第一章-直流电动机及其控制复习过程
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直流电动机第一章第2节
• 第六步：放置电刷。在展开图中，直流电机的电 刷与换向片的大小相同，电刷数与主磁极数相同， 放置电刷时应使正负电刷间的感应电动势最大， 或被电刷短路的元件感应电动势最小。当把电刷 放置在主磁极的几何中心线处，被电刷短路元件 的感应电动势为零，同时正负电刷间的电动势也 最大。电枢按图示方向转动，电刷间的电动势方 向根据右手定则可判定为A1、A2为正，B1、B2 为负。单迭绕组的完整展开图见图1.12。 • 在实际生产过程中，直流电机电刷的实际位置是 电机制造好后通过实验的方法确定的。
原理：串联电阻分压比变化。 如图1.20所示，正常时线圈电阻 较小，可变电阻R电压降大，电压表指 示值较小。若线圈出现断路故障，所 有电压均降落在线圈上，电压表指示 为电源电压值，故能判断故障在线圈。
• 因此，由上式可得换向节距为 • K 1 yk • （1-10） P • 在上式中，正负号的选择首先应满足使yK为整 数，其次考虑选择负号。选择负号时的单波绕组 称为左行绕组，左行绕组端部迭压少。单波绕组 的合成节距与换向节距相同，即第二节距y2 • y2 y1 y • （1-11）
绕组画法和节距
电枢绕组大多做成双层绕组，将线圈的一个有 效边放在槽的上层，称做上层边（画成实线）；另 一个有效边放在有一定距离的另一槽的下层，称做 下层边（画成虚线），如图1.11所示。
图1.11 绕组画法和节距
1.2 直流电机的电枢绕组
电枢绕组的线圈数和换向片数、槽数之间应 有如下的关系：因为每一个线圈有两个边，而每 一换向片总是把一个线圈的尾端与紧跟的另一个 线圈的首端焊接在一起，因此，线圈数与换向片 数相等；如果电枢铁心每个槽内只安排一个上层 边和一个下层边（称为一个单元槽），这样，线 圈数又与单元槽数相等。由此可知，一台直流电 机的线圈数S与换向片数K、槽数Z之间有如下关 系 S=K=Z （1-3）
第一章 直流电动机的数学模型及其闭环控制系统
直流电源电压；C为滤波电容器；VT为功率开关器件； VD为续流二极管；MD为直流电动机。
图 1-10 PWM控制器与变换器的框图
图1-9不可逆PWM变换器—直流电动机系统
结合PWM变换器工作情况可以看出：当控制 电压变化时，PWM变换器输出平均电压按线性规 律变化，因此，PWM变换器的放大系数可求得， 即为
4.直流调速系统的广义被控对象模型
（1）额定励磁状态下直流电动机的动态结构图 图1-12所示的是额定励磁状态下的直流电动机动 态结构图。
图1-12 额定励磁状态下直流电动机的动态结构框图
由上图可知，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢
上的理想空载电压U d0 ，另一个是负载电流 I L 。前者是控制输入量，
它已不起作用，整流电压并不会立即变化，必须等
到 t3时刻该器件关断后，触发脉冲才有可能控制另
一对晶闸管导通。
设新的控制电压
U ct2
U
对应的控制角为
ct1
2 1 ，则另一对晶闸管在 t4 时刻导通，平均整
流电压降低。假设平均整流电压是从自然换相点
开始计算的，则平均整流电压在 t3 时刻从U d01降
Tm
GD2 R
375K
e
K
m
2 d
（1-23）
因其中d 的减小而变成了时变参数。由此 可见，在弱磁过程中，直流调速系统的被控对象 数学模型具有非线性特性。这里需要指出的是， 图1-15所示的动态结构图中，包含线性与非线性 环节，其中只有线性环节可用传递函数表示，而 非线性环节的输入与输出量只能用时域量表示， 非线性环节与线性环节的连接只是表示结构上的 一种联系，这是在应用中必须注意的问题。
Ks
U d U ct
图 1-10 PWM控制器与变换器的框图
图1-9不可逆PWM变换器—直流电动机系统
结合PWM变换器工作情况可以看出：当控制 电压变化时，PWM变换器输出平均电压按线性规 律变化，因此，PWM变换器的放大系数可求得， 即为
4.直流调速系统的广义被控对象模型
（1）额定励磁状态下直流电动机的动态结构图 图1-12所示的是额定励磁状态下的直流电动机动 态结构图。
图1-12 额定励磁状态下直流电动机的动态结构框图
由上图可知，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢
上的理想空载电压U d0 ，另一个是负载电流 I L 。前者是控制输入量，
它已不起作用，整流电压并不会立即变化，必须等
到 t3时刻该器件关断后，触发脉冲才有可能控制另
