电机拖动课程教案

西安交通工程学院

教案

学年第一学期

学院（部）

课程名称电机拖动基础

专业、年级、班级

主讲教师

课程类型理论课0实验课口习题课口实践课口其它口

授课题目电机拖动认知授课章节绪论；第一章电机概述

授课顺序绪论；电机概述学时数2

教学目的及要求：

教学1.掌握电力拖沏系统的基本组成和电机特点；

目的2.了解电机与拖动基础的课程性质、课程地位，了解该课程的主要学习内容；

及要3.了解电机的定义与分类；

求4.掌握直流电机的工作原理；

5.了解直流电机的主要结构及功能；

教学重点：电力拖动系统组成；直流电机的工作原理；直流电机的结构

教学难点：直流电机的结构及功能。

教学

重点

及难

点

教学教学方式：理论讲解、多媒体、生产案例

方法教学于段；多媒体

及手

段

课堂设计（教学内容、过程、方法、图标等）时间分配

1.师生相互介绍。10分钟

2.绪论概述：电机在生产单位的用途；电力拖动；电机分类；该课程的

课程地位、学习方法、考核方法。40分钟

3.直流电机的工作原理、结构40分钟

作业1.电力系统的组成？

及思2.电机的作用？电机的主要结构？

考题

《电机与控制》、《电机与变压器》等相关资料

参考

资料

课后

小结

授课内容一、《电机拖动》绪论

1、电机及电力拖动系统概述

1）、电机

《电机与拖动基础》是把电机学和电力拖动基础两门课程rr机结合而成的一

门课程。

电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能

量转换的机械装置。

电能转换为机械能主要由电动机完成。电动机拖动生产机械运转的方式称为

电力拖动。

由于电动机的效率高、种类和规格多、具有各种良好的特性，电力拖动易

于操作和控制，可以实现自动控制和远距离控制，因此，电力拖动广泛应用于国

民经济各领域。例如各种机床、轧制生产线、电力机车、风机、水泵、电动工具

乃至家用电器等，数不胜数。

为了能建立一个感性认识，对电机进行简单的分类如下:

