第二章直流电机
内容提要
一、直流电机的工作原理
1、皮—萨电磁定律
f=其方向用左手定则确定。
Bil
2、直流电机电枢绕组内电流是交变的，直流电机具有可逆性。
二、直流电机的绕组
1、绕组的基本形式：单迭绕组和单波绕组。
2、单迭绕组的特点
a=a为支路对数，p为磁极对数。
p
3、单波绕组的特点
=
a a为支路对数，即单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总等于1。
1
三、直流电机的励磁方式
1、直流电机的励磁方式：分为他励、并励、串励和复励。
2、他励直流电机
他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无联结关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电机，励磁电流与电枢电流无关。
3、串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，电机的电枢电流与励磁电流相等。
4、并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是电枢两端的电压。
5、复励直流电机
复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联(称为并励绕组)，然后再和另一个励磁绕组串联(称为串励绕组)。也可以一个励磁绕组与电枢绕组串联后，再和另一个励磁绕组并联。
四、直流电机的磁场和电枢反应
1、直流电机的主磁路
分为五段：定子、转子之间的气隙；电枢齿；电枢磁轭；主磁路和定子磁轭。 2、直流电机的空载磁场
空载时，气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁动势建立。
电机磁路中磁通数值不大时，磁动势随磁通成正比例地增加；当磁通达到一定数值后，磁动势的增加比磁通增加得快，磁化曲线呈饱和特性。 3、直流电机负载时的磁场及电枢反应
(1)负载时气隙磁场发生了畸变；(2)呈去磁作用； 五、并励直流电动机的基本方程 感应电动势 n C E e a ?= 电磁转矩 a T em I C T ?= 转矩方程 02T T T em += 电动势平衡方程 a a a R I E U += 功率平衡方程 N N N N I U P η= n T T I E p em em a a em 60
2π
=
Ω== N Fe c m ec Cuf Cua P p p p p p P +++++=1 六、直流电动机的工作特性 1、并励直流电动机的工作特性
(1)转速特性 当fN f N I I U U ==,时，()a I f n =的关系曲线。 a e a e I C R C U
n ?
?-=
?
e N
C U n =
0，0n 为理想空载转速。 电动机的转速特性曲线是一根斜率为
?
e a
C R 的直线。 (2)转矩特性 当fN f N I I U U ==,时，()a em I f T =的曲线。
a T em I C T ?=
电磁转矩em T 与电枢电流成正比，两者的关系为通过原点O 的一条直线。 (3)效率特性 当fN f N I I U U ==,时，()a I f =η的关系曲线。
电机的效率为输出功率2P 与输入功率1P 之比，用百分值表示，即
()%
10021%1001%1002
112
????
?
????+?++++-=????
? ??-
=?=∑f a c a a a
Cuf mec Fe I I U U I R I p p p P p P P η
当a a Cuf m ec Fe R I p p p 2
=++，也即电动机的不变损耗等于可变损耗时，电动
机的效率达到最高。
七、并励和复励直流发电机空载电压的建立
自励电压的建立有三个条件 1、电机必须有剩磁；
2、励磁绕组并联到电枢的极性必须正确；
3、要使发电机能顺利地自励建压，必须使fer f R r <，f r 为励磁电阻，fer R 为励磁电阻临界值。 八、直流电机的换向
改善换向的主要方法是在两主极之间安装换向极。
典型习题
一、填空
1、直流电机的电枢绕组的元件中的电动势和电流是 。 答：交流的。
2、并励直流电动机，当电源反接时，其中a I 的方向 ，转速方向 。 答：反向，不变。
3、直流电动机电刷放置的原则是： 。 答：空载时正、负电刷之间获得最大的电动势，这时被电刷短路的元件的电动势为零。
4、电枢反应对并励电动机转速特性和转矩特性有一定的影响，当电枢电流a I 增加时，转速n 将 ，转矩T e 将 。 答：下降，增加。
5、电磁功率与输入功率之差，对于直流发电机包括 损耗；对于直流电动机包括 损耗。 答：空载损耗功率，绕组铜损耗。
6、一台p 对磁极的直流发电机采用单迭绕组，其电枢电阻为a r ,电枢电流为a I ,可知此单迭绕组有 条并联支路，其每条支路电阻为 ；若为单波绕组其每条支路电阻为 ，电枢电阻为 。 答：,2,2a pr p a a r p r p 22,2
7、励直流电动机改变转向的方法有 ， 。 答：将电枢绕组的两个接线端对调，将励磁绕组的两个接线端对调，但二者不能同时对调。
8、串励直流电动机在电源反接时，电枢电流方向 ，磁通方向 ，转速n 的方向 。 答：反向，反向，不变。
9、并励直流发电机的励磁回路电阻和转速同时增大一倍，则其空载电压 。 答：不变。
10、直流电机若想实现机电能量转换，靠 电枢磁势的作用。 答：交轴。
11、直流发电机，电刷顺电枢旋转方向移动一角度，直轴电枢反应是 ；若为电动机，则直轴电枢反应是 。 答：去磁的，增磁的。 二、选择填空
