电机及电力拖动

一、电机在国民经济中的作用1．电机的分类01按能量传递及用途分类

按照能量传递及用途的不同，电机可分为发电机、电动机、变压器和控制电机。发电机可以将机械能转换为电能；电动机可以将电能转换为机械能；变压器可以将一种电能变换为不同等级的电能；控制电机作为自动控制系统的控制元件，可以完成相应的功能。02按电机的结构特点及电源性质分类

按电机的结构或转速不同，电机可分为静止变压器和旋转电机两大类。而旋转电机按照电源的不同，又分为直流电机和交流电机。交流电机因结构的不同又分为同步电机和异步电机。同步电机运行中的转速恒为同步转速，电力系统中的发电机都是同步电机；异步电机运行中的转速不为同步转速，主要用于电动机。2．电机在国民经济中的作用电机在一切工农业生产、交通运输、国防、科技、文教领域及人们日常生活中，早已成为提高生产效率和科技水平及提高生活质量的主要载体之一，因此电机在国民经济的各个领域起着重要的作用。二、电力拖动技术在国民经济中的作用1．电力拖动的特点0102030401020304方便经济效率高

调节性能好易于实现生产过程的自动化2．电力拖动的发展过程成组拖动单机拖动多机拖动1

掌握常用交、直流电机及变压器的基本理论（电磁关系、能量关系等）。2

掌握控制电机的工作原理、特性及用途。3

掌握分析电机机械特性及各种运行状态（启动、反接制动、能耗制动、回馈制动）的基本理论。4

掌握电力拖动系统中电机参数调速方法的基本原理和技术经济指标。5

掌握电力拖动机械过渡过程的基本方程式及其主要的分析方法。6

掌握选择电机的方法。7掌握电机与电力拖动系统的基本的实验方法与技能，并具有熟练的运算能力。一、直流电机的特点和用途1．直流电机的特点优点缺点调速范围广，易于平滑调速。启动、制动和过载转矩大。可靠性较高。制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高。运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。2．直流电机的用途由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源、直流电焊机电源等。二、直流电机的基本结构直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。定子、转子之间有一定的间隙，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—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁芯1．定子主磁极简称为主极，用来产生主磁通。除个别类型的小型直流电机的主磁极采用永久磁铁外，一般直流电机的主磁极都是采用电磁铁。主磁极包括主极铁芯和套在铁芯上的主极绕组（称为励磁绕组），如图所示。1—固定主极铁芯的螺钉；2—主极铁芯；3—励磁绕组换向极又称为附加极或间极，它的作用是改善换向。换向极也是由铁芯和套在上面的换向极绕组构成的，大功率直流电机和换向要求高的电机，其换向极铁芯用相互绝缘的薄钢片叠成，中小功率直流电机的换向极铁芯则用整块钢制成。换向极绕组要与电枢绕组相串联，因此通过的电流较大，一般用截面较大的矩形导线绕成，而且匝数较少，如图所示。换向极装在相邻两主磁极之间，用螺杆固定在机座上。换向极的数目一般等于主磁极的数目，在功率很小的电机中，换向极数有时只有主磁极数的一半。有的直流电机不装换向极。1—换向极铁芯；2—换向极绕组直流电机的机座有两个作用：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并借助底脚将电机固定在机座上；二是作为电机磁路的一部分。因此，机座都由导磁性能较好的材料制成，通常采用铸钢件或用钢板卷焊而成。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。对于隐极式直流电机，磁轭、主磁极和换向极用硅钢片一次冲出，这时机座仅起固定支撑的作用。电刷装置的作用是通过电刷与换向器的滑动接触，把电枢绕组中的电动势（或电流）引到外电路，或把外电路的电压、电流引入电枢绕组。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座、压力弹簧、铜丝辫等构成，如图所示。电刷的数量一般与主磁极的数量相同。电刷要有较好的导电性和耐磨性，一般用石墨粉压制而成，放置在刷握中的刷盒内，利用压力弹簧把电刷压在换向器上；刷握固定在刷杆上，借铜丝辫把电流从电刷引到刷杆上。通常，刷杆是用绝缘材料制作的，固定在刷杆座上，与刷杆座组成一个相互绝缘的整体部件。1—电刷；2—刷握；3—压力弹簧；4—刷杆座；5—刷杆2．转子电枢铁芯有两个作用：一是作为磁的通路，二是用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯和主磁场之间有相对运动，为了减少铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯一般用厚0.5mm的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，每片冲片冲有嵌放电枢绕组的槽，有的还冲有轴向通风孔。对于容量较大的电机，为了加强冷却，通常把电枢铁芯沿轴向分成数段，段与段之间留有宽10mm的通风道，整个铁芯固定在转子支架或转轴上。电枢铁芯冲片和装配好的电枢铁芯如图所示。电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流，使电机实现机电能量变换，它是直流电机的主要电路部分。电枢绕组是用带有绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成的线圈（或称元件），按一定的规律连接而成；它嵌放在电枢铁芯槽内，并与换向器做相应地连接。线圈与铁芯之间、上下层线圈之间均要妥善绝缘，如图所示。有一种无槽直流电机，其电枢绕组均匀地排列在无槽的电枢铁芯表面，用玻璃丝带绑扎，并用热固性树脂黏固成一个整体，它因转动惯量小，有良好的快速反应性能。1—槽楔；2—线圈绝缘；3—导体；4—层间绝缘；5—槽绝缘；6—槽底绝缘拱形换向器的结构如图所示，它是由多个紧压在一起的梯形铜片构成一个圆筒，片与片之间用云母绝缘，两端用“V”形钢环借助金属套筒和螺纹压圈拧紧成一个整体。“V”形钢环与换向片之间用“V”形云母环进行绝缘，换向片上刻有小槽，以便焊接电枢绕组元件的引出线。

1—“V”形套筒；2—云母环；3—换向片；4—连接片拱形换向器的结构复杂，目前小型直流电机多采用塑料换向器，如图所示，它用酚醛玻璃纤维把换向片热压成一个整体，既简化了工艺流程，又节省了材料。1—塑料套筒；2—换向片三、直流电机的工作原理1．直流发电机的工作原理如图所示为直流发电机的简化模型。图中N，S为固定不动的定子磁极，abcd是固定在可旋转的导磁圆柱体上的转子线圈，线圈的首端a、末端d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷来实现的。当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在切割磁场的线圈abcd中将产生感应电动势。两条有效边（ab，cd）导体中产生的感应电动势的大小应为：当转子线圈逆时针旋转时，如图所示，导体ab在N极下，产生的感应电动势的方向由b指向a；导体cd在S极下，产生的感应电动势的方向由c指向d，在此状态下，电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。当线圈旋转180°时，如图所示，导体ab在S极下，感应电动势的方向由a指向b；而导体cd

