《电机与拖动》第2章 直流电动机的电力拖动

第二部分直流电机的电力拖动思考题与习题1、什么叫电力推拖动系统？举例说明电力拖动系统都由哪些部分组成。

2、写出电力拖动系统的运动方程式，并说明该方程式中转矩正、负号的确定方法。

3、怎样判断运动系统是处于动态还是处于稳态？4、研究电力拖动系统时为什么要把一个多轴系统简化成一个单轴系统？简化过程要进行哪些量的折算？折算时各需遵循什么原则？5、起重机提升重物与下放重物时，传动机构损耗由电动机承担还是由重物承担？提升或下放同一重物时，传动机构的效率相等吗？6、电梯设计时，其传动机构的上升效率η<0.5，若上升时η=04，则下降=15N·m，则下降时的负载时的效率η是多少？若上升时负载转矩的折算值TL转矩折算值为多少？7、从低速轴往高速轴折算时，为什么负载转矩和飞轮矩都要减小？8、起重机提升某一重物时，若传动效率小于0.5，那么下放该重物时传动效率为负值，此时的特理意义是什么？9、生产机械的负载转矩特性常见的哪几类？何谓位能性负载？10、表1中所列各电力拖动系统的数据不全，请通过计算把空格填满，计算时忽略电动机的空载转矩。

表14 17.6 128 0.85 85 78 5.5 16.5 减速11、表2所列电动机拖动生产机械在稳态运行时，根据表中所给数据，忽略电动机的空载转矩，计算表内未知数据并填入表中。

表2生产机械切削力或重物重F,G/N切削速度或升降速度v/m·s-1电动机转速n/r·min传动效率负载转矩TL/N·m电磁转矩Tem/N·m刨床3400 0.42 975 0.80 起重机9800 提升1.4 1200 0.75下降1.4电梯1500 提升1.0 950 0.42下降1.012、如图所示的运动系统中，已知n1/n2=3,n2/n3=2, GD21=80N·m2，GD22=250N·m2，GD 23=750 N·m2，I’L=90 N·m2，（反抗转矩），每对齿轮的传支效率均为η=0.98，求折算到电动机轴上的负载转长和总飞轮矩。

第0章 绪论：1、电机：利用电磁感应原理实现能量转换的机械2、电力拖动系统包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源。

第1章 直流电机1.2绕组1、单叠绕组：ε±=p Z y 21，即][pZy 21=（向下取整）；1=k y ，k y y y -=12。

p 为磁极对数，Z 为槽数，1y 为第一节距（同一个元件的两个边跨过的距离），k y 为换向器节距。

画图步骤：1）计算1y ；2）根据Z 的数目画线（等间距），线的数目和Z 相同。

（Z=16，1y =4）（实线、虚线都画）3）根据1y 的值连接绕组，即编号为1的实线，需要跟编号为5（1+1y ）的虚线相连。

4）将编号为1的实线连接到编号为1换向片（位置自己定，换向片宽度和实线间宽度一样），（换向器编号和实线编号一致），将编号为5的虚线连接到编号为2的换向片。

5）平移将其他的画出来6）画磁极，磁极宽度约为PZ270.倍的实线间宽度，极性交替放在线中，磁极平移距离为PZ2倍的实线宽度；在磁极中心下方画出电刷（N 极下为+，S 极下为—） 单叠绕组特点：1）并联支路对数等于磁极对数，即p a =；2）电刷数等于主磁极数，电刷间电动势等于并联支路电动势，电刷位置应使支路感应电动势最大（即电刷位置对准磁极中心）；3）电枢绕组闭合回路中，感应电动势之和为0，内部无换流4）正负电刷引出的电枢电流a I 为各支路电流之和，a a ai I 2=。

a 为支路对数 5）元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上，即1=k y 。

2、单波绕组：ε±=p Z y 21，即][p Z y 21=（向下取整）；pK y k 1±=（向下取整），12y y y k -=。

画图与单叠类似。

特点：1）并联支路数=2，与磁极对数无关，即1=a 。

2）电刷数等于主磁极数，电刷间电动势等于并联支路电动势，电刷位置应使支路感应电动势最大（即电刷位置对准磁极中心）；（理论上电刷用2个就够了，但为了可靠换向，采用全额电刷）3）正负电刷引出的电枢电流a I 为各支路电流之和，a a i I 2=。

