电机与拖动技术项目化教程 课件 孙方霞 项目4-6 同步电机的结构与工作原理-特种电机的应用

同步电机的结构与工作原理Thestructureandworkingprincipleofsynchronousmotors同步电机的铭牌NamePlateofsynchronousmotorcontents目录同步电机的基本结构Basicstructureofsynchronousmotor同步电机的工作原理Theworkingprincipleofsynchronousmotors一、同步电机的基本结构基本结构包括：定子、转子、气隙。定子铁芯机座

电枢绕组

定子(电枢)磁极

转轴

励磁绕组

转

子旋转磁极式同步电机的转子有凸极和隐极两种结构形式二、同步电机的基本结构汽轮发电机：一、同步电机的基本结构定子铁心：硅钢片叠制而成

国产200MW汽轮发电机定子铁心机座：钢板焊接而成，有足够的强度和钢度。二、同步电机的基本结构汽轮发电机：一、同步电机的基本结构电枢绕组：三相对称绕组，由铜线制成。汽轮发电机定子绕组端部结构照片冷却水软管冷却水汇流管二、同步电机的基本结构汽轮发电机：一、同步电机的基本结构转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成励磁绕组：铜线制成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组二、同步电机的基本结构同步发电机同步电动机同步调相机额定容量发电机出线端的额定视在功率（KVA）转轴上输出的有效机械功率（KW）调相机出线端输出的无功功率（KVar）额定功率发电机输出的额定有功功率（KW）二、同步电机的铭牌同步电机的额定值（名牌值）由以下几种：1.

额定容量SN

或额定功率

PN

2.

额定电压UN是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压3.

额定电流IN是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流7.

额定励磁电压和额定励磁电流是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直

流电压和电流。

6.

额定转速

和额定频率

是指同步电机额定运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流

与电压的工作频率（Hz）。5.

额定效率

是指额定运行时的效率。4.

额定功率因数是指同步电机在额定运行时的功率因数二、同步电机的基本结构二、

同步电机的铭牌同步发电机额定值之间关系为：同步电动机额定值之间关系为：同步电机的物理模型三、

同步电机的工作原理同步发电机的基本工作原理一、同步电机的原理1、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等2、转子上：If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极3、原动机n逆时针恒速旋转定子上导体切割磁力线产生E1、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等，通入三相交流电，形成旋转磁场2、转子上：If,在转子上形成N、S极3、转子磁极在旋转磁场的作用下，产生旋转力矩同步电动机的基本工作原理三、

同步电机的工作原理一、同步电机的原理U2U1W2V1W1V2发电机的物理过程三、

同步电机的工作原理一、同步电机的原理U2U1W2V1W1V2电动机的物理过程SN三、

同步电机的工作原理同步电机大多用在大型发电机的场合。而异步电机则几乎全用在电动机场合。同步电机可以通过励磁灵活调节输入侧的电压和电流相位，即功率因数；异步电机的功率因数不可调，一般在0.75-0.85之间，因此在一些大的工厂，异步电机应用较多时，可附加一台同步电机做调相机用，用来调节工厂与电网接口处的功率因数。同步电机造价高，维护工作量大，现在一般都采用电容补偿功率因数。

另外，一些早期采用晶闸管的变频器，由于器件没有自关断能力，需要依靠负载换流，这时需要用到同步电机。一、同步电机的原理三、

同步电机的工作原理一、同步电机的原理同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般做成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。三、

同步电机的工作原理谢谢！同步电动机V形曲线及功率因数调节V-shapecurveandpowerfactoradjustmentofsynchronousmotor同步电动机功率因数的调节Regulationofpowerfactorofsynchronousmotorcontents目录同步补偿机Synchronouscompensator同步电动机的V形曲线V-shapecurveofsynchronousmotor四、同步电机V形曲线及功率因数调节

同步电动机的U形曲线是指当电源电压和电源的频率均为额定值时，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If

时定子电流Is的相应变化。一、同步电动机的V形曲线

对每条V形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数。把这些点连起来，称为线。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率情况下，输出功率增大的同时，必须相应地增加一些励磁电流。这样，线可作为分界线，在线的左边是欠励区，右边是过励区。当同步电动机带一定负载时，若减小励磁电流If，电动势E0、电磁功率Pem减小。当Pem减小到一定程度，电动机就失去同步，如上一页图中虚线所示的不稳定区。从这个角度来看，同步电动机最好也不运行于欠励状态。四、同步电机V形曲线及功率因数调节一、同步电动机的V形曲线四、同步电机V形曲线及功率因数调节当同步电动机接在交流电源上，可以认为电源的电压Us以及频率f1都保持不变。另外，假设同步电动机拖动的负载转矩也保持不变，那么仅改变同步电动机的励磁电流If，就能调节同步电动机的功率因数。下面以隐极同步电动机为例进行分析。这说明当同步电动机只改变励磁电流If时，电动势E0的大小及相位也要跟着改变，以满足上式的关系。

二、同步电动机功率因数的调节四、同步电机V形曲线及功率因数调节当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不变，所以同步电动机的输出功率不变。在忽略电机中的各种损耗的情况下，同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动机定子绕组中电流的有功分量保持不变。

因此，可画出隐极同步电动机在三种不同励磁电流时的相量图，如图所示。在电压Us

不变的条件下，必有二、同步电动机功率因数的调节当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数，这点是三相异步电动机所不具备的。