1、一台直流发电机，由额定运行状态转速下降为原来的30℅，而励磁电流及电枢电流不变，则 。
A ：E a 下降30℅，
B ：T 下降30℅，
C ：E a 和T 都下降30℅，
D ：端电压下降30℅。
答：A
2、一台并励直流发电机希望改变电枢两端正负极性，采用的方法是 。 Ａ：改变原动机的转向，Ｂ：改变励磁绕组的接法，Ｃ：改变原动机的转向或改变励磁绕组的接法。 答：C
3、把直流发电机的转速升高２０℅，他励方式运行空载电压为01U ，并励方式空载电压为02U ,则 。
Ａ：01U = 02U ，Ｂ：01U < 02U ，Ｃ：01U > 02U 。 答：B
4、起动直流电动机时，磁路回路应 电源。
A ：与电枢回路同时接入，
B ：比电枢回路先接入，
C ：比电枢回路后接入。 答：B
5、一台并励直流电动机将单叠绕组改接为单波绕组，保持其支路电流不变，电磁转矩将 。
A ：变大，
B ：不变，
C ：变小。 答：C
6、y = y c = 为单叠绕组y = y c = 为单波绕组。 A ：Q U//2p ±ε， B ：1，C ：2，D ：y c =k-1，E ：（K+1）/2p 。 答：B ，E
7、在直流电机中，右行单叠绕组的合成节距c y y == 。 A ：p Q u 2, B ：ε±p
Q u
2, C ：1, D ：2。 答：C
8、若并励直流发电机转速上升20％，则空载时发电机的端电压U 0将 。 A ：升高20％, B ：升高大于20％, C ：升高小于20％, D ：不变. 答：B
9、直流电动机的额定功率指 。
A:转轴上吸收的机械功率, B:转轴上输出的机械功率,
C:电枢端口吸收的电功率, D:电枢端口输出的电功率。
答：B
10、欲使电动机能顺利起动达到额定转速，要求电磁转矩大于负载转矩。
A：平均, B：瞬时, C：额定.
答：A
三、判断题
1、直流电机的电枢绕组并联支路数等于极数即2a=2p。（）
答：错
2、直流电机主磁通既链着电枢绕组又链着励磁绕组，因此这两个绕组中都存在
着感应电动势。（）
答：错
3、直流电机的电枢绕组至少有两条并联支路。（）
答：对
4、起动直流电动机时，励磁回路应与电枢回路同时接入电源。（）
答：错
5、直流电动机的额定功率指转轴上吸收的机械功率。（）
答：错
6、直流电机无电刷一样可以工作。（）
答：错
7、直流电机的转子转向不可改变。（）
答：错
8、同一台直流电机既可作发电机运行，由可作电动机运行。（）
答：对
四、简答题
1、在直流电机中换向器-电刷的作用是什么？
答：在直流电机中，电枢电路是旋转的，经换向器-电刷作用转换成静止电路，即构成每条支路的元件在不停地变换，但每个支路内的元件数及其所在位置不变，因而支路电动势为直流，支路电流产生的磁动势在空间的位置不动。
2、直流电机的磁化曲线和空载特性曲线有什么区别？有什么联系？
答：直流电机的磁化曲线是电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线)(00F f =Φ，电机的空载特性曲线是指电机在某一转速下空载电压与励磁电流的关系曲线)(0f I f U =。由于000Φ∝Φ==n C E U E ，f f f I I N F ∝=20，因此两者形状相似。 3、直流电机电枢绕组型式由什么决定？
答：直流电机绕组型式由绕组的合成节距y 决定。1±=y 为叠式绕组；
()p K y /1 =为波绕组，其中K 为换向器片数，p 为极对数。 4、直流电机电刷放置原则是什么？
答 在确定直流电机电刷的安放原则上就考虑：（1）应使电机正、负电刷间的电动势最大：（2）应使被短路元件的电动势最小，以利于换向。两者有一定的统一性，一般以空载状态为出发点考虑电刷的安放。因此，电刷的合理位置是在换向器的几何中性线上。无论叠绕组还是波绕组，元件端接线一般总是对称的，换向器的几何中性线与主极轴线重合，此时电刷的合理位置是在主极轴线下的换向片上。
5、一台六极直流电机原为单波绕组，如改制成单叠绕组，并保持元件数、每元件匝数、每槽元件数不变，问该电机的额定容量是否改变？
答：单波绕组的并联支路数等于2，单叠绕组的并联支路数等于电机极数。电枢绕组由单波改成单叠后，并联支路数由2条变成了6条，每条支路的串联元件数变为原来的1/3，支路电阻也变为原来的1/3。因此，额定电压变为原来的1/3，而额定电流则变为原来的3倍，故电机的容量保持不变。
6、直流电机空载和负载运行时，气隙磁场各由什么磁动势建立？负载后电枢电动势应该用什么磁通进行计算？
答：空载时的气隙磁场由励磁磁动势建立，负载时气隙磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。负载后电枢绕组的感应电动势应该用合成气隙磁场对应的主磁通进行计算。
7、直流电机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流或励磁电压与电枢电流或电枢电压有怎样的关系？
答：直流电机励磁方式四种：①他励——励磁电流f I 由独立电源供给，与电枢电流a I 无关；②并励——励磁电流并在电枢两端，励磁电压f U 等于电枢电压U ；
③串励——励磁绕组与电枢串联，a f I I =；④复励——既有并励绕组又有串励绕组，按两绕组磁动势方向的异同分成：积复励——串励与并励磁动势同向，差复励——串励与并励磁动势反向。
8、做直流发电机实验时，若并励直流发电机的端电压升不起来，应该如何处理？ 答：并励直流发电机的端电压升不起来，可按下述步骤进行处理，先检查一下线路和仪表接法是否正确，然后：①检查电机转速是否达到额定转速；②调节励磁回路所串电阻，使励磁回路电阻小于临界电阻；③把励磁绕组两端对调接在电枢绕组两端，使励磁磁通与剩磁磁通方向一致；④若以上三点都无效,则电机没有剩磁，应给电机充磁。
