1、1 直流电机结构、主要部件的作用以及工作原理（分电动机和发电机状态）直流电机的结构可分为静止和转动两部分，静止部分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）。直流电机定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和转轴等。直流发电机的部件功能 1、主磁极 主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。2、换向极 也称附加极，用于改善直流电机的换向性能。换向极由换向极铁芯和换向极绕组组成。3、机座 直流电机的机座用来固定主极、换向极、端盖等，并借助底脚将电机固定在基础上。 4、电枢铁芯
2、电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，是主磁路的一部分。5、电枢绕组 电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换的关键部件。6、换向器 换向器是直流电机特有的关键部件，将电枢绕组内部的交流电势转换成电刷间的直流电势。7、电刷装置 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。8、气隙 定、转子之间的气隙是主磁路一部分，其大小直接影响运行性能。由直流电动机的优点： 1 调速范围广，易于平滑调节 2 过载、启动、制动转矩大 3 易于控制，可靠性高 4 调速时的能量损耗较小 缺点: 换向困难，容量受到限制，不能做的很大。 应用 : 轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。 直流发电机用作电解
3、、电镀、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。直流电机的工作原理 直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用
4、于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。直流电机在作发电机运行时，有以下几个特点： （1）在每个电枢线圈内流动的电流 ia 为交流，同时产生的感应电势 e 亦为交流。 （2 ）电刷间为直流电势，而元件内的感应电动势 e 和电流 ia 的方向相同。 （3）由电枢电流所产生的磁场在空间上也是固定不变的。 （4 ）n 与电磁转矩em 反方向，电磁转矩em 起制动作用。 直流发电机的额定值2 直流电机电枢反应对称负载时，电枢磁动势对主
5、极磁场基波产生的影响，这种现象称为电枢反应。当电枢绕组中没有电流通过时，由磁极所形成的磁场称为主磁场，近似按正弦规律分布。当电枢绕组中有电流通过时，绕组本身产生一个磁场，称为电枢磁场。电枢磁场对主磁场的作用将使主磁场发生畸变,产生电枢反应;(1)纯电阻性负载时的电枢反应电枢磁场的电动势与电流相位相同，电枢磁场使主磁场发生畸变，一半加强，一半削弱；（2 ）纯电感性负载时的电枢反应（3 ）纯电容性负载时的电枢反应电枢反应对直流电机的工作影响很大，使磁极半边的磁场加强；另半边的磁场减弱，负载越大，电枢反应引起的磁场畸变越强烈，其结果将破坏电枢绕组元件的正常换向，易引起火花，使电机工作条件恶化。同时电
6、枢反应将使极靴尖处磁通密集，造成换向片间的最大电压过高，也易引起火花甚至造成电机环火。削弱电枢反应影响的方法: 加装附加磁极以便使畸变的磁通得以补偿。对大型电机，在主磁极的顶部加装补偿绕组可使磁通分布畸变得以修正3 直流电机的感应电势和电磁转矩的计算直流电机的感应电动势、电磁转矩、电压方程、转矩方程和电磁功率1、电枢绕组的感应电动势：电枢绕组的感应电动势（Ea）是指正负电刷之间的感应电动势，即，每条支路中各串联线圈边感应电动势的代数和。根据电磁感应定律，任意一条线圈边感应电动势幅值的大小，取决于线圈边所在的磁场的大小和线圈边相对于磁场的转速 n。由此可以感性的推得电枢绕组的感应电动势的公式为：
7、Ea=Cen，式中 Ce 成为直流电机的电动势常数2、电枢绕组的电磁转矩：当电枢绕组中通有电流时，载流绕组线圈边将与气隙磁场相互作用，产生电磁转矩 T。电磁转矩 T 的大小和电枢电流 I 及气隙磁场 的乘积成正比：T=CTIa，式中 CT成为直流电机的转矩常数3、直流电机的电压方程：U=Ea+RaI ，式中 Ra 为电枢回路的总电阻，包括电枢绕组电阻和电刷的接触电阻对于直流电动机，UEa，电流为正；对于直流发电机，EaU，电流为负。4、转矩方程：（1）直流发电机的转矩方程：T1=T0+Te；其中 T1 为原动机的驱动转矩，T0 为电机本身的机械阻力转矩。这里的电磁转矩 Te 是一个与转向相反的
8、制动转矩。（2）直流电动机的转矩方程：Te=T0+T2；其中 T2 为电动机轴上的负载转矩。这里的转矩 Te 是一个驱动转矩。5、电磁转矩：负载运行时，电枢绕组的感应电动势 Ea 和电枢电流 Ia 的乘积，称为电磁功率，用Pe 表示：Pe=EaIa考虑到转子的机械角速度 =2n/60( 的单位为 rad/s，n 的单位为 r/min)，不难证明下面等式：Pe=EaIa=Te对于电动机，EaIa 为电枢中的感应电动势所吸收的电功率，Te 为电动机的电磁转矩对机械负载所作的机械功率。由于能量守恒，两者相等。对于发电机，Te 为原动机为克服电磁转矩而输入电机的机械功率，EaIa 为电枢发出的电功率。
9、两者也相等。滇西功率就是能量转换过程中电能转换为机械能或者相反转换的转换功率。转换功率的大小与励磁电流的大小（即耦合场的强弱）有关。 4 直流电机的励磁方式他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励或自激直流电机，一般直接称作励磁方式为永磁。并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机的励
