第11章 直流电动机
直流电动机工作原理
直流电动机工作原理1. 概述直流电动机是一种常见的电动机类型，广泛应用于各种电动设备中。
它的工作原理是利用直流电流在电磁场中的相互作用，使得电动机产生旋转运动。
直流电动机通常由定子、转子和电刷组成。
2. 定子定子是直流电动机的固定部分，通常由铁芯和绕组组成。
绕组由导线缠绕在铁芯上，形成多个线圈，每个线圈都经过一段定子绕组。
当电流通过绕组时，会在定子中产生一个磁场。
3. 转子转子是直流电动机的旋转部分，通常由铁芯、电枢和电刷组成。
电枢由导线缠绕在铁芯上，形成多个线圈，每个线圈都经过一段转子绕组。
当电通入电枢时，电枢会在转子上产生一个磁场。
4. 电刷电刷是直流电动机中非常重要的组件，它通常由碳材料制成。
电刷与定子和转子的绕组相连，用于供应电流到转子的绕组上。
电刷通过与转子绕组接触，将电流传递到转子上，同时也负责转子绕组中电流的引导。
5. 工作原理直流电动机的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：•步骤 1: 电流通过定子绕组，产生一个磁场。
•步骤 2: 电流通过电刷传递到转子绕组上，形成转子的磁场。
•步骤 3: 转子的磁场和定子的磁场相互作用，使得转子受到一个力的作用。
•步骤 4: 受到的力使得转子旋转。
•步骤 5: 转子旋转带动机械负载运动。
6. 工作原理详解在直流电动机中，电流在定子和转子的绕组之间形成一个相互作用的环路。
当电通入定子的绕组时，会在定子中产生一个磁场。
这个磁场通过定子的铁芯传导到外部。
同时，电刷将电流传递到转子的绕组上，形成了一个磁场。
由于转子上的磁场受到定子磁场的影响，两者之间形成了相互作用的力。
这个力被称为洛伦兹力，是由电流在磁场中的相互作用引起的。
洛伦兹力使得转子受到一个力的作用，从而产生旋转运动。
转子旋转的动力来自外部施加在转子上的机械负载。
通过调整电流的大小和方向，可以控制直流电动机的转速和转向。
电刷的设计和布局也对电机性能有一定影响。
7. 应用领域直流电动机由于其简单、可靠且易于控制的特点，在工业和家庭中得到广泛应用。
直流电动机工作原理(2024版)
两条曲线逐点叠加后得 到负载时气隙磁场的磁
通密度分布曲线
Bx
B0 x
Bax
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
1)、使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于 电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削
弱，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载
1.4.2 直流电机的电磁转矩 产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该
力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
大小:
Tem
pN 2 πa
ΦIa
CTΦIa
其中CT
pN为电机的转矩常数，有 2 πa
CT
9.55Ce
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
与电刷A接触的导体总是位于N 极下，与电刷B接触的导体总是位 于S极下,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。
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极交替旋转多对。
如果认为直流电机电枢上 有无穷多整距元件分布，则电 枢磁动势在气隙圆周方向空间
分布呈三角波，如图中 Fa所x 示。
由于主磁极下气隙长度基 本不变，而两个主磁极之间， 气隙长度增加得很快，致使电 枢磁动势产生的气隙磁通密度
为对称的马鞍型，如图中Bax
所示。
Bax Fax
1.3.3 直流电机的电枢反应
1.5 直流电机的换向
1.6 直流发电机 1.7 直流电动机
机电传动第11章答案
第十一章11.1何谓开循环控制系统？何谓闭循环系统？两者各有什么优缺点？系统只有控制量(输出量)的单向控制作用,而不存在被控制量的影响和联系,这称之为开环控制系统.优点是结构简单能满足一般的生产需要.缺点是不能满足高要求的生产机械的需要.负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统,其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用,又有反向的反馈控制作用,形成一个闭环控制系统或反馈控制系统.缺点是结构复杂,优点可以实现高要求的生产机械的需要.11.2什么叫调速范围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围。
