电机与拖动教程

电机与拖动基础绪论本课程主要研究电机的基本理论问题，包括电机的基本结构、工作原理、内部电磁变换的物理过程、功率关系和机械特性等内容；同时将系统地讨论电力拖动系统的静态和动态特性，重点放在研究电机的启动、制动和调速三大问题上。任务：掌握常用电机和变压器的基本结构与工作原理，电力拖动系统的运行性能，以及电动机的选择方法，为学习后续课程打下必要的理论基础。《电机与拖动基础》是将“电机学”和“电力拖动”两门课程有机地结合的一门课程。1）按能量传递形式及用途分类发电机。可将非电能转换为电能。电动机。可将电能转换为机械能。变压器。可改变与电能相关联的电压及电流而不改变频率控制电机。可实现状态监测、信号处理或伺服驱动等功能。1.电机的分类电机是利用电磁感应原理和电磁定律，进行电能转换或传递的电磁装置。它种类繁多，应用广泛，性能各异。一、电机与电力拖动系统概述1.电机的分类2）按电机的结构特点及电源性质分类静止电机。变压器是一种无运动部件的电能变换器，因此又称为静止电机。旋转电机。旋转电机按照电源性质的不同，又可分为直流电机和交流电机，而交流电机还可分为同步电机和异步电机。直线电机。一、电机与电力拖动系统概述2．电机的应用头脑风暴请思考：在日常生活中，都有哪些电器用到了电机？这些电机属于哪种类型？它们的功能有何不同？一、电机与电力拖动系统概述日常生活中，电机藏于何处？在电力工业中，发电机和变压器是发电站和变电所的主要设备。在机械制造、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、印刷及其他行业，人们利用电动机把电能转换成机械能，来拖动机床、轧钢机、纺织机、钻探机、电铲机、起重机、传输带等各种生产机械。在轨道交通和水路、航空运输业，各种交通设备需要大量的牵引电机和船用、航空电机来拖动。在新能源汽车中，装备有驱动电机和各类微型特种电机。在伺服传动、机器人、航天航空和国防科学等领域的自动控制技术中，各种各样的控制电机承担着检测、定位、随动、执行和解算等任务。随着农业机械化的发展，在电力排灌、播种、收割等机械化生产中，都需要不同规格的电动机。在医疗仪器、电动工具、家用电器、办公自动化设备和计算机外部设备中，也离不开功能各异的小功率电动机和特种电机。2．电机的应用一、电机与电力拖动系统概述以电动机作为原动机，拖动机械设备运动的拖动方式称为电力拖动，又称电机传动。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产设备和电源五部分组成，如图所示。一、电机与电力拖动系统概述3．电力拖动系统在电力拖动系统中，发电机或变压器通过供电线路为电力拖动系统（主要是控制设备和电动机）提供电源，控制设备用来控制电动机的启动、调速、反转、制动等，然后由电动机将电能转化为机械能，并通过传动机构将机械能传递给生产设备，由此拖动生产设备的运行。一、电机与电力拖动系统概述3．电力拖动系统基本电磁定律公式汇总二、电机理论中的基本电磁定律1．描述磁场的物理量磁场是指传递实物间磁力作用的场，它是由运动电荷或电场的变化而产生的。磁场看不见、摸不着，是运动电荷周围空间除电场外的一种特殊存在。为了准确地描述磁场，常采用以下几个物理量。描述磁场的物理量磁感应强度磁通磁导率磁场强度磁通势(T)(Wb)（H/m）（A/m）（A）1）磁感应强度在磁场中垂直于磁场方向放置一个通电导体，其所受的电磁力

与电流

和导体长度

的乘积

之比称为通电导体所在处的磁感应强度

，即磁感应强度与电流之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。在国际单位制中，磁感应强度的单位为特斯拉（T）。二、电机理论中的基本电磁定律1．描述磁场的物理量如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则这样的磁场称为匀强磁场。二、电机理论中的基本电磁定律右手螺旋定则:（1）假设用右手握住通电直导线，大拇指指向电流方向，那么弯曲的四指就表示导线周围的磁场方向，如图所示；（2）假设用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向电流方向，那么大拇指的指向就是通电螺线管内部的磁场方向。点拨2）磁通二、电机理论中的基本电磁定律1．描述磁场的物理量磁导率μ是用来衡量物质导磁能力大小的物理量，其单位为亨利每米（H/m）。二、电机理论中的基本电磁定律3）磁导率1．描述磁场的物理量磁场强度

是分析磁场时所引用的一个辅助物理量，定义为磁场强度也是矢量，只与产生磁场的电流及这些电流的分布有关，而与磁介质的磁导率无关。在均匀磁介质中，磁场强度的方向与磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，磁场强度的单位为安培每米（A/m）。二、电机理论中的基本电磁定律4）磁场强度1．描述磁场的物理量磁通势

又称磁动势，用于表征电流流过导体时产生磁通量的能力，类似于电场中的电动势或电压。此外，永磁材料也以某种方式表现出磁通势。磁通势的单位为安培（A）。电流流过导体所产生的磁通势为式中，N——线圈匝数；I——流过导体的电流。二、电机理论中的基本电磁定律5）磁通势1．描述磁场的物理量基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一时刻，流入某一节点的电流之和恒等于由该节点流出的电流之和。其表达式为基尔霍夫电压定律（KVL）：在任一时刻，沿任一回路的绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。其表达式为二、电机理论中的基本电磁定律2．电路定律磁路的分析计算和电路一样，也有类似的基本定律。1）磁路的基尔霍夫第一定律磁路中的任一闭合面内，在任一瞬间进入或穿出该闭合面的各分支磁路磁通的代数和等于零，即二、电机理论中的基本电磁定律3．磁路定律2）安培环路定律在磁场中，沿任一长度为

的闭合磁回路，磁场强度

的线积分等于该回路环链所有电流

的代数和。以图所示磁路为例，应用安培环路定律有在电机中，当一个N匝的线圈流过电流I时，上式可写为即二、电机理论中的基本电磁定律3．磁路定律二、电机理论中的基本电磁定律3．磁路定律3）磁路欧姆定律变化的磁场会产生电场，使磁场中的导体上产生感应电动势，这种现象称为电磁感应现象。在电机中，电磁感应现象主要表现在以下两个方面。1）一个匝数为

