电机与拖动基础教案

学期授课计划说明

课

本已本本学期课时分配

时

课讲期本其中

余

程授教学讲实测考机小

计学学期S

划时周总授践试核动计

学学

时时

641864568考试264

教学大纲名称《电机与拖动基础》教学大纲

或版本——自编

选用教材《电机与拖动基础》

主要参考书《电机与电力拖动》（西安交通大学出

名称及版本版社）

所需实验（实习）器电动机实训装置

材及设备

实验（习）场地电机实训室

备注

绪论

0.1电机及电力拖动系统概述

一、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有机结

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。

电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。发

电机把机械能转化为电能。而电能的生产集中在火力、水力、核能和

风力发电厂进行。

为了减少输电中的能量损失，远距离输电均采用高电压形式：电

厂发出的电能经变压器升压，然后经高压输电线路送达目的地后，再

经变压器降压供给用户。

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

直

交

控

发

变

流

制

旋转电机流

压

电静止电机

电

电

（发电机电

器

机

机（变压器）

机

电动机）机

在电力拖动自动控制系统中，大量应用控制电机。控制电机是一

种在自动控制、自动调节、随动系统、远距离测量及计算装置中作为

执行元件、检测元件的小型电机。这部分内容将在另外的教材中涉及。

在工业自动化专业与电气工程及自动化专业中，电机与拖动是

一门十分重要的专业基础课或技术基础课，它在整个专业教学计划中

起着承前启后的作用，是后续课程《自动控制原理》、《电力拖动自动

控制系统》、《电力电子技术》等课程的重要基础。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。

二、电力拖动

简单的电力拖动系统由电源、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——负载

图1.1电力拖动系统的组成

0.2电气控制

电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提

出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电

机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。

同时，随着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，

是我国电工电器行业（电机）发展的重点产品。稀土永磁电机，无轴承

电机也是电机技术发展的新动向。

与此相适应，电机拖动也有了新的发展，对拖动系统又提出更高

的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速启动、制动

和逆转，实现很宽范围内的调速及整个生产过程的自动化等，这就需

要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些高要求

的拖动系统随着自动控制理论的不断发展，半导体器件和电力电子技

术的采用，以及数控技术和计算机技术的发展与采用，正在不断地完

善和提高。

综上所述，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。

0.3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》、《交直流调速系统》等课程准备必要的基础知识。

《电机与拖动基础》是分析和解决电机与电力拖动系统的基本问

题，主要包括直流电机及拖动、变压器、异步电机及拖动、同步电动

机、控制电机和电动机容量的选择等内容。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.掌握分析电动机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。

0.4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。

0.5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）

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—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6一端

盖；

7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心

L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极下的磁力线，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，导体区?口电动势的方向由6指向出导体cd中电动

势的方向由d指向6所以电刷A为正极性，电刷B为负极性。电枢

旋转180°时，导体cd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；导体筋转至S极下，感

应电动势的方向变为a指向6,电刷B与@6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本

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。将直流电源外

加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋

转，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械

能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作

发电机运行。同一台电机，既能作为电动机运行，又能作发电机运行

的原理，在电机理论中称为可逆原理。

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ab中，电流由a流向儿在导体cd中，电流由。流向

d0载流导体力和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，转到S极下，

如图1.1（。）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由

"流向c,而且力中的电流由6流向a,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1.1S）麻示时刻，可以判断出a力导体中的运动电势

由〃指向a,而此时的导体电流由w指向b,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

实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换

向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生总的电磁转矩足够大并且

比较均匀，电动机的转速也比较均匀。

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、直流电铭牌数据及主要系列

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

(2)额定电压小。

(3)额定电流

(4)额定转速^(r/min).

