《电机与电气控制技术》课件-项目2：直流电机

直流电机的结构与运行任务一

认识直流电机（1）地铁列车每天上下学乘坐的地铁列车，启动时平稳迅速，能根据路况灵活调整速度精密机床工厂里的精密机床，能精准控制运转节奏，加工出误差极小的零件课程导入直流电机课程导入未来从事的职业可能与直流电机打交道：电气自动化专业工业设备维护电力系统设计新能源技术研发工矿、交通、建筑等行业的“动力心脏”“智能制造”“绿色出行”的重要支撑目录CONTENTS直流电机的定义//PARTONE//01直流电机的特点//PARTTWO//02直流电机的应用场合//PARTTHREE//03一、直流电机的定义实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械直流电机：直流发电机将机械能转变成直流电能的电机直流电动机直流发电机直流电动机将直流电能转变成机械能的电机一、直流电机的定义直流电机电行业人员的重要工作对象之一行业常见动力机械工矿行业交通行业建筑行业电气自动化专业技术人员熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点掌握主要参数的分析计算操作正确熟练地使用直流电机二、直流电机的特点优点缺点优良的调速性能和启动性能制造工艺复杂宽广的调速范围，平滑的无级调速特性消耗有色金属较多过载能力大，能承受频繁的冲击负载生产成本高可实现频繁的无级快速启动，制动和反转电刷与换向器之间易产生火花，可靠性较差能满足自动化生产系统各种不同的特殊运行要求维护较困难在一些对调速性能要求不高的领域中，已被交流变频调速系统所取代三、直流电机的应用场合电动机：具有良好的启动和调速性能应用于对启动和调速有较高要求的场合大型可逆制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大型起重机总结直流电机：支撑工矿、交通等领域发展的关键设备制造需精准工艺，应用需严谨操作契合电气行业“工匠精神”电气专业学子为投身“中国制造2025”、推动工业智能化与绿色出行打基础未来凭专业能力助力制造强国建设，践行科技报国使命总结观察身边的设备，找找直流电机的应用并分析原因课后任务知识回顾

直流电机定义与分类1

优劣势及适配场景2

广泛应用3直流电机的结构与运行任务一

认识直流电机（2）课程导入玩具车飞速行驶工厂里的传送带平稳运转思考一下这些设备里的直流电机，究竟是由哪些部分协同工作，才能实现能量转换的呢？课程导入直流电机定子转子主磁极换向磁极机座端盖电刷装置磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置转轴换向器电枢铁心电枢绕组产生电动势，流过电流，形成电磁转矩目录CONTENTS直流电机的定子//PARTONE//01直流电机的转子//PARTTWO//02气隙的作用//PARTTHREE//03指电机静止不动的核心组成部分直流电机的定子部分一、直流电机的定子产生磁场提供机械支撑构成磁路主要功能：一、直流电机的定子（1）机座机座：外壳部分定子中的重要组成部分机座的作用01固定主磁极、换向极、端盖等部件02作为电机磁路的一部分，称为磁轭一般用铸钢制成或用厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和力学强度一、直流电机的定子（2）主磁极直流电机的主磁极总是成对的，相邻主磁极的极性按N极和S极交替排列整个磁极用螺钉固定在基座上作用产生气隙磁场组成由主磁极铁心和主磁极绕组即励磁绕组构成一、直流电机的定子（2）主磁极一般由1.0~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成主磁极铁心极身极靴极靴做成弧形，以使磁极下气隙磁通较均匀极身套有由绝缘铜线绕制而成的励磁绕组❖绕组中通入直流电流时即产生磁性一、直流电机的定子（3）换向极直流电机的定子中，在两个主磁极N、S之间的小磁极换向极装在相邻两组磁极之间，用螺钉固定在机座上换向极：作用：改善换向减小火花基本结构：由铁心和套在铁心上的绕组构成换向极铁心一般用整块钢制成如果换向要求较高，则用1.0~1.5mm厚的钢板叠压而成，其绕组中流过的是电枢电流一、直流电机的定子（4）电刷装置组成电刷刷握刷杆刷杆架弹簧铜辫电刷是碳-石墨等做成的导电块，电刷装在刷握的刷盒内，用弹簧把它紧压在换向器的表面上电刷的作用01与换向器配合将转动的电枢绕组电路与外电路相连接02把电枢绕组中的交流电转变成电刷两端的直流电03把电源的直流电转变成电枢绕组中的交流电二、直流电机的转子转子部分电机的旋转核心组件电枢铁心电枢绕组换向器转轴转轴核心功能实现能量转换：在电动机中将电能转化为机械能，在发电机中将机械能转化为电能二、直流电机的转子（1）电枢铁心构成电机磁路的一部分嵌放电枢绕组一般用0.5mm厚两边涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，以减小电枢旋转时产生的涡流和磁滞损耗外圆周开有许多均匀分布的槽，嵌放电枢绕组，电枢铁心固定在转轴或转子支架上二、直流电机的转子（2）电枢绕组组成由许多绝缘导线绕制的线圈组成各线圈分别嵌放在不同的电枢铁心槽中，电枢绕组每个线圈的两个端头接在不同的换向片上，按一定的规律构成闭合回路作用产生感应电动势和电磁转矩

