直流电动机的基本原理：
一、直流电动机的基本原理：
下面电机原理部分的内容主要摘自谢明琛教授编著的《电机学》：
图示为一个最简单的直流电机模型，定子上有固定的永久磁铁做磁极，转子为圆柱型的铁芯，上面嵌有线圈（图中导体ab和cd连成一个线圈），线圈的首末端分别连接在两片彼此绝缘的圆弧型换向片上，换向片固定在转轴上，换向片构成的整体称为换向器，整个转动部分成为电枢，为了把电枢和外电路接通，在换向片上放置了两件空间位置固定的电刷A和B，当电枢转动时，电刷A只能与转到上面的换向片接触，电刷B只能与转到下面的换向片接触。
当这个原理样机作为直流发电机运行时，用原动机拖动电枢，使之以恒速n沿逆时针方向旋转，若导体的有效长度为l ,线速度为v,导体所在位置的磁通密度为
，则在每根导体中感应出电势为
导体感应电势的方向用右手定则确定，在图示的瞬间，ab导体处在N极下，其电动势的方向由b—a，而导体cd处·在S极下，其电动势方向由d—c,整个线圈的电动势为2e，方向由d—a,如果线圈转过180度，则ab导体和cd导体的电动势方向均发生改变，故线圈电动势为交变电动势。
但通过测量，我们却发现在电刷A/B间的电动势却是单向的，这是为什么呢？这是因为电刷A只与N极下的导体接触，当ab导体在N极下
时，电动势方向为b—a—A，电刷A的极性为+，在另一个时刻，导体cd 转到N极下时，电动势的方向为c—d—A,电刷A的极性仍为+，可见电刷A 的极性永远为+，同理，电刷B的极性就永远为-，故电刷A/B间的电动势为直流电动势。
若把上述电机模型用做电动机运行，在电刷A/B间施加直流电压，使电流从正极电刷A流入，通过线圈abcd，经负极电刷B流出，由于电流始终从N极下的导体流入，S极下的导体流出，根据电磁力定律可知，上下两根导体受到的电磁力方向始终为逆时针方向，它们产生的电磁力矩的方向也始终是逆时针方向，使电机按逆时针方向旋转，从上面的分析可以看出，在直流电机的绕组里，电枢线圈里的电流方向是交变的，但产生的电磁转距的方向却是单向的，这也是由于有换向器的原因。
以上是直流电机运行的基本原理，而对直流电机的基本结构，相信大家已经非常熟悉，我就不再浪费大家的时间，下面，就首先从电动机的额定参数的定义开始给大家开始介绍电机的运行方程及特点。
二、直流电动机的额定参数
我们在公司制造的各种电机上，都可以看到额定电压，额定功率等参数，他们的具体含义如下：
额定电压：对电动机来说，是指在标准的供电的系统中，施加在电动机接线端上的直流电压，具体到我们公司的产品，基本上是使用在汽车上，目前汽车行业采用的供电体系主要有12V和24V两种，所以，我们的电机额定电压也都是12V或24V，这里要引起注意的是，额定电压并不是对该产品进行评价时的测试电压，随着使用环境的不同，我们对产品的测试电压的规定是变化的，比方在进行基本性能测试时，采用的是12V，但进行耐久试验时，为了减少测试时间，往往采用13.5V的测试电压。对起动机来说，这就更加明显，额定电压12V的起动电机，在使用过程中，是有蓄电池供电的，考虑到电池的内阻和容量限值，额定负载点的测试电压往往只有8-9V。
额定电流：在电机接线端施加额定电压，输出轴上施加额定力矩时，通过电枢绕组的电流。
额定转速：电机在额定电压和额定电流下，输出的转速。
额定功率：电机在额定电压、额定电流下，轴端输出的功率。对发电机来说，是指电机的出线端子输出的额定功率。
三、电动机的输出特性和电机拖动系统稳定运行条件：
电动机的运行是将电能转换为机械能，表征它的输出机械功率的参数主要是转速和转距，因此直流电机的工作特性是指输入电压、励磁电
压（对我们公司生产的永磁直流电机来说，励磁电压始终为恒定值，这
里可以不考虑）等于常数，电枢回路无附加电阻的情况下，电机的转
速，转距，效率等和输出功率间的特性曲线，即
在实际工作中，因电枢电流Ia容易测量，往往把上式写为
下图是个风扇电机输出特性的例子：
从图中，我们可以清晰的看到，电机的测试条件是输入电压为12V时，以电机的输出力矩为横坐标，得到的电流、转速、效率、输出功率等的曲线，如果我们从用户规定的负载力矩点顺纵坐标方向画一根直线，这根直线与各条曲线的交点坐标就是该电机在额定负载时的各项指标性能，我们评价这台电机的好坏也基本可以从这几点的数据来判断，例如上图中，该电机ZD1685风扇电机的规定负载是0.28N.m，我们从图中找出对应的效率为61.9％，输出功率为61.95W，转速2113 r/min，效率和输出功率均处在对应的曲线的最大点附近，输出转速也符合技术条件的要求，我们可以认为该电机的设计参数是合理的，能够满足用户的要求，反之，如果我们发现在预期的工作点上，电机的效率和输出功率均处在一个较低（相对于该曲线的最大值），我们就需要调整电机的设计参数了。