则在N极下，感应电动势的的方向由d指向c。此时虽然导体中感应电动势的方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片同时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。2．直流电动机的工作原理若把电刷A，B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如图所示，设线圈的ab边位于N极下，线圈的cd边位于S极下，则导体每边所受电磁力的大小为：四、直流电机的铭牌数据1．铭牌在直流电机的外壳上都有一块铭牌，如图所示。它提供了电机在正常运行时的额定数据和其他相关内容，以便用户能正确使用直流电机。2．型号直流电机的型号表示如图所示。3．额定值额定功率是指电机在额定情况下，长期运行所允许的输出功率。对发电机而言，是指输出的电功率；对电动机而言，是指轴上输出的机械功率，单位为kW。额定功率PN额定电压是指正常工作时电机出线端的电压值。对发电机而言，是指在额定运行时输出的端电压；对电动机而言，是指额定运行时的电源电压，单位为V或kV。电机额定运行时的电流值，对发电机而言，是指额定运行时供给负载额定的电流；对电动机而言，是指额定运行时从电源输入的电流，单位为A。额定电压UN额定电流IN额定转速是指电压、电流和输出功率均为额定值时转子旋转的速度，单位为r/min。额定转速nN电机的励磁方式决定了励磁绕组和电枢绕组的接线关系，有他励、并励、串励、复励等类型。额定励磁电压是指加在励磁绕组两端的额定电压，单位为V。励磁方式额定励磁电压UfN额定励磁电流是指电机额定运行时所需要的励磁电流，单位为A。额定励磁电流IfN定额是指电机在额定状态运行时能持续工作的时间和顺序。电机定额分为连续、短时和断续3种，分别用S1，S2，S3表示。电机各发热部分的温度与周围冷却介质的温度之差称为温升。温升限度是指电机在额定工作状态下运行时，各发热部分所允许的最高温升，它与电机的绝缘等级及测温的方法有关。定额（工作方式）温升绝缘等级表示电机各绝缘部分所用的绝缘材料的等级。绝缘等级一、绕组的概述1．绕组元件绕组元件是指一个由一匝或多匝导线绕制成的、两端分别与两片换向片相连的线圈，因此又称线圈，它是构成绕组的基本单元，如图所示。电枢绕组是许多分布在电枢表面槽中按一定规律相连的绕组元件的组合。（a）叠绕组

（b）波绕组

（c）混合绕组2．绕组的有效边与端线绕组元件嵌入电枢槽内能切割磁力线产生感应电动势的部分称为有效边。每个元件有两个有效边，放置于槽的上层的称为上层边，放置于另一槽下层的称为下层边。元件的槽外部分仅起连接作用的称为端线。线圈在槽内的安放示意图如图所示。1—上层边；2，5—端线；3—下层边；4—线圈尾端；6—线圈首端3．实槽和虚槽实槽是指电枢铁芯上实际存在的槽。在实际的电机结构中，电枢绕组元件数往往多于实槽数，常常在一个铁芯槽内放置几组绕组元件，通常把一个元件的上层边与另一个元件的下层边之间构成的一个虚拟凹槽称为一个虚槽，如图所示。如果一个实槽内有u个虚槽，那么，电枢铁芯的总的虚槽数Z0和实槽数Z的关系为：Z0=uZ4．元件数与虚槽数、换向片数的关系一个虚槽由一个上层边和一个下层边组成（两个有效边），而两个有效边组成一个元件，因此，虚槽数Z0与元件数S应该相等；每一个元件有两个端头，而每个换向片都要焊接两个端头，因此，元件数S与换向片数K应该相等，即：5．极距

对应于一个磁极在电枢外圆上所占的弧长称为极距，习惯上用一个磁极在电枢表面占多少个槽（即虚槽数）来计算。如果用t表示极距，p

表示磁极对数，Z0表示虚槽数，它们之间的关系为：6．绕组的节距一个元件的两个有效边在电枢表面的跨距称为第一节距y1，用虚槽数表示，如图所示。例如，某元件在电枢表面跨过4个虚槽，则其第一节距y1=

4槽。为了使元件中的感应电动势最大，第一节距应当等于极距或接近于极距。第一节距y1节距y1应当是整数，而极距

可能是带小数的。当第一节距等于极距时，称为整距绕组；当第一节距大于极距时，称为长距绕组；当第一节距小于极距时，称为短距绕组。整距和短距绕组是常用的绕组，而长距绕组由于端线较长，浪费材料，一般不用。第一节距y1与极距有如下关系：第二节距y2前一个元件下层边与后一个元件的上层边之间的距离称为第二节距y2，也用虚槽数表示。第二节距用以确定连接同一换向片的两个不同元件的有效边之间的距离。合成节距y互相串联的两个元件对应边之间的距离称为合成节距y，用虚槽数表示。换向器节距yK一个元件两个出线端所连接的换向片之间相隔的换向片数称为换向器节距yK。换向器和电枢是同芯的，在连接时一一对应，同步向前。元件有效边在电枢表面上前进的虚槽数，与元件的出线端在换向器上前进的换向片数总是相等的，所以有：yK

=

y7．绕组的形式直流电枢绕组各元件之间的连接最后是借助换向片完成的，每个元件的两个端点分别接在两个换向片上。由于相邻两元件的连接规律不同，可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及蛙形绕组（混合绕组）。其中，单叠绕组和单波绕组是最常用的。二、单叠绕组1．单叠绕组的展开图①计算绕组极距。②计算绕组节距。③列绕组元件连接顺序表。从第1号换向片出发，接第1号元件的上层边1，并将上层边1放置在第1号槽内，端线跨过1，应在第5号槽（因

）内放第1号元件的下层边5′，因为

，所以第1号元件下层边接第2号换向片。从第2号换向片出发，接第2号元件的上层边2，端线跨过

，在第6号槽内（因

）放第2号元件的下层边6′，接第3号换向片……依此前行，最后，在第4号槽放第16号元件的下层边4′，接第1号换向片，从而组成一个闭合绕组。在表中，上面一行数字表示元件的上层边所在槽号，也表示换向片号和元件号；下面一行数字则表示对应元件的下层边所在的槽号。④画绕组展开图。a．画出16个槽和16片换向片。b．每一槽用一根实线表示上层边，用一根虚线表示下层边。c．将1号元件上层边的首端接1号换向片，下层边的末端接2号换向片；同时，该元件的上层边放在1号槽的上层（用实线表示），下层边放在5号槽的下层（用虚线表示），1号元件的末端与2号元件的首端通过2号换向片连接。d．依次继续把所有对应元件置于对应的槽内，首端及末端接于对应的换向片上，绕电枢一周将全部元件边都连接起来，并通过换向片串联成一个闭合回路。⑤画磁极和电刷。各磁极在圆周上的位置必须是均匀对称的，图中表示的磁极放在绕组的上面，即N极的磁力线方向是进入纸面的。电刷的放置必须使相邻两个电刷间的电压达到最大值，电刷应放在感应电动势改变方向（即换向）的地方。在图中，电刷放置在磁极中心线上。在单叠绕组中，由于并联支路的需要，电刷对数必须等于磁极对数。电刷在换向器上是对称分布的，在展开图上也是均匀布置的。为了便于分析，图中电刷的宽度为一片换向片宽，实际上一般为2～3片换向片宽。若电刷太宽，会受到换向片厚度的限制；若电刷太窄，电流密度会太高，电刷易磨损，强度也不够。⑥确定元件感应电动势方向、电刷的极性、电枢旋转方向。如图所示，假设电机做发电机运行，根据磁极极性，用右手定则可确定元件感应电动势方向，则电流自极性相同的两个电刷A1，A2并联后流向外电路，故A是正电刷，极性相同的另两个电刷B1，B2并联后作为负电刷B。A，B电刷位置相互间隔均匀对称。2．并联支路为了较直观地反映电枢绕组中电流和电压的情况，需要把展开图变成并联支路图。由于单叠绕组在同一磁极下的元件电动势的方向是相同的，而且都串联成一路。因此，四极电机可分为四条并联支路，如图所示。为了保证每条支路的电动势最大，电刷必须固定在位于磁极轴线位置。这时，被电刷短接的元件边分别处于两相邻磁极间的中性线上，元件的电动势接近于0，容易换向。由于单叠绕组是将一个磁极下的绕组串联成一条支路，因此，有p对磁极就有a对并联支路数，即2p