的线圈，若与线圈交链的磁通随时间变化，则在线圈内会产生感应电动势，其方向可由楞次定律和右手螺旋定则来判定。感应电动势可表示为二、电机理论中的基本电磁定律4．电磁感应定律二、电机理论中的基本电磁定律4．电磁感应定律楞次定律：感应电流所形成的磁场总是对引起感应电流的磁通变化起阻碍作用。点拨感应电动势的方向可用右手定则来判定。二、电机理论中的基本电磁定律4．电磁感应定律二、电机理论中的基本电磁定律右手定则：伸开右手，使大拇指与其余四指垂直且处在同一平面内，让磁感线垂直进入手心，大拇指指向导体运动的方向，此时四指所指的方向即感应电动势的方向，如图所示。点拨载流导体所受电磁力的方向可由左手定则来判定。二、电机理论中的基本电磁定律5．电磁力定律二、电机理论中的基本电磁定律左手定则：若电流方向与磁场方向垂直，伸出左手使大拇指与其余四根手指垂直，且都在一个平面内，让磁感线从手心垂直进入，四根手指指向电流方向，此时大拇指所指方向即为载流导体在磁场中的受力方向，如图所示。点拨用于构成电路，常用铝或铜制成。导电材料：用于构成磁路，常用0.35mm或0.5mm厚、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。导磁材料：用于将带电部分隔离开来，常用云母、绝缘橡胶、陶瓷等材料制成。绝缘材料：用于支撑电机结构，常用钢铁或铝合金制成。支撑材料：三、电机常用材料及其特性1．电机常用材料三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性1）高导磁性为什么铁磁性材料能够被磁化呢？这是因为铁磁性材料的内部存在许多自发磁化的小区域，这些小区域称为磁畴。铁磁性材料具有很高的磁导率，它们在外磁场作用下会被强烈磁化，从而呈现出很高的磁性。三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性1）高导磁性在没有外磁场作用时，磁畴的方向各不相同，排列混乱，磁场相互抵消，铁磁性材料对外不呈现磁性，如图（a）所示。三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性（a）没有外磁场

（b）有外磁场在有外磁场作用时，磁畴的方向将逐渐改变到与外磁场方向接近或一致，使铁磁性材料内部的磁感应强度大大增强，对外呈现出很强的磁性，如图（b）所示。此时，铁磁性材料即被强烈磁化了。在铁磁性材料的磁化过程中，磁感应强度B随磁场强度H变化的曲线称为磁化曲线，如图所示。三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性2）磁饱和性3）磁滞性磁化曲线只反映了铁磁性材料在外磁场由零逐渐增强时的磁化过程，而在实际电气设备中，当铁芯线圈上通有交流电时，铁芯会受到交变磁化。在此过程中，磁感应强度

的变化滞后于磁场强度

的变化，这种性质称为磁滞性。表示

与

变化关系的闭合曲线称为磁滞回线。三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性3）磁滞性不同的铁磁性材料，其磁滞回线的形状也不同。软磁材料、硬磁（永磁）材料和矩磁材料三类铁磁性材料的磁滞回线如图所示。（a）软磁材料

（b）硬磁材料

（c）矩磁材料铁磁性材料的磁滞回线三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性铁磁性材料在交变磁化过程中由磁滞现象所引起的能量损耗称为磁滞损耗。它是由于铁磁性材料内部的小磁畴在交变磁化过程中反复转向，相互摩擦引起铁芯发热所造成的。可以证明，交变磁化一周，在单位体积的铁芯内所产生的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。因此，为减小磁滞损耗，应选用磁滞回线较窄的软磁材料制造铁芯。（1）磁滞损耗铁芯损耗简称铁损，它包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。铁损会使铁芯发热，使交流电机和变压器等电气设备的功率损耗增加、效率降低。三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性4）铁芯损耗铁磁性材料不仅能够导磁，同时还能够导电。当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，在铁芯内将产生感应电动势和感应电流。这种感应电流在垂直于磁通方向的平面内呈旋涡状，故称为涡流。如图所示。（2）涡流损耗三、电机常用材料及其特性2．铁磁性材料的磁化特性4）铁芯损耗涡流使铁芯发热所造成的功率损耗称为涡流损耗。由于整块金属的电阻很小，因此，涡流很大，涡流损耗较严重。为减小涡流损耗，在顺磁场方向铁芯可由彼此绝缘的薄钢片叠成，如图所示。这样可将涡流限制在较小的截面内流通，并使回路电阻增大、涡流减小，从而减小涡流损耗。三、电机常用材料及其特性谢谢观看下节再见第1章直流电机电机与拖动基础本章导读直流电机是一种能实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，它是直流电动机和直流发电机的总称。名称直流电动机直流发电机原理直流电能→机械能机械能→直流电能适用需要精确调速的场合提供直流电源应用大型起重机、风机、水泵、电力机车、船舶机械等直流电动机电源、直流电焊机电源等1.1基本结构1.2工作原理1.3铭牌数据1.4运行特性直流电机

掌握直流电机的基本结构和工作原理。

了解直流电机铭牌数据的含义。

了解直流电机的磁场和电枢反应的概念。

掌握直流电机的电枢电动势、电磁转矩、电磁功率的基本公式。

掌握直流电机的换向过程和改善换向性能的方法。

掌握直流电动机和直流发电机的运行特性。知识目标

能够拆装直流电动机。

能够测定他励直流电动机的运行特性。技能目标

养成脚踏实地、认真负责的工作作风。

厚植民族自豪感和文化自信心。

树立历史使命感和社会责任感。素质目标1.1直流电机的基本结构直流发电机与直流电动机在结构上大致相同，均由定子（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。定子主要用于产生磁场和作为直流电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、电刷装置等。转子又称电枢，它包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器等，主要作用是传递电磁转矩。直流电机的基本结构如图所示。1.1直流电机的基本结构1．主磁极主磁极用于产生主磁通。除永磁直流电机的主磁极采用永磁铁外，其他直流电机的主磁极都采用电磁铁。直流电机的主磁极包括主磁极铁芯和套在主磁极铁芯上的主磁极绕组（又称励磁绕组），如图所示。1.1.1定子1．主磁极主磁极铁芯靠近电枢的一端称为极靴（又称极掌）。为了减少电枢旋转时极靴表面的涡流损耗，主磁极铁芯一般用

1～5

mm

厚的低碳钢板冲片叠压而成。主磁极绕组是用圆截面或矩形截面的绝缘导线绕制而成的集中式绕组，与主磁极铁芯相互绝缘。整个主磁极由螺栓固定在机座上。当直流电机运行时，在主磁极绕组中通以直流电，主磁极将产生励磁磁通势，从而产生主磁通。主磁极总是成对出现的，相邻磁极的极性按N极和S极交替排列。1.1.1定子2．换向极换向极又称附加极或间极，装在相邻两主磁极之间，用螺杆固定在机座上，用于改善电机的换向性能。如图所示，直流电机的换向极由换向极铁芯和套在换向极铁心上面的换向极绕组构成。大功率直流电机和换向要求高的直流电机，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钢制成。换向极绕组要与电枢绕组串联，因此通过的电流较大，一般用截面积较大的矩形导线绕成，且匝数较少。1.1.1定子3．机座1.1.1定子固定主磁极、换向极和端盖，并借助底脚来固定整个电机；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。作用：4．电刷装置1.1.1定子构成：电刷、刷握、刷杆、刷杆座、压力弹簧等，如图所示。作用：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。电刷的数量一般与主磁极的数量相同。1．电枢铁芯电枢铁芯和主磁场之间的相对运动会产生铁损，为了减少铁损，电枢铁芯一般用厚0.5mm、涂有绝缘漆的硅钢冲片叠压而成，每片冲片冲有嵌放电枢绕组的槽，有的还冲有轴向通风孔。电枢铁芯冲片和装配好的电枢铁芯如图所示。作用：作为磁的通路；用来嵌放电枢绕组。1.1.2转子2．电枢绕组1.1.2转子产生感应电动势和通过电流，使直流电机实现机电能量转换，它是直流电机的主要电路部分。作用：电枢绕组是由带有绝缘层的圆形或矩形截面的导线绕制的线圈，按一定的规律连接而成的，它嵌放在电枢铁芯槽内，并与换向器连接。3．换向器1.1.2转子实现电枢中交变电动势和交变电流与电刷间直流电动势和直流电流的转换，从而保证所有导体上产生的电磁转矩或感应电动势方向一致。目前小型直流电机多采用塑料换向器。如图所示。它是用酚醛玻璃纤维热压而成的一个整体，这样既简化了工艺流程，又节省了材料。作用：1.2直流电机的工作原理1.2.1