现在我们已经了解了电机的输出特性曲线，其中最关键的是要知道我们的电机到底工作在曲线上的那一点，很多时候用户是不给你这个具体数据的，比方风扇电机，用户只给你风扇总成的要求，如输出流量，压力等，这时候我们怎
么处理呢？
现在，我们需要考虑负载和电机组成的系统的机械特性，我们在同一个坐标系里，通过测试，得到驱动规定负载时，转速和力矩对应的曲线，然后从图上找出它与电机的转速－力矩曲线的交点，这个交点对应的坐标就是电机的工作点。如下图所示：
关于如何来作出负载的特性曲线，我们以后结合具体的电机测试再详细分析。从图中，我们再进一步思考一下，由电机和扇叶负载构成的系统是否能稳定运行呢？也就是说，如果由于某种外加的干扰，使扇叶的转速发生变化后，整个系统是否仍能回到原来的工作点继续稳定运行？
我们在下图中绘出电机的机械特性曲线和负载的机械特性曲线
图中A点表示这个拖动系统已经达到平衡状态，即＝，假设出现某种扰动使系统的转速突然升高，变为，然后扰动消失，这时候，从电机的机械特性曲线上，可以看到，电机的输出转距相应变为点的转距，而此时的负载转距相应变为点的转距，显然，此时的点的转距大于点的转距，整个系统减速运行，直到两个转距平衡的A 点，反之，如果干扰使系统减速，然后扰动消失，我们同样可以分析出，系统将升速运行直到A点重新平衡，这样，我们就得到了电机拖动系统的稳定运行的条件：如图b中所示的情况，因电机具有向上的机械特性，
我们假设依然出现某种扰动，使系统的转速升高，然后扰动消失，按与上面同样的方法进行分析，我们可以看到，系统将无法回到A点稳定运行，而是转速继续升高，甚至有可能造成整个系统损坏。
这种情况在我们生产的电机里，在某些特殊情况下是很可能发生的，比
的工作点设计不当，电机运行时使磁钢产生了不可逆的退磁现象，在外加的扰动情况下，随着电机电流的增大，去磁效应进一步加大，励磁磁势继续降低，这时候电机的机械特性就呈现图b所示的情况，电机将有可能加速运行，严重的极端情况下，完全有可能造成电机整体破坏。
四、电机的绕组
这部分内容主要摘自王毓东教授编写的《电机学》，并参考了部分东南大学王鄂教授编写的《电机学》。
我们知道，电机的绕组是进行机电能量转换的关键元件，从原理上对其构成和功能进行了解是十分必要的，下面，我们就针对目前最常用的两种绕组结构进行讨论，首先，介绍几个基本概念。
元件：指分别与换向片两端连接的单匝或多匝线圈。如下图示：
元件边：元件放在转子槽内，切割磁力线感应电动势的部分。
虚槽：为了改善电机的性能，通常电机的绕组需要用较多的元件构成，但因为工艺限值，转子上不能开足够的槽，因此，会出现一个槽内放置几个元件边的情况，这时，我们把一个槽内同一个上下元件边所占的上下层位置称为一个虚槽，如下图所示：
设每个实槽包含u个虚槽，电机的实槽数为Z，虚槽数元件数S之间的关系如下：
＝
由于每个换向片都要连接到属于不同元件的元件边上，所以，元件数始终等于换向片数。
绕组在槽内的分布型式如下图所示，在图a中，三个元件的上下元件边都处在一个槽内，这种元件称为同槽式元件，图b、c表示的是上下元件边不在同一个槽内的情况，这种元件称为异槽式元件。
显然，异槽式元件加工复杂，但它在改善电机换向方面，有特殊的作用，
有时还是会被采用，而我们通常使用的元件基本是同槽式的。
极距：电机每个极下对应的虚槽数
＝/2 为电机的极对数
对我们的研究对象，公司目前生产的各种电机，转子上的每个实槽内都只有一个虚槽，因此＝，下面的论述中，我们都不再考虑虚槽的影响。
绕组的节距：
第一节距：每一元件的元件边在电枢上所跨过的槽数。如下图：
为了使元件中感应的电势最大，各种绕组的都应等于或接近极距，显然，
为一个整数，而极距＝/2却不一定是整数，因此，第一节距的表达式应为：＝/＝整数 为小于1的真分数
当＝0时，元件称为整距元件
＜0时，元件称为短距元件
＞0时，元件称为长距元件
第二节距 ：同一换向片所串连的两个元件中，前一元件的下元件边与后一元件的上元件边在电枢表面相隔的虚槽数。