第二章 直流电机的电力拖动2-1 一台他励直流电动机的额定数据为： N P =54 kW ，N U =220 V ，N I =270 A ， N n =1150 r /min 。

估算额定运行时的aN E ，再计算N e C Φ、N T 、0n ，最后画出固有机械特性。

解： 估算额定运行时的 V 20922095.095.0=⨯==N aN U Emin)/r /(V 182.01150209===ΦN aN N e n E C N.m 29.469270182.055.955.9=⨯⨯=Φ=Φ=N N e N N T N I C I C Tr/min 1209182.02200==Φ=N e N C U n 在n -T 直角坐标系中过点A （1209，0）和点B （1150，469.29）作直线，该直线就是他励直流电动机的固有机械特性，如题2-1图所示。

2-2 一台他励直流电动机的额定数据为：N P =7.5 kW ，N U = 220 V ，N I =40 A ，N n =1 000 r /min ，a R =0.5 Ω。

拖动L T =0. 5N T 恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大?解： V 200405.0220=⨯-=-=Φ=N a N N N e aN I R U n C En /(r/min)1209 1150 T/N.m469.29 题2-1图1V/r.min 2.01000200-===ΦN aN N e n E C r/min 11002.02200==Φ=N e N C U n 由a N T I C T Φ=可知，当L T =0.5N T 时，A 20405.05.0=⨯==N a I Ir/min 10505011002.0205.0110000=-=⨯-=Φ-=∆-=a N e a I C R n n n n2-3 写出题2-3图所示各种情况下系统的运动方程，并说明系统的运行状态。

第二部分 直流电动机的电力拖动一、填空题： 1、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。

（U=UN 、φ=ΦN ，电枢回路不串电阻；n ；Tem2、直流电动机的起动方法有____ ___。

（降压起动、电枢回路串电阻起动）3、如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的_______倍。

（2）4、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。

（理想空载转速）5、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。

（降压或电枢回路串电阻；弱磁）1、直流电动机的人为特性都比固有特性软。

（ ）（F ）2、直流电动机串多级电阻起动。

在起动过程中，每切除一级起动电阻，电枢电流都将突变。

（ ） （T ）3、提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。

（ ） （T ）4、他励直流电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载运行。

（ ） （F ）5、他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。

（ ） （T ）三、选择题 1、电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（2）（1）旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见；（2）系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量；（3）系统储能的大小，但它不是一个整体物理量。

2、他励直流电动机的人为特性与固有特性相比，其理想空载转速和斜率均发生了变化，那么这条人为特性一定是：（3）（1）串电阻的人为特性；（2）降压的人为特性；（3）弱磁的人为特性。

3、直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（2）（1）为了使起动过程平稳；（2）为了减小起动电流；（3）为了减小起动转矩。

