电机及拖动基础知识要点复习

电机复习提纲

第一章：

一、概念：主磁通，漏磁通，磁滞损耗，涡流损耗

磁路的基本定律:

安培环路定律: 磁路的欧姆定律作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁

通量 Φ乘以磁阻R m

磁路与电路的类比：与电路中的欧姆定律在形式上十分相似。E=IR

磁路的基尔霍夫定律

（1）磁路的基尔霍夫电流定律

穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零

（2）磁路的基尔霍夫电压定律

沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位差的代数

和。

第二节 常用铁磁材料及其特性

一、铁磁材料

1、软磁材料：磁滞回线较窄。剩磁和矫顽力都小的材料。软磁材

料磁导率较高，可用来制造电机、变压器的铁心。

2、硬磁材料：磁滞回线较宽。剩磁和矫顽力都大的铁磁材料称为

硬磁材料，可用来制成永久磁铁。

二、铁心损耗

1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩擦而消耗 Ni

HL

的能量。

2、涡流损耗——铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗。

3、铁心损耗——磁滞损耗和涡流损耗之和。

第二章：

一、尽管电枢在转动，但处于同一磁极下的线圈边中电流方向应始终

不变，即进行所谓的“换向”。

二、一台直流电机

作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；

作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。

三、直流电机的主要结构（定子、转子）

定子的主要作用是产生磁场

转子又称为“电枢”,作用是产生电磁转矩和感应电动势

要实现机电能量转换，电路和磁路之间必须在相对运动，所以旋转电机必须具备静止的和转动的两大部分，且静止和转动部分之间要有一定的间隙（称为：气隙）

四、直流电机的铭牌数据

直流电机的额定值有：

1、额定功率P N(kW)

2、额定电压U N(V)

3、额定电流I N(A)

4、额定转速n N(r/min)

5、额定励磁电压U fN(V)

五、直流电机电枢绕组的基本形式有两种：

一种叫单叠绕组，另一种叫单波绕组。

单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。元件的跨距：上层元件边与下层元件边的距离称为跨距,元件跨距称为第一节距y1(用所跨的槽数计算)。一般要求元件的跨距等于电机的极距。上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向器节距yc(用换向片数计算)。

