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1、第第1 1章章 绪论绪论 控制电机全册配套最完整控制电机全册配套最完整 精品课件精品课件2 第第1 1章章 绪论绪论 第第1章章 绪论绪论 1.1 控制电机在自动控制系统中的作用控制电机在自动控制系统中的作用 1.2 控制电机的种类和特点控制电机的种类和特点 1.3 如何学习如何学习“控制电机控制电机”这门课程这门课程 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 控制电机在自动控制系统中的作用控制电机在自动控制系统中的作用 在各类自动控制系统、 遥控和解算装置中， 需要 用到大量的各种各样的元件。 控制电机就是其中的重 要元件之一。 它属于机电元件， 在系统中具有执行、 检测和解算的功能。 虽然从基本原

2、理来说， 控制电机 与普通旋转电机没有本质上的差别， 但后者着重于对 电机的力能指标方面的要求， 而前者则着重于对特性、 高精度和快速响应方面的要求， 满足系统对它提出的 要求。 第第1 1章章 绪论绪论 控制电机已经成为现代工业自动化系统、 现代科 学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。 它的 应用范围非常广泛， 例如， 火炮和雷达的自动定位， 舰船方向舵的自动操纵， 飞机的自动驾驶， 遥远目标 位置的显示， 机床加工过程的自动控制和自动显示， 阀门的遥控， 以及机器人、 电子计算机、 自动记录仪 表、 医疗设备、 录音录像设备等中的自动控制系统。 下面以雷达扫描及自动跟踪飞机的过程为例

3、， 具体说 明控制电机在自动控制系统中所起的作用和所处的地位。 第第1 1章章 绪论绪论 雷达天线控制系统的原理线路如图 1 - 1 所示。 这 个系统有两种工作状态。 一种是当雷达还没有捕捉到 飞机时， 要由雷达操纵手操作， 使天线旋转去搜索飞 机， 这就是雷达的搜索过程。 这时图 1 - 1 上的闸刀S 合在位置。 第二种状态是当天线捕捉到目标时， 把 闸刀立即合向位置。 这时雷达天线作自动跟踪飞机 的运动， 系统处于自动跟踪状态。 下面分别讨论系统 的这两种状态。 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 1 雷达天线控制系统原理线路 第第1 1章章 绪论绪论 1.1.1 雷达天线控制系统的

4、搜索状态 在搜索飞机时， 我们希望雷达天线按照要求在空 间不断旋转， 使雷达发射机发出的强大的电磁波束跟 着天线的转动在空中进行扫描。 由于雷达天线又大又 重， 人是摇不动的， 这时雷达操纵手只需要摇动手把 7， 使自整角发送机1的转子旋转， 通过自动控制系统 的作用， 就可使雷达天线 3 跟着自整角发送机的转角 自动地旋转。 发送机转几度， 天线也转几度； 发送机 正转， 天线也正转； 发送机反转， 天线也反转。 第第1 1章章 绪论绪论 自整角接收机 2 的转轴是和天线的转轴联结在一 起的。 自整角发送机和自整角接收机一般不单独使用 而是成对地使用。 当发送机的转角和接收机的转角 相等，

5、也就是转角差=- 等于零时， 接收机的输出 电压U1也等于零。 当转角和不等时， 接收机就有和 转角差成正比的交流电压U1 输出。 这样， 自整角接 收机就好像自动控制系统的眼睛一样， 可以很灵敏地 感觉出天线的转角是否跟上自整角发送机的转角。 当 跟上时， 转角等于转角， 没有电压输出； 当没有 跟上， 即转角和转角不等时， 通过自整角接收机输 出电压U1, 就可把转角差测量出来， 因此自动控制系 统中的自整角机被称为敏感元件。 第第1 1章章 绪论绪论 假如雷达手向某一方向摇动手轮 7， 产生一个转 角差， 这时自整角接收机就有交流电压U1输出， 这 个电压经过交流放大器放大后， 由环形解

6、调器转换成 直流电压U2， 并送入直流放大器放大， 放大后的直流 电压U3被输入到可控硅控制线路的差动放大器， 去控 制可控硅的导通和截止。 当可控硅VD和VD导通时， 就有一定极性的信号电压通入直流伺服电动机 5， 直 流伺服电动机就立即向一个方向旋转。 第第1 1章章 绪论绪论 当手轮 7 向另一方向转动， 电压U1的相位就相反了， 因而使电压U2、 U3的极性相反， 这时可控硅VD和VD 导通， 通入直流伺服电动机的信号电压极性也随之相 反， 直流伺服电动机就立即向另一方向旋转。 这里直 流伺服电动机将电信号变为转轴转动， 执行了电信号 所给予的控制任务， 所以常称为执行元件。 直流伺服