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与两个相互绝缘并可随线圈一同转动的换向器连接。转子线圈与外电路的连接是通过与换向器紧密接触且固定不动的电刷来实现的。1.2直流电机的工作原理直流电机的工作原理可通过其简化模型进行说明。1.2.1直流发电机的工作原理如图所示，当转子线圈逆时针旋转时，导体ab在N极下，产生的感应电动势的方向为由b指向a；导体cd在S极下，产生的感应电动势的方向为由d指向c。在此状态下，电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。1.2.1直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理如图所示，当线圈旋转180°时，导体ab在S极下，产生的感应电动势的方向为由a指向b；导体cd在N极下，产生的感应电动势的方向为由c指向d。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接触的换向器已经与电刷B接触，而原来与电刷B接触的换向器则改为与电刷

A

接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。1.2.1直流发电机的工作原理1.2.1直流发电机的工作原理由图可知，导体

ab

和

cd

中感应电动势的方向是交变的，而与电刷

A

接触的导体总是位于

N

极下，与电刷

B

接触的导体总是位于

S

极下。因此，电刷

A

的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势输出。直流电动机的简化模型如图所示。将电刷A、B接到直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在转子线圈中将有电流流过。1.2.2直流电动机的工作原理设线圈的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

导体的受力方向可根据左手定则来判定。电磁力与转子半径的乘积即电磁转矩。在图中，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻转矩时，线圈将按逆时针方向旋转。1.2.2直流电动机的工作原理1.2.2直流电动机的工作原理直流电机的电枢通常有多个线圈。线圈分布于电枢铁芯表面的不同位置上，并按一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组；磁极N、S也会根据需要交替放置多对。点拨直流电动机的工作原理1.3直流机的分类直流电机在运行时需要为励磁绕组供给励磁电流，励磁电流的供给方式称为励磁方式。如图所示，直流电机的励磁方式可分为他励和自励两大类，其中自励又可分为并励、串励和复励三种。

为励磁电流，

为电枢电流。（a）他励

（b）并励

（c）串励

（d）复励1.3直流机的分类其励磁电流是由独立的直流电源供给的。它的励磁电流仅取决于励磁电源的电压和励磁电路的电阻，与电枢端电压无关。1.他励直流电机：其励磁绕组与电枢绕组并联。它的励磁电流不仅与励磁电路的电阻有关，而且还受电枢端电压的影响。由于并励直流电机的励磁绕组承受了电枢两端的全部电压，其电压较高，因此为了减小绕组铜损，并励绕组通常用较细的导线绕成，且匝数较多。2.并励直流电机：其励磁绕组与电枢绕组串联。为了减小电压降及铜损，串励绕组通常用截面积较大的导线绕成，且匝数较少。3.串励直流电机：1.3直流机的分类其磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。复励直流电机中，两个励磁绕组产生的磁通方向一致的，称为积复励直流电机；两个励磁绕组产生的磁通方向相反的，称为差复励直流电机。4.复励直流电机：由永磁铁提供固定磁通，无须外部励磁电源。由于没有励磁绕组，其尺寸相对较小，效率较高。5.永磁直流电机：1.3直流机的分类直流电机也可按电枢直径的不同来分类：电枢直径小于425mm的，称为小型直流电机；电枢直径为

425～1

000

mm

的，称为中型直流电机；电枢直径大于

1

000

mm的，称为大型直流电机。点拨1.4直流机的铭牌数据直流电机的铭牌如图1所示。它提供了直流电机正常运行时的额定值和其他相关内容，以便用户能正确使用直流电机。图11.4.1铭牌与型号图2直流电机的型号说明如图2所示。1.4.2额定值直流电机的额定功率是指电机长期额定运行所允许的输出功率，单位为

kW。对于直流发电机，额定功率是指输出的电功率；对于直流电动机，额定功率是指轴上输出的机械功率。1.额定功率直流电机的额定电压是指电机额定运行时出线端的电压，单位为

V

或

kV。对于直流发电机，额定电压是指额定运行时输出的端电压；对于直流电动机，额定电压是指额定运行时的电源电压。2.额定电压直流电机的额定电流是指电机额定运行时的电流，单位为