一对晶闸管导通。
设新的控制电压
U ct2
U
对应的控制角为
ct1
2 1 ，则另一对晶闸管在 t4 时刻导通，平均整
流电压降低。假设平均整流电压是从自然换相点
开始计算的，则平均整流电压在 t3 时刻从U d01降
Tm
GD2 R
375K
e
K
m
2 d
（1-23）
因其中d 的减小而变成了时变参数。由此 可见，在弱磁过程中，直流调速系统的被控对象 数学模型具有非线性特性。这里需要指出的是， 图1-15所示的动态结构图中，包含线性与非线性 环节，其中只有线性环节可用传递函数表示，而 非线性环节的输入与输出量只能用时域量表示， 非线性环节与线性环节的连接只是表示结构上的 一种联系，这是在应用中必须注意的问题。
Ks
U d U ct
第一章 直流电路
图示电路 （1）电路的支路 数b=3，支路电流 有i1 、i2、 i3三个。 （2）节点数n=2， 可列出2－1=1个独 立的KCL方程。 节点a
i1
R1 + us1 － Ⅰ
a
i2 i3
R3 Ⅱ R2 + us2 －
b
i1 i 2 i 3 0
（3）独立的KVL方程数为3－(2－1)=2个。 i1 R 1 i 3 R 3 u s 1 回路I 回路Ⅱ
• • 当电阻元件的电压和电流取非关联参考方向时，
欧姆定律表达为 • u=-R· 或i=-u/R i
•
电导：电阻元件的参数除电阻R外，还有 另一个参数，其数值为电阻的倒数，称为电导 G，单位为西门子(S)，即
• G=1/R
线性电阻的伏安特性
1.3 电阻的串、并联
图1-17为两个电阻R1 、R2并联，总电 流是i，每个电阻分得的分别为i1和i2：
对直流：I=Q/t
i dq dt ( 对变动电流，瞬时电流 的表达式 )
大写 I 表示直流电流,小写 i 表示电流的一般符号
正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 电流的方向用一个箭头表示。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向。
参考方向 a 实际方向 (a) i> 0
i
b a
参考方向
i
b
实际方向 (b ) i< 0
如果求出的电流值为正，说明参考方向 与实际方向一致，否则说明参考方向与实际 方向相反。
2. 电压、电位和电动势
电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移 至b点电场力所做的功。
u ab
dW ab dq
电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点 电场力所做的功。 电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。
第1章 直流电机的结构与工作原理
1．直流电机的型号 其格式为：第一个字符用大写的汉语拼音表示产品系列代 号，第二个字符用阿拉伯数字表示设计序号，第三个阿拉伯数
字是机座中心高，第四个阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号，
第五个阿拉伯数字表示端盖的代号。 例如型号是Z4—200—21的直流电机，Z是系列（即一般用 途直流电动机）代号，200是电机中心高（mm），21中的2是电 枢铁芯长度代号，1是端盖的代号。
2.第一节距 y1 第一节距是指一个线圈两有效边之间在电枢表面上的跨距， 以槽数表示，如图1—10所示。由于线圈边要放入槽内，所以应 是整数。而为了让组能感应出最大的电动势，应使接近或等于 极距。
Zu y1 2p
为了节省铜线及其工艺的方便，一般采用短距或整距绕组。
1.2 直流电机的电枢绕组
（4）正负电刷间电动势最大。
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
1.3.1 直流电机的铭牌数据
铭牌数据主要包括：电机型号、额定功率、额定电压、
额定电流、额定转速和励磁电流、励磁方式、励磁电压、工
作方式、绝缘等级等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编 号、出厂日期等。
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
新世纪高职高专 电气自动化技术类课程规划教材
新世纪高职高专教材编审委员会 组编 主编 郑立平 张 晶 王文一 主审 孙建忠
第一章 直流电机的结构与工作原理
1.1直流电机的结构与工作原理
1.2直流电机的电枢绕组
