第一章-直流电动机及其控制复习过程
直流电动机第一章第2节
• 第六步：放置电刷。在展开图中，直流电机的电 刷与换向片的大小相同，电刷数与主磁极数相同， 放置电刷时应使正负电刷间的感应电动势最大， 或被电刷短路的元件感应电动势最小。当把电刷 放置在主磁极的几何中心线处，被电刷短路元件 的感应电动势为零，同时正负电刷间的电动势也 最大。电枢按图示方向转动，电刷间的电动势方 向根据右手定则可判定为A1、A2为正，B1、B2 为负。单迭绕组的完整展开图见图1.12。 • 在实际生产过程中，直流电机电刷的实际位置是 电机制造好后通过实验的方法确定的。
原理：串联电阻分压比变化。 如图1.20所示，正常时线圈电阻 较小，可变电阻R电压降大，电压表指 示值较小。若线圈出现断路故障，所 有电压均降落在线圈上，电压表指示 为电源电压值，故能判断故障在线圈。
• 因此，由上式可得换向节距为 • K 1 yk • （1-10） P • 在上式中，正负号的选择首先应满足使yK为整 数，其次考虑选择负号。选择负号时的单波绕组 称为左行绕组，左行绕组端部迭压少。单波绕组 的合成节距与换向节距相同，即第二节距y2 • y2 y1 y • （1-11）
绕组画法和节距
电枢绕组大多做成双层绕组，将线圈的一个有 效边放在槽的上层，称做上层边（画成实线）；另 一个有效边放在有一定距离的另一槽的下层，称做 下层边（画成虚线），如图1.11所示。
图1.11 绕组画法和节距
1.2 直流电机的电枢绕组
电枢绕组的线圈数和换向片数、槽数之间应 有如下的关系：因为每一个线圈有两个边，而每 一换向片总是把一个线圈的尾端与紧跟的另一个 线圈的首端焊接在一起，因此，线圈数与换向片 数相等；如果电枢铁心每个槽内只安排一个上层 边和一个下层边（称为一个单元槽），这样，线 圈数又与单元槽数相等。由此可知，一台直流电 机的线圈数S与换向片数K、槽数Z之间有如下关 系 S=K=Z （1-3）
第一章 直流电动机的数学模型及其闭环控制系统
图 1-10 PWM控制器与变换器的框图
图1-9不可逆PWM变换器—直流电动机系统
结合PWM变换器工作情况可以看出：当控制 电压变化时，PWM变换器输出平均电压按线性规 律变化，因此，PWM变换器的放大系数可求得， 即为
4.直流调速系统的广义被控对象模型
（1）额定励磁状态下直流电动机的动态结构图 图1-12所示的是额定励磁状态下的直流电动机动 态结构图。
图1-12 额定励磁状态下直流电动机的动态结构框图
由上图可知，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢
上的理想空载电压U d0 ，另一个是负载电流 I L 。前者是控制输入量，
它已不起作用，整流电压并不会立即变化，必须等
到 t3时刻该器件关断后，触发脉冲才有可能控制另
一对晶闸管导通。
设新的控制电压
U ct2
U
对应的控制角为
ct1
2 1 ，则另一对晶闸管在 t4 时刻导通，平均整
流电压降低。假设平均整流电压是从自然换相点
开始计算的，则平均整流电压在 t3 时刻从U d01降
Tm
GD2 R
375K
e
K
m
2 d
（1-23）
因其中d 的减小而变成了时变参数。由此 可见，在弱磁过程中，直流调速系统的被控对象 数学模型具有非线性特性。这里需要指出的是， 图1-15所示的动态结构图中，包含线性与非线性 环节，其中只有线性环节可用传递函数表示，而 非线性环节的输入与输出量只能用时域量表示， 非线性环节与线性环节的连接只是表示结构上的 一种联系，这是在应用中必须注意的问题。
Ks
U d U ct
第一章 直流电路
图示电路 （1）电路的支路 数b=3，支路电流 有i1 、i2、 i3三个。 （2）节点数n=2， 可列出2－1=1个独 立的KCL方程。 节点a
i1
R1 + us1 － Ⅰ
a
i2 i3
R3 Ⅱ R2 + us2 －
b
i1 i 2 i 3 0
（3）独立的KVL方程数为3－(2－1)=2个。 i1 R 1 i 3 R 3 u s 1 回路I 回路Ⅱ
• • 当电阻元件的电压和电流取非关联参考方向时，
欧姆定律表达为 • u=-R· 或i=-u/R i
•
电导：电阻元件的参数除电阻R外，还有 另一个参数，其数值为电阻的倒数，称为电导 G，单位为西门子(S)，即
• G=1/R
线性电阻的伏安特性
1.3 电阻的串、并联
图1-17为两个电阻R1 、R2并联，总电 流是i，每个电阻分得的分别为i1和i2：
对直流：I=Q/t
i dq dt ( 对变动电流，瞬时电流 的表达式 )
大写 I 表示直流电流,小写 i 表示电流的一般符号
正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 电流的方向用一个箭头表示。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向。
参考方向 a 实际方向 (a) i> 0
i
b a
参考方向
i
b
实际方向 (b ) i< 0
如果求出的电流值为正，说明参考方向 与实际方向一致，否则说明参考方向与实际 方向相反。
2. 电压、电位和电动势
电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移 至b点电场力所做的功。
u ab
dW ab dq
电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点 电场力所做的功。 电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。
第1章 直流电机的结构与工作原理
字是机座中心高，第四个阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号，
第五个阿拉伯数字表示端盖的代号。 例如型号是Z4—200—21的直流电机，Z是系列（即一般用 途直流电动机）代号，200是电机中心高（mm），21中的2是电 枢铁芯长度代号，1是端盖的代号。