电机的分类

从能量转换的角度分从旋转与否的角度分从电能的性质分

控

发

电

变

制旋转电机

压

电

动静止电机

电

器

机

机（发电机

机（变压器）

电动机）

本课程主要研究电机拖动系统的基本理论问题，分析研究直流电机、变压

器、异步电动机和同步电动机的简单结构、原理、基本电磁关系和运行特性；并

初步联系生产实际，从生产机械工作的要求出发，重点介绍交直流拖动系统的动

静态运行特性，为学习自动控制系统等后续专业课打下坚实基础。因此，课程既

具有较强的基础性，又带有专业性。

2、电力拖动

电力拖动系统组成：由电源、电动机、传动机构、负载和自动控制装置等部

分组成，见图1.1。电源提供电动机和控制系统所需的电能；电动机完成电能向

机械能的转换；传动机构用于传递动力，并实现运转方式和运转速度的转换，以

满足不同负载的要求；自动控制装置则控制电动机拖动负载按照设定的工作方式

运行，完成规定的生产任务。

------------电源

自动控制装置——电动机一传动机构一负载

图L1电力拖动系统的组成

2、电机发展

电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启动、

制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有

各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和

信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电

气自动化的基础。

3、本课程的性质、任务和内容

《电机与拖动基础》是电气自动化技术专业的一门专业基础课。它的主要任

务是使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构与工作原理,

电力拖动系统的运行性能、分析计算，电机容量选择及试验方法等，为学习《工

厂电气控制设备》、《自动控制原理》、《交直洸调速系统》等课程准备必要的

基础知识。

《电机与拖动基础》课程学完后学生应达到下列要求：

1.掌握常用交、直流电机及变压器的基本理论（电磁关系、能量关系）。

2.掌握控制电机的工作原理、主要性能及用途。

3.掌握分析电动视机械特性及各种运转状态的基本理论。

4.掌握电力拖动系统中电动机调速方法的基本原理和技术经济指标。

5.掌握选择电动机的原则和方法。

6.掌握电机的基本试验方法及技能，并具有熟练的运算能力。

7.了解电机与电力拖动今后的发展方向。

4、课程目标

《电机与拖动基础》课程在于通过电机的理论、应用、电气控制方法、电气

控制系统的构成和设计方法的学习，让学生成为一名电机及控制技术方面的应用

型技术人才。

5、本课程的特点及学习方法

一、特点：本课程的特点是理论性强、实践性也强。分析电机与电力拖动的工

作原理要用电学、磁学和动力学的基础理论，既要有时间概念，又要有空间概念，

所以理论性较强；而用理论分析各种电机和电力拖动的实际问题时，必须结合电

机的具体结构、采用工程观点和工程分析方法，除要掌握基本理论以外，还应注

意培养实验操作技能和计算能力，所以实践性也较强。因此，学习本门课程应该

特别注意理论联系实际。

二、学习时应注意以下几点

1、抓主略次

2、掌握基本概念、基本原理和主要特性

3、对比学习，找共性和特点

4、理论联系实际，实验和下厂实习结合

5、带着问题学（预习每节相关的思考题）

二、第一章直流电机

§1.1直流电机的结构与工作原理

一、直流电机的主要结构

直流电机是由静止的定子部分和转动的转子部分构成的，定、转子之间有一

定大小的间隙（以后称为气隙）。

1一换向器；2—电刷装置；3一机座；4一主磁极；5一换向极；6一端盖;

