机电设备-第1章直流电动机
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
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。
第1章 直流电动机基本理论及结构
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1.1 直流电动机的原理与结构
电动机铭牌上所标的数据为额定数据.具体含义有以下几点。 电动机铭牌上所标的数据为额定数据 具体含义有以下几点。 具体含义有以下几点 1.型号 型号 电动机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯 数字表示。 数字表示。 2.直流电动机的额定值 直流电动机的额定值 (1)额定功率 N是指电动机在额定状态下运行时轴上输出的 额定功率P 额定功率 机械功率.又称为额定容量 又称为额定容量(W) 机械功率.又称为额定容量(W) 。它等于额定电压和电流的 乘积再乘上电动机的效率. 乘积再乘上电动机的效率 (2)额定电压 N是指电动机寿命期内安全工作的最高电压 额定电压U 额定电压 (V). (3)额定电流 N是指电动机轴上带有额定机械负载时的输人 额定电流I 额定电流 电流(A). 电流 (4)额定转速 N是指在额定电压、额定电流和额定输出功率 额定转速n 额定转速 是指在额定电压、 的情况下电动机运行时的旋转速度(r/min) . 的情况下电动机运行时的旋转速度
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1. 2 直流电动机电枢绕组
1.2.2 电枢绕组的基本要求及绕制规则
对电枢绕组的基本要求是:一方面能够产生足够大的电动势 对电枢绕组的基本要求是 一方面能够产生足够大的电动势. 一方面能够产生足够大的电动势 通过一定大小的电流.产生足够的转矩 产生足够的转矩;另一方面要尽可能节 通过一定大小的电流 产生足够的转矩 另一方面要尽可能节 约材料.结构简单 结构简单。 约材料 结构简单。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 绕组是由元件构成的一个元件由两条元件边和端接线组成。 元件边放在槽内.能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘ 能切割磁力线产生感应电动势.称为“‘有 元件边放在槽内 能切割磁力线产生感应电动势 称为“‘有 效边” 端接线放在槽外 不切割磁力线.仅作为连接线使用 端接线放在槽外.不切割磁力线 仅作为连接线使用。 效边”;端接线放在槽外 不切割磁力线 仅作为连接线使用。 为了便于嵌线.每个元件的一个边放在某一个槽的上层 每个元件的一个边放在某一个槽的上层.称为 为了便于嵌线 每个元件的一个边放在某一个槽的上层 称为 上层边.另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。 另一个边则放在另一个槽的下层.称为下层边 上层边 另一个边则放在另一个槽的下层 称为下层边。绘图 为了表达清晰.将上层边用实线表示 时.为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 为了表达清晰 将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
1.3直流电动机的起动、反转和制动
教案（首页）授课班级机电高职1002授课日期课题序号 1.3 授课形式讲授授课时数 2 课题名称直流电动机的起动、反转和制动教学目标1. 了解直流电动机启动时存在的问题。
2．掌握直流电动机常用的启动方法。
3．掌握直流电动机的反转方法。
4．熟悉直流电动机的制动方法。
5．学会直流电动机常用启动、反转和制动方法的操作。
教学重点1、直流电动机常用的启动、反转和制动的方法。
2、直流电动机常用启动、反转和制动方法的操作。
教学难点1、直流电动机常用的启动、反转和制动的方法。
2、直流电动机常用启动、反转和制动方法的操作。
教材内容更新、补充及删减无课外作业见教案教学后记送审记录盐城生物工程高等职业技术学校课堂时间安排和板书设计复习5导入5新授60练习15小结5一、直流电动机的起动1、起动条件2、起动方法（1）电枢回路串电阻起动（2）降压起动二、直流电动机的反转三、直流电动机的制动1、能耗制动2、反接制动（1）倒拉反接制动（2）电枢电源反接制动3、回馈制动课堂教学安排课题序号 1.3 课题名称直流电动机的起动、反转和制动第1 页共8 页导入新授使用一台电动机时，首先碰到的问题是怎样把它启动起来。
要使电动机启动的过程达到最优，主要应考虑以下几个方面的问题：启动电流Ist的大小；启动转矩Tst的大小；启动设备是否简单等。
电动机驱动的生产机械，常常需要改变运动方向，例如起重机、刨床、轧钢机等，这就需要电动机能快速地正反转。
某些生产机械除了需要电动机提供驱动力矩外，还要电动机在必要时，提供制动的力矩，以便限制转速或快速停车。
例如电车下坡和刹车时，起重机下放重物时，机床反向运动开始时，都需要电动机进行制动。
因此掌握直流电动机启动、反转和制动的方法，对电气技术人员是很重要的。
一、直流电动机的启动直流电动机从接入电源开始，转速由零上升到某一稳定转速为止的过程称为启动过程或启动。
1．启动条件当电动机启动瞬间，n=0，Ea=0，此时电动机中流过的电流叫启动电流Ist，对应的电磁转矩叫启动转矩Tst。
