第二章电机与拖动
电机与电力拖动基础教程第2章(4)
第2章 章
能量传递过程中总损耗
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直流发电机功率流程图
P1=PM+p0=P2+pcuf+pcua+pFe+pm+ps=P2+∑p
第2章 章
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4.效率 效率
直流发电机的总损耗为Σp=pFe+pm+ps+pCua+pCuf，即： Σp=p0+pCu 效率为：
他励： 他励：I=Ia，与If无关
第2章 章
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空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。 空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。
他励直流发电 机空载特性
实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的 实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据 数据中应包含额定点，电压可测取到U0=±（1.1~1.3）UN为止， 线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密 集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支 曲线，一般取平均值作为空载特性曲线 一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另 一般取平均值作为空载特性曲线 外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速 实验时一定要保持额定转速。 实验时一定要保持额定转速
第2章 章
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曲线1为空载特性曲线，曲线 2、3、4为励磁回路特性曲线， 称场阻线 场阻线。 场阻线
U f = I f Rf
增大 Rf ，场阻线变为曲3(与 空载曲线相切)时， Rf 称为临 界电阻 R 。 cr 再增加励磁回路电阻，发 再增加励磁回路电阻， 电机将不能自励， 电机将不能自励，如B点。 点
电机及拖动 第2章 直流电机的建模及特性(第2部分)
（2-38）
U 0 为直流发电机的空载端电压。 式中，
图2.33 中，显然，并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发 电机。主要原因为： 负载电流增加，电阻压降增加； 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降； 随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应 电势的进一步下降；
（2-44）
图2.38 他励直流电动机的机械特性
图2.38 他励直流电动机的机械特性
由图2.38可见，随着转矩的增大，电机转速有所下降。故此，机械特性可进一步表示为：
n n0 Tem n0 n
其中，转速降 n
（2-45）
Ra Ce CT N
2
Tem Tem 。 越小，转速变化越小，称电动机具有较硬
3、调节特性
定义： 在 系曲线
n nN 、 条件下，负载输出电流与励磁电流之间的关 U2 U N ,即为调节特性。 I f (I )
f 2
由曲线可见，在负载电流变化 时，若保持端电压不变，必须改变 励磁电流，补偿电枢反应及电枢回 路电阻压降对对输出端电压的影响.
图2.34 他励直流发电机的调节特性
第2章 直流电机的建模与特性 分析（第2部分）
2.7 直流发电机的运行特性及自励建压 过程
A、直流发电机的运行特性
1、空载特性
定义： Ia 0 n n N 条件下，正负电刷之间的空载端电压与励磁电流 在 、 之间的关系曲线 ，即为空载特性。 U 0 f (I f 0 )
空载时 U E a 空载特性实质上就是 Ea f ( I f ) 。 所以空载特性曲线的形状与空载磁 化特性曲线相同。
n0 n N n N 100% nN
电机及拖动 第二章习题答案
第二章直流电动机的电力拖动答：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。
答：电动机的理想空载转速是指电枢电流I a=0时的转速，即。
实际上若I a=0，电动机的电磁转矩T em=0，这时电动机根本转不起来，因为即使电动机轴上不带任何负载,电机本身也存在一定的机械摩擦等阻力转矩（空载转矩）。
要使电动机本身转动起来，必须提供一定的电枢电流I a0（称为空载电流），以产生一定的电磁转矩来克服这些机械摩擦等阻力转矩。
由于电动机本身的空载摩擦阻力转矩很小，克服它所需要的电枢电流I a0及电磁转矩T0很小，此所对应的转速略低于理想空载转速，这就是实际空载转速。
实际空载转速为简单地说，I a=0是理想空载，对应的转速n0称为理想空载转速；是I a= I a0实际空载，对应的转速n0’的称为实际空载转速，实际空载转速略低于理想空载转速。
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：答：电力拖动系统稳定运行的条件有两个，一是电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点；二是在交点（T em =T L）处，满足，或者说，在交点以上（转速增加时）,T em<T L，而在交点以下（转速减小时）,T em>T L。
