大学控制电机重点总结及课后习题答案

直流测速发电机(电磁感应)：1、当原动机拖动电枢旋转时，电枢线圈边切割磁场，产生交变的感应电动势，通过换向器与电刷的“换向”作用，使电刷间能够获得方向不变的直流电动势和电流。

2、在发电机工作时，电机外电路中负载电阻上的电压、和电流为直流性质，而电枢线圈中的电流和电动势却是交流性质。

3、在发电机运行时，换向器与电刷的作用是将电枢线圈中的交变电动势和电流进行“换向”，变换为电刷间的直流电动势和电流。

直流电势的形成：由电磁感应定律，一根导体切割磁场产生的感应电势为：e=Bxlv,在电机中，当转速一定时，切割线速度为常数V=πDan/60因此，感应电势正比于磁通密度e正比于Bx .一个线圈产生的感应电势应为导体电势的两倍。

电刷间的电势为随时间大小变化的脉动电势。

直流电机的基本结构可分为定子和转子两大部分定子部分1）主磁极：包括主磁极铁心和励磁绕组。

作用：主磁极用于产生电机内部的磁场。

2）换向极：包括换向极铁心和换向极绕组。

作用：用于改善换向。

位置：安装在两个相邻的主磁极之间。

其中换向极绕组与转子的电枢绕组串联。

3）机座：由钢板焊接而成。

作用：一是起机械支撑、固定作用；二是作为主磁路的一部分。

（该部分通常称为磁轭。

）4）电刷装置：作用：将电流引入或引出电机。

转子部分1）电枢铁心作用：作为主磁路的一部分，同时用于嵌放电枢绕组。

组成：由0.35~0.5mm厚的硅钢冲片叠装组成。

采用冲片。

叠装的目的是为了减小铁心损耗。

2、电枢绕组作用：构成电机的主要电路部分，是实现机电能量转换的关键结构部件。

组成：由许多按一定规律连接的单匝或多匝线圈组成的转子绕组。

每一个线圈是用带绝缘的圆形或矩形截面铜导线绕成。

3、换向器作用：在电动机中，将电刷上通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；而在发电机中，将绕组内的交流电动势转变为电刷上的直流电动势。

组成：由许多一定形状的换向片组成，换向片与换向片之间用云母绝缘。

每一个线圈的两个出线端分别焊接在两个换向片上。

第一节距y1：指一个元件的两个边在电枢表面所跨过的距离。

用槽数表示。

合成节距y：指通过换向片相串联的两个元件，第一个元件的上层边，到第二个元件的上层边之间的距离。

1、电枢电势的关系式电枢电势：指正、负电刷之间的感应电势，即电刷之间每一条并联支路的感应电势。

当电刷通过换向片与几何中心线的导体相连接时，形成的支路中的元件处于同一个磁极下，支路感应电势为支路元件电势之和，即这些元件的导体电势之和。

在支路中，不同的导体处于磁场的位置不同，而导体电势的大小与所处磁场的磁通密度成正比。

电枢表面磁通密度的分布为：在磁极中心线下磁通密度最大，在极尖处逐渐减小，极靴以外急剧减小，几何中心线处为零。

直流测速发电机的型式：永磁式和电磁式。

2、对直流测速发电机的要求。

输出电压与转速的关系曲线应为线性；输出特性的斜率要大；（反映输出电压的灵敏度）温度变化对输出特性的影响要小；在一定转速下输出电压稳定，波动要小；正、反转两个方向的输出特性一致。

后三项反映了输出电压对转速的精度输出特性输出特性指在负载电阻一定时，测速发电机的输出电压与转速之间的关系。

在主磁通、电枢电阻为常数时（理想情况），当负载电阻一定，直流测速发电机的输出电压与转速成正比。

在主磁通、电枢电阻为常数时，不同的负载电阻，特性曲线的斜率不同，负载电阻越大，特性的斜率越大，对转速的灵敏度越高。

从特性图中可以看出。

对相同的转速变化量，负载电阻大的输出电压的变化量大。

特性曲线为线性是在主磁通为恒定常数，实际的输出特性不是严格的线性关系，而存在一定的误差直流测速发电机的误差及其减小方法1、温度的影响对电磁式测速发电机，励磁绕组的导线电阻会受到温度的影响。