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。
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
第1章 直流电机的基础知识
C m = 9.55C e
直流电动机额定转矩：
TN
PN = 9 . 55 nN
TN:额定转矩(N.m) PN:额定功率(W) nN:额定转速(r/min)
补充：直流电动机中，转子旋转起来会切割磁力线，产生感 补充 应电动势，这被称为电枢电动势Ea，判断它的方向与电源输 入的电流方向相反，称为反电动势 直流发电机中，电枢绕组中有了感应电流，在磁场中又 会受到电磁力的作用，电磁力所形成的电磁转矩T与转子的 运动方向相反，阻碍运动，被称为制动转矩（或阻转矩） 在工作原理中重要的两个参数的不同作用 ： 直流电动机 直流发电机 T 驱动转矩 阻转矩 Ea 反电动势 相当于直流电源
1.2 直流电机的励磁方式和铭牌
一、直流电机的励磁方式 1．励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。 2．直流电机种类：按励磁方式分为有（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 电机等四种。
二、直流电机的铭牌 每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型 号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件。
2．直流电动机输入的电功率为： P1=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pm+ Pcu 上式说明：输入的电功率一部分被电枢绕组消耗 （电枢铜损）一部分转换成机械功率（电磁功率）。 3．直流电动机输出的机械功率为： P2=Pm-PFe-Pem-PS=Pm-P0-PS=P1-∑P 4．直流电动机的效率为：
3、电机的特点： 可逆性——看外部条件 ，发电机一般接负载；电 动机一般接电源。
4、直流电机转子电动势 1）概念 转子电动势：转子绕组切割磁力线而产生的感应电动势。 2）表达式 每根导体的感应电动势： e = BLv e:感应电动势(V) B:电磁感应强度(T) L:每根导体的有效长度(m) v:转子转动线速度(m/s)
第1章直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理与结构 1.2 直流电机电枢绕组简介 1.3 直流电机的电枢反应 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 直流电机的换向 1.6 直流发电机 1.7 直流电动机
思考题与习题
第1章 直流电机
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
测速
电源
励磁机 伺服
第1章 直流电机
合成磁势曲线
饱和时磁阻 不为常数不 能简单叠加
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bx
主磁场的 磁通密度 分布曲线
B0 x
Bax
不饱和两条曲线逐点叠 加后得到负载时气隙磁 场的磁通密度分布曲线
物理中性线偏离几何中性线
第1章 直流电机
二、当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏 移 角，电枢磁动势 轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。
第1章 直流电机
1.1.1 直流电机的主要结构
第1章 直流电机
直流电机截面图
第1章 直流电机
直流电机主磁极
第1章 直流电机
换向极
换向极是安装 在两相邻主磁 极之间的一个 小磁极，它的 作用是改善直 流电机的换向 情况，使电机 运行时不产生 有害的火花。
第1章 直流电机
电刷装置
电刷装置—— 电刷装置是电 枢电路的引出 （或引入）装 置
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运 行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载 运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载 运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使 用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此 时电机的运行效率、工作性能等比较好。
第1章 直流电机
第1章 直流电机
《机电传动控制》实验1-直流电动机机械特性
《机电传动控制》实验1-直流电动机机械特性《机电传动控制》实验指导书实验⼀直流电动机的机械特性⼀、实验⽬的掌握⽤实验⽅法测取直流并励电动机的机械特性。
⼆、实验内容1、实验设备1)、电源控制屏、D31直流数字电压电流表（2件）、D42三相可调电阻器、D44可调电阻器，挂箱排列顺序见图1-1。