4、当电动机的电枢回路铜损耗比电磁功率或轴机械功率都大时，这时电动机处于：（2）（1）能耗制动状态；（2）反接制动状态；（3）回馈制动状态。

第二章直流电动机的电力拖动答：由电动机作为原动机来拖动生产机械的系统为电力拖动系统。

一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源几部分组成。

电力拖动系统到处可见，例如金属切削机床、桥式起动机、电气机车、通风机、洗衣机、电风扇等。

答：电动机的理想空载转速是指电枢电流I a=0时的转速，即。

实际上若I a=0，电动机的电磁转矩T em=0，这时电动机根本转不起来，因为即使电动机轴上不带任何负载,电机本身也存在一定的机械摩擦等阻力转矩（空载转矩）。

要使电动机本身转动起来，必须提供一定的电枢电流I a0（称为空载电流），以产生一定的电磁转矩来克服这些机械摩擦等阻力转矩。

由于电动机本身的空载摩擦阻力转矩很小，克服它所需要的电枢电流I a0及电磁转矩T0很小，此所对应的转速略低于理想空载转速，这就是实际空载转速。

实际空载转速为简单地说，I a=0是理想空载，对应的转速n0称为理想空载转速；是I a= I a0实际空载，对应的转速n0’的称为实际空载转速，实际空载转速略低于理想空载转速。

答：固有机械特性与额定负载转矩特性的交点为额定工作点，额定工作点对应的转矩为额定转矩，对应的转速为额定转速。

理想空载转速与额定转速之差称为额定转速降，即：答：电力拖动系统稳定运行的条件有两个，一是电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点；二是在交点（T em =T L）处，满足，或者说，在交点以上（转速增加时）,T em<T L，而在交点以下（转速减小时）,T em>T L。

一般来说，若电动机的机械特性是向下倾斜的，则系统便能稳定运行，这是因为大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持不变。

答：只有（b）不稳定，其他都是稳定的。

答：他励直流电动机稳定运行时，电枢电流：可见，电枢电流I a与设计参数U、C eΦ、R a有关，当这些设计参数一定时，电枢电流的大小取决于电动机拖动的负载大小，轻载时n高、I a小，重载时n低、I a大，额定运行时n=n N、I a=I N。

直流电机及其电力拖动工作原理直流电机是实现直流电能和机械能相互转换的一种旋转电机，分为直流发电机和直流电动机。

如果作为发电机，必须由原动机拖动，把机械能转换为直流电能，以满足生产的需要，如直流电动机的电源、同步发电机的励磁电源（称为励磁机）、电镀和电解用的低压电源；如果作为电动机，将电能转变成机械能来拖动各种生产机械，以满足用户的各种要求。

由于直流电动机具有良好的起动特性，能在宽广的范围内平滑而经济地调速，所以它广泛地用于对起动和调速性能要求较高的生产机械上，如轧钢机、高炉卷扬设备、大型精密机床等。

小容量直流电机广泛作为测量、执行元件使用。

一、直流电机的基本原理和结构直流电机主要由定子和转子组成，定子由主磁极（产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成）、换向磁极（改善换向）、电刷装置（与换向片配合，完成直流与交流的互换）、机座和端盖（起支承和固定作用）组成；转子由电枢铁心（主磁路的一部分，放置电枢绕组）、电枢绕组（由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分）、换向器（与电刷装置配合，完成直流与交流的互换）、转轴、轴承组成。

直流电机是根据电磁感应定律和电磁率定律实现机械能与直流电能转换的电器设备。

按照转换方向不同可分为直流发电机（机械能转换为电能）和直流电动机（电能转换为机械能）。

二、直流电机的电力拖动原理由直流电机作为原动机的拖动系统称为直流电力拖动系统。

其优点是：系统的起动转矩大，在较大范围内能平滑地进行速度调节，控制简便。

然而，由于直流电机具有换向器和电刷，给使用带来了不少限制，如不能使用在易燃、易爆的场合；另外，换向器还限制了电机向高速、大容量方面发展。

尽管如此，直流电机在电力拖动系统的调速和起动方面的优势，使其至今仍在各个工业传动中发挥着重要的作用，特别是小型直流控制电机。

不同类型、励磁方式的电机特性各不相同，它们分别适用于不同类型的生产机械和工艺要求，本节以应用最为广泛的他励直流电机拖动系统为典型，研究他励直流电机的机械特性、起动、制动、调速运行及电力拖动系统稳定运行的条件。