1.3直流电机的铭牌数据及主要系列
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.1.1 直流电机的结构 主磁极 换向磁极 电刷装置
图1-3 换向极结构 1．换向极铁芯 2．换向极绕组
1.1 直流电机的结构与工作原理
字是机座中心高，第四个阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号，
第五个阿拉伯数字表示端盖的代号。 例如型号是Z4—200—21的直流电机，Z是系列（即一般用 途直流电动机）代号，200是电机中心高（mm），21中的2是电 枢铁芯长度代号，1是端盖的代号。
2.第一节距 y1 第一节距是指一个线圈两有效边之间在电枢表面上的跨距， 以槽数表示，如图1—10所示。由于线圈边要放入槽内，所以应 是整数。而为了让组能感应出最大的电动势，应使接近或等于 极距。
Zu y1 2p
为了节省铜线及其工艺的方便，一般采用短距或整距绕组。
1.2 直流电机的电枢绕组
（4）正负电刷间电动势最大。
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
1.3.1 直流电机的铭牌数据
铭牌数据主要包括：电机型号、额定功率、额定电压、
额定电流、额定转速和励磁电流、励磁方式、励磁电压、工
作方式、绝缘等级等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编 号、出厂日期等。
1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列
新世纪高职高专 电气自动化技术类课程规划教材
新世纪高职高专教材编审委员会 组编 主编 郑立平 张 晶 王文一 主审 孙建忠
第一章 直流电机的结构与工作原理
1.1直流电机的结构与工作原理
1.2直流电机的电枢绕组
1.3直流电机的铭牌数据及主要系列
1.1 直流电机的结构与工作原理
1.1.1 直流电机的结构 主磁极 换向磁极 电刷装置
图1-3 换向极结构 1．换向极铁芯 2．换向极绕组
1.1 直流电机的结构与工作原理
第一章 直流电路
特点：
开路
U端 E
I 0
短路
R总
3.短路：
电流不经负载而经导线形成回路的状态。 特点： U 端 E Ir 0
I
E r
R总 r
短路电流很大，需加短路保护装置。
【例1－1】设内阻r = 0.2Ω，电阻R = 9.8Ω，电源电动势E = 2V，不计电压表和电流表对电路的影响，求开关在不同 位置时，电压表和电流表的读数各为多少？
（1）表示： 实线箭头加字母表示: 双下标表示：Iab表示电流由a流向b
i
（2）选择：原则上任意选，但若已知实际方向，则选择 参考方向尽量与实际方向一致。
（3）参考方向与实际方向的关系：同正异负。
同正异负：相同时参考方向下的字母为正数（+） 相异时参考方向下的字母为负数（-）
例 图示电路中，I1、I2分别等于多少？
5V
I1 5Ω 解：可以判断出电路中电流的实际 方向为逆时针方向。 I2 电流参考方向I1与实际方向相 反，I2与实际方向相同。
I1 5 5 1A
∴
I2
5 5
1A
8．电流测量注意事项
电流测量注意事项
万用表直流挡测电流
三、电压、电位和电动势 （一）电压
1. 分 类
水压和水流
R1=4Ω，要使R2获得最大功率，R2应为多大？这时R2获得的
功率是多少？
解题过程
§1－5 电阻的串联和并联
一、电阻的串联
串联(+)： 电阻首尾顺序相连 中间无分支 选择电流、电压参考方向如图 U
U11 U
I R1 I1
U U2 2
R2 I2
U U33
R3 I3
开路
U端 E
I 0
短路
R总
3.短路：
电流不经负载而经导线形成回路的状态。 特点： U 端 E Ir 0
I
E r
R总 r
短路电流很大，需加短路保护装置。
【例1－1】设内阻r = 0.2Ω，电阻R = 9.8Ω，电源电动势E = 2V，不计电压表和电流表对电路的影响，求开关在不同 位置时，电压表和电流表的读数各为多少？
（1）表示： 实线箭头加字母表示: 双下标表示：Iab表示电流由a流向b
i
（2）选择：原则上任意选，但若已知实际方向，则选择 参考方向尽量与实际方向一致。
（3）参考方向与实际方向的关系：同正异负。
同正异负：相同时参考方向下的字母为正数（+） 相异时参考方向下的字母为负数（-）
例 图示电路中，I1、I2分别等于多少？
5V
I1 5Ω 解：可以判断出电路中电流的实际 方向为逆时针方向。 I2 电流参考方向I1与实际方向相 反，I2与实际方向相同。
I1 5 5 1A
∴
I2