7、 电动机转动以后， 经过变速箱 4 带动天线 3 旋转， 同 时也带动自整角接收机。 直流伺服电动机应该是朝着 天线和发送机之间的转角差减小的方向旋转， 直到转 角和转角相等。 这时U1、 U2、 U3都等于零， 伺服 电动机才停止转动。 这样， 雷达天线的转角就能自动 地跟随手轮而转动， 以达到手控天线的目的。 第第1 1章章 绪论绪论 为了改善自动控制系统的品质， 在系统中还采用 了校正元件直流测速发电机。 测速发电机的输出电 压U4与它的转速n成正比， 并把它反馈到直流放大器 中。整个控制系统的工作原理可以用图 1 - 2 这样的方 框图来表示。 图上各个元件和实际线路对应如下： 第第1

8、 1章章 绪论绪论 敏感元件自整角发送机和接收机。 转换元件放大器和解调器。 放大元件直流放大器和可控硅控制线路。 执行元件直流伺服电动机。 校正元件直流测速发电机。 控制对象雷达天线。 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 2 雷达天线控制系统方框图 第第1 1章章 绪论绪论 1.1.2 雷达天线控制系统的自动跟踪状态 当雷达手从显示器的荧光屏上看到雷达已经捕捉 到飞机以后， 立即把闸刀S合向位置，系统就工作 在跟踪状态。 这时， 雷达接收机收到从飞机反射回来 的回波， 并把它转换成电信号直接输入到放大器去控 制天线的旋转， 此时天线不需要手控而自动作跟踪飞 机的运动。 上述控制系统中所用的

9、自整角发送机、 自整角接 收机、 直流伺服电动机、 直流测速发电机都属于电机 类型， 统称为控制电机。 可以看出， 这些电机在自动 控制系统中起到了很重要的作用， 是必不可少的元件。 第第1 1章章 绪论绪论 自动控制系统和它所用到的控制电机的关系是整 体和局部的关系， 是一对矛盾的两个对立面。 一方面 控制电机的性能和作用要服从于整个系统对它的要求， 控制电机性能好坏要看它能不能满足系统的要求； 另 一方面控制电机的性能又直接影响整个控制系统的性 能， 控制电机的性能不好或者使用不恰当， 整个控制 系统的性能就无法提高； 控制电机的革新又可以带来 整个系统的革新。 第第1 1章章 绪论绪论

10、既然自动控制系统和控制电机是整体和局部的关 系， 因此， 从事自动控制系统工作的技术人员， 不但 要了解控制系统的整体以及系统中各个元件的相互关 系， 而且对系统中的各个元件和控制电机也要熟悉， 只有这样， 才能恰当地选择和使用各种元件， 并有可 能了解整个自动控制系统。 第第1 1章章 绪论绪论 1.2 控制电机的种类和特点控制电机的种类和特点 1.2.1 控制电机的种类 控制电机的种类很多， 除了自整角机、 直流伺服 电动机和测速发电机外， 还有交流伺服电动机、 交流 测速发电机、 旋转变压器、 无刷直流电动机、 步进电 动机等。 根据它们在自动控制系统中的作用， 可以作 如下的分类。 第

11、第1 1章章 绪论绪论 1. 执行元件(功率元件) 主要包括直流伺服电动机、 交流伺服电动机、 步 进电动机和无刷直流电动机等。 这些电动机的任务是 将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移 和线速度， 并带动控制对象运动。 理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的转速 与控制信号的关系如图 1 - 3 所示， 转速和控制电压的 关系成正比关系， 而转速的方向由控制电压的极性来 决定。 步进电动机的转速与脉冲电压的频率成正比， 如图 1 - 4 所示。 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 3 伺服电动机的控制特性 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 4 步进电动机的控制特性 第第1 1

12、章章 绪论绪论 2. 测量元件(信号元件) 测量元件包括自整角机, 交、 直流测速发电机和旋 转变压器等。 它们能够用来测量机械转角、 转角差和 转速， 一般在自动控制系统中作为敏感元件和校正元 件。自整角机可以把发送机和接收机之间的转角差转 换成与角差成正弦关系的电信号， 如图 1 - 5 所示。 测速发电机可以把转速转换成电信号， 它的输出 电压与转速成正比， 如图 1 - 6 所示。 旋转变压器的 输出电压与转子相对于定子的转角成正、 余弦或线性 关系， 如图 1 - 7 所示。 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 5 自整角机的控制特性 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 6 测速

