直流电机习题课

Φ (2) 参数特点：U=-UN， = Φ N , 电枢回路总电阻 参数特点： 电枢回路总电阻R=Ra+Rz ，
因而有： 因而有：
- U N = E a + I a (R a + R z ) UN Ra + RZ Ra + R Z − ⋅T = -n 0 − ⋅T n =− 2 2 C E Φ N C E CT Φ N C E CT Φ N
3 反接制动：电动势反向的反接制动
(1) 方法：保持 f及端电压不变，仅在电枢回路串入 方法：保持I 及端电压不变， 足够大的制动电阻R 足够大的制动电阻 z。 (2) 参数特点：U=UN，Φ = Φ N 参数特点： ， R=Ra+Rz 足够大。 且Rz足够大。 , 电枢回路总电阻
Ra + RZ Ra + RZ n = n0 − ⋅ Tz = n0 − ⋅ Iz 2 C E ΦN C E CT Φ N
2 调速指标
调速范围； 静差率； 调速平滑性； 调速时电动机的容许输出； 在整个调速范围内，如果使其电流始终等 于IN，则电机既能充分利用又能安全运行， 此时电动机的输出功率与转矩分别为调速 时容许输出功率和容许输出转矩。 经济性。
4 直流电机的电刷数目等于主磁极数2p，安 放电刷的原则是：被电刷短路的元件的感 应电动势为零。使正负电刷间获得电动势 最大，所产生的电磁转矩最大。为此，电 刷的实际位置应与主磁极轴线对准。由于 此时被电刷所短路的两元件边处于几何中 心线，所以又习惯简称为电刷处于几何中 性线上。
5 对于单叠绕组，换向器节距yk=y=1，式 中y为合成节距；其并联支路数a=p。 6 对于单波绕组，yk = y = k − 1 = 整数 ；其
3 电枢旋转时，电枢绕组导体切割气隙磁场 磁力线产生感应电动势，在电枢内部，此 感应电动势ea也是交流，其方向始终与ia 相反，故称反电动势。 4 虽然电枢绕组是旋转的而且电枢电流又是 交流，但是从空间上看，N极或S极下的 电枢导体电流方向不变，即电枢电流所生 的磁场（称为电枢磁场）在空间上是一个 静止不变的恒定磁场。
TL2
O
TL1 T
O
TL
4 回馈制动
(2)反向回馈制动 电压反向的回馈制动 反向回馈制动(电压反向的回馈制动 反向回馈制动 电压反向的回馈制动) 方法：保持I 大小方向不变，将电枢反接， 方法：保持 f大小方向不变，将电枢反接，从而使位能性 负载以较高的转速稳速下放。 负载以较高的转速稳速下放。 UN Ra + RZ 使重物稳速下放的转速为：nz = − C Φ − C Φ ⋅ I z 使重物稳速下放的转速为： E N E N 为使下放转速不至太高通常取Rz=0 为使下放转速不至太高通常取 n0 n n0 n B A A TL
可见只要R 选择得当，就可使负载以极低转速下放。 可见只要 z选择得当，就可使负载以极低转速下放。
反接制动的运行特点
制动运行时实际转向与其理想空载转速方 向相反； 制动过程中一方面从电网吸收电功率，另 一方面又从轴上输入机械功率，两者都转 换成电功率而消耗在电枢回路电阻上。
4 回馈制动
(1)正向回馈制动 (电压不反向的回馈制动 正向回馈制动 电压不反向的回馈制动 电压不反向的回馈制动) •电车下坡时，若电机参数都不变，则最后稳定于机械特 电车下坡时， 电车下坡时 若电机参数都不变， 性向第二象限延伸段。 性向第二象限延伸段。 •突然降低端电压的瞬间，电机工作于降压人为特性的第 突然降低端电压的瞬间， 突然降低端电压的瞬间 二象限延伸段，在转速降至n 前的过程属回馈制动。 二象限延伸段，在转速降至 0前的过程属回馈制动。 B n C n0 n A B n01 n0 C A D UN U1 T
六、直流电机的基本方程式
1 直流电动机的基本方程式 （1）直流电动机惯例应注意Ea与Ia方向相 反，为反电动势，T与n转向一致，是驱动 转矩。 （2）电动势平衡方程式； （3）转矩平衡方程式； （4）功率平衡方程式。
2 直流发电机的基本方程式 直流发电机的惯例应注意Ea与Ia方向一致， 为反电动势，T与n转向相反，是制动转矩。 基本方程式：
七、直流电机的运行特性