电动机所能达到的调速范围,使电动机在额定负载下所许可的最高转速何在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速之比(D).转速变化率即调速系统的静差度电动机有理想空载到额定负载时转速降与理想空载转速的比值(S) 两者之间的关系时D=nmax S2/ΔnN(1-S2),在保证一定静差度的前提下,扩大系统调速范围的方法是提高电动机的机械特性的硬度以减小ΔnN11.3生产机械对调速系统提出的静态、动态技术的指标有哪些？为什么要提出这些技术指标？生产机械对调速系统提出的静态技术的指标有静差度,调速范围,调速的平滑性.动态技术指标有最大超调量,过渡过程时间,振荡次数.因为机电传动控制系统调速方案的选择,主要是根据生产机械对调速系统提出的调速指标来决定的.11.4为什么电动机的调速性质应与生产机械的负载特性想适应？两者如何配合才能算适应。
电动机在调速过程中,在不同的转速下运行时,实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其润许长期输出的最大转矩和最大功率,并不决定于电动机本身,而是决定于生产机械在调速过程中负载转矩及负载功率的大小和变化规律,所以,为了使电动机的负载能力得到最充分的利用,在选择调速方案时,必须注意电动机的调速性质与生产机械的负载特性要适合.负载为恒转矩型的生产机械应近可能选择恒转矩性质的调速方法,且电动机的额定转矩应等于或略大于负载转矩,负载为转矩恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方法,且电动机的额定功率应等于或略大于生产机械的负载转矩.11.5有一直流调速系统，其高速时理想的空载转速n01=1480r/min,低速时的理想空载转速n 02=157/min,额定负载时的转矩降ΔnN=10 r/min,试画出该系统的静特性.求调速范围和静差度。
《电力电子技术》讲义第11章
⑤ 存在干扰，也是起动失败的原因之一，为了增加系统的干扰力，脉冲形成电路接入电容C3、C4，在实际应用中，若干扰太大，可将这两个电容值适当的增加，并考虑自动调频信号线采用屏蔽线。
起动时发生过电压保护动作，有时压敏电阻和阻容电路有火花产生，进行逆变保护时发生过电压保护动作，这种现象说明了电路发生了严重的过电压，逆变电路的电压无法释放，经滤波电抗进入整流电路，使压敏电阻上的电压很大，起动时整流电压很低。
若感应电炉接在电路上，系统是不会发生这种现象的。
若感应电炉短路，负载电路只存在电容。
起动电容向负载投入电能后，电路不发生振荡，若逆变晶闸管在被触发，滤波电感中的能量再向电容充电，势必产生高电压，引起过电压保护动作，并造成整流电路硒片的过电压击穿。
另外，逆变主电路发生短路时，也可能出现阻容放电的现象。
课题四 有源逆变电路一、单相有源逆变电路1．有源逆变的工作原理整流与有源逆变的根本区别就表现在两者能量传送方向的不同。
一个相控整流电路，只要满足一定条件，也可工作于有源逆变状态。
这种装置称为变流装置或变流器。
（1）两电源间的能量传递如图4－49所示，我们来分析一下两个电源间的功率传递问题。
(a) 电源逆串 (b) 电源逆串 (c) 电源顺串图4-49 两个直流电源间的功率传递图4－49（a ）为两个电源同极性连接，称为电源逆串。
当E 1＞E 2时，电流I 从E 1正极流出，流入E 2正极，为顺时针方向，其大小为R E E I 21-=在这种连接情况下，电源E 1输出功率P 1＝E 1I ，电源E 2则吸收功率P 2＝E 2I ，电阻R 上消耗的功率为P R ＝P 1－P 2＝R I 2，P R 为两电源功率之差。
图4－49（b ）也是两电源同极性相连，，但两电源的极性与(a)图正好相反。
当E 2＞E 1时，电流仍为顺时针方向，但是从E 2正极流出，流入E 1正极，其大小为R E E I 12-=在这种连接情况下，电源E 2输出功率，而E 1吸收功率，电阻R 仍然消耗两电源功率之差，即这R R ＝P 2－P 1。
直流电动机的原理及特性
直流电机
定子
机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器
转子
电枢绕组 轴承
风扇 转轴
2.1.2 直流电动机的励磁方式 定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。 实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么 样的励磁方式。
1.他励式
若励磁绕组不与电枢 绕组联接，励磁绕组单独 由其他电源供电的直流电 机称为他励式直流电机。
2.1.2 直流电动机的励磁方式
并励式
励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。 并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的 电流为If ，经过负载或电源供给电机的总电流 为 I，三者须满足以下关系： 直流发电机：Ia ＝I＋If 直流电动机：Ia ＝I－If
2.1.2 直流电动机的励磁方式
第2章 直流电动机的原理及特性
直流电机的用途
测速
伺服
励磁机
电源
直流电机的特点
• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 • 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动性能良好。
• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高
2.1直流电动机的基本结构和工作原理
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。
定子部分
电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入） 装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右 图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在 刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋 转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在 刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同 极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆 装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。
高中物理人教必修三第11章第5节电路中的能量转化 讲义
1 电路中的能量转化1.理解电功、电功率、电热、热功率及它们之间的关系.2.应用焦耳定律解决相关问题.3.区分电功和电热，会在非纯电阻电路中正确计算电功和电热．一、电功和电功率 1．电功(1)电功是指电路中静电力对定向移动的电荷所做的功，电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程． (2)电功的计算公式：W ＝UIt . 单位：焦耳，符号为J.常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h ＝3.6×106 J. 2．电功率(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比． (2)公式：P ＝Wt ＝UI .(3)单位：瓦特，符号为W. (4)意义：表示电流做功的快慢． 二、焦耳定律 1．焦耳定律(1)内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比． (2)表达式：Q ＝I 2Rt . 2．热功率(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率． (2)表达式：P 热＝I 2R .(3)物理意义：表示电流发热快慢的物理量． 三、电路中的能量转化从能量转化与守恒的角度看，电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能，即P电＝P 机＋P 损，其中P 电＝UI ，P 损＝I 2R .一、电功和电热 1．电功和电功率W ＝UIt 是电功的计算式，P ＝UI 是电功率的计算式，适用于任何电路． 2．电热和热功率Q ＝I 2Rt 是电热的计算式，P 热＝I 2R 是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率． 3．串、并联电路的功率分配关系(1)串联电路中各个电阻的电功率跟它的阻值成正比，即P 1R 1＝P 2R 2＝…＝P nR n＝I 2.(2)并联电路中各个电阻的电功率跟它的阻值成反比，即P 1R 1＝P 2R 2＝…＝P n R n ＝U 2. (3)无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于电路中各电阻消耗的功率之和． 4．额定功率和实际功率(1)用电器正常工作时所消耗的功率叫作额定功率．当用电器两端电压达到额定电压U 额时，电流达到额定电流I 额，电功率也达到额定功率P 额．且P 额＝U 额I 额．(2)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率．为了使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大于其额定功率． 二、电路中的能量转化 1．纯电阻电路与非纯电阻电路(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能．(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能．例如电动机P 总＝P 出＋P 热． 2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较W ＝Q W ＝Q ＋E1．随着我国人民生活水平的不断提高，家庭中使用的电器越来越多。