5 5
1A
8．电流测量注意事项
电流测量注意事项
万用表直流挡测电流
三、电压、电位和电动势 （一）电压
1. 分 类
水压和水流
R1=4Ω，要使R2获得最大功率，R2应为多大？这时R2获得的
功率是多少？
解题过程
§1－5 电阻的串联和并联
一、电阻的串联
串联(+)： 电阻首尾顺序相连 中间无分支 选择电流、电压参考方向如图 U
U11 U
I R1 I1
U U2 2
R2 I2
U U33
R3 I3
第一章-直流伺服电机
图1-1 电枢控制原理图
控制方式
2．磁场控制
电枢绕组电压保持不变，变化励磁回路旳电压。若电 动机旳负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流 增长，主磁通增长，电机转速就降低；反之，转速升 高。变化励磁电压旳极性，电机转向随之变化。 尽管磁场控制也可到达控制转速大小和旋转方向旳目 旳，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且伴随 励磁电压旳减小其机械特征变软，调整特征也是非线 性旳，故少用。
1.2.2 运营特征
（2）电枢电压对机械特征旳影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。 相应于不同旳电枢电压能够得到一组相互平行旳机械特征曲线。
直流伺服电动机由放大器供电时， 放大器能够等效为一种电动势源 与其内阻串联。内阻使直流伺服 电动机旳机械特征变软。
图 1-3 不同控制电压时旳机械特征
较小、 电枢电阻 Ra 较大、转动惯量 J 较大
时是这种情况。
图1-6 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
(2)
当
4 e
m
时，由
p1，.2
1 2 e
1
1 4 e m
， p1 和
p2
两根是共轭复数。
在过渡过程中，转速和电流随时间旳变化是周期性旳。
由e
La Ra
和m
2JRa 60CeCt
2
可知，电枢
电感 La 较大、 电枢电阻 Ra 较小、转动
惯量 J 较小时，就会出现这种振荡现象。
图1-7 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
⑶ 当4 e m 时（多数情况满足这一条件）， e 很小能够忽视不计。
于是式
m e
交直流调速系统第一章 直流调速简介(第三版)
Id
－－负载电流引起的转速降
机械特性曲线
k Ra 机械特性曲线的斜率k值越小，特性的硬度越硬。
KeN
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电压越低，转速越低。
•特性硬，调速精度高， 最常用。
调压调速
3. 调速的平滑性： 调速平滑性是指调速时可以得到的相邻两转速之比，调速平滑性 接近于1的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。
1．什么是调速范围？什么是静差率？ 2．静差率是针对某一条机械特性定义的，调速系统的静 差率指的是什么？ 3．静差率与硬度有什么区别和联系？
2020/4/14
解： 得
2020/4/14
•电压降低，n0减小
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电阻越大，转速越低。
串电阻调速
•特性软，调速精度低， 一般不采用。
•理想空载转速n0不变。
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
2020/4/14
调速系统的稳态性能指标
一个好的调速系统应具有较大的调速范围和较小的静差率！
(4)静差率与调速范围的关系 Nhomakorabeas nN ， n0 min
则
n0 min
nN s
D
snN
1 snN
D nN
nN
nmin n0 min nN
nN
nN s
nN
snN
1 s nN
2020/4/14
运动控制期末考试题浓缩版
第一章1 直流调速方法（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通（3）改变电枢回路电阻R2 常用的可控直流电源有以下三种（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
3 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n 。
这样的调速系统简称G-M系统。
