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1、绪 论在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面,都必须通过能够进行能量（或信号）传递与变换的电磁机械装置,这些电磁机械装置被广义地称为电机。变压器是用于改变电压即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能；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发展的重点产品。电力拖动技术，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
2、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。凡是电流均会在其周围产生磁场，这就是电流的磁效应，即所谓“电生磁全电流定律,磁场中沿任一闭合回路l 对磁场强度H 的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和。其数学表达式为：磁场变化会在线圈中产生感应电动势，感应电动势的大小与线圈的匝数W 和线圈所交链的磁通对时间的变比率成正比，这是电磁感应定律。第1篇 直流电机直流电动机和直流发电机通称为直流电机，二者是可逆的。直流电动机与交流异步电动机相比,具有较好的启动性能、在较宽的范围内达到平滑无级地调速，同时又比较经济；所以广泛地应用于轧钢机、电力
3、机车、大型机床拖动系统以及玩具行业中加于直流电动机的直流电源,借助于换向器和电刷的作用,使直流电动机电枢线圈中流过的电流,方向是交变的，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.同一台电机,既能作电动机运行又能作发电机运行的原理,称为电机的可逆原理。1. 定子1) 主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。 转子(电枢）1） 电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由。5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。2）
4、 电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件,所以叫电枢。直流电机的电枢绕组按照连接规律的不同,电枢绕组分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型单叠绕组的特点(1） 位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，并联支路对数等于极对数,即a=p.（) 当元件形状左右对称、电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动势最大,被电刷短路元件中的感应电动势最小。(3) 电刷杆数等于磁极数。单波绕组的特点(1） 上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路,并联支路对数恒等于，与极对数无关。(2）当元件形状左右对称、
5、电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时,支路电动势最大.(3） 单从支路对数来看，单波绕组可以只要两根刷杆，但在实际电机中,为缩短换向器长度,以降低成本，仍使电刷杆数等于极数,亦即所谓采用全额电刷。直流电机的励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同,分为以下4类。)他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系2） 并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组并联.3)串励直流电机:励磁绕组与电枢绕组串联)复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组,一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。直流电机不带负载（即不输出功率)时的运行状态称为空载运行直流电机的换向换向是直流电机
6、中一个非常重要问题,直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁.附加电流对换向的影响:由于Ik 的出现，破坏了直线换向时电刷下电流密度的均匀性,从而使后刷端电流密度增大,导致过热，前刷端电流密度减小,3 装置换向极直流电机容量在kW以上一般均装有换向极，这是改善换向最有效的方法，换向极安装在相邻两主磁极之间的几何中性线上2直流电动机基本的平衡方程式直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时，电路系统的电压平衡方程式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势，根据右手定则可知，S极下的感应电动势方向为流入
7、纸面，与电枢电流方向相反.由于电动机中的感应电动势有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此称它为反电动势。为了使电流能够从电网流入电枢绕组,电动机的端电压应该大于反电动势a ,即U E。根据基尔霍夫第二定律，可以写出电枢回路的电势平衡方程式为Ua = E + Ia Rq +2u(2。1)式中 a 电枢电流;a r -电枢回路的电阻；s 2u 正负电刷的接触电压降落。在额定负载时1 机械损耗机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗，它们都与转速有关2。 铁耗:是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。3 铜耗是指电流流过电动机中相关绕组所产生的损耗，包括电枢回路（包括电枢绕组、串励绕组
