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　直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入）转矩和转速的机械端口。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。

　　基本方程式：1．电端口的电压平衡方程式

　　　　　　　　2．机械端口的转矩平衡方程式

　　1．电压方程

　　他励磁电机

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （1）

　　对励磁回路：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　对电枢回路： 发电机　　　　　　　　　（3）

　　式中：电枢绕组电阻，：正、负一对电刷上的接触电压降，：电枢回路总电阻，包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻，：励磁绕组电阻。

　　注：发电机且输出电流作为电枢电流的正方向

（a）发电机　（b）电动机

图1 直流电机的稳态电路图

　　并励磁直流电机

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　（4）

　　对发电机　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励磁相同。

　　串励直流电机

　　　　：串励绕组中励磁电流

　　2．转矩方程

　　原动机以的转矩拖动转子沿逆时针方向旋转，电磁转矩的方向与相反，为制动性质的转矩，为驱动性质的转矩。转矩平衡关系为：

　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　其物理意义为：当电机作为发电机运行时，拖动转矩与发电机内部产生的制动性质转矩和电机本身的机械阻力转矩相平衡。

　　3．电磁功率及功率方程

　　（1）电磁功率

　　采用电动机惯例

　　励磁绕组输入的功率为：　　　　　　　　　　　（7）

　　这部分功率全部边为励磁绕组内的电阻损耗。

　　电枢绕组输入的功率为：　　　　　　　　（8）

　　由两部分组成：1）电枢回路铜损耗

　　　　　　　　　2）电磁功率

　　前已证明：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

　　对于电动机，为电枢绕组中运动电势所吸收的电功率，为电磁转矩对机械负载所作的机械功率，由于能量守恒，两者相等。是机械功率转换为电功率。所以无论是电动机还是发电机，是能量转换过程中的转换功率，能量转换发生在电枢电路和机械系统之间，而的大小与的大小（即耦合磁场的强弱）有关。

　　图为直流电机内能量转换图。

图2 直流电机内的能量转换

　　功率方程

　　以并励磁直流电机为例研究功率方程

　　并励电动机：　（10）

　　式中：：输入功率　：电枢回路总铜耗　：励磁回路铜耗

　　　　　　　（11）

　　式中：：为电动机输出的机械功率

∴　　　　　　　　（12）

　　由上式可直观的画出功率流程图

（a）电动机　（b）发电机

图3 并励直流电机的功率图

　　：杂散损耗，由于电枢有齿槽的存在产生的损耗，难于**计算，国标规定由补偿绕组的按1%，无补偿绕组的0.5%估算。

　　并励发电机

（13）

　　式中：

　　为发电机输出的电功率

∴　　　　　　（14）

　　1．电枢绕组的感应电动势

　　直流电机无论作为发电机还是作为电动机运行，电枢绕组中都感应电动势，该感应电势指一条支路的电势（即电刷间的电势），简称电枢电势。

　　计算方法是首先推出每根导体的电势，则一条支路中各串联导体的电动势的代数和即为电枢电势。

　　设电枢导体有效长度为L，导体切割气隙磁场的速度为V，则每根导体的感应电势为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　为导体所在处的气隙磁密。

　　设电枢总导体数为，支路数为2a。

　　则每条支路串联导体数为　

　　则支路电势为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　各导体所处位置的互不相同。为简单计引入气隙平均磁密，它等于电枢表面各点气隙磁密的平均值（一极下各导体磁密之和，再除导体数得平均磁密）。

　　将上式带入整理得：

　　∴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 （3）

　　又∵　　　　　　　 　 （4）

　　　（5）

　　不计饱和时，与励磁电流成正比，即　=

　（6）

　　当磁路饱和时，与、n成正比；当磁路不饱和时，与、n成正比。

　　2．直流电机的电磁转矩

　　当电枢内同有电流时，载流导体与气隙磁场相互作用产生电磁转矩。

　　电磁转矩的计算方法为：首先算出一个导体的电磁转矩，再计算一个极下所有导体的电磁转矩，*后乘以2P就得到整个电枢产生的电磁转矩。

　　设电枢表面任一点的气隙磁密为，该处导体中流过的电流为有效长度为L，电枢直径为D，则作用与该处载流导体上的电磁转矩为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

　　由于一极下导体数为，则作用于一极下导体的转矩为：

　（8）

　　 而：

∴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

　　作用于整个电枢上的转矩为：∴　

　　因为　　 支路电流　　　

　　　　　　　　　（10）

　　　　　　转矩常数

　　如单位为安（A），单位为韦（Wb），则为牛米（Nm）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11）

　　不计饱和时，与励磁电流成正比，即　

　　　　　　　　　　　　　（12）

　　当磁路饱和时，与、成正比；当磁路不饱和时，与、成正比。

　　将两端同乘得电磁功率：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（13）

　　上式表明无论是电动机还是发电机，在能量转换过程中电功率变为机械功率或机械功率变为电功率的这部分功率为或，由于能量不灭，所以两者是相等的。

　　空载时的气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁势所建立。当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流，从而产生了电枢磁动势。因此负载是电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。电枢磁动势的出现是气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现了机电能量的转换。