=

2a。直流电机总的电枢电流Ia是每条支路电流ia的总和，即Ia

=2aia。3．均压线单叠绕组各支路的元件处在不同的磁极下工作，由于材料的不均匀性，磁路的磁阻可能不等，或者由于安装误差和运行后轴承的磨损，各磁极下的气隙也不相等，导致各磁极的磁通不一定相等，支路中的感应电动势也不相等。因为电枢内电阻很小，因此会出现相当大的环流，从而引起电枢绕组过热，并出现较强的火花。为了解决这一问题，可将电枢绕组中理论上电位相等的点（如图中的1与9换向片，2与10换向片）用铜线进行短接，这些连线称为均压线。当电位相等时，连线中没有电流流过，均压线不起作用；当电位不相等时，连线中就有电流流过，这个电流产生的磁通可以削弱由于磁场不均匀所引起的各支路电动势不等的程度，减少环流及其不良影响。三、单波绕组1．单波绕组的特点单波绕组的特点为：一个元件的上层边和下层边分别接在相隔较远的两个换相片上，同时，相串联的第一个元件的上层边与第二个元件的上层边放在相同极性的相邻磁极下面，它们在空间位置上相距约两个极距，如图所示。同时，p对磁极下的p个元件串联沿圆周向一个方向绕行一周，其末尾所连的换向片必须回到起始换向片相邻的位置上，才能保证继续绕行下去。如果回到与起始片相隔两片以上的位置，就成了复波绕组。2．并联支路如图所示为单波绕组的并联支路图。从图中可看出，单波绕组是把所有N极下的全部元件串联起来组成一条支路，又把所有S极下的全部元件串联起来组成另一条支路，最后组成一闭合回路。所以，单波绕组永远只有两条支路，而与磁极对数的多少无关，即单波绕组的支路对数a永远为1。单波绕组电枢电流Ia为支路电流ia的2倍，即Ia=2ia。四、其他绕组及其应用在大型电机中，有时采用由叠绕组和波绕组混合而成的电枢绕组，称为混合绕组。由于其绕组元件的外形很像青蛙，故又称为蛙形绕组，如图所示。蛙形绕组的主要特点为：波绕组和叠绕组之间互相起到均压线的作用，无需另接均压线，从而节省用铜。选择绕组形式时，要根据电机的容量大小进行选择，此外，还要考虑绕组的工艺和经济性等问题。各种绕组的应用范围为：容量在几十千瓦以下、电压在220V左右、普通用途的直流电机使用单波绕组；容量在几百千瓦、电压在220V左右的直流电机，采用单叠绕组或复波绕组；小容量、低电压及较大容量、电压在220V左右的直流电机，采用复叠绕组；大型直流电机采用蛙形绕组。一、直流电机的电枢反应1．直流电机的空载磁场如图所示为四极电机空载时的磁场分布图。当向励磁绕组中通入直流电流后，主磁极产生磁场，以N，S极间隔均匀地分布在定子内圆周上，此时只有励磁磁动势单独建立的空载磁场。每对磁极下的磁通所经过的路径不同，根据它们的作用可以分为主磁通和漏磁通两类。1—极靴；2—极身；3—定子磁轭；4—励磁线圈；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭如图所示为主磁场在电机中的分布情况。按照图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则来判定主磁场的方向。在电枢表面上磁感应强度为0的地方位于物理中性线m—m处，它与磁极的几何中性线n—n重合。2．直流电机的电枢磁场当直流电动机带负载运行时，电枢绕组中有电流通过产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场共同在气隙里建立合成磁场。如图所示为以电动机为例的电枢磁场。它的方向由电枢电流根据右手螺旋定则来判断。从图中可以看出，不论电枢如何转动，电枢电流的方向总是以电刷为界限来划分的。在电刷两边，N极面下的导体和S极面下的导体的电流方向始终相反，只要电刷固定不动，电枢两边的电流方向就不变，电枢磁场的方向也不变，即电枢磁场是静止不动的。根据图上的电流方向用左手定则可判定该台电动机的旋转方向为逆时针方向。3．直流电机的电枢反应电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响。如图所示为主磁场和电枢磁场合在一起而产生的合成磁场。带负载后出现的电枢磁场，对主磁场的分布有明显的影响，具体如下：①电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变。磁场畸变后，使原来的几何中性线n—n处的磁场不等于0，磁场为0的位置（即物理中性线m—m）逆旋转方向移动a角度，物理中性线与几何中性线不再重合。②电枢反应使主磁场削弱，电枢磁场使每一个磁极下的磁动势发生变化，如N极下的左半部分主磁极磁动势被削弱，右半部分的主磁极磁动势被增强。每个磁极下的合成磁通似乎仍应与空载时的主磁通F相同。但在实际工作时，电机的磁路总是工作在接近饱和的非线性区域，因此增加的磁通量小于减少的磁通量，故负载时每个磁极的合成磁通比空载时每个磁极的主磁通F小，称此为电枢反应的去磁作用。因此，负载运行时的感应电动势略小于空载运行时的感应电动势。二、直流电机的电枢电动势和电磁转矩1．直流电机的电枢电动势电枢绕组处在磁场中转动时产生的感应电动势，称为电枢电动势。电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每条支路里的感应电动势。每条支路所含的元件数是相等的，而且每条支路里的元件都是分布在同极性磁极下的不同位置上的。这样，先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘以一条支路里总的导体数，就可以得到电枢电动势。磁通F的单位为Wb，转速的单位为r/min，感应电动势的单位为V。表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，电机结构常数Ce不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。2．直流电机的电磁转矩当电枢绕组中有电枢电流流过时，通电的电枢绕组在磁场中将受到电磁力，该力与电机电枢铁芯半径之积称为电磁转矩。一根导体在磁场中所受电磁力的大小可用下式计算：当电枢电流的单位为A，磁通单位为Wb时，电磁转矩的单位为N·m。CT，Ce都是电机的结构常数，两者之间的数量关系为：由式可看出，直流电机的电磁转矩与电机结构、电枢电流和气隙磁通成正比。一、换向过程图（a）表示换向开始前该元件位于电刷左边的支路中，此时，元件中的电流大小等于绕组支路电流i，电流的方向如图中箭头所示。（a）换向前元件的位置电机继续旋转，图（b）表示电刷开始与换向片2接触，该元件经过换向片1，2被电刷短路，处于换向过程，电流的大小、方向都在变化。（b）换向中元件的位置图（c）表示电机转到电刷已经与换向片1完全脱离，仅与换向片2接触，换向已结束。此时，该元件已进入电刷右边的支路，电流方向也发生了变化，如图中箭头所示，电流的大小又变为支路电流i。（c）换向后元件的位置二、换向器的打火1．打火现象为了衡量火花的大小程度，我国电机基本技术标准规定了火花的等级，见表。对于一般的直流电机，在额定负载下运行时，火花不应大于