10、磁电流就是电枢电流。复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 5 直流发电机的外特性（他励和并励） 他励和并励直流发电机的外特性形状差不多，但并励发电机的外特性较他励发电机软一点，当负载增大时，并励发电机电压下降比他励发电机电压下降厉害；这是因为他励发电机端电压的下降仅与电枢回路电阻和电枢反应的附加去磁作用有关；而并励发电机除上面二个因素外，还会因端电压的下降，励磁电流也会减小，磁通减小，使端电压进一步下降，所以并励发电机外特性更软。6 并励直流发电机自励的条件1）电机必须有剩磁。2）
11、励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确3）励磁回路总电阻小于该转速下的临界电阻。并励直流发电机可利用其本身的剩磁建立起稳定的电压，该过程称为自励过程。自动建立稳定电压的两个必要条件为：主磁极必须有剩磁；励磁电流产生的磁通方向必须与剩磁方向一致，因此电机旋转应与机盖上的方向标志相同。同时励磁回路的总电阻不可太大，应小于临界电阻。如果并励发电机电压不能建立，首先看发电机旋转方向是否正确，其次检查有无剩磁电压，最后检查励磁回路是否断开、励磁回路的电阻是否正常。发电机的励磁系统有两大类：自励和他励自励或叫并励是指励磁机的功率由电机输出端取出，就是从定子出线处取；他励有两种形式：永磁励磁和辅助励磁（AREP）
12、。励磁 功率有主定子之外的装置提供。例如永磁励磁会在同一轴上再装一个永磁励磁发电机。7 直流测速电机直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。 电磁式 定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。目前，我国生产的 CD 系列直流测速发电机为电磁式。 2永磁式 表示符号如图 3-2（b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用矫顽力较高的永磁材料。目前，我国生产的 CY 系列直
13、流测速发电机为永磁式。永磁式直流测速发电机按其应用场合不同，可分为普通速度型和低速型。前者的工作转速一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以上；而后者一般在每分钟几百转以下，最低可达每分钟一转以下。由于低速测速发电机能和低速力矩电动机直接耦合，省去了中间笨重的齿轮传动装置，消除了由于齿轮间隙带来的误差，提高了系统的精度和刚度，因而在国防、科研和工业生产等各种精密自动化技术中得到了广泛应用交流测速发电机可分为同步测速发电机和异步测速发电机两大类。 同步测速发电机又分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。由于同步测速发电机感应电动势的频率随转速变化，致使负载阻抗和电机本身的阻抗均随转速而变化，所以
14、在自动控制系统中较少采用。故本书不作进一步的介绍。 异步测速发电机按其结构可分为鼠笼转子和空心杯转子两种。它的结构与交流伺服电动机相同。鼠笼转子异步测速发电机输出斜率大，但线性度差，相位误差大，剩余电压高，一般只用在精度要求不高的控制系统中。空心杯转子异步测速发电机的精度较高，转子转动惯量也小，性能稳定。目前，我国生产的这种测速发电机的型号为 CK。8 他励直流电动机的机械特性（固有机械特性和人为机械特性机械特性：在一定的电压和励磁电流下，转速 n 和电磁转矩 M 之间的关系。注意：不同励磁方式的电机，机械特性不同。 1、固有机械特性指 的机械特性，此时因为 Ra 小，故为硬特性 2、人为机械
15、特性：通过改变电机的参数所获得的机械特性。有三种： a）电枢串电阻 b）改变电枢电压c）减弱励磁9 串励直流电机的机械特性特点：1、转矩很大时，转速快速下降（特性软）；2、转矩很小时，转速会达到很危险的高值，所以串励电动机不允许空载启动和运行；3、同样的起动电流时，串励电机能产生更大的起动转矩；4、负载过大时，转速自动下降，输出功率变化不大，不致因过载而损坏；负载减轻时，转速自动上升。因此，电力机车、电车等牵引机械大都采用串励电动机拖动。10 负载的机械特性定义：负载转矩与转速之间的关系。由负载性质决定。负载机械特性有三种：1）恒转矩负载2）恒功率负载3）泵与风机类负载11 直流伺服电动机自流
16、伺服电动机的功率小且可以由永久磁铁励磁，是他励式直流电动机。1、工作原理：有励磁的情况下，控制信号存在，则电动机转动，控制信号消失，电动机停转。2、控制方式：1 ）电枢控制2）励磁控制时aNRU, TCRUnNeaNe2直流电机的调速电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。调速方式：恒转矩调速:负载转矩不随转速变化而保持恒定。包括：电枢串电阻调速、降压调速恒功率调速：调速过程中负载功率不变。包括：弱磁调速调速方式与负载类型的配合：1、恒转距性质的调速方法应用于恒转距负载；2、恒功率的
17、负载应采用恒功率的调速方法；3、风机类负载三种调速方法都不适合，但采用电枢串电阻调速、降压调速比弱磁调速适合一些。调速方法的性质必须与负载性质相匹配。如果不匹配，就会造成投资或运费用的浪费。直流电机的启动特点1、起动过程：直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程。2、起动的特点：电流很大，易造成线路电压瞬间降低，对其他设备产生影响。3、对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小；（3）起动设备要简单、经济、可靠。4、起动常用方法（1）他励直流电机直接起动：将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。（2）电枢回路串变阻器起动将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将