2.第一节距 y1 第一节距是指一个线圈两有效边之间在电枢表面上的跨距， 以槽数表示，如图1—10所示。由于线圈边要放入槽内，所以应 是整数。而为了让组能感应出最大的电动势，应使接近或等于 极距。
Zu y1 2p
为了节省铜线及其工艺的方便，一般采用短距或整距绕组。
1.2 直流电机的电枢绕组
（4）正负电刷间电动势最大。
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
1.3.1 直流电机的铭牌数据
铭牌数据主要包括：电机型号、额定功率、额定电压、
额定电流、额定转速和励磁电流、励磁方式、励磁电压、工
作方式、绝缘等级等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编 号、出厂日期等。
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
新世纪高职高专 电气自动化技术类课程规划教材
新世纪高职高专教材编审委员会 组编 主编 郑立平 张 晶 王文一 主审 孙建忠
第一章 直流电机的结构与工作原理
1.1直流电机的结构与工作原理
1.2直流电机的电枢绕组
1.3直流电机的铭牌数据及主要系列
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.1.1 直流电机的结构 主磁极 换向磁极 电刷装置
图1-3 换向极结构 1．换向极铁芯 2．换向极绕组
1.1 直流电机的结构与工作原理
第一章 直流电路
开路
U端 E
I 0
短路
R总
3.短路：
电流不经负载而经导线形成回路的状态。 特点： U 端 E Ir 0
I
E r
R总 r
短路电流很大，需加短路保护装置。
【例1－1】设内阻r = 0.2Ω，电阻R = 9.8Ω，电源电动势E = 2V，不计电压表和电流表对电路的影响，求开关在不同 位置时，电压表和电流表的读数各为多少？
（1）表示： 实线箭头加字母表示: 双下标表示：Iab表示电流由a流向b
i
（2）选择：原则上任意选，但若已知实际方向，则选择 参考方向尽量与实际方向一致。
（3）参考方向与实际方向的关系：同正异负。
同正异负：相同时参考方向下的字母为正数（+） 相异时参考方向下的字母为负数（-）
例 图示电路中，I1、I2分别等于多少？
5V
I1 5Ω 解：可以判断出电路中电流的实际 方向为逆时针方向。 I2 电流参考方向I1与实际方向相 反，I2与实际方向相同。
I1 5 5 1A
∴
I2
5 5
1A
8．电流测量注意事项
电流测量注意事项
万用表直流挡测电流
三、电压、电位和电动势 （一）电压
1. 分 类
水压和水流
R1=4Ω，要使R2获得最大功率，R2应为多大？这时R2获得的
功率是多少？
解题过程
§1－5 电阻的串联和并联
一、电阻的串联
串联(+)： 电阻首尾顺序相连 中间无分支 选择电流、电压参考方向如图 U
U11 U
I R1 I1
U U2 2
R2 I2
U U33
R3 I3
第一章-直流伺服电机
图1-1 电枢控制原理图
控制方式
2．磁场控制
电枢绕组电压保持不变，变化励磁回路旳电压。若电 动机旳负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流 增长，主磁通增长，电机转速就降低；反之，转速升 高。变化励磁电压旳极性，电机转向随之变化。 尽管磁场控制也可到达控制转速大小和旋转方向旳目 旳，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且伴随 励磁电压旳减小其机械特征变软，调整特征也是非线 性旳，故少用。
1.2.2 运营特征
（2）电枢电压对机械特征旳影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。 相应于不同旳电枢电压能够得到一组相互平行旳机械特征曲线。
直流伺服电动机由放大器供电时， 放大器能够等效为一种电动势源 与其内阻串联。内阻使直流伺服 电动机旳机械特征变软。
图 1-3 不同控制电压时旳机械特征
较小、 电枢电阻 Ra 较大、转动惯量 J 较大
时是这种情况。
图1-6 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
(2)
当
4 e
m
时，由
p1，.2
1 2 e
1
1 4 e m
， p1 和
p2
两根是共轭复数。
在过渡过程中，转速和电流随时间旳变化是周期性旳。
由e
La Ra
和m
2JRa 60CeCt
2
可知，电枢
电感 La 较大、 电枢电阻 Ra 较小、转动
惯量 J 较小时，就会出现这种振荡现象。
图1-7 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
⑶ 当4 e m 时（多数情况满足这一条件）， e 很小能够忽视不计。
于是式
m e
交直流调速系统第一章 直流调速简介(第三版)
Id
－－负载电流引起的转速降
机械特性曲线
k Ra 机械特性曲线的斜率k值越小，特性的硬度越硬。
KeN
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电压越低，转速越低。
•特性硬，调速精度高， 最常用。
调压调速
3. 调速的平滑性： 调速平滑性是指调速时可以得到的相邻两转速之比，调速平滑性 接近于1的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。
1．什么是调速范围？什么是静差率？ 2．静差率是针对某一条机械特性定义的，调速系统的静 差率指的是什么？ 3．静差率与硬度有什么区别和联系？
2020/4/14
解： 得
2020/4/14
•电压降低，n0减小
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电阻越大，转速越低。
串电阻调速
•特性软，调速精度低， 一般不采用。
•理想空载转速n0不变。
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
