第7章直流电机的基本理论
直流电机试题及参考答案
4.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和合成节距 决定。 为叠式绕组； 为波绕组，其中 为换向器片数， 为极对数。
5.★直流电机电枢绕组为什么必须是闭合的
答因为直流电枢绕组不是由固定点与外电路连接的，而是经换向器-电刷与外电路想连接的，它的各支路构成元件在不停地变化。为使各支路电动势和电流稳定不变，电枢绕组正常、安全地运行，此种绕组必须是闭合的。
A：不变，B：转速降低到原来转速的倍，
C：转速下降，D：无法判定。
答：C
7.在直流电机中，公式 Ф和 中Φ指的是：
A：每极合成磁通，B：所有磁极的总磁通，
C：主磁通每极磁通，D：以上都不是。
答：A
8.★直流电动机在串电阻调速过程中，若负载转矩保持不变，则保持不变
A：输入功率，B：输出功率，
C：电磁功率，D：电机的效率。
答：下降，增加。
9.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。
10.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。
11.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：C
19.若并励直流发电机转速上升20％，则空载时发电机的端电压U0将。
A：升高20％B：升高大于20％C：升高小于20％D：不变
答：B
20.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
21.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。
7第七章直流调速系统ppt课件
7.1 直流调速系统概述 7.2 单闭环直流调速系统 7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统 7.4 闭环调速系统设计实例 7.5 多环直流调速系统
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1
7.1 直流调速系统概述
7．1．1．直流调速系统的基本概念
在自动控制系统中，电力拖动系统是最重要的应用系统之一，
而电动机又是电力拖动系统的核心部件，它是将电能转化为机械能
的一种有力工具。根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动
机和交流电动机。由于直流电动机具有良好的启、制动性能，而且
可以在较大范围内平滑的调速，因此，在轧钢设备、矿井升降设备、
挖掘钻探设备、金属切削设备、造纸设备、电梯等需要高性能可控
制电力拖动的场合得到了广泛的应用。但直流电动机本身有着一些
7.1 直流调速系统概述
转速下限受低速时运转不稳定性的限制。对于要求在一定范围 内无级平滑调速的系统来说，此调速方式较好。改变电枢电压调速 (简称调压调速)是直流调速系统的主要调速方式。
2．改变励磁电流调速方式
改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大小， 从而改变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改变励磁电 流调速方式。其机械特性如图7－2所示。
这种调速方案属于恒功率调速。调磁调速的调速范围不大，一
般只是配合调压调速方式，在电动机额定转速之上作小范围的升速。
将调压调速和调磁调速复合起来则构成调压调磁复合调速系统，
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7.1 直流调速系统概述
可得到更大的调速范围，额定转速以下采用调压调速，额定转 速以上采用调磁调速。 3．电枢回路串电阻调速方式 在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值，也可 调节转速，此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。 这种调速方式只能进行有级调速，且串接电阻有较大能量损耗， 电动机的机械特性较软，转速受负载影响大，轻载和重载时转速不 同。另外，该调速方式中的调速电阻损耗大，经济性差，一般只应 用于少数性能要求不高的小功率场合。其机械特性如图7－3所示。
第07讲直流电机的功率流程
Ea = U - Ra I aN = 95V
n=
Ea = 763.9860 r/min Ce F
Ea = U N + Ra I a + 2 = 240.0249V
Ia Ea
IN UN
If
PM = Ea I a = 71.076kW
2nN p = 100.5310rad/s 60 P T = M = 707.0076N ?m W W=
P 72.738kW 1 = P M + pm + pFe =
掌握直流发电机的功率流程和效率计算。 掌握改变直流电动机的旋转方向的方法。 掌握判断直流电机运行状态的方法。 掌握直流电动机的功率流程和效率计算。
课后作业讲解
教材第1章作业解答
【解】 （1）
Z u = S = K = 20, Zu 20 y1 = = = 5, 2p 4 y = 1, y2 = y1 - y = 4, yk = y = 1
（2）（3）（4）
（5）
2a = 2 p = 4
【解】 （1）
Z u = S = K = 19, K - 1 19 - 1 y= = = 9 p 2 y1 = 5 y2 = 4, yk = y = 9
（2）（3）（4）
n
N
S
N
S