直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。

各种绕组的差别主要在于它们的并联支路，支路数多，相应地组成每条支路的串联元件数就少。

原则上，电流较大，电压较低的直流电机多采用叠绕组；

电流较小，电压较高，就采用支路较少而每条支路串联元件较多的波绕组。

所以大中容量直流电机多采用叠绕组，而中小型电机采用波绕组。

六、直流电机的励磁方式

1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他

直流电源对励磁绕组供电。

2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。

3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。

4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，

另一个与电枢绕组串联。

七、直流电机负载时的磁场及电枢反应

当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，

这个磁动势称为电枢磁动势。此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和

电枢磁动势共同产生的。

电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。

第五节 感应电动势和电磁转矩的计算

一、感应电动势的计算

先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路中串联元件

数。

感应电动势的计算公式为

直流电机的感应电动势的计算公式是直流电机重要的基本公式之一。

感应电动势Ea 的大小与每极磁通Φ(有效磁通）和电枢转速的乘

积成正比。如不计饱和影响，它与励磁电流If 和电枢机械角速度乘

积成正比。

二、电磁转矩的计算

ΩΦf af f f e I G n I K C n C E ===e a 24π2πe a a T a Z pZ T p I I C I a a

===ΦΦΦ

电磁转矩计算公式是直流电机的重要基本公式,

它表明：电磁转矩Te 的大小与每极磁通Φ和电枢电流Ia 的乘积

成正比。

或：如不计饱和影响，它与励磁电流If 和电枢电流Ia 的乘积成

正比。

三、几个重要关系式

直流电机感应电动势计算公式： 直流电机电磁转矩计算公式： 电动势常数： 转矩常数： 电动势常数与转矩常数的关系： 电动机电枢回路稳态运行时的电动势平衡方程式。

U =Ea +RaIa Ea =Ce Φn

四、 直流电动机的工作特性是指其端电压U =UN (额定电压），电枢

回路中无外加电阻、励磁电流If =IfN （额定励磁电流）时，电动机的

转速n 、电磁转矩Te 和效率η三者与输出功率P 2之间的关系。

（一）并励直流电动机的工作特性

1. 转速特性

2. 转矩特性

其中G af =C T K f 电磁转矩也可以表示为

e a

f f a T G I I =n

C E a Φ=e a

T e I C T Φ=a PZ C e 60=

a

pZ

C T π2=e

T C C 55.9=a e a e I C R C U n Φ

-Φ=e T a T

a T C I C I '==Φ

3. 效率特性η=(P2/P1)×100%

电机励磁损耗、机械损耗、铁耗等于电枢铜耗时，效率最大。（二）串励直流电动机的工作特性

串励电机不允许在空载或负载很小的情况下运行。

五、直流发电机的工作特性直流电动机的固有机械特性

1、空载特性

当他励直流发电机被原动机拖动，n=n N时，励磁绕组端加上励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 ,得出空载特性曲线U0=f(I0)。

2、负载运行

无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在n = n N 的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。

第七节直流电机的换向

元件内电流方向改变的过程就是换向。直流电动机换向器节距单位是换向片数。

一、换向的电磁现象

1、电抗电动势

在换向过程中，元件中电流方向将发生变化，由于电枢绕组是电感元件，所以必存自感和互感作用。换向元件中出现的由自感与互感作用所引起的感应电动势，称为电抗电动势ex=Lx2ia/Tc。

2、电枢反应电动势

由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，在几何中心线处，虽然主磁场的磁密等于零，可是电枢磁场的磁密不为零。换向元件切割电枢磁

场，产生一种电动势，称为电枢反应电动势ea =2NyBalv 。

二、改善换向的方法

改善换向一般采用以下方法：

装设换向磁极——位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕

组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势。

大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串

联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势。

第二章课后习题2-15、2-19、2-21

第三章 变压器

一、变压器的工作原理

变压器的主要部件——铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁

耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组

的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。

电动势平衡方程式：

一次、二次绕组电压、电动势的有效值与匝数的关系：

t N e u d d 111φ

=-=t

N e u d d 222φ-==111222U E N k U E N ===k ——匝比（电压比）

变压器的额定值

额定容量为变压器的视在功率（用S N 表示，单位 kV·A ，V·A ）

额定电压（一次和二次绕组上分别为U 1N 和U 2N ，单位V, kV ）

额定电流（一次和二次绕组上分别为I 1N 和I 2N ，单位 A , kA ）

二、负载运行时的基本方程式

1、磁动势平衡方程式

2、电动势平衡方程式

变压器负载运行基本方程式

第四节 变压器的等效电路

归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时，

对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。

目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。

归算原则：

1）保持二次侧磁动势不变；

2）保持二次侧各功率或损耗不变。

一、绕组归算

（一）电动势和电压的归算

二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即

要把二次侧电动势归算到一次侧，只需要乘以电压比k 即可。 12211N I N I N I m =+1212//E E N N k ==1

111Z I E U +-=2222Z I E U -=m m Z I E =-122

E kE '=

（二）电流的归算

（三）阻抗的归算

二 、近似等效电路图

考虑到一般变压器中，Z m>>Z 1，若把励磁支路前移，认为在一

定的电源电压下，励磁电流I m=常数，不受负载变化影响，同时，忽

略I m 在一次绕组中产生的漏阻抗压降。这样的电路称为“Γ”形等

电路。根据这种电路对变压器的运行情况进行定量计算，所引起的误

差是很小的。

由于一般变压器I m<

得到变压器的近似等效电路。（要求会画）

第五节 等效电路的参数测定

一、空载试验

由空载试验可以测定变压器的电压比k 、铁耗pFe 以及等效电路

中的励磁阻抗Z m 。

二、负载试验（又称短路试验）

负载试验是以额定频率的额定电流通过变压器的一个绕组，另一

个绕组的端子接成短路。读取p k 、U k 、I k 数据来计算变压器的短路

电压百分数u k%、铜损p k 和短路阻抗Z k 。

标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值

的比值（通常以额定值为基准值）,即 22I I k

'=基准值实际值

标么值=

第六节三相变压器

决定三相变压器联结组标号的步骤为：（要求会画）

1）按规定的绕组端子标志，连接成所规定的联结组，画出联结图。

2）标明绕组的同名端和相电压的方向。

3）判断同一相的相电压相位，画出高、低压对称边三相电势的相量图，将相量E AX与E ax的头A和a画在一起。

4）根据高、低压线电势的相位差确定联结组的标号。

第七节变压器的稳态运行

描述变压器运行特性的主要指标有两个：电压调整率和效率

第三章课后习题3-13、3-16

第四章异步电机（一）

—三相异步电动机的基本原理

交流电机有两大类：异步电机和同步电机。

第一节三相异步电动机的工作原理及结构

三相异步电动机实现机电能量转换的前提是产生一种旋转磁场。1、旋转磁场的产生

当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。对称三相电流通入对称三相绕组时，必然会产生一个大小不变、转速一定的旋转磁场。