《控制电机1~11章》答案解读
第二章直流测速发电机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。
3. 为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组（见图2 - 3）的电刷放在磁极轴线上? P9-104. 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 x n2。
同样可以证明ea x 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。
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。
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。
直流电机
解： 1）
2p 4
a 1
Z 31
E 115
nN 1450
N Z 12 31 12 372
pN 2 372 Ce 12.4 60 a 60 1
E 115 6.4 10 3 Wb C e n 12.4 1450
【例】一台4极直流发电机，单波绕制，有31槽，每槽元件数为12，额定 转速为1450转，在额定工作时，测出的电枢电势为115V。求： （1） （2） 每极磁通。 当作电动运行时，电枢电流为600A时，能产生多大的电磁转矩。
二、倒拉反转反接制动 倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载
在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实 现制动. n
电枢回路串入较大电 阻 RB 后特性曲线
正向电动状态提 升重物(A点)
n0
B
A
Ra
工作点由A-BC-D,CD段为制 动段
电机以稳 定的转速 下放重物D 点
C
0 TB TK
TL
Tem
负载作用下 电机反向旋 转(下放重物)
换向片 E F E
d T
n
– U + 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外 加电压方向总是相反，所以称反电势。 Ia Ra 2. 电枢回路电压平衡式 + + U E Ia Ra K E n Ia Ra M E U – 式中：U — 外加电压 – Ra — 绕组电阻
励磁电动机
他励电动机
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
2.3.1 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n
S
U
电机与拖动基础考点总结
考点总结第四章e T L T —生产机械的阻转矩 n —转速(r/min)】第五章一、直流电机的励磁方式：III f I I f1图5-15直流电机的励磁方式a) 他励式 b) 并励式 b) 串励式 b) 复励式a)b)c)d)按励磁绕组的供电方式不同，直流电机分4种：○1他励直流电机 ○2并励直流电机 ○3串励直流电机 ○4复励直流电机 二、基础公式 1. 额定功率N PN P （N T 为额定输出转矩，N n 为额定转速） 直流发电机中，N P 是指输出的电功率的额定值：N N N I U P ⋅=2. 电枢电动势a E直流电机的电动势：n C E e a ⋅Φ⋅=（单位 V ） e C 为电动势常数aZn C P e 60⋅=（P n —磁极对数，Z —电枢总有效边数，a —支路对数）3. 电磁转矩e T直流电机的电磁转矩：a T e I C T ⋅Φ⋅= （单位m N ⋅） T C 为转矩常数aZn C P T ⋅⋅=π2 （P n —磁极对数，Z —电枢总有效边数，a —支路对数）4. 常数关系式由于55.9260≈=πe T C C 故 e T C C ⋅=55.9三、直流电机(一) 分类：直流电动机和直流发电机。
直流电动机：直流电能→→机械能 直流发电机：机械能→→直流电能(二) 直流电动机(考点：他励直流电动机【如下图】)I 图5-18直流电动机物理量的正方向与等效电路a) 物理量的参考正方向 b) 等效电路a)b)1. 电压方程：励磁回路：f f f I R U =电枢回路：a a a a I R E U += (特点：a a E U >) (a R ——包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻 a E ——直流电机感应电动势)其中 ΦnC E e a =2. 转矩方程：0L e T T T +=3. 