实现机、电能量转换电枢绕组是电机的核心部件二、直流电机的转子（3）换向器01换向器与电刷配合在发电机中将电枢绕组中的交流电转换为电刷间的直流电，起整流作用02在电动机中将电源的直流电转换为电枢绕组中的交流电，保持电磁转矩的方向不变组成换向器是由许多带有燕尾槽的楔形铜片组成的一个圆筒铜片之间用云母片绝缘，由套筒、云母片和螺母紧固成一个整体中小型直流电机中常用金属套筒式换向器，容量小的采用塑料换向器二、直流电机的转子（4）转轴小容量直流电机电枢铁心装在转轴上大容量直流电机轴上装有金属支架，电枢铁心装于支架轴上装有风扇，以加强对电机的冷却主要功能固定电枢铁心1传递机械转矩2三、气隙的作用电机定子和转子之间的空隙是电机磁路的重要组成部分气隙定义在小容量电机中气隙为0.5~3mm，气隙数值虽小，磁阻却很大是电机磁路中的主要组成部分主要功能构成磁路总结思想升华工匠精神机座选材兼顾导磁与强度，电枢铁心叠压减损耗，体现我国制造业精益求精的工匠精神分工协作定子转子协同、电刷换向器配合，彰显“分工协作”理念，如同社会各岗位各司其职、共促发展双碳目标优化设计降耗的思路，与“双碳”目标呼应，引导我们以专业助力绿色发展，为工业强国贡献力量直流电机的结构与运行任务一

认识直流电机（3）01直流电机的“身体构造”02定子、转子和气隙各自的组成与功能课程导入知识回顾这些零件组装好后，电机要靠什么产生驱动运转的磁场？没有磁场，转子可就无法实现能量转换，电机也只能是一堆静止的金属部件励磁方式供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式直流电机按励磁方式的不同分类：他励自励自励电机按励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同分类：并励串励复励励磁方式(1)他励直流电机直流电机的励磁绕组与电枢绕组无电路上的联系励磁电流If由一个独立的其他直流电源提供与电枢电流Ia无关I=Ia(2)并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联在发电机中：励磁电流由发电机自身提供在电动机中：励磁绕组与电枢绕组并接于同一外加直流电源发电机满足Ia=I+If电动机满足Ia=I-If励磁方式(3)串励直流电机

励磁绕组与电枢绕组串联在发电机中：励磁电流由发电机自身提供在电动机中：励磁绕组与电枢绕组串接于统一外加直流电源

满足:I=Ia=If(4)复励直流电机

电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联总结从独立控制参数到结合技术优势：每一种设计都对应着具体的需求场景就像我国的发展制定差异化发展策略，实现整体高质量发展希望大家课后能梳理今天的知识点，对比四种励磁方式的异同思考：生活中哪些设备可能采用了这些励磁方式？直流电机的结构与运行任务一

认识直流电机（4）课程导入直流电机：知识回顾基本特点广泛用途精密结构适配场景思考一下这台由众多部件组成的机器，究竟是如何像定义中说的那样，实现电能与机械能的高效转换呢？目录CONTENTS直流发电机的工作原理//PARTONE//01直流电动机的工作原理//PARTTWO//02一、直流发电机的工作原理主磁极：N，S——产生静止磁场（定子）电刷：与换向器滑动接触，使旋转的电路与外界静止的电路相连接（定子）电枢绕组：绝缘导体ab与cd构成的线圈，

安放在电枢铁芯上（转子）换向器：换向片构成的整体叫换向器，固定在转轴上，且与转轴相互绝缘。（转子）

一、直流发电机的工作原理绕组元件ab、cd的两端a和d分别与两片相互绝缘的半圆形铜片换向器相接1通过电刷A、B与外电路相连2工作原理图直流发电机的主要部件构成定子上有两个磁极N和S，它们建立恒定磁场两磁极中间是装在转子上的电枢绕组一、直流发电机的工作原理（1）线圈旋转与感应电动势产生电枢逆时针方向旋转线圈两个有效边ab和cd将切割磁场磁力线产生感应电动势方向按右手定则确定在S极下由d→c，在N极下由b→aA+B-灯泡点亮负载电流方向由A→B一、直流发电机的工作原理（2）线圈转过90°：感应电动势为零电枢逆时针方向旋转90°：线圈ab和cd与磁力线平行不切割磁力线感应电动势为零，灯泡不亮虽然两电刷同时与两铜片相接，把线圈短路，但线圈中无电动势和电流电枢逆时针方向转过180°电动势方向改变，S级下a→b，N级下c→d电刷A和电刷B所接触的铜片互换，电刷A为正极，电刷B为负极，输出电流方向不变，右手定则确定方向一、直流发电机的工作原理（3）线圈转过180°：电流方向保持不变线圈两个有效边ab和cd切割磁场磁力线产生感应电动势电压A+B-，灯泡点亮一、直流发电机的工作原理（4）线圈转过270°：与90°

状态一致电枢逆时针方向旋转270°线圈ab和cd与磁力线平行不产生感应电动势灯泡不亮一、直流发电机的工作原理01电枢线圈中的产生的电动势e是交变的02电刷A、B间出现了一个极性不变的电动势或电压eAB03电刷和换向器的作用是：整流总结一、直流发电机的工作原理直流电发电机原动机带动线圈每转过一对磁极，其两个有效边中的电动势方向就改变一次两电刷间电动势方向不变，电动势在零和最大值间变化电动势方向不变，但大小波动很大