7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心

1.定子部分：直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。

（1）主磁极又称主极。在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。

（2）换向极容量在Ikw以上的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极。

换向极又称附加极或间极，其作用为了改善直流电机的换向。

（3）机座一般直流电机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起

两方面的作用：一方面起导磁的作用，一方面起机械支撑的作用。

（4）电刷装置电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。

2、转子部分：直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和

风扇等组成。

（1）电枢铁心电枢铁心作用有二，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是

嵌放电枢绕组。

（2）电枢绕组它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势

以实现机电能量转换。

（3）换向器在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷

端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组

内的交变电流。

二、直流电机的基本工作原理

1.直流发电机的工作原理

直流发电机的模型与直流电动机相同，

不同的是电刷上不外加直流电压，而是利

用原动机拖动电枢朝某一方向例如逆时针

方向旋转，如图所示。这时导体ab和cd

分别切割N极和S极卜•的磁力线，产生感

应电动势，电动势的方向用右手定则确定。在图示情况下，导体必中电动势的

方向由〃指向小导体cd中电动势的方向由d指向C,所以电刷A为正极性，

电刷B为负极性。电枢旋转180。时，导体〃转至N极下，感应电动势的方向由

c指向d,电刷A与cd所连换向片接触，仍为正极性；导体外转至S极下，感

应电动势的方向变为。指向A电刷B与c必所连换向片接触，仍为负极性。可

见，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷

的作用，在电刷A和B两端输出的电动势是方向不变的直流电动势。这种作用

称为整流作用。若在电刷A和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木工作原理。

同时应该注意到，带上负载以后，电枢导体成为载流导体，导体中的电流方

向与电势方向相同，利用左手定则，还可以判断出由电磁力产生的电磁转矩方向

与运动方向相反，起制动作用。

根据上述原理分析，可以看出直流发电机有如下特点：

1、直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；

2、利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直流输出；

3、直流电动机导体中的电流与运动电势方向相同。

4、电磁转矩起制动作用。

从以上分析可以看出：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可

以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。

2.直流电动机的工作原理

图1.1是一台最简单的直流电动机的模型，N和S是一对固定的磁极（一

般是电磁铁，也可以是永久磁铁）。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称

为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abed,线圈的两端

分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为

换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B,线圈abed

通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体称为电

枢。

此模型作为直流电动机运行时，将直流电源加于电刷A和B,例如将电源

正极加于电刷A,电源负极加于电刷B,则线圈abed中流过电流。在导体出?中，

电流由。流向从在导体cd中，电流由。流向d。载流导体必和cd均处于N和

S极之间的磁场当中，受到电磁力的作用。电磁力的方向用左手定则确定，可知

这一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个

电枢逆时针方向旋转。当电枢旋转180。，导体cd转到N极下，c力转到S极下,

如图1.1S）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c,而

ah中的电流由b流向从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方

向仍是逆时针方向。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，变为

电枢线圈中的交变电流，这种将直流电流变为交变电流的作用称之为逆变。由于

电枢线圈所处的磁极也是同时交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不

变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

同时可以看到，一旦电枢旋转，电枢导体就会切割磁力线，产生运动电势。

在图1.1⑷所示时刻，可以判断出向导体中的运动电势由〃指向而此时的导

体电流由a指向/?,因此直流电动机导体中的电流和电势方向相反。

图1.1直流电动机的基本工作原理

根据上述原理，可以看出直流电动机有如下特点：

(1)直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；

(2)电磁转矩起驱动作用；

(3)利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交

变电流；

(4)直流电动机导体中的电流与运动电势方向相反。

3、

课程类型理论课口实验课口习题课口实践课口其它口

§1.2.2-1.2.3直流电机额

授课题目直流电机的额定值和电枢绕组授课章节

定值和枢绕组

授课顺序直流电机的电枢绕组概念；结构及术语学时数2

教学目的：

教学1.掌握直流电机的额定值；

目的2.掌握直流电机的结构专业术语；

及要3.掌握绕组的展开图画法；

求4.熟悉电枢绕组的展开图的分析；

教学重点：额定值；电枢单层绕组结构尺寸术语；展开图的画法。

教学教学难点：电枢单层绕组展开图画法及分析。

重点

及难点

教学方法教学方式：理论讲授和图形分析.

及手段教学手段：多媒体和实物。

课堂设计（教学内容、过程、方法、图标等）时间分配

1.直流电机的额定值20分钟

2.直流电枢绕组的作用与结构

3.直流电机单层绕组结构尺寸术语35分钟

4.电枢单层绕组展开图的画法与分析35分钟

作业

及思

考题

参考

资料

课后

小结

授课内容§1.2.2直流电机的额定值

型号为Z2-51的直流电机是一台机座号为5、电枢铁心为短铁心的第2次改

型设计的直流电机。机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有1-9个机

座号，机座号数越大，直径越大。枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种，1表示

短铁心，2表示长铁心。

铭牌数据

（1）额定功率为（.）；

（2）额定电压4①；

（3）额定电流〃（/）；

（4）额定转速.