级。直流电机的火花等级2．打火原因自感电动势eL。在换向过程中，换向元件里电流的大小和方向迅速变化，必然会在绕组中产生自感电动势，该自感电动势的方向是阻止电流变化的，即与元件换向前的电流方向相同，是阻止换向的。换向电动势（电枢反应电势）。由于电枢反应使物理中性线相对于几何中性线移动了一个角度，因而处在几何中性线上的换向元件仍要切割磁力线产生感应电动势，称为换向电动势，又称电枢反应电势。它的方向也是与换向前的电流方向一致的，也是阻止换向的。这两个方向相同的电动势在被电刷短路的换向元件中就会产生附加电流，且储存着一定大小的磁场能量。当被短路的换向片离开电刷时，短路回路断开，在换向元件中储存的能量释放出来，于是，在电刷与换向片之间便产生火花。三、改善换向的方法1．正确安装换向极要改善换向，首先必须设法消除换向元件中的感应电动势ef和ea。在一般直流电机中，常用的方法是在电刷所在的中性面上加装换向极，换向极的磁场在换向元件中切割产生的电动势eK可以抵消感应电动势（ef+

ea

），从而达到消除火花的目的。换向极是比主磁极小的附加磁极，一般装在主磁极之间的几何中性线上。为了抵消电枢磁场的影响，应该使换向极磁场的方向和电枢磁场的方向相反。对电机而言，换向极的极性应该与顺着电枢转动方向下一个主磁极的极性相反；对发电机而言，则应相同。由于电枢磁场和换向元件的自感电动势都与电枢电流成正比，所以，换向极绕组必须与电枢绕组串联，使换向极磁场也正比于电枢电流。当电枢电流增大、电枢反应增大、自感电动势增大时，换向极磁场也增强。这样，在各种不同的负载下，eK都可以抵消感应电动势（

ef+

ea），换向极都能起到改善换向的作用。2．合理选择电刷另一种改善换向的方法是合理选择电刷，增大换向元件回路中的电阻值，减少换向附加电流。为此，有的场合要求电刷与换向器表面的接触电阻尽量大些，同时，电刷的耐磨性要好。直流电机中一般都采用电化石墨电刷；低压大电流的电机一般采用金属石墨电刷。对换向特别困难的电机可采用分裂式电刷（即一个电刷由几块组成，以增加换向回路的电阻）。一、直流电动机的种类1．他励电动机他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关，如图所示。他励2．并励电动机并励电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，励磁电压Uf等于电枢电压Ua，如图所示。并励电动机的运行性能与他励电动机相似。并励3．串励电动机串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后再接于直流电源，此时的电枢电流（即负载电流）等于励磁电流，如图所示。负载大小的变化将会影响磁通的大小。串励4．复励电动机复励电动机有并励和串励两个励磁绕组。并励绕组与电枢绕组并联后再与串励绕组串联，然后接于电源上，如图所示。复励电动机兼顾了并励电动机和串励电动机的性能。复励二、他励直流电动机的基本方程式1．电动势平衡方程式他励直流电动机在稳定运行时，加在电枢两端电压为U，电枢电流为Ia，电枢电动势为Ea，由电动机的工作原理可知，此时Ea与Ia是反向的，即Ea是反电动势，若以U，Ea，Ia的实际方向为正方向，则可列出直流电动机的电动势平衡方程式为：2．转矩平衡方程式他励电动机的电磁转矩Tem为拖动性转矩。当电动机以恒定的转速稳定运行时，电磁转矩Tem与负载转矩TL及空载转矩T0相平衡，即：3．功率平衡方程式直流电动机工作时，从电网吸收电功率P1，除去电枢回路的铜损耗

pCua、电刷接触损耗

pCub及励磁回路铜耗

pCuf后，其余部分功率转变为电枢上的电磁功率Pem。电磁功率并不能全部用来输出，它的一部分是运行时的机械损耗

、铁损耗pFe和附加损耗pad，剩下的部分才是轴上对外输出的机械功率P2：三、他励直流电动机的工作特性1．转速特性转速特性是指当

，励磁电流

，电枢回路不串联电阻时，电动机的转速

n

与输出功率P2之间的关系，即：2．转矩特性转矩特性是指当

，励磁电流

，电枢回路不串联电阻时，电动机的电磁转矩Tem与输出功率P2之间的关系，即：3．效率特性直流电动机的机械损耗

和铁损耗pFe在电动机正常运行时是基本保持不变的，即为不变损耗；铜损耗pCu则随负载的变化而变化，称为可变损耗；附加损耗pad中一部分不随负载变化，为不变损耗，另一部分随负载的变化而变化，为可变损耗。不变损耗用

表示；可变损耗与负载电流的平方成正比，主要为电枢的铜损耗，用

表示。一、并励发电机1．并励发电机电动势的建立并励发电机是指励磁绕组与电枢绕组并联的发电机，如图所示。并励发电机的励磁电流由发电机本身电枢供给，它不需要其他电源供电，因此，使用比较方便。励磁电流只占额定电流的很小一部分（约5%）。当发电机空载时，Ia

=

If；加上负载后，Ia=

IL+If。其中，Ia为电枢电流，If为励磁电流，IL为负载电流。并励发电机的主磁极要有剩磁当原动机拖动电枢旋转时，电枢绕组便切割剩磁磁通而产生一个微小的剩磁电动势，此电动势加在励磁绕组的两端，在励磁回路中产生一个微小的励磁电流，该励磁电流也将产生磁场，有可能加强原来的磁场。励磁电流产生的磁场方向必须与剩磁方向一致励磁电流产生的磁通有可能与剩磁磁场方向一致，也可能相反，这取决于励磁绕组和电枢绕组的连接是否正确，如果励磁磁通与剩磁磁通方向相反，则削弱剩磁，发电机的电压便不能建立。如果方向相同，则加强原来的磁场，就有可能使电枢绕组产生更大的电动势和更大的励磁磁场，直至建立稳定的电枢端电压为止。励磁回路的电阻必须小于临界电阻并励发电机的电动势建立还与励磁回路的电阻Rf的大小有关。如果励磁回路的电阻RL太大，增加的励磁电流很小，励磁磁场增加也很小，几乎等于0，就不能建立起稳定的电压。因此，针对励磁回路的总电阻大小，规定了一个临界电阻值，励磁回路的总电阻大于临界电阻时，并励发电机的电动势就无法建立。2．功率、转矩、电动势平衡方程式直流发电机输入的是机械功率P1，除去机械损耗

和铁损耗pFe以后，剩下的是电磁功率Pem，电磁功率Pem即是机械能转换成为电能的这部分功率，功率平衡方程式为：发电机向负载供电时，电枢绕组中的电流将产生铜损耗，在电磁功率中除去电流在绕组中产生的铜损耗pCu，余下的则是输出的电功率P2。则有：由于