电动势没有实用价值要减小电动势的波动程度使用的电机在电枢圆周表面装有较多数量互相串联的线圈和相应的铜片数换向后合成电动势的波动程度减小实际发电机的线圈数较多，所以电动势波动很小，可认为是恒定不变的直流电动势通过电刷和换向器的作用在电刷两端输出方向不变的直流电动势原动机带动直流发电机电枢旋转时在电枢绕组中产生方向交变的感应电动势一、直流发电机的工作原理二、直流电动机的工作原理直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同此时，电枢不用外力驱动，而是把电刷A、B接到直流电源上01假定电流从电刷A流入线圈，沿a→b→c→d方向从电刷B流出02载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用，其方向按左手定则确定二、直流电动机的工作原理（1）线圈受力与电枢旋转ab边由于受到向左的力，cd边受到向右的力形成电磁转矩，使电枢逆时针方向转动左手定则：当电枢转过90度时线圈运动方向平行于磁力线方向因此虽无电流和力矩，但在惯性的作用下继续逆时针旋转二、直流电动机的工作原理（2）线圈转过180°：旋转方向不变电流从电刷A流入线圈，沿d→c→b→a方向，从电刷B流出通过线圈的电流方向改变，但两个线圈边受电磁力的方向没改变电动机朝一个方向旋转二、直流电动机的工作原理01用基础定律指导设计02优化结构提升性能03动态协调保证稳定高铁的稳定运行航天飞船精准控制总结观察家里的小风扇（若为直流电机），通电时它如何转动，断电后若手动转动扇叶，能不能理解为“临时发电机”？课后任务知识回顾

直流电机的工作原理1

右手定则、整流作用2

工程技术中的多重思维3直流电机的结构与运行任务二

直流电机的运行（1）课程导入工厂里驱动生产线的大功率电机身边电动玩具里的微型马达思考一下当按下启动开关，电机能稳定转动、输出动力，哪些关键物理量在“默默工作”？课程导入知识回顾：直流电动机和直流发电机转动时，电枢绕组都会由于切割主磁极产生的磁力线而感应出电枢电动势由于电枢绕组中有电流流过，电枢电流与主磁场作用又会产生电磁转矩直流电机的电枢绕组中同时存在着电枢电动势和电磁转矩，对电机的运行起重要作用目录CONTENTS电枢电动势//PARTONE//01电枢电动势的计算方式//PARTTWO//02一、电枢电动势定义指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，就是电枢绕组支路中各元件的感应电动势之和电枢电动势二、电枢电动势的计算方式当电枢位于几何中性线时理论推导和实验测试均可以证明电枢电动势Ea可按下式计算：

N——电枢导体总数a——电枢绕组并联支路对数

Φ——每个磁极的磁通量，Whn——电机的转速，r/minEa——电枢电动势，V二、电枢电动势的计算方式已经制造好的电动机其电枢电动势的大小正比于每个磁极的磁通量Φ和转速n通过调节励磁电流If的大小（即每个磁极的磁通量Φ）和转速n的高低都可以达到改变电枢电动势Ea大小的目的电枢电动势Ea的方向

由电机的转向和主磁场的方向根据右手定则决定若两者只改变其一电枢电动势Ea的方向改变若两者同时改变电枢电动势Ea的方向不变直流电动机将电能转化为机械能的物理量，由电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩二、电枢电动势的计算方式电枢绕组中载流导体在定子磁场中受到的安培力所形成的旋转力矩本质：直接决定电机的拖动能力二、电枢电动势的计算方式电磁力公式每根载流导体在磁场中所受到的电磁力：f=Bli给定的电机01磁感应强度B与每个磁极的磁通量Φ成正比02导体中的电流i与电枢电流Ia成正比导体在磁场中的有效长度、导体总数及电枢半径等取决于电机的结构二、电枢电动势的计算方式由于电枢绕组中各导体所产生的电磁转矩方向是一致的，因此直流电机总的电磁转矩T的大小可以表示为

对于已经制造好的直流电机其电磁转矩T的大小正比于每个磁极的磁通量Φ和电枢电流Ia

Ia——电枢电流，AT——电磁转矩，N·m电磁转矩T的方向由主磁场的方向和电枢电流Ia的方向根据左手定则决定二、电枢电动势的计算方式同一台直流电机中电枢电动势常数和电磁转矩常数是恒定的，两者之间有如下关系：CT=9.55Ce电枢电动势和电磁转矩同时存在于发电机和电动机中，所起的作用却各不相同总结01我们不再只做规则的“读者”，而要当“作者”02在高端电机、在智能驱动、在碳中和的赛道上，写下属于中国青年的9.559.55是圆周率、是60/2π，是自然规律给人类的统一答案无论世界如何分工，科学规律不会分国界谁能把规律写成产品、铸成重器，谁就拥有话语权总结如果要改变直流电动机的转向，结合电磁转矩的方向判断方法，有哪些调节方式？核心问题回顾知识总结