《电机与拖动》教学大纲学分：4.5 总学时：81理论学时；72 实验学时：9面向专业：电气工程及其自动化大纲执笔人：郗忠梅大纲审定人：李有安一、说明1、课程的性质和目的《电机与拖动》是电气工程及其自动化专业的一门必修的专业基础课。

本课程的主要任务是使学生掌握变压器、交流电机和直流电机的基本知识、基本理论、基本计算方法和一般运行分析问题以及电力拖动系统的运行情况，为后续专业基础课和专业课的学习打好必要的基础。

电机实验是本课程的重要教学环节。

通过实验可对变压器和各类电机的工作特性，基本原理和理论计算加以验证，使学生掌握电机基本实验的原理和方法，初步掌握对电机进行一般操作的动手能力和对实验数据的分析能力，并提高实验技能和熟练程度。

2、课程教学的基本要求理论知识方面：本课程宜安排学生在学完电路、电子等有关基础课程之后的第四学期，内容上注意与以上学科的衔接，课堂教学应力求使学生理解基本概念，掌握基本内容。

实验技能方面：熟练掌握电工仪表的使用方法和各种电机线路的正确接线方法等。

3、课程教学改革总体设想：在有限的教学时间内尽可能多传授给学生有关电机学方面的理论知识。

为了与后继课程的连续性，多增加同步电机的理论知识的讲述学时数。

二、教学大纲内容（一）课程理论教学第一章绪论（2学时）第一节教材内容与课程性质第二节本课程常用的物理概念和定律本章重点、难点：1、安培环路定律2、变压器电动势。

建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。

思考题：1、变压器和电机的磁路常采用什么材料制成，这种材料有哪些主要材料？2、磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因数有关？第二章电力拖动系统动力学（2学时）第一节电力拖动系统转动方程式第二节负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特性、电力拖动系统稳定运行的条件。

本章重点、难点：电力拖动系统稳定运行条件。

建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。

第二部分 直流电动机的电力拖动一、填空题： 1、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。

（U=UN 、φ=ΦN ，电枢回路不串电阻；n ；Tem2、直流电动机的起动方法有____ ___。

（降压起动、电枢回路串电阻起动）3、如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的_______倍。

（2）4、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。

（理想空载转速）5、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。

（降压或电枢回路串电阻；弱磁）1、直流电动机的人为特性都比固有特性软。

（ ）（F ）2、直流电动机串多级电阻起动。

在起动过程中，每切除一级起动电阻，电枢电流都将突变。

（ ） （T ）3、提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。

（ ） （T ）4、他励直流电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载运行。

（ ） （F ）5、他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。

（ ） （T ）三、选择题 1、电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（2）（1）旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见；（2）系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量；（3）系统储能的大小，但它不是一个整体物理量。

2、他励直流电动机的人为特性与固有特性相比，其理想空载转速和斜率均发生了变化，那么这条人为特性一定是：（3）（1）串电阻的人为特性；（2）降压的人为特性；（3）弱磁的人为特性。

3、直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（2）（1）为了使起动过程平稳；（2）为了减小起动电流；（3）为了减小起动转矩。

4、当电动机的电枢回路铜损耗比电磁功率或轴机械功率都大时，这时电动机处于：（2）（1）能耗制动状态；（2）反接制动状态；（3）回馈制动状态。

第一章 直流电机1-3 直流发电机和直流电动机中的电磁转矩 T 有何区别？它们是怎样产生的？而直流 发电机和直流电动机中的电枢电动势， E a 又有何区别？它们又是怎样产生的？解：直流发电机的电磁转矩 T 是制动性质的，直流电动机的电磁转矩 T 是驱（拖）动 性质的， 它们都是由载流导体在磁场中受到的电磁力， 形成了电磁转矩； 直流发电机的电枢 电动势 E a 大于电枢端电压 U ，直流电动机的电枢电动势 E a 小于电枢端电压 U ，电枢电动势 E a 都是运动导体切割磁场感应产生的。