9、并励发电机正转能自励，反转能否自励？
答：发电机正转时能够自励，表明发电机正转时满足自励条件，即：①有一定的剩磁；②励磁回路的电阻小于与运行转速所对应的临界电阻；③励磁绕组的接线与电机转向的配合是正确的。这里的正确配合就是说当电机以某一方向旋转时，励磁绕组只有一个正确的接法与之相对应。如果转向改变了，励磁绕组的接线也应随之改变，这样才能保证励磁电流所产生的磁场方向与剩磁方向相同，从而实现电机的自励。当电机的转向改变了，而励绕组的接线未改变，这样剩磁电动势及其产生的励磁电流的方向必然改变，励磁电流产生的磁场方向必将与剩磁的方向相反。电机内磁场被削弱，电压不能建立，所以并励发电机正转时能自励；反转时，不改变励磁绕组的两个端头的接线，是不能自励的。 五、计算题
1、设一台4kW 、220V ，效率%84=N η的两极直流电动机，电枢绕组为单叠绕组，槽数Q=18，每槽每层元件边数u=4,元件匝数8=y N 。试求： （1）电机的额定电流；
（2）电枢绕组数据：虚槽数u Q ，换向片数K ，绕组元件数S ，总导体数a Z 以及绕组各节距。 解：（1）额定电流
A A U P I N N N
N 65.2184
.02201043
=??==η
（2）虚槽数
72184=?==uQ Q u 元件数、换向片数
72===u Q K S 总导体数
根根115272822=??==S N Z y a 合成节距
1±==k y y 第一节距
1804
72
21===
εp Q y u 第二节距
191718112--=-±=-=或y y y
2、一台直流发电机数据：62=p ，总导体数N=720，62==a ，运行角速度
π40=Ωrad/s ，每极磁通Φ=0.0392Wb 。试计算：
（1）发电机的感应电动势；
（2）当转速n=900r/min ，但磁通不变时的感应电动势； （3）当磁通Φ=0.0435Wb ，n=900r/min 时的感应电动势。 解：（1）13360780
360=??==
=a pN C e 转速 ππ
π
4030
30
?=
Ω=
n r/min 1200=r/min
感应电动势 V V n C E e 5.61112000392.013=??=Φ=
（2）当Φe C 不变时，n E ∝。因此min /900r n =时的感应电动势为：
V V E 6.4585.6111200
900
=?=
（3）当e C 和n 不变时，Φ∝E 。因此0435.0=ΦWb 时的感应电动势为：
V V E 9.5086.4580392
.00435
.0=?=
3、一台四极、82kW 、230V 、971r/min 的他励直流发电机，如果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极磁通，试求当电机输出额定电流时的电磁转矩。
解：额定电流 A A U P I N N N 5.35623010823=?==
他励电机，额定电枢电流 A I I N aN 5.356== 依题意有 N e U n C E =Φ=
2371.0970230
===
Φn U C N e 2643.22371.030
30=?=Φ=Φπ
πe T C C
电磁转矩 m N m N I C T aN T e ?=??=Φ=2.8075.3562643.2
4、一台并励直流发电机，35=N P kW ，V U N 115=，min /1450r n N =，电枢电路各绕组总电阻Ω=0243.0a r ，一对电刷压降V U b 22=?，关励电路电阻
Ω=1.20f R 。求额定负载时的电磁转矩及电磁功率。 解：额定电流 A A U P I N N N 3.30411510353=?==
额定励磁电流 A A R U I f N fN 72.51
.20115
===
额定电枢电流 A A I I I fN N aN 310)72.53.304(=+=+= 额定电枢电动势 b a aN N N U r I U E ?++=2
V V 5.124)20243.0310115(=+?+=
电磁功率 kW W I E P aN N e 6.383105.124=?== 电磁转矩 m N m N I
E P T aN N e e ?=?=Ω=
2.24560
1450
2π 5、一台并励直流电动机的额定数据如下：P N ＝17kw ，U N ＝220V ，n ＝3000r/m ，I N
＝88.9A ，电枢回路电阻R a =0.0896欧，励磁回路电阻R f ＝181.5欧，若忽略电枢反应的影响，试求：
（1）电动机的额定输出转矩； （2）在额定负载时的电磁转矩； （3）额定负载时的效率；
（4）在理想空载（I a ＝0）时的转速；
（5）当电枢回路串入电阻R ＝0.15欧时，在额定转矩时的转速。
解：（1）1.543000260
17000=??=Ω=πN
N N P T N ·m
（2）Ω===212.15.181220
R U I f
N fN
688.87212.19.88=-=-=fN N aN I I I A
14.2120896.0688.87220=?-=-=R I U E a aN N aN V
13.18602
688.8714.212=?==I E P aN aN eN w 2.5926013.18602=??=Ω=
N
N eN eN n P T π N·m （3）1.51.542.590=-=-=T T T N eN N·m
2.160260
3000
21.500=??