A。对于直流发电机，额定电流是指以额定状态运行时供给额定负载的电流；对于直流电动机，额定电流是指额定运行时从电源输入的电流。3.额定电流1.4.2额定值直流电机的额定转速是指电压、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。4.额定转速直流电机的额定励磁电压是指电机以额定状态运行时加在励磁绕组两端的额定电压，单位为V。5．额定励磁电压直流电机的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。6．额定励磁电流1．励磁方式励磁方式是指励磁绕组和电枢绕组的接线关系，直流电机常用的励磁方式有他励、并励、串励、复励等。定额是指电机运行时的额定值和运行条件。工作制是指电机所承受的一系列负载状况的说明，包括启动、电制动、空载、停机、断能及其持续时间和先后顺序等。对于直流发电机而言，额定电压是指额定运行时输出的端电压；1.4.3其他铭牌数据2．定额及工作制直流电机工作制:有连续工作制、短时工作制和断续周期工作制三种，分别用S1、S2、S3表示。直流电机的定额:分为连续工作制定额、短时工作制定额、周期工作制定额等类别。表示电机在额定工作状态可以长期连续运行。连续工作制（S1）：表示电机只能在规定时间内短期运行，我国规定的短时运行时间有10min、30min、60min、90min四种。短时工作制（S2）：表示电机按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停机和断能时间。如无特殊规定，工作周期一般为10min，运行时间在整个周期中的占比称为负载占空比。我国规定的负载占空比有15%、25%、40%、60%四种。断续周期工作制（S3）：1.4.3其他铭牌数据绝缘等级表示电机各绝缘部分所用绝缘材料的耐热等级。根据不同绝缘材料耐温能力的大小，绝缘等级可分为：Y、A、E、B、F、H、C级。它们允许的最高工作温度分别为：90℃、105℃、120℃、130℃、155℃、180℃、180℃以上。1.4.3其他铭牌数据3．绝缘等级砥节砺行铭牌是直流电机的“身份证”，标注着型号、额定值、出厂日期等关键信息。看似简单的铭牌数据，却关乎设备安全、用户信任乃至社会诚信体系。每一组铭牌数据都必须严格依据国家标准进行测定和标注，不得虚标、错标，正所谓“毫厘见真章，数据显担当”。1.5直流电机的运行特性直流电机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场（主磁场），电枢电流产生的电枢磁场，以及换向极绕组、补偿绕组产生的磁场合成的。它对直流电机产生的感应电动势和电磁转矩有直接影响，直流电机的运行特性在很大程度上也取决于磁场特性。1.5.1直流电机的磁场和电枢反应1．直流电机的磁场补偿绕组是指在大容量和工作繁重的直流电机中，为了减小电枢反应引起的气隙磁场畸变，而在电枢绕组上串联的电阻。通常在极靴上冲出一些均匀分布的槽，用于嵌放补偿绕组。补偿绕组产生的磁通势与电枢电流成正比，其方向和电枢磁通势相反，可抵消电枢反应引起的磁通势变化。知识链接1）直流电机空载运行时的磁场直流电机空载运行时，其电枢电流等于或近似等于0，因而其空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的。如图所示为直流电机空载运行时的磁场分布。1.5.1直流电机的磁场和电枢1．直流电机的磁场对于发电机，电机的空载运行是指发电机与外电路断开，没有电流输出；对于电动机，电机的空载运行是指其转轴上不带机械负载。电机空载运行时的磁场称为空载磁场。点拨1.5.1直流电机的磁场和电枢1）直流电机空载运行时的磁场1．直流电机的磁场1.5.1直流电机的磁场和电枢1）直流电机空载运行时的磁场1．直流电机的磁场以直流电动机为例，当其带负载运行时，电枢绕组中有电流通过并产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场共同在气隙里建立合成磁场。如图所示为直流电动机带负载运行时的电枢磁场。磁场的方向可根据电枢电流用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。2）直流电机带负载运行时的磁场1．直流电机的磁场1.5.1直流电机的磁场和电枢在电刷两边，N极下导体的电流方向与S极下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。根据图中的电流方向用左手定则可判定该直流电动机的旋转方向为逆时针方向。2）直流电机带负载运行时的磁场1．直流电机的磁场1.5.1直流电机的磁场和电枢电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响。如图所示为直流电动机主磁场和电枢磁场共同产生的合成磁场。1.5.1直流电机的磁场和电枢2．直流电机的电枢反应将图（a）与图（c）比较可见，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：中心线不重合。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。合成磁场发生畸变后，使原来几何中性线处的磁感应强度不等于零，磁感应强度为零的位置（即物理中性线）逆旋转方向旋转角度，物理中性线与几何中性线不再重合。1.5.1直流电机的磁场和电枢2．直流电机的电枢反应图（a）图（c）将图（a）与图（c）比较可见，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：1.5.1直流电机的磁场和电枢2．直流电机的电枢反应图（a）图（c）合成磁通势被增强或削弱。电枢磁场使每一个磁极下的磁通势发生变化。在前极尖（电枢进入极面的极尖），电枢磁通势方向与主磁通势方向相同，合成磁通势被增强；在后极尖（电枢离开极面的极尖），电枢磁通势方向与主磁通势方向相反，合成磁通势被削弱。将图（a）与图（c）比较可见，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：1.5.1直流电机的磁场和电枢2．直流电机的电枢反应图（a）图（c）去磁作用。对于线性磁路，增加的磁通量与减少的磁通量相等，故每个磁极的合成磁通与空载时的主磁通相同；对于非线性磁路，增加的磁通量小于减少的磁通量，故当直流电机带负载运行时每个磁极的合成磁通比空载运行时的主磁通小，这种现象称为电枢反应的去磁作用。此时，电枢的感应电动势略小于空载运行时的感应电动势。1.5.1直流电机的磁场和电枢2．直流电机的电枢反应电枢反应的结果是使直流电机的功率下降并造成换向困难。点拨综上所述，电枢反应会削弱磁场并使磁场产生畸变。直流电机的负载越大，电枢电流越大，电枢磁场越强，电枢反应的影响就越大。在实际工作中，由于负载大小不可能恒定不变，因此电枢反应的强弱也不是一成不变的。1.5.1直流电机的磁场和电枢2．直流电机的电枢反应头脑风暴若直流电机的负载过大，则电枢电流会增大，导致电枢反应加剧。这不仅会削弱主磁场，还可能引发直流电机运行中的过热现象，并产生电火花。直流电机长期超负荷运行会损坏绝缘，甚至烧毁电机。在日常生活中，我们该如何判断电器的负载是否过大？有哪些警示信号需要注意呢？电枢绕组在磁场中转动时产生的感应电动势，称为电枢电动势，其值为直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每条磁极支路的感应电动势。每条磁极支路所含的绕组元件数是相等的，而且每条磁极支路里的绕组元件都是分布在同极性磁极下的不同位置上的。1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1．电枢电动势一根导体在一个极距范围内切割气隙磁场的平均感应电动势

一条磁极支路里总的导体数

电枢电动势1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1．电枢电动势1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1．电枢电动势1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1．电枢电动势1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1．电枢电动势1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1．电枢电动势该式表明，直流电机的感应电动势与电机结构、主磁通和电机转速成正比。当电机制造好以后，电机结构常数不再变化，因此电枢电动势仅与主磁通和转速有关，改变转速或主磁通均可改变电枢电动势的大小。对于直流发电机，直流电机的电枢电动势是输出电动势；对于直流电动机，直流电机的电枢电动势是反电动势，即因反抗电流发生改变而产生的电动势。点拨2．电磁转矩当电枢绕组中有电枢电流流过时，电枢绕组在磁场中将受到电磁力的作用，该力与电枢铁芯半径之积称为电磁转矩。一根导体在磁场中所受的电磁力为1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率2．电磁转矩1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率2．电磁转矩1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率2．电磁转矩对于直流发电机，直流电机的电磁转矩是阻转矩；对于直流电动机，直流电机的电磁转矩是拖动转矩。点拨1.5.2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率3．电磁功率1．换向过程在直流电机运行中，电枢绕组元件经过电刷时，从一条支路进入另一条支路，该元件中的电流方向也发生了改变，这个过程称为换向。如图所示为单叠绕组元件（由有效边1和4及端线组成）的换向过程。（a）换向前元件的位置（b）换向中元件的位置（c）换向后元件的位置1.5.3直流电机的换向及其改善方法如图所示，换向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

，电流的方向如图中箭头所示。1.5.3直流电机的换向及其改善方法如图所示，电机继续旋转，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，处于换向过程中，电流的大小、方向都在变化。1.5.3直流电机的换向及其改善方法如图所示，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