电枢电动势1

电磁转矩2直流电机的两个核心物理量直流电机的结构与运行任务二

直流电机的运行（2）目录CONTENTS直流电机基本方程式的核心地位//PARTONE//01直流他励发电机的基本方程式//PARTTWO//02直流并励电动机的基本方程式//PARTTHREE//03一、直流电机基本方程式的核心地位了解和分析直流发电机、直流电动机直流电机的基本方程式主要方法重要手段电压方程式转矩方程式功率方程式直流电机的基本方程式：二、直流他励发电机的基本方程式（1）他励发电机的工作原理与电压方程式直流他励发电机工作原理图其电枢在原动机驱动下旋转（输入机械能）切割励磁绕组的磁场产生感应电动势，通过换向器和电刷对外输送直流电能他励发电机的励磁绕组由其他直流电源提供电流直流发电机的电枢在原动机驱动下按逆时针方向旋转n是电枢转速T是电枢的电磁转矩Ea是电枢感应电动势Ia是电枢电流If是励磁绕组的励磁电流T1是原动机的驱动转矩T0是空载转矩U是发电机接负载时端电压Uf是励磁绕组的励磁电压Φ是励磁绕组产生的主磁通二、直流他励发电机的基本方程式（1）他励发电机的工作原理与电压方程式直流他励发电机工作原理图方程式按照图示各电量给定的正方向，直流发电机运行时的电枢回路电压方程：U=Ea−IaRaRa电枢回路总的等效电阻电枢绕组电阻

电刷接触电阻直流发电机运行时输出端电压U总是小于电枢电动势Ea二、直流他励发电机的基本方程式（2）他励发电机的转矩方程式直流他励发电机工作原理图01发电机空载时Ia=0、U=Ea；接上负载时电枢回路有电流Ia，与主磁通作用产生电磁转矩T02按左手定则可判定发电机电磁转矩T与驱动转矩T1方向相反，称为空载转矩T0直流发电机稳态运行时，原动机的驱动转矩与制动性质转矩平衡T1=T+T0二、直流他励发电机的基本方程式（3）他励发电机的功率方程式直流发电机工作时原动机从轴上输入机械功率P1扣除克服轴承及电刷摩擦和冷却风扇等的机械损耗pm扣除主磁通在铁心中的损耗pFe剩下的机械功率用来进行机、电能量转换，转换为电功率这部分功率称为电磁功率PM，即：PM=Tω=EaIa二、直流他励发电机的基本方程式（3）他励发电机的功率方程式机械功率转换为电功率后：要在电枢回路的内阻Ra上消耗掉一部分功率pCua，最后剩下的才是从电刷两端输出的电功率P2直流他励发电机的功率方程式pCuf+P1=pCuf+pm+pFe+pCua+P2他励发电机由其他直流电源供给，若为并励发电机，则由发电机本身提供三、直流并励电动机的基本方程式（1）并励电动机的工作原理与电压方程式直流并励电动机的工作原理励磁绕组中流过励磁电流If，建立主磁场并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联电枢绕组中流过电枢电流Ia电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩T，使电枢朝转矩T的方向以转速n旋转将电能转换为机械能，带动生产机械工作三、直流并励电动机的基本方程式（1）并励电动机的工作原理与电压方程式直流并励电动机的工作原理直流并励电动机有两个电流回路：工作原理图励磁回路电枢回路反电动势电动机通电旋转后，电枢导体切割主磁场，产生电枢电动势Ea，电动机中，此电动势方向与电枢电流Ia方向相反❖直流电动机在电动状态下运行，电枢电动势Ea小于端电压U三、直流并励电动机的基本方程式01电磁转矩T，方向与转速n方向相同，为驱动性质转矩02电动机空载损耗形成的转矩T0，是电动机空载运行时的制动转矩，方向与转速n方向相反03轴上所带生产负载转矩TL，一般为制动性质转矩直流电动机正常工作时，作用在轴上的转矩有三个：TL在大小上也等于电动机的输出转矩T2，稳态运行时直流电动机中驱动性质的转矩总是等于制动性质的转矩（2）并励电动机的转矩方程式三、直流并励电动机的基本方程式（3）并励电动机的功率方程式直流并励电动机的工作原理电源输入的电动率P1=UI电动机中电能转换为机械能的电磁功率PM=EaIa=Tω扣除励磁回路电阻Rf上的铜损耗Pcuf=If2Rf及电枢回路中的铜损耗Pcua=Ia2Ra通过电磁感应关系转换为机械功率三、直流并励电动机的基本方程式（3）并励电动机的功率方程式直流并励电动机的工作原理转换得到的机械功率还要扣除机械损耗和铁损耗，这两者并称空载损耗：p0=pm+pFe剩下直流电动机轴上输出的机械功率

P2=T2ω因此，可得直流并励电动机的功率方程式为：pcuf+P1=pcuf+pm+pFe+pcua+P2思想升华设计发电机用功率方程式计算效率调试电动机用电压方程式控制电流维护设备用转矩方程式判断负载每一个参数的计算都关系到设备的安全、效率和寿命我们在学习中要“知其然，知其所以然”1培养严谨的工程思维2总结如果一台直流并励电动机的负载突然减小，它的转速、电枢电流和电磁转矩会发生怎样的变化？课后思考知识总结