=Ω=πT P w P P P P cuf cua eN N ++=1
R I R I P f f a a eN 2
2++=
=18602.13+87.6882×0.0896+1.2122×181.5＝19557.7 w
%9.86%1001=?=P P N
N N η
（4）m r E n U C U n aN
N N e N
/2.311114.21230002200=?==Φ=
（5）因为调速前后T e 不变，所以I a 不变
V R R I U E a a N a 199
)15.00896.0(688.87220)('
=+?-=+-=
m r E E n n a aN
N
/2.281419914.2123000''=?=?=
6、一台直流串励电动机，额定负载运行，U N ＝220V ，n ＝900r/m ，I N ＝78.5A ，电枢回路电阻R a =0.26欧，欲在负载转矩不变条件下，把转速降到700r/m ，需串入多大电阻？
解：串励且T e 不变，侧I a 前后不变，Φ不变。
所以5.78'==I I N a A
6.19926.05.78220=?-=-=R I U E a N N aN V
222.09006.199N
===
Φn E C aN N e 所以)('''R R I u n C E j a a N N e a +-=Φ=
Ω=-?-=-Φ-=56.026.05.78700222.0220'
'
R I n C U R a a
e N j 7、试计算下列各绕组的节距y 1，y 2，y 和y K ，并求并联支路对数。 (1)右行短距单迭绕组：2p ＝4，Q u ＝S ＝22； (2)右行整距单波绕组：2p ＝4，Q u =S=20； (3)左行单波绕组，2p ＝4, Q u =S=19； (4)左行单波绕组，2p ＝4, Q u =S=21。 解：（1)y 1＝
54
22
2=-=-εεp Q u 1==y y c y 2＝1-5＝-4 a ＝2
（2）y 1＝
54
202=-=-εεp Q u 1==y y c y 2＝1-5＝-4 a ＝2 （3）y 1＝
54
19
2=+=+εεp Q u a ＝1
y ＝ y c ＝
92
1
191=-=-p Q u y 2＝9－5＝4 （4）y 1＝
54
21
2=-=-εεp Q u a ＝1 y ＝ y c
＝
102
1
211=-=-p Q u y 2＝y － y 1＝5 8、一台串励直流电动机U N ＝220V ，n ＝1000r/m ，I N ＝40A ，电枢回路电阻为0.5欧，假定磁路不饱和。试求：
（1）当I a ＝20A 时，电动机的转速及电磁转矩？
（2）如果电磁转矩保持上述值不变，而电压减低到110V ，此时电动机的转速及电流各为多少？
解：2005.040220=?-=-=R I U E a N N aN V
2.01000
200N ===Φn E C aN N
e （1）A I '
a 20=，1.040
20
'=Φ?=
ΦN e N e C C 所以m r R I U C E n a a N e a
/21001.05.0202201.0'
'
''
=?-=-=Φ
= 1.1920)1.055.9('
''=??=Φ=I C T a T e Ｎ·m （2）串励且转矩保持不变，所以I a 不变，Φ'C e 不变
I a ＝20 A
m r R I U C E n a a N e a
''
/10001.05.0201101.0'
''
'=?-=-=Φ= 自测题
一、填空题
1、直流电机单叠绕组的并联支路对数为 ，单波绕组的并联支路对数为 。
2、串励直流电动机在电源反接时，电枢电流方向 ，磁通方向 ，转
速n 的方向 。
3、直流电动机电刷放置的原则是 。
4、并励直流电动机，当电源反接时，其中a I 的方向 ，转速方向 。
5、直流电机的电枢绕组的元件中的电动势和电流是 。
6、电磁功率与输入功率之差，对于直流发电机包括 损耗；对于直流电动机包括 损耗。
7、一台p 对磁极的直流发电机采用单迭绕组，其电枢电阻为a r ,电枢电流为a I ,可知此单迭绕组有 条并联支路，其每条支路电阻为 ；若为单波绕组其每条支路电阻为
，电枢电阻为 。
8、直流电机若想实现机电能量转换，靠 电枢磁势的作用。 二、选择填空题
1、一台直流发电机，由额定运行状态转速下降为原来的30℅，而励磁电流及电枢电流不变，则 。
A ：E a 下降30℅，
B ：T 下降30℅，
C ：E a 和T 都下降30℅，
D ：端电压下降30℅。 2、一台并励直流发电机希望改变电枢两端正负极性，采用的方法是 。 Ａ：改变原动机的转向，Ｂ：改变励磁绕组的接法， Ｃ：改变原动机的转向或改变励磁绕组的接法。 3、起动直流电动机时，磁路回路应 电源。
A ；与电枢回路同时接入，
B ：比电枢回路先接入，
C ：比电枢回路后接入。 4、一台并励直流电动机将单叠绕组改接为单波绕组，保持其支路电流不变，电磁转矩将 。
A ：变大，
B ：不变，
C ：变小。
5、一台并励直流电动机运行时励磁绕组突然断开，则 。
A ：电机转速升到危险的高速，
B ：保险丝熔断，
C ：上面情况都不会发生。 6、直流电动机的电刷逆转向移动一个小角度，电枢反应性质为 。 A ：去磁与交磁，B ：增磁与交磁 ，C ：纯去磁 ，
D ：纯增磁。 7、y = y c = 为单叠绕组y = y c = 为单波绕组。 A ：Q U//2p ±ε，B ：1，C ：2 ，D ：y c =k-1 ，
E ：（K+1）/2p 。
8、并励直流电动机磁通增加10℅，当负载力矩不变时（T
2
不变），不计饱和与电
枢反应的影响，电机稳定后，下列量变化为：Te ,n ,Ia ,P
2
。A：增加，B：减小， C：基本不变。
9、并励直流电动机在运行时励磁绕组断开了，电机将。
A：飞车, B：停转, C：可能飞车，也可能停转。
10、欲使电动机能顺利起动达到额定转速，要求电磁转矩大于负载转矩。
A：平均, B：瞬时, C：额定。
三、简答题
1、直流电机电枢绕组为什么必须是闭合的？
2、直流电机空载和负载运行时，气隙磁场各由什么磁动势建立？负载后电枢电动势应该用什么磁通进行计算？
3、直流电机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流或励磁电压与电枢电流或电枢电压有怎样的关系？
4、直流电机空载和负载时有哪些损耗？各由什么原因引起？发生在哪里？其大小与什么有关？
四、计算题
1、一台并励直流电动机，P
N ＝100kw，U