合成节距 ：同一换向片所串连的两个元件中，对应的元件边在电枢表面相隔的虚槽数。 ＝ +
换向器节距 :每一元件所连接的两个换向片之间在换向器表面所跨的换向片数，＝
单叠绕组
单叠绕组的特点是：＝＝，具体来说，就是这种绕组任何相邻的两个元件都是后一元件紧叠在前一元件上，每嵌完一个元件就在电枢表面移动一个槽，直到最后一个元件与第一个元件首尾相连而构成一个闭合的绕组。这种绕组使用在基本上所有的风扇、雨刮电机上，下面，就结合一个4极电机有16个槽的整距转子绕组来进行简单说明。
该电机的转子＝S=K=16,2P=4,有四个电刷，按图示方向连接，在不考虑电枢反映的情况下，正负极电刷间通12V电压，在图示的瞬间，我们把电枢绕组剖开，画成图示的展开图，绕组内的电流方向如图所示。
注意：图中的电刷我们应该把它看成电源的输入端，正极为电流输入，负极为电流输出。简单的说，与正极电刷接触的换向片所连接的元件边里电流的方向一定是向上，与负极电刷接触的换向片所连接的元件边里的电流的方向一定是向下。
图中，每个槽内都有两个元件边，实线部分表示上层边，虚线部分表示下层边，每个线圈我们都只用上层边的槽号来代表，如1号线圈就指的是上层边在1号槽
内的线圈，显然，1号槽内虚线边代表的线圈是13号线圈。
四个磁极和电刷的相对位置是相对固定的，但绕组却是在不停的移动，我们现在分析图示瞬间电枢绕组内的电流分布情况，可以看到，在每个磁极下，三个槽内的电流方向都是一致的，磁极间的四个槽1、5、9、13内，上下元件边的电流方向相反，槽内的合成电流为0，其余各槽内的元件边受力方向均相同，电机沿逆时针方向运行，按这样的分析方法，也可以画出下图所示的绕组连接等效电路图。
可以看到，线圈1、9、5、13因为被电刷短路，其两端电势相等，没有做功，其余线圈都是每个极下的线圈串连后，再如图所示并联起来，电机的电枢电流等于四个支路的电流和。
显然，对单叠绕组，电枢绕组的并联支路数就等于主极的极数，电枢电流为各支路电流之和。故有时候我们也把叠绕组称为并联绕组。
在这里，大家也许会提出疑问，图中电刷的摆放是否有规律呢？换句话说，我们应该按什么原则来布置电刷？
对电动机来说，通过正负极电刷引入的电势的元件，应该使其在主极下被串连起来的线圈所产生的电磁力矩最大，这就是布置电刷的最基本的原则
为了改善电机的换向性能，有时候，我们会采取移动电刷的方式，这个问题在以后的章节我们单独讨论。
我们把上面的电枢绕组展开图中，相邻主极间的中心线我们称为电枢的几何中心线，从图中，我们可以发现，在几何中心线下的元件边的合成电流为0，同时，只有在相邻的两个几何中心线下的元件边上布置电刷，才能够使每个主极下的元件所包围的范围内，有最大数量的槽合成电流不为0，我们不妨在图示的展开图中，将电刷向左移动一个槽距。
我们为了方便分析绕组内的电流情况，按上述同样的方法，首先观察被电刷短路的线圈是那几个（如图中红线表示），然后再画出等效电路图，如下：可见，这时候，线圈4、8、12、16被电刷短路后，再分别与三组线圈串连后并联起来，以N极下线圈举例，可以看到，这时，在主极下的三个线圈中，4号被电刷短路了，为电枢提供电磁力矩的线圈数量只有2个了，另个没有被短路的线圈1因为没有在主极下面，虽然有电流通过，但却无法产生电磁力矩，所以，这就相当于电机的匝数被减少的情况，电机性能将发生变化。
因此，我们可以知道，电刷应该放置在连接在元件边在几何中心线上的元件的换向片上，对整距绕组来说，这时元件的中心线与主极的轴线重合，对短距或长距绕组，也有同样的情况，而该元件连接的两个换向片的中心线此时应该与主极轴线重合，因此，上面的表述我们可以换种说法，对于端接线对称的绕组电刷应该放置在主极的轴线下。短距绕组或长距绕组，情况也是一样的，但如果端接线不对称，该怎么放置呢？（自己思考？）
单波绕组：
相对于单波绕组，在电机的槽数和元件数一定时，为了取得更大的电动势，对4极或以上的电动机来说，为了在相同的电枢电流下，得到更大的电磁转距，我们希望将所有相同主极下的线圈都串连起来，为了说明这一问题，我们将前面讲过的绕组用下图两种不同方式进行连接，观察有什么不同：