功率方程：○1输入电功率→电磁功率 输入电功率1P =励磁回路输入电功率f P +电枢回路输入电功率a P(注意：一般题目没有给出励磁信息，那么输入电功率=电枢回路输入电功率)电枢回路输入电功率a P =电磁功率em P +铜耗功率Cua p ∆ 励磁回路输入的电功率：2f f f f f I R I U P ==电枢回路输入的电功率：()Cua em 2a a a a a a a a a a a p P I R I E I I R E I U P ∆+=+=+== (2a a Cua I R p =∆——电枢回路的铜耗 a a em I E P =——电机的电磁功率)且有ωωωe a p a p a p a a π2π2606060T ΦI aZn ΦI a Z n ΦnI Z n I E ==⋅== 即ωe a a T I E =（原本基础公式为a e ΦI C T T =）而由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式：n Pn P P T em em eme 55.960π2===ω 故n PT em e 55.9=（em P 的取值单位为w 才适用）nP T eme 9550=（em P 的取值单位为kW 才适用） ○2电磁功率→输出机械功率 电磁功率=机械功率=机械空载功率(损耗)+机械负载功率(输出功率)由于0L e T T T +=和ωe T P em = 故 ωωωL 0e T T T += L 0em P p P +∆=L P ——电机的机械负载功率0p ∆——电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗m p ∆和铁心损耗Fe p ∆○3输入电功率1P →输出机械功率2P 电功率电磁功率机械功率P 1P em P 2p Cua p Fe p mec p CufCufp ∆Cuap ∆Fep ∆mp ∆图5-19直流电动机的功率图p P P p p p p P p p P P P ∑∆+=+∆+∆+∆+∆=+∆+∆=+=22add m Fe Cu em Cua Cuf a f 1式中2P ——电动机的输出功率，有P2=PL ；add p ∆——电动机的附加损耗，是未被包括在铜耗、铁耗和机械损耗之内的其他损耗； p ∑∆——电动机的总损耗，并有add 02a a 2f f add m Fe Cua Cuf p p I R I R p p p p p p ∆+∆++=∆+∆+∆+∆+∆=∑∆故电动机的效率为：p P pP P ∑∆+∑∆-==2121η4. 工作特性：5. 如何避免造成“飞车”？ 答：直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。
直流电动机的机械特性PPT课件
I
F
16
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
U
Tem Cm Ia （2-1）
_
式中
pN
Cm 2 a
当磁场 一定时
电机转矩常数；
Tem Km Ia
式中 Km Cm —转矩系数；
第17页/共60页
IB
nF n
I
F
17
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
+
U
应用：机电系统驱动控制
_
2）发电机原理
I，U 直流电机
T，n
应用：机电系统制动控制
+
U
电机：电 能 机械能，称可逆原理
_
第13页/共60页
IB
nF n
I
F
IB
n
I
T
n
13
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
电磁力定律： （左手定理）
U
_
载流导体在磁场中，受电磁力作用；
p p0 pCua pFe pm ps pCua
24
第24页/共60页
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
他励电机稳态运行时的功率流程图
P1 P2 p
p pCua pFe pm ps
25
第25页/共60页
2.3 直流电动机的机械特性
2.3.1 他励电动机的机械特性
I
E
7
第7页/共60页
2.1 直流电机的基本结构及类型
机电传动控制第3、5、11章知识点
第三章直流电机的工作原理及其特性1．直流电机的基本结构直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势和载流导体在磁场中受力为基础来实现机电能量转换的。
为实现机电能量转换，直流电机的结构应包括定子与转子两大部分[都有铁心和线圈(绕组)]。
定子用于建立磁场，并作为机械支撑；转子(亦称电枢)用于产生感应电势、电流，实现机电能量转换。
直流电机之所以能够工作，在其结构上有一个很重要的部件，即换向器。
要很好地理解换向器的作用，从教材图3.5和图3.6分析可知：直流电机作发电机运行时，换向器的作用在于将电枢绕组内的交变电动势转换成电刷之间极性不变的直流电动势；作电动机运行时，换向器的作用是当线圈的有效边从N极(或S极)下转到S极(或N极)下时改变其中电流的方向，使N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个有效边上受到的电磁力的方向不变，而且产生同一方向的转矩。
2．直流电机的基本工作原理直流电机中能量转换的方向是可逆的。
同一台电机既可作发电机运行，将机械能转换为电能，也可作电动机运行，将电能转换为机械能(见图3.1)。
它们的电磁关系和能量的转换关系，可用下列三个基本方程式来描述。