1 直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性是指转速、转矩及效率和 电枢电流的关系曲线。
n0 T,n,ŋ ŋ T n
0
Ia
2 直流发电机的运行特性
（1）他励直流发电机的空载特性形状与其 电机磁化曲线相似，其本质是反映了励磁 电流与由它建立的主磁通在电枢中所生的 电枢电动势之间的关系，而与励磁方式无 关。 （2）他励直流发电机的外特性是一条略为 下降的硬特性，而并励的外特性下降更大 些，直流发电机一般不采用串励方式。
-UN,Ra+RZ
TL T O -n0 B T
-UN,Ra
O -n0 C
回馈制动时的运行特点
回馈制动时，电机实际转向与其理想空载 转速方向一致，且n>n0。因而Ea>U，且 Ea与Ia方向一致。 电机将轴上输入的机械功率转换成电能而 送回电网。
六、他励直流电动机的调速
1 调速方法 电枢回路串电阻调速； 降压调速； 弱磁调速。
（3）并励直流发电机的自励条件
必须有剩磁。如果没有剩磁， 必须有剩磁。如果没有剩磁，需用其 它直流电源对其“充磁” 它直流电源对其“充磁”。 产生的磁场方向必须与剩磁方向相同。 产生的磁场方向必须与剩磁方向相同。 由激磁绕组接法和发电机转向决定） （由激磁绕组接法和发电机转向决定） 励磁回路的总电阻必须小于相应转速 下的临界电阻。 下的临界电阻。
0 = E a + I a (R a + R z ) Ra + R Z n =− ⋅T C E CT φ N
n=
U
Ra+ RZ CT Ceφ 2
Ceφ
Tem
3 反接制动：电压反向的反接制动
(1) 方法：保持 f大小方向不变，令电枢经制动电阻 方法：保持I 大小方向不变， Rz而反接于电网。 而反接于电网。
1 制动运行 一般保持磁通为额定磁通，其大小方向不变， 使 电磁转矩与转向相反，其特点是从轴上 吸收机械能转换成电能而消耗在电机内部 或反馈电网。 TL TL T n T n
电动机 生产机械 电动机 生产机械
电动状态
制动状态
2 能耗制动
(1) 方法：保持 f大小方向不变，将电枢回路从电网 方法：保持I 大小方向不变， 脱离经制动电阻R 闭合。 脱离经制动电阻 z闭合。 (2) 参数特点：U=0, Φ = Φ N , 电枢回路总电阻 参数特点： 电枢回路总电阻R=Ra+Rz 因而有： 因而有：
二、电机的可逆原理
同一台电机由于外界条件的不同，既可作 发电机运行也可作电动机运行，称为电机 的可逆原理，不仅适用于直流电机，也适 合于 交流电机。
三、直流电机的电枢绕组
1 直流电机的电枢绕组元件的第一节距
z ± ε = 整数 y1 = 2p
式中z为电枢槽数，p为主磁极极对数。 2 直流电机电枢绕组的全部元件通过换向器而连 接成一个闭合的回路，由于沿回路中各元件的 电动势之和为零，所以不会产生环流。 3 直流电机电枢绕组为双层绕组，设元件数为s， 换向片数为k，槽数为z，则有s=k=z。
p
并联支路数a=1与极数无关。 所以对单波绕组而言，理论上只用一对 正负电刷，但实际仍常取2p个电刷。
四、直流电机的磁场
1 以直流电动机为例，直流电机各种励磁方 式的特点是： 他励：单独供电。 并励：由同一个直流电源供电。 串励：励磁绕组与电枢绕组相串联。 复励：有两套励磁绕组。先串后并为长复 励；先并后串为短复励。
下放重物时，负载负担了
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∆T
GR T= − ∆T j
（2）飞轮矩的折算
折算原则：折算前后系统动能不变 折算原则：
工作机构做提升和下放重物运动时，飞 轮矩与平移运动时相同
Gv GD Le = 365 2 n
2
2
3 电力拖动系统稳定运行的条件
稳定运行必须满足T 稳定运行必须满足 em=TL ，且能抗干 扰。 判断电力拖动系统稳定工作点的条件： 判断电力拖动系统稳定工作点的条件： 1）电动机的机械特性与负载机械特性 ） 的交点； ）在交点处必须满足: 的交点；2）在交点处必须满足