他励发电机的运行规律1

并励电动机的运行规律2直流电机的三大基本方程式直流电机的结构与运行任务三

直流电机的启动和反转课程导入工业生产、机械设备中的关键动力源电机使用寿命运行稳定性供电系统安全电机启动时出现火花、机械抖动周边灯光瞬间变暗目录CONTENTS直流电机启动的核心问题与启动禁忌//PARTONE//01直流电机启动的基本要求//PARTTWO//02直流电机电枢串电阻启动//PARTTHREE//03直流电机减压启动//PARTTHREE//04首先碰到的问题是怎样启动使用电动机一、直流电机启动的核心问题与启动禁忌启动电流Ist的大小启动转矩Tst的大小启动设备是否简单主要问题：一、直流电机启动的核心问题与启动禁忌直流电动机的启动直流电动机接入电源后，转速从零逐渐上升到稳定转速的过程称为启动过程简称启动

电枢回路电阻Ra很小电源电压UN与反电动势Ea接近n≈0Ea=Cenφ≈0Ist=UN/RaRa很小，直接加额定电压启动启动电流很大，可达额定电流的10~20倍启动电流大，使电动机换向恶化，产生严重火花一、直流电机启动的核心问题与启动禁忌电磁转矩与电枢电流成正比：电动机的启动转矩非常大，产生机械冲击，损坏传动机构大电流会使电网的电压波动，将影响同一电网上其他用电设备的正常运行这种直接加额定电压启动的方法称为直接启动除了个别容量极小的电动机可以采用直接启动以外，一般直流电动机不允许直接启动二、直流电机启动的基本要求直流电动机启动的基本要求主要有三点：明确了直接启动的弊端，我们就需要针对性地提出科学的启动标准，确保电机启动过程安全、高效。

01有足够的启动转矩一般为额定转矩的2~2.5倍，以便快速启动，缩短启动时间

02启动电流不能过大，要在一定的范围内一般规定启动电流不应超过额定电流的2~2.5倍

03启动设备安全可靠经济

三、直流电机他励式启动方法（一）——电枢串电阻启动MRaKMUN+-IaRst1Rst2KM1KM2+-OTLT2Tstn0nacehgfdbRaR1R2T三、直流电机他励式启动方法（一）——电枢串电阻启动启动启动电流产生的启动转矩，使电动机开始旋转并加速，随着转速的升高，电枢反电动势增大，电枢电流减小转速上升速度慢下来，为缩短启动时间，随着转速的升高，应把启动电阻Rst平滑的减小直到稳定运行时全部切除，实际上要随着转速升高平滑切除Rst是难以做到，一般把启动电阻器分为若干段，逐段切除三、直流电机他励式启动方法（一）——电枢串电阻启动R1=Ra+Rst1R2=Ra+Rst1+Rst2MRaKMUN+-IaRst1Rst2KM1KM2+-OTLT2Tstn0nacehgfdbRaR1R2T三、直流电机他励式启动方法（一）——电枢串电阻启动启动的过程主电路触头KM接通KM1和KM2断开电枢回路串电阻器Rst1和Rst2启动在电动机励磁绕组中加上额定励磁电流：启动电流等于UN除以三个电阻的和它产生启动转矩Tst，由于启动转矩大于负载转矩，电动机开始旋转随着转速上升，电磁转矩下降MRaKMUN+-IaRst1Rst2KM1KM2+-三、直流电机他励式启动方法（一）——电枢串电阻启动电动机工作点到e点，电流回升到Ist，电磁转矩到Tst，电动机加速到g点电磁转矩T等于负载转矩TL，稳定运转时的转速等于额定转速如图，启动特性由a到b，加速度逐渐减小，为了得到较大的加速度，到达b点时触点km2接通，将Rst2切除电枢总电阻变为Ra加上Rst1，由于机械惯性切换瞬间电动机的转速不变电枢反电动势不变，电枢电流增大，电磁转矩增大如电阻值设置合理，可使这时的电流等于Ist，电磁转矩等于Tstb到c电动机获得较大的加速度，从c点到达d点三、直流电机他励式启动方法（一）——电枢串电阻启动启动设备简单，初始投资较小启动过程中能量消耗较多，常用于中小容量启动不频繁的直流电动机电枢回路串电阻器额定功率小于2kW直流电动机允许采用一级启动电阻器启动额定功率大于2kW直流电动机应采用多级电阻器启动或降低电枢电压启动❖国家标准规定：四、直流电机他励式启动方法（二）——减压启动01当直流他励电动机的电枢回路由专用可调直流电源供电时，可降低电压限制启动电流02由启动电流公式Ist=UN/Ra可知，启动电流将与电枢电压降低的程度正比例的减小电动机启动前先调好励磁电流，然后将电源电压由低向高调节最低电压对应的人为机械特性上的启动转矩Tst>TL时，电动机开始启动随转速上升，提高电源电压，使电枢电流和电磁转矩维持在一定范围内电动机获得一定的加速转矩，按需要的加速度升高速度直到额定转速四、直流电机他励式启动方法（二）——减压启动01手动调节电源电压时电压不能升太快，否则会产生较大冲击电流，电压升高由主动控制环节自动调节02电压连续升高，并在整个启动过程中保持电枢电流最大，使系统在恒定的加速转矩下迅速启动四、直流电机他励式启动方法（二）——减压启动减压启动过程中能量损耗较小由于电压连续可调，所以电动机启动平滑采用减压启动时，需专用可调压的直流电源设备投资较大因此减压启动常用于要求经常启动的场合以及大中型直流电动机的启动对比两种启动方法，从长期运行成本和启动效果来看，频繁启动的大型生产线电机，更适合哪种启动方式？为什么？思考一下直流电机启动方法的选择与优化：彰显了工程技术中的严谨精神与责任担当思想升华实践智慧电枢串电阻启动的分段控制体现“精准施策、循序渐进”，减压启动的节能设计契合绿色发展理念思想升华技术方案的选择不仅要考虑性能与成本更要兼顾能源节约与设备寿命，这是工程师的责任所在在工程实践中：树立“技术为民、绿色高效”的价值导向以严谨态度对待每一个技术细节，用科学选择践行工匠精神直流电机的结构与运行任务四