11 12 13 14 15 16 17 18 19
1
2 3
4
5 6
P 1= P N + å p = 23189W
直流电动机的功率流程
以并励直流电动机为例。 输入功率为电功率，由电源提供。 电流流过电枢绕组时，将在内电阻上产生电损耗（主要包括 电枢电阻上的损耗和电刷上的电损耗），并产生电磁转矩，从 而转变为机械功率（即电功率经过电枢绕组在磁场中受力转化 成的机械功率，称为电磁功率）。 电磁功率驱动电枢旋转时，还要扣除机械损耗和铁耗,其余 功率才是真正驱动负载旋转的机械输出功率。
第七章 电气传动实验 (1)讲解
第七章电气传动控制系统实验第一节晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一、实验目的：1、熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。
2、掌握掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。
二、实验设备1、教学实验台主控制屏1个2、负载组件1套3、电机导轨及测速发电机1台4、直流电动机1台5、双踪示波器 1台6、万用表 1台三、背景知识直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机——发电机组等组成。
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Uc作为触发器的移相控制电压，改变Uc的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
工作原理图如图7-1所示。
图7-1晶闸管直流调速系统工作原理图四、实验注意事项、实验内容与实验步骤注：（1）由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。
（2）为防止电枢过大电流冲击，每次增加U g须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。
（3）电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。
1、电枢回路电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻R a，平波电抗器的直流电阻R L和整流装置的内阻R n，即R=R a+R L+R n。
为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图7-2所示。
图7-2 晶闸管直流调速系统电阻R测试线路图（1）将变阻器R d接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。
测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。
（2）低压单元的G给定电位器RP1逆时针调到底，使U ct=0。
电机学知识点
气隙线 磁化曲线
2.直流电机的电枢绕组
0
2Ff (I f )
直流电机的电枢绕组是直流电机产生感应电势和电磁转矩，
从而实现机电能量转换的重要部件。直流电机的电枢绕组，
无论什么形式，都是将各元件通过相应的换向片依次连接起
来而构成的闭合绕组。直流电机的电枢绕组通过电刷引入或
引出电流，并在正负极性电刷间形成偶数条并联支路。
影响变压器电压调整率U的因素有：___负__载_的__大__小___、 ___负__载_的__性__质____和_短__路_阻__抗__参__数_R_k_、_X_k _。
2）变压器的损耗和效率
变压器的损耗有铁耗和铜耗。
铁耗不随负载的大小而改变，也称为不变损耗， pPe p0
铜耗随负载的大小而改变，也称为可变损耗， pCu I 2 2
第七章 直流电机的磁路和电枢绕组
基本知识：
1. 直流电机的磁化曲线 2. 单叠绕组和单波绕组的特点 3. 单叠绕组和单波绕组节距的计算方法 4. 直流电机的电枢绕组电动势和电磁转矩
第七章 直流电机的磁路和电枢绕组
1.直流电机的空载磁场和磁化特性
直流电机空载运行时的气隙磁场由励磁磁势建立，该磁势由 主极上的励磁绕组通以直流电流所产生。
k 1 Qu 1
p
p
的一类电枢绕组，它是把
上层元件边在同极性主极下的各元件串联起来成一条支路，
所以单波绕组的并联支路对数_a_=_1______。
直流电机电枢绕组的电势是通过电刷引出的，电刷的位置应 使正负电刷间的感应电动势最大。当元件几何形状对称时， 电刷在换向器表面的位置应对准磁极中心线。此时正、负电 刷间感应电势最大，被电刷短路的元件感应电势为零。
E1 j4.44 fN1 m E2 j4.44 fN 2 m
直流电机
第一章直流电机直流电机是一种通过磁场的耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械，包括直流发电机和直流电动机。
将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。
与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。
但直流电动机调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合，仍获得广泛应用。
作为直流电源的直流发电机虽已逐步被晶闸管整流装置所取代，但在电镀、电解行业中仍被继续使用。
第一节直流电机的基本原理与基本结构直流电机是根据导体切割磁感线产生感应电动势和载流导体在磁场中受到电磁力的作用这两条基本原理制造的。
因此，从结构上看，任何电机都包括磁路和电路两部分；从原理上讲，任何电机都体现了电和磁的相互作用。