（5）励磁方式和额定励磁电流/他（⑷。

直流发电机的额定功率应为

%=%/k

PN=41档"

直流电动机的额定功率为

电动机轴上输出的额定转矩普9.55%为

QN打

§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，下层边用虚线表示。

(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y”一个磁极在电枢圆周上所跨的距

离称为极距工，当用槽数表示时，极距的表达式为

z

T=——

2P

式中，P为磁极对数。

为使每个元件的感应电动势最大，第一节距山应尽量等于一个极

距T,但丁不一定是整数，而十必须是整数，为此，一般取第一节距

力/土”整数

2P

式中，£为小于1的分数。

的元件为整距元件，绕组称为整距绕组；弘的元件称为

短距元件，绕组称为短距绕组；汇的元件称为长距元件，其电磁

效果与y.<£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，称为第二节距丫2。

(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yk。由下便可见，换向器节

距yk与合成节距y总是相等的，即

Yk=y

「

I

」

IIII|15|1||7|8||15|

k----——一H

(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=16,联接成单叠右行绕组。

(1)计算各节距

第一节距力

y=—±ff=—=4

12p4

合成节距丁和换向器节距

y=y=i

第二节距力

%=3-y=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0.7〜4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（由第一节距当来考

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号槽（实线）并

与1号换向片相联后，因为以二4,则1号元件的下层边应放在第5号

槽（"必=5）的下层（虚线）；因y=yK=\所以1号元件的末端

应联接在2号换向片上（1+必=2）o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（"y=2）,下层边放在6

号槽的下层（2+必=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，它们之间满足力=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、星、&、

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，永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\AAAAAAAAAAAAAAAZ

5'6'7'8'9'10'11'12'13'14'15‘16'1'2‘3'4'

(4)绕组电路图

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。

§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B.,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心，其表达式为

%，=

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）；9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N/加，因

而电枢绕组的感应电动势

Ea=—eav=△生①〃=©①〃①〃

02ag2a6060。'

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ia,

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

fx=Bxlia

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Bk表

示，则每根导体所受电磁力的平均值为

一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为

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Tz乘以电枢绕组总的导体数N,即

T=NT=NBli-=N虫/乙4型=型①/=C,①〃

(iV(wiV(luvOc_icrc/a

2it2a27C2如Q

电枢电动势吃=c6〃和电磁转矩T=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C和转短常数a之间具

有确定的关系

60a

=9.55C

2m,e

§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

又能不断形成，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

§1.8直流发电机

根据励磁方式的不同，直流发电机可分为他励直流发电机、并励

直流发电机、串励直流发电机和复励直流发电机。励磁方式不同，发

电机的特性就不同。因为本书以电力拖动为主，重点讲述电动机的

特性，因此本节只分析他励直流电动机的原理和特性。

一、直流发电机稳态运行时的基本方程式

图1.15为一台他励直流发电机的示意图。电枢旋转时，电枢绕

组切割主磁通，产生电枢电动势&,如果外电路接有负载，则产生电

枢电流按发电机惯例，乙的正方向与心相同，如图1.15所示。

1.电动势平衡方程式

根据图1.15中所示电枢回路各量正方向，用基尔霍夫电压定律,

可以列出电动势平衡方程式为

U=Ea-RaIa

上式表明，直流发电机的端电压U等于电枢电动势4减去电枢回路内

部的电阻压降所以电枢电动势6应大于端电eU。

2.转矩平衡方程式

直流发电机以转速n稳态运行时，作用在电机轴上的转矩有三

个：一个是原动机的拖动转矩Ti,方向与n相同；一个是电磁转矩T,

方向与n相反，为制动性质的转矩；还有一个由电机的机械损耗及铁

损耗引起的空载转矩T。，也是制动性质的转矩。因此，可以写出稳态

运

行时的转矩平衡方程式为

T\=T-T。

3.功率平衡方程式

将上式乘以发电机的机械角速度Q,得

可以写成

6=Bw+外

式中，尸|=*。，为原动机输给发电机的机械功

率，即输入功率；P“=m,发电机的电磁功率;

产。=74,发电机的空载损耗功率。

电磁功率

n小pN42mpN__„_

P、i=m=①/“——=d)In=EJu

M2ma6060。a

和直流电动机一样，直流发电机的电磁功率亦是既具有机械功率

的性质，又具有电功率的性质，所以是机械能转换为电能的那一部分

功率。直流发电机的空载损耗功率也是包括机械损耗尸2，和铁损耗

P及两部分。

上式表明：发电机输入功率公，其中一小部分供给空载损耗产。，

大部分为电磁功率，是由机械功率转换为电功率的。

将式电动势平衡方程式两边乘以电枢电流得

£4=(+/?/

即

心=8+Pcua

式中，鸟="〃，为发电机输出的功率；为电枢回路铜损

耗。

上式可以写成如下形式

B-^Cua

综合以上功率关系，可得功率平衡方程式

P

6=&+E)=2+已3+niec+P『e

为更清楚地表示直流发电机的功率关系，可用下图所示的功率流

程图。

他励直流发电机的功率流程图

一般情况下，直流发电机的总损耗

+^Cuf+%+Bnec

直流发电机的效率

p(YP}

77=^x100%=1一一^=—xlOO%

P,l尸2+ZPj

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。、负载电流I（他励时/=〃）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、。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