2）、DD03导轨、测速发电机及转速表DJ23校正直流测功机参数：I N=2.2A，P N=355W，n N=1500r/min，U fN=220A，R f=26Ω，R=2090ΩDJ15直流并励电动机参数：I N=1.2A，P N=185W，n N=1600r/min，U fN=220A，R f=57Ω，R=1387Ω转速表DJ23 DJ15 DJ15直流并励电动机电阻串联接法：旋钮在最⼤值时R=1800Ω电阻并联接法：旋钮在最⼤值时R=450Ω图1-1实验挂件及顺序D 42 D 31 （1） D 31 （2）D 44电源控制屏量程选择1000v量程选择200m A励磁电源电枢电源接线图2、实验步骤1）按上图接线。
图中直流电动机M⽤DJ15，其额定电压U N=220V，额定励磁电流I fN<0.16A。
校正直流测功机MG⽤DJ23，MG按他励发电机连接，在此作为直流电动机M的负载，⽤于测量电动机的转矩和输出功率。
R f1选⽤D44的1800Ω阻值，R f2选⽤D42的900Ω串联900Ω共1800Ω阻值，R1⽤D44的180Ω阻值，R2⽤D42的900Ω串联900Ω再加900Ω并联900Ω共2250Ω阻值。
接好线后，检查M、MG之间是否⽤联轴器直接联接好。
2）将直流并励电动机M的磁场调节电阻R f1调⾄最⼩值，电枢串联起动电阻R1调⾄最⼤值，接通控制屏下边右⽅的电枢电源开关使其启动，其旋转⽅向应符合转速表正向旋转的要求。
3）M启动正常后，将其电枢串联电阻R1调⾄零，调节电枢电源的电压为220V，调节校正直流测功机的励磁电流I f2为校正值（100mA），再调节其负载电阻R2和电动机的磁场调节电阻R f1，使电动机达到额定值：U=U N，I=I N，n=n N，此时M的励磁电流I f即为额定励磁电流I fN。
电机与拖动考试习题
电机与拖动考试习题绪论1、电机是_________________________的电力机械设备。
（根据电磁感应原理实现机电能量转换）2、电机可分为______、______、______、______四类。
（变压器、直流电机、交流电机、控制电机）3、电力拖动装置一般由________、_______、_________、__________和________等基本环节所组成。
（电动机、传动机构、生产机械、控制设备、电源）第一章直流电机（一）填空题：1、可用下列关系来判断直流电机的运行状态，当_______时为电动机状态，当_______时为发电机状态。
（E a〈U；E a〉U）2、直流发电机的绕组常用的有_______和_______两种形式，若要产生大电流，绕组常采用_______绕组。
（叠绕组；波绕组；叠）3、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______。
（相反；相同）4、直流电机的电磁转矩是由_______和_______共同作用产生的。
（每极气隙磁通量；电枢电流）5、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。
（U=U N、φ=ΦN，电枢回路不串电阻；n；T em）6、直流电动机的起动方法有_____________、______________、_____________。
（直接起动、电枢回路串变阻器起动、降压起动）7、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。
（理想空载转速）8、拖动恒转矩负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。
（电枢串电阻或调节电枢电压；弱磁）（二）判断题1、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。
（）√2、一台并励直流电动机，若改变电源极性，则电机转向也改变。
直流电机知识
作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能直流测速发电机将机械信号转换为电信信号传递-直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号1-1 直流电机工作原理一、原理图(物理模型图)磁极对N、S不动, 线圈（绕组）abcd 旋转, 换向片1、2旋转, 电刷及出线A、B不动二、直流发电机原理（机械能--->直流电能）( Principles of DC Generator)1.原动机拖动电枢以转速n(r/min)旋转；2.电机内部有磁场存在；或定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁电流I f)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场） (magnetic field, field pole)3.电枢线圈的导体中将产生感应电势 e = B l v ，但导体电势为交流电，而经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势E AB，以便输出直流电能。
（看原理图1，看原理图2）(commutator and brush)1.问题1-1：直流电机电枢单个导体中感应电势的性质？2.问题1-2：直流电机通过电刷引出的感应电势的性质？3.看直流发电机原理动画4.问题1-3：直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流电势？5.为了得到稳定的直流电势，直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置，并通过多个换向片联接成电枢绕组。