N
＝220V，n＝550r/m在750C时电枢回路电
阻r
a ＝0.022欧，励磁回路电阻R
f
＝27.5欧，2u
＝2V，额定负载时的效率为88％，
试求电机空载时的电流？
2、一台并励直流电动机的额定数据如下：P
N ＝17kw，U
N
＝220V，n＝3000r/m，I
N
＝88.9A，电枢回路电阻R
a =0.0896欧，励磁回路电阻R
f
＝181.5欧，若忽略电枢
反应的影响，试求：
（1）电动机的额定输出转矩；
（2）在额定负载时的电磁转矩；（3）额定负载时的效率；
（4）在理想空载（I
a
＝0）时的转速；
直流电机 一、填空 1.直流电机的电枢绕组的元件中的电动势与电流就是。 答:交流的。 2.一台并励直流电动机拖动恒定的负载转矩,做额定运行时,如果将电源电压降低了20℅,则 稳定后电机的电流为倍的额定电流(假设磁路不饱与)。T em=C T0、8φIa 答:1、25倍。 3.并励直流电动机,当电源反接时,其中I a的方向,转速方向。 答:反向,不变。 4.直流发电机的电磁转矩就是转矩,直流电动机的电磁转矩就是转矩。 答:制动,驱动。 5.直流电动机电刷放置的原则就是: 。 答:空载时正、负电刷之间获得最大的电动势,这时被电刷短路的元件的电动势为零。 6.直流电动机调速时,在励磁回路中增加调节电阻,可使转速,而在电枢回路中增加调 节电阻,可使转速。 答:升高,降低。 7.电磁功率与输入功率之差对于直流电动机包括损耗。 答:绕组铜损耗。 I;当负载增加 8.串励直流电动机在负载较小时, a I;负载增加时,n下降的程度比并励电动机要。 时,T e, a 答:小,增加,增加,严重。 9.并励直流电动机改变转向的方法有, 。 答:将电枢绕组的两个接线端对调,将励磁绕组的两个接线端对调,但二者不能同时对调。 10.串励直流电动机在电源反接时,电枢电流方向,磁通方向,转速n的方 向。 答:反向,反向,不变。 11.当保持并励直流电动机的负载转矩不变,在电枢回路中串入电阻后,则电机的转速 将。 答: 12.直流电机单叠绕组的并联支路数为 答:2p。 13.直流发电机,电刷顺电枢旋转方向移动一角度,直轴电枢反应就是;若为电动机,则直轴电枢反应就是。 答:去磁的,增磁的。 二、选择填空 1.一台串励直流电动机,若电刷顺转向偏离几何中性线一个角度,设电机的电枢电流保持不变, 此时电动机转速。 A:降低B:保持不变, C:升高。 答:C 2.一台直流发电机,由额定运行状态转速下降为原来的30℅,而励磁电流及电枢电流不变, 则。 A:E a下降30℅,
第二章直流电机 内容提要 一、直流电机的工作原理 1、皮—萨电磁定律 f=其方向用左手定则确定。 Bil 2、直流电机电枢绕组内电流是交变的，直流电机具有可逆性。 二、直流电机的绕组 1、绕组的基本形式：单迭绕组和单波绕组。 2、单迭绕组的特点 a=a为支路对数，p为磁极对数。 p 3、单波绕组的特点 = a a为支路对数，即单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总等于1。 1 三、直流电机的励磁方式 1、直流电机的励磁方式：分为他励、并励、串励和复励。 2、他励直流电机 他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无联结关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电机，励磁电流与电枢电流无关。 3、串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，电机的电枢电流与励磁电流相等。 4、并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是电枢两端的电压。 5、复励直流电机 复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联(称为并励绕组)，然后再和另一个励磁绕组串联(称为串励绕组)。也可以一个励磁绕组与电枢绕组串联后，再和另一个励磁绕组并联。 四、直流电机的磁场和电枢反应
1、直流电机的主磁路 分为五段：定子、转子之间的气隙；电枢齿；电枢磁轭；主磁路和定子磁轭。 2、直流电机的空载磁场 空载时，气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁动势建立。 电机磁路中磁通数值不大时，磁动势随磁通成正比例地增加；当磁通达到一定数值后，磁动势的增加比磁通增加得快，磁化曲线呈饱和特性。 3、直流电机负载时的磁场及电枢反应 (1)负载时气隙磁场发生了畸变；(2)呈去磁作用； 五、并励直流电动机的基本方程 感应电动势 n C E e a ?= 电磁转矩 a T em I C T ?= 转矩方程 02T T T em += 电动势平衡方程 a a a R I E U += 功率平衡方程 N N N N I U P η= n T T I E p em em a a em 60 2π = Ω== N Fe c m ec Cuf Cua P p p p p p P +++++=1 六、直流电动机的工作特性 1、并励直流电动机的工作特性 (1)转速特性 当fN f N I I U U ==,时，()a I f n =的关系曲线。 a e a e I C R C U n ? ?-= ? e N C U n = 0，0n 为理想空载转速。 电动机的转速特性曲线是一根斜率为 ? e a C R 的直线。 (2)转矩特性 当fN f N I I U U ==,时，()a em I f T =的曲线。
第二章直流电机的电力拖动 2-1 他励直流电动机的机械特性的斜率与哪些量有关？什么叫硬特性？什么叫软特性？ n称为理想空载转速？ 2-2 为什么 2-3 什么叫人为机械特性？ 2-4 为什么降低电源电压的人为机械特性是互相平行的？为什么减弱气隙每极磁通后机械特性会变软？ 2-5什么是电力拖动系统的稳定运行？能够稳定运行的充分必要条件是什么？ 2-6 他励直流电动机稳定运行时，电枢电流的大小由什么决定？改变电枢回路电阻或改变电源电压的大小时，能否改变电枢电流的大小？ 2-7 他励直流电动机为什么不能直接起动？直接起动会引起什么不良后果？ 2-8 起动他励直流电动机前励磁绕阻断线，没发现就起动了，下面两种情况会引起什么后果？ 2-9 如何判断他励直流电动机是处于电动运行状态还是制动运行状态？ 2-10 他励直流电动机有哪几种调速方法？各有什么特点？ 2-11 一台他励直流电动机，铭牌数据为P N=60kW，U N=220V，I N=305A，n N=1000r/min，试求： （1）固有机械特性并画在坐标纸上。 （2）T=0.75T N时的转速。 （3）转速n=1100r/min时的电枢电流。 2-12 电动机的数据同上题，试计算并画出下列机械特性： （1）电枢回路总电阻为0.5R N时的人为机械特性。 （2）电枢回路总电阻为2R N的人为机械特性。 （3）电源电压为0.5U N，电枢回路不串电阻时的人为机械特性。 （4）电源电压为U N，电枢不串电阻，ф=0.5фN时的人为机械特性。 注：R N=U N/I N称为额定电阻，它相当于电动机额定运行时从电枢两端看进去的等效电阻。 2-13 Z2—71型他励直流电动机，P N=7.5kW，U N=110V，I N=85.2A，n N=750r/min，