〃=〃。，。时，端电压分与励磁电流。之间的关系％=称为

空载特性。

空载时，他励发电机的端电压/=七=。Q〃，n二常数时，①，

所以空载特性/=八。）与电机的空载磁化特性中二〃。）相似，都是一

条饱和曲线。If比较小时，铁心不饱和，特性近似为直线；。较大时,

铁心随。的增大而逐步饱和，空载特性出现饱和段。一般情况下，电

机的额定电压处于空载特性曲线开始弯曲的线段上，即图中A点附

近。因为如果工作于不饱和部分，磁路导磁截面积大，用铁量多，且

较小的磁动势变化会引起电动势和端电压的明显变化，造成电压不稳

定；如果工作在太饱和部分，会使励磁电流太大，用铜量增加，同时

使电压的调节性能变差。

图1.16他励直流发电机的空载特性图1.17他励直流发电机

的外特性

2外特性

〃=〃N,。=。丫时，端电压U与负载电流I之间的关系〃=/（/）称

为外特性。

他励直流发电机的负载电流I（亦即电枢电流/，，）增大时，端电

压有所下降。从电动势方程式〃==c*〃-分析可以得知，

使端电压U下降的原因有两个：一是当增大时，电枢回路电阻上

压降增大，引起端电压下降；二是增大时，电枢磁动势增大,

电枢反应的去磁作用使每极磁通中减小，&减小，从而引起端电压U

下降。

△u是衡量发电机运行性能的一个重要数据，一般他励发电机的电压

变化率约为10%o

3.调节特性

”"N,U二常数时，励磁电流。与

负载电流I之间的关系称为

调节特性。

调节特性是随负载电流增大而

上翘的。这是因为随着负载电流的

增大，电压有下降趋，为维持电压

不变，就必须增大励磁电流，以补偿电阻压降和电枢反应去磁作用的

增加，由于电枢反应的去磁作用与负载电流的关系是非线性的，所以

调节特性也不是直线。

§1.6直流电动机

一、直流电动机稳态运行的基本关系式

图1.20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2，通过电枢反应使主磁场变为气隙合成磁场，另

一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，产生电枢电动势区，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

uU=

Oy1,-0n1

先个口式中，凡为电枢回路电阻，其中包括电刷

L一显尸—和换向器之间的接触电阻。

।-----------11后此式表明，直流电机在电动机运行状态下

)I的电枢电动势纥总小于端电压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与，

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+TO

3.功率平衡方程式

电动机输入功率[为

P\=UI=U3+。)=㈤+RJM+U1,

=EJa+RJ；+Ulf=PM+Pcua+Pcuf

式中，P]=UI,PM=E」，为电磁功率；P.=RF,是电枢回路的

铜损耗；%="，，为励磁绕组的铜损耗。

电磁功率

PM=Eala=则①〃/“二则①/"—=7H

时…60a”2如“60

式中，。=2碗/60,电动机的机械角速度，单位是忆打$。

从上式中&"旦可知，电磁功率具有电功率性质；从r“二m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C,得

TO=7^Q+7J)Q

可写成

Af=g+Po=鸟+亿”+P"+Ps

式中，尸2=4。，轴上输出的机械功率；线二〃空载损耗，包括机

械损耗产小和铁损耗七。

可以作出并励直流电动机的功率流程图，如下图(a)所示。图中七夕

为励磁绕组的铜损耗，称为励磁损耗。并励时，心疗由输入功率4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

8二02+/Vuf+Pcua+0Fe+0mec=匕+'尸

式中，工尸=%+终叩+4+尸…，为并励直流电动机的总损耗。

(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u=qv,励

磁电流乙=/小，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〃=/(，)