4 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。
5 抑制电流脉动的措施(1)设置平波电抗器；(2)增加整流电路相数；采用多重化技术6 P WM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
7 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。
89 对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速（2）稳速（3）加、减速。
10 调速指标(1)调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即 (2)静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落n N，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即式中n N = n0 -n N对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
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静态电压平衡方程式： Ua =RaIa+Ea
忽略电感压降
四大关系式
通用
Tem=CtΦ Ia=KtIa； Ea=CeΦn=Keω
第一章-直流电动机及其控制
第一章 直流电动机及其控制
1.1 直流电机及其基本结构
一、 概述
应机、电气铁道牵
引机、起重机械等； 3 高精度速度控制系统； 4 航天器及其它只有直流电源的场合。
优点： 1 )调速范围宽，可稳定运行的速度范围大； 2）转矩大； 3）控制方法简单，控制装置可靠性高。 缺点： 有换向器。 费工费料，造价贵，运行时换向器需要 经常维修，寿命较短（350～400h）。 特殊点：
转角范围小，不用换向器。 反 转 ： 改变电刷电压的极性。 存在的问题：
转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝）， 磁路是空气，磁密低。
二、环形绕组的直流电动机 环形铁心，多绕组。 两条支路。
存在的问题： 1）环形铁心内部无磁场， 内部导体不受电磁力， 铜的利用率低。 2）制造困难，工艺性和 经济性不好。
2.电枢绕组和电枢铁心
电枢绕组： 产 生 电 动 机 的 负 载 电 流 、
电磁转矩和发电机的电势。 电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法 把带绝缘的铜导线预制成形， 在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。 每个绕组元件的两个端头（引出线） 按着一定的规律接到换向器上。 直流电枢绕组本身自成闭合回路。
3. 换向器和电刷装置
换向器在转子上。 电刷在定子上。
功能 将电刷上的直流 变为绕组内部的交流 。
三、图形符号
1.2 电机中的磁性材料
1.2.1 铁磁物质
磁 性 ： 能产生磁场，在磁场中受力作用。
铁磁性物质特点
1）磁导率 大，是真空磁导率 0 的
2000～6000倍。
2） 不是恒量，随磁场强度H变化。
动态： dω/dt 0 静 态 ： dω/dt =0
静态转矩平衡方程式 Tem =T0 +TL
dω Tem=T0+TL+J dt
dω
J dt
TemT0TL
设
T2 =Tem -T0 输出转矩
dω J dt T2 -TL
T 2= T e m -T 0> T L d ω /d t> 0加 速
T 2= T e m -T 0< T L d ω /d t< 0减 速
P w=(π2f2d2B m 2)V /(6ρ)
铁心采用片状的 并有绝缘薄膜的材料叠压而成， 就是为了减少涡流损耗 。
铁心损耗（铁耗）： 磁滞损耗加涡流损耗。 单位质量的铁耗： P Fe=P 1/50(f/50)B m 2
=1.2: 1.6
1.3 直流电机工作原理
1.3.1 电磁力定律和电磁感应定律 电磁力定律
e1=k1k2lΦ n=k3Φ n
各导线电势相加可得电枢绕组感应电势
为 Ea =CeΦn Ea = Keω
电动机中称为电枢反电势
Ke ：反电势系数
Ke = Kt
采用国际单位制（SI）
二、转矩平衡方程式
由转子受力图和力学定律
Tem-T0
-TL
=J
dω dt
Tem=T0+TL+Jddω t 动态转矩平衡方程式
硬磁材料： 矫顽磁力大， 磁滞回线宽。 常用作永磁体。