（5）励磁方式和额定励磁电流1加（冷。

直流发电机的额定功率应为

露1

直流电动机的额定功率为%~UN1N

电动机轴上输出的额定转矩为

=至=9559

QrnN

§1.3直流电机的电枢绕组

电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢

绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。电枢绕组是由许多个形状完全

一样的单匝元件（当然也可以是多匝元件）以一定规律排列和联接起来的，用S

表示元件数。

单叠绕组

1.绕组节距

所谓节距，是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的

元件边数或虚槽数或换向片数来表示。元件的上层边用实线表示，卜.层边用虚线

表示。

（1）第一节距

同一元件的两个元件边在电枢周围上所跨的距离，用电枢表面相隔的槽数来

表示，称为第一节距X。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距T,当用槽

数表示时，极距的表达式为

式中，P为磁极对数。

为使每个元件的感应电动势最大，第一节距yi应尽量等于一个极距T,但l

不一定是整数，而y必须是整数，为此，一般取第一节距

J,=三±£=整数

2P

式中，£为小于1的分数。

y二「的元件为整距元件，绕组称为整距绕组；的元件称为短距元件，

绕组称为短距绕组；,的元件称为长距元件，其电磁效果与的元件相

近，但端接部分较长，耗铜多，一般不用。

（2）第二节距

第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上

的距离，用槽数表示，称为第二节距y2。

（3）合成节距

直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为合成

节距y。

（4）换向器节距

每个元件的首、末两端所接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换

向片数表示，称为换向器节距yu由下图可见，换向器节距欢与合成节距y总

是相等的，即

yk=y

IllI|15|1||7|8||15|

k-----——一T

（a）单叠绕组（b）单波绕组

2.单叠绕组的联接方法和特点

下面通过一个实例来说明。

设一台直流发电机2P=4,Z=S=K=）6,联接成单叠右行绕组。

（1）计算各节距

第一节距月

合成节距）'和换向器节距外

）=4二1

第二节距为

>2=）；_）'=3

（2）绘制绕组展开图如下图所示。

所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿的中间切开，并展开成平面

的联接图。作图步骤如下。

第一步，先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长

等距的虚线，代表各槽下层元件边。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和

一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。

第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7J4个磁极均匀放置

在电枢槽之上，并标上N、S极性。假定N极的磁力线进入纸面，S极的磁力

线从纸面穿出。

第三步，画16个小方块代表换向片，并标上号码，为了作图方便，使换向

片宽度等于槽与槽之间的距离。为了能联出形状对称的元件，换向片的编号应与

槽的编号有一定对应关系（由第一节距外来考虑）。

第四步，联绕组。为了便于联接，将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时

把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相联接的换向片号码编得

一样，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相联接。这样当1号元

件的上层边放在1号橹（实线）并与1号换向片相联后，因为）'=4,则1号元件

的下层边应放在第5号槽（i+x=5）的下层（虚线）；因=）7=1,所以1

号元件的末端应联接在2号换向片上（1+X=2）。一般应使元件左右对称，这

样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。然后将2号元

件的上层边放入2号槽的上层（l+y=2）,下层边放在6号槽的下层

（2+y=6）,2号元件的上层边联在2号换向片上，下层边联在3号换向片上。

按此规律排列与联接下去，一直把16个元件都联起来为止。

校核第2节距：第1元件放在第5槽的下层边与放在第2槽第2元件的上层边，

它们之间满足为二3的关系。其他元件也如此。

第五步，确定每个元件边里导体感应电动势的方向。图3.13中，所考虑的

是发电机，箭头表示电枢旋转方向，即自右向左运动，根据右手定则就可判定各

元件边的感应电动势的方向，即在N极下的导体电动势是向下，在S极下是向

上的。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该

处气隙磁密为零，所以不感应电动势。

第六步，放电刷。在直流电机里，电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数

一样多。对本例来说，就是四组电刷A、4、4、当，它们均匀地放在换向器

表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度等于每一个换每个电刷的宽度等于每一个

换向片的宽度。放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，

或被电刷所短路的元件中感应电动势最小，这两个要求实际上是一致的。在图

1.3里，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线，

就能满足上述要求。图1.2中，被电刷所短路的元件正好是1、5、9、13,这几

个元件中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是，

被电刷所短路的元件，水远都是处于两个主磁极之间的地方，当然感应电动势为

零。

（3）绕组元件联接顺序图

上层元件边123456789101112131415161

闭合

下层元件边VWWVWVWWW

5'6'7'8'9'10'12'13'14*15'16'1'2‘3'4'

（4）绕组电路图

Bj

23455

----A----A.....—

6

876

--►--►--一

J0111213L

13

A--AA14F

161514TB2

+-6

总结：对电枢绕组中的单叠绕组，有以下特点：

（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极

对数,a=P。

（2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线

时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。

（3）电刷杆数等于极数。

课程类型理论课⑦实验课口习题课口实践课口其它口

§1.4直流电机励磁方式

直流电机的励磁方式和直流电动机的运

§1.6.1运行关系§1.6.2并

行关系与工作特性电枢电动势和换向

授课题目授课章节

励直流电动机的工作特性

授课顺序直流电机的电枢电动势、电磁转矩和换向学时数2

教学目的：

1.掌握直流电动机励磁方式；

2.掌握直流电动机的工作特性；

3.了解直流电动机的运行关系式。

教学

目的

及要

求

教学重点：电枢电动势和电磁转矩的理论分析、直流电机的换向方法。

教学难点：电枢电动势和电磁转矩的理论分析。

教学

重点

及难

点

教学方式：理论讲授和图形分析。

教学手段：多媒体和实物，理论结合.