以前曾使用环形绕组.6.问题1-4：环形绕组的缺点是什么？三. 直流电动机的原理 ( Principies of DC Motor)1.将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流i a通过。
2.电机内部有磁场存在。
3.载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f = B l i a（左手定则）4.所有导体产生的电磁力作用于转子可产生电磁转矩，以便拖动机械负载以n(r/min)旋转。
5.结论：直流电机的可逆性原理：同一台电机，结构上不作任何改变，可以作发电机运行，也可以作电动机运行。
第1章直流电机—作业答案
第1章 直流电机
• 1.19一台直流发电机额定数据为：额定功率 PN=10KW，额 定电压 UN=230V，额定转速 nN=2850r/min，额定效率 N =85%。 求它的额定电流及额定负载时的输入功率。
解：额定电流：
IN=U PN N=10231003A43.48A
1.28 解：（1）额定负载时电枢电动势：
E a U N R a I a N ( 2 2 0 0 . 2 6 7 5 ) V 2 0 0 . 5 V
因为额定负载时电磁功率：
P e m E a I a N 2 0 0 .5 7 5 W 1 5 0 3 7 .5 W
额定负载时的输入功率：
P1=PN N=100 .81流电动机的额定数据为：额定功率 PN=17KW，额定
电压 UN=220V，额定转速 nN=1500r/min，额定效率 N =83% 。 求它的额定电流及额定负载时的输入功率。 解：额定负载时的输入功率：
励磁回路铜损耗：P C u f If2 R f 1 .0 7 2 2 1 5 W 2 4 6 .2 W
电磁功率： p e m P N P C u a P C u f ( 1 0 0 0 0 9 7 2 . 5 2 4 6 . 2 ) W 1 1 2 1 8 . 7 W
第1章 直流电机
• 1.24同题1.23中数据，设电枢电流 Ia 10A，磁通Ø 保持不 变，问其中电磁转矩为多大？如果把此电枢绕组由单叠绕 组改为单波绕组，并保持支路电流不变，问这种情况下的 电磁转矩又为多大？
解：（1）电枢绕组为单叠绕组a=3
T e m C T I a 2 p N a I a 2 3 3 . 3 1 9 4 8 3 2 . 1 1 0 2 1 0 N . m 1 3 . 3 1 N . m
直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性直流电动机是一种常用的机电一体化设备，其被广泛应用于各个领域中。
本文将会介绍直流电动机的机械特性以及其对电机性能的影响。
机械特性在直流电动机中，机械特性包括以下几方面：转矩-转速特性转矩-转速特性是描述直流电动机机械性能的一项基本参数。
在电动机工作过程中，其所能输出的最大转矩随着转速的升高而逐渐降低。
这是因为当电动机转速越来越快时，铁芯和电涡流产生的反磁场会减弱，从而导致电动机所能输出的最大功率下降。
负载特性负载特性是指在不同负载下电机的输出特性。
电动机工作时，其常常需要承受较大的负载。
在负载下，电机输出的功率与输出的转矩有直接的关系，因此负载特性也是衡量电机性能的重要指标。
稳态和瞬态特性电动机的稳态和瞬态特性是描述电机工作状态的两个重要参数。
稳态特性是指电机在稳定状态下的运作特性，而瞬态特性则是指电机在启动、停止和加速等瞬态过程中的运作特性。
机械特性对电机性能的影响电动机的机械特性对其性能的影响十分显著。
其中，转矩-转速特性对电机的负荷能力、效率和稳定性都有影响。
转矩-转速特性可以用动态转矩方程来描述，在实际应用中可以根据负载情况来调整电机的运行状态，以保证其在不同负载下的运行稳定性。
另外，稳态和瞬态特性对电机的启动、停止和加速等过程有直接的影响。
在启动过程中，电机可能会受到较大的起动电流，从而导致电机元件的过载。
在停止过程中，电机可能会产生反电动势，导致能量无法全部释放，影响到电机的效率。
因此，在电机的设计过程中需要充分考虑机械特性对电机性能的影响，以使其性能更加优越。
直流电动机的机械特性是描述其工作性能的一个重要因素。
转矩-转速特性、负载特性以及稳态和瞬态特性等机械特性对电机的性能和效率都有显著的影响。
在电机设计和应用中，我们需要充分考虑这些特性的影响，以保证电机的稳定性、负荷能力和实用性。
《电机与拖动》部分作业题解答
第一章 直流电机1-3 直流发电机和直流电动机中的电磁转矩T 有何区别？它们是怎样产生的？而直流发电机和直流电动机中的电枢电动势，a E 又有何区别？它们又是怎样产生的？解：直流发电机的电磁转矩T 是制动性质的，直流电动机的电磁转矩T 是驱（拖）动性质的，它们都是由载流导体在磁场中受到的电磁力，形成了电磁转矩；直流发电机的电枢电动势E a 大于电枢端电压U ，直流电动机的电枢电动势E a 小于电枢端电压U ，电枢电动势E a 都是运动导体切割磁场感应产生的。
1-4 直流电机有哪些主要部件？各起什么作用？解：直流电机的主要部件有定子：主磁极（产生主极磁场）、机座（机械支撑和导磁作用）、换向极（改善换向）、电刷（导入或导出电量）；转子：电枢铁心（磁路的一部分，外圆槽中安放电枢绕组）、电枢绕组（感应电动势，流过电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换）、换向器（与电刷一起，整流或逆变）1-5 直流电机里的换向器在发电机和电动机中各起什么作用？解：换向器与电刷滑动接触，在直流发电机中起整流作用，即把线圈（元件）内的交变电整流成为电刷间方向不变的直流电。