18、起动电阻切除。 直流电机制动的概念：从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能负载下降速度的一种运行过程。他励直流电动机的制动措施主要有三种：1、能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。2、反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。3、回馈制动：将由机械能转化的电能回馈给电网。的制动异步电机主要分为：1、鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式异步电动机2、绕线式异步电动机：通过转子绕组外串电阻改善电机性能3、各种控制用电动机按照定子绕组相数：1、单相异步电动机2、两相异步电动机3、三相异步电动机 异步电机的结构定子：1、定子铁心 导磁部分。定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕
19、组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用 0.5mm 或 0.35mm 厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内 产生磁场。定子绕组是异步电动机的电路部分，运行中产生磁场。三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成 Y 形或形。3，机座转子：1、转子铁心：转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转
20、子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。定子三相绕组构成原则1、均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等；2、对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开 120 电角度。如槽距角为 ，则相邻两相错开的槽数为 120/。3、电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在 N 极下，另一个应在 S 极下。异步电动机磁场，旋转磁场结论：1.三相对称电流通入三相对称绕组产生旋转磁场2、磁场转向永远是由带有超前电流的相转向带有滞后电流的相 改变转向的方法：调换接在电源上的任意两根线（
21、改变相序）即可.3.旋转磁场的转速与电源频率成正比，与磁极对数成反比：n=60f/p 此转速成为同步转速。 异步电动机工作原理1、三相电流通入三相绕组后，在电机内部产生一个转速为 n1 的旋转磁场；2、转子导体在旋转磁场中被磁力线切割产生感应电势 e=Blv;3、转子自成闭合回路，所以在内部产生感应电流，从而在磁场中受安培力 f=Bil;4、可以判断，该力作用于转子产生电磁转矩，该转矩与磁场旋转方向同向，驱动转子旋转。异步电机的认为机械特性降低定子端电压时的人为机械特性1）同步转速 不变2）最大转矩与 成正比，临界转差率 不变3）起动转矩与 成正比 2.绕线式异步电机转子回路串对称三相电阻时的
22、人为机械特性特点：1、同步转速不变2、临界转差率随电阻的增加而增加，最大电磁转矩不变3、临界转差率小于 1 时，起动转矩随电阻的增加而增加，临界转差率大于 1 时，起动转矩随电阻的增加而减小。三相异步电机的启动起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.电动机起动特点：起动电流大，启动转矩不大。起动电流较大有什么影响呢？1、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。2 对于变压器而言，若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，从而一方面影响起动转矩，一方面也影响其它用电
23、设备。对电动机的起动性能要求：起动电流小,起动转矩大降低起动电流的方法有：降低电源电压；加大定子边电抗或电阻；加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过份，否则起动转矩反而可能减小三相鼠笼型异步电动机的降压起动 1. 定子串接电抗器或电阻的降压起动方法：起动时，电抗器或电阻接入定子电路；起动后，切除电抗器或电阻，进入正常运行。特点：1）定子绕组实际所加电压降低，从而减小起动电流，但同时也减小了起动转矩。2）串电阻起动时，能耗较大，实际应用不多。 三相绕线式异步电机转子绕组串电阻起动 起动方法：起动时，在转子电路串接起动电阻器，借以提高起动转矩，同时因转子电阻增大也限
24、制了起动电流；起动结束，切除转子所串电阻。特点：1、在整个起动过程中产生的转矩都是比较大的，适合于容量较大的设备，重载起动的情况；2、所需起动设备较多，起动时有一部分能量消耗在起动电阻上；3、注意：转子三相绕组所接电阻并非越大越好。可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1） 改变定子极对数 调速，称为变极调速（2）改变电源频率 调速，称为变频调速。（3）改变转差率 ，其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串电阻调速等。 变频调速机械特性特点机械特性特点：1)同步速度 n1 与频率 f1 成正比；2)最大转矩随频率降低而减小；3) 特性斜率不变(与固有机械特性平行) 。机械特性较硬。 4)