磁 滞 ： B的变化滞后于H的变化。 磁滞损耗：
铁磁材料在交变磁场作用下， 反复磁化时将要发热，引起的损耗。 磁滞损耗与频率f成正比，磁滞回线 的面积越大，磁滞损耗也越大。
Ph fBm
B m = 1 .0:1 .6T 2
涡流损耗： 铁磁材料处于交变的外磁场中时， 铁心中还会产生涡流， 涡流在铁心中引起的热损耗。
用直流电源。
二、结构
按运动状态： 定子和转子两部分。
按功能： 磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。 磁极在定子上，电枢绕组在转子上。
换向器在转子上，电刷在定子上。
1. 磁极和定子铁心
功能：产生磁场 电磁式直流电机：
用直流电产生恒定磁场， 应用： 功率大的场合， 中、大型电机。
永磁式电机: 由永磁体产生恒定磁场。 优点：体积小，重量轻，结构紧凑。 缺点：磁场弱。 应用：微型和小型电机。
3）存在一个临界温度——居里点 ， 高于此温度时，磁导率降到真空磁导率 。
磁性材料
的磁性能
用磁化曲 线表示
磁滞回线
Br ：剩磁磁密（简称剩磁） Hc ：矫顽磁力。 去磁曲线或退磁曲线：
磁滞回线在第2象限 或第4象限的部分。
软磁材料：矫顽磁力小， 磁滞回线狭窄，磁导率高。 如硅钢片、纯铁、铸钢等。 常用来作电机、变压器的铁心。
Tem =CtΦIa
1.5.1 直流电动机的基本关系式 一、电磁转矩与电枢反电势
直流电机的电磁转矩为 Tem =CtΦIa 当磁通Φ为常值时该式可写为
Tem = Kt Ia
Kt ——转矩灵敏度， 或称转矩系数
电枢反电势
由电磁感应定律，一根导线的电势
e1 = vBl
v=k1n,B=k2Φ
大小： F = IlB
方向： 左手定则
电动机产生转矩的条件： 同性磁极下电流相同。 异性（相邻）磁极下电流相反。
直流电机要保持恒定 方向转矩的条件：
每个磁极下导体 的 电流方向应保持不变。
电磁感应定律
大小：
e = vBl
方向： 右手定则
1.3.2 直流电动机的工作原理 一、模型电机
换向器的作用： 导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时， 改变导体电流方向，保持每个磁极下电 流方向不变，使电机连续转动。
T 2= T e m -T 0= T L d ω /d t= 0匀 速
三、电压平衡方程式 电枢绕组有自感和电阻，
转动时电枢中又有感应电势， 称电枢反电势，因此 电枢等效电路。
三、电压平衡方程式
Ua =LaddIta +RaIa+Ea
动态电压平衡方程式 动态： dIa/dt 0 静态： dIa/dt = 0
三、鼓形绕组
1.5 直流电动机的特性与控制方法 直流电动机的接线
1.5.1 直流电动机的基本关系式
一、电磁转矩与电枢反电势
电磁转矩 一根导线受力
一根导线的电磁转矩
F1 = I1lB
Tem1 =k1F1 = k1 I1lB
Φ = k2 B, I1 = k3Ia Tem1=k4ΦIa 各导线转矩相加可得 直流电机的电磁转矩为
忽略电感压降
四大关系式
通用
Tem=CtΦ Ia=KtIa； Ea=CeΦn=Keω
第一章-直流电动机及其控制
第一章 直流电动机及其控制
1.1 直流电机及其基本结构
一、 概述
应机、电气铁道牵
引机、起重机械等； 3 高精度速度控制系统； 4 航天器及其它只有直流电源的场合。
优点： 1 )调速范围宽，可稳定运行的速度范围大； 2）转矩大； 3）控制方法简单，控制装置可靠性高。 缺点： 有换向器。 费工费料，造价贵，运行时换向器需要 经常维修，寿命较短（350～400h）。 特殊点：
转角范围小，不用换向器。 反 转 ： 改变电刷电压的极性。 存在的问题：
转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝）， 磁路是空气，磁密低。
二、环形绕组的直流电动机 环形铁心，多绕组。 两条支路。
存在的问题： 1）环形铁心内部无磁场， 内部导体不受电磁力， 铜的利用率低。 2）制造困难，工艺性和 经济性不好。
2.电枢绕组和电枢铁心
电枢绕组： 产 生 电 动 机 的 负 载 电 流 、
电磁转矩和发电机的电势。 电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法 把带绝缘的铜导线预制成形， 在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。 每个绕组元件的两个端头（引出线） 按着一定的规律接到换向器上。 直流电枢绕组本身自成闭合回路。
3. 换向器和电刷装置
换向器在转子上。 电刷在定子上。