2020/4/14
调速系统的稳态性能指标
一个好的调速系统应具有较大的调速范围和较小的静差率！
(4)静差率与调速范围的关系 Nhomakorabeas nN ， n0 min
则
n0 min
nN s
D
snN
1 snN
D nN
nN
nmin n0 min nN
nN
nN s
nN
snN
1 s nN
2020/4/14
运动控制期末考试题浓缩版
第一章1 直流调速方法（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通（3）改变电枢回路电阻R2 常用的可控直流电源有以下三种（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
3 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n 。
这样的调速系统简称G-M系统。
4 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。
5 抑制电流脉动的措施(1)设置平波电抗器；(2)增加整流电路相数；采用多重化技术6 P WM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
7 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。
89 对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速（2）稳速（3）加、减速。
10 调速指标(1)调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即 (2)静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落n N，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即式中n N = n0 -n N对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
1.1直流电机的工作原理和结构
2
§1-1 直流电机的工作原理和结构
一、直流电机的工作原理
直流电机是直流发电机和直流 电动机的总称。直流电机具有可 逆性，既可作直流发电机使用， 也可作直流电动机使用。
14
§1-1 直流电机的工作原理和结构
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生 感应电势和通过电流产生 电磁转矩，实现机电能量 转换。它是直流电机的主 要电路部分。
电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定 规律嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁心之间都要 妥善地绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔 将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部分用玻璃丝带绑紧。绕组端 头则按一定规律嵌放在换向器钢片的升高片槽内，并用锡焊或氩 弧焊焊牢。
12
（3）换向极
§1-1 直流电机的工作原理和结构
换向极又称附加极，安装在相邻两主磁极的几何 中心线上。 Why？在1.7讲
换向极的作用是改善直流电机换向。在小容量电 机（1kw以下）中，有时换向极只有主磁极的一半， 或不安装换向极。 （4）电刷装置
电刷与换向器相配合，在电动机中起到逆变（将 直流变为交流）作用；而在发电机中则起到整流 （将交流变为直流和结构
（3）换向器 换向器的作用是
在电刷间得到直流电 动势，并保证每个磁 极下电枢导体电流方 向不变，以产生恒定 方向的电磁转矩。
16
§1-1 直流电机的工作原理和结构
3、气隙
气隙是定子和转子（电枢）之间自然形成的间 隙。它是电机主磁路的一部分,是电机能量转换的 媒介。气隙的大小对电机运行的影响很大。小容 量电机约为1-3mm，大容量电机可为几毫米。
电机与拖动基础第一章 直流电机
17
二、直流电动机工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
18
当电枢旋转到下图所示位置时，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。
同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线 19 圈，磁极也并非一对。
三、直流电机的可逆性
一台直流电机原则上既可以作为电动机 运行，也可以作为发电机运行，只是外界条 件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋 转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为 直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直 流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负 载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同 一台电机能作电动机或作发电机运行的原理， 在电机理论中称为可逆原理。
一、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。
15
当原动机驱动电机转子逆时针旋转180 后 ，如图。
0
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，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性 总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 16