13、发电机的控制特性 第第1 1章章 绪论绪论 图 1 - 7 旋转变压器的控制特性 第第1 1章章 绪论绪论 1.2.2 控制电机的特点 人们在日常的工作和生活中也经常要用到电机， 例如电灯所用的电是由发电机发出的， 抽水机要用电 动机来带动， 工厂里车床要用电动机才能旋转， 手电 钻里装的也是电机。 这些电机与上面研究的控制电机 有些什么不同呢? 第第1 1章章 绪论绪论 从所举的例子中可以看出， 日常生活和工作中遇 到的电机一般是作为动力来使用的， 它们的主要任务 是能量转换， 发电机是把机械能转换成电能， 电动机 是把电能转换成机械能，它们的主要问题是提高能量 转换的效率。 控制电机在自动

14、控制系统中， 只起一个 元件的作用， 其主要任务是完成控制信号的传递和转 换， 而能量转换是次要的。 根据它们使用的场合及所 完成任务的特点， 决定了对它们的主要要求是运行可 靠、 动作迅速和准确度高。 第第1 1章章 绪论绪论 众所周知， 自动控制系统由成百个、 成千个各种各样 的元件所组成， 每个元件都按照系统对它的特定要求 而工作。 因此， 每个元件工作的好坏， 直接影响到整 个系统的工作。 为了使整个自动控制系统能够敏捷地、 准确地按照人们的要求而动作， 这就要求组成系统的 每一个元件都要动作迅速、 准确和可靠。 第第1 1章章 绪论绪论 同时， 控制电机的使用范围很广， 从地下、 水

15、面、 海洋到高空、 太空以至原子能反应堆等地方都在使用， 而且工作环境条件常常十分复杂， 如高温、 低温、 盐 雾、 潮湿、 冲击、 振动、 辐射等， 这就要求电机在 各种恶劣的环境条件下仍能准确、 可靠地工作。 另外， 很多使用场合(尤其在航空航天技术中使用) 还要求控制电机体积小、 重量轻、 耗电少， 所以我们 常见到的控制电机很多都是体积很小的微电机。 像电 子手表中用的步进电动机， 直径只有6 mm， 长度为 4 mm左右， 耗电仅几微瓦， 重量只有十几克。 第第1 1章章 绪论绪论 1. 如何学习如何学习“控制电机控制电机”这门课程这门课程 控制电机的种类虽然很多， 可以列举出数十种

16、来， 但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规 律的基础上的： 一是电磁转化规律， 就是在一定条件 下电和磁可以相互转化； 二是电流在磁场中要受到力 的作用。 因此在“控制电机”这门课程中， 我们选择 了直流伺服电动机、 变压器和交流伺服电动机这三种 最基本的电机作为典型， 比较深入地研究和分析其中 的电磁关系和它们的基本原理及特性。 第第1 1章章 绪论绪论 通过这三种电机的解剖和分析， 使大家对控制电机中 普遍存在的电磁规律及其分析方法有所了解。 读者在 学习时要抓主要矛盾， 以这三种电机作为重点进行学 习。 首先应将这三种电机中的一些电磁关系搞清楚， 并掌握分析问题和解决问题的方法

17、， 这样学习其它几 种电机就不困难了。 即使在学习每一种电机时， 也要 掌握重点。 每一种电机牵涉的问题也很多、 很广， 要 集中精力掌握一些基本规律和一些主要的理论， 对一 些枝节问题可不必过于深究。 第第1 1章章 绪论绪论 由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁 规律基础上的， 因而它们之间不是孤立的， 它们既有 共性， 也有个性。 在以后学习中就会发现， 一种电机 与另一种电机之间在电磁关系上、 在基本特性上有很 多相同之处， 但它们各自又具有与众不同的特点。 因 此， 在学习时也要用辩证法的观点来学， 将各种控制 电机联系起来， 着重分析和掌握一些共同规律， 同时 也要研究每个电

18、机所具有的特殊性质。 第第1 1章章 绪论绪论 为了便于理解， 本教材不是按控制电机的性质进 行分类的， 而是把电磁关系比较接近的放在一起， 按 照由浅入深、 循序渐进的原则安排章、 节次序。 对自动控制系统专业的学生来说， 今后的工作中 主要是使用控制电机， 所以通过本门课程主要是学习 控制电机的特性和使用方法。 但同时我们还需要学习 电机的基本原理， 因为对电机来说， 其使用时的条件 只是外因， 电机之所以有各种特性的根本原因是在于 电机本身的内部矛盾。 我们要通过学习电机的基本原 理， 了解电机内部的基本矛盾， 这样才能正确而主动 地掌握控制电机的使用方法。 第第1 1章章 绪论绪论 第