，可得发电机的转矩平衡方程式：T1——原动机拖动发电机的转矩，即输入驱动转矩，单位为N·m；Tem——发电机的电磁转矩，单位为N·m；T0——发电机的空载转矩，单位为N·m。在他励发电机中输出功率P2=UIa，电磁功率

，铜耗为

，可得：将上式两边都除以Ia，可得发电机的电动势平衡方程式为：3．并励发电机的外特性并励发电机的外特性就是当发电机的转速保持额定值时，电枢端电压与负载电流之间的关系。为了保证供电，需要使发电机随着负载电流的变化，其端电压应尽量保持不变或变动较小。如图所示为并励发电机的外特性曲线。从外特性曲线可以看出，当负载电流从0逐渐增大时，发电机的输出电压逐渐减小，通常用电压变化率衡量电压的变化情况。其变化率

为：①当负载电流增大时，电枢回路的电压降IaRa增大，使输出电压减小。②电枢电流增大后，电枢反应加剧，主磁极磁场削弱，使电动势Ea减小。当电流I最大时，U=Uer处出现拐点，I开始减小。③由于上面的两个原因使端电压下降，从而造成励磁电流减小，结果使端电压再次下降。二、直流弧焊机1．直流弧焊发电机的工作原理直流弧焊发电机按其励磁方式和获得陡降外特性的去磁方法的不同，主要可分为他励加串励去磁式弧焊发电机、并励加串励去磁式弧焊发电机、裂极式弧焊发电机、换向极去磁式弧焊发电机。下面以他励加串励去磁式弧焊发电机（AX9－500型）为例，简单说明其工作原理。如图所示为弧焊发电机的工作原理。

电弧稳定，可用各种焊条焊接各种碳钢、合金钢和有色金属；使用三相交流电源，故电网负载平衡，焊接时对电网的波动敏感性不大；还可以用柴油机拖动，适合用于野外无电源的场所。制造复杂、价格贵、体积大、噪声大等。2．弧焊整流器弧焊整流器也是一种直流弧焊电源，它是把交流电整流成直流电，经调节装置获得电焊所需外特性的一种直流焊接电源。弧焊整流器与直流弧焊发电机相比，具有制造工艺简单、质量轻、节省材料、效率高、空载损耗小、噪声小、使用控制方便等优点。随着大量试验研究工作的进行，弧焊整流器焊接性能有了较大提高，将逐步取代直流弧焊发电机。一、电力拖动系统概述电力拖动系统是由电动机拖动并通过传动机构带动生产机械运转的一个动力学整体。一般情况下，电力拖动系统由电动机、传动机构、工作机构、控制设备及电源五部分组成，如图所示。二、单轴电力拖动系统的运动方程式单轴电力拖动系统轴上转矩根据牛顿第二定律，物体做直线运动时，作用在物体上的拖动力F总是与阻力FL及速度变化时产生的惯性力ma所平衡，其运动方程式为：三、运动方程式中正负号的规定在电力拖动系统中，随着生产机械负载类型和工作状况的不同，电动机的运行状态将发生变化，即作用在电动机转轴上的电磁转矩（拖动转矩）Tem和负载转矩（阻转矩）TL的大小和方向都可能发生变化。1首先选定顺时针方向或逆时针方向为规定正方向，为减少公式中的负号，一般多以电动机处于电动状态时的旋转方向为规定正方向。2转速的方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。3电磁转矩Tem的方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。4负载转矩TL的方向与规定正方向相反时为正，相同时为负。四、拖动系统的运动状态分析03

当Tem<TL时，dn/dt<0

，电力拖动系统处于减速状态。02当Tem>TL时，dn/dt>0

，电力拖动系统处于加速状态。01当Tem=TL时，dn/dt=0

，则

n=或

n=常数，即电力拖动系统处于静止或匀速运行的稳定状态。五、多轴电力拖动系统的运动方程式

在实际生产中，许多生产机械为了满足工作的需要，工作机构的速度往往与电动机的转速不同，因此在电动机与工作机构之间须装设变速机构，如皮带变速、齿轮变速和蜗轮蜗杆变速等，这时的电力拖动系统就称为多轴电力拖动系统，如图所示。1．旋转运动02若考虑传动机构的传动效率，损耗应由电动机提供，即总的负载转矩应大于输出的负载转矩，则01若不考虑传动机构的损耗，则工作机构折算到电动机轴上的功率应等于工作机构的功率，即我们知道，在多轴电力拖动系统中，传动机构为电动机负载的一部分，因此，负载飞轮矩折算到电动机轴上的飞轮矩包括工作机构部分的飞轮矩和传动机构部分的飞轮矩。折算到电动机轴上的负载飞轮矩再与电动机转子本身的飞轮矩相加就为等效单轴系统的总飞轮矩，即：2．平移运动某些生产机械的工作机构做平移运动，如刨床的工作台。刨床拖动系统如图所示，这种拖动系统的折算方法与做旋转运动的拖动系统有所不同，但折算原则仍然是折算前后的功率不变。

Fg为工作机构做平移运动时所克服的阻力（N），vg为工作机构移动的速度（m/s），则工作机构所需功率为：根据折算前后的功率不变的原则，并考虑到传动系统的损耗，折算到电动机轴上的负载转矩的计算式推导如下：AABB设mg

和

Gg（Gg=G1+G2

）分别为平移运动部分的质量（kg）和重量（N），其动能为：平移运动部分折算到电动机轴上的飞轮矩应满足折算前后的动能不变的原则，即：3．升降运动某些生产机械的工作机构是做升降运动的，如起重机、提升机和电梯等。虽然升降运动和平移运动都属于直线运动，但各有特点。现以起重机为例，讨论其折算方法。图所示为起重机拖动系统示意图。01

提升重物时，重物对卷筒轴的负载转矩为GZr。提升重物时传动机构的损耗由电动机负担，因此折算到电动机轴上的负载转矩为：02

下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩仍为GZr。但由于下放重物时传动机构的损耗不是由电动机负担，而是由负载来负担，因此折算到电动机轴上的负载转矩为：

升降部分折算到电动机轴上的飞轮矩负载飞轮矩总飞轮矩一、生产机械的负载转矩特性1．恒转矩负载的转矩特性反抗性恒转矩负载的特点为：负载转矩TL总是反抗运动的。也就是说，负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，始终是阻转矩。显然反抗性恒转矩负载的特性曲线应在第一与第三象限内，如图所示。位能性恒转矩负载的特点为：负载转矩TL具有固定的方向，且不随转向的改变而改变。例如，起重机提升重物时，负载转矩为阻转矩，其作用方向与电动机的旋转方向相反；当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机的旋转方向相同，促使电动机旋转。也就是说，不论重物是提升还是下放，负载转矩的方向不变，因此位能性恒转矩负载的特性曲线应在第一与第四象限内，如图所示。2．恒功率负载恒功率负载的特点为：负载功率PL为固定值，负载转矩TL与转速n成反比。3．通风机负载通风机负载的特点是：负载转矩与转速的平方成正比，

，其负载特性曲线如图中曲线1所示。二、他励直流电动机的机械特性1．机械特性的方程式ABc

电磁转矩方程式感应电动势方程式电枢回路电压平衡方程式2．固有机械特性当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢回路不串电阻（即