1-4 直流电机有哪些主要部件？各起什么作用？ 解：直流电机的主要部件有定子：主磁极（产生主极磁场） 、机座（机械支撑和导磁作 用）、换向极（改善换向） 、电刷（导入或导出电量） ；转子：电枢铁心（磁路的一部分，外 圆槽中安放电枢绕组） 、电枢绕组（感应电动势，流过电流，产生电磁转矩，实现机电能量 转换）、换向器（与电刷一起，整流或逆变）1-5 直流电机里的换向器在发电机和电动机中各起什么作用？ 解：换向器与电刷滑动接触，在直流发电机中起整流作用，即把线圈（元件）内的交变 电整流成为电刷间方向不变的直流电。

在直流电动机中起逆变作用， 即把电刷间的直流电逆 变成线圈（元件）内的交变电，以保证电动机能向一个方向旋转。

1-6 一台 Z2 型直流发电机， P N 145kW ,U N 230V , n N 1450r /min, 求该发电机1-7 一台 Z2 型直流发电机， P N 160kW ,U N 220V, N 90%,n N 1500r / min,求该额定电流是多少？1-10 电枢反应对气隙磁场有何影响？ 解：电枢反应使合成磁场发生畸变，磁路饱和时有去磁作用。

1-11 有一台四极直流电机，电枢绕组为单叠整距绕组， 每极磁通为 3.5× 10-2Wb ，电枢总导线数 N=152，转速 n 1200 r / min 。

第一部分直流电机一、填空题：1．当端电压U小于电枢电势Ea直流电机运行于状态。

2．可用电枢电压U与电枢中感应电动势E的大小关系来判断直流电机的运行状态，当时为电动机状态，当时为发电机状态。

3．直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向。

4．直流电机的电磁转矩是由和共同作用产生的。

5．直流发电机中，电枢绕组中的感应电动势是的，电刷间的感应电动势是的。

6．在直流电动机中，电枢绕组的受力方向与运动方向，是拖动性质的转矩。

7．直流电机的励磁方式有，，，。

8、一台并励直流发电机，正转时能自励，反转时自励；二、判断题1．并励直流发电机正转时如能自励，如果把并励绕组两头对调，且电枢反转，则电机不能自励。

　( )2．一台并励直流发电机，正转能自励，若反转也能自励。

（）3．一台直流发电机，若把电枢固定，而电刷与磁极同时旋转，则在电刷两端仍能得到直流电压。

（）4．一台并励直流电动机，若改变电源极性，则电机转向也改变。

（）三、选择题1．直流发电机主磁极磁通产生感应电动势存在于（）中。

（1）电枢绕组；（2）励磁绕组；（3）电枢绕组和励磁绕组2．直流电机的电枢电势的大小等于（）。

A、绕组一条支路中各导体的感应电动势之和；B、S极下所有导体的感应电动势之和；C、N极下所有导体的感应电动势之和；D、电枢表面所有导体的感应电动势之和。

3.直流电动机的电刷的功用是( )。

A清除污垢 B. 引入直流电压、电流C.引出直流电压、电流D. 引出交流电压四、简答题1.什么是电枢反应？电枢反应对气隙磁场有什么影响？公式中aTICTΦ=的应是什么磁通？Φ2、、并励直流发电机的自励条件是什么？五、计算题1．一台直流电动机的额定数据为：额定功率P N=17Kw，额定电压U N=220V，额定转速n N=1500r/min, 额定效率ηN=0.83。

求它的额定电流及额定负载时的输入功率。

2．一台并励直流电动机的铭牌数据为：额定电压U N=220V，额定电枢电流I aN=75A，额定转速n N=1000r/min，电枢回路电阻R a=0.26Ω(包括电刷接触电组)，励磁回路总电阻R f=91Ω，额定负载时电枢铁损耗P Fe=600W，机械损耗P m=1989W。