19、第2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.1 直流发电机工作原理和结构直流发电机工作原理和结构 2.2 直流电势的关系式直流电势的关系式 2.3 直流测速发电机及其输出特性直流测速发电机及其输出特性 2.4 直流测速发电机误差及其减小的方法直流测速发电机误差及其减小的方法 2.5 直流测速发电机的应用直流测速发电机的应用 2.6 直流测速发电机的性能指标直流测速发电机的性能指标 2.7 直流测速发电机的发展趋势直流测速发电机的发展趋势 思考题与习题思考题与习题 第第1 1章章 绪论绪论 2.1 直流发电机工作原理和结构直流发电机工作原理和结构 2.1.1 工作原理 直流发电机的工作是基于电磁

20、感应定律， 即： 运 动导体切割磁力线， 在导体中产生切割电势； 或者说 匝链线圈的磁通发生变化， 在线圈中发生感应电势。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 1 直流发电机原理图 第第1 1章章 绪论绪论 为简明易懂， 用一个简单的两极电机模型来说明 直流发电机的工作原理。 图 2 - 1(a)是该模型的示意图。 如图示， 在空间固定不动的磁极N , S之间， 有一个铁 质圆柱体(电枢铁心)装在转轴上， 磁极与铁心间的气 隙称为空气隙。 导体ab , cd固定在电枢铁心表面径向 相对的位置并连成一个线圈(元件)。换向片之间、 换 向片与转轴之间均相互绝缘， 这部分称为换向器。 整 个转动部

21、分称为电枢， 固定不动的导电片A、 B(电刷) 压在换向片上， 为滑动接触。 磁极的中心线称为磁极 轴线， N , S极之间的中心线称为几何中性线， 如图 2 - 1(b)。 第第1 1章章 绪论绪论 在图 2 - 1中， 磁极产生的磁通由N极出发经过电枢 铁心进入S极。 用原动机拖动电枢以转速n逆时针方向 旋转， 则导体ab, cd切割磁力线而产生电势。 根据右手 定则， 在图示瞬时， N极下导体ab中电势的方向由b指 向a, S极下导体cd中电势由d指向c。 在图 2 - 1(b)中分别 用 、 表示。 线圈两个有效边中的电势大小相等方 向相反， 因此， 整个线圈电势是两个有效边电势之和，

22、 即为一个有效边电势的两倍， 电势方向是由d指向a, 故a 为正， d为负。 电刷A通过换向片与线圈的a端相接触， 电刷B与线圈的d端相接触， 故此时A电刷为正， B电刷 为负， 电刷两端电势E BA=eda=e dc+e ba。 第第1 1章章 绪论绪论 当电枢转过180以后， 导体cd处于N极下， 导体 ab处于S极下， 这时它们的电势与前一时刻大小相等方 向相反， 于是线圈电势的方向也变为由a到d, 此时d为 正， a为负， 而两电刷间电势E BA=e ad=e ab+e cd， 仍然 是A刷为正， B刷为负。 第第1 1章章 绪论绪论 电枢连续旋转， 导体ab和cd轮流交替地切割N极和

23、 S极下的磁力线， 因而ab和cd中的电势及线圈电势是交 变的。 在两极情况下， 线圈每转一圈， 电势交变一次。 但是， 电刷电势的极性始终不变。 这是由于通过换向 器的作用， 无论线圈转到什么位置， 电刷通过换向片 只与处于一定极性下的导体相连接， 如电刷A始终与 处在N极下的导体相连接， 而处在一定极性下的导体 电势方向是不变的， 因而电刷两端得到的电势极性不 变。 这就是直流发电机的最基本工作原理。 第第1 1章章 绪论绪论 2.1.2 直流电势的形成 前面的讨论， 只是得出了电刷电势极性不变的结 论， 但其大小是否随时间变化， 还需进一步分析。 根 据法拉第电磁感应定律， 导体切割磁通

24、产生的电势为 ei=Bxlv (2 - 1) 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 2 磁场分布和电刷电势 第第1 1章章 绪论绪论 式中， Bx为导体所处位置的气隙磁通密度； l为 导体有效长度(即电枢铁心的长度)； v为导体切割磁场 的线速度(即电枢圆周速度)。 对已制成的电机， l为定 值， 若电枢转速n恒定， 则v亦为常值， 所以eiBx。 实际上， 在整个磁极下， 气隙磁通密度沿电枢圆周不 是均匀分布， 而是按图 2 - 2(a)所示规律分布的。 导体 处于不同位置， 产生的电势大小不同， 其随时间变化 的规律与Bx相同。 第第1 1章章 绪论绪论 经换向器换向后， 电刷间电势虽然方

25、向不变， 但却有 很大的脉动， 如图 2 - 2(b)所示。 显然， 这样的电势 不是直流电势， 暂且称其为脉动电势。为减小电势的 脉动程度， 实际电机中不是只有一个线圈(元件)， 而 是由很多元件组成电枢绕组。 这些元件均匀分布在电 枢表面， 并按一定的规律连接。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 3 是一个实际电机的模型， 电枢铁心表面有 齿有槽， 槽中安放元件， 元件形状如图 2 - 4 所示。 匝数等于 1 的元件称为单匝元件， 匝数大于 1 的称为 多匝元件。 直流测速发电机一般都采用多匝元件。 放 在槽中的元件边为有效边， 连接有效边的导线称为端 部连线。 元件的两个有效边分别