在直流电动机中起逆变作用，即把电刷间的直流电逆变成线圈（元件）内的交变电，以保证电动机能向一个方向旋转。
1-6 一台Z2型直流发电机，m in,/1450,230,145r n V U kW P N N N ==-求该发电机额定电流。
解： A U P I N N N 43.630230101453=⨯== 1-7 一台Z2型直流发电机，m in,/1500%,90,220,160r n V U kW P N N N N ===-η求该额定电流是多少？解： A U P I N N NN 08.8089.022*******=⨯⨯==η1-10 电枢反应对气隙磁场有何影响？解：电枢反应使合成磁场发生畸变，磁路饱和时有去磁作用。
1-11 有一台四极直流电机，电枢绕组为单叠整距绕组，每极磁通为3.5×10-2Wb ，电枢总导线数N=152，转速min /1200r n =。
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
第一章直流电机
《电机及拖动基础》直流电机
例1-3 一台直流发电机， PN=10KW，UN=230V， nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负 载时的输入功率。 。
解
IN PN U
N
10 10 230
3
A 43 . 48 A
P1
PN
N
10 10 0 . 85
3
W 11760 W 11 . 76 kW
势的单位为V。 可见：对已制成的电机, Ea正比于每极磁通和转速n；
另：转矩常数CT与电势常数Ce之间有固定的比值关系：
CT／Ce＝(N· p/2a)/(N· p/60a)=9.55
《电机及拖动基础》直流电机
例1-6 一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组， 电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469r/min，每极磁 通Φ =2.2× 10-2Wb，求： 1）此发电机电枢绕组的感应电动势。 2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为800A 时，能产生多大电磁转矩？ 解
《电机及拖动基础》直流电机
例1-4 一台直流电动机，PN=17KW，UN=220V， nN=1500r/min，N=83%。求其额定电流和额定负 载时的输入功率。 解
IN PN U N N 17 10
3
220 0 . 83
3
A 93 . 1 A
P1
PN
N
17 10 0 . 83
《电机及拖动基础》直流电机
二、直流电机的基本结构
直流电机的径向剖面示意图
直流电机的结构图
1-电枢铁心 2-主磁极 3-励磁绕组 4电枢齿 5-换向极绕组 6-换向极铁心 7-电枢槽 8-底座 9-电枢绕组 10-极 掌(极靴） 11-磁轭（机座）
第1章 直流电机的结构与工作原理
讲稿No 1讲稿No 2讲稿No 3讲稿No 4技术课将起到很大的帮助。
本课程的主要内容是结合电机的基本结构，介绍电机的基本工作原理，分析电机内部的电磁关系和规律，在定性分析的基础上，根据电磁定律导出电机各电、磁量的关系，对电机进行定量分析。
最后，应用基本理论，分析一些运行中遇到的问题，从而找出处理方法。
5. 学习本课程应注意的几点根据本课程的性质和特点，学习时应注意以下几点：(1) 要注意理论联系实际。
在理论学习时，要联系电机的结构和所发生的电磁或机械运动现象进行分析，把理论知识应用于实际问题的分析中，不能只满足于表面的理解。
(2) 应抓住重点，深刻理解基本概念和基本理论，注意区别各类电机的同、异点。
善于掌握规律，学会综合分析，解决各种问题。
(3)教案用纸No 5讲 稿No 61、定子定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。
（1）主磁极白银矿冶职业技术学院讲稿No 7）电刷装置白银矿冶职业技术学院讲稿No 8电刷的作用是：与换向器配合引入、引出电流。
（4）机座和端盖机座的作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。
白银矿冶职业技术学院讲稿No 9量电机中，气隙为0.5～3mm。
其大小对电机性能有很讲稿No10当原动机驱动电机转子逆时针旋转180°后，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。
白银矿冶职业技术学院讲稿No 11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。
当电枢旋转到下图所示位置时，原N极性下导体ab极下，受力方向极下导极下，受力方向从右向左。
该电白银矿冶职业技术学院教案用纸No12讲稿No 13白银矿冶职业技术学院讲稿No 14电枢实际槽数。
叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组1.2.2 电枢绕组的节距．极距极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离πZD白银矿冶职业技术学院讲稿No 15白银矿冶职业技术学院讲稿No 16讲稿No 17、单叠绕组的并联支路图画出元件的连接及有关的换向片和电刷，就成了绕组的并联支路图。