(1) 转矩方程式T ＝K tΦI a(方向由左手定则确定)注意：电机等速运行时，转矩是平衡的。
在发电机中，电磁转矩T为阻转矩，方向与n相反，原动机的转矩T1＝T＋T0，T0为空载损耗转矩；在电动机中，电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相同，T＝T L＋T0，T L为负载转矩。
(2) 电势方程式 E ＝K eΦn(方向由右手定则确定)在发电机中，电动势E为输出电功率的电源电动势，在电势作用下产生电枢电流I a，E与I a方向相同；在电动机中，电动势E为反电势，它与外加电压产生的电流I a方向相反。
(3) 电压平衡方程式在发电机中(见教材图3.8)，E＝U＋I a R a ，即发电机的电势为负载电压(发电机端电压)和电枢电阻压降所平衡；在电动机中(见教材图3.15)，U＝E＋I a R a，即电动机的外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。
国家开放大学《电机拖动应用技术》章节练一练参考答案
国家开放大学《电机拖动应用技术》章节练一练参考答案第一章1.直流发电机主磁极磁通产生感应电动势存在于（）中A.电枢绕组B.励磁绕组C.电枢绕组和励磁绕组2.直流发电机电刷在几何中线上，如果磁路不饱和，这时电械反应是（）A.助磁B.不去磁也不助磁C.去磁3.如果并励直流发电机的转速上升20%，则空载时发电机的端电压U0升高（）A.20%B.大于20%C.小于20%4.并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组（）。
A.分别独立连接电源B.串联相接C.并联相接D.一部分串接一部分并联相接5.直流电动机是把直流电能换成（）输出。
A.机械能B.电场力C.直流电压D.直流电流6.一台并励直流发电机，正转能自励，若反转也能自励。
（×）7.一台直流发电机，若把电枢固定，而电刷与磁极同时旋转，则在电刷两端仍能得到直流电压。
（√）8.直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，因此稳定运行时，大的电磁转矩对应的转速就高。
（×）9.直流电机单叠组元件两端应联接在相邻的两个换向片上。
（√）10.直流电机中一个磁极下所有导体电流向必须一致。
（√）11.换向器与电刷的作用是什么？参考答案：直流电机内部元件流的是交流；所以直流电动机电刷把外部供给的直流电引到换向器上，通过换向器上换向片的旋转，转换到元件上的为交流电；直流发电机内部发的是交流电，引到换向器的换向片上，旋转的换向器通过电刷把内部的交流转换外部的直流电。
12.直流电机有几中励磁方式，各自有什么的特点？参考答案：直流电机励磁方式：他励、并励、串励、复励；他励电机的励磁绕组与电枢绕组电源各自独立。
并励电机的励磁绕组并接在电枢绕组两端，共用一个电源；串励电机的励磁绕组串接在电枢绕组中，共用一个电源；复励电机有两套励磁绕组一个并接在电枢绕组中，一个串接在电枢绕组中，共用一个电源，按二者产生的磁场是增加还是减少，分为积复励和差复励。
第二章1.在直流电动机中机械特性最硬的一般为____。
《机电传动控制》实验指导书
调节R1使电枢电流达到0.2A（如果电流太大，可能由于剩磁的作用使电机旋转，测量无法进行，如果此时电流太小，可能由于接触电阻产生较大的误差），改变电压表量程为20V，迅速测取电机电枢两端电压UM和电流Ia。将电机转子分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取UM、Ia，填入表1-1。
六．注意事项
1．直流他励电动机起动时，须将励磁电源调到最大，先接通励磁电源，使励磁电流最大，同时必须将电枢电源调至最小，然后方可接通电源，使电动机正常起动，起动后，将电枢电源调至220V，使电机正常工作。
2．直流他励电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。同时，必须将电枢电源调回最小值，励磁电源调到最大值，给下次起动作好准备。
b．从数字转速表上观察电机旋转方向，若电机反转，可先停机，将直流电动机电枢或励磁两端接线对调，重新起动，则电机转向应符合正向旋转的要求。
d．调节电动机电枢电源至220V，再调节电动机励磁电流，使电动机（发电机）转速达到1600r/min（额定值），并在以后整个实验过程中始终保持此额定转速不变。
e．调节发电机励磁电流，使发电机空载电压达UO=1.2UN（240V）为止。
2．在控制屏上按次序悬挂NMEL-13C、NMEL-03/4组件，并检查NMEL-13C和M01直流电机测功机的连接。
3．用伏安法测电枢的直流电阻，接线原理图见图1-1。
R：可调电阻箱（NMEL-03/4）中的单相可调电阻R1。
V：直流电压表
A：直流安培表
（1）经检查接线无误后，直流电动机电枢电源调至最小，R1调至最大，直流电压表量程选为300V档，直流电流表量程选为2A档。
直流电机
U I Ia T n Ea
16
•3.3.2 他励直流电动机的基本方程式
1. 电动势平衡方程式
电枢回路有：