实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个 线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照 一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极 也是根据需要N、S极交替多对。
2）当元件的几何形状对称 时，电刷在换向器表面上 的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大，电枢电 动势等于支路感应电动势。
3）电枢电流等于两条支路电流之和。
43
课外作业
1-13
44
1.3 直流电机的磁场
1.3.1 直流电机的励磁方式
电机及拖动基础 第5版 第一章 直流电机
线圈感应电动势——交变 换向整流——电刷间输出直流电动势
直流发电机的工作原理模型
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端 的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的 变化？
解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线 圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的 滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所 以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。
作用 静止部分:定子
电磁方面：产生磁场和构成磁路。 机械方面：整个电机的支撑。
中间有气隙 作用
旋转部分:转子
主要部件：磁极、机座、换向 极、电刷、轴承、端盖等
感应电动势和产生电磁转矩， 从而实现能量的转换
主要部件：电枢铁心、电枢绕 组、换向器、轴承和风扇等
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
1、定子部分
电枢绕组：电枢线 圈按一定规律连接 形成。其并联支路 对数用a表示。 单叠绕组：a=p 单波绕组：a=1
单波、单叠绕组联接示意图
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
换向器
作用：实现电刷内外 交直流的转换。
由许多燕尾状的铜片间 隔绝缘云母片而成
材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨 性能好的紫铜或铜合金制成。
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
直流电动机的外形图（自带鼓风机的Z4系列）
图中上 为鼓风 机，下 为直流 电动机
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
1-端盖 2-风扇 3-机座 4-电枢 5-主磁极 6-电刷架 7-换向器 8-接线板 9-接线盒
直流电动机的内部结构图
控制电机 第一章 直流伺服电机 1 原理与运行特性
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
斜率k1：
k1 1 C e
是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
（2）总阻转矩对调节特性的影响
总阻转矩Ts变化时，Ua0∝Ts ，斜率k1保持不变。
因此对应于不同的总阻转矩Ts1 、 Ts2 、Ts3 、… ，可以 得到一组相互平行的调节特性。
n
Ua0 k1 –
–
始动电压 特性斜率
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
（1） Ua0和k1的物理意义
始动电压Ua0 ：电动机处在待动而又未动临界状态时的电压。 Ua Ts Ra 由 n ，当n=0时，便可求得： 2 C e C e C t Ra U a U a0 Ts C t 由于Ua0∝Ts ，即负载转矩越大，Ua0越高。 控制电压从0到Ua0范围内，电机不转动，称为电动机的死区。
1.1 伺服电动机概述
自动控制系统对伺服电动机的基本要求： (1) 宽广的调速范围。伺服电动机的转速随着控制电 压的改变能在宽广的范围内连续调节。 (2) 机械特性和调节特性均为线性。线性的机械特性 和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。 机械特性：控制电压一定时，转速随转矩的变 化关系； 调节特性：电动机转矩一定时，转速随控制电 压的变化关系。 (3) 无“自转”现象。伺服电动机在控制电压为零时 能立自行停转。 (4) 快速响应。电动机的机电时间常数要小，相应地 伺服电动机要有较大的培转转矩和较小的转动惯量。 这样，电动机的转速便能随着控制电压的改变而迅 速变化。
第1章 直流伺服电动机
1.1 伺服电动机概述 1.2 直流伺服电动机的原理 1.3 直流伺服电动机运行特性 1.4 直流伺服电动机的控制方式 1.5 直流伺服电动机的动态特性与特种电机 1.6 直流伺服电动机的PWM控制 1.7 直流伺服电动机的应用
电机与拖动-(许晓峰-)-课后答案
第一章直流电动机1.6 答：电枢绕组为单叠绕组时，运行时去掉一个或相邻两个电刷，并联支路数减少一半，电枢电流将减少一半。
电枢绕组为单波绕组时，并联支路数不受影响，电枢电流不变，但每个电刷通过的电流将增大，致使换向困难1.7 答：感应电动势〔参见图1.3〕。
电刷两端得到总的感应电动势为零。
1.8 答：由Tem=CTΦIa知：对于已制造好的直流电机，其电磁转矩与电枢电流和气隙磁通的乘积成正比。
可用左手定那么判断电枢导体的受力方向，从而确定电磁转矩的实际方向。