直流电机的调速（上）课程导入工业生产中，仅能启动远远不够：地铁需根据路况调整速度，机床需精准匹配加工转速，依赖电机调速能力直流他励电动机的调速优势，核心源于其可精准调控的机械特性思考一下同样一台电机，为何能在不同负载下保持稳定转速，又能灵活切换运行速度？目录CONTENTS机械特性的数学本质与调节逻辑//PARTONE//01转速与转矩的关联规律//PARTTWO//02人为干预实现不同工况下的转速需求//PARTTHREE//03一、直流他励电动机的固有机械特性电机调速原理首先需要掌握其最基础的运行规律，固有机械特性电机调速是电机在额定参数下的“原生”运行特性是所有人为调节的基础电源电压U为额定电压，U=UN励磁电流If=IfN，即主磁通Φ=ΦN电动机的转速与电磁转矩之间的关系n=f(T)称为电动机的固有机械特性一、直流他励电动机的固有机械特性直流他励电动机固有机械特性的方程式可用电枢电动势公式、电磁转矩公式及电枢回路的电压方程式得到

Ea=CeφNnT=CTφNIaUN=Ea+IaRan0一、直流他励电动机的固有机械特性

实际的空载转速：n0'指电动机轴上没有带机械负载，只存在空载转矩T0时的转速空载功率：P0指电动机克服轴承摩擦力及风扇阻力等所需的功率n0βn=n0-βTβ：固有特性机械特性的斜率一、直流他励电动机的固有机械特性额定工作点n=0，即电动机启动时，Ea=0，此时的电枢电流Ia=Is，称为启动电流，对应的电磁转矩T=Ts，称为启动转矩当T=0时，n=n0，电动机工作在理想空载状态当T=TN时，n=nN，此点为电动机的额定工作点随着电磁转矩T的增大，转速n降低，其特性曲线是一条略向下的直线由于电动机电枢回路不串电阻，机械特性斜率β的数值很小，特性曲线较平，称为硬特性二、人为机械特性调节技术（一）——电枢回路串电阻调节对于某一负载转矩只有一个固定的转速，这显然无法达到实际驱动对转速变化的要求一台直流电动机只有一条固有的机械特性：为满足生产机械加工工艺要求启动调速和制动等各种工作状态，就需要人为地改变电动机的参数改变电枢电压U电枢回路电阻R和气隙磁通量Φ，就可得到相应的三种人为特性二、人为机械特性调节技术（一）——电枢回路串电阻调节电枢回路串电阻的人为机械特性保持U

UN，

N

不变，只在电枢回路中串入电阻RS

的人为特性

01改变电枢回路串入的电阻Rs时，理想空载转速n0不变02Rs越大，人为机械特性的斜率βR越大，转速降Δn越大，特性越软电枢回路串电阻的人为机械特性，是通过理想空载点的一组放射性直线三、人为机械特性调节技术（二）——改变电枢电压调节改变电枢电压的人为机械特性电枢不串电阻磁通Φ=ΦN，只改变电枢电压的大小及方向

理想空载转速n0与电枢电压U成正比，且电枢电压改变正负极性时，n0u也改变转向改变电枢电压的人为机械特性，斜率β与固有机械特性斜率相同，即转速降Δn不变电动机不能过电压运转，所以只能降低电枢电压改变电枢电压的人为机械特性，全在固有机械特性下方四、人为机械特性调节技术（三）——减弱磁通调节一般电动机为节省铁磁材料、减小电机体积，已经使磁路接近饱和，只能减弱磁通理想空载转速随磁通的减弱而上升机械特性斜率因为与磁通的平方成反比，随着磁通的减弱而斜率就增大了，机械特性变软减弱磁通通过减小励磁电流实现，保持电枢电压为额定值不变

思想升华直流电机机械特性的调控技术，彰显了工程领域“精准施策、因地制宜”的思维智慧体现了尊重科学、严谨务实的治学态度蕴含着节能高效、优化创新的发展理念固有特性的客观规律认知三种人为调节方式的针对性设计技术从业者要树立“精益求精、绿色发展”的价值导向以科学方法解决实际问题，用技术创新助力工业高质量发展直流电机的结构与运行任务四

直流电机的调速（下）课程导入工业生产需要调速技术的实际支撑：从数控机床的精准切削到新能源车的平稳爬坡从起重机的重载升降到高速磨床的高效运转思考一下基于之前的机械特性理论，具体有哪些成熟的调速方法？不同方法又该如何适配不同工况？目录CONTENTS三种核心调速技术//PARTONE//01原理、特性与应用场景//PARTTWO//02从理论到实操的关键逻辑//PARTTHREE//03一、调速的核心逻辑与概念区分调速的本质的核心逻辑直流他励电动机的调速就是人为地改变电气参数使电动机的工作点从一条机械特性曲线转移到另一条机械特性曲线上，从而在同一负载下得到不同的转速调速可用机械、电气或机电配合的方法实现这种方法与电动机在负载变化时引起的转速变化是两个不同的概念。一、调速的核心逻辑与概念区分负载变化引起转速变化是自动进行的，电动机工作点总是在同一条机械特性曲线上，它不是根据生产的需要，人为的控制电气参数而控制转速的变化一、调速的核心逻辑与概念区分直流他励电动机的一般机械特性方程