。换向过程的时间称为换向周期

，由于直流电机的转速一般都很高，通常只有几毫秒。1.5.3直流电机的换向及其改善方法2．换向器打火1）打火现象由于电枢反应、换向时的自感电动势及其他一些原因，直流电机在运行时，会在电刷与换向器表面之间产生电火花，这种现象称为打火现象。通常情况下，稀疏而均匀地分布在大部分电刷上的点状、颗粒状火花，属于正常换向火花；而连续的、较密的颗粒状火花，以及断续的舌状火花均属于有害火花，会灼伤电刷与换向器表面；当有环火现象出现时，电机不宜继续运行。1.5.3直流电机的换向及其改善方法环火现象是指正负极性电刷的刷架之间出现电弧飞越，环绕换向器表面出现一圈强烈的电弧，并伴随强烈的弧光和巨响。环火电弧所产生的高温和携带的巨大能量，会严重损伤换向器和电刷装置，且对其他绕组造成不同程度的损害。此外，环火的巨响和弧光，还会危害电机附近的操作人员。知识链接2．换向器打火2）打火原因1.5.3直流电机的换向及其改善方法换向器打火的原因很多，其中电磁方面的原因主要如下。1.5.3直流电机的换向及其改善方法2．换向器打火2）打火原因除了上述电磁方面的原因外，还有机械和化学方面的原因。例如，电刷与换向器接触不良、换向器表面不平滑、换向器偏心、换向器表面的氧化亚铜薄膜受到破坏等，都会引起电火花。又如，直流电机振动较大，工作环境差（如尘埃、化学气体较多），直流电机过负载或负载剧烈变化等，也会引起电火花。（3）电抗电动势和换向电动势在被电刷短路的换向元件中会产生附加电流，且储存一定大小的磁场能量。当被短路的换向片离开电刷时，短路电路断开，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电火花。正确安装换向极1.5.3直流电机的换向及其改善方法3．改善换向性能的方法要改善直流电机的换向性能，首先必须设法消除换向元件中的感应电动势和。在一般的直流电机中，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产生的电动势可抵消感应电动势（），从而达到消除电火花的目的。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，应使换向极磁场的方向和电枢磁场的方向相反。正确安装换向极1.5.3直流电机的换向及其改善方法3．改善换向性能的方法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，因此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，在不同的负载下，都可抵消感应电动势（），换向极都能起到改善换向的作用。为了满足电枢电流的变化需求，换向极的磁通应不饱和。合理选择电刷1.5.3直流电机的换向及其改善方法电刷根据材料的不同可分为石墨电刷、电化石墨电刷、金属石墨电刷等类型。为了改善换向性能，可合理增大电刷与换向片之间的接触电阻，以减小换向附加电流。普通直流电机一般都采用电化石墨电刷；低压大电流的直流电机一般采用金属石墨电刷；换向特别困难的直流电机可采用分裂式电刷（即一个电刷由几块组成，以增加换向电路的电阻）。3．改善换向性能的方法装设补偿绕组1.5.3直流电机的换向及其改善方法在主磁极上装设补偿绕组是防止环火现象产生的有效方法。补偿绕组一般嵌入主磁极表面的槽内，并与电枢绕组串联，以使电枢电流通过补偿绕组。补偿绕组的电流方向与对应磁极下电枢绕组的电流方向相反，这样可使其产生的磁通势抵消电枢反应的磁通势，从而避免了环火现象的产生。3．改善换向性能的方法1）电动势平衡方程1.5.4直流电动机的运行特性1．他励直流电动机的基本方程2）转矩平衡方程1.5.4直流电动机的运行特性1．他励直流电动机的基本方程1.5.4直流电动机的运行特性1．他励直流电动机的基本方程3）功率平衡方程他励直流电动机的功率流程如图所示。1．他励直流电动机的基本方程1.5.4直流电动机的运行特性2．他励直流电动机的运行特性1.5.4直流电动机的运行特性1）转速特性1.5.4直流电动机的运行特性2．他励直流电动机的运行特性1）转速特性1.5.4直流电动机的运行特性2．他励直流电动机的运行特性2）转矩特性1.5.4直流电动机的运行特性2．他励直流电动机的运行特性3）效率特性1.5.4直流电动机的运行特性2．他励直流电动机的运行特性3）效率特性1.5.4直流电动机的运行特性2．他励直流电动机的运行特性1．并励直流发电机的自励过程并励直流发电机的接线如图所示。并励直流发电机的励磁电流由发电机自身电枢供给，不需要其他电源供电，因此使用比较方便。1.5.5直流发电机的运行特性目前，直流发电机的应用已经很少，已逐渐被体积小、效率高、成本低、使用维护方便的整流电源代替。本任务仅介绍目前有些场合还在使用的并励直流发电机。1．并励直流发电机的自励过程当并励直流发电机额定运行时，励磁电流只占额定电流的很小一部分（约5%）。并励直流发电机可利用其本身的剩磁建立稳定的电压，该过程称为自励过程。1.5.5直流发电机的运行特性将一个磁体在闭路环境下用外磁场充磁到磁饱和，然后撤销外磁场，此时磁体保存的磁感应强度称为剩磁。剩磁表示磁体本身所能提供的最大磁通。点拨并励直流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，发电机应随着负载电流的变化尽量保持端电压不变或变动较小。如图所示为并励直流发电机的外特性曲线。1.5.5直流发电机的运行特性2．并励直流发电机的外特性由并励直流发电机的外特性曲线可知，当从0逐渐增大时，U

逐渐减小。1.5.5直流发电机的运行特性2．并励直流发电机的外特性并励直流发电机输出电压随负载电流增大而降低的原因有以下三方面。1.5.5直流发电机的运行特性2．并励直流发电机的外特性1.5.5直流发电机的运行特性2．并励直流发电机的外特性砥节砺行直流电机堪称工业领域的“动力心脏”。从轨道交通到新能源装备，在各个关键领域，我国直流电机技术的突破与升级无不彰显着中国制造的硬实力。在制造强国战略指引下，我国直流电机产业正经历从“跟跑”到“领跑”的跨越式发展。这一发展历程凝聚着无数产业工人与科技工作者精益求精的工匠精神、攻坚克难的斗争精神和锐意进取的创新精神。技能实训1——拆装直流电动机一、实训目的（1）掌握直流电动机的基本结构。（2）熟悉直流电动机的拆装技巧。直流电动机1台，木锤、扳手、卡圈钳、记号笔、毛刷、抹布等若干。二、实训器材三、实训步骤1．拆卸直流电动机直流电动机的拆卸示意图如图所示。请按以下步骤拆卸直流电动机。（1）在拆卸直流电动机前，在端盖与机座的连接处、刷架处等位置做好标记，以便于装配。（2）拆除电动机接线盒内的连接线。（3）拆卸后端盖。拆卸时，在后端盖下方垫上木板等软材料，以免后端盖在落下时被摔坏，

然后用木锤通过铜棒沿后端盖的边缘均匀地敲击。三、实训步骤1．拆卸直流电动机（4）从刷握中取出电刷，拆下刷杆上的连接线，然后取下电刷装置。（5）拆下前端盖的螺栓，把转子从定子内小心地抽出来，注意不要碰伤电枢绕组、换向器

及定子绕组，并用厚纸或布将换向器包好，用绳子扎紧。（6）拆下前端盖上的轴承盖螺栓，并取下前端盖和轴承。（7）将前端盖和轴承放在木架上或木板上，并用纸或布包好。三、实训步骤1．拆卸直流电动机（7）将前端盖和轴承放在木架上或木板上，并用纸或布包好。2．装配直流电动机直流电动机装配顺序与拆卸顺序相反，装配时应按所做标记校正电刷的位置。四、注意事项（1）拆卸带有电刷的直流电动机时，应先将电刷自刷握中取出，并在电刷中性线的位置做上标记。（2）抽出转子时，必须注意不要碰伤定子绕组。对于重量不大的转子，可用手将其抽出；对于重量较大的转子，应该用起重设备将其吊出。（3）对于装有滚动轴承的电动机，应先拆下轴承外盖，再松开端盖的紧固螺栓，并在端盖与机座外壳的接缝处做好标记。（4）拆卸端盖时，应将卸下的端盖紧固螺栓拧入端盖上专门设置的两个螺孔中，将端盖顶出。技能实训2——测试他励直流电动机的运行特性一、实训目的掌握他励直流电动机的运行特性及其测试方法。二、实训器材三、实训步骤三、实训步骤谢谢观看下节再见第2章直流电动机的电力拖动电机与拖动基础本章导读直流电动机电力拖动系统高效运行的关键在于对其机械特性的精确控制。直流电动机的机械特性描述了直流电动机转轴上所产生的转矩与相应转速之间的关系。研究直流电动机在启动、调速、制动、反转等运行方式下的机械特性，对优化生产工艺流程、提高电力拖动系统运行效率有着重要意义。本章主要介绍电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性，直流电动机的机械特性，以及直流电动机的启动、调速、制动和反转的工作原理等内容。