第1章 导论 1.1 电机和变压器的磁路常采用什么材料制成？这些材料各有哪些主要特性？ 解：磁路：硅钢片。 特点：导磁率高。 电路：紫铜线。 特点：导电性能好，电阻损耗小. 电机：热轧硅钢片， 永磁材料 铁氧体 稀土钴 钕铁硼 变压器：冷轧硅钢片。 1.2 磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因素有关？ 解：磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化，磁畴会不停转动，相互间产生摩擦， 消耗能量，产生功率损耗。 与磁场交变频率f ，磁通密度B ，材料，体积，厚度有关。 涡流损耗：由电磁感应定律，硅钢片中有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生 叫涡流，涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的损耗叫涡流损耗。 与 磁场交变频率f ，磁通密度，材料，体积，厚度有关。 1.3 变压器电动势、运动电动势产生的原因有什么不同？其大小与哪些因素有关？ 解：变压器电势：磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势 4.44m E fN φ=。 运动电势：线圈与磁场间的相对运动而产生的e T 与磁密B ，运动速度v ，导体长度l ，匝数N 有关。 1.6自感系数的大小与哪些因素有关？有两个匝数相等的线圈，一个绕在闭合铁心上，一个 绕在木质材料上，哪一个自感系数大？哪一个自感系数是常数？哪一个自感系数是变数，随什么原因变化？ 解：自感电势：由于电流本身随时间变化而在线圈内感应的电势叫自感电势。d L e d t L ψ =- 对空心线圈：L Li ψ= 所以di e L L dt =- 自感：2L L N N m m i i i L Ni N φψ= = = ∧=∧ A m l μ∧= 所以，L 的大小与匝数平方、磁导率μ、磁路截面积A 、磁路平均长度l 有关。 闭合铁心μ>>μ0，所以闭合铁心的自感系数远大于木质材料。因为μ0是常数，所以木 质材料的自感系数是常数，铁心材料的自感系数是随磁通密度而变化。 1.7 在图1.30中，若一次绕组外加正弦电压u 1、绕组电阻R 1、电流i 1时，问 （1）绕组内为什么会感应出电动势？ （2）标出磁通、一次绕组的自感电动势、二次绕组的互感电动势的正方向； （3）写出一次侧电压平衡方程式； （4）当电流i 1增加或减小时，分别标出两侧绕组的感应电动势的实际方向。 解：(1) ∵u 1为正弦电压，∴电流i 1也随时间变化，由i 1产生的磁通随时间变化，由电磁感 应定律知d dt e N Φ=-产生感应电动势. (2) 磁通方向：右手螺旋定则，全电流定律1e 方向：阻止线圈中磁链的变化，符合右手螺 旋定则：四指指向电势方向，拇指为磁通方向。
直流电机常见故障案例 直流电机常见的故障包括如下几种： 一、直流电动机不能启动 直流电动机不能启动的原因及解决方法原因解决方法 1．线路中断：检查线路是否完好，起动器接线是否正确，保险丝是否熔断，励磁欠压继电器是否动作。 2．起动时负载过重：减去部份负载。 3．电刷接触不良：检查刷握弹簧是否松弛。 4．串激绕组接反：按正确接线图接线。 5．线路电压太低：用万用表测电压，提高电压后在起动。 6．轴承损坏或有杂物卡死：停车后，调换轴承，排除杂物。 二、电刷火花过大 1．电刷火花过大的原因及解决方法原因解决方法：电刷与换向器接触不良或电刷磨损过短；研磨电刷接触面,更换新电刷。 2．电刷上弹簧压力不均匀：适当调整弹簧压力,使每个电刷压力保持在1.47×104～2.45×104Pa,也可凭手上的感觉。 3．刷握松动将刷握螺栓固紧,使刷握和换向器表面平行；刷握离换向器表面距离过大；调整刷握至换向器距离,一般为2～3mm 。 4．电刷牌号不符合要求：更换原来牌号。 5．电刷与刷握配合不当：不能过紧或过松,保证在热态时,电刷在刷握中能自由滑动,过紧可用砂纸将电刷适当砂去一些,过松的要调换新电刷。 6．换向器片间云母未拉净：用手拉刀刻去剩余云母。 7．刷架中心位置不对：移动刷架座,选择火花最好位置。 8．电机长期超负载：调整负载,在额定负载内。 9．换向极线圈短路：重新绕制线圈。 10电枢绕组断路：拆开电机,检查电枢绕组,用毫伏表找出断路处,若不能焊接将重绕。 11电枢绕组短路或换向器断路：电机运转时,换向器刷握下冒火,电枢发热,应检查云母槽中有无铜屑,或用毫伏表测换向片间电压降,检查出绕组短路处。 12．电压过高：调整外加电压到额定值。 13．换向极引出线接反：帘动机在负载时转速稍慢并出火,应调换和刷杆相联接的两线头 三、电动机转速不正常 1．励磁绕组回路开路，励磁电压过低：检查磁场线圈联接是否良好，接错磁场线圈或调速器内部是否断路，励磁欠压继电器是否动作，励磁电压是否正常。 2．电刷不在正常位置：按所刻记号调整刷杆座位置。 3．电枢及磁场线圈短路：检查换向器表面及接头片是否有短路，测量磁场线圈每极直流电阻是否一样。 4．外加电压过高或过低：用万用表测量，将电压调整到允许范围内。
《运动控制系统》课程设计指导书 一、课程设计的主要任务 （一）系统各环节选型 1、主回路方案确定。 2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。 （二）主要电气设备的计算和选择 1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。 2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。 3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。 4、平波电抗器选择计算。 （三）系统参数计算 1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。