当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态，不要让它运行在欠励状态。四、同步电机V形曲线及功率因数调节二、同步电动机功率因数的调节过励：欠励：二、同步电动机功率因数的调节ABCD正励：当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数，这点是三相异步电动机所不具备的。

当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。

1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。三、同步补偿机根据同步电动机功率因数可调这种特性专门设计一种同步电动机，使它在运行时不拖动任何机械负载，只是从电网吸收电感性或电容性无功功率，这种同步电机称为同步补偿机又叫调相机。特点：谢谢！同步电动机的功率与转矩ThePowerandtorqueofSynchronousMotors同步电动机电动势平衡方程Thecreationofarotatingmagneticfieldcontents目录同步电动机的功角特性Electromotiveforcebalanceequationofsynchronousmotor同步电动机的转矩Torqueofsynchronousmotor同步电动机功率平衡方程Powerbalanceequationofsynchronousmotor

输入电功率P1电磁功率PM输出机械功率P2定子铜损

定子铁损机械损耗

功率平衡方程：一、同步电动机的功率平衡方程功率流程图

二、同步电动机的电动势平衡方程同步电机主磁场：转子通以直流电产生磁场称之为主磁场。定子绕组中产生的感应电动势，称之为同步感抗电动势：则，电枢电路中的电压平衡方程可以写成电枢电流可以分成两个分量，直轴分量与交轴分量。二、同步电动机的电动势平衡方程因此，得出同步电动机的电压方程为画出相应的同步电机向量图

二、同步电动机的电动势平衡方程三、同步电机的功率思考：同步电机的机械特性是什么？对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻Rs

时，同步电动机的电磁功率为由凸极同步电动机的相量图，，于是三、同步动机的功角特性三、同步电机的功率此外，根据相量图可得考虑以上这些关系，得三、同步电动机的功角特性（10-20）励磁电磁功率1凸极电磁功率2思考：反映的是电机的哪个具体角度？三、同步电机的功率三、同步电机的功角特性相量分析1.正常励磁2.过励磁3.欠励磁三、同步电机的功角特性三、同步电机的功率

上式所示凸极同步电动机的电磁功率Pem中，第一项与励磁电流If

的大小有关，称为励磁电磁功率。第二项与励磁电流If

的大小无关，是由参数引起的，这部分功率只有凸极同步电动机才有，而对隐极同步电动机则不存在，所以该电磁功率称为凸极电磁功率。第一项励磁电磁功率是主要的，第二项凸极电磁功率比第一项小得多。

曲线3是总的电磁功率Pem与θ

角的关系曲线，可见与Pem最大值所对应的θ角小于90º。三、同步电机的功角特性为了结构上的简单，在某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组，因此转子就不能产生磁场，感应电势，此时电动机的电磁功率并不为零，仍有

有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的凸极同步电动机也能旋转。三、同步电机的功率三、同步电机的功角特性同步电机的转矩根据功率与转矩的关系，同样可以导出电磁转矩及转矩平衡方程。与异步电动机一样，电磁转矩Te等于电磁功率Pem与电机角速度ω之比，但对于同步电动机，其转速即为同步转速，因此将电磁功率的表达式代入上式得到的电磁转矩为三、同步电机的功率三、同步电机的功角特性若是隐极式同步电动机，因Xd=Xq

，功角特性和矩角特性的表达式为功角特性表达式与矩角特性表达式之间仅相差一个常数ω1

，所以功角特性曲线也可视为矩角特性曲线。三、同步电机的功率四、同步电机的转矩角特性同步电动机的转矩平衡方程式中T0——负载转矩。思考：同步电机如何适应负载转矩的变化？三、同步电机的功率四、同步电机的转矩稳定运行问题

下面以隐极同步电动机为例来讨论同步电动机的稳定运行问题。由图可见，当电动机拖动负载运行在

=0

～90

的范围内，电动机能够稳定运行；当电动机拖动负载运行在

=90

～180

的范围内，电动机不能够稳定运行。

三、同步电机的功率四、同步电机的转矩如果与异步电动机一样，将最大电磁转矩Tem与额定电磁转矩TN之比，称为过载倍数，用

表示。可见，为了满足过载限制的要求，隐极同步电动机额定运行时，。对于凸极同步电动机，额定运行时的功率角还要小些。三、同步电机的功率四、同步电机的转矩同步电机的起动WorkingprincipleofDCmotor同步电机辅助电机起动法SynchronousMotorAuxiliaryMotorstartingmethodcontents目录同步电机变频起动法VVariablefrequencystartingmethodofsynchronousmotor同步电机异步起动法Asynchronousstartingmethodofsynchronousmotor一、同步电机异步起动法U1U2

W2V1W1V2起动绕组：电机的主极极靴上设有起动绕组，相当于感应电机的鼠笼绕组。笼型起动绕组五、同步电机的启动一、同步电机异步起动法

起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，转子借助起动绕组起动，转速接近同步转速时，把定子绕组接到三相交流电网，由旋转磁场牵入同步。自耦变压器＋－异步起动时的线路图起动运行

选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网。五、同步电机的启动二、同步电机辅助电机起动法＋－辅助电机起动时的线路图三、同步电机变频起动法起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低。缓慢提高变频器的输出频率，直到额定频率。