26、安放在电枢圆周两个 相对的槽中， 且一个有效边放在槽的上层(靠近槽口)， 另一个有效边放在槽的下层(靠近槽底)， 并用上层边 所在的槽号表示元件号。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 3 实际电机模型 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 4 电枢元件 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 5 等值电路 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 6 描绘了电刷A、 B之间输出电势随时间变 化的曲线。 图中曲线 1 和 2表示相邻两个元件的电势， 因为元件空间位置夹角90， 则元件电势时间相位差 90。 电刷电势是支路中两个元件电势曲线之合成， 即曲线 3。 与图 2 - 2(b)比较可见， 此

27、时输出电势平均 值变大， 脉冲相对来说变小。 可以推论， 如果电枢表 面槽数增多， 元件数增多， 则电刷间串联的元件数增 多， 输出电势的平均值将更大， 脉动更小， 就得到大 小和方向都不变的直流电势。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 6 电刷输出电势 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 7 直流电机示意图 第第1 1章章 绪论绪论 2.1.3 直流电机基本结构 各种型号直流电机的基本结构都是一样的， 这里 简述小型直流电机结构的主要部分。直流电机总体结 构可以分成两大部分： 静止部分(称为定子)和旋转部 分(称为转子)。 定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。 定子由定子铁心、 励磁

28、绕组、 机壳、 端盖和电刷装置 等组成。 转子由电枢铁心、 电枢绕组、 换向器、 轴 等组成。 一般小型电机的轴是通过轴承支撑在端盖上 的。 直流电机的基本结构示意图如图 2 - 8 所示。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 8 直流电机结构简图 第第1 1章章 绪论绪论 电机主要零部件的基本结构和作用如下： 1. 定子铁心和励磁绕组 小容量直流电机的定子铁心往往将磁极和磁轭连 成一体， 用厚为 0.350.5 mm的电工钢片的冲片叠压 而成。 铁心外处的机壳由铝合金浇铸而成， 如图 2 - 9 所示。为了使主磁通在空气隙中的分布更为合理， 磁 极的极掌(或称极靴)较极身为宽， 这样也可使

29、励磁绕 组牢固地套在磁极铁心上。 第第1 1章章 绪论绪论 励磁绕组由铜线绕制而成， 包上绝缘材料以后套 在磁极上(见图 2 - 9)。 当励磁绕组通以直流电时， 就 产生磁通， 形成N、 S极。 直流电机可以做成多对极， 但控制用的直流电机一般做成一对极。上述的励磁方 式称为电磁式。 此外， 定子磁极还可以用永久磁钢做 成， 称为永磁式。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 9 定子结构简图 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 10 电枢铁心冲片 第第1 1章章 绪论绪论 2. 电枢铁心和电枢绕组 电枢铁心用厚为 0.350.5 mm的电工钢片的冲片 叠压而成， 冲片形状如图 2 - 1

30、0 所示。 铁心上的槽是 安放绕组的， 电枢铁心又作为主磁通磁路的组成部分。 由于转子在旋转， 所以电枢铁心也切割磁通。 为了减 少铁心中的涡流损耗， 铁心冲片要涂绝缘漆， 作为片 间绝缘。 电枢绕组的组成方法是： 将绝缘铜导线预先制成 元件， 并嵌在槽内， 然后将元件的两个端头， 按照一 定的规律接到换向器上， 如图 2 - 11 所示。 第第1 1章章 绪论绪论 3. 换向器和电刷 换向器是由许多换向片(铜片)叠装而成的。 换向 片之间用塑料或云母绝缘， 各换向片和元件相连。 常 用的换向器有金属套筒式换向器与塑料换向器。 图 2 - 12 是塑料换向器的剖面图。 第第1 1章章 绪论绪论

31、 图 2 - 11 电枢铁心和绕组 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 12 塑料换向器剖面图 第第1 1章章 绪论绪论 电刷放在电刷座中， 用弹簧将它压在换向器上， 使之和换向器有良好的滑动接触(见图 2 - 8)。 在直流 电机中， 电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变 电势转换成电刷间的直流电势。 第第1 1章章 绪论绪论 2.2 直流电势的关系式直流电势的关系式 在讨论直流发电机工作原理时曾经指出， 当电刷 A、 B通过换向片与几何中心线上的导体相连接时， 电刷A、 B就把处于一个磁极下元件的电势串联起来， 因此电刷间的电势应该等于正负电刷所连接的导体的 电势之和， 即 i s i