，

，）时的机械特性称为固有机械特性。其表达式为：电磁转矩Tem越大，转速n越小，其特性是一条下斜直线。

当Tem=0时，为理想空载转速。斜率其值很小，特性较平，习惯上称为硬特性，转矩变化时，转速变化较小。斜率b大时的特性则称为软特性。当Tem=TN，

n=nN，转速ΔnN=n0-nN=bTN为额定转速降。一般情况下，nN≈0.95n0，而ΔnN≈0.05n0，这是硬特性的数量体现。3．人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性方程改变电枢电压的人为机械特性方程减弱磁通的人为机械特性方程以上在分析直流电动机的固有或人为机械特性时，都忽略了电枢反应的影响。实际上，由于电枢反应表现为去磁效应，使机械特性出现上翘现象，如图所示。4．根据电动机的铭牌数据估算机械特性估算额定电枢电动势EaN估算电枢回路电阻Ra如果能知道额定电枢电动势EaN，或者知道电枢回路电阻Ra，便可算出

，从而计算出理想空载转速n0。额定转矩TN可以按下式进行计算估计EaN或Ra计算求n0计算TN

在坐标纸上标出（n0，0）和（nN，TN）两点，过此两点连成直线，即为该直流电动机的固有机械特性。一、直接启动直接启动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的启动方式，如图所示。启动时，先闭合Q1建立磁场，然后闭合Q2全压启动。启动开始瞬间，由于机械惯性，电动机转速

，电枢绕组感应电动势

，由电动势平衡方程式

可得启动电流和转矩。二、电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动即启动时在电枢回路串入电阻，以减小启动电流Ist，电动机启动后，再逐渐切除电阻，以保证足够的启动转矩。如图所示为三级电阻启动控制接线和启动工作特性示意。电动机启动前，应使励磁回路附加电阻为0，以使磁通达到最大值，能产生较大的启动转矩。0102当转速增大至n1，电流减小至Ist2（时，将接触器KM1触头闭合，电阻R1短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线2上的点c（点c的位置可由所串电阻的大小控制），电动机又沿曲线2的箭头继续加速。启动开始瞬间，电枢回路中接入全部启动电阻，启动电流达到最大值，随着电动机转速的不断增大，电枢电流和电磁转矩将逐渐减小，电动机沿着曲线1的箭头所指的方向变化。0304

当转速增大至n3，电流又减小至Ist2时，将接触器KM3触头闭合，电阻R3短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到固有特性曲线4上的点g，电动机又沿曲线4的箭头继续加速，最后稳定运行在固有特性曲线上的点h，启动过程结束。

当转速增大至n2，电流又减小至Ist2时，将接触器KM2触头闭合，电阻R2短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线3上的点e，电动机又沿曲线3的箭头继续加速。三、降压启动降低电枢电压启动，简称为降压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流，电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度增速，其接线原理和启动工作特性如图所示。一、调速指标1．调速范围调速范围是指工作机械的最高转速nmax与最低转速nmin之比，用系数D表示，即不同的生产机械对调速范围的要求也不同，如车床，龙门刨床等。这里的D指总调速范围，它由机械和电气相配合实现。电动机的最高转速受电动机机械强度、换向方式、工作电压等限制，在额定转速以上进行调速的调速范围不大，而电动机的最低转速又受低速运行的相对稳定性限制，所以，电动机的调速范围应根据生产机械的要求综合考虑。2．静差率静差率也称相对稳定性，指在负载转矩变化时，转速变化的程度，用

d

表示，即：转速变化越小，电动机的机械特性越硬，静差率就越小，相对稳定性也就越高。但是，静差率与机械特性的硬度又有不同之处，两条互相平行的机械特性硬度是相同的，由于它们的空载转速不同使静差率不同，理想空载转速越低，静差率就越大。静差率与调速范围也是互相联系的两项指标，由于最低转速决定于低速时的静差率，因此，调速范围必然受到低速时静差率的制约。两者的关系为：3．调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速就越平滑。相邻两级转速之比称为平滑系数，用j表示。j

越接近1，平滑性越好。当j

=1时，称为无级调速。平滑系数的计算公式为：4．调速的经济性经济性指调速所需的设备投资、调速过程中的能量损耗及电机在调速时能否得到充分利用。在选择调速方法时，既要满足负载的要求，又要使电机得到充分利用。充分利用的标志就是使工作电流为电机的额定电流。一般恒转矩负载采用恒转矩调速方式、恒功率负载采用恒功率调速方式，这样配合可使电机得到充分利用。若将恒转矩调速用于恒功率负载，必须使允许输出大于或等于最大负载转矩，显然，电机的功率要增大，不合理；同样，若将恒功率调速用于恒转矩负载，为了在最高转速时满足转矩的要求，必须选所有力矩均大于这一转矩的电机，这也造成了电机容量的不合理。二、改变电枢电压调速改变电枢电压调速是指在他励直流电动机中，由一可调节的直流电源向电枢供电，在其他参数不变的条件下，通过调节直流电源来改变电枢电压U，使空载转速n0改变，从而使电动机拖动负载运行于不同的转速，如图所示。改变电枢电压调速时，机械特性曲线的斜率不变，所以，调速的稳定性好。电压可做连续变化，调速的平滑性好，调速范围广。属于恒转矩调速，电动机不允许电压超过额定值，只能由额定值向下降低电压调速，即只能减速。电源设备的投资费用较大，但电能损耗小，效率高。三、电枢回路串电阻调速01设备简单，投资少，只需增加电阻和切换开关，操作方便。02属于恒转矩调速方式，转速只能由额定转速向下调。03只能分级调速，调速平滑性差。04低速时，机械特性很软，转速受负载影响变化大，电能损耗大，经济性能差。四、弱磁调速1234

由于调速是在励磁回路中进行的，功率较小，故能量损失少，控制方便。速度变化比较平滑，但转速只能向上调，不能在额定转速以下进行调节，故往往只能与前两种调速方法结合使用，作为辅助调速。调速的范围较窄，在磁通减少太多时，由于电枢磁场对主磁场的影响加大，会使电动机火花增大、换向困难。转速提高时需考虑到机械强度的影响，最高转速一般控制在1.2倍额定转速的范围内。在减少励磁调速时，如果负载转矩不变，电枢电流必然增大，这是因为因此要防止电流太大带来的问题，如发热、打火等。一、能耗制动1．能耗制动的方法及原理如图所示为直流他励电动机能耗制动原理图。图中已标明各参量的正方向。制动前，接触器KM的常开触头闭合，常闭触头断开，电动机处于某一稳定运转状态。n，Tem，Ia，Ea的实际方向与规定的正方向相同，因此，各量均为正。电动机处于正向电动状态运行，即Tem与n同向。2．能耗制动电阻的计算由于

，Rz越小，则Ia越大，制动转矩越大，制动越快。但若Rz太小，Ia的数值可能超过电动机的最大允许电流Iamax。因此，需要选择合适的择Rz。选择Rz的原则是：3．能耗制动的机械特性能耗制动的特点是：

U=0，

F=常数，R=Ra+Rz

，因此，电动机的机械特性为：能耗制动的机械特性是一条通过坐标原点并与电枢串联电阻Rz的人为机械特性平行的直线，如图所示。二、反接制动1．电压反接制动改变电枢绕组上的电压方向（使Ia反向）或改变励磁电流的方向（使