U Ea IaRa 2U
Ra-------电枢回路总电阻 △U ------电刷与换向器的接触压 降，很小，可忽略
所以：
Ea Cen
U Ea IaRa
2
第三章 直流电机及控制
直流电机可作电动机用，也可作发电机． 直流电动机是:将直流电能转换成机械能而带动生产机械运转。 直流发电机是:将机械能转换成直流电能而对电解、电镀及直流电 动机等负载供电． 3.1 直流电机的基本工作原理和结构 主磁极 换向磁极 定子 电刷装置
3.1.1直流电机的主要结构
n UN Ra T 2 Ce N Ce CT N
由于性。 n0
nN
n '0
T
T0
TN
25
补充： 2 P 2 I aN Ra U N I aN PN 他励直流电动机的额定运行总损耗可近似写成:
注意： 可得到用额定数据来估算他励直流电动机的电枢回路总电阻 的公式，如下：
3.2直流电机的结构
3．2．3气隙
气隙:气隙井非结构部件， 它是定子磁极和转子的电枢之间自然形成的气隙
13
3.3 他励直流电动机的工作特性
3．3．1直流电动机的分类
供给励磁绕组电流的方式 称为励磁方式。 分为他励和自励两大类: 自励方式又分并励、串励 和复励三种方式。
14
1、他励直流电动机：直流电机的励磁电流由其它直流电 源单独供给。 2、并励：电动机的励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。 4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。 电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联， 一个与电枢绕组并联。
第十一章-发动机起动系统知识讲解
第11章 发动机起动系统
11.2 起动机
2）电枢
电枢是直流电动机的转子部分，用来将电能转变为机械能，即在起动机通 电时，与磁场相互作用而产生电磁转矩。
当电枢绕组中有电流通过时，电枢导体的周围产生磁场，该磁场与磁极磁 场相互作用，产生使电枢轴旋转的力矩，称为电磁力矩或电磁转矩。
电磁转矩的大小与流过电枢导体中的电流和磁极磁场强度有关。
第11章 发动机起动系统
11.2 起动机
1、直流电动机
在蓄电池直流电压（柴油机24V、汽油机12V）的作用下，根据载流导体 在磁场在中受到电磁力作用产生运动的原理产生旋转力矩。接通起动开关 起动发动机时，电动机轴旋转，并通过驱动齿轮和飞轮的环齿驱动发动机 曲轴旋转，使发动机起动。
第11章 发动机起动系统
接通点火开关起动机起动时，驱动齿轮靠惯性力的作用， 沿电枢轴移出与飞轮啮合，使发动机起动；发动机起动后， 当飞轮的转速超过电枢轴转速时，驱动齿轮靠惯性力的作用 退回，脱离与飞轮的啮合。
这种啮合机构结构简单，但不能传递较大的转矩，可靠 性差，已很少采用。
第11章 发动机起动系统
11.2 起动机
●强制啮合式——依靠外力使起动齿轮进入啮合状态或分离。
第11章 发动机起动系统
2、起动预热
●在寒冷地区起动发动机时，由 于机油黏度高，起动阻力矩增大，燃 料气化不良，蓄电池内阻增加，起动 性能变化，发动机起动困难。
（1）进气预热装置
电热丝预热器。受冷却液温度或进 气温度控制，用于汽油机进气预热。
电预热类型：集中预热、分缸预热 当发动机在冷却液温度或进气温度 低于预定温度起动时，温控开关接通； 冷却液温度或进气温度达到预定温度， 温控开关断电。
11.1 概述
11章 控制电机及其应用
交流伺服电动机的控制方式
交流伺服电动机有三种控制方式，它们分别 是幅值控制、相位控制和幅相控制。
▪ 幅值控制：控制电压和励磁电压保持相位差90度， 只改变控制电压幅值来改变电动机转速。
▪ 相位控制：相位控制时控制电压和励磁电压均为 额定电压，通过改变控制电压和励磁电压相位差， 实现对伺服电机的控制。（较少采用）
低惯量型直流伺服电动机
▪ 盘式电枢直流伺服电动机 ▪ 空心杯电枢永磁式直流伺服电动机
➢ 结构：由一个外定子和一个内定子构成定子磁 路
➢ 外定子由永久磁铁组成 ➢ 内定子由圆形软磁材料制成，作为磁路一部分，
以减小磁路磁阻。 ➢ 转子由空心杯电枢构成。
▪ 无槽电枢直流伺服电动机
直流伺服电动机的控制方式
子。
交流伺服电动机原理
图1中的励磁绕组We与电容C串联，与单相异步电动 机相似，电容C起分相作用。适当选择电容值，可使励磁 电压Ue 相位超前电源电压U ，而控制电压Uc 与电源电压 U的频率和相位相同。这样，控制电压与励磁电压之间存 在相位差，相应地，控制电流与励磁电流之间也存在相位 差。于是，在时间上有相位差的控制电流和励磁电流，分 别流经在空间上有相位差的控制绕组和励磁绕组，便会建 立一个旋转磁场，使转子产生电磁转矩并旋转。
三相双三拍运行和三相六拍运行在通电切换过程中始终保持 有一相持续通电，力图使转子保持原位，因而起到一定的阻尼作用 ，转子运行较平稳。单三拍运行则没有这种作用，切换瞬间，转子 失去自锁能力，平稳性较差。
以上所述是简单的三相反应式步进电动机的工作原理，由于 其步距角很大(30°或60°)，故满足不了系统精度的要求。实际的 步进电动机转子齿数很多，且定子磁极上也带有小齿，可以将步距 角变得很小，详细说明可参阅相关控制电机的资料。