教学

方法

及手

段

课堂设计（教学内容、过程、方法、图标等）时间分配

1.直流电动机的励磁方式；直流电动机的运行关系式45分钟

2.并励式直流电动机的工作特性。45分钟

作业

及思

考题

参考

资料

课后

小结

授课内容§1.5直流电机电枢电动势和电磁转矩

一、直流电机电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电

枢绕组一条并联支路的电动势。电枢绕组元件边内的导体切割气隙合成磁场，产

生感应电动势，由于气隙磁通密度（尤其是负载时气隙合成磁通密度）在一个极

下的分布不均匀，为分析推导方便起见，可把磁通密度看成均匀分布的，取一个

极下气隙磁通密度的平均值为Bav,从而可得一根导体在一个极距范围内切割气

隙磁通密度产生的电动势的平均值的、,，其表达式为

4八，=

式中，Bav为一个极下气隙磁通密度的平均值，称为平均气隙磁通密度；/为电枢

导体的有效长度（槽内部分）；。为电枢表面的线速度。

设电枢绕组总的导体数为N,则每一条并联支路总的串联导体数为—为，

因

而电枢绕组的感应电动势

%=4N2P①〃=PN①〃=C

“2a,2a6060。'

二、电枢绕组的电磁转矩

电枢绕组中流过电枢电流L时，元件的导体中流过支路电流L,成为载流导

体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图3.21

所示。一根导体所受电磁力的大小为

如果仍把气隙合成磁场看成是均匀的，气隙磁通密度用平均值Bav表示，则每根

导体所受电磁力的平均值为

f（lx=纥”