掌握电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性。

掌握直流电动机的机械特性。

掌握直流电动机常用的启动、调速、制动、反转方法及其工作原理。

掌握直流电动机启动、调速、制动和反转运行时的机械特性。知识目标 能测定直流电动机的机械特性。 能测试直流电动机的启动电路、调速电路和制动电路。技能目标 弘扬精益求精、追求卓越的工匠精神。 厚植民族自豪感和文化自信心。 树立历史使命感和社会责任感。素质目标2.1电力拖动系统的运动方程2.1.1运动方程单轴电力拖动系统及轴上转矩如图所示。（a）单轴电力拖动系统

（b）轴上转矩2.1.1运动方程2.1.1运动方程2.1.1运动方程2.1.1运动方程电动机和生产机械的飞轮矩可在相应的产品目录中查询。点拨如图所示，为减少公式中的负号，多以电动机处于电动状态时的旋转方向为正方向。然后按照以下原则确定转矩和转速的正负号。2.1.2运动方程中正负号的规定（1）转速的方向与规定的正方向相同时为正，相反时为负。（2）电磁转矩

的方向与规定的正方向相同时为正，相反时为负。（3）负载转矩

的方向与规定的正方向相反时为正，相同时为负。2.1.3电力拖动系统的运动状态电力拖动系统的运动状态会随着生产机械负载类型和工作状况的变化而变化，电力拖动系统是处于静止、匀速、加速还是减速状态，可根据其运动方程来判定。首先按规定确定运动方程各转矩、转速的正负号，然后通过运动方程来判断电力拖动系统的运动状态，判断依据如下。2.1.3电力拖动系统的运动状态2.2电力拖动系统的负载转矩特性若生产机械负载转矩的大小为常数，即与转速无关，则这种负载称为恒转矩负载。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。反抗性恒转矩负载特点：2.2.1恒转矩负载属于这类特性的生产机械有轧钢机、机床的平移机构等。位能性恒转矩负载特点：2.2.1恒转矩负载2.2.2恒功率负载特点：2.2.3风机、泵类负载2.3直流电动机的机械特性2.3直流电动机的机械特性典例讲解：直流电动机的机械特性2.3.1机械特性的方程他励直流电动机的电路原理如图所示。他励直流电动机的3个基本方程为：2.3.1机械特性的方程2.3.2固有机械特性2.3.3人为机械特性为达到应用目的，人为地改变电动机的电路参数（如电枢电压、磁通、电枢电路电阻），所得到的机械特性称为人为机械特性。他励直流电动机的人为机械特性主要有以下三种。电枢电路串电阻

改变电枢电压

减弱磁通

电枢电路串电阻时的人为机械特性2.3.3人为机械特性电枢电路串电阻时的人为机械特性曲线如图所示。2.3.3人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性2.3.3人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性2.3.3人为机械特性减弱磁通时的人为机械特性2.3.3人为机械特性

图1

图2减弱磁通时的人为机械特性曲线如图1

所示。它是既不平行又不呈放射状的一组曲线。2.3.3人为机械特性上述对他励直流电动机的固有或人为机械特性的分析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，因此会使机械特性曲线出现上翘现象，如图2

所示。2.3.3人为机械特性对于容量较小的他励直流电动机，电枢反应引起的去磁效应一般不严重，对机械特性影响不大，可忽略不计。对于容量较大的他励直流电动机，可在主磁极上加上一个补偿绕组，使电枢电流通过该绕组，由此产生的磁通即可补偿电枢反应引起的去磁效应，使机械特性曲线不出现上翘现象。在直流电动机的运行中，电枢反应引起的去磁效应因电动机容量的不同而存在差异。对于小容量直流电动机，去磁效应较弱，可忽略不计；对于大容量直流电动机，则需要采取补偿措施。这启示我们，在工程实践中，应做到具体问题具体分析，根据实际情况灵活采取应对措施，不能一概而论。这种辩证的思维方式要求我们充分尊重客观规律，深入剖析实际状况，进而做出科学合理、切实可行的决策。砥节砺行2.4直流电动机的启动2.4直流电动机的启动直接启动是指直接在电枢上加载额定电压的启动方式，如图所示。2.4.1直接启动2.4.1直接启动直流电动机直接启动时的启动电流较大，可能会使设备受损，甚至烧毁设备。这正如我们开启事业，若毫无准备贸然行动，则可能会被现实难题“烧坏”热情。因此，我们应以科学规划为基础，以专业素养为保障，循序渐进实现自己的职业理想。砥节砺行（a）接线图

（b）机械特性2.4.2电枢电路串电阻启动2.4.2电枢电路串电阻启动他励直流电动机串三级电阻启动的启动过程如下。（a）接线图

（b）机械特性2.4.2电枢电路串电阻启动他励直流电动机串三级电阻启动的启动过程如下。（a）接线图

（b）机械特性2.4.2电枢电路串电阻启动（a）接线图

（b）机械特性他励直流电动机串三级电阻启动的启动过程如下。2.4.2电枢电路串电阻启动他励直流电动机串三级电阻启动的启动过程如下。（a）接线图

（b）机械特性2.4.2电枢电路串电阻启动电枢电路串电阻启动具有设备简单、操作方便的特点，但启动能耗较大，因此不宜用于频繁启动的大、中型电动机，多用于小型电动机。降压启动是指在启动时降低施加在电动机电枢绕组两端的电源电压，以减小启动电流，待电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动转矩维持在一定的范围，保证电动机按需要的加速度增速的启动方式。他励直流电动机降压启动的接线图和机械特性曲线如图所示。（a）接线图