一、直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理图 1-1 所示两极直流发电机模型，可说明直流发电机的基本工作原理。
图中，N 、S 是一对固定不动的磁极。
磁极可以由永久磁铁制成，但通常是在磁极铁心上绕制励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电流，即可产生N 、S 极。
在N 、S 磁极之间装有由铁磁性物质构成的圆柱体，在圆柱体外表面的槽中嵌放了线圈abcd ，整个圆柱体可在磁极内部旋转。
整个转动部分称为转子或电枢。
电枢线圈abcd 的两端分别与固定在轴上相互绝缘的两个半圆铜环相连接，这两个半圆铜环称为换向片，即构成了简单的换向器。
换向器通过静止不动的电刷 A 和 B ，将电枢线圈与外电路接通。
电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向旋转，转速为n （r/min ）。
若导体的有效长度为 l ，线速度为v ，导体所在位置的磁感应强度为B ，根据电磁感应定律，则每根导体的感应电动势为e Blv =，其方向可用右手定则确定。
当线圈有效边ab 和cd 切割磁感线时，便在其中产生感应电动势。
如图1-1所示瞬间，导体ab 中的电动势方向由b 指向a ，导体cd 中的电动势则由d 指向 c ，从整个线圈来看，电动势的方向为d 指向a ，故外电路中的电流自换向片1流至电刷A ，经过负载，流至电刷B 和换向片2，进入线圈。
电机直流课程设计
电机直流课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握电机直流的基本工作原理，包括电磁感应定律在直流电机中的应用。
2. 使学生了解并掌握直流电机的类型、结构、性能及用途。
3. 引导学生理解并掌握电机转速与电枢电压、电流的关系，以及励磁对电机性能的影响。
技能目标：1. 培养学生能够正确使用万用表、示波器等工具进行电机参数测试的能力。
2. 培养学生具备分析、解决直流电机常见故障的能力。
3. 让学生学会设计简单的直流电机控制系统，并能进行基本的调试。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电机工程技术的兴趣和热情，激发他们探索科学的精神。
2. 培养学生的团队协作意识，使他们能够在学习过程中积极与他人交流、合作。
3. 引导学生认识到电机技术在生产、生活中的重要作用，增强他们的社会责任感。
课程性质：本课程为电机原理与应用的实践课程，注重理论知识与实际操作的结合。
学生特点：学生处于高中年级，已具备一定的物理基础和动手能力，对新技术具有强烈的好奇心。
教学要求：教师应采用启发式教学，引导学生通过实验、讨论等方式主动探究电机直流的知识，提高他们的实践操作能力和问题解决能力。
同时，注重培养学生的团队合作意识和科学素养，为后续学习打下坚实基础。
通过分解课程目标为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. 直流电机的基本原理：包括洛伦兹力定律、电磁感应定律在直流电机中的应用，电机转速与电枢电压、电流的关系，以及励磁对电机性能的影响。
2. 直流电机的类型与结构：介绍常见的直流电机类型，如永磁直流电机、励磁直流电机；讲解电机的结构，包括电枢、励磁绕组、换向器等组成部分。
3. 直流电机的性能与用途：分析不同类型直流电机的性能特点，如功率、转速、效率等，探讨其在实际应用中的选择和适用场合。
4. 直流电机控制系统设计：学习电机控制的基本原理，设计简单的直流电机控制系统，包括调速、转向等功能。
5. 直流电机参数测试与故障分析：教授如何使用万用表、示波器等工具进行电机参数测试，分析常见故障原因，并提出相应的解决方法。
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它的工作原理基于洛伦兹力和电动行为的相互作用。
直流电机的核心部件是电枢，由大量线圈组成。
当直流电源施加在电枢上时，电流流经线圈，产生一圈圈的磁场。
在电枢旁边，有一个磁体称为永磁体或者磁场极，它产生恒定的磁场。
当电流通过电枢的线圈时，根据右手定则，线圈内的磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生力矩。
由于电流的方向是可逆的，所以直流电机的转向也是可逆的。
当电流改变方向时，电枢产生的磁场方向也会改变，进而改变了与永磁体的相互作用，实现了转向。
为了实现连续的旋转运动，直流电机需要一个机械装置来改变电枢线圈的方向。
这个装置通常由一个可调整的组件（如换向器和刷子）组成，它能够使电流从一个线圈转移到下一个线圈，从而保持电枢的旋转方向。
总之，直流电机工作的基本原理就是利用洛伦兹力和电动行为，通过电磁感应和相互作用实现电能到机械能的转换。
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当T 时， n 下降不多 n n0 —— 硬特性。 励磁电路断电的后果 当 If = 0，Φ =Φr 很小， O n 不能突变，E 很小 →Ia →T = CTΦr Ia 仍有一定数值。 (1) 若 T ＞TL →n →飞车！ (2) T ＜TL →n →n = 0 → 闷车！
A1
B1
A2
B2
B2
5' 2 4' 1 3' 12
※ 并联支路对数：a = 2。 ※ 电刷的中心线对着磁极的中心线。
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7.2 直流电机的基本结构