8、、换向极绕组等)的铜耗p、电刷与换向器表面的接触压降损耗 p 以及励磁回路中的铜耗f p .转矩平衡方程式T 2 + T 0（1）当输出功率增加时，电枢电流增加，电枢压降增加，使转速下降，同时由于电枢反应的去磁作用使转速上升。电动机的机械特性是指电动机的转速n与其转矩（电磁转矩）T 之间的关系，即 = （T）曲线当电动机输出转矩时，即带负载的情况下，就存在。所以直流他励电动机的机械特性为一条向下倾斜的直线,而且 斜率越大，就越大，机械特性越“软”；反之,特性越平坦,机械特性越“硬。一般直流他励电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。固有机械特
9、性当直流他励电动机端电压U U ,磁通= ,电枢回路附加电阻R = 0时的机械特性称为固有机械特性。对照式(2.1），此时的机械特性方程式为其特点是：(1)对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条；() 由于Rk= 0,特性曲线的斜率 较小,n较小，特性较平坦，属于硬特性。1。 电枢串接电阻时的人为机械特性人为机械特性方程式:其机械特性如图.10所示.与固有机械特性相比,电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点：（1） 理想控制转速与固有特性时相同，且不随串接电阻K R的变化而变化；（2) 随着串接电阻k的加大,特性的斜率加大，转速降落加大，特性变软，稳定性变差。第3 章 直流电动机
10、的起动、调速和制动把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程为起动过程,起动时要求平稳慢速起动以缩短起动时间，从而提高生产效率为了限制起动电流，一般采取两种方法:一种方法是在电枢电路内串入适当的外加电阻,来限制起动瞬时的过大的起动电流，待电动机转速逐渐升高，反电动势增大，电枢电流相对减小后再逐级切除外加电阻，直到电动机达到要求的转速。但起动转矩也不能过大,因为电动机允许的最大电流，通常都是由电动机的无火花条件和生产机械的允许强度所限制.从经济上要求起动设备简单、经济和可靠。为满足这样的要求，希望起动电阻的级数越少越好，但起动电阻过少会使起动过程的快速程度和平滑性变差另一种方法是降低电枢电
11、压的降压起动.这种起动方法的基本思想是：在起动瞬间，反电动势很小,使外加电源电压很低，这样可防止产生过大的起动电流。待电动机转速升高后，反电动势增大，电流降低，这时再逐渐增加电枢两端的外加电压，直到电动机达到要求的转速,电压的调节及电流的限制靠一些环节自动实现，较为方便。这种方法适用于电动机的直流电源是可调的.当没有可调电源时，为了使起动过程平稳，则宜采用上面介绍的串电阻起动方法。直流电动机的调速调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法调速指标在选择和评价某种调速系统时,应考虑下列指标：调速范围、调速的稳定性及静差度、调速的平滑性、调速的负载能力、经济性等.） 调速范围调速范围是指在一定
12、的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速ma n 与最小转速mn 之比，近代机械设备制造的趋势是力图简化机械结构,减少齿轮变速机构,从而要求拖动系统能具有较大的调速范围。2) 调速的相对稳定性和静差度所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化,决定于机械特性的斜率，生产机械对机械特性的相对稳定性的程度是有要求的。如果低速时机械特性较软，相对稳定性较差，低速就不稳定,负载变化，电动机转速可能变得接近于零,甚至可能使生产机械停下来。因此，必须设法得到低速硬特性,以扩大调速范围.静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落n与理想空载转速
13、n 的比值，用百分数表示，调速的平滑性:是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度,用平滑系数K表示直流他励电动机的调速方法及其调速性能由直流他励电动机的机械特性方程式可以看出,改变串入电枢回路的电阻R 、外加电枢两端的电压 及主磁通，1. 电枢回路串接电阻调速，电枢回路串接电阻,不能改变理想空载转速 ，只能改变机械特性的硬度。所串的附加电阻愈大,特性愈软，在一定负载转矩 下，转速也就愈低.这种调速方法，其调节区间只能是电动机的额定转速向下调节。其机械特性的硬度随外串电阻的增加而减小;当负载较小时，低速时的机械特性很软,负载的微小变化将引起转速的较大波动电枢回路串接电阻调速的优点是方法较简
14、单。但由于调速是有级的，调速的平滑性很差。 改变电源电压调速由直流他励电动机的机械特性方程式可以看出,升高电源电压U可以提高电动机的转速,降低电源电压U 便可以减少电动机的转速。由于电动机正常工作时已是工作在额定状态下，所以改变电源电压通常都是向下调,即降低加在电动机电枢两端的电源电压,进行降压调速.由人为机械特性可知，当降低电枢电压时，理想空载转速降低，但其机械特性斜率不变.它的调速方向是从基速(额定转速）向下调的。这种调速方法是属于恒转矩调速，适于恒转矩负载的生产机械。不过公用电源电压通常总是固定不变的，为了能改变电压来调速，必须使用独立可调的直流电源，目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整
15、流装置采用降低电枢电压调速方法的特点是调节的平滑性较高，另一特点是它的理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。还有一个特点,就是可以靠调节电枢两端电压来起动电动机而不用另外添加起动设备,这就是前节所说的靠改变电枢电压的起动方法。3改变电动机主磁通的调速方法改变主磁通 的调速方法，一般是指向额定磁通以下改变。因为电动机正常工作时，磁路已经接近饱和，即使励磁电流增加很大，但主磁通 也不能显著地再增加很多.所以一般所说的改变主磁通 的调速方法，都是指往额定磁通以下的改变。而通常改变磁通的方法都是增加励磁电路电路，减小励磁电流，从而减小电动机的主磁通 。这种调速方法是恒功率调节，适于恒功率性质的负载。这种调速方法是改变励磁电流,所以损耗功率极小，经济效果较高。又由于控制比较容易，可以平滑调速，因而在生产中可到广泛应用。制动与电动的区别电动机的工作状态按拖动性能可分为电动及制动两大类.当电动机在外加电源的作用下，产生与系统运动方向一致的转矩,并通过传动机构拖动生产机械工作时,即为电动工作状态。在电动工作状态下，电动机的电