在励磁电压一定时，励磁电流的大小会随温度的变化而变化，从而使磁通发生变化。

则在转速不变时，使输出端电压发生变化。

电枢绕组电阻受温度的影响，使电枢电阻随温度的升高而增大，不为常数。

减小温度影响的方法：将磁路设计的比较饱和,使励磁电流的变化对磁通的影响减小。

在励磁绕组回路中串温度系数较低的大阻值附加电阻或串负温度系数热敏电阻，降低励磁电流的变化。

2、电枢反应影响直流测速发电机在空载时，电机内只有励磁电流产生的主磁场。

负载运行时，由于电枢电流的出现，同时产生了电枢磁场，电机内的气隙磁场为主磁场与电枢磁场的合成。

由于电枢磁场的存在，使气隙中的磁场分布和大小发生变化，这种电枢磁场对主磁场的影响作用称为电枢反应。

电枢反应的影响作用：（1）使气隙磁场的分布发生畸变；（合成磁场的磁通密度在半个极面下加强，在另半个极面下削弱。

）（2）在磁路饱和时，电枢磁场对主磁场有去磁作用。

对于N极下区域，在主磁极轴线左侧区域磁场削弱；而主磁极轴线右侧区域磁场加强。

当负载电阻越小或转速越高时，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，输出特性的线性误差越大。

为减小电枢反应对输出特性的线性影响，直流测速发电机的技术条件中规定了最大线性工作转速和最小负载电阻。

在使用时，转速必须小于最大线性工作转速，负载电阻必须大于最小负载电阻。

3.延迟换向去磁 4.纹波5.电刷接触电阻压降电枢回路总电阻包括了电枢绕组电阻和电刷接触电阻。

在温度一定时，电枢绕组电阻为常数，但电刷接触电阻并不为常数，产生的压降也不为常数。

在转速较低时，输出特性上有一段斜率显著下降的区域，此区域称为不灵敏区。

1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。

由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。

2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、B电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。

电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。

当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。

4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。

而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL 正比于单位时间内换向元件电流的变化量。

基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL ∝n2。

同样可以证明ea∝n2。

因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。

所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。

为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。

直流伺服电动机（电磁力定律）是一种具有特殊用途的直流电动机。

作用是把输入电机的电压信号转换成与转速信号输出。

直流电动机的工作原理是建立在电磁力定律的基础之上，即：载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。

在电机中，电磁力对转轴形成的转矩称为电磁转矩。

当直流电动机的电刷外接直流电源时，通过电刷与换向器的“换向”作用，将直流电流变换为电枢线圈中的交变电流，以产生恒定方向的电磁转矩，拖动工作机构进行工作。

直流电动机的基本结构与直流发电机的结构相同。

电磁转矩：电磁转矩的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。

当磁通不变时，电磁转矩与电枢电流成正比。

电势常数与转矩常数之间存在恒定关系电动机转矩平衡方程式电磁转矩为拖动性质转矩，由机械摩擦和铁心损耗引起的转矩称为空载转矩，为阻转矩性质。

1、稳态运行时的转矩平衡方程式。

稳态运行时，电动机的电磁转矩与轴上的总阻转矩相互平衡。

电动机轴上的输出转矩等于负载转矩。

2、动态转矩平衡方程式。

当电动机处于动态运行时，由于电动机的转子及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩。

当输出转矩大于负载转矩时，电动机处于加速过渡过程；当输出转矩小于负载转矩时，电动机处于减速过渡过程。

3、发电机的转矩平衡方程式。

发电机在稳态运行时，原动机从转轴上向发电机输入机械转矩，而发电机的电磁转矩与旋转方向相反，为阻转矩性质额定功率Pn：指直流电动机在额定运行时，转轴上输出的机械功率。

额定电压：Un指在额定运行时，电动机出线端应加的电压值。

主要指电枢绕组外加的电压值。

额定电流In：指电动机在额定电压下，轴上输出额定功率时出线端的电流值。

一般指电枢电流值。

额定转速Nn：指电动机在额定电压、轴上输出额定功率时转子的转速。

额定转矩T2n：指在额定电压和额定功率时，轴上输出的转矩。

定额：按电动机运行工作的持续时间，定额分为“连续”、“短时”和“断续”三种。

直流电动机的启动电动机从静止状态过渡到稳速运行的过程称为启动过程。

对电动机启动性能的要求1、启动时的电磁转矩要大；启2、动时的电枢电流不要太大；3、电动机具有较小的转动惯量，利于缩短启动时间。

常用的启动方法1、直接启动：对于功率小于几百瓦的小功率直流电动机，电枢电阻较大，可直接启动。

2、电枢回路串联启动电阻启动。

一般将启动电流初始值限制在1.5-2倍额定电流。

启动电阻值的选择R=……3、降低电枢电压启动电动机的调速方法1、改变电枢端电压调速。

当负载转矩不变时，电磁转矩不变，而磁通一定，则电枢电流不变。

所以，如果电枢端电压升高，则转速上升；如果端电压降低，则转速下降。

2）改变电枢回路的调节电阻调速。

当负载转矩不变时，电枢电流不变。

如果减小外串电阻，电枢回路总的电阻压降减小，则转速将升高；如果增，大外串电阻，电枢回路总的电阻压降增大，则转速下降。

3）改变励磁回路调节电阻调速（改变磁通调速）当负载转矩不变时，电磁转矩不变，由于磁通改变，电枢电流会发生变化。

如果减小调节电阻，励磁电流增大，磁通增大，电枢电流减小，通常磁通的变化量比电枢电阻压降变化量大，则转速将下降。

反之，如果增大调节电阻，则转速将升高。

改变电动机转向的方法1、改变磁通的方向（改变励磁绕组外接电源的极性）2、改变电枢电流的方向（改变电枢电压的极性）反电势：直流电动机在外加电源的作用下，电枢电流通过电枢，绕组时与磁场相作用，产生拖动性质的电磁转矩，拖动转子旋转。

在电枢旋转的同时，绕组导体切割磁场感应电势，即电枢电势，其方向与电枢电流方向相反，是反电势。