切除变频器。＋－变频起动时的线路图

变频器谢谢！同步发电机的基本特性Basiccharacteristicsofsynchronousgenerator发电机的电枢反应Armaturereactionofgeneratorcontents目录同步发电机的外特性Externalcharacteristicsofsynchronousgenerator发电机的空载特性No-loadcharacteristicofgenerator同步发电机的调节特性Regulatingcharacteristicsofsynchronousgenerator一、发电机的空载特性定义：

空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。二、发电机的电枢反应电枢反应:发电机带上负载后，电枢磁动势在气隙中使气隙磁通的大

小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应。电枢反应的性质，取决于电枢磁动势和励磁磁动势之间的相对位置，即与空载电动势

和电枢电流之间的夹角有关。二、发电机的电枢反应

时的电枢反应d轴q轴U轴U1U2

W2V1W1V2NSW轴V轴电枢反应性质：交轴电枢反应空载电动势和电枢电流同相位.

时的电枢反应空载电动势超前电枢电流电枢反应性质：直轴去磁电枢反应d轴q轴U轴U1U2

W2V1W1V2NSW轴V轴二、发电机的电枢反应二、发电机的电枢反应d轴q轴U轴U1U2

W2V1W1V2NSW轴V轴

时的电枢反应空载电动势滞后电枢电流

电枢反应性质：直轴助磁电枢反应（1）对于纯阻性负载，电枢电流地主磁通同相位，电枢反应为交轴电枢反应。（2）对于纯感性负载，电枢电流滞后于主磁通90°其电枢反应为去磁效应。（3）对于纯容性负载，电枢电流超前于主磁通90°，其电枢反应为增磁效应。

通常情况下，发电机的负载多为电感性负载，即电枢电流落后于空载电动势一个角度，电枢反应的结果既有交磁效应，又有去磁效应，且功率因数越低，去磁效应越严重。二、发电机的电枢反应结论：不同功率因数时同步发电机的外特性三、发电机的外特性定义：不同功率因数时同步发电机的调整特性三、发电机的调节特性定义：谢谢！直流电机的结构与工作原理ThestructureandworkingprincipleofDCmotors直流电机都由哪些主要部件构成呢？1、直流电机的结构一、定子部分

电磁方面--产生磁场，构成磁路 机械方面---整个电机的支撑1、主磁极2、换向磁极3、机座4、电刷与端盖作用组成NS············NS极掌极身励磁绕组机座转子励磁式直流电机的磁极主磁极作用：建立主磁场（1）主磁极永磁式励磁式

主磁极结构极身极掌励磁铁芯励磁绕组（2）换向磁极容量在1kw以上的直流电机，一般在相邻两主磁极中间要装上换向磁极。作用：改善直流电机的换向。换向极绕组换向极铁芯（3）机座机座是电机的支架，由铸钢或厚钢板制成。用来安装主磁极和换向磁极等部件，既有机械支撑作用，又是主磁路的一部分。（4）端盖与电刷装置电刷装置是把直流电引入/引出的装置，固定在电机的后端盖中。电刷刷握电刷弹簧压板铜丝辫二、转子部分（电枢）1、电枢铁芯2、电枢绕组3、换向器4、转轴与风扇作用：用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。组成风扇（1）电枢铁芯（2）电枢绕组通常用涂有绝缘漆的0.5mm厚的硅钢片叠压而成——减小电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗。电枢绕组中产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。电枢铁芯表面均匀开槽电枢铁芯冲片绕组嵌放在电枢铁芯槽内，并与换向器相连后端接部分首端接部分下层元件边上层元件边电枢铁芯作为主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。每个线圈有两个出线端。（3）换向器☆关键部件。作用——与电刷配合，起“整流”或者“逆变”作用发电机：把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势，向外部输出直流电压；电动机：把外界供给的直流电流转变为电枢绕组中的交变电流，使电机旋转。与电枢绕组相连，表面压有电刷，与外电路直流电相通。三、气隙气隙大小对电机的运行性能有很大影响，小容量电机中气隙约1-3mm，大容量电机中气隙可达10-12mm。空气隙转子电枢定子磁极直流电机的基本结构

小结直流电机定子主磁极换向磁极机座电刷与端盖转子电枢铁芯电枢绕组换向器转轴与风扇2、直流电机的用途应用场合：可用作直流电动机以及同步发电机的励磁直流电源以及化学工业中电镀、电解等设备的直流电源。直流电动机优点：

①调速范围广，易于平滑调速；

②起动、制动、过载转矩大；

③易于控制，可靠性较高。应用场合：多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械等。直流发电机3、直流电机的分类励磁方式永磁式励磁式他励直流电动机并励直流电动机串励直流电动机复励直流电动机他励自励直流电机主磁场产生的方式1）他励电动机：电枢绕组和励磁绕组分别由两个直流电源供电串励UIa+_IfM2）并励电动机：励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。IaUM+_If+_IE并励UUfIaM+_+_If

他励电枢电压与励磁电压彼此无关复励U+_IMIa3）串励电动机：励磁绕组与电枢绕组串联后接到同一直流电源上。4）复励电动机：励磁线圈与转子电枢绕组的联接有串有并，接在同一电源上。并励绕组串励绕组4、直流电机的铭牌数据型号Z4-112/2-1励磁方式并励功率5.5KW励磁电压180V电压440V效率81.190%电流15A定额连续转速3000r/min温升80℃出品号数xxxx出厂日期2001年10月XXXX电机厂某台直流电机铭牌铭牌数据是正确选择和合理使用电机的依据。（1）、电机型号型号表明电机的系列及主要特点，根据电机型号，便可从相关手册中查出该电机的有关技术数据。例如：型号Z4-112/2-1表示什么含义呢？Z表示一般用途直流电动机。4表示设计序号。112表示机座中心高/mm.2表示极数为2.1表示铁芯长度代号。（2）、额定功率PN(KW)