一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为

・于《

式中，D为电枢外径。

由于不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向不同，所以电枢所有导体产生

的电磁转矩方向都是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的

平均值Tav：乘以电枢绕组总的导体数N,即

=NBJi—=N&lSlEL=地0i=0①/

T=NT°a

V2TI2a27t2加

电枢电动势Ea=C①〃和电磁转矩T=①是直流电机两个重要的公式。

对于同一台直流电机，电动势常数Ce和转短常数CT之间具有确定的关系

Q=^Ce=9.55Ce

271a

§1.9直流电机的换向

一、直流电机的换向

直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷短

路后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程称为换向过程，简称换

向。

产生换向火花的原因有多种，最主要的是电磁原因。还有机械方面和化学方

面的原因。

1.机械原因

产生换向火花的机械原因有很多，主要是换向器偏心、换向片间云母绝缘凸

出、转子平衡不良、电刷在刷握中松动、电刷压力过大或过小、电刷与换向器的

接触面研磨得不好因而接触不良等等。为使电机能正常工作，应经常进行检查、

维护和保养。

2.化学原因

电机运行时，由于空气中氧气、水蒸气以及电流通过时热和电化学的综合作

用，在换向器表面形成一层氧化亚铜薄膜，这层薄膜有较高的电阻值，能有效地

限制换向元件中的附加换向电流有利于换向。同时薄膜吸附的潮气和石墨粉

能起润滑作用，使电刷与换向器之间保持良好而稳定的接触。电机运行时，由于

电刷的摩擦作用，氧化亚铜薄膜经常遭到破坏。但是在正常使用环境中，新的氧

化亚铜薄膜乂能不断形成，对换向不会有影响。如果周围环境氧气稀薄、空气干

燥或者电刷压力过大时，氧化亚铜薄膜难以生成，或者周围环境中存在化学腐蚀

性气体能破坏氧化亚铜薄膜，都将使换向困难，火花变大。

二、改善换向的方法

改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。产生火花的原因是多方面

的，其中最主要的是电磁原因。消除或削弱电磁原因引起的电磁性火花的方法有：

1.适用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻

2.装设换向极

3.装补偿绕组

课程类型理论课口实验课口习题课口实践课口其它口

直流发电机、直流电动机的运行方程式

§直流发电机

授课题目和运行特性授课章节

§直流电动机

授课顺序直流发电机；直流电动机学时数2

教学目的：

1.7解直流发电机运行方程式；

2.掌握他励式直流发电机的运行特性；

3.了解直流电动机运行方程式；

4.掌握他励式直流电动机的运行特性；

教学

目的

及要

求

教学重点：直流发电机、直流电动机的运行方程。

教学难点：直流发电机、直流电动机的运行特性分析。

教学

重点

及难

点

教学方式：理论讲授和图形分析。

教学手段：多媒体和实物，理论结合。

教学

方法

及手

段

课堂设计（教学内容、过程、方法、图标等）时间分配

1.直流发电机运行分析。45分钟

2.直流电动机运行分析。45分钟

作业

及思

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参考

资料

课后

小结

一、直流电动机稳态运行的基本关系式

下图为并励直流电动机的示意图。接通直流电源时，励磁绕组中流过励磁电

流建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流/。，一方面形成电枢磁动势工，通

过电枢反应使主磁场变为气隙合成磁场，另•方面使电枢元件导体中流过支路电

流口，与磁场作用产生电磁转矩T,使电枢朝T的方向以转速n旋转。电枢旋转

时，电枢导体又切割气隙合成磁场，产生电枢电动势E*在电动机中，此电动

势的方向与电枢电流。的方向相反，称为反电动势。当电动机稳态运行时，有如

下平衡关系，分别用方程式表示。

1.电压平衡方程式

根据图中用电动机惯例所设各量的正方向，可以列出电压平衡方程式和电流

平衡方程式

U=Ea+R(ll]

'=J式中，(为电枢回路电阻，其中包括电刷和换向器之间

的接触电阻。

此式表明，直流电机在电动机运行状态下的电枢电动势区总小于端电压U。

2.转矩平衡方程式

稳态运行时，作用在电动机轴上的转矩有三个。一个是电磁转矩T,方向与

转速n相同，为拖动转矩；一个是电动机空载损耗转矩”，是电动机空载运行

时的阻转矩，方向总与转速n相反，为制动转矩；还有一个是轴上所带生产机械

的负载转矩与,即电动机轴上的输出转矩，一般亦为制动转矩。稳态运行时的

转矩平衡关系式为拖动转矩等于总的制动转矩，即

T=T2+T.

3.功率平衡方程式

电动机输入功率E为

P、=UI=Ud)=(E.+RJ”户U1f

=EJa+RJ；+U1,=PM+pcuu+pcuf

式中，P'=UI；PM=EaIa为电磁功率；Pcua=RJ：,是电枢回路的铜损耗;