上图表示的是刚才我们讨论过的单叠绕组结构的简化画法，和下图（单波绕组的电路连接示意图）相比，在同样的元件数量和输入电压相同的情况下，如果电动机拖动的负载力矩是恒定的，显然，因为并联支路数变为原来的一半，每个支路的线圈数量增加了一倍，平衡相同的外加电势所需要的转速便会降低，因此，只需和叠绕组比较少一半的匝数便会产生相同的输出力矩，但这样对电机的设计和使用有什么实际意义呢？我们换个角度来考虑这个问题，对我们设计的微型电动机来说，在同样的设计功率下，电机的额定电流都是近似的，如果采用单叠绕组，因并联支路数多，在上述例子的情况下，电枢绕组内的电流是电机输入电流的1/4，但如果选用单波绕组，电枢绕组内的电流就会增大一倍，这样，就必须选择更粗的导线，增大了绕组的制造难度。但在制造需要大力矩输出的电机，如起动电机的时候，我们希望能用较少的匝数产生较大的输出力矩，采用单波绕组就比单叠绕组更有优势，具体的分析我们将在以后的电机特性方程分析中讨论。这样的串连方式我们把它称为单波绕组，下图是它的基本连接方式（4极、槽数19），：
其特点是，绕组的第一节距要近似于极距，合成节距要近似于2，但不能等于它，设某个元件从某个换向片出发，串连了P个元件而沿电枢表面走了一周后，应该回到与出发点的换向片相邻的一个换向片上，亦即应使
＝
然后按此规律绕制，直到绕组回到第一个换向片，从而构成一个完整的绕组。
电刷的布置
我们可以按照分析单叠绕组的方法来分析在采用单波绕组时的电刷布置方法，显然，对端接对称的绕组，电刷也应放置在主极的几何中心线下，由于绕组仅有一对并联支路，理论上对多极电机来说，只需要一对电刷便可以满足需要，但出于减少电刷的电流密度，改善换向等原因，我们通常仍选用与极数相同的电刷数量，称为全额电刷配置。
思考：一个四极电机，采用单叠绕组，如果一对相邻的电刷被去掉，对电机的性能有什么影响？（提示：可以采用例子中的方法，画出每个极下槽内的电流方向，观察参加提供电磁力矩的元件数量的变化，或通过等效电路分析）
绕组的质量标准：
在了解了电机的这两种绕组结构后，我们需要进一步了解制造方法及制造绕组的零件和成品的质量判定方法，在评价一个产品好坏之前，我们首先要了解这种产品的使用范围及用户对它的期望，然后才可以制定一个可以接受的标准，并通过试验验证来确定各个零件及成品的要求。
我们把问题具体到风扇电机的转子线圈来讨论，它一般采用单叠绕组，它放置在汽车发动机仓的水箱前面，这种电机一般没有采用全密封结构，因此，会接触到发动机仓内的酸性气体和汽油蒸汽，还会接触到洗车时飞溅的水等液体，环境温度为-40度80度，用户的期望有效寿命为2000小时以上，同时，转子为旋转部件，用户期望其振动量应该在2g.cm以下，针对上述要求，我们就可以初步总结出对转子线圈的要求：
1、 耐温性能：通过测试，我们了解到风扇电机转子内部
的温升一般为80度左右，加上环境温度，转子必须能
长期在180的环境温度下工作，因此，应该选择耐温等
级在180度的漆包线。
2、 要保证达到用户对耐久性的期望，对转子来说，就应
充分考虑线圈上的针孔造成的局部短路现象对转子可
靠性的影响，再结合绕线机绕制转子时，为了保证绕
制后线圈的形状必须施加的拉力，就要对漆包线的延
展性进行分析，防止绕线后漆包线出现破损。
3、 大家在相关的转子产品图上，一般可以看到，对转子
要进行施加电压为500V的正弦交流电，历时1分钟的试
验，我们生产的电机不是12V或24V的么？为什么要施
加这么高的电压来进行试验呢？同样的要求也出现在
相关的国家标准和行业标准里，其实，如果我们回过
头来看看转子的负载性质就能直到答案，电机的转子
是个感性负载，在外加电源突然通断的情况下，由于
电流无法突变，会在绕组和地间产生一个瞬时的高
压，如果电机绕组的绝缘出现局部不良，但在12V下能
够正常工作，那么，在由于外加电源通断所产生的瞬
时高压反复作用下，绕组的绝缘结构很快就会被破
坏，使电机在运行中出现短路等不良。
下面要讨论电机转子里的另一个主要部件：铁芯，首先，分析它的主要功能,有以下几点：
1、 电机磁路的重要组成部分
2、 支撑转子线圈，并保持和线圈的良好绝缘
3、 传递绕组受到的电磁力矩。
作为电机磁路的组成部分，我们希望它的磁阻尽可能小，同时，希望由磁场交变产生的涡流损失也要尽可能小，从理论上说，我们需要选择磁导率高，电阻率也较高的的硅钢片，但这种材料价格较普通冷扎钢板贵很多，从降低成本的方面考虑，我们一般还是选用普通的冷扎钢板来做铁芯的材料，通过分析，我们知道，电机用的铜线和铁芯是构成电机成本的两个重要因素，在保证产品性能的前提下，我们应该尽可能减少铁和铜的使用量。