2、三相异步电动机的工作原理

3、三相异步电动机的转速与运行状态

转差n s-n 的存在是异步电动机运行的必要条件。转差表示为同步

转速的百分值，称为转差率，用s 表示。

n >n s s <0 发电机状态

n <0 s >1 电磁制动状态

n

第二节 三相异步电动机的铭牌数据

一、交流绕组的一些基本知识和基本量

1、电角度与机械角度

电机圆周按电角度计算就为 p ×360°，而机械角度总是360° 。

电角度= p ×机械角度

2、线圈

3、节距

一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y 1表示，

一般用槽数计算。节距应该接近极距τ。

4、槽距角α —— 相邻槽之间的电角度称为槽距角

若Q 1为定子槽数，p 为极对数，则槽距角

5、每极每相槽数q —— 每一极每相绕组所占槽数，用符号q 表示

（m ——相数）

第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场

——同步转速

100%s s n n s n -=?s n

一、单相绕组的磁动势–脉振磁动势

整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波，而在空间上任意一点的大小随电流的变化而变化。这种从空间上看位置固定，从时间上看，大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。脉振磁动势的频率就是交流电流的频率。

对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：

1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的

脉振磁动势。

2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。

3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为；而v次谐波磁动势幅值为：；谐波次数越高，幅值越小。

二、三相绕组的磁动势–旋转磁动势

三相基波合成磁动势具有以下特性：

1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速，旋转方向决定于电流的相序。

2）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的3/2倍，旋转幅值轨迹是一个圆。

3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。

第五章异步电机（二）

—三相异步电动机运行原理及单相异步电动机

第一节三相异步电动机运行时的电磁过程

空载的情况下：n≈n s, I2≈0

当电机带有机械负载后：n

第五章课后习题5-13、5-14、5-15

第七章控制电机

这些电磁元件就是各式各样的小功率电动机，根据它们的作用，我们统称其为控制电机。

第一节伺服电动机

伺服电动机具有服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能及时自行停转。

按照自动控制系统的要求，伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等基本性能。常用的伺服电动机有：交流伺服电动机、直流伺服电动机

一、交流伺服电动机

（一）控制方法

交流伺服电动机的控制方法有以下三种方式：

1、幅值控制——保持控制电压相位不变，改变其幅值进行控制；

2、相位控制——保持控制电压幅值不变，改变其相位进行控制；

3、幅—相控制——同时改变控制电压的幅值和相位来进行

（二）机械特性和调节特性

1、机械特性

机械特性是指控制电压信号一定时，电磁转矩随转速变化的关系。

2、调节特性

调节特性是指输出转矩一定时，转速与控制电压信号变化的关系。

二、直流伺服电动机

由直流电动机的调速方法可知，改变电枢电压或改变励磁电流调速时，特性有所不同。所以直流伺服电动机可由励磁绕组励磁，用电枢绕组进行控制；或由电枢绕组励磁，用励磁绕组进行控制。

由于直流伺服电动机的功率不大，可以用永久磁铁制磁极，省去励磁绕组。

直流伺服电动机多采用电枢控制方式。

第二节测速发电机

测速发电机是一种检测元件，其基本任务是将机械转速转换为电气信号。按照测速发电机的职能，对它的要求是：

1）输出电压与转速成严格的线性关系，以达到高的精确度；

2）输出电动势斜率要大，即转速变化所引起的电动势的变化要大，以满足灵敏度的要求。

测速发电机也有交、直流两大类。

第三节自整角机

第四节 旋转变压器

第八章 电力拖动系统的动力学基础

第一节 电力拖动系统的运动方程式

电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成部分

一、运动方程式 电动机在电力拖动系统必须遵循两个基本方程 对于直线运动

对于旋转运动

二、运动方程式中转矩的正负符号分析

运动方程式的一般形式

式中正、负号的规定，预先规定某一旋转方向为正方向，如果转矩T 的方向与参考方向相同取正号，相反取负号；而阻转矩Tz 的1、当 z T T =0d d =t n 电动机静止或等速旋转，电力拖动