2直流电机的结构与工作原理
定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了电 枢绕组线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧 形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相 绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固 定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换 向片上放置着一对固定不动的电刷A和B。当电枢旋 转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 电机内部的固定部分要有磁场。这个磁场可以是如 下图示的磁铁，也可以是磁极铁心上绕套线圈，再 通过直流电产生磁场。
e Bδlv Bδ
但此电势在零和最大值之间脉动，波动太大，不能做直 流电源。
两线圈串联后的合成电势
与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端 各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度， 换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角 度。
当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相 距90电角度
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和 换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从 电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方 向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使 得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。 外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用， 在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方 向却是不变的。
（一）主磁极
主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁心 和套装在铁心上的励磁绕组构成，如图18-11。
励磁绕组和串换向 极后的电枢绕组出 线
定子机座 换向极铁心 换向极绕组
主磁极铁 心
主磁极绕组 （励磁绕组） 换向极绕组与 励磁的串联接 线 图18-10直流电机定子
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E 稳定
平衡
(2–2)
此时工作点对应下图 的 a 点上。
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性 2．电动机负载增加，转速下降时
负载转矩增加 n (22) E (23) Ia (21)T n n2(稳定)
平衡 此时工作点对应图中 b 点上。
E Cen
电动机的机械负载变化时，通过E的的变 化反映到电枢电路，引起电流变化。
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
软机械特性：工作磁通 随负载变化。负载增加、电流增加， 与电枢电流 成正比，故转矩增加，转速 n 显著下降。
适用于电动工具，即负载经常变化， 转速不要求稳定的场合。
二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程
1．电磁转矩 T
CT ——转矩常数 2．电枢电动式 E
T CTIa E Cen
Ce ——电动式常数
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程 3．电枢回路电压平衡方程式 如图所示
或
U E Ra Ia
UE Ia Ra
磁通 和电枢绕组 R a有关，可见直流电动机的调速方法有三种。
1．调压调速：n0 U， n 不受 U 的影响。调解 U 可以平滑的调解电 动机转速，且机械特性硬度不受影响，
如图所示
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
三、直流电动机的调速
2．调磁调速：n 1/ 。调解励磁电流改变磁 通 ，从而改变转速，机 械特性变软，如图所示。
特点：过载能力强，不允许空载或 轻载运行（起动时带上 20 % ~ 30 % 的 额定负载），防止“飞车”。
复励式直流电动机的机械特性介于 两者之间。
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
Hale Waihona Puke 一、直流电动机的起动 二、直流电动机的反转 三、直流电动机的调速