单叠绕组的展开图
磁极中心线 ※ 电刷的中心线对
1 2 3N 5 6S 8 9N 11 12 S
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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第7 章 直流电机的基本理论
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
一、电磁转矩
1. 产生 电枢电流 i F →T 磁 场 Φ 2. 大小 B 电磁力： F = B l i Φ 平均磁密： B = l 极距
l
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第7 章 直流电机的基本理论
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
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(1) 当T = 0 时，Ia = If = 0， Φ =Φr， n0 = (5 ~ 6) nN。
A1
B1
A2
B2
着磁极的中心线： ① 电刷之间的电动 势最大。 ② 被电刷短接的元 件电动势为零。 ※ 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。
几何中心线
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7.2 直流电机的基本结构
直流电机的结构
电枢
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7.2 直流电机的基本结构
电机装配图
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7.5 直流电动机的运行分析
三、串励电动机
1. 电压
U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I I = I a = If T U－E = = Ra+ Rf CTΦ
+
U
I
If
2. 电流
＋ Uf － Ia ＋ E M Ua
－
－
3. 转矩
T = CTΦ Ia (1)当 Ia 较小、磁路未饱和时， Φ∝Ia， T ∝Ia2 。 (2)当 Ia 较大、磁路已饱和时， Φ≈常数， T ∝Ia 。
5
7
4
6
1 2
5 3 B
A 8 7 6
B 5
7
6
5
4
结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。
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7.2 直流电机的基本结构
直流电枢绕组
Ia ＋ e e e e A ＋ E － B e e e e
1
2
3
4
Ia
－ ＋
e e e e A ＋ E － B e e e e
(2) 电枢电流 Ia Ia = IN－ If = (12.5－0.35) A = 12.15 A (2) 电动势 E E = UN－ Ra Ia = (220－0.41×12.15) V = 215 V
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7.5 直流电动机的运行分析
(4) 电磁转矩 E 215 CEΦ = = = 0.071 7 nN 3 000 CTΦ = 9.55 CEΦ = 0.685 T = CTΦ Ia = 0.685×12.15 N· m = 8.32 N· m
瞬间 n 不变 Ia →T → T＜TL E 不变
结论：Ia 的大小取决于负载的大小。 当 Ia= IaN 时为满载，当 Ia＞IaN 时为过载。 ※ 规定短时过载的最大电枢电流： Iamax =(1.5 ~ 2)IaN =αMC IaN
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7.5 直流电动机的运行分析
2. 转速 Ra Ua Ua－Ra Ia E － n= = = 2 T CEΦ CEΦ CEΦ CECTΦ
R
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7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
2. 大小
单位：Wb
CT 转矩常数：
T = CTΦ Ia
(N· m)
单位：A
2pN CT = 3. 方向 由Φ 和 Ia 共同决定。 4. 性质 发电机： T 与 n 方向相反，为制动转矩。 电动机： T 与 n 方向相同，为拖动转矩。
T 机械特性
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7.5 直流电动机的运行分析
3. 转向 取决于电磁转矩 T 的方向。 T 的方向取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia
－
M If Uf
+
+
Ua
Ia
M
If + Uf
Ua
－
磁 场 反 向
－
－
－
Ua + Ia M
If +
Uf
－
电 枢 反 向
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7.5 直流电动机的运行分析
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第7 章 直流电机的基本理论