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，这是因为大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持不变。
答：只有（b）不稳定，其他都是稳定的。
答：他励直流电动机稳定运行时，电枢电流：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。
第2章 直流电机的工作原理及拖动
直流发电机的工作原理
同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈 中的感应电动势的方向也是交变的，而通 过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、 B上输出的电动势是极性不变的直流电动 势。在电刷A、B之间接上负载，发电机 就能向负载供给直流电能。这就是直流发 电机的基本工作原理。
电机的可逆原理
一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也 可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的 不同条件。 将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将 电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为 电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的 磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能 转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势， 作发电机运行。
2.1 直流电机的基本结构
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产 机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采 用直流电动机驱动。 直流电动机的应用: （1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿 山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大 型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机 等。
2.6他励直流电动机的机械特性
所谓直流电动机的机械特性就是电机的转 速 n 随着负载转矩 T 的变化情况，研究电 机转速变化能够有助于更好地控制电机按 照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率 、低损耗地运行。
2.6.1. 他励直流电动机机械特性方程
直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁 转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：
2.8.2 直流电动机的反接制动
对位能负载而言，反接制动有两种情况： 一是转速反向的反接制动，另一是电压反 接的反接制动。
电机与拖动基础(现用)
刨床电力拖动示意图
动，刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为F，电动机 的转速为n，传动机构效率为。
把这种多轴系统等效成单轴系统，须将切削力及平移运动部
件的质量折算到电动机轴上的等效转矩 TF 及等效飞轮矩 GDF2。
1.转矩的折算
工作机构为平移运动时，切削功率为: PFv
根据功率平衡关系则有:
TF
2 1
2. 飞轮矩的计算与平移运动相同。
例题(Pg8): 已知减速箱的速比j=34，提升重物时效率=0.83，卷 筒直径d=0.22m，空钩重量G0=470N，所吊重物重G=8820N，电 动机的飞轮矩GDD2=10N·m2，当提升速度为v=0.4m/s，求： (1)电动机的转速 (2)忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩； (3)以v=0.4m/s下放该重物时，电动机的负载转矩。
12JF212G4gD F 2 (26n0)2
根据折算前后动能不变的原则有:
1Gf v21GDF 2 (2n)2
2g
2 4g 60
GDF2 4(G2fnv)22 365Gnf2v2
60
例题: 已知切削力F=10000N，工作台与工件运动速度v=0.7m/s， (Pg12) 传动机构总效率 =0.81，电动机转速n =1450r／min，
电动机的负载转矩为 : T FT j f 31 41 0..8 9 33 14.0 11 (N m)
(3)以v=0.4m/s下放该重物时电动机负载转矩的计算
传动机构损耗转矩:
TT j fT jf4.1 0 1 131 .9 43 6 .1 8(2N m)
电动机的负载转矩为:
TT f T11.93 6 1 .8 22.4 6(7N m)
工作机构运动为升 降的电力拖动系统
电机与拖动试题库和知识点（经典）
电机与拖动绪论一、名词解释1. 磁场:电流周围的效应2.磁动势（磁通势、磁势）:产生磁场的源泉3.磁场强度:表征距离磁源即磁动势一定位置的地方，磁动势影响强度的一个物理量。