对于直流发电机而言，电磁转矩为制动转矩，与转子转向相反；而对于直流电动机而言，电磁转矩为驱动性质，与转子转向一样。
1.14 答：并励直流发电机正转时能自励，反转时那么不能自励。
如果把并励绕组两头对调，且电枢反转，此时能自励。
1.15 答：换向元件里合成电动势∑e为零时, 换向元件里的换向电流随时间线性变化，这种换向称为直线换向。
直线换向时不产生火花。
换向过程中换向元件里的合成电动势大于零，使换向电流变化延缓，不再是线性的，出现了电流延迟现象，这时的换向称为延迟换向。
延迟换向时电刷下产生电火花。
1.16 解：额定电流：AAUPINNN48.4323010103=⨯==额定负载时的输入功率：kWkWNNPP76.1185.0101===η1.17解：额定负载时的输入功率：k Wk WNNPP48.2083.171===η图1.3 题1.7图额定电流：1.18 解：〔1〕绕组节距计算41515424222121=-=-====-=±=y y p Z y y y ykε〔2〕绕组展开图如图1.4所示〔采用右行短距绕组〕〔3〕并联支路数如下：422===a ，p a54141921=+=±=εp Z y1.19解：〔1〕绕组节距计算54141921=+=±=εp Z y45992119112=-=-==-=-==y y yy p K y k图1.4 题1.18图〔2〕绕组展开图如图1.5所示〔采用左行长距绕组〕 〔3〕并联支路数如下：22=a1.20 解：〔1〕n=1500r/min 时V V a pN nn e aC E20915001.2360398360102=⨯⨯⨯⨯⨯===-ΦΦ〔2〕n=500r/min 时V V a pN nn e aC E65.695001.2360398360102=⨯⨯⨯⨯⨯===-ΦΦ1.21 解：〔1〕电枢绕组为单叠绕组 a=3m N m N a pN I I C T a a T em ⋅=⋅⨯⨯⨯⨯⨯⨯=Φ=Φ=-31.13101.2314.3239832102π〔2〕电枢绕组为单波绕组 a=1m N m N a pN I I C T a a T em ⋅=⋅⨯⨯⨯⨯⨯⨯=Φ=Φ=-93.39101.2114.3239832102π1.22 解：〔1〕额定电流A A U P I N NN 91.7323017103=⨯==-图1.5 题1.19图〔2〕电枢电动势V V a pN n n C EN N e a241150003.1160468260102=⨯⨯⨯⨯⨯=Φ=Φ=-1.23 解：〔1〕发电机运行时电枢电动势: ()VV IR U E aNaNa7.2457.151230=⨯+=+=又nC E NeaΦ=所以20007.245==ΦnE C Na F e励磁电流:A R U IfN fN610230==〔2〕电动机运行时电枢电动势：A V ，U II aNa 7.15220===又()V V U I R E aNaa3.2047.151220=⨯-=-=所以nn E C DDa D e V 3.204==Φ励磁电流:A URIffD610220==因为()IIC C fDfNDeFe//=ΦΦ所以得6102206102303.20420007.245=nDm in /1738r n D=1.24 解：〔1〕额定负载时电枢电动势：()V V U I R E aNaa5.2007526.0220=⨯-=-=因为额定负载时电磁功率：W W I E P aNaem5.15037755.200=⨯==所以额定负载时输出功率：()()WW PP P P P P m ecFeemem5.1244825895.1503702=-=+-=-=所以额定负载时输出转矩为mN m N PT ⋅=⋅⨯=Ω=93.11860/210005.1244822π〔2〕励磁电流A A RU IfN fN42.291220===所以输入功率：()()KW KW I I U P fNaNN03.1742.2752201=+⨯=+=所以额定效率：73.003.1745.1212===P P η1.25 解：〔1〕额定负载时电枢电动势：()V V U I R E aNaa75.1904565.0220=⨯-=-=额定负载时电磁转矩：W W IE P aNaem75.85834575.190=⨯==额定负载时电磁功率：N m N n P PTNem Nemem⋅=⋅⨯==Ω=82.7860/1040275.858360/2ππ额定励磁电流：A A RU IfN fN1.1200220===〔2〕电源电压降为U=160V 时的励磁电流AA URIff8.0200160===所以10401580==ΦnEC Ne电枢电动势：n neC E a 1040158=Φ='电枢电磁功率：I IEP aaan 1040158='=对应电磁转矩：Am ，N n n P T I T I a em a33.5482.786021040158=⋅==⨯=Ω=得π()V V U R I Eaaa68.12465.033.54160=⨯-=-='()m in /820m in /104015868.124r r n CEea =⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ'=1.26 解：〔1〕 电枢电动势：()V V U R I ENNN aN200405.0220=⨯-=-= 2.01000200===Φn EC NaNNe电枢电流Ia=20A 时，()V V U R I E aaNa210205.0220=⨯-=-=所以n n EC ae210==Φ由磁路不饱合，所以()IICC aNeNe=ΦΦ所以m in/210020402102.0r n ，n ==〔2〕电枢电流Ia=20A 时，电磁功率W W P I E aa420020210=⨯==电磁转矩：mN m N P T ⋅=⋅⨯=Ω=1.1960221004200π。
第一章.直流电机
直流电机的基本结构总结
主要由定子、转子两部分组成
直流电机
定子
转子
机座 主磁极
电枢铁心
电枢绕组
换向极