当八%、。=小(①=/)时，转速”与电枢电流(之间的关系

”/区)称为转速特性。

将电动势公式凡=孰①〃代入电

压平衡方程式U=E,+RJQ,可得转

速特性公式

UN_凡/

可见，如果忽略电枢反应的影响，

①二或〃保持不变，则/。增加时，转速

n下降。但因凡一般很小，所以转速n下降不多，〃=八,。)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，较

大时电枢反应去磁作用的影响，则随着/，，的增大，中将减小，因而使

转速特性出现上翘现象，如图中的虚线所示。

2.转矩特性/=/（/，）

当U=UN、①=Rv）时，电磁转矩T与电枢电流（之间的关系

7二八]“）称为转矩特性。

由T=C『①，可知，不考虑电枢反应影响时，①二①，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"=/%）

当1/二4、（①时，效率n与电枢电流/〃的关系

称为效率特性。

并励直流电动机的效率

AxlOO%=|l-^^|xioo%=「尸危X1C0%

尸I[”/0+//）

式中，铁损耗P",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

耗产女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；励磁绕组的铜损耗终”二。/,当^=”一1/不变，名也不变。

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

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

=°求得当增大到电动机的不变损耗等于可变损耗，即

Pp'e+Pmec+尸CQ=

时，电动机的效率达到最高；A，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T1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。

第六章直流电机的电力拖动

§6.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性

一、电力拖动系统运动方程

1.运动方程式

图2—1为一单轴电力拖动系统，电动机在电力拖动系统中作旋

转运动时，必须遵循下列基本的运动方程式。

图6—1单轴电力拖动系统

旋转运动的方程式为

Tem-TL=J^

at

（6—1）

式中，却为电动机产生的拖动转矩（N.m）;。为负载转矩（N.m）;

心/力为惯性转矩（或称动转矩），/为转动惯量可用下式表示

（6—2）

式中，〃2、G分别为旋转部分的质量（依）与重量（N）;p、O分别为

转动惯性半径与直径（相）；g为重力加速度，g=9.18阳/Y；，的单位为

kg-m2o

在实际计算中常用式（6—1）的另一种形式。即将角速度C=2M/60

（C的单位为md/s,〃的单位为r/min）代入式（6—1）得运动方程式

实用形式:

丁GD?dn

en,~

(6—3)