铁芯是将绕组受到的电磁力传递给输出轴的零件，这是铁芯和轴之间通过筋或者直纹产生的过盈配合来实现的，因此，有必要通过试验来确认合适的过盈量，太小，力矩传递不可靠，太大，在压轴时，铁芯的变形量将变大，影响转子的平衡。
为了防止铁芯冲压时产生的毛刺对绝缘涂覆层的影响，我们要规定铁芯片冲压时的毛刺大小和方向，同时，要选择能稳定工作在预计温度下的绝缘涂覆材料或槽绝缘零件，尤其要关注在槽和端面折弯处的圆角处理，这里，是槽绝缘最容易出现问题的地方。
五、直流电动机的磁场与磁路
下图是一台永磁直流电动机在运行中的磁场分布图
直流电动机调速课程设计
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
实习一：直流并励电动机
实验一直流并励电动机 一.实验目的 1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。 二.预习要点 1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？ 答：工作特性：当U = U N ， R f + r f = C时，η, n ,T分别随P 2 变； 机械特性：当U = U N ， R f + r f = C时， n 随 T 变； 2.直流电动机调速原理是什么？ 答：由n=(U-IR)/Ceφ可知，转速n和U、I有关，并且可控量只有这两个，我们可以通过调节这两个量来改变转速。即通过人为改变电动机的机械特性而使电动机与负载两条特性的交点随之改变，从而达到调速的目的。 三.实验项目 1.工作特性和机械特性 保持U=UN和If=IfN不变，测取n=f(Ia)及n=f(T2)。 2.调速特性 (1)改变电枢电压调速 保持U=UN、If=IfN=常数，T2=常数，测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速 保持U=UN，T2 =常数，R1 =0，测取n=f(If)。 (3)观察能耗制动过程 四．实验设备及仪器 1．MEL-I系列电机教学实验台的主控制屏。 2．电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量（MEL-13）、编码器、转速表。 3．可调直流稳压电源（含直流电压、电流、毫安表） 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。
I S ：涡流测功机励磁电流调节，位于MEL-13。 （2）测取电动机电枢电流I a 、转速n和转矩T 2 ，共取数据7-8组填入表1-8中 表1-8U=U N=220V I f=I f N=K a=Ω 2．调 速 特 性 （1） 改变 电枢 端电 压的调速 f fN2 （2）改变励磁电流的调速 2= 一7接线 MEL-09） MEL-03中两只900Ω电阻 MEL-05） ．直流电动机起动前, 测功机加载旋钮调至零. 实验做完也要将测功机负载钮调到零，否则电机起动时，测功机会受到冲击。 2．负载转矩表和转速表调零.如有零误差，在实验过程中要除去零误差。 3．为安全起动, 将电枢回路电阻调至最大, 励磁回路电阻调至最小。 4．转矩表反应速度缓慢，在实验过程中调节负载要慢。 5．实验过程中按照实验要求, 随时调节电阻, 使有关的物理量保持常量, 保证实验数据的正确性。 七．实验数据及分析
直流电动机调速设计
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械特性_及其工作特性与应用领域1
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械 特性，及其工作特性与应用领域 一、他励直流电动机的机械特性，及其工作特性与应用领域 图中：n0为理想空载转速 n’0是实际空载转速。 他励电机的机械特性曲 线斜率小，机械硬度高。 他励直流电动机工作特性 1. 转速特性 2. 转矩特性 T T C C '=Φ 3. 效率特性 a a e e R U n I C C = + Φ Φ e T a T a T C I C I '==Φ2Fe mec Cuf a a a c 21a f 2Δ100%1() p p p I R I U P P U I I ??++++η= ?=- ?? +? ?