电刷装置 换向器
风扇 转轴
轴承
1－3 直流电机分类－励磁方式
他励
串励
I Ia I Ia I f
并励
I Ia I f
注： I ：电源输入电流； I a ：电枢电流； I f ：励磁电流
复励
4
5
6 S7
8
9
10 N11
12 13 14 S 15 16
15 16 1 2 3 4
+
5 67
－
8 9 10 11 12 13 14
+
－
+
－
单迭绕组的特点
• 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。
• 并联支路数等于磁极数， 2a=2p;
• 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为 零， 绕组内部无环流；
电刷位置对电枢反应的影响
1. 交轴磁势
与主极轴线正交的轴线通常称为交轴 与主极轴线重合的轴线称为直轴；
2 交轴电枢反应
N
S
主极产生磁场的磁密波形
电枢绕组产生磁场的磁密波形
Fax
1 2
( Nia
Da
2x)
Bax
0
Fax
合成磁场的磁密波形
3 直轴磁势
电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴分量
n
N：总导体数 Ce：电势常数
电枢电势的认识
Ea
pN 60aLeabharlann nCe n
对电枢电势的认识：
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于每极 磁通φ（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分布无关。
电机及拖动基础知识要点复习
电机及拖动基础知识要点复习电机复提纲第一章：概念：主磁通、漏磁通、磁滞损耗、涡流损耗。
磁路的基本定律：安培环路定律：XXX。
磁路的欧姆定律：作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻Rm。
磁路与电路的类比：与电路中的欧姆定律在形式上十分相似。
E=IR。
磁路的基尔霍夫定律：1）磁路的基尔霍夫电流定律：穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零。
2）磁路的基尔霍夫电压定律：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位差的代数和。
第二节常用铁磁材料及其特性铁磁材料：1、软磁材料：磁滞回线较窄。
剩磁和矫顽力都小的材料。
软磁材料磁导率较高，可用来制造电机、变压器的铁心。
2、硬磁材料：磁滞回线较宽。
剩磁和矫顽力都大的铁磁材料称为硬磁材料，可用来制成永久磁铁。
铁心损耗：1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩擦而消耗的能量。
2、涡流损耗——铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗。
3、铁心损耗——磁滞损耗和涡流损耗之和。
第二章：一、换向：尽管电枢在转动，但处于同一磁极下的线圈边中电流方向应始终不变，即进行所谓的“换向”。
二、直流电机的应用：作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。
三、直流电机的主要结构：定子的主要作用是产生磁场，转子又称为“电枢”，作用是产生电磁转矩和感应电动势。
要实现机电能量转换，电路和磁路之间必须在相对运动，所以旋转电机必须具备静止的和转动的两大部分，且静止和转动部分之间要有一定的间隙（称为：气隙）。
四、直流电机的铭牌数据：直流电机的额定值有：1、额定功率PN(kW)；2、额定电压UN(V)；3、额定电流IN(A)；4、额定转速nN(r/min)；5、额定励磁电压UfN(V)。
五、直流电机电枢绕组的基本形式：直流电机电枢绕组的基本形式有两种：一种叫单叠绕组，另一种叫单波绕组。
浙江大学年珩老师,电机控制课件第一章-1
机电运动控制系统
直流电动机的控制
电流断续时
为简化分析，先设 先设 即有
did 2U sin ωt = E + L dt
RΣ = 0 ，以后用 RΣ / Ceφ = ∆n / ∆I d
作斜率（ 硬度） 修正。 对机械特性作斜率 作斜率 （硬度 ）修正
did + RΣid dt
u2 = 2U sin ωt = E + L
= f (α , θ ) 通过
α,θ
作参变量，可画出电流断续时机械特性 画出电流断续时机械特性 作参变量
n = f (I d )
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2009
机电运动控制系统
直流电动机的控制
电流断续时
2U n = Ceφθ m = I d 2π ⋅
θ θ 2sin(ψ + α + ) sin = f (α ,θ ) 2 2
U d0
0.9U (单相桥式) = 1.17U (三相半波 ) 2.34U (三相桥式)
——移相触发角
U ——相电压有效值， α
R0 ——电源每相内阻
• 整流变压器付边 (次级)每相电阻； 包括 • 导通晶闸管管压降对应 的非线性电阻 ； • 接线电阻。
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解得
id = − 2U E cos ωt − t + C ωL L
（1-3）
C及SCR导通时间从电流断续时 导通时间从电流断续时SCR导通边界条件中求出
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2009
机电运动控制系统
直流电动机的控制
电流断续时
边界条件
开始导通点
ωt = ψ + α id = 0
电机与拖动技术复习
R2 X 2
Rsh
X sh
& I1 & U1
& & E1 = E ' 2
& I0
Rf Xf
& I '2
& U2
& I1
Z 'L
& U1
& U2
Z 'L
13