32、 n eE 1 (2 - 2) 第第1 1章章 绪论绪论 式中， ei为每一导体的感应电势； s为一对电刷间的串 联导体数。由式(2 - 1)可知， 电枢导体感应电势值除了 与导体在磁场中的长度l, 导体切割磁通的线速度v有关 外， 还与导体所在点的磁通密度有关。 为此要研究磁 极下各点磁通密度的分布。 图 2 - 13 表示一对磁极时励磁磁通所经过的路径。 第第1 1章章 绪论绪论 当励磁电流流过励磁绕组时， 磁通便由N极出来， 经过空气隙及电枢， 进入S极， 然后分别从两边的磁 轭回到N极， 形成闭合回路。 在直流电机中， 磁极和 电枢之间的气隙是不均匀的， 在极中心部分最小， 在 极尖处

33、较大， 因此， 电枢表面各点的磁通密度也不同。 在极中心下面磁通密度最大， 靠近极尖处逐渐减小， 在极靴范围以外则减小很快， 在几何中心线上则等于 零。 若不考虑电枢表面齿槽的影响， 在一个磁极下面， 电枢表面各点磁通密度的分布情况如图 2 - 14 所示。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 13 直流电机磁路 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 14 气隙中磁通密度分布图 第第1 1章章 绪论绪论 现在来研究导体的电势。 对于已制成的电机， l 为常数， 当速度v一定时， 导体的感应电势ei便正比于 该导体所在处的磁通密度Bx， 即eiBx。 因此图 2 - 14 也可以看成是当导体连

34、续分布在电枢表面时， 在一个 磁极下电枢导体感应电势的分布曲线。 第第1 1章章 绪论绪论 由于电枢表面不同位置上的导体的感应电势ei 不同， 不妨取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bp， 一个 磁极下所有导体的平均电势为ep， 这样， 电刷间的电 势Ea便等于一个磁极下导体的平均电势乘上一对电刷 所串联的导体数s, 即 Ea=sep (2 - 3) 而其中 ep=Bplv (2 - 4) 因此 Ea=sBplv (2 - 5) 第第1 1章章 绪论绪论 实际工作中， 使用转速n和每极总磁通比用电枢 表面圆周速度v和平均磁通密度Bp来得方便， 故把v, Bp 转化成n、 。Bp等于一个磁极的总

35、磁通除以磁极的面 积， 即 l Bp (2 - 6) 第第1 1章章 绪论绪论 式中， 为每极总磁通， 单位为韦伯(Wb); 为极距， =电枢圆周长/极数， 单位为米(m); l为电枢铁心长， 单位为米(m)。 电枢表面圆周速度 n D 60 (2 - 7) 式中， D为电枢直径， 单位为米(m)； n为电枢转速， 单位为转/分(r/min)。 第第1 1章章 绪论绪论 这样式(2 - 4)便可写成 n D ep 60 由于D/=2p(p为电机的极对数)， 所以上式变成 n p ep 60 2 (2 - 8) 把式(2 - 8)代入式(2 - 3)便得电刷间的总电势 n p sEa 60 2

36、(2 - 9) 第第1 1章章 绪论绪论 因为一对电刷所串联的导体数s应等于电刷间每条 并联支路中的导体数， 所以s值等于电枢绕组总导体数 N除以电刷间的并联支路数2a(a为支路对数。 在图 2 - 3 中支路对数为 1， 支路数为 2)， 即s=N/(2a)。 支路 数2a与绕组的具体结构有关， 这里不作深究。 这样式(2 - 9)便可写成 n a pN Ea 60 或者写作 Ea=Cen (2 - 10) 第第1 1章章 绪论绪论 式中， Ce=pN/(60a)， 是一个常数， 其值由电机 本身的结构参数决定。 式(2 - 10)中, Ea的单位为V; 的单位为Wb; n的单 位为r/mi

37、n。 式(2 - 10)是直流电机中非常重要的关系式， 希望 读者牢记此式， 并能熟练应用。 当每极磁通一定时， Ea=Ken (2 - 11) 式中， Ke=Ce， 称为电势系数。 第第1 1章章 绪论绪论 2.3 直流测速发电机及其输出特性直流测速发电机及其输出特性 2.3.1 直流测速发电机的型式 按照励磁方式划分， 直流测速发电机有两种型式。 1. 永磁式 永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做 成， 没有励磁绕组， 以图 2 - 15 所示的符号表示。 第第1 1章章 绪论绪论 2. 电磁式 电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源 供电， 通电时产生磁场， 以图 2 - 1