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直流电动机
1 直流电动机的作用原理
电枢绕组和励磁绕组分别施加直流电源。气隙中 主磁通与电枢电流相互作用产生电磁转矩:
T Ct I a
电磁力矩为原动力矩，在电磁力矩的作用下，驱 动轴上的机械负载旋转。 电枢绕组感应电势为 Ea Cen
2
I
直流电动机的平衡方程式
If
电压平衡式
Ra CeCt
2
T
0
T0
TN
主磁通由于负载电流去磁作用的影响随电流增加而略 有减小。
4 他励直流电动机的起动与调速
4.1 直流电动机的起动
起动要求：
足够的起动转矩 一定范围的起动电流
起动时间符合生产要求、起动设备简单、经济、可靠。
（1）直接起动
I n
Ea U IRa
Ea Cen
时，电枢反应的去磁作用很小，近似认为主磁
通不变，则 T
CT I a I a 与电枢电流成线
性关系。当负载电流较大时，电枢反应去磁作用 使主磁通有所减小，曲线向下弯曲。
工作特性曲线
3他励电动机的工作特性(2)
(2)转速特性
Ea U I a Ra n Ce Ce
负载电流增加，电枢电阻压降增大，如不计电枢反应 Ea 减小一些， Ea Cen ， 的去磁作用即主磁通不变， 则 n 随 Ea的下降而有所减小，形成向下的机械特性。 如考虑电枢反应的去磁作用将使每极磁通 减少，他 （并）励电动机的转速变化很小。电阻电压降的影响 影响较大，转速特性是略为下倾的。——硬特性
PM Ea I a 2 电枢回路总的铜损耗: P Cu I a Ra
电磁功率: 电磁功率包括：
P M P 2 p0
P2 为输出的机械功率;
空载损耗功率：
p p m p Fe
0
3 他励电动机的工作特性
(1)转矩特性 励磁电流 I f
Rf
Uf
const 不变。当负载电流很小
（1） 仅调节电枢回路总电阻调速
U I a Ra Ra U n T 2 Ce Ce CeCt
U
Ia
R
If
Ea
Rf
Uf
n
' n0
a b c d
1 2 3 4
T
0
效率低； 负载转矩较小时，电枢电流 小，调节作用不大； 电动机机械特性变软，使转 速变化率增大；
（2） 调节励磁I a Ra Ra U n T 2 Ce Ce CeCt
U
Ea
Rf
Uf
优点：控制功率小；设备 简单；效率高。 缺点：受换向和机械强度 限制，调速比不能太大。
n
4 3 2 1 a
T
n
（3） 仅调节电源电压调速 n U I R R U
a a
Ce
Ce
a
CeCt
工作特性曲线
T n
n
' 0
n f (Ia )
T f (Ia )
T0
0 I a0
Ia
3 他励电动机的机械特性
U I a Ra Ra U n T n T 0 2 Ce Ce CeCt n '
n0
n0
U n0 Ce
是理想空载转速 是机械特性的斜率
nN
4.2
直流电动机的调速
U I a Ra Ra U n T n T 0 Ce Ce CeCt 2
调速的基本要求与方法 ：
（1）要求：调速幅度宽广、调速连续平滑、损耗小、 经济指标高等。
（2）方法：①调节励磁电流以改变每极磁通 ； ②调节外施电源电压 U ；
③电枢回路中引入可调电阻量 R 。
缺点：最初起动时，起动 电流很大，容易损坏电枢 绕组、导致换向困难，产 生强烈环火。
Ist
n
I
t
并励电动机起动时，励磁回路中串联的电阻应最小： 因为起动中要求有较大的转矩，励磁回路电阻小，励 磁电流大， 较大，有利起动。电机起动后，感应电 势建立，使起动电流很快减小。
（2） 电枢串电阻起动
他励电动机的电枢回路串入起动电阻 R （一般采用可
Ia
Ea U I a Ra
电流平衡式（并励时）
Rf
U
Ea
I Ia I f
2 直流电动机的平衡方程式
Ia
If
转矩平衡式
T T2 T0
U
Ea
Rf
Uf
PM T Ct I a
P0 T0
P2 T2
2 直流电动机的平衡方程式
功率平衡式（他励式）
2 P UI UI E I I 输入电功率: 1 a a a a Ra
U I a Ra Ra U n T Ce Ce CeCt 2
Ea U IRa
T Ct I a
Ea Cen
60 Ct Ce 9.55Ce 2
2
T
1 2 3 4
T
0
在很广的范围内平滑调速，且电动机的机械特性 硬度保持不变。
例题
U N 110V ， Ra 0.04 一台并励直流电动机， （包括电刷接触电阻）已知电动机在某负载 下运行时，I a 40 A ，转速 n 1000r / min 。 现在使负载转矩增加到原来的4倍，问电动机 的电流和转速各为多少？（忽略电枢反应的作 用和空载转矩）
s
多级切除的变阻器），就能限制最初起动电流的大小。
Ea U I (Ra Rs )
（3） 降压起动
一般只适用于大容量频繁起动的直流电动机， 须用专门的调压电源。 优点：起动电流小，起动消耗能量少，升速比 较平稳。 在起动过程中，可逐步提升电源电压，使按需 要的加速度上升。在实用中，发电机-电动机 组即采用降压起动法，其中，发电机及电动机 均采用他励，以保证起动时有足够的励磁电流。 “整流器-电动机”组也采用此方法。