应用领域 他励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。如大型车床、龙门刨床。 二、串励直流电动机的机械特性， 串励电动机的机械特性为双曲线， 转速随转矩的增加而下降速率很快，称为软特性 Rj=0为自然机械特性 Rj不等于零为人工机械特性 工作特性
电动势平衡方程式 电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式 （其中，R fc 为串励绕组电阻） 应用领域 串励电机因转速可调范围广，启动扭矩大的特点被广泛的应用于电动工具，厨房用品，地板护理产品领域。 a e a a E C n C I n '==Φe 20 T T T =+2e T a T a T C I C I '==Φa e f C C K '=T T f C C K '=2e 200 602πP T T T T n =+=+?
三、并励直流电动机的机械特性 n0为理想空载转速,与端电压有关， 直线斜率k<0,表明n是T的减函数， 其下降速率与调节电阻Rj大小有关。 Rj=0为自然机械特性 Rj不等于零为人工机械特性 Rj=0时，特征曲线接近于水平线，表示硬特性。即硬度高。工作特性
直流电机调试总结
对直流电动机调试的几点总结 摘要 长兴电厂#3、#4主油箱直流辅助油泵调试过程中出现重多问题。如：电机接线错误、直流接触器烧坏、电机不能达到额定转速等。文中详细介绍主油箱直流辅助油泵的调试过程以及内容。 关键词 低压厂用直流电动机调试 1概况 长兴电厂二期工程安装两台300MW燃煤机组，每台机组有五台直流电动机，分别为两台小汽机直流油泵、发电机空侧直流密封油泵、发电机氢侧直流密封油泵、主油箱直流辅助油泵，就地控制箱是由浙江湘湖电器设备厂制造的。主油箱直流辅助油泵电机为西安西玛电机厂制造，型号Z2-71，额定功率30kW，额定电压220V，额定电流158.5A，额定转速3000r/min，积复励励磁方式。 直流电动机的控制接线图见图1。控制方式分为DCS控制、就地控制二种，通过就地控制箱的“远方/就地”按钮SO1的位置来实现二种控制方式的选择。当就地控制箱的“远方/就地”按钮SO1在远方位置、开关状态在分闸位置时，DCS满足起动的条件，DCS发出合闸命令，同时DCS巡检保护信号、开关状态、以及运行电流是否正常。在起动过程中，电枢回路内串入限流电阻R1来限制起动电流，起动完成通过K53直流接触器来切除限流电阻R1。 图1 直流电动机控制回路接线图
2调试过程 直流电动机调试包括二次回路调试和电动机本体调试两部分。 2.1二次回路的调试 2.1.1检查接线 对照接线图检查就地控制箱的实际接线是否正确。 2.1.2 测量绝缘电阻 使用500V兆欧表分别测量控制回路、信号回路对地的绝缘电阻，绝缘电阻均不应小于1M 。 2.1.3二次回路通电试验 合上直流配电屏上的电源开关，对就地控制箱送电。在就地控制箱上就地进行分、合闸操作，接触器应能正确动作，确认状态显示正确、保护无异常动作。然后在DCS上进行远方分、合闸操作，接触器应能正确动作，确认开关反馈状态显示正确、联锁逻辑回路正确，确认信号反馈、测量反馈显示正确。 2.2电动机本体试验 2.2.1 检查绕组绝缘电阻 采用500V兆欧表测量绕组的冷态绝缘电阻，并励绕组、串励绕组、电枢绕组（实际上已包含换向绕组）对机壳及其相互间的绝缘电阻应分别进行测量。当电枢绕组与串励绕组或换向绕组在电机内部串联连接且不易解开时，可对串联回路一起进行测量。实测结果不应小于0.5MΩ。 2.2.2检查电机励磁绕组的极性 用感应法检查串励绕组和并励绕组的极性。见图2，将1.5V～6V的干电池经开关接在并励绕组F1、F2上，在串励绕组C1、C2上接一个指针式直流微安表或毫伏表。电池和表计的同极性端接绕组的同极性端。若合上开关瞬间指针顺偏，断开开关瞬间指针反偏，则电动机为积复励（F1、C1同接电源正极或负极）；反之，为差复励。
直流电动机的调速