4.磁场感应强度（磁通密度）:表征距离磁源即磁动势一定位置的地方，磁动势感应能力强弱的一个物理量。
5.磁通量Φ：垂直穿过某一截面（面积为S）磁力线的数目6.磁阻：就是磁力线通过磁路时所遇到的阻碍，磁阻与磁路的长度成正比，与磁路的磁导率成反比，并与磁路的截面积成反比7电感：其实质表征的就是电磁装置电与磁转换能力的大小。
二、填空1、在电机中磁场的几个常用量分别是磁动势、磁场强度、磁感应强度、磁通等。
2、进行磁路分析和计算时，常用到磁路的基本定律有全电流定律、磁路的欧姆定律、磁路的基尔霍夫定律。
3、电机的电流有交、直流之分，所以，旋转电机也有直流电机与交流电机两大类。
4、旋转电机是一种机电能量转换的机电装置。
5、把电能转换机械能的电机称为电动机; 把机械能转换电能的电机称为电发电机。
三、判断题1、垂直穿过线圈的磁通量随时间变化，必然会在线圈中产生感应电动势。
（√）2、棱次定律表明垂直穿过线圈的变化磁通，会在线圈中产生电动势。
（√）3、棱次定律表明线圈中的感生磁场的方向始终是与原磁场变化率的方向一致的。
（×）4、棱次定律表明线圈中的感生磁场的方向始终是与原磁场方向一致的。
（×）六、问答题 1.电磁作用原理的综述有电流必定产生磁场，即“电生磁” ；磁场变化会在导体或线圈中产生感应电动势，即“动磁生电” ;载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，即“电磁生力”第一章直流电机的原理与结构一、名词解释（一）1.电枢：在电机中能量转换的主要部件或枢纽部分2.换向：直流电机电枢绕组元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向改变的过程。
3.额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数。
（二） 1.电机：机电能量（或机电信号）转换的电磁装置2.直流电机：直流电能与机械能量进行转换的电磁装置3.直流发电机：把机械能量转换为直流电能的电磁装置4.直流电动机：把直流电能转换为机械能量的电磁装置5.交流电机：交流电能与机械能量进行转换的电磁装置6.交流电动机：把交流电能转换为机械能量的电磁装置7.交流发电机：把机械能量转换为交流电能的电磁装置（三）第一节距：同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离（四）极距：相邻两个磁极轴线之间的距离（五）电角度：磁场在空间变化一周的角度表示二、填空1、铁心损耗一般包括磁滞损耗、涡流损耗。
电机与拖动教案——第二章 直流电机
第二章直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构一、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=BiLa、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）换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）5.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）他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。
电机学第二章电力拖动的动力学基础
旋转运动中的转矩(上图)对公式中 T 与 TL 前 带有的正负符号，作如下规定：
预先规定某一旋转方向为正方向，则
1.转矩T方向如果与所规定的旋转正方向相同 T 前取正号，相反时取负号；
2.阻转矩TL方向如果与所规定的旋转正方向相 同时
3.加速转矩TL（前GD取2/3负75号），(d相n/反dt时)的取大正小号及正负符 号
GDeq
等效负载
TF
nf 2 Tf
GDf2 生产机械
一、多轴旋转系统的折算 （一）负载转矩的折算
• 若不考虑损耗，工作机构折算前的机械功率
为 T f f ，折算后的机械功率为 TF
• 折算的原则是折算前后的功率不变，所以，
TF Tf f
TF
Tf f
Tf nf n
Tf j
：电动机角速度,rad/s
T
TLL
在工程计算中,常用n代替表示
系统速度,
J：电动机轴上的总转动惯量，kg.m2 n
用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性
功率平衡方程
得出功率平衡方程
J
m 2
(G )
D
2
GD2
g 2 4g
=2n/60 • M：系统转动部分的质量，Kg • G：系统转动部分的重量，N • ：系统转动部分的转动半径，m • D ：系统转动部分的转动直径，m • g ：重力加速度=9.8m/s
GDa2 GDb2
(n
1 nb )2
GDf 2
(n
1 nf )2
GDa2 GDb2 j12 GDf 2 ( j1 j2 )2
写成一般形式为
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2.2.2 工作机构为平移运动时的折算
平移速度
v
刨刀
F
工件 (mf)
作用力 齿条
3
n 1 n2
2. 负载及系统的飞轮矩（折算到电动机轴上）
3. 以加速度a=0.1m/s2提升重物时，电动机输出的转矩。
1 2
GD2f 4g
2nf
60
2
1 2
GDF2 4g
2n
60
2
GDF2
GD2f j2
保持系统储存的动能不变，则系统总飞轮矩为：
GD 2GD a2Gj12D b2
GD 2f j1j2 2