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
一、直流电动机的起动
第一章 直流电动机
第一节 直流电动机结构和分类 第二节 直流电动机工作原理与运行特性 第三节 直流电动机的起动、反转和调速 第四节 其他类型的直流电动机 本章小结
第一节 直流电动机结构和分类 一、直流电动机的基本结构 二、直流电动机分类
第一节 直流电动机结构与励磁方式
一、直流电动机的基本结构
直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承等）三 大部分所组成。图是一台电磁式直流电动机的结构示意图。
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
n
E
Ce
U Ra Ia
Ce
U
Ce
Ra T
CeCT 2
n0
n
硬机械特性：机械特性曲线的工作段接近于水平。软，反之。
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性 1．当电动机稳定运行时
U 产生 Ia 产生T T与负载转矩相平衡时 n n1(稳定)
第一节 直流电动机结构与励磁方式
一、直流电动机的基本结构
1．定子 定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分。 2．转子(电枢) 转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢”。 电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。
第一节 直流电动机结构与励磁方式
二、直流电动机分类
四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组各 由独立的电源供电，而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组共用一电 源，所以又统称为“自励式”。其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕 组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组，一组与电枢绕组串联，一 组与电枢绕组并联；如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，则称为积复励； 如果两个绕组所产生的磁通方向相反，则称为差复励。
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
三、直流电动机的调速
3．调解电枢电阻调速： 在电枢回路中串联变阻器，增大电枢绕组。调速范围小，机械特性 变软，精度低。但简单易行，用于调速比在 2:1 以下的小功率直流电动 机中使用。永磁式电动机采用调压或调电枢绕组的方式来调速。
第四节 其他类型的直流电动机 一、永磁式直流电动机 二、无刷式直流电动机 三、直流伺服电动机
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
二、直流电动机的反转
永磁式直流电动机： 通常改变电枢绕组电流方向，来改变的运转方向。 串励式直流电动机： 改变励磁绕组或者电枢组接线方式来改变转向。
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
三、直流电动机的调速
n E U Ra Ia
Ce
Ce
从直流电动机的转速方程中可以看出，直流电动机的转速与电源电压 U、
直流电动机的起动电流很大，可达额定电流的 10 ~ 20 倍。这么大 的启动电流会烧毁电枢绕组和换向器，所以直流电动机不允许直接启 动。一般采用起动时在电枢回路中串联起动电阻的方法，减小起动电 流，起动结束后将起动电阻从电路中切除。
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
例题
例 １- 2 直流电动机的额定电压为 110 V，额定电流为 13.5 A，电 枢电阻为 0.4 ，求直接起动电流。若将起动电流限定在额定电流的 两倍，应串联多大的起动电阻？
第四节 其他类型的直流电动机
一、永磁式直流电动机 (一) 永磁式直流电动机的结构 定子采用永久磁铁制成，其他结构与他励式无区别。 拆卸一台永磁直流电动机观察其内部结构，如图所示。 1．定子 包括永久磁
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的运转原理 二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程 三、直流电动机的机械特性
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的运转原理 （师生互动，提问绪论介绍的换向式电动机运转过程） 思考： 电枢电流方向不变，会出现什么情况？
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
解： 直接起动电流
U 110 Ist Ra 0.4 A 275A
可见直流电动机的起动电流很大。为限制启动电流，串联起动电 阻 R1，则电枢回路中总电阻为
Rst Ra R1
起动电流设定为适用 27 A，则起动电阻为：
Rst 110/ 27 4.1, R1 Rst Ra (4.1 0.4) 3.7