（b）机械特性2.4.3降压启动2.4.3降压启动2.4.3降压启动2.5直流电动机的调速2.5直流电动机的调速许多生产机械在不同的工作条件下对电动机的运行速度有不同的要求。例如，车床切削工件时，精加工用较高速度，粗加工用较低速度；龙门刨床刨削工件时，刀具切入和切出工件时用较低速度，工作台返回时则用较高速度。电动机的调速是指调节电力拖动系统的转速。其中，改变传动机构传速比的调速方式称为机械调速；通过改变电动机的运行参数来改变电动机转速的调速方式称为电气调速。本节仅介绍电气调速。下面以他励直流电动机为例进行介绍。直流调速电机的应用1．调速范围2.5.1调速范围2.5.1调速范围2．静差率2.5.1调速范围2．静差率4．调速的经济性调速的经济性主要由调速所需的设备投资、调速过程中的能量损耗以及电机在调速时能否得到充分利用等因素决定。所选择的调速方法，既要满足负载的要求，又要使电动机得到充分利用。电动机得到充分利用的标志是使电动机的工作电流为其额定电流。通常，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，这样配合可使电动机得到充分利用。2.5.1调速范围3．调速的平滑性2.5.2调速方式他励直流电动机常用的调速方式电枢电路串电阻调速降压调速弱磁调速2.5.2调速方式1．电枢电路串电阻调速（1）设备简单，投资少，只需增加电阻和切换开关，操作方便。（2）属于恒转矩调速方式，电动机转速只能由额定转速向下调。（3）只能分级调速，调速平滑性差。（4）低速时，机械特性很软，转速受负载影响变化大，电能损耗大，经济性差。特点：2.5.2调速方式目前，这种调速方式只用在对调速性能要求不高的场合，且多用于小功率电动机。1．电枢电路串电阻调速2.5.2调速方式2．降压调速（1）降压调速时，机械特性的斜率不变，因此调速的稳定性好。（2）电压可做连续变化，调速的平滑性好，调速范围广。（3）属于恒转矩调速，电动机的电枢电压不允许超过额定电压值，只能由额定电压向下降低电压调速，即只能减速。（4）电源设备的投资费用较大，但电能损耗小、效率高。2.5.2调速方式随着晶闸管变流技术的飞速发展，降压调速在电力拖动系统中的应用越来越广泛。2．降压调速特点：2.5.2调速方式3．弱磁调速2.5.2调速方式弱磁调速一般通过在励磁电路串联励磁电阻的方法来实现。3．弱磁调速（1）由于调速是在励磁电路中进行的，功率较小，故能量损失少，控制方便。（2）速度变化比较平滑，但转速只能由额定转速向上调，不能在额定转速以下进行

调节，往往只能作为辅助调速，与前两种调速方式结合使用。（3）调速范围较窄，因为在磁通减小太多时，电枢磁场对主磁场的影响增大，会使

电动机换向火花增大，造成换向困难。此外，转速增大时还需考虑机械强度的

影响，最大转速一般控制在1.2倍额定转速的范围内。特点：2.5.2调速方式3．弱磁调速（4）在弱磁调速时，如果负载转矩不变，根据，电枢电流必然增大，因此

要防止电流过大带来的问题，如发热、打火等。特点：直流电动机可通过电枢电路串电阻调速、降压调速、弱磁调速等多种方式实现精准调速，以适应不同的工况需求。人生道路同样如此。面对快速变化的社会环境，我们要灵活调整节奏，顺境时不冒进，逆境中不退缩，沉稳把控人生步伐，驶向理想彼岸。砥节砺行调速时的允许输出是指电动机在一定转速下长期工作所能输出的最大转矩和功率。调速时的允许输出主要取决于电枢电流。当采用不同的调速方法时，允许输出的值也会发生变化。1）电枢电路串电阻调速与降压调速的允许输出2.5.3允许输出和负载配合1．允许输出2）弱磁调速的允许输出2.5.3允许输出和负载配合（a）恒转矩调速

（b）恒功率调速2.5.3允许输出和负载配合2.5.3允许输出和负载配合2．负载配合1）恒转矩调速的负载配合2.5.3允许输出和负载配合2．负载配合2）恒功率调速的负载配合2.5.3允许输出和负载配合2.6直流电动机的制动制动：就是在电动机上加上与原转向相反的转矩，使电动机迅速停转或限制电动机的转速的控制方式。2.6直流电动机的制动电动机的制动方式电气制动能耗制动反接制动回馈制动机械制动2.6本节他励直流电动机2.6直流电动机的制动（2）限制位能性负载的下降速度。这时的制动是指电动机处于某种稳定的制动运行状态，电动机的转矩起到平衡负载转矩的作用。例如，起重机在下放重物时，由于重物的重力作用，下降速度会越来越大，直至超过允许的安全速度，这是很危险的。为防止这种情况发生，可采取合适的制动方法，使电动机的转矩与重物产生的负载转矩相平衡，从而保证下放速度稳定在某一数值。（1）使拖动系统迅速减速转。这时的制动就是指电动机的转速由某一转速减小到零的过程。在制动过程中，电动机的电磁转矩起制动或“刹车”的作用，从而缩短电动机减速至停转的时间，提高生产效率。目

的：2.6.1能耗制动1．能耗制动的方法及原理2.6.1能耗制动1．能耗制动的方法及原理2.6.1能耗制动1．能耗制动的方法及原理在能耗制动过程中，电动机依靠惯性继续旋转，切割磁场后发电，再把由机械能转换成的电能消耗在能耗制动电阻上。优点：所需设备简单，成本低，制动减速平稳可靠。缺点：能量消耗在电阻上，无法利用；制动转矩随转速变小而相应变小，制动时间较长。2.6.1能耗制动2．能耗制动电阻的计算2.6.1能耗制动3．能耗制动的机械特性2.6.1能耗制动能耗制动的机械特性曲线如图所示2.6.2反接制动反接制动电压反接制动倒拉反转反接制动1）电压反接制动的方法及原理2.6.2反接制动如图所示为电压反接制动的工作原理，图中已标明各参量的正方向1．电压反接制动2.6.2反接制动1）电压反接制动的方法及原理2.6.2反接制动1）电压反接制动的方法及原理2.6.2反接制动电压反接制动一般应用在需要快速制动的小功率直流电动机上。优点：制动转矩比较恒定，制动较强烈，操作比较方便；缺点：需要从电网吸取大量的电能，而且对机械负载有较强的冲击。1）电压反接制动的方法及原理点拨在电压反接制动时，励磁电流应当保持不变。当电动机转速减小至100r/min左右时，应立即切断电源，以防止电动机反转。2.6.2反接制动2）反接制动电阻的计算2.6.2反接制动3）电压反接制动的机械特性电压反接制动的机械特性如图所示2.6.2反接制动（a）

（b）2.6.2反接制动2．倒拉反转反接制动2.6.2反接制动2．倒拉反转反接制动（a）

（b）2.6.2反接制动2．倒拉反转反接制动（a）

（b）2.6.2反接制动2．倒拉反转反接制动2.6.3回馈制动优点：产生的电能可反馈回电网中，使回馈电能获得利用，经济性好；缺点：

2.6.3回馈制动1．拖动位能性负载时的回馈制动（a）

（c）2.6.3回馈制动1．拖动位能性负载时的回馈制动（b）

（c）2.6.3回馈制动1．拖动位能性负载时的回馈制动（b）

（c）2.6.3回馈制动改变电枢电压过程中回馈制动的机械特性曲线为一组平行曲线，如图所示。2．改变电枢电压过程中的回馈制动2.6.3回馈制动2．改变电枢电压过程中的回馈制动点拨在增磁的过程中也可能出现回馈制动，同样是起加快减速的作用。2.7反转2.7反转2.7反转由于他励直流电动机的励磁绕组匝数多，电感大，励磁电流从正向额定值变到反向额定值的时间长，反向过程缓慢，而且在励磁绕组反接断开瞬间，绕组中将产生很大的自感电动势，可能造成绝缘击穿，因此实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现他励直流电动机的反转。但在他励直流电动机容量很大、对反转速度变化要求不高的场合，为了减小控制电器的容量，可采用改变励磁绕组极性的方法来实现他励直流电动机的反转。技能实训1——测定直流电动机的机械特性一、实训目的（1）掌握他励直流电动机在电枢电路串电阻时的人为机械特性。（2）熟悉他励直流电动机在改变电枢电压时的人为机械特性。（3）熟悉他励直流电动机在减弱磁通时的人为机械特性。他励直流电动机1台，直流电动机—发电机1台，转速表1块，直流电压表2块，直流电流表4块，可变电阻器（，）4个，开关3个，导线若干。二、实训器材三、实施步骤1．电枢电路串电阻时人为机械特性的测定1．电枢电路串电阻时人为机械特性的测定表2-1电枢电路串电阻时人为机械特性的测量结果（一）表2-2电枢电路串电阻时人为机械特性的测量结果（二）2．改变电枢电压时人为机械特性的测定2．改变电枢电压时人为机械特性的测定表2-3