38、6 所示的符号表示。 图 2 - 15 永磁式直流测速发电机 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 16 电磁式直流测速发电机 第第1 1章章 绪论绪论 2.3.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求 自动控制系统对其元件的要求， 主要是精确度高、 灵敏度高、 可靠性好等。 据此， 直流测速发电机在电 气性能方面应满足以下几项要求： 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 17 测速发电机的理想输出特性 第第1 1章章 绪论绪论 (1) 输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应 为线性， 如图 2 - 17 所示； (2) 输出特性的斜率要大； (3) 温度变化对输出特性的影响要小； (4)

39、输出电压的纹波要小， 即要求在一定的转速下 输出电压要稳定， 波动要小； (5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。 第第1 1章章 绪论绪论 2.3.3 输出特性 在2.2节中已经推导了直流电势公式: Ea=Cen 当每极总磁通为常数时， 则 Ean 第第1 1章章 绪论绪论 即输出电势与转速成正比。 测速发电机电刷两端 接上负载电阻RL后， RL两端的电压才是输出电压。 由 图 2 - 18 可知， 负载时测速发电机的输出电压等于感 应电势减去它的内阻压降， 即 Ua=Ea-IaRa (2 - 12) 此式称为直流发电机电压平衡方程式。 式中， Ra 为电枢回路的总电阻， 它包括电枢绕组

40、的电阻、 电刷 和换向器之间的接触电阻； Ia为电枢总电流， 且有 L a a R U I (2 - 13) 第第1 1章章 绪论绪论 将式(2 - 13)代入式(2 - 12)得 a L a aa R R U EU 经化简后为 L a e L a a R R C R R E U 11 (2 - 14) 第第1 1章章 绪论绪论 式(2 - 14)是负载时输出电压与转速的关系。 如果 式中、 Ra和RL都能保持为常数， 则Ua与n之间仍呈线 性关系， 只不过是随着负载电阻的减小， 输出特性的 斜率变小而已， 如图 2 - 19 所示。 但该图是理想情况 下， 即、 Ra不变， RL为一定时的输

41、出特性。 实际上， 测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性， 实际特性与要求的线性特性间存在误差。 下一节将分 析引起误差的原因和减小误差的方法。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 18 直流测速发电机接上负载 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 19 不同负载电阻时的理想输出特性 第第1 1章章 绪论绪论 2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法直流测速发电机的误差及其减小的方法 2.4.1 温度影响 得出Ua=f(n)为线性关系的条件之一是励磁磁通为 常数。 实际上， 电机周围环境温度的变化以及电机本 身发热(由电机各种损耗引起)都会引起电机绕组电阻的 变化。 当温

42、度升高时， 励磁绕组电阻增大， 励磁电流 减小， 磁通也随之减小， 输出电压就降低。 反之， 当温度下降时， 输出电压便升高。 第第1 1章章 绪论绪论 对于温度变化所引起的误差要求比较严格的场合， 可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络， 如图 2 - 20 所示。 选择并联网络参数的方法是： 作出励磁绕组电阻 随温度变化的曲线(图 2 - 21中曲线 1)， 再作并联网络 电阻随温度变化的曲线(图 2 - 21中曲线 2)； 前者温度 系数为正， 后者温度系数为负。 只要使得这两条曲线 的斜率相等， 励磁回路的总电阻就不会随温度而变化 (图 2 - 21 中曲线 3)， 因而励磁电

43、流及励磁磁通也就不 会随温度而变化。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 20 励磁回路中的热敏电阻并联网络 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 21 电阻随温度变化的曲线 第第1 1章章 绪论绪论 2.4.2 电枢反应影响 电机空载时， 只有励磁绕组产生的主磁场。 电机 负载时， 电枢绕组中流过电流也要产生磁场， 称为电 枢磁场。 所以， 负载运行时， 电机中的磁场是主磁场 和电枢磁场的合成。 图 2 - 22(a)是定子励磁绕组产生的主磁场， 图 2 - 22(b)是电枢绕组产生的电枢磁场， 图 2 - 22(c)是主磁 场和电枢磁场的合成磁场。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 -

44、22 直流电机磁场 第第1 1章章 绪论绪论 主磁场的分布在第 2.2 节已作了分析， 在此主要 研究电枢电流单独产生的电枢磁场。 因为电枢导体的 电流方向总是以电刷为其分界线， 即电刷两侧导体中 的电流大小相等， 方向相反。 不论转子转到哪个位置， 电枢导体电流在空间的分布情况始终不变。 因此， 电 枢电流所产生的磁场在空间的分布情况也不变， 即电 枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。 其磁力线的分 布可以根据右手螺旋定则作出， 如图 2 - 22(b)。 由于 电刷位于几何中性线上， 所以电枢磁场在电刷轴线两 侧是对称的， 电刷轴线就是电枢磁场的轴线。 第第1 1章章 绪论绪论 由图 2 -