式中，G》为飞轮矩（Mm?）,GD2=4gJ;系数375是具有加速度量纲

的系数。

电动机的工作状态可由运动方程式表示出来。分析式（6-3）可

见

(1)当工「7；=0,4=0,则”常值，电力拖动系统处于稳定

at

运转状态；

(2)当&-1>0,@So,电力拖动系统处于加速过渡过程状态

at

中；

(3)当&-乙〈0,^<0,电力拖动系统处于减速过渡过程状

态中。

2.运动方程式中转矩的符号分析

(1)拖动转矩&与规定正向相同取正，相反取负；负载转矩，

与规定正向相同取负，相反取正。

(2)负载转矩兀的方向与设定的旋转正方向相同时，负载转矩

「前取负号，相反时则取正号。

二、负载转矩特性

在运动方程式中，负载转矩乙与转速〃的关系「=/(〃)称为负

载转矩特性。负载转矩。的大小和多种因素有关。以车床主轴为例，

当车床切削工件时切削速度、切削量大小、工件直径、工件材料及刀

具类型等都有密切关系。大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为三

种类型，恒转矩负载特性、恒功率负载特性和风机、泵类负载特性。

1.恒转矩负载特性

所谓恒转矩负载特性，就是指负载转矩。与负载转速〃无关的

特性，当转速变化时，转矩乙保持常值。恒转矩负载特性多数是反抗

性的，也有位能性的。

反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒值转矩乙总是与运动方向相

反。根据第六章第一节中对。正负符号的规定，当正转时〃为正，转

矩乙为反向，应取正号，即为（+乙）；而反转时〃为负，转矩。为

正向，应变为（-乙）;如图6—2所示。显然，反抗性恒转矩负载特

性应在第一与第三象限内。皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和

行走机构等由摩擦力产生转矩的机械，都是反抗性恒转矩负载。

位能性恒转矩负载特性则与反抗性恒转矩负载特性不同，它由拖

动系统中某些具有位能的部件（如起重类型负载中的重物）造成。其特

点是转矩。具有固定的方向，不随转速方向改变而改变。如图6—3

所示，不论重物被提升3为正）或下放（〃为负），负载转矩7；始终为

反方向（+，）。特性在第一与第四象限内，表示恒值特性的直线是

连续的。

负载特性

2、恒功率负载特性

一些机床，如车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时

开低速；在精加工时，切削量小，切削力小，往往开高速。在不同转

速下，负载转矩基本上与转速成反比，切削功率基本不变，即

Pi=TQ=T—=0A05Tn=K(6

IL60L

—4)

式中，K为常数；生为负载（切削）功率（卬）。

可见，负载转矩7；与转速〃呈反比，切削功率基本不变，特性曲

线呈恒功率的性质。恒功率负载特性如图6—4所示。从图中可以看

出A点所对应的阴影面积与B点所对应的相等。

3风机、泵类负载特性

风机、泵类负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方

成正比

2

TL=Kn(6

——5)

式中，K为比例常数。

风机、泵类负载特性如图6-5所示。属于通风机负载的生产机

械有通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的

阻力基本上和转速的平方成正比。

图6-5风机、泵类负载特性图6—6实际风机、泵类

负载特性

实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。

例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有

一定的摩擦转矩了。，因而实际通风机负载特性为乙二纭+2广，如图6

—6所示。

除了上述几种类型的生产机械外，还有一些生产机械具有各自的

负载特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的负载转矩。随转角

而变化；而琢磨机，碎石机等生产机械，其负载转矩则随时间作无规

律的随机变化等等。

6.2他励直流电动机的机械特性

电动机的机械特性是指电动机的转速〃与电磁转矩&之间的

关系，即〃=机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与

运动方程式相联系，是分析电动机起动、调速、制动等问题的重要工

具。

一、机械特性的一殁表达式

他励直流电动机的机械特性方程式可从电动机的基本方程式导

出。他励直流电动机的电路原理如图6-7所示。

图6—7他励直流电动机的电路原理

根据图6-7可以列出电动机的基本方程式为

感应电动势方程：EQ=C,①〃

电磁转矩：

电压平衡方程式：力"国+区

电枢总电阻：

磁通：①=/8)

.",

励磁电流：If=----

fR，

将绪和&的表达式代入电压平衡方程式中，可得机械特性方程式的

一般表达式为

n=-------&T(6-6)

G①CC①'’

在机械特性方程式(6—6)中，当电源电压勿、电枢总电阻&、磁

通中为常数时，即可画出他励直流电动机的机械特性〃=/(&),如图6

一8所示。

图6—8他励直流电动机的机械特性

由图6—8中的机械特性曲线可见，转速〃随电磁转矩的增大

而降低，是一条向下倾斜的直线。这说明：电动机加上负载，转速会

随负载的增加而降低。

下面讨论机械特性上的两个特殊点和机械特性直线的斜率。

理想空载点A(0,〃。)

在方程式(6—6)中，当(=0时，〃=5/£0=〃0称为理想空载转

速，即

由式(6—7)可见，调节电源电压力或磁通①，可以改变理想空载

转速〃。的大小。必须指出，电动机的实际空载转速々比〃。略低，如图

6—8所示。这是因为，电动机在实际的空载状态下运行时，其输出转

矩n=0,但电磁转矩〃不可能为零，必须克服空载阻力转矩”，即

勺所以实际空载转速〃。为

=----^—7(=%坛(6-8)

°CG①2°〜eg①2°

堵转点或起动点B(T“，0)

在图6—8中，机械特性直线与横轴的交点6为堵转点或起动点。

在堵转点，，=0,因而E〃=0,此时电枢电流称为堵转电流

或起动电流。与堵转电流相对应的电磁转矩心称为堵转转矩或起动转

矩。

机械特性直线的斜率

方程式(6—6)中，右边第二项表示电动机带负载后的转速降，用

加表示，则

R

△〃=*＞，”=4&(6—9)

式中，夕=方上彳为机械特性直线的斜率，在同样的理想空载转速下,

/?越小，瓯越小，即转速殖电磁转矩的变化较小，称此机械特性为硬

特性。夕越大，加