直流电动机的调速核心就是通过控制电枢电压U、励磁磁通φ或电枢回路电阻Ra

改变电机转速降低电枢电压调速电枢回路串电阻调速弱磁调速结合机械特性方程，思考人为调速与负载变化导致的转速变化，核心区别在于是否改变了电机的哪些关键参数？这种区别对生产控制有什么实际意义？思考一下二、调速方法一——电枢回路串电阻调速（有级调速）

在电枢回路中外串入电阻R1和R2等，使总电阻变为Ra+R1+R2图中的负载是恒转矩负载设电动机工作点在固有特性a点，t=tl转速为N1稳定运行当电枢回路串入电阻Rp1时电枢回路总电阻增加到R1=Ra+Rp1，这时转速还未来得及改变，电枢电动势Ea也未改变电动机工作点由a点沿水平方向越变至电枢回路总电阻为R1的人为机械特性上的b点，对应的电枢电流Ia减小，电磁转矩减小为T'二、调速方法一——电枢回路串电阻调速（有级调速）电动机减速随着n下降，Ea也减小T'<TL电枢电流和电磁转矩增大，直到n=n2时，电磁转矩T=TL，电动机以较低的转n2稳定运行电枢回路串入的电阻值不同，所得到的稳定转速也不同电动机工作点由b点过渡到c点，调速的过渡过程结束二、调速方法一——电枢回路串电阻调速（有级调速）优点设备简单、操作方便无需复杂电子装置起重机卷扬机适用于对调速精度要求不高的场合缺点外串电阻长期流过电枢电流，会产生大量铜耗，效率低下只能实现有级调速，机械特性软负载波动时转速变化大，调速平滑性差低速损耗更严重，属于能耗型调速现代高性能系统已逐步淘汰此方法，仅用于低成本或临时调速需求若电动机原来稳定运行在固有机械特性上的a点，转速为n1当电源电压由额定值UN降到U1时，转速不变，电动机工作点由a平移到电压U1的人为机械特性上的b点由于转速未变，反电动势Ea也未变，Ia减小；电磁转矩减小到T1'；由于T'<TL，转速降低随着转速降低，反电动势也减小，电枢电流和电磁转矩随着转速的下降而增大三、调速方法二——降低电枢电压调速（恒转矩调速）T=TL时，电动机稳定运行于点c，转速n2<n1，负载一定时，电枢电压越低，转速越低由于磁通恒定，电磁转矩T=CTΦIa仅与电枢电流成正比，在允许的最大电流下可输出最大转矩，属于恒转矩调速当励磁磁通Φ保持额定不变时，降低电枢电压U，则转速n成比例下降现代系统多采用脉宽调制技术，通过调节占空比改变平均电压，广泛应用于中小功率电机控制三、调速方法二——降低电枢电压调速（恒转矩调速）优点调速范围宽，可在基速以下实现无级平滑调速，机械特性硬度高，稳定性好，适用于要求低速大力矩的场合缺点需配备大容量、可调压的直流电源（如晶闸管整流装置或PWM控制器），设备成本较高四、调速方法三——弱磁调速（恒功率调速）当Φ减小时，转速n上升，可达额定转速以上。转速n反比例于主磁通Φ：输入功率P=UIa恒定，输出转矩T正比例于主磁通Φ，其随磁通减小而下降，故称为恒功率调速若电枢电压U和电流Ia保持额定值通过减小励磁绕组的电流If，从而削弱主磁通Φ，实现转速升高电动机运行时若驱动不太大的恒转矩负载调速前电动机工作在固有机械特性上的a点四、调速方法三——弱磁调速（恒功率调速）电动机磁通：ΦN当磁通由ΦN减小到Φ1时，转速还来不及变化，电动机的工作点沿水平方向转移到对应于Φ1的人为机械特性上的c点转速：n1电枢电流：I1电枢电动势Ea随磁通Φ的减小而减小，Ea的减小引起Ia急剧增加Ia增加的相对数量比磁通减小的相对数量要大电磁转矩在磁通减小的瞬间是增大的，从而使电动机转速升高转速升高使电枢电动势Ea回升当电磁转矩等于负载转矩，即T=TL时，电动机稳定工作于b点，新的转速n2>n1四、调速方法三——弱磁调速（恒功率调速）与降压调速配合使用，构成“宽范围调速系统”：基速以下降压调速，基速以上弱磁升速❖