7.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
N ＋ U －
N
S
－ U ＋
S
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第7 章 直流电机的基本理论
7.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
电刷
N
N
＋ U －
S 换向片
＋ U －
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
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第7 章 直流电机的基本理论
7.5 直流电动机的运行分析
一、他励电动机
励磁电压 Uf →If →Φ ↓ 电枢电压 Ua →Ia →T →n →E 1. 电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If 电枢电路： Ua = E + Ra Ia
+
Ia
E M
If +
Uf
Ua
电机与拖动
第7章
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8
LFChun 制作
直流电机的基本理论
直流电机的工作原理 直流电机的基本结构 直流电机的电枢反应 电流电机的电磁转矩和电动势 直流电动机的运行分析 直流电动机的功率和转矩 直流发电机的运行分析 直流发电机的功率和转矩
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7.2 直流电机的基本结构
4. 额定转速 nN 5. 额定励磁电压 UfN 6. 额定励磁电流 IfN ※ 额定状态 ： 指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 ※ 满载状态 ： 指 I = IN 的状态。
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第7 章 直流电机的基本理论
7.3 直流电机的电枢反应
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7.5 直流电动机的运行分析
即 T ∝Iam (1＜m＜2) 与并励电动机比较，有如下特点： (1) 对应于相同的T ， Ia 小。 (2) 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T 大， Tst 和 Tmax 较大。 4. 转速 U－(Ra + Rf ) Ia E = n= CEΦ CEΦ U － Ra + Rf = 2 T C C Φ CEΦ E T
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7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
单位：Wb
E = CEΦ n CE 电动势常数：
(V)
单位：r/min
4 pN CE = 60 3. 方向：由Φ 和 n 共同决定。 4. 性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。 2pN CT = CT 60 = = 9.55 2 CE 4pN CE = 60 CT = 9.55 CE
一、电磁转矩
1. 产生 电枢电流 i F →T 磁 场 Φ 2. 大小 B 电磁力： F = B l i Φ 平均磁密：B = l 极距 每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩： FR
l
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R
7.4 直流电机的电磁转矩和电动势
电枢绕组串联总匝数： N 电枢绕组并联支路数：2a 总导体数： 2N· 2a = 4aN 电枢的周长： 2R = 2p 电磁转矩： T = 4aN · FR p = 4aN · · Bl i p Φ = 4aN· · li l p = 4aN · ·Φ i 电枢电流 Ia 2pN = ·Φ · 2ai
电磁转矩 （阻转矩）
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第7 章 直流电机的基本理论
7.2 直流电机的基本结构
一、主要部件
1. 定子 (1) 主磁极 (2) 换向磁极
(3) 机座
(4) 端盖等
(a) 主磁极 直流电机的定子
大连理工大学Biblioteka 气工程系(b) 机座7.2 直流电机的基本结构
直流电机的定子
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二、并励电动机
并励与他励的区别: 1. 输入电压 U = Ua = Uf 2. 输入电流 I = I a + If 3. 输入功率 P1 = UI = UIa + UIf
+
U
I
Ia
M
If
－
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7.5 直流电动机的运行分析
【例7.5.1】 某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 Ω， Ra = 0.41 Ω。求该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 励磁电流 If Uf 220 If = = A = 0.35A Rf 628