表明电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。

对直流电动机而言，指轴上输出的机械功率，——为直流电动机的额定效率。是指直流电机额定运行时，输出机械功率与电源输入电功率之比。对直流发电机而言，是指电刷两端输出的电功率，（3）、额定电压

UN（V）

在额定工况下，电机出线端的平均电压。发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。（4）、额定电流表示在额定电压条件下，运行于额定功率时对应的电流。表示在额定电压、额定电流下，电机运行于额定功率时对应的转速。（5）、额定转速（6）、额定励磁电流IfN(A)：

指对应额定电压、额定电流、额定转速和额定功率时的励磁电流。（7）、额定转矩TN：

电动机轴上输出的额定转矩：大小等于输出的机械功率额定值除以转子角速度的

额定值，即式中，PN单位是KW，nN的单位是r/min，TN的单位是N·m。I<IN，欠载运行（轻载）：电机的设备容量不能充分利用，对设备及能源都是一种浪费，效率降低，不经济。I>IN，过载运行（超载）：电机过热，降低使用寿命，甚至损坏电机。I=IN，额定运行状态：

充分利用，可长期运行。☆选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。额定运行状态(额定工况)：直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样,就称为额定运行状态或额定工况。一、直流发电机的基本工作原理+–NSEE

Iaabdc负载原动机拖动电刷电枢线圈主磁极换向片5、直流电机的工作原理二、直流电动机的基本工作原理ISbNacd电刷换向片IFFTn主磁极电枢线圈–+二、直流电动机的基本工作原理IU–+SdNcabIFFTn–+U–+

直流电从两电刷之间通入电枢绕组，由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，N极导体与S极导体的电流流向始终不变，从而使电动机电枢绕组通电受力后旋转方向不变。U–+U–+F换向器作用：将外部直流电转换成线圈内部的交流电，以保持转矩方向不变。U–+TIInSbNacdF二、直流电动机的基本工作原理换向器直流电机的磁场与换向MagneticFieldandCommutationofDCMotors问题1：

直流电机的磁场是怎么产生的？问题2：空载时候的磁场与负载时候的磁场一样吗？磁场由电流产生，直流电机在负载运行时,其磁场是由电机励磁绕组电流和电枢绕组电流共同产生的,其中励磁绕组起主要作用。一、直流电机空载时的磁场空载磁场：当直流电机空载时,电枢电流可忽略不计,所以空载时的磁场由主磁极的励磁磁动势单独产生。主磁通：经过气隙，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通，是机电能量转换的桥梁。漏磁通：不经过气隙，仅与励磁绕组交链的磁通，它不参与机电能量转换。主磁通漏磁通空载磁场的磁密分布空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。礼帽形的平顶波在极靴下气隙小，气隙中各点磁密较大；在极靴范围以外，磁回路中气隙长度增加很多，磁密显著减少，至两极间的几何中性线处磁密就等于零。二、直流电机负载时的磁场电枢磁场对主磁极所建立的气隙磁场会产生影响，这种影响称为电枢反应。当电机带负载时，电枢绕组中有电流通过，产生了电枢磁场，称电枢磁通势。负载时，电机中气隙磁场是由主磁极磁通势和电枢磁通势共同建立的。电枢反应的影响：（1）使气隙磁场发生畸变（2）对主磁场起去磁作用每一磁极下，电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强。对发电机而言，电枢要进入的主磁极磁场的一端磁场被削弱，而另一端则被加强。对电动机正好相反，电枢要进入的主磁极磁场的一端磁场被加强，而另一端则被削弱。在不考虑磁路饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量，因此负载时每极下的合成磁通仍与空载相同。但在实际电机中，磁场已处于饱和状态，因为在主磁极两边磁场变化情况不同，一边是增磁的，另一边是去磁的。主极的增磁作用会使饱和程度提高，铁心磁阻增大，与不饱和时相比，实际增加的磁通要少些；主极的去磁作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，与不饱和时相比，实际减少的磁通要少些。由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通，因此负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。

小结磁场的形成主磁极磁通势电枢磁通势电枢反应直流电机的换向直流电机工作时，旋转的电枢元件从一条支路经过电刷而进入另一条支路时，该元件中的电流方向改变，这种元件中电流方向的变换称为换向。2、改善换向的方法1.装置换向磁极2.正确选择电刷3、防止环火与补偿绕组环火补偿绕组示意图补偿绕组增加了电机的成本，而且使电机变得更复杂，通常只在负载变动大的大、中型电机中采用。防止环火的最好方法是采用补偿绕组直流电机的换向小结直流电机的换向过程改善换向的方法防止环火与补偿绕组直流电机的基本方程BasicequationofDCmotor电枢电动势Ea和电磁转矩T是建立直流电机基本方程和研究运行性能的前提。体现了直流电机通过电磁感应作用实现机电能量转换。一、电枢电动势和电磁转矩1、电枢电动势直流电机转动时，电枢绕组切割磁力线而感应的电动势称为电枢电动势。电枢电动势Ea=Cen电枢电动势与每极磁通、转子转速成正比。每根导体的感应电动势