功能 将电刷上的直流 变为绕组内部的交流 。
三、图形符号
1.2 电机中的磁性材料
1.2.1 铁磁物质
磁 性 ： 能产生磁场，在磁场中受力作用。
铁磁性物质特点
1）磁导率 大，是真空磁导率 0 的
2000～6000倍。
2） 不是恒量，随磁场强度H变化。
动态： dω/dt 0 静 态 ： dω/dt =0
静态转矩平衡方程式 Tem =T0 +TL
dω Tem=T0+TL+J dt
dω
J dt
TemT0TL
设
T2 =Tem -T0 输出转矩
dω J dt T2 -TL
T 2= T e m -T 0> T L d ω /d t> 0加 速
T 2= T e m -T 0< T L d ω /d t< 0减 速
P w=(π2f2d2B m 2)V /(6ρ)
铁心采用片状的 并有绝缘薄膜的材料叠压而成， 就是为了减少涡流损耗 。
铁心损耗（铁耗）： 磁滞损耗加涡流损耗。 单位质量的铁耗： P Fe=P 1/50(f/50)B m 2
=1.2: 1.6
1.3 直流电机工作原理
1.3.1 电磁力定律和电磁感应定律 电磁力定律
e1=k1k2lΦ n=k3Φ n
各导线电势相加可得电枢绕组感应电势
为 Ea =CeΦn Ea = Keω
电动机中称为电枢反电势
Ke ：反电势系数
Ke = Kt
采用国际单位制（SI）
二、转矩平衡方程式
由转子受力图和力学定律
Tem-T0
-TL
=J
dω dt
Tem=T0+TL+Jddω t 动态转矩平衡方程式
硬磁材料： 矫顽磁力大， 磁滞回线宽。 常用作永磁体。
磁 滞 ： B的变化滞后于H的变化。 磁滞损耗：
铁磁材料在交变磁场作用下， 反复磁化时将要发热，引起的损耗。 磁滞损耗与频率f成正比，磁滞回线 的面积越大，磁滞损耗也越大。
Ph fBm
B m = 1 .0:1 .6T 2
涡流损耗： 铁磁材料处于交变的外磁场中时， 铁心中还会产生涡流， 涡流在铁心中引起的热损耗。
用直流电源。
二、结构
按运动状态： 定子和转子两部分。
按功能： 磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。 磁极在定子上，电枢绕组在转子上。
换向器在转子上，电刷在定子上。
1. 磁极和定子铁心
功能：产生磁场 电磁式直流电机：
用直流电产生恒定磁场， 应用： 功率大的场合， 中、大型电机。
永磁式电机: 由永磁体产生恒定磁场。 优点：体积小，重量轻，结构紧凑。 缺点：磁场弱。 应用：微型和小型电机。
3）存在一个临界温度——居里点 ， 高于此温度时，磁导率降到真空磁导率 。
磁性材料
的磁性能
用磁化曲 线表示
磁滞回线
Br ：剩磁磁密（简称剩磁） Hc ：矫顽磁力。 去磁曲线或退磁曲线：
磁滞回线在第2象限 或第4象限的部分。
软磁材料：矫顽磁力小， 磁滞回线狭窄，磁导率高。 如硅钢片、纯铁、铸钢等。 常用来作电机、变压器的铁心。
Tem =CtΦIa
1.5.1 直流电动机的基本关系式 一、电磁转矩与电枢反电势
直流电机的电磁转矩为 Tem =CtΦIa 当磁通Φ为常值时该式可写为
Tem = Kt Ia
Kt ——转矩灵敏度， 或称转矩系数
电枢反电势
由电磁感应定律，一根导线的电势
e1 = vBl
v=k1n,B=k2Φ
大小： F = IlB
方向： 左手定则
电动机产生转矩的条件： 同性磁极下电流相同。 异性（相邻）磁极下电流相反。
直流电机要保持恒定 方向转矩的条件：
每个磁极下导体 的 电流方向应保持不变。
电磁感应定律
大小：
e = vBl
方向： 右手定则
1.3.2 直流电动机的工作原理 一、模型电机
换向器的作用： 导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时， 改变导体电流方向，保持每个磁极下电 流方向不变，使电机连续转动。
T 2= T e m -T 0= T L d ω /d t= 0匀 速
三、电压平衡方程式 电枢绕组有自感和电阻，
转动时电枢中又有感应电势， 称电枢反电势，因此 电枢等效电路。
三、电压平衡方程式
Ua =LaddIta +RaIa+Ea
动态电压平衡方程式 动态： dIa/dt 0 静态： dIa/dt = 0
三、鼓形绕组
1.5 直流电动机的特性与控制方法 直流电动机的接线
1.5.1 直流电动机的基本关系式
一、电磁转矩与电枢反电势
电磁转矩 一根导线受力
一根导线的电磁转矩
F1 = I1lB
Tem1 =k1F1 = k1 I1lB
Φ = k2 B, I1 = k3Ia Tem1=k4ΦIa 各导线转矩相加可得 直流电机的电磁转矩为