总的飞轮矩的估算：
GD 2(1)GD D 2
GDD2为电动机转子的飞轮矩 电动机轴上只有传动机构中第一级小齿轮时，取
问题：全面分析多轴系统，必须列出每根轴的运动 方程式及各轴相互联系的方程式，分析复杂。
方法：通常把负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机 轴上来，变多轴系统为单轴系统。
折算的原则是：保持系统的功率传递关系及系统的 贮存动能不变。
电动机
工作机构
2.2.1 工作机构为转动情况时的折算
电动机
T ,T0
n
电动机
工作机构
4. 多轴旋转运动加升降运动系统
电动机
G
二. 单轴电力拖动系统转动方程式
U
Ia
d TTL J dt
电动机 M
参考正方向 T n
T-TL：动转矩(N·m)或惯性 转矩、加速转矩
J：转动惯量(kg·m2)
TLTFT0
负 Ω：系统转动角速度(rad/s)
载
T :电动机电磁转矩(N·m)；TF :负载转矩(N·m) n :电动机转速(r/min)；T0 :电动机空载转矩(N·m)
2
vG
(a) 把负载看作做平移运动的物体折算其飞轮矩； (b) 若已知卷筒直径，可把负载重力折算为施加在卷筒上 的转矩，看作做旋转运动的物体来折算其转矩。 (c)特殊问题：提升与下放时的传动效率不同
考虑传动损耗转矩时，提升和下放重物时转矩折算关系
(2) 提升重物时，Tf/j 与转速方向相反，为制动转矩； (3) 下放重物时，Tf/j 与转速方向相同，为拖动转矩； (4) 以同样的速度提升和下降重物时，传动机构的效率之
间的关系是:
下 放 重 物 2提1升 重 物
例1：某起重机的电力拖动系统如图所示。求：
1. 以速度v=0.3m/s提升重物时，负载（重物及钓钩）转矩、 卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速；
转矩与转速的方向问题
U
实际转矩和转速方向：
Ia 电动机
M 参考正方向 T
n TLTFT0
实际转矩和转速方向：
1.T与n同向，代数上同正同负；T 与n反向，代数上一正一负。 2.TL与n同向，代数上一正一负； TL与n反向，代数上同正同负。
负 载
1. 转矩与n同向，则称为“拖动性”转矩 2. 转矩与n反向，则称为“制动性”转矩
由转动方程式可以分析系统运动状态：
TTL
GD2 375
dn dt
T-TL=0 ：系统静止或恒速运行，稳态； T-TL>0 ：系统加速运行，过渡过程； T-TL<0 ：系统减速运行，过渡过程。
电动机起动时，电磁转矩与负载转矩的关系？电动 机停车时，电磁转矩与负载转矩的关系？
2.2 多轴电力拖动系统的简化
第二章 电力拖动系统动力学
2.1 电力拖动系统转动方程式 2.2 多轴电力拖动系统的简化 2.3 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的 条件
2.1电力拖动系统转动方程式
一. 典型生产机械的运动形式 1. 单轴旋转系统
电动机
工作机构
2. 多轴旋转系统
电动机
工作机构
3. 多轴旋转运动加平移运动系统
又由：
Jm2 GD 2;2n
4g
60
m：系统转动部分的质量，kg
G：系统转动部分的重力，N
ρ ：系统转动部分的转动惯性半径，m
D：系统转动部分的转动惯性直径，m
g：重力加速度，m/s2
dG2D 2dnG2D dn
TT LJdt4g60d t 37d 5t
GD2：系统转动部分的飞轮矩，N·m2 375 ：有单位的系数，m/min·s
T f f T F T FT f f T n fn f T jf
η=η1η2η3…为传动机构总效率 等效的传动机构的转矩损耗为：
T Tf Tf
j j
2. 飞轮矩的折算——保持系统动能不变
系统转动部分动能表达式：
1J2 1GD 2 2n2
2
2 4g 60
负载飞轮矩折算(转动部分飞轮矩折算)：
齿轮 4
电动机
等效负载
GD 2
T ,T0
TF
1.负载转矩的折算 考虑传动机构的损耗：
Fv 2n
Fv
TF
60
TF
9.55
n
T 9.55Fv9.55Fv
n
n
2. 负载飞轮矩的折算
1 2mfv21 2G 4gF 2 D26n021 2G gf v21 2G 4gF 2 D26n02
GF 2 D36G 5 nf2 v2
(1) 提升重物时的转矩关系 (2) 下放重物时的转矩关系
T0
n T
T
Tf
T0
j
T
T
Tf j
n
TF
Tf j
T
TF
Tf j
T Tf Tf j j
TF
Tf j
T Tf j
Tf
j
Tf j
Tf j
2
1
Tf j
结论：
(1) 传动机构损耗转矩 ΔT 和电动机转轴空载损耗转矩 T0 均为摩擦性质的转矩，与转速 n 反向，为制动转矩；
δ=0.2~0.3，如果还有其它部件，则δ的数值需要加大。
1.电动机经过速比 j=5 的减速器拖动工作机构，工作机构的 实际转矩为20Nm，飞轮矩为1Nm2，不计传动机构损耗，这 算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩分别为多少？
2. 恒速运行的电力拖动系统中，已知电动机电磁转矩为 80Nm，忽略空载损耗，传动机构效率为0.8，速比为10，未 折算前实际的负载转矩应为多少？
GD
2 a
nb
nf
Tf
GD
j1,1
2 b
j2,G2 D
2 f
工作机构
电动机
T ,T0
n
GD 2
等效负载
TF
1. 负载转矩的折算——保持功率传递关系不变 (1) 忽略传动机构的损耗，由折算前后功率不变，得：
T f fT F T F T f f T fn n f T jf
j=n/nf=j1j2j3…为传动机构总的速比 (2) 考虑传动机构的损耗时