E=Blv右手定则

B∝

v∝nCe:与电机结构有关的常数，称为电动势系数

:

气隙每极磁通（Wb）n：电动机转速（r/min）性质:

发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).2、电磁转矩在直流电机中，电磁转矩由电枢电流与磁场相互作用产生的电磁力形成，每根载流导体受到的电磁力

F=Bil左手定则

B∝

F∝i电磁转矩

T=CTIaCT:与电机结构有关的另一常数，称为转矩系数

:

气隙每极磁通（Wb）Ia：电枢电流（A）电磁转矩与定子磁通

，电枢电流Ia成正比。性质:发电机——制动(与转速方向相反)；

电动机——驱动(与转速方向相同)。二、直流电机的平衡方程正方向规定：他励直流电机电路（b）电动机惯例（a）发电机惯例先规定电枢两端的端电压

U的正方向。对于发电机，Ia是输出电流，Ea与Ia同向。对于电动机，Ia是灌入电流，Ea与Ia反向。T与

n

同/反方向，根据驱动/制动性质来确定。1、电压平衡方程（1）发电机运行时（按发电机惯例）（2）电动机运行时（按电动机惯例）式中：U——外电压ra——电枢绕组电阻2△Ub—正负电枢总接触电阻压降Ra——电枢回路总电阻U=Ea+Iara+2△Ub=CeΦn+IaRa

Ea=U+Iara+2△Ub=U+IaRa（b）电动机惯例（a）发电机惯例他励直流电机电路3、功率平衡方程他励式直流电动机的输入电功率P1=IU=(Ea+Iara+2△Ub)

Ia=EaIa+Ia2ra+2△Ub

Ia=Pem+pcua+pb

（1）直流电动机功率平衡方程电磁功率电枢铜损耗，消耗在电枢电阻中，与电枢电流的平方成正比；电刷接触压降引起的损耗。Pem由电功率转换为机械功率以后，并不能全部以机械功率的形式从电机轴上输出，还要扣除以下几种损耗：铁损耗

pFe、机械损耗

pm、附加损耗

padpFepcuapbpmpadpemPem=P2+pFe+pm+pad=P2+p0+pad空载功率损耗因此，他励直流电机的功率平衡方程为：P1=P2+pFe+pm+pad+pcua+pb=P2+∑P总损耗3、功率平衡方程

（2）直流发电机功率平衡方程由转矩平衡方程式和电动势平衡方程式，将转矩平衡方程式两边同乘角速度

，即得：式中：T1——原动机输入功率P1

T0——克服空载转矩所需的空载功率p0

T——原动机克服电磁转矩所需输入的机械功率PT1=

T+T0

则：P1=P+p0若考虑附加损耗

pad，则

P=P1

-p0-

pad=P1-(pFe

+

pm

+pad)直流电机的基本方程

小结1、电枢电动势和电磁转矩2、直流电机的3个平衡方程电压平衡方程转矩平衡方程功率平衡方程直流电机的工作特性WorkingcharacteristicsofDCmotors当端电压U=UN，If=IfN时，电枢回路不外加任何电阻，电动机的转速n、电磁转矩Tem、效率η与输出功率P2之间的关系。即

n

=

f(Ia)

或

Tem=

f(Ia)

η=

f(Ia)

n=

f(P2

)Tem=

f(P2

)

η=

f(P2

)直流电动机的工作特性：一、并励电动机工作特性：并励直流电机电路图保持U=UN，If=IfN，测得工作特性曲线,η,n并励直流电机工作特性1、转速特性一、并励电动机工作特性：当U=UN，If=IfN时，n

=

f(Ia)的关系就是转速特性。U=Ea+IaRa

Ea=Cen转速特性曲线忽略电枢反应的去磁作用，n

=

f(Ia)

是一条略有下降的直线。

转速公式2、转矩特性一、并励电动机工作特性：当U=UN，If=IfN时，Tem=

f(P2

)的关系就是转矩特性。

转矩特性曲线∴Tem=

f(P2

)，即为：在T2曲线上加空载转矩T0随着P2

增大，转速n略有下降，因而T2=

f(P2

)的关系曲线不是直线，而是稍向上弯曲。3、效率特性一、并励电动机工作特性：当U=UN，If=IfN时，η=

f(Ia)的关系就是效率特性。

——称为不变损耗——称为可变损耗

可变损耗等于不变损耗时，电动机的效率最高；最高效率一般出现在0.75额定功率左右。效率特性曲线η二、串励电动机工作特性：串励直流电机电路图工作特性：保持U=UN时，n、Tem、η与P2或Ia之间的关系。串励电动机的励磁绕组与电枢串联，故I=Ia=If，并与负载大小有关。即：励磁电流的气隙磁通

将随负载的变化而变化，这是串励电动机与并励电动机最大差别之一，也使其工作特性有很大不同。当磁路不饱和时，转速特性为双曲线关系；当磁路饱和时，Φ基本不变，所以转速特性为一条略有下降的直线。1、转速特性二、串励电动机工作特性：

当Ia=If

较小时，即：代入转速公式可得：串励直流电机转速特性当负载很轻时Ia很小，磁通很小，转速n很高,所以串励电动机绝对不允许在空载或负载很小的情况下起动或运行，以防止“飞车”。同时，为防止意外，还规定串励电动机与生产机械之间不允许用皮带传动，且负载不得低于额定负载的l／4。为串励电动机轻载（）时对应的转速。串励直流电机使用注意：2、转矩特性二、串励电动机工作特性：

