度或相对稳定性）负载转矩在给定范围内变化 nmin
(3)调速是无级的，调速的平滑性很好。 (4)损耗较小，比较经济。 (5)降低电枢电压，属于强电流调速。 (6)电源成本高。因采用电压可调的电源技术，所以 电源装置技术含量，在结构上比较复杂。 (7)属于恒转矩调速性质，因为在调速范围内，其长 时间输出的额定转矩基本未变。 (8)适用于对调速性能要求较高的中、大容量拖动系 统，以及自动化程度较高的系统。在冶金、机床、轧钢、 重型机床(龙门刨)、精密机床、矿井提升以及造纸机等方
反比，即磁通当下降时，一般情况下转速上升。普通非调
磁电动机额定转速一般可高达1500r/min左右，但弱磁调
节的专用电动机速度可更高。
（2）特性变软，稳定性差。
（3）调速是无级的，调速的平滑性很好。
（4）损耗较小，比较经济。
（5）属于小电流调速。因励磁电流较小，调节控制
中的控制电流也较小，但可通过磁场的变化，间接引起电
ni 1
ni
(4)调速时的容许输出：是指电动机在某一转速下长期可靠工作时，所能输出
的最大功率和转矩。
2.经济指标
(1)调速设备的投资：调速方法不同技术含量不同，调速设备价格不同；
(2)运行损耗 ：调速方法不同，设备运行损耗不同，运行费用也不同；
(3)维护费用：调速方法不同，设备可靠性不同，则故障概率也不同；另外故
， 速度n= 稳态值 ns-s （稳态值 -n起ss 始值 ） nis e t TM 可得
转速 n nA (nA 0)et TM nA nAet TM
转矩 T TL (TL Tst )e t TM 2.多级电阻起动时的过渡过程
（1）第一级起动 （2）二级过渡
（3）固有特性级
3. 调速与负载变化转速变化的区别
调速一般是在某一不变的负载条件下，人为地改变电路的参数，而得到不 同的速度。调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。调速是主动的，它 需要人为地改变电气参数，使机械特性变化。
负载变化引起的电机转速变化，不是自动进行，而是被动的，机械特性也 不变化。
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图3.9电枢串电阻的调速特性
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第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
2.改变电源电压的调速方法及其调速性能
n
U
Ce
Ra
CeCT 2
T
(1)理想空载转速发生变化,随电源电压降低的而降低。
(2)理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。特 性斜率不变，因此机械特性斜率硬,稳定性好。故调速的 范围也相对大得多。
（1）恒转矩调速方式：调速过程中保持电动机电磁转矩不变的调速方式。 （2）负载转矩和电动机的容许输出转矩均为常数，负载功率和电动机的容许输出 功率均与转速成正比（P=TΩ）；这是因为由T=CTΦIa，可知当Ia=IN时，若Φ =ΦN， 则转矩为常数。因此，只要选择电动机的容许输出转矩(也就是额定转矩)与负载转矩 相等，则负载转矩特性与电动机的容许输出转矩特性就完全重合，此时，电动机既 满足了负载的要求，又得到了充分利用，因此恒转矩调速方式配恒转矩负载是一种 理想的配合。需要指出的是，此时电动机的额定转速为系统的最高转速。
解微分方程可得通解 n ns可s 得Ke三t T要M 素法
n 速度 = 稳态值 n-s（s 稳态值 -起ns始s 值 ） nis e t TM
(a) 电动机的加速过程
(b) 电动机的减速过程 图3.2 电力拖动系统转速 的过渡过程曲线
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第3章 直流电机的过渡过程 3.1 电力拖动系统的过渡过程
上也就是转子的速度从零升速到某一稳定速度的过程。
3.2.1 直流电动机起动的基本要求
1．直流电动机起动线路控制的要求
必须先保证有磁场(即先通励磁电流)，而后加电枢电压。如果先加
电枢电压，而后有磁场，则会出现不能正常起动的问题。下面分析：
（1）空载或轻载起动:出现“飞车” ；
（2）负载起动:会烧毁绕组。
（4）起动过程的综合分析
总的时间为
（a）机械特性 （b）转速的变化 （c）转矩的变化
t
t1
t2
t3
(TM 1
TM 2 ) ln
T1 T2
TL TL
(3
~
4)TM
图3.8他励直流电动二级起动过渡过程
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第3章 直流电机的过渡过程
3.3 直流电动机的调速
3.3.1 调速的概念
产生超过电动机的最大允许电流为限。待电动
机转动以后，随着转速升高，其反电动势也升
高，再让外加电压也随之升高。这样如果能够
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制得好，则可以保持起动过程电枢电流为最
大允许值，并几乎不变和变化极小，从而获得
恒加速无级起动过程。
(3)电源装置比较复杂，技术含量高。
(4)适用于自动化程度较高的情况。
图3.6 电枢电压降压起动的 机械特性
时引起的速度变化；实质上是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到
满载时的转速降落与理想空载转速的比值。
n0 n 100% n 100%
n0
n0
(3)调速的平滑性：在一定的调速范围内，相邻两级速度之比。 K
ni
或K ni1
K→1时称为无级调速；K=2、3、4时称为有级调速。
2．直流电动机起动性能的要求
(1) 要有足够大的起动转矩； (2) 起动电流要限制在一定范围内 (3) 起动设备要简单、可靠；
Ia
U
Ea Ra
U 0。 U
Ra Ra
(4
~
7)I N
一般限制起动电流的方法有两种，一种方法是在电枢回路内串入适
当的外加电阻起动，另一种方法是降低电枢电压的降压起动。
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第3章 直流电机的过渡过程 3.2 直流电动机的起动
3.2.3 降低电枢电压的降压起动
1.电枢电压降压起动电路
2.电枢电压降压起动的机械特性
3.电枢电压降压起动的特点