某三相铝线电力变压器， =100kVA， 例 3 某三相铝线电力变压器，SN=100kVA， U1N/U2N =6000V/400V， =9.63A/144.5A，Yyn0接法 接法， =6000V/400V，I1N/I2N=9.63A/144.5A，Yyn0接法，空载及短路 在室温25 下进行） 试验数据如下 （在室温25oC下进行） 实验名称 电压/V 电压/V 电流/A 电流/A 功率/W 功率/W 备 注 空 载 短 路 400 325 9.37 9.63 600 2014 低压侧 高压侧
U Ia M I Ia
U Ia Ia M
U If M I Ia
U If2 M
If
Uf
If
If1
7. 电枢绕组感应电动势 8. 直流电机的电磁转矩 直流电机的电磁转矩
E a = C eΦn
Tem = CTΦI a
E a = U a + Ra I a
2
9. 直流发电机电枢回路电压方程 10. 直流发电机的功率图 (32页) 页
5
匀速下 （3）负载同上，电动机以n= - 1000 r/min匀速下 负载同上， 下放重物 采用倒拉反接运行方式， 重物， 倒拉反接运行方式 下放重物，采用倒拉反接运行方式，电枢回路应 串入多大电阻 该电阻上的功耗是多少？ 多大电阻？ 功耗是多少 串入多大电阻？该电阻上的功耗是多少？ 负载同上，采用反向回馈制动运行方式， 反向回馈制动运行方式 （4） 负载同上，采用反向回馈制动运行方式， 电枢回路不串电阻 电动机的转速是多少？ 不串电阻， 转速是多少 电枢回路不串电阻，电动机的转速是多少？ 解 （1）解题思路：见（41图），用B点的值求 解题思路： 41图），用 电阻。反抗性恒转矩负载求能耗制动电阻的公式： 电阻。反抗性恒转矩负载求能耗制动电阻的公式：
电机学复习资料
电机学复习资料第一章 基本电磁定律和磁路电机的基本工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律、磁路定律和电磁力定律等定律的基础上的，掌握这些基本定律，是研究电机基本理论的基础。
▲ 全电流定律全电流定律 ∑⎰=I Hdl l式中，当电流方向与积分路径方向符合右手螺旋关系时，电流取正号。
在电机和变压器的磁路计算中，上式可简化为∑∑=Ni Hl▲电磁感应定律①电磁感应定律 e=- dtd N dt d Φ-=ψ 式中，感应电动势方向与磁通方向应符合右手螺旋关系。
②变压器电动势磁场与导体间无相对运动，由于磁通的变化而感应的电势称为变压器电动势。
电机中的磁通Φ通常是随时间按正弦规律变化的，线圈中感应电动势的有效值为m fN E φ44.4=③运动电动势e=Blv④自感电动势 dt di Le L -= ⑤互感电动势 e M1=-dt di 2 e M2 =-dt di 1 ▲电磁力定律f=Bli▲磁路基本定律① 磁路欧姆定律Φ=A l Ni μ=mR F =Λm F 式中，F=Ni ——磁动势，单位为A ；R m =Al μ——磁阻，单位为H -1；Λm =lA R m μ=1——磁导，单位为H 。
② 磁路的基尔霍夫第一定律0=⎰sBds 上式表明，穿入（或穿出）任一封闭面的磁通等于零。
③ 磁路的基尔霍夫第二定律∑∑∑==m RHl F φ 上式表明，在磁路中，沿任何闭合磁路，磁动势的代数和等于次压降的代数和。
第二章 直流电动机一、直流电机的磁路、电枢绕组和电枢反应▲磁场是电机中机电能量转换的媒介。
穿过气隙而同时与定、转子绕组交链的磁通为主磁通；仅交链一侧绕组的磁通为漏磁通。
直流电机空载时的气隙磁场是由励磁磁动势建立的。
空载时，主磁通Φ0与励磁磁动势F 0的关系曲线Φ0=f （F 0）为电机的磁化曲线。
从磁化曲线可以看出电机的饱和程度，饱和程度对电机的性能有很大的影响。
▲ 电机的磁化曲线仅和电机的几何尺寸及所用的材料有关，而与电机的励磁方式无关。
浙教版2022-2023学年科学八年级下册第一章电磁感应原理及发电机复习教学PPT课件
B. 通过线圈的电流太小了 D. 电动机线圈平面恰好处在平衡位置
【答案】D
进门测试
3. 如图所示是某学习小组同学设计的研究“通电螺旋管磁性强弱可能跟线圈匝数多少有关”的实验 电路图。实验步骤如下：
步骤一：实验时，用铁钉和漆包线绕制匝数为20匝的电磁铁，并接入电路中的AB两端，其他如图 正确连接。 步骤二：闭合开关，调节滑动变阻器使电流表示数为1A，用电磁铁去吸引大头针，记录数据。 步骤三：断开开关，用匝数为50匝的电磁铁替换20匝的电磁铁。闭合开关，再用电磁铁去吸引大头 针，记录数据。 （1）该学习小组同学分析后，发现步骤三中存在不足，还应补充的实验操作是 。 （2）以下是该实验的记录表：
【答案】发电|线圈|滑环|电刷
互动精讲
知识点二：发电机
例题精讲
3．小江想探究感应电流的大小与什么因素有关?他设计了如图所示的装置进行实验.铁块上绕
有导线,线框与灵敏电流计(G表示)相连(线框高度大于铁块高度,实验过程中线框不旋转).
（1）让线框分别从h1和h2（h2大于h1）竖直下落并穿入磁极A、B之间,G表指针对应的偏转
角度分别为θ1和θ2（θ2大于θ1），这样做的目的是为了探究感应电流的大小与线框切割磁感
线的
有关.
（2）把变阻器的滑片移至左端,线框从h1的高度下落,G表指针的偏转角为θ3,观察到θ3大于θ1,
表明感应电流的大小还与
有关.
（3）将电源的正、负极对调,让线框从h1的高度下落,G表的指针反转,此现象说明:感应电流的
B．朝南略偏东方向站立
C．朝南北方向站立 D．朝北略偏东方向站立
【答案】A
例4．如图是机场的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情 景，当探测线圈靠近金属物体时，在金属物体中就会产生电流， 如果能检测出这种变化，就可以判定探测线圈下面有金属物体 了．图中能反映出金属探测器工作原理的是( )
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忽略电感压降
四大关系式
通用
Tem=CtΦ Ia=KtIa； Ea=CeΦn=Keω
第一章-直流电动机及其控制