优点所需控制功率小，节能效果明显适用于需要高速运行的轻载场合离心机高速磨床❖

缺点动态响应较慢，因励磁回路电感大，电流变化迟缓存在超速风险，必须加装限速保护五、三种调速方法的核心特性总结

降低电枢电压调速高效率、宽范围、高精度，成为现代直流调速系统的首选，尤其结合PWM技术后更趋成熟

电枢回路串电阻调速结构简单但能效低，仅用于特定工况

弱磁调速作为高速扩展手段，常与降压调速协同使用，实现全范围无级调速实际应用中需根据负载特性、调速需求及成本预算综合选择思考一下假设：某大型轧钢机需要低速时输出大转矩某小型起重机仅需低成本临时调速某高速离心机需要高于额定转速运行思考分别应选择哪种调速方法？思想升华从串电阻调速的简洁实用到降压调速的精准高效再到弱磁调速的拓展升级性能与能效实际选型：兼顾需求、成本与节能的权衡，是工程师责任担当的体现弱磁调速中对超速风险的防控，凸显了“安全第一”的工程底线树立“精准适配、绿色高效、安全可控”的价值导向

工匠精神直流电机的结构与运行任务五

直流电机的反转与制动（上）课程导入工业生产与交通出行中为什么有的设备反转迅速且平稳，有的设备制动时能精准停位？常面临改变运动方向、紧急减速或平稳停车的需求电机需要灵活调速起重机的升降换向电车下坡时的限速轧钢机的可逆运转目录CONTENTS直流电机的反转原理与实现方法//PARTONE//01电气制动的核心概念与分类//PARTTWO//02能耗制动的原理与特性//PARTTHREE//03一、直流电机的反转原理与实现方法工作过程中常需改变运动方向，需要电动机反方向启动和运行电气传动系统电动状态下，电磁转矩是驱动性质的转矩，电动机的转向由电磁转矩的方向决定电磁转矩是由主磁通与电枢电流相互作用而产生的电动机反转只需改变电动机产生的电磁转矩方向即可一、直流电机的反转原理与实现方法T=CTΦIa采用左手定则任意改变磁场φ或者励磁电流Ia两者之一方向时，电磁转矩作用力方向就改变电枢反接电枢反接在励磁电流方向不变，即励磁磁场方向不变的条件下，从而改变电枢电流和电磁转矩的方向，使电动机反转励磁反接当电枢电压的极性不变时，将励磁绕组反接。改变励磁电流的方向可使电磁转矩方向改变，实现电动机的反转实际情况中，为了动机高效快速的反转，往往采用的是电枢反接的方法二、电气制动的核心概念与分类电气制动通过电动机产生与旋转方向相反的电磁转矩，达到制动目的优点：制动转矩大，制动强度比较容易控制在电气传动系统中多采用这种方法，或者和机械制动器配合使用保持原来磁场大小和方向不变，使电动机电磁转矩与旋转方向相反，使电动机产生制动电动机的电气制动方法能耗制动反接制动回馈制动三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性⬆Ea⬆Ea❖直流电动机原先处于电动状态工作，电磁转矩的方向和旋转方向相同，为顺时针方向三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性⬆Ea电枢两端从电源立即切换到电阻器Rb上，这个电阻器称为制动电阻器制动电阻器在制动时保持励磁电流不变，励磁磁通方向不变电动机将继续按原来的方向旋转生产机械和电动机具有惯性三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性磁通方向不变，产生的感应电动势Ea方向也不变⬆Ea电动机变成了发电机运行制动转矩电枢电流Ia的方向及其产生的电磁转矩T的方向都改变了，使电磁转矩的方向与旋转方向相反三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性物理意义生产机械和电动机惯性作用驱动发电生产机械和电动机储存的动能转换为电能再消耗在电枢回路的电阻上能耗制动时的外加电压为零，空载转矩也为零，电枢回路串入制动电阻器Rb电动机能耗制动的机械特性方程：三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性转速下降时电动机的电动势Ea减小，制动电流Ia随之减小，电磁制动转矩也随之减小转速减小至零时电动势电流和电磁转矩减小至零，电动机驱动阻力矩负载可使电动机迅速停转在固有特性曲线上的点开始制动时，转速n来不及改变，工作点过渡到能耗制动机械特性上的B点如果制动前电动机工作在电动状态电磁制动转矩及负载转矩共同作用电动机很快减速三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性在转速接近零时必须用机械制动器将电动机转轴止住否则在位势负载转矩的作用下，电动机将被驱动反方向旋转若电动机驱动位势负载，要迅速停车转速n、电枢电压Ea、电枢电流Ia及电磁转矩T方向和图示方向相反，机械特性延伸至第四象限转速稳定在C点时，电动机运行在反方向能耗制动状态下，等速下放重物三、电气制动方法（一）——能耗制动的原理与特性能耗制动制动效果越强烈，为了避免制动转矩和电枢电流过大，给传动机构和电动机带来不利影响制动时电阻越小，电枢电流越大，制动转矩越大通常选择电枢回路串电阻器最大制动电流不超过电动机额定电流的2~2.5倍能耗制动适用于要求迅速停车的场合思想升华在工业生产中制动的可靠性直接关系到设备与人员安全反转平稳性影响生产效率与产品质量树立“安全底线不可破、细节把控不松懈”的价值导向以严谨态度对待每一项技术参数，用科学方案守护生产安全与高效运行起重机总结

电车深入思考能耗制动的适配场景与参数选择逻辑直流电机的结构与运行任务五

直流电机的反转与制动（下）课程导入在工业生产中不同场景对制动的需求各不相同有的需要快速反转有的需要慢速下放重物有的则追求节能高效为什么电车下坡时能实现节能，而起重机下放重物时能平稳控速？反接制动回馈制动目录