45、 22(b)可以看出， 电枢磁场也是一个两极 磁场， 主磁极轴线的左侧相当于该磁场的N极， 右侧 相当于S极。 另外， 在每个主磁极下面， 电枢磁场的 磁通在半个极下由电枢指向磁极， 在另外半个极下则 由磁极指向电枢， 即半个极下电枢磁通和主磁通同向， 另外半个极下电枢磁通和主磁通反向， 因此合成磁场 的磁通密度在半个极下是加强了， 在另外半个极下是 削弱了， 如图 2 - 22(c)所示。 由于电枢磁场的存在， 气隙中的磁场发生畸变， 这种现象称为电枢反应。 第第1 1章章 绪论绪论 如果电机的磁路不饱和(即磁路为线性)， 磁场的 合成就可以应用叠加原理。 例如， N极右半个极下的 合成磁通

46、等于 1/2 主磁通与 1/2 电枢磁通之和， 左半 个极下的合成磁通等于 1/2 主磁通与 1/2 电枢磁通之差。 因此， N极左半个极的削弱和右半个极的加强相互抵 消， 整个极的磁通保持不变， 仅仅磁场的分布发生了 变化。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 23 直流测速发电机输出特性(图中R L1R L2) 第第1 1章章 绪论绪论 2.4.3 延迟换向去磁 直流电机中， 电枢绕组元件的电流方向以电刷为 其分界线。 电机旋转， 当电枢绕组元件从一条支路经 过电刷进入另一条支路时， 其中电流反向， 由+ia变成 -ia。 但是， 在元件经过电刷而被电刷短路的过程中， 它的电流既不是+i

47、a也不是-ia， 而是处于由+ia变到-ia的 过渡过程。 这个过程叫元件的换向过程。 正在进行换 向的元件叫换向元件。 换向元件从开始换向到换向终 了所经历的时间为换向周期。 第第1 1章章 绪论绪论 参看图 2 - 24。 从图 2 - 24(a)到图 2 - 24(c)， 元件 1 从等值电路的左边支路换接到右边支路， 其中电流 从一个方向(+ia)变为另一个方向(-ia); 而在图 2 - 24(b)所 示时刻， 元件 1 被电刷短路， 正处于换向过程， 其中 电流为ik。 1 号元件为换向元件。 从图 2 - 24(a)到图2 - 24(c)所经历的时间为一个换向周期。 第第1 1章

48、章 绪论绪论 图 2 - 24 元件的换向过程 第第1 1章章 绪论绪论 在理想换向情况下， 当换向元件的两个有效边处 于几何中性线位置时， 其电流应该为零。但实际上在 直流测速发电机中并非如此。 虽然此时元件中切割主 磁通产生的电势为零， 但仍然有电势存在， 使电流过 零时刻延迟， 出现所谓的延迟换向。 分析如下：由于 元件本身有电感， 因此在换向过程中当电流变化时， 换向元件中要产生自感电势: dt di LeL 式中， L为换向元件的电感； i 为换向元件的电流。 第第1 1章章 绪论绪论 根据楞次定律， eL的方向将力图阻止换向元件中 的电流改变方向， 即力图维持换向元件换向前的电流

49、方向， 所以eL的方向应与换向前的电流方向相同， 是 阻碍换向的。 同时， 换向元件在经过几何中性线位置时， 由于 切割电枢磁场而产生切割电势ea, 根据右手定则可以确 定, ea所产生的电流的方向也与换向前的电流方向相同， 也是阻碍换向的。 第第1 1章章 绪论绪论 因此， 换向元件中有总电势ek=eL+ea。 显然， 由于 总电势ek的阻碍作用而使换向过程延迟， 即换向元件中 的电流由+ia变为-ia的时间延迟了。 换向元件被电刷短路， 于是总电势ek在换向元件中 产生附加电流ik, ik方向与ek方向一致。 由ik产生磁通k， 其方向与主磁通方向相反， 如图 2 - 25 所示， 对主磁

50、 通有去磁作用。 这样的去磁作用叫延迟换向去磁。 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 25 换向元件中的电势 第第1 1章章 绪论绪论 图 2 - 26 延迟换向对输出特性的影响 第第1 1章章 绪论绪论 如果不考虑磁通变化， 则直流测速发电机电势与 转速成正比， 当负载电阻一定时， 电枢电流及绕组元 件电流也与转速成正比； 另外， 换向周期与转速成反 比， 电机转速越高， 元件的换向周期越短； eL正比于 单位时间内换向元件电流的变化量。 基于上述分析， e必正比转速的平方， 即eLn 2。 同样可以证明 ean2。 因此， 换向元件的附加电流及延迟换向去磁 磁通与n2成正比， 使输出特性