F反向），可以使电动机得到反力矩，产生制动作用。当电动机速度接近0时，迅速脱离电源，实现直流电动机的反接制动。反接制动时，接触器KM1常开触头断开，接触器KM2常开触头闭合，使电枢电压反接，同时，串联反接制动电阻RF。此时U为负，制动电流为：电动机在电压刚反接的瞬间，电枢的转动速度并未改变，反电动势Ea也未改变，而外接电压UN的方向变成与Ea相同，故在该瞬间加在电枢绕组上的电压为

，将产生很大的冲击电流，使电刷与换向器表面产生强烈的电火花而被损坏；而且机械冲击力太大，容易损坏转轴。因此，反接制动时一定要在电枢回路中串接电阻以限制电枢电流Ia的数值。为了限制电流不超过电动机的最大允许电流值Iamax，则串联的反接制动电阻RF应满足：电压反接制动的机械特性方程为电压反接制动机械特性是一条过点（0，-n0）并与电枢回路串联电阻RF的人为机械特性平行的直线，如图所示。2．倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载，现以起重机下放重物为例进行说明。如图（a）所示，电动机处于正向稳定运转状态，其工作点为图（b）中的点a，此时，起重机以某一稳定转速na提升重物。（a）

（b）三、回馈制动1．位能性负载拖动时的回馈制动电车下坡时的回馈制动就属于位能性负载拖动时的回馈制动。当电车在平路上行驶时，如图（a）所示，其负载转矩TL为摩擦转矩TLf，即T=TLf

。这时，系统在机械特性的点a（参见图（c））上稳定运行，

n=na，

n0>n，

U>Ea，Tem为正（电动机转矩为拖动性质的），Ia为正，电流由电源流向电动机。当电车下坡时，如图（b）所示，虽然摩擦转矩TLf仍存在，而且它始终是阻碍运动的，但车重产生一个帮助运动的位能性负载转矩

（与转速正方向相同的负载转矩为负），因此，总的负载转矩

TL

=-TLW+TLf=-(TLW

-TLf)。2．改变电枢电压过程中的回馈制动直流他励电动机改变电枢电压时的人为机械特性为一组平行直线，如图所示。设电动机两端加上额定电压UN时，在点a运行。当电压下降到U1时，工作点由a→b，电动机转矩变为负，则

，

，n下降。这样系统减速，工作点由b→c。过点c以后，电动机的转矩虽然变为正，但因

，系统继续减速，直到点d

稳定运行。在机械特性的bc段，

，，电动机转矩起制动作用，电流由电动机流向电源，电动机处于回馈制动过程。此时的回馈制动起加快降速作用。四、他励直流电动机的反转0102

改变励磁绕组的极性（改变励磁电流方向）。保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通F改变方向，直流电动机即可反转。

改变电枢的电压极性。保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，使电枢电流Ia改变方向，直流电动机即可反转。一、机械特性1．固有机械特性固有机械特性表达式0102串励直流电动机的特性曲线是一条非线性的软特性，随着负载转矩的增大（减小），转速自动减小（增大），保持功率基本不变，即有很好的牵引性能，广泛用于机车类负载的牵引动力。

理想空载转速为无穷大，实际上由于有剩磁的存在，n0一般可达（5

～

6）nN，空载运行会出现“飞车”现象。因此，串励直流电动机是不允许空载或轻载运行的，也不允许用皮带传动的。2．人为机械特性同他励电动机一样，串励直流电动机也可以采用电枢回路串电阻（串阻）、改变电枢电压（降压）和弱磁的方法来获得各种人为机械特性。其人为机械特性曲线的变化趋势与他励直流电动机的人为机械特性曲线的变化趋势相似，如图所示。二、串励直流电动机的启动与调速为了限制启动电流，串励直流电动机的启动方法与他励直流电动机一样，也是采用电枢回路串电阻启动和降压启动。由于电磁转矩与电枢电流的平方成正比，所以其启动转矩较大，适合重载启动，如起重、运输设备等。01改变电枢电压调速02电枢回路串电阻调速03降压和弱磁调速三、串励直流电动机的制动1．能耗制动他励式能耗制动是把励磁绕组由串励形式改接成他励形式，即把励磁绕组单独接到电源上，电枢绕组外接制动电阻RB后形成回路，如图所示。由于串励直流电动机的励磁绕组电阻Rf很小，如果采用原来的电源，因电压较高，则必须在励磁回路中串入一个较大的限流电阻Rsf。此外，还必须保持励磁电流If的方向与电动状态时相同，否则不能产生制动转矩（因Ia已反向）。他励式能耗制动时的机械特性为一直线，如图中直线BC所示，其制动过程与他励直流电动机的能耗制动完全相同。他励式能耗制动的效果好，应用较广泛。自励式能耗制动时，电枢回路脱离电源后，通过制动电阻形成回路，但为了实现制动，必须同时改接串励绕组，以保证励磁电流的方向不变，如图所示。由图可见，自励式能耗制动开始时制动转矩较大，随着转速的减小，电枢电动势和电流也减小，同时磁通也减小，由公式Tem=CTFIa可知，制动转矩下降很快，制动效果变弱，制动时间较长且制动不平稳。由于这种制动方式不需要电源，因此主要用于事故停车。2．反接制动串励直流电动机的反接制动也有电压反接制动和倒拉反转反接制动两种，制动的原理、物理过程和他励直流电动机相同，反接制动时，电枢中也必须串入足够大的电阻以限制电流。需要注意的是，在进行反接制动时，电流Ia与磁通F

只能有一个改变方向，通常是改变电枢电流Ia的方向，即改变电枢电压的极性，而励磁电流的方向维持不变。实验目的123学习电动机实验的基本要求与安全操作注意事项。认识在直流电动机实验中所用的电动机、仪表、变阻器等组件及掌握其使用方法。熟悉他励电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、启动、改变电动机转向与调速的方法。预习要点直流电动机启动时，为什么在电枢回路中需要串接启动变阻器？不串接会产生什么严重后果？2直流电动机调速及改变转向的方法。4

如何正确选择使用仪器仪表（注意电压表电流表的量程选择）。31直流电动机启动时，励磁回路串接的磁场变阻器应调至什么位置？为什么？33实验设备实验内容按图接线，电阻R用DQ29上3