　　下面对电枢磁动势进行研究：

　　首先看一下电枢磁场的分布情况，为简单计，绕组为整距，电刷放在几何中性线上。在一极下元件中电枢电流的方向相同，根据右手螺旋法则确定了电枢磁场磁力线的方向如下图所示。

图1 电刷放在几何中性线电枢电流的分布

　　1．交轴电枢磁动势

　　当电刷放在几何中性线上时，点数磁动势的轴线与主极轴线正交，固称为交轴电枢磁动势。与主极轴线正交的轴称为交轴，重合的轴称为直轴。

　　下面分析电枢磁势波形，首先从一个元件入手，将下图从几何中性线处切开拉直。

图2 电刷放在几何中性线电枢磁动势的分布

　　一个元件时，磁势波形为一个矩形波，三个元件时其磁势波形为三个矩形波的叠加成为一个三个阶梯的阶梯波，若元件再增多，则其波形为多个阶梯组成的阶梯波，其波形近似为一三角波，如上图fa（x）所示。

　　设主极中心取为原点O，取一经过距原点+x及-x的闭合回路，设Za为电枢绕组总导体数，D为电枢直径，根据安培环路定律，此回路所含的安培导体数为：　

　　在X处气隙的磁势为

（1）

　　　　电枢表面单位长度上的安培导体数称为线负荷。

　　在几何中性线处，即处，交轴电枢磁势达到*大值　

　　2．直轴电枢磁势

　　若电刷从几何中性线移过β角（相应的电枢表面弧长bβ）

　　将电枢磁动势分为两部分，即交轴分量和直轴分量

　　　　为交轴分量的*大值

　　　　　　　为直轴分量的*大值

　　当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用，每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动，即它与主磁场的分布波形是相对静止的。

图3 电刷偏离几何中性线的电枢磁场

（a）电枢磁动势　　（b）交轴分量　　（c）直轴分量

图4 电刷偏离几何中性线上时的电枢磁动势分布

存储器

存储器类型

DDR3-1600 DIMM

主存储器

2 / 4 / 8 / 16 GB；ECC 可选

主存储器的存储容量，*大值

16 Gbyte

数据范围及其剩磁

保留的数据范围（包括时间、计数器、标记），*大值

2 Mbyte; 在缓冲时间内可存储 128 KB；可选

硬件扩展

插槽

● 可用插槽

2x PCI；可选：1x PCI 和 1x PCIe (x16)；2x PCIe (x4, x16)；带电路板护圈

● PCI 插槽数量

2

● PCIe 插槽数量

2

接口

PROFIBUS/MPI

可选板载，电位隔离，*大 12 Mbit/s，CP5622 兼容

工业以太网接口数量

2; 2 个 RJ45（独立）

PROFINET 接口数量

3; 可选

USB 接口

4x USB 3.0

键盘/鼠标接口

USB/USB

串行接口

1x COM1 (RS 232)，可选：1x COM2 (RS 232)

并行接口

可选 LPT1

视频接口

● 图形界面

1x 显示接口，1x DVI-I；1x VGA，通过适配器电缆（选配）

工业以太网

● 工业以太网接口

板载，2x 10 / 100 / 1000 Mbit，RJ45

— 100 Mbit/s

是

— 1000 Mbit/s

是

报警/诊断/状态信息

线路诊断

是

集成功能

监测功能

● 温度监控装置

是

● 监视狗

是

● 状态 LED

是

● 风扇

是

● 通过网络实现的监控功能

可选

EMV

抗静态放电干扰的能力

● 抗静态放电干扰的能力

±6 kV 接触放电（符合 IEC 61000-4-2）；±8 kV 空气放电（符合IEC61000-4-2）

针对高频电磁场的抗干扰能力

● 抗高频辐射干扰的能力

10 V/m 用于 80 - 1000 MHz 和 1.4 - 2 GHz，80 % AM 符合 IEC61000-4-3；3V/m 用于 2 - 2.7 GHz，80 % AM 符合 IEC 61000-4-3；10 V 用于10 kHz - 80MHz，80 % AM 符合 IEC 61000-4-6

与导线相关的抗干扰能力

● 电源导线上的抗干扰能力

±2 kV 符合 IEC 61000-4-4，突发电流；±1 kV 符合IEC61000-4-5，对称浪涌电流；±2 kV 符合 IEC 61000-4-5，非对称浪涌电流

● 信号导线（大于 30 米）的抗干扰能力

±2 kV 符合 IEC 61000-4-5，浪涌电流，长度 > 30 m

● 信号导线（小于 30 米）的抗干扰能力

±1 kV 符合 IEC 61000-4-4，突发电流，长度 < 3 m；±2 kV 符合IEC61000-4-4，突发电流，长度 > 3 m