2、转速调节器ASR 中n n R C 、 计算。 3、动态性能指标计算。 （四）画出双闭环调速系统电气原理图。 使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。 二、基本要求 1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。 4、掌握触发电路的选型、设计方法。 5、掌握同步电压相位的选择方法。 6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。 7、掌握电气系统线路图绘制方法。 8、掌握撰写课程设计报告的方法。 三、 课程设计原始数据
有以下四个设计课题可供选用： A 组： 直流他励电动机：功率P e ＝1.1KW ，额定电流I e =6.7A ，磁极对数P=1， n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =2.34Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =58.4，机电时间常数 T m =116.2ms ，滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* B 组： 直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对 数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =0.112Ω,主电路总电阻R ＝ 0.32Ω，L ∑＝37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数 C e =0.138 Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =0.116ms ，机电时间常数T m =0.157ms ， 滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* C 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R ＝0.036Ω，Ks=41.5，电磁时间常数TL=0.0734ms ，机电时间常数
第二章 直流电动机的电力拖动 2.1 答：由电动机作为原动机来拖动生产机械的系统为电力拖动系 统。一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源几部分组成。电力拖动系统到处可见，例如金属切削机床、桥式起动机、电气机车、通风机、洗衣机、电风扇等。 2.5 T I 空载转速；是I a = I a0实际空载，对应的转速n 0’的称为实际空载转速，实际空载转速略低于理想空载转速。 T C C R C U I C R C U n N T e a N e N a N e a N e N 2 Φ ΦΦ Φ-=-='
2.7答：固有机械特性与额定负载转矩特性的交点为额定工作点，额 定工作点对应的转矩为额定转矩，对应的转速为额定转速。理想空载转速与额定转速之差称为额定转速降，即： 2.8 答：电力拖动系统稳定运行的条件有两个，一是电动机的机械 L）处，，（转 2.9 2.10 可见，电枢电流I a与设计参数U、C eΦ、R a有关，当这些设计参数一定时，电枢电流的大小取决于电动机拖动的负载大小， 轻载时n高、I a小，重载时n低、I a大，额定运行时n=n N、 I a=I N。当恒转矩负载下，电枢回路串入电阻或改变电源电压 进行调速，达到稳定后，电枢电流仍为原来的数值，但磁通减 T C C R n n n N N T e a N N2 0Φ = - = ? a a
小时，电枢电流将增大。 2.11 答：起动瞬间转速n=0，电动势E a =C e Φn=0，最初起 动电 流 。 若直接起动，由于R a 很小，I st 会达到十几倍 甚至几十倍的额定电流，造成电机无法换向，同时也会过热，因此不能直接起动。 2.12 答：将处于电动状态运行的他励直流电动机的电枢两端从电 由于R ’两个公式可知，电压反接制动时的制动电流I aB ’约为能耗制动时的制动电流I aB 的2倍，故电压反接制动时应串入较大的制动电阻。 2.14 答：这两种制动方式的实现都是以位能性负载为前提条件， 当电枢回路串入较大的电阻，使电动机的机械特性与位能性负载转矩特性的交点（工作点）处于第四象限时，电动机便 R U I a N st =
第二章直流电机 2.1直流电机的基本工作原理及结构 授课班级：06金盘电器授课时数：6课时授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件授课教师：邓小军审批签字： 教学目的：了解直流电机的主要构成及分类和工作原理。 一、基本工作原理 （一）直流电机的构成 （1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； （2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴 （3）气隙 **注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。 1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机； （1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势 （2）特点：e=BLV； a、电枢绕组中电动势是交流电动势 b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势 c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向） 2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机； （1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来 （2）特点：f=BiL a、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈 b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩 的方向不变。 c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n 同向） **说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。 3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成 （二）直流电机的基本结构 1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）