25、调速范围宽。5)由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好.6) 近似为常数，近似恒磁通控制，近似恒转矩调速。变频调速特点总结：1、机械特性硬，调速范围广，可实现无级调速。2、基频以下调速为恒转矩调速方式；基频以上调速为恒功率调速方式3、控制精度高，调速性能好三相异步电动机的调速改变转差率1. 改变定子电压调速 2、绕线式电机转子串电阻调速交流伺服电动机伺服电动机又称执行电动机，它能把接收的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能。可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。伺服电动机的特点：(1) 宽广的调速范围，机械特性和调节特性
26、均为线性。(2) 快速响应性能好，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。(3) 灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。(4) 无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行停转。工作原理二、椭圆形旋转磁场的分析 分解法1、脉动磁场的分解脉动磁场可以看做是椭圆形旋转磁场的椭圆度大到极端的情况。通过分解法可以把一个脉动磁场分解为两个赋值相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁场的叠加结果。控制方法参与合成的每一条机械特性曲线：特点：临界转差率大于 1。原因：交流伺服电动机转子电
27、阻都很大，导致临界转差率大于 1优点：调速范围宽，可消除“自转”。调节特性：当转矩一定时，控制电压与转速之间的关系。（在机械特性曲线中，平行 n 轴做多条直线（M=C），将直线与曲线交点坐标在调节特性曲线坐标系中标出并连成线既得调节特性曲线（3)控制信号为 0 时的机械特性和“自转” 现象自转：伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。显然,我们需要的是当控制信号为零时, 转子的转速也为零, 此时，只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目的。使电机制动到停止，从而消除“自转”增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的 Sm+1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电
28、磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，2、相位控制通过改变 Uk 与 Uj 之间的相位差来控制电机的转速和转向，幅值保持不变。3、幅相控制幅值-相位控制是指对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机的转速。单相异步电动机基本工作原理 单相异步电动机单绕组通电后产生的脉振磁场，可以分解为正、反向旋转的两个旋转磁场。因此，电动机的电磁转矩是由两个旋转磁场产生的电磁转矩的合成。 由于两磁场对称，所以合成转矩必过原点，且机械特性曲线关于原点对称。 机械特性具有下列特点： (1)
29、当转子转动时， n=0， T+ =T ， T=0，表明单相异步电动机一相绕组通电时无起动转矩，不能自行起动。 (2) 旋转方向不固定时，由外力矩确定旋转方向，并一经起动，就会继续旋转。当 n0 ， T0 时机械特性在第一象限，电磁转矩属拖动转矩，电动机正转运行。当 n0 ， T0 时机械特性在第二象限， T 仍是拖动转矩，电动机反转运行。启动方法单相异步电动机不能自行起动，必须设法使其起动。因为两相绕组通以相位不同的电流产生旋转磁场可以起动电机所以，单相电机起动方法：设法产生旋转磁场。根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩极电动机。分相式单相异步电动机起动的必要条件为：(1) 定子
30、具有空间不同相位的两套绕组；(2) 两套绕组中通入不同相位的交流电流。单相分相式异步电动机按起动方法分为以下几类：1) 单相电阻分相起动异步电动机单相电阻分相起动异步电动机的定子上嵌放两个绕组。两个绕组接在同一单相电源上，副绕组(辅助绕组 )中串一个离心开关。开关作用是当转速上升到80%的同步转速时，断开副绕组使电动机运行在只有主绕组工作的情况下。2. 单相罩极式(磁通分相式) 异步电动机单相罩极式异步电动机的结构有凸极式和隐极式两种，其中以凸极式结构最为常见。凸极式异步电动机定子做成凸极铁心，然后在凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，在每个磁极 1/31/4 处开一个小槽，槽中嵌放短路环，将小部分铁心罩住。转子均采用笼型结构。罩极式异步电动机当定子绕组通入正弦交流电后，将产生交变磁通 ，其中一部分磁通 U 不穿过短路环，另一部分磁通 V 穿过短路环，由于短路环作用，当穿过短路环的磁通发生变化时，短路环必然产生感应电动势和感应电流，感应电流总是阻碍磁通变化，这就使穿过短路环部分的磁通 V 滞后未罩部分的磁通 U ，使磁场中心线发生移动。于是，电动机内部产生了一个移动的磁场或扫描磁场，将其看成是椭圆度很大的旋转磁场，在该磁场作用下，电动机将产生一个电磁转矩，使电动机旋转。