改变电枢电压时人为机械特性的测量结果（一）表2-4

改变电枢电压时人为机械特性的测量结果（二）3．减弱磁通时人为机械特性的测定3．减弱磁通时人为机械特性的测定表2-5

减弱磁通时人为机械特性的测量结果（一）表2-6

减弱磁通时人为机械特性的测量结果（二）4．绘制人为机械特性曲线根据以上测量数据，分别绘制他励直流电动机在不同条件下的人为机械特性，分析其变化规律，总结其特点。四、注意事项（1）测量前，应注意仪表的量程、极性及其接法是否符合要求。（2）他励直流电动机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源，最后将与电枢绕组串联的启动电阻调到最大值，励磁电路串联的电阻调到最小值，给下次电动机的启动做好准备。（3）试验中若需改接线路，必须先切断励磁电源，然后才能进行改接，否则容易损坏仪表。技能实训2——测试直流电动机的启动电路一、实训目的（1）掌握他励直流电动机的启动方法。（2）掌握他励直流电动机启动电路的测试方法。他励直流电动机1台，转速表1块，直流电压表、直流电流表各2块，可变电阻器（）1个，开关1个，导线若干。二、实训器材三、实训步骤表2-7

他励直流电动机启动电路的测量和计算结果三、实训步骤三、实训步骤技能实训3——测试直流电动机的调速电路一、实训目的（1）掌握他励直流电动机的调速方法。（2）掌握他励直流电机调速电路的测试方法。二、实训器材他励直流电动机1台，转速表1块，直流电压表、直流电流表各2块，可变电阻器（，）2个，开关1个，导线若干。三、实训步骤（1）按如图所示连接电路，启动电动机。表2-8他励直流电动机调速电路的测量结果（一）三、实训步骤表2-9他励直流电动机调速电路的测量结果（二）三、实训步骤技能实训4——测试直流电动机的制动电路一、实训目的（1）掌握他励直流电动机的制动方法。（2）掌握他励直流电动机制动电路的测试方法。二、实训器材常用电工工具1套，他励直流电动机1台，直流电动机—发电机1台，直流电压表、直流毫安表、直流安培表各2块，可调电阻器（

，，）4个，单刀双掷转换开关2个，导线若干。三、实训步骤1．能耗制动的机械特性表2-10能耗制动机械特性的测量结果2．反接制动的机械特性表2-11反接制动机械特性的测量结果3．回馈制动的机械特性3．回馈制动的机械特性表2-12回馈制动机械特性的测量结果根据以上测量数据，分析他励直流电动机不同制动方式的特点，总结不同制动方式下电动机的机械特性。谢谢观看下节再见电机与拖动基础第三章变压器本章导读变压器是一种能够转移电能而不改变交流电源频率的静止电能转换器。它可利用电磁感应原理，将一种电压、电流等级的交流电，转变成同频率的另一种或多种电压、电流等级的交流电。变压器作为电力系统的基础设备，在工业、农业、交通运输等多个领域发挥着关键作用。本章主要介绍变压器的基本结构、工作原理和铭牌数据，小型变压器的参数设计方法，单相、三相变压器的运行特性，以及特种变压器的工作原理和典型应用。 了解变压器的作用和分类。

掌握变压器的基本结构和工作原理。

掌握小型变压器的参数设计方法。

掌握单相变压器的运行特性及参数的测定方法。

掌握三相变压器的磁路结构和联结组。 熟悉三相变压器并联运行的优点和条件。 熟悉常用特种变压器的工作原理和典型应用。知识目标 能绕制小型单相变压器。 能进行单相变压器的空载和短路测试。 能判断三相变压器的绕组极性和联结组别。技能目标 养成脚踏实地、求真务实的工作作风。 弘扬积极创新、服务人民的职业精神。 践行服从纪律、团结协作的团队精神。素质目标第三章变压器在电力系统中，变压器是输配电环节常用的电气设备。在输电环节，采用升压变压器来提高电能的电压等级，可降低输电线路对导线截面积的要求，减小输电线路上的电压降，从而减小输电线路上的功率损耗。在配电环节，为了保证人们的用电安全和满足用电设备的电压要求，需要用降压变压器将电网的电压降为用电设备所需的电压。变压器不只用于变压，还可用于耦合电路、传递信号、实现阻抗匹配等。我们要学习变压器的“自适应”能力，在夯实专业基础的同时，不断拓展知识边界，多学本领，练就过硬技术，以变应变，驭势而行。砥节砺行3.1变压器的基本结构（1）按用途分类电力变压器应用于电力系统中进行变配电的变压器，常用的有升压变压器、降压变压器、配电变压器等特种变压器是具有特殊用途的变压器的统称，如自耦变压器、互感器、电焊变压器、整流变压器、矿用变压器、冲击变压器等。3.1变压器的基本结构变压器的分类及适用场景（2）按电源的相数分类单相变压器三相变压器多相变压器。3.1变压器的基本结构虽然变压器的种类繁多，但其基本结构是相同的，即变压器主要由绕组和铁芯两部分组成。绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘铜或铝导线绕制而成，可由一个线圈组成，也可由多个线圈串联组成。线圈的层间和匝间、线圈和铁芯之间，以及不同线圈之间，都要进行绝缘处理。绕组用于连接电路，以产生磁通和感应电动势。在变压器工作时，与电源连接的绕组称为一次绕组（或初级绕组、原边绕组），与负载连接的绕组称为二次绕组（或次级绕组、副边绕组）。通常，一、二次绕组的匝数并不相等，匝数较多的绕组工作电压较高，称为高压绕组；匝数较少的绕组工作电压较低，称为低压绕组。3.1.1绕组铁芯是变压器的磁路部分，它由铁芯柱和铁轭两部分组成。其中，铁芯柱上套有绕组；铁轭上不套绕组，用于连接铁芯柱，以形成闭合磁路。为了减小铁损，铁芯通常由高磁导率的铁磁性材料——硅钢片叠装而成，硅钢片的厚度为0.35mm或0.5mm，表面涂有0.02～0.23mm厚的绝缘漆，使片与片之间绝缘。芯式变压器：铁芯呈口形，铁芯柱分布在铁芯两侧，绕组缠绕在铁芯柱上，构成绕组包围铁芯的形式，如图所示。根据铁芯和绕组