第1章 直流电机原理及单闭环调速系统

指指向电流方向， 拇指表示电磁力方向。
第1章 直流电机原理及单闭环调速系统
1.2
1.2.1
如图1-1所示， 在空间有一对固定的永久磁铁， 在N极 和S极之间有一个可以转动的线圈， 线圈的首尾分别连接在 两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上， 它固定在转轴上可以 随轴转动， 并且轴也是绝缘的。 为了减小两极之间的磁阻， 线圈安放在圆柱形铁芯上， 线圈、 铁芯和换向片构成一个 整体并随轴转动， 通称为转子。 为了把线圈与外电路接通， 换向片上放置了一对在空间静止不动的电刷A和B。 电刷和 磁极在空间静止不动， 构成了电机的固定部分， 通称为定 子。 定子与转子之间有空隙， 称为空气隙。
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1870~1890 年是直流电机发展的另一个重要阶段。 1873 年， 海夫纳阿尔泰涅克(Hefner Alteneck)发明了鼓形绕组， 提高了导线的利用率。 为加强绕组的机械强度， 减少铜线 内部的涡流损耗， 绕组的有效部分被放入铁芯槽中。 1880 年爱迪生(Edison)提出采用叠片铁芯， 进一步减少了铁芯损 耗， 降低了绕组温升。 鼓形电枢绕组和有槽叠片铁芯结构 一直沿用至今。
拇指指向导体的运动方向， 四指表示感应电势方向。
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1.1.3
电路定律即基尔霍夫电流定律和电压定律。 其中：
∑i=0
（1-7
即任意电路中， 流入、 流出某一点的电流之和等于零;
∑e=∑u
（1-8
即任意电路中， 沿某一方向环绕回路一周， 该回路内所
有电势的代数和等于所有电压降的代数和。
上述若干重大技术进步使直流电机的电磁负荷、 单机容 量和输出效率大为提高， 但换向器上的火花问题随之上升为 突出问题。 于是， 1884 年出现了换向极和补偿绕组， 1885 年开始用碳粉制作电刷。 这些措施使火花问题暂告缓和， 反过来又促进了电磁负荷和单机容量的进一步提高。
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eb称为变压器电势。 变压器工作原理就是线圈位置不动, 而 通过线圈的磁通量对时间发生变化。
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式(1-2)中， WdΦ=dψ; ψ=WΦ, 称为磁链。 若 t 0
ev

W


x

dx dt


W

x
v
（1-5）
ev称为速度电势。 电机的工作原理就是磁场的大小及分 布不变， 仅靠磁场和线圈有相对位移来产生变化磁通和
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1.1
法拉第(Faraday)于1821 年发现了载流导体在磁场中受 力的现象， 并首次使用模型表演了这种把电能转换为机械 能的过程。 在进行了大量的实验研究以后， 1831 年， 他 又发现了电磁感应定律。 在这一基本定律的指导下， 第二 年， 皮克西(Pixii)利用磁铁和线圈的相对运动， 再加上一 个换向装置， 制成了一台原始的旋转磁极式直流发电机。 这就是现代直流发电机的雏形。 虽然早在1833 年， 楞次 (Lenz)已经证明了电机的可逆原理， 但在1870 年以前， 直 流发电机和电动机一直被看做是两种不同的电机而独立发 展着。
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图1-1 直流电机工作原理
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1.1.4
导体中通以电流i， 在磁场中将受到电磁力的作用， 若 磁场与导体相互垂直，
F=Bxli 式中: Bx为导体所在处的磁通密度; i为导体中的电流（A）；
（1-9） l为导体的有效长度；
这就是磁场对载流导体的作用力， 常称为安培力， 式
(1-9) 电磁力的方向由左手定则确定： 磁力线穿过手掌， 四
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1.1.1
设空间有N根载流导体， 环绕载流体的任意磁通闭合 回路中， 磁场强度的切向分量沿该回路的线积分等于该回 路所包围的电流代数和， 即
Hdl NI
（1-1）
式中: H为沿该回路上各点切线方向的磁场强度分量； I为
每根导体中的电流； l为导体的长度。 式（1-1）表明磁场 强度沿闭合回路的线积分与路径无关。 称NI为磁路的磁动
e W d
dt
（1-2）
磁通Φ是时间t和线圈对磁场相对位移x的函数， 即
Φ=f(t, x)。
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将式（1-2
e

W
d
dt
W

t


x
dx dt

（1-3）
若 dx dt 0 ，
eb
W

dt
W
d
dt
（1-4）
在电机理论方面， 1886 年霍普金森兄弟(J&E Hopkinson)确立了磁路欧姆定律， 1891年阿诺尔特 (Anoret)建立了直流电枢绕组理论。 这就使直流电机的 分析和设计建立在更为科学的基础上。
电机理论分析建立在电磁理论等基础之上。 为了 更好地理解电机原理， 首先回顾一下基本电磁定律。
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第1章 直流电机原理及单闭环调速系统
1.1 基本电磁定律 1.2 直流电机的工作原理及类型 1.3 直流电机的模型 1.4 他励直流电机的调速方法 1.5 开环调压调速系统
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1.6 转速单闭环调速系统 1.7 无静差调速系统和基本调节电路 1.8 其它反馈环节的直流调速系统 1.9 单闭环调速系统电流截止负反馈 习题与思考题
感应电势进行能量变换。
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速度电势也可以通过计算单根导体在磁场中运动的
感应电势来得到：
ev=Bxlv
（1-6
式中: Bx为导体所在位置的磁通密度（T）； l为导体的
有效长度（m）； v为导体在垂直于磁力线方向的运动
速度。
感应电势的方向符合右手定则： 磁力线穿过掌心，
势， 简称磁势。
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磁场强度H与磁感应强度B及磁导率关系为
HB

磁感应强度B为单位面积的磁通量， 即
B
S
也称为磁通密度， 简称磁密。
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1.1.2
线圈中的磁通量Φ发生变化时， 在该线圈中将产 生与磁通变化率成正比的电动势， 若线圈匝数为W，