第一章 直流电动机及其控制
1.1 直流电机及其基本结构
一、 概述
应机、电气铁道牵
引机、起重机械等； 3 高精度速度控制系统； 4 航天器及其它只有直流电源的场合。
优点： 1 )调速范围宽，可稳定运行的速度范围大； 2）转矩大； 3）控制方法简单，控制装置可靠性高。 缺点： 有换向器。 费工费料，造价贵，运行时换向器需要 经常维修，寿命较短（350～400h）。 特殊点：
转角范围小，不用换向器。 反 转 ： 改变电刷电压的极性。 存在的问题：
转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝）， 磁路是空气，磁密低。
二、环形绕组的直流电动机 环形铁心，多绕组。 两条支路。
存在的问题： 1）环形铁心内部无磁场， 内部导体不受电磁力， 铜的利用率低。 2）制造困难，工艺性和 经济性不好。
2.电枢绕组和电枢铁心
电枢绕组： 产 生 电 动 机 的 负 载 电 流 、
电磁转矩和发电机的电势。 电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法 把带绝缘的铜导线预制成形， 在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。 每个绕组元件的两个端头（引出线） 按着一定的规律接到换向器上。 直流电枢绕组本身自成闭合回路。
3. 换向器和电刷装置
换向器在转子上。 电刷在定子上。
功能 将电刷上的直流 变为绕组内部的交流 。
三、图形符号
1.2 电机中的磁性材料
1.2.1 铁磁物质
磁 性 ： 能产生磁场，在磁场中受力作用。
铁磁性物质特点
1）磁导率 大，是真空磁导率 0 的
2000～6000倍。
2） 不是恒量，随磁场强度H变化。
动态： dω/dt 0 静 态 ： dω/dt =0
静态转矩平衡方程式 Tem =T0 +TL
dω Tem=T0+TL+J dt
dω
J dt
TemT0TL
设
T2 =Tem -T0 输出转矩
dω J dt T2 -TL
T 2= T e m -T 0> T L d ω /d t> 0加 速
T 2= T e m -T 0< T L d ω /d t< 0减 速
P w=(π2f2d2B m 2)V /(6ρ)
铁心采用片状的 并有绝缘薄膜的材料叠压而成， 就是为了减少涡流损耗 。
铁心损耗（铁耗）： 磁滞损耗加涡流损耗。 单位质量的铁耗： P Fe=P 1/50(f/50)B m 2
=1.2: 1.6
1.3 直流电机工作原理
1.3.1 电磁力定律和电磁感应定律 电磁力定律
e1=k1k2lΦ n=k3Φ n
各导线电势相加可得电枢绕组感应电势
为 Ea =CeΦn Ea = Keω
电动机中称为电枢反电势
Ke ：反电势系数
Ke = Kt
采用国际单位制（SI）
二、转矩平衡方程式
由转子受力图和力学定律
Tem-T0
-TL
=J
dω dt
Tem=T0+TL+Jddω t 动态转矩平衡方程式
硬磁材料： 矫顽磁力大， 磁滞回线宽。 常用作永磁体。
磁 滞 ： B的变化滞后于H的变化。 磁滞损耗：
铁磁材料在交变磁场作用下， 反复磁化时将要发热，引起的损耗。 磁滞损耗与频率f成正比，磁滞回线 的面积越大，磁滞损耗也越大。
Ph fBm
B m = 1 .0:1 .6T 2
涡流损耗： 铁磁材料处于交变的外磁场中时， 铁心中还会产生涡流， 涡流在铁心中引起的热损耗。
用直流电源。
二、结构
按运动状态： 定子和转子两部分。
按功能： 磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。 磁极在定子上，电枢绕组在转子上。
换向器在转子上，电刷在定子上。
1. 磁极和定子铁心
功能：产生磁场 电磁式直流电机：
用直流电产生恒定磁场， 应用： 功率大的场合， 中、大型电机。
永磁式电机: 由永磁体产生恒定磁场。 优点：体积小，重量轻，结构紧凑。 缺点：磁场弱。 应用：微型和小型电机。
3）存在一个临界温度——居里点 ， 高于此温度时，磁导率降到真空磁导率 。
磁性材料
的磁性能
用磁化曲 线表示
磁滞回线
Br ：剩磁磁密（简称剩磁） Hc ：矫顽磁力。 去磁曲线或退磁曲线：
磁滞回线在第2象限 或第4象限的部分。
软磁材料：矫顽磁力小， 磁滞回线狭窄，磁导率高。 如硅钢片、纯铁、铸钢等。 常用来作电机、变压器的铁心。
Tem =CtΦIa
1.5.1 直流电动机的基本关系式 一、电磁转矩与电枢反电势
直流电机的电磁转矩为 Tem =CtΦIa 当磁通Φ为常值时该式可写为
Tem = Kt Ia
Kt ——转矩灵敏度， 或称转矩系数
电枢反电势
由电磁感应定律，一根导线的电势
e1 = vBl
v=k1n,B=k2Φ
大小： F = IlB
方向： 左手定则
电动机产生转矩的条件： 同性磁极下电流相同。 异性（相邻）磁极下电流相反。
直流电机要保持恒定 方向转矩的条件：
每个磁极下导体 的 电流方向应保持不变。
电磁感应定律
大小：
e = vBl
方向： 右手定则
1.3.2 直流电动机的工作原理 一、模型电机
换向器的作用： 导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时， 改变导体电流方向，保持每个磁极下电 流方向不变，使电机连续转动。
T 2= T e m -T 0= T L d ω /d t= 0匀 速
三、电压平衡方程式 电枢绕组有自感和电阻，
转动时电枢中又有感应电势， 称电枢反电势，因此 电枢等效电路。
三、电压平衡方程式
Ua =LaddIta +RaIa+Ea
动态电压平衡方程式 动态： dIa/dt 0 静态： dIa/dt = 0
三、鼓形绕组
1.5 直流电动机的特性与控制方法 直流电动机的接线
1.5.1 直流电动机的基本关系式
一、电磁转矩与电枢反电势
电磁转矩 一根导线受力
一根导线的电磁转矩
F1 = I1lB
Tem1 =k1F1 = k1 I1lB
Φ = k2 B, I1 = k3Ia Tem1=k4ΦIa 各导线转矩相加可得 直流电机的电磁转矩为