3 直流电机负载时的气隙磁场是由励磁磁动 势与电枢电流所建立的电枢磁动势共同建 立的。称负载时电枢电流所生的电枢磁动 势对气隙中主磁场的影响为电枢反应。 分为交轴电枢反应和直轴电枢反应。
五、直流电机的电枢电动势、电磁转矩 和电磁功率
1 电枢电动势是指从一对正负电刷间引出的 的直流电动势，数值上等于一条之路内所 有串联导体电动势之和。 2 电磁转矩是电枢绕组所有载流导体与主磁 场相互作用所生的力矩之和。 3 电磁功率是指直流电机在电磁感应作用下 机械能与电能相互转换的功率。
2 直流电机空载时的气隙磁场仅由励磁绕组所 生的励磁磁动势所建立。空载时的主磁通与 励磁磁动势的关系曲线称为电机的磁化曲线。 当If较小时，磁路未饱和，曲线呈线性，当If 较大时，磁路饱和使曲线拐弯，电机磁化曲 线呈饱和特性。电机通常工作在略带饱和区。 电机的磁化曲线仅与电机尺寸及所用材料有 关，因而也与饱和度有关，但是与励磁方式 无关。
（1）当电刷位于几何中性线且未装换向极 时，换向元件中的感应电动势有： 电抗电动势（包括自感和互感电动势）； 电枢反应电动势。是换向元件切割电枢磁 动势建立的电枢反应磁通所产生的。
（2）电刷位于几何中线且装有换向极 时
装换向极的目的是为了改善换向，消除电刷 下的电磁性火花。 换向极必须位于几何中线；换向极绕组必须 与电枢回路串联；其接法 应使换向极所建立 的换向极磁场与电枢反应刺痛方向相反；换 向极磁路应不饱和。 换向极磁动势在抵消了电枢磁动势之后，在 换向区气隙中建立换向极磁场。 换向元件切割磁场所产生的旋转电动势，方 向与电抗电动势相反，所以是帮助换向的。
dTem dTL < dn dn
二、生产机械的负载转矩特性
恒转矩负载： 反抗性和位能性。 恒功率负载：负载转矩与转速成反比。 风机负载特性：负载转矩与转速平方成正 比。
三、他励（并励）直流电动机的机械特 性
1 一般形式
U − I a ( Ra + R ) n= C Eφ ( Ra + R ) U = − T 2 C Eφ C E CT φ = n0 − β T
2 固有特性
UN Ra n= − T 2 C Eφ N C E CT φ N
n n0 TN 0
自然特性
T
3 人为机械特性
n n0 n01 n02 n03 Ue U1 U2 U3 U1>U2>U3 0 T
四、他励直流电动机的启动
1 启动方法 （1）直接启动 （2）限制启动电流的方法-应满励磁。
五、他励直流电动机的制动
直流电机小结与习题课
2009-4-28
直流电机的基本原理
一、直流电机的基本工作原理
以直流电动机为例。 1 直流电动机外施于电机出线端的电压U与电流I是 直流，通过换向器与电刷的作用而使流过电枢绕 组内部的电流ia是交流，此电刷与换向器实质上 是起了逆变的作用。 2 电枢绕组电流与气隙磁场相互作用产生电磁力， 使转子受到一个力矩，称为电磁转矩T。在T的作 用下转子沿T的方向旋转并带动轴上的机械负载 转矩，从而把从电源吸收的电能转换成机械能从 轴上输出，电磁转矩方向与转子转向一致，是驱 动转矩。
3 改善换向的办法
装换向极。 移刷。 选用合适的电刷。适当增加电刷接触电阻 以减小换向环流。，此外，须注意使用环 境应有利于换向器表面氧化膜的形成。
直流电机的电力拖动
一、电力拖动系统的运动方程式
1 电力拖动系统的基本运动方程式
GD2 T-TL= 375
dn dt
运动状态的判别：稳态； 加速；减速
八、直流电机的换向
1 定义
电刷是电枢电流方向的分界。 电刷是电枢电流方向的分界。在电枢 旋转时， 旋转时，某一元件每转过一个电刷就 要改变一次电流的方向， 换向。 要改变一次电流的方向，叫换向。把 从元件被电刷短路直到换向结束所用 的时间叫换向周期 换向周期。 的时间叫换向周期。
2 换向元件中的感应电动势
2 多轴系统的运动方程式
多轴系统需等效为单轴系统。 多轴系统需等效为单轴系统。等效指系统传递的功 率不变。 率不变。 （1）负载转矩的折算
GR TLe = jη c
GR GR ∆T = − jη c j
传动机构损耗的转矩为
提升和下放重物时负载转矩折算
提升重物时，电动机负担了 ∆T
GR T= + ∆T j