串励电机适用于：负载转矩在较大范围内变化、要求启动转矩大、过载能力强的生产机械上。例如：起重机、电气机车等起重运输设备。3、效率特性二、串励电动机工作特性：串励电动机的效率特性与他励电动机相仿。当可变损耗等于不变损耗时，串励电动机的效率最高。效率特性曲线η直流电机的工作特性

小结2、不同励磁方式下直流电机的工作特性有何不同？,η,n并励直流电机工作特性串励直流电机工作特性1、什么是直流电机工作特性。直流电机的机械特性MechanicalcharacteristicsofDCmotors电动机的转速与机械负载转矩的关系，即n=

f(TL)。直流电动机的机械特性：机械特性表明电动机转速因外部负载变化而变化的情况。由于电动机电磁转矩T近似等于负载转矩TL，所以

n=

f(TL)

常写成

n=

f(T)。是分析电动机起动、反转、调速、制动的重要工具。一、他励直流电机他励直流电动机电路图电枢电动势Ea=CeΦn电磁转矩T=CTΦIa电枢回路电压平衡方程

U=Ea+Ia（Ra+RΩ）机械特性的一般表达式理想空载转速机械特性的斜率nn0ΔnTNT他励直流电动机机械特性1、机械特性一般表达式当电源电压U=UN,每极磁通Φ=ΦN，电枢回路不串任何电阻RΩ=0时的机械特性称为固有机械特性。一、他励直流电机2、固有机械特性理想空载转速机械特性斜率nn0ΔnTNT一、他励直流电机3、人为机械特性定义：改变固有机械特性的运行条件

U=UN,Φ=ΦN，RΩ=0时，称为人为机械特性。分为三种：（1）

电枢回路串接电阻RΩ；（2）改变电源电压U；（3）改变磁通Φ；（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性

Ra+Ri1Ra+Ri2Ri2>Ri1RaTn0TNΔn特点：（1）过一组理想空载转速点的放射形直线（2）串接电阻越大，斜率增大，机械特性的硬度越软。（3）对于相同的负载转矩，串接电阻越大，对应的运行转速越低。一、他励直流电机U=UN,Φ=ΦN（2）改变电枢端电压U时的人为机械特性

一、他励直流电机理想空载转速斜率:固定不变

1、受绝缘强度限制，电源电压只能从电动机的额定电压往下调。2、位于固有特性下方，并与固有特性平行的直线族;3、在负载转矩不变时，降低电枢电压，转速n下降，但转速降△n不变。特点：UN>

U1>

U2U1n01UNnTn00U2n02RΩ=0，Φ=ΦNU=UN，RΩ=0,在励磁回路中串入附加电阻RB，改变

；当：RB↑→

↓→n0↑

↓→Δn↑→β↓特点：1、一般他励直流电机在额定运行时已接近磁饱和，故通常是减弱磁通2、得到一组空载转速n0不同，硬度β也不同的倾斜直线。3、当负载转矩不变时，一般情况弱磁后会使转速n升高，只有在负载很重或者磁通很小时，若再减弱磁通，转速n反而会下降。（3）改变磁通

时的人为机械特性

一、他励直流电机φNφ1φ3nTφ2φN>

φ1>

φ2n0n01n020二、并励式直流电机固有机械特性：在额定电源电压UN和额定励磁电流IN时，与他励电动机相同。人为机械特性：IaUM+_If+_IERfRa并励直流电动机电路图若只改变Ra（保持电源电压U和Rf不变），则

不改变。那么人为机械特性与他励电动机串电阻机械特性相同，是一组射线。若通过改变

Rf改变磁通（保持U、Ra不变），则人为机械特性也与他励电动机弱磁机械特性一样。当改变电源电压U时（保持

Rf、Ra不变），If

也改变。当磁路未饱和时，

也与U

成正比，n0基本上保持不变，而特性曲线的斜率β在变化，故人为机械特性不是一组平行线。三、串励直流电机特点：If=Ia、当磁路为饱和时，Ф=CФ

Ia（1）固有特性是一条非线性的软特性，转速随负载增加而显著下降。（2）不允许轻载或空载运行。空载或轻载时，Ia≈0,

很小，∴n0很高，一般（5～6）nN，可能造成电机损坏。串励电机在固有特性上不允许空载或轻载运行，防止飞车。（3）过载能力强，起动性能好：在相同电流限制下，产生的转矩比他励直流电动机大很多。当负载增大时，Ia和Ф都增大，Ia稍有增大，电动机转矩就可以与电动机转矩相平衡。因此不会因负载增大而过载。Ra+RΩ1nT132RaRa+RΩ2直流电机机械特性

小结1、他励、并励、串励直流电机机械特性2、固有机械特性、人为机械特性直流电机的启动StartingofDCmotor1、直流电动机的启动条件1）要有足够的起动转矩（Tst>TL）；2）起动电流不能太大；3）起动设备简单，可靠，经济，启动时间要短（实际启动时间只有几秒至几十秒）；为使电动机的启动性能达到最佳状态，就需要电动机起动时：启动：电动机接入电源，从静止状态开始，加速到某一稳定转速的过程。直接起动（全压起动）：直流电动机的电枢直接加额定电压。起动瞬间n=0→反电动势Ea=0，电枢绕组电阻很小