a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成 b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制 2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚 3、电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽） 4、电枢绕组——电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路） 5、换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料） 6、电刷装置 a、电刷——石墨或金属石墨 b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨） 7、换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电 枢绕组串联） （三）励磁方式 1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式； 2.分类：以直流发电机为例 分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）
第二章习题
第二章直流电动机的电力拖动 思考题与习题 2.1 什么是电力拖动系统？举例说明电力拖动系统都由哪些部分组成。 2.2 写出电力拖动系统的运动方程式，并说明该方程式中转矩正、负号的方 法。 2.3 怎样判断运动系统是处于动态还是处于稳态？ 2.4 生产机械的负载转矩特性常见的有哪几类？何谓反抗性负载,何谓位能性 负载? 2.5 电动机理想空载转速与实际空载转速有何区别？ 2.6 什么是固有机械特性？什么是人为机械特性？他励直流电动机的固有特性 和各种人为特性各有何特点？ 2.7 什么是机械特性上的额定工作点？什么是额定转速降？ 2.8 电力拖动系统稳定运行的条件是什么？一般来说，若电动机的机械特性是 向下倾斜的，则系统便能稳定运行？这是为什么？ 2.9 在下列的图中，哪些系统是稳定的？哪些系统是不稳定的？
2.10 他励直流电动机稳定运行时，其电枢电流与哪些因素有关？如果负载 转矩不变，改变电枢回路电阻，或改变电源电压，或改变励磁电流， 对电枢电流有何影响？ 2.11 直流电动机为什么不能直接起动？如果直接起动会引起什么后果？ 2.12 怎样实现他励直流电动机的能耗制动？试说明在反抗性恒转矩负载下， 能耗制动过程中的n、E a、I a、及T em的变化情况。 2.13 采用能耗制动和电压反接制动进行系统停车时，为什么要在电枢回路中 串入制动电阻？哪一种情况下串入的电阻大？为什么？ 2.14 实现倒拉反转反接制动和回馈制动的条件各是什么？ 2.15 当提升机下放重物时：（1）要使他励电动机在低于理想空载转速下运 行，应采用什么制动方法？（2）若在高于理想空载转速下运行，又应 采用什么制动方法？ 2.16 试说明电动状态、能耗制动状态、回馈制动状态及反接制动状态下的能 量关系。 2.17 直流电动机有哪几种调速方法，各有什么特点？ 2.18 什么是静差率？它与哪些因素有关？为什么低速时的静差率较大？ 2.19 何谓恒转矩调速方式及恒功率调速方式？他励直流电动机的三种调速方 法各属于什么调速方式？ 2.20 为什么要考虑调速方式与负载类型的配合？怎样配合才合理？ 2.21 串励电动机为什么不能实现回馈制动？怎样实现能耗制动和反接制 怎样改变他励、并励、串励及复励电动机的转向？ 2.23 串励电动机为何不能空载运行？
案例一直流电机测速 程序 ; 直流电机转速测量与控制实验 SCNT EQU 51H;为送到0832的值 CKCN EQU 53H SETP EQU 54H;转数 times equ 46h temp1 equ 47h OUTBIT equ 0e101h ; 位控制口 CLK164 equ 0e102h ; 段控制口(接164时钟位) DAT164 equ 0e102h ; 段控制口(接164数据位) IN equ 0e103h ; 键盘读入口 LEDBuf equ 39h ; 显示缓冲 ORG 0000H STRT: LJMP MAIN ORG 0003H ; LJMP PINT0 ORG 000BH ;
LJMP PTF0 ORG 0030H ; PTF0: MOV TH0,#07EH PUSH ACC PUSH PSW PUSH B SETB PSW.3 inc times mov a,times cjne a,#40,ptfj ;判断时间是否到了 mov times,#0 mov a,ckcn mov temp1,a mov ckcn,#0 subb a,setp jnc tt3 mov a,scnt ;加速 add a,#2 mov scnt,a ljmp tt4 tt3: mov a,scnt ;减速 subb a,#2 mov scnt,a tt4: mov a,temp1 ;speed mov b,#10 div ab mov 3ah,a mov a,b mov 39h,a PTFJ: NOP POP B POP PSW POP ACC RETI MAIN: mov sp,#60h mov dptr,#0e100h ;8155初始化 mov a,#03h movx @dptr,a MOV TMOD,#01H ; 定时器初始化 MOV TH0,#07EH MOV TL0,#00H