Ps=3八为励磁绕组的铜损耗。

电磁功率

nL,pN..pNz2加2E

P,=E/——=711

时f““60。“2加”60

式中，O=2m/60,日动机的机械角速度，单位是md/s。

从上式中PM可知，电磁功率具有电功率性质；从可知，电磁功

率又具有机械功率性质，其实质是因为电磁功率是属于电动机由电能转换为机械

能的那一部分功率。

将转矩平衡方程式两边乘以机械角速度。，得

ra=7；Q+7；)Q

可写成

一,=:+〃()=-+Pm+Pfe+Ps

式中，尸2=72^,轴上输出的机械功率：线="C,空载损耗，包括机械损耗巴M和铁

损耗尸员o

可以作出并励直流电动机的功率流程图，如下图(a)所示。图中七”为励磁绕

组的铜损耗，称为励磁损耗。并励时，由输入功率匕供给；他励时，由

其他直流源供给，功率流程图如图(b)所示。

并励直流电动机的功率平衡方程式

Pl=Pl+P(：uf+PCua+P?e+PmGC=P2+XP

式中，2八尸州+尸痴+%+尸.为并励直流电动机的总损耗。

/=&PM=EJ/TCPfQ

(a)并励直流电动机(b)他励直流电动机

直流电动机功率流程图

二、并励直流电动机的工作特性

并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压U2,励磁电流

电枢回路不串外加电阻时，转速n、电磁转矩T、效率n分别与电枢

电流,“之间的关系。

1,转速特性〃=/（1.

当u=UN、，/=/.（①=①N）时，转速n与电枢电流之间的关系〃=/（力称

为转速特性。

将电动势公式纥二C①〃代入电压平衡方程式U二旦+R3,可得转速特

性公式

UN_R-

如果忽略电枢反应的影响，①=^N保持不变，则（增加时，转速n下降。但因

力一般很小，所以转速n下降不多，〃=/（4）为一条稍稍向下倾斜的直线，如

图中的曲线1所示。如果考虑负载较重，4,较大时电枢反应去磁作用的影响，

理随着的增大，①将减小，因而使转速特性出现上翘现象，如图中的虚线所

ZJ^O

2,转矩特性7="/。）

当〃=小@=%，）时.，电磁转矩T与电枢电流/”之间的关系

T=/（/“）称为转矩特性。

由T=g①可知，不考虑电枢反应影响时，①二^N不变，T与/。成正比，

转矩特性为过原点的直线。如果考虑电枢反应的去磁作用，则当/〃增大时，转矩

特性略为向下弯曲，如图中的曲线2所示。

3.效率特性〃=八1。）

当^:^八^二^^①二①"^上效率口与电枢电流乙的关系4二八/尸称

为效率特性。

并励直流电动机的效率

n=-^-xlOO%=1-^-^xlOO%=\-Pf<+Pmec+PcuaxlOO%

4\4/uU（〃+。）」

分析：铁损耗产…是电机旋转时电枢铁心切割气隙磁场而引起的涡

流损耗与磁滞损耗之和，其大小决定于气隙磁通密度与转速；机械损

耗尸…包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗，其大小主要决定于转

速；励磁绕组的铜损耗%当U=UN,。不变，也不变。

由此可看出，以上三种损耗都不随电枢电流变化，亦即不随负载变化

的，通常将这三种损耗之和称为不变损耗。电枢回路的铜损耗

心〃=4/:与电枢电流的平方成正比，亦即随负载的变化明显变化，故

称为可变损耗。

当电枢电流,“开始由零增大时，可变损耗增加缓慢，总损耗变化小，效率n

明显上升；当忽略式分母中的‘/（'/〈〈,，）时，可以由d〃/打。二°求得当/，，增大

到电动机的不变损耗等于可变损耗，即

产与+P,nec+Patf=R/Z

时，电动机的效率达到最高；,“再进一步增大时，可变损耗在总损耗中所占的比

例变大了，可变损耗和总损耗都将明显上升，使效率“反而略为下降。并励直流

电动机的效率特性如图中的曲线3所示，一般电动机在负载为额定值的75%左

右时效率最高。

二、他励直流发电机的运行特性

直流发电机运行时，有4个主要物理量，即电枢端电压U、励磁电流0、

负载电流I（他励时"J）和转速n。其中转速n由原动机确定，一般保持为额

定值不变。因此，运行特性就是U、I，、。三个物理量保持其中一个不变时，

另外两个物理量之间的关系。显然，运行特性应有三个。

1.空载特性

〃=〃。，0=°时，端电压/与励磁电流。之间的关系称为空载特

性。

空载时，他励发电机的端电压％=6冲〃，片常数时，/”①，所以空

载特性/=/