→起动电流Ist很大，可能突增到额定电流的10～20倍。这样大的起动电流将产生很大的启动转矩，损坏电机绕组，换向困难等很多问题。因此：直接启动只限于容量较小的直流电机。2、直流电动机的直接启动

为了限制起动电流，同时也保证启动转矩，一般采取两种方法：电枢回路串电阻起动直接起动，致使

Ist很大，所以在起动时必须设法限制起动电流。降压起动2、直流电动机的直接启动3、电枢回路串电阻启动为限制启动电流，启动时在电枢回路串接启动电阻。他励直流电动机串电阻三级启动电路

一般起动器设计为多级，串在电枢回路的起动电阻逐级切除，进入稳态后全部切除。3、电枢回路串电阻启动他励直流电动机串电阻三级启动电路机械特性注意事项：在分级起动过程中，各级的最大电流I1及切换电流I2都应大小相等，以使起动过程有较均匀的加速度，改善电机对传动机构的冲击，选择合适的各级起动电阻。优点：设备简单，操作方便。缺点：在启动过程中能量消耗大，不适用经常启动的大、中型直流电动机。3、电枢回路串电阻启动defgTLT2T1U=UNU=U1noabcTU=U2

U1<U2<UN3214、降压启动降低电枢回路电压启动机械特性由低向高调节电枢回路电压U1<U2<UN为了获得足够大的启动转矩，Ist通常限制在（1.5~2）IN优点：起动平稳，能量损耗小。缺点：系统复杂，需要一套可调节电压的直流电源，增加设备投资。适用于：要求经常启动的场合和大中型电动机的启动。直流电机的启动

小结启动要求：

Tst、Ist直接起动：适用于小功率。电枢回路串电阻起动：适用于中小型直流电机降低电枢电压起动：经常启动的场合和大中型电动机直流电机的调速与制动SpeedregulationandbrakingofDCmotors电力拖动系统中采用的调速方法通常有三种：机械调速、电气调速、电气—机械调速。他励式直流电动机转速公式：调速方法：（1）电枢回路串电阻：调速改变串入电枢回路中的电阻；（2）弱磁调速：改变励磁电流（主磁通）；（3）减压调速：改变电枢端电压调速。直流电机的调速1.电枢回路串电阻调速1）调速原理：电枢回路电阻越大，电动机机械特性的斜率增大，与负载机械特性的交点也会改变，达到调速目的。串入电阻越大，稳态运行转速越低,机械特性曲线越陡。RaRa+R1Ra+R2Ra+R3R1<R2<R3电枢回路串电阻调速a点b点c点n1n2直流电机的调速优点：设备简单、操作简单。缺点：1、转速只能从额定值往下调，nmax=nN。

2、电阻分段串入，故属于有级调速，调速平滑性差。 3、损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通、 Ia不变，使T不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降 而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。1.电枢串电阻调速适用：要求调速性能不高的生产机械，如起重机、矿井下使用的机车等直流电机的调速

调节电枢电压U→n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。结论：负载不变时，降低电枢电压，稳态运行转速也降低。2.改变电枢电压调速由转速特性方程：直流电机的调速说明：改变电压的调速方法必须有连续可调的大功率直流电源，投资大。特点:（1）可得到平滑、无级调速（2）调速前后的机械特性平行，斜率不变，硬度不变，转速稳定性好。（3）电源内阻小，电能损耗较小，效率高。2.改变电枢电压调速适用于：调速性能要求较高的生产机械上,如轧钢机、造纸机等。直流电机的调速电动机在额定磁通下运行时,磁路已接近饱和,因此改变磁通

调速,实际上是减弱磁通。3.弱磁调速TLTn

N>

1>

2

N

1

2abcnancnb结论：一般磁通减小后，运行转速上升，机械特性变软。由转速特性方程：

减小→Ea=Cen减小→Ia增大→T>TL加速da点d点b点nanb调节磁场前工作点调节磁场后工作点直流电机的调速3.弱磁调速优点：（1）可得到平滑、无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。

（2）调节的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调速设备简单，控制方便。

（3）

经济性较好.缺点：(1）机械特性的斜率变大，特性变软； (2)转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2；降压和弱磁调速在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。n>nN弱磁调速n<nN降压调速扩大调速范围直流电机的调速直流电机的调速方法

小结（1）电枢回路串电阻（2）弱磁调速（3）减压调速直流电机的调速电动：电动机运行时其电磁转矩与转速方向一致。制动：通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的转矩以阻止系统运行，这种运行状态称为制动运行状态。制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动回馈制动概念直流电机的制动1、原理：把他励直流电机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻RB上构成闭合回路。一.能耗制动他励电动机能耗制动控制电路电枢电流为：T制动

→n↓→Ea↓→Ia↓→T制动

↓，直至n=0能耗制动时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将动能转化为电能消耗在电枢电路内的电阻上，所以称为能耗制动。直流电机的制动2、机械特性为：Ra+RB他励直流电机能耗制动机械特性n1电动机状态工作点A制动瞬间工作点B电机拖动反抗性负载，电机停转电机拖动位能性负载，稳定工作点C制动电阻RB