2、当 z

T T >0d d >t

n 电力拖动系统处于加速状态 3、当 z

T T <0d d

v m

F F z d d =-t

J T T z d d Ω=-t

n GD T T z d d 375)(2=±-±

方向如果与参考方向相同时取负号，相反取正号。

第四节 生产机械的负载转矩特性

在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz 与转速n 的关系Tz=f (n ) 即为生产机械的负载转矩特性。大多数生产机械的负载转 矩可归纳为以下三种类型

一、恒转矩负载特性

恒转矩负载特性，就是指负载转矩T z 与转速n 无关的特性，即当转速变化时，负载转矩T z 保持常值。

二、通风机负载特性

通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比 。为反抗性负载。

三、恒功率负载特性

第九章 直流电动机的电力拖动

第一节 他励直流电动机的机械特性

电动机的机械特性是指电动机的转速n 与电磁转矩T 的关系 n =f (T )

一、固有机械特性与人为机械特性

当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。 （一）电枢串联电阻时的人为机械特性

（二）改变电压时的人为机械特性

（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性

2

Kn T z =T C C R C U n e a e 2N T N N ΦΦ-=

四、电力拖动稳定运行的条件

对于恒转矩负载，要得到稳定运行，电动机需要具有向下倾斜的机械特性，如果电动机的机械特性向上翘，则不能稳定运行。

第二节他励直流电动机的起动

一、他励直流电动机的起动方法

第三节他励直流电动机的制动

他励直流电动机有两种运转状态

1）电动运转状态——电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。

2）制动运转状态——电动机转矩与转速的方向相反，此时，电动机吸收机械能并转化为电能。

制动的目的是使拖动系统停车，最简单的方法是断开电源，使系统停下来，这叫自由停车，自由停车需要较长的时间。如果希望制动过程加快，可以使用电磁制动器，也可使用电气控制方法，常用的有能耗制动、反接制动、在调速系统减速过程中，还可应用回馈制动。第四节他励直流电动机的调速

采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。

要改变电动机的转速，可以改变电枢电压Ua或改变励磁磁通Φ。但提高电动机的电枢电压受到绕组绝缘耐压的限制，根据规定，只允许比额定电压提高30%，因此提高电压的可能范围不大，实际上改变电压Ua常应用在减压时，从额定转速向下调速。

改变励磁磁通，增加Φ的可能性也不大，因为一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和。因此，改变励磁磁通一般应用也在减弱磁的方面，称为弱磁调速，使转速从额定值向上调节。

在调速的范围要求较宽等情况下，可结合应用上述二种方法，即在额转速以下降低电压，而在额定转速以上弱磁。

一、调速指标 最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标

（一）调速的技术指标

1. 调速范围 D

最大转速与最小转速之比，或最大线速度与最小线速度之比。

2．静差率（或称相对稳定性）

在一条机械特性上运行时，电动机由理想空载加载到额定负载，所出现的转降ΔnN 与理想空载转速比之。

电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。

3．平滑性

在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。它是相邻两级转速或线速度之比。 值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。

4．调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）

容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所%100%1000

00?-=?=?=n n n n n N N δ1

1--==i i

i i v v n n ?

能输出的功率和转矩。

（二）调速的经济指标

调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行

费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。 二、降低电枢端电压调速

（一）电枢串联电阻

电枢串电阻的调速方法的调速指标不高，调速范围不大，调速的平滑性不高，并且是有级调速。

（二）降低电源电压

三、弱磁调速

弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，对于普通电动机最多为D=2，对于特殊设计的额定转速较低的调磁电动机D=3—4，因此，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。

四、调速时的功率与转矩

第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

第一节 三相异步电动机机械特性的三种表达式

与直流电动机相同，三相异步电动机的机械特性也是由转速与转矩间的关系n =f (T )。其表达式有三种形式。

一、物理表达式 P

P P Δ22

+=η122

cos T m T C I ''=?Φ

二、参数表达式

得异步电动机的机械特性参数表达式

三、实用表达式

第二节 三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性

一、固有机械特性

固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线 。

二、人为机械特性

第三节 三相异步电动机的各种运转状态

一、电动运转状态

电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。

二、制动运转状态

异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。 ()221222112s R U m s T R R X X s φ'='??'+++ ??

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