750Ω电阻和185Ω电阻相串联（将3

750Ω电阻手柄置中间位置，185

Ω电阻调至最大值。电流表A选用DQ22直流毫安表，量程选用2

000

mA挡。开关S选用DQ31挂箱。接线经检查无误后接通电枢电源，并调至220

V。调节R使电枢电流达到0.2

A（如果此时电流太大，可能由于剩磁的作用使电动机旋转，测量无法进行；如果此时电流太小，可能由于接触电阻产生较大的误差），迅速测取电动机电枢两端电压的U和电流

I。将电动机分别旋转1/3周和2/3周，同样测取U，I，将这3组数据列于表2-2中（为减小测量误差，测取电枢电压要用20

V小量程电压挡，可用万用表测量）。用伏安法测电枢绕组的直流电阻增大R使电流分别达到0.15A和0.1A，用同样的方法测取6组数据。取3次测量的平均值作为实际冷态电阻值：由实验直接测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值。冷态温度为室温。换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值为：直流仪表、转速表和变阻器的选择01电压量程的选择02电流量程的选择03转速表的选择04变阻器的选择直流他励电动机的启动准备直流他励电动机M用DQ09的直流并励电动机（按他励方式接线），其额定功率W，额定电压V，额定电流A，额定转速

r/min，额定励磁电流A。校正直流测功机MG作为测功机使用，TG为数显转速表。直流电流表选用DQ22A，Q22B两只挂件。Rf1用DQ29的3

750

Ω阻值的变阻器作为直流他励电动机励磁回路串接的电阻。Rf2选用DQ27的1

800

Ω阻值的变阻器作为MG励磁回路串接的电阻。R1选用DQ29的185

Ω阻值的变阻器作为直流他励电动机的启动电阻，R2选用DQ26的90

Ω阻值的变阻器6只串联电阻和DQ27的900

Ω与900

Ω并联电阻，再相互串联作为MG的负载电阻。接好线后，检查M，MG及TG之间是否用联轴器直接连接好。他励直流电动机启动步骤1启动准备2启动M3观察转速表的显示符号4改变电动机M的输出转矩5调节他励电动机的转速6改变电动机的转向注意事项①直流他励电动机启动时，需将励磁回路串联的电阻Rf1调至最小，先接通励磁电源，使励磁电流最大，同时必须将电枢串联启动电阻R1调至最大，然后方可接通电枢电源，使电动机正常启动。启动后，将启动电阻R1调至0，使电动机正常工作。②直流他励电动机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。同时必须将电枢串联的启动电阻R1调回到最大值，励磁回路串联的电阻Rf1调回到最小值，给下次电动机的启动做好准备。③测量前，注意仪表的量程、极性及其接法是否符合要求。④若要测量电动机的转矩T2，必须将校正直流测功机MG的励磁电流调整到校正值100

mA，然后可从智能转矩、转速、功率测试箱上直接测出电动机M的输出转矩。⑤实验中若使用DQ34智能转矩、转速、功率测试箱，必须将测试箱上的红色插头串接在测功机电枢回路中电流表的出线端，黑色插头接DQ31开关板的S端。⑥实验中若需改接线路，必须先切断励磁电源后才能进行改接，否则易损坏仪表。实验报告01020304在电动机轻载及额定负载时，增大电枢回路的调节电阻，电动机的转速如何变化？增大励磁回路的调节电阻，转速又如何变化？为什么要求直流他励电动机磁场回路的接线要牢靠？启动时电枢回路必须串联启动变阻器吗？画出他励直流电动机电枢回路串电阻启动的接线图。电动机启动时，启动电阻R1和磁场调节电阻Rf1应调到什么位置？为什么？用什么方法可以改变直流电动机的转向？一、变压器的工作原理变压器的工作原理如图所示，在铁芯柱上绕制两个绝缘线圈，其匝数分别为N1，N2。其中，电源侧的绕组称为一次绕组（又称原绕组、原边或初级绕组），负载侧的绕组称为二次绕组（又称副绕组、副边或次级绕组）。当一次绕组接通交流电源时，绕组中有电流i1通过，铁圈中将产生交变磁通Φ。根据电磁感应原理，其一、二次绕组将分别产生感应电动势e1，e2。若二次绕组与负载连接，则负载回路中将产生电流i2，如此便完成了电能的传递。此时，根据能量守恒原理，如果忽略变压器的内部能量损耗，则二次绕组的输出功率等于一次绕组的输入功率，即：二、变压器的分类12345

按用途的不同，变压器可分为电力变压器和特种变压器两类。

按绕组构成的不同，变压器可分为单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。

按铁芯结构的不同，变压器可分为壳式变压器和心式变压器。

按相数的不同，变压器可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。

按冷却方式的不同，变压器可分为干式变压器、油浸式变压器（油浸自冷式、油浸风冷式和强迫油循环式等）、充气式变压器。三、变压器的结构1．铁芯铁芯是变压器的磁路部分，是固定绕组及其他部件的骨架，由铁芯柱和铁轭两部分组成，如图3-3所示。为了减小磁阻、减小交变磁通在铁芯内产生的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁芯大多采用0.35mm厚的冷轧硅钢片叠装而成。1—铁轭；2—铁芯柱根据绕组套入铁芯柱的形式不同，铁芯可分为心式结构和壳式结构。心式结构是在两侧的两个铁芯柱上放置绕组，绕组包围铁芯，如图（a）所示，其结构简单，易装配，省导线，常用于大容量、高电压的变压器中。壳式结构是在中间的铁芯柱上放置绕组，铁芯包围绕组，如图（b）所示，其用线量较多，工艺较复杂，但散热性好，适用于小型干式变压器。（a）心式结构

（b）壳式结构根据制造工艺的不同，变压器的铁芯可分为叠片式和卷制式两种。心式结构铁芯一般用口形或斜口形硅钢片交叉叠成，壳式结构铁芯一般用“E”形或“F”形硅钢片交叉叠成，如图所示。（a）心式口形

（b）心式斜口形

（c）壳式“E”形

（d）壳式“F”形2．绕组绕组是变压器的电路部分。它由漆包线或绝缘的扁铜线绕制而成，有同心式和交叠式两种。同心式绕组是将高、低压绕组套在同一铁芯柱的内外两层，如图所示。交叠式绕组的高、低压绕组是沿轴向交叠放置的，如图所示。3．其他部件01油箱变压器的器身放置在灌有高绝缘强度、高燃点变压器油的油箱内。变压器运行时，铁芯和绕组都要发出热量，使变压器油发热。发热的变压器油在油箱内发生对流，将热量传送至油箱壁及其上的散热器，再向周围空气或冷却水辐射，达到散热的目的，从而使变压器内的温度保持在合理的范围内。02储油柜储油柜也称为油枕，安装在油箱上方，通过连通管与油箱连通，起到保护变压器油的作用。03气体继电器

气体继电器也称为瓦斯继电器，安装在油箱与储油柜的连通管道中。当变压器内部发生短路、过载、漏油等故障时，也可以起到保护油箱的作用。04安全气道

安全气道也称为防爆管，是安装在较大容量变压器油箱顶上的一个钢质长筒，下筒口与油箱连通，上筒口以玻璃板封口。05绝缘套管

绝缘套管安装在变压器的油箱盖上，以确保变压器的引出线与油箱绝缘。06分接开关

分接开关也安装在变压器的油箱盖上，通过调节分接开关可以改变一次绕组的匝数，从而调节二次绕组的输出电压，以避免二次绕组的输出电压因负载变化而过分偏离额定值。四、变压器的铭牌数据1．变压器的型号变压器的型号是用字母和数字表示的，反映了变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。三相电力变压器的型号表示如图所示。2．变压器的额定数据1额定容量SN

：变压器的视在功率，单位为V·A或kV·A。对于双绕组电力变压器来说，一次绕组与二次绕组的容量设计应该相同。2额定电压

：指线电压，单位为V或kV。3额定电流

：指线电流，单位为A。4额定频率f：我国规定标准工业用电频率为