越小，则机械特性越平，T制动

越大，制动越快。选择制动电阻的原则是：最大制动电流一般不允许超过2IN，即：直流电机的制动能耗制动转矩的能量来自于负载传动部分的动能，因而称能耗制动。设备简单，运行可靠，且不需要从电网输入电能，只是其制动转矩随n下降而减小，低速时制动效果较差。适用于一般机械要求准确停车的场合及位能性负载的低速下放。为使电机快速停车，常与机械制动配合使用。3、能耗制动的优缺点及应用直流电机的制动二.反接制动电枢反接制动倒拉反接制动（用于位能性负载下放）电枢反接制动1、原理：将电枢电源反接，同时电枢回路串接制动电阻RB电枢电流为：电压方程为：当转速降为0时，应立即切断电源，否则电动机将进入反向启动。直流电机的制动电枢反接制动2、机械特性为：ETL电动机状态工作点A制动瞬间工作点B电机拖动反抗性负载，稳定工作点E电机拖动位能性负载，稳定工作点D在电枢反接制动过程中，制动转矩的平均值较大，制动作用强烈。常用于反抗性负载的快速停车或快速反向运行。选择制动电阻的原则是：最大电枢电流一般不允许超过2IN，即：即：当n=0，若要求准确停车，应立即切断电源，否则电动机将反向启动。直流电机的制动倒拉反接制动倒拉反接制动控制电路机械特性曲线1、这种制动方法一般发生在提升重物的情况下电动机状态，稳定提升重物制动状态，稳定下放重物电枢电流为：开始反转，进入制动状态所串电阻越大，人为机械特性曲线就越陡，最后稳定下放速度就越高。直流电机的制动2、反接制动的优缺点倒拉反接制动设备简单，运行可靠，但机械特性较软，转速稳定性差。适用于位能性负载的低速下放。倒拉反接制动2个条件位能性负载反拖串入足够大的电阻反接制动，能量损耗较大，经济性较差。不论是电枢反接还是倒拉反接，电动机都接在电源上，从电源吸收电能，同时系统的动能和位能在不断减少，减少的能量输入电动机转换为电能。这两部分电能之和都消耗在电枢回路的电阻上。直流电机的制动1、原理三.回馈制动2、实现方法也称再生制动，是指电动机处于发电机状态下运行，将发出的电能反馈回电网。<0回馈制动正向回馈制动电车下坡电机调速降低电枢电压调速增磁调速反向回馈制动直流电机的制动正向回馈制动A点B点C点n1n2D点UNnn01T0n0n1n2TLTn>n01回馈T反号制动ABCDU1降低电枢电压调速时的回馈制动BC段：回馈制动状态CD段：电动状态U1<UN直流电机的制动反向回馈制动直流电动机拖动位能性恒转矩负载，采用电枢电源反接制动时，如果电动机n=0时未切断电源，那么电动机就会反向起动，在TL和Te的拖动下,电机不断加速,使n>n0.进入反向回馈制动状态。

①BC段：反接制动减速②CD段：反向电动加速③DE段：反向回馈制动DE反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。注:只有在DE段才出现了回馈制动!直流电机的制动2、回馈制动的优缺点回馈制动运行时，电动机不但不从电源吸收功率，还有功率回馈电网。与能耗制动与反接制动相比能量损耗最少，经济性最好。实现回馈制动时必须使转速高于理想空载转速n0

，适用于高速下放重物，而不能用于停车。直流电机的制动他励直流电动机的四象限运行

减小If的人为特性减小If的人为特性1.电动状态正向固有特性反向固有特性增加Ra的人为特性增加Ra的人为特性降低Ua的人为特性降低Ua的人为特性OnT正向反向2.制动状态OnT正向回馈制动运行反向回馈制动运行能耗制动过程能耗制动运行电枢反接制动过程转速反向反接制动伺服电机Servomotor交流伺服电机ACservomotorcontents目录直流伺服电动机DCservomotor

伺服电动机又称执行电动机，它能把接受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。伺服电机实物图伺服电机实物分解图（1）宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。（2）快速响应性能好。（3）灵敏度要高。（4）

无自转现象。自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：一、直流伺服电机

实质上就是一台他励直流电动机分类：直流有刷伺服电机直流无刷伺服电机（2）盘型电枢直流伺服电机（3）空心杯直流伺服电机（4）无槽直流伺服电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护。体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大。（1）普通型直流伺服电机--分类与结构一、直流伺服电机--分类与结构

盘形电枢直流伺服电机结构图空心杯直流伺服电动机结构图

无槽直流伺服电动机结构图

一、直流伺服电机--分类与结构一、直流伺服电机直流伺服电动机的工作原理和普通直流电动机相同

电枢控制的原理图改变励磁电流控制的原理图直流伺服电动机的控制方式（1）改变电枢绕组端电压的控制（2）改变励磁电流的控制控制信号控制信号不变不变--控制方式一、直流伺服电机

（1）直流伺服电机的机械特性

--运行特性

运行特性：电枢电压

、转速

及电磁转矩

三者的关系机械特性与调节特性0.6Uk0.4Uk0.8Uk电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转由机械特性可知：1)一定负载转矩下，当磁通

不变时，

TOUkn

2)Uk=0时，电机立即停转。一、直流伺服电机--运行特性

（2）直流伺服电机的调节特性

启动电压直线斜率直流伺服电机具有较好的调节特性二、交流伺服电机--工作原理二、交流伺服电机--控制方式交流伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值-相位控制控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。2、相位控制1、幅值控制控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。