一概述 随着电力电子器件的发展，大功率变流技术前进到一个以弱电为控制，强电为输出的新时代。直流电机调速系统由于它在技术性能与经济指标上具有优越性，实施技术上也比较成熟，因此在冶金、机械、矿山、铁道、纺织、化工、造纸及发电设备等行业都得到了广泛的应用，已成为工业自动控制领域一个及其重要的组成部分。一般工业生产中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，三相交流桥式全控整流是目前在各种整流电路中应用最为广泛的电力电子电路，在运用到在直流电机调速时可以采用这种电路。 三相交流桥式全空整流最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是各种直流电源设计。前者是三相交流桥式全控整流电路的传统领域，后者则是它当前和未来发展的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。 从我国的实际情况来看很好地采用三相桥式全控整流给直流电机调速仍然有很广泛的应用市场。这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用，所以研究三相桥是全控整流直流调速系统有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，在解决目前国际各国所面临的能源无谓的消耗起到立竿见影的效果。
二设计的总体思路 2.1 直流电动机的调速方法 采用改变电动机端电压调速的方法。当额定励磁保持不变，理想空载转速 n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实 现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。变电压调速要有可调的直流电源，根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。 晶闸管变流装置输出的直流脉动电压 U加在电抗器L和电动 d 机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。改变晶闸管触发电 U，就可改变触发脉冲的控制角。，从而改变输路的移相控制电压 g U的大小，实现平滑的调压调速。 出平均电压 d 2.2 调速系统的确定 双闭环调速
#直流电机调速系统分析与设计
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 小调节时间。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
实验一 直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性
实验一直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性 一、实验目的 测定他励直流电动机的自然机械特性及各种电气参数变化时的人为机械特性。 通过试验掌握直流电动机在各种运行状态时的特点和能量转换的规律。 二、预习要点 1、改变他励直流电动机机械特性有哪些方法？ 2、他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？ 3、他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。 三、实验项目 1、电动及回馈制动状态下的机械特性 2、电动及反接制动状态下的机械特性 3、能耗制动状态下的机械特性 四、实验设备及挂件排列顺序 1、实验设备 序 型号名称数量 号 1 DD01 电源控制屏1台 2 DD0 3 不锈钢电机导轨、测速系统及数显转速表1件 3 DJ15 直流并励电动机1台 4 DJ23 校正直流测功机1台 5 D51 波形测试及开关板1件 2、屏上挂件排列顺序D51 五、实验方法及步骤
按图1-1接线，图中M用编号为DJ15的直流并励电动机(接成他励方式)，MG用编号为DJ23的校正直流测功机，直流电压表V1的量程为500V，直流电流表A2、A4的量程为200mA，A1、A3的量程为5A。R2 、R4选用R1、R3上的900Ω电阻分压接法，R1选用R2、R4上4个90Ω串联，R3选用R5上的900Ω并联加上R6上的90Ω串联和实验台面上两个1300Ω并联。开关S1、S2选用D51上的双刀双掷开关。 直流电动机运行于电动及回馈制动状态下的自然机械特性 (一)试验概述： (1)测定被试直流电动机M运行于电动状态的机械特性时，在其轴上可加负载的形式是多种多样的，然而要获得反接、回馈及能耗制动等状态时的机械特性，其最可行的方法是采用一台直流电机来做负载，利用负载机MG工作在不同的运行状态，来测出受试电动机M于不同运转状态的机械特性。 (2)本实验的自然机械特性从额定运行点开始，向空载、回馈发电方向进行，测取被试机M的n、I a然后计算它的转矩T，求得n=f(T )机械特性（由于直流电机T=C TφI，在φ保持不变时则T=I）。 (3)当被试机M运行于电动状态时(即第一象限运行)，其负载机MG处于制动运行状态（可以是发电制动状态也可以是电枢反接、转速反向的制动状态）。本实验建议采用电枢反接、转速反向的制动状态运行，使MG服从于M的转向，因此负载机MG合闸时电枢串联的电阻R3应足够大，以免负载转矩太大，引起电枢电流太大，我们可以通过调节MG的电枢串联电阻R3的大小，而调节被试机M的负载的大小。 (4)当被试机M运行于回馈发电状态时(即第二象限运行)，这时它需要负载机MG为原动机来拖动。因此负载机MG应处于正向高转速下的电动运行，这可以通过减小R3的阻值；或减小I4值而得到实现。 （二）原理和步骤 A）原理： (1)实验线路如图1-1，直流电动机的自然机械特性试验的条件是U=U N；I f=I fN；R1 = 0 求n=f(T)，因此实验 过程中应注意保持试验条件不变。 (2)当被试机M正向电动时(即运行于第一象限)： M：电枢正接，起动后R1 = 0 。 MG：电枢反接，(在R3于阻值最大时接通电源) 使负载机MG 处于反接制动运行，改变R3的阻值可以得到负载机MG的各个 不同斜率的负载特性曲线与被试机M的被测机械特性曲线相交 平衡，从而调节被试机M的负载，其运行图如图1-2所示的虚 线a、b、c、d、e点。 (3)当被试机M回馈制动运行时(即运行于第Ⅱ象限)： M：电枢正接，（被负载机MG正拖到转速大于理想空载转速）。 MG：电枢正接，通过改变磁场电阻R4使负载机的理想空载转速大于被试机的理想空载转速。然后改变R3的阻值可以得到负载机MG的各个不同斜率的负载特性曲线与被试机M的被测机械特性曲线相交平衡，从而调
直流电动机调速系统设计综述
概述 (2) 1 设计任务与分析 (3) 1.1 任务要求 (3) 1.2 任务分析 (3) 2方案选择及论证 (4) 2.1 三相可控整流电路的选择 (4) 2.2 触发电路的选择 (4) 2.3 电力电子器件的缓冲电路 (5) 2.4 电力电子器件的保护电路 (5) 3主电路设计 (7) 3.1 整流变压器计算 (7) 3.1.1 U2的计算 (7) 3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算 (8) 3.1.3变压器的容量计算 (8) 3.2 晶闸管元件的参数计算 (9) 3.2.1晶闸管的额定电压 (9) 3.2.2晶闸管的额定电流 (9) 3.3 电力电子电路保护环节 (10) 3.3.1交流侧过电压保护 (10) 3.3.2直流侧过电压保护 (11) 3.3.3晶闸管两端的过电压保护 (11) 3.3.4过电流保护 (11) 4触发电路设计 (11) 4.1 触发电路主电路设计 (11) 4.2 触发电路的直流电源 (13) 5电气原理图 (14) 小结与体会 (15) 参考文献 (16) 附录 (16)
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。 本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。 关键词：可控整流晶闸管触发电路保护电路
直流电动机调速设计
综述 直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。 直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理 1.1直流电动机的定义 输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。 1.2直流电动机的基本结构 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 图1-1直流电动机的基本结构 1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。 1.3直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转