電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)c0課件2

1、第二章 直流電機(jī)第一節(jié) 直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的工作原理（一）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力B 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)i 導(dǎo)體中的電流(A)l 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(m) 當(dāng)線圈ax中通入直流電流時(shí)，線圈邊a和x上均受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞的一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩。2 當(dāng)安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過(guò)電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來(lái)。由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時(shí)，總是從電刷B流出的方向，就使

2、電動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。3（二）直流發(fā)電機(jī)的工作原理 用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞逆時(shí)針?lè)较蚝闼俎D(zhuǎn)動(dòng)，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場(chǎng)，線圈中產(chǎn)生了交變的電動(dòng)勢(shì)。由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，在電刷A、B端的電動(dòng)勢(shì)確是直流電動(dòng)勢(shì)。一臺(tái)直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在直流電機(jī)的兩電刷端上加上直流電壓，電樞 旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn) ，輸出機(jī)械能；作為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，電刷端引出直 流電動(dòng)勢(shì)，作為直流電源，輸出電能。4二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)剖面圖1換向器2電刷裝置3機(jī)座4主磁極5換向極6端蓋7風(fēng)扇8電樞繞組9電樞鐵心56直流電機(jī)視頻1直流電機(jī)視頻2直流電機(jī)視頻3直流電機(jī)視頻47

3、（一）直流電機(jī)的靜止部分1、主磁極2、換向極1主磁極鐵心2勵(lì)磁繞組3機(jī)座1換向極鐵心2換向極繞組3、機(jī)座用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋； 另外，又作為磁路的一部分。 8（二）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分4、電刷裝置1刷握2電刷3壓緊彈簧4銅絲辮1、電樞鐵心a)電樞鐵心沖片b)電樞鐵心92、電樞繞組由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1槽楔2線圈絕緣3導(dǎo)體4層間絕緣5槽絕緣6槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1換向片2連接片10第二節(jié) 直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定值有：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、

4、額定勵(lì)磁電壓UfN(V)11在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動(dòng)機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流指軸上輸出的機(jī)械功率指電刷間輸出的額定電功率電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)額定條件下電機(jī)所能提供的功率額定功率在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速12對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞線圈的連接方式勵(lì)磁方式 此外，電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等。 電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有物理量與額定值相同電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流欠載運(yùn)行；運(yùn)行電流大于額定電流過(guò)載運(yùn)行。長(zhǎng)期欠

5、載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。13第三節(jié) 直流電機(jī)的繞組 對(duì)繞組的要求：在能夠通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動(dòng)勢(shì)的前提下，盡可能節(jié)省銅和絕緣材料，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。一、簡(jiǎn)單的繞組 右圖只是說(shuō)明原理的示意圖。它的缺點(diǎn)是：隨著電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)，始終只有一個(gè)線圈有電流。這樣的話，材料沒(méi)有充分利用，產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩或電勢(shì)均很小。解決辦法：用4個(gè)換向片將4個(gè)線圈都連接起來(lái)，成為一個(gè)閉合繞組，兩個(gè)不同的元件邊連接一個(gè)換向片。每個(gè)元件的兩個(gè)元件邊連接2個(gè)不同的換向片。共用了4個(gè)換向片，節(jié)省了材料，提高了輸出轉(zhuǎn)矩

6、。1-2、3-4、5-6、7-8分別構(gòu)成4個(gè)線圈1415161718二、繞組的基本形式（一）單疊繞組單疊繞組的特點(diǎn)：元件的兩個(gè)端子連接在相鄰的兩個(gè)換向片上。單疊繞組的所有的相鄰元件依次串聯(lián)，即后一元件的首端與前一元件的末端連在一起，接到一個(gè)換向片上。最后一個(gè)元件末端與第一個(gè)元件首端連接在一起，形成一個(gè)閉合回路。 元件的跨距：上層元件邊與下層元件邊的距離（用槽數(shù)表示）稱(chēng)為跨距。一般要求元件的跨距等于電機(jī)的極距。 右上圖中，跨距為4槽。192021（二）單波繞組單波繞組不是把元件依串聯(lián)，而是把相隔大約兩個(gè)極距，即在磁場(chǎng)中的位置差不多相對(duì)應(yīng)的元件連接起來(lái)。2223直流電機(jī)的電樞繞組除了單疊、單波兩種

7、基本形式以外，還有其他形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等。24第四節(jié) 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)一、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式a)、他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而是由 其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電。b)、并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。c)、串勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。d)、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)， 另一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)。25二、直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)是指電樞電流等于零或者很小時(shí)，由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立的磁場(chǎng)。26氣隙中主磁場(chǎng)磁通密度的分布磁化曲線27三、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng) 當(dāng)直流電機(jī)帶上負(fù)載以后，在電機(jī)磁路中又形成一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)，這

8、個(gè)磁動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為電樞磁動(dòng)勢(shì)。 此時(shí)的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)是由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生的。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。284個(gè)元件所產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)波形電樞反應(yīng)后磁動(dòng)勢(shì)波形1、有負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了畸變2、電樞反應(yīng)呈現(xiàn)去磁作用29第五節(jié) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算一、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算 直流電機(jī)無(wú)論作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，還是發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。式中，n電樞的轉(zhuǎn)速；p極對(duì)數(shù)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個(gè)匝數(shù)為 的元件中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值為：30對(duì)制成的電機(jī)，Ce=pZ/60a為一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)繞組全部有效導(dǎo)體數(shù)為 ，所以若不計(jì)飽和影響，有其中Kf 為比例常數(shù)31其中Gaf=CT K

9、f ； 為機(jī)械角速度。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式為32其中為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有電磁轉(zhuǎn)矩也可以表示為其中Gaf=CT Kf 二、電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算33第六節(jié) 直流電機(jī)的運(yùn)行原理一、直流電機(jī)的基本方程式（一）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式對(duì)于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有：34對(duì)于并勵(lì)發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有：35（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式對(duì)于電動(dòng)機(jī)：其中T2為負(fù)載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，T0為空載損耗轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)于發(fā)電機(jī)：其中T1為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)36對(duì)于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，電功率平衡關(guān)系為輸入的電功率勵(lì)磁損耗電樞銅耗電刷接觸損耗電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁功率式中：電動(dòng)機(jī)中電磁功率的平衡關(guān)系為由得37對(duì)于并勵(lì)發(fā)電機(jī)，功率平衡關(guān)系為式中：

10、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的電功率發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流3839二、直流電動(dòng)機(jī)工作特性直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指：當(dāng)端電壓為額定電壓、電樞回路無(wú)外加電阻、以及勵(lì)磁電流為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和效率這三者與輸出功率之間的關(guān)系，即：40（一）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1. 轉(zhuǎn)速特性當(dāng)U=UN , If=IfN時(shí)，n=f(Ia)的關(guān)系曲線其中2. 轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)U=UN ,If=IfN時(shí)，Te=f(Ia)的關(guān)系曲線413. 效率特性當(dāng)U=UN ,If=IfN時(shí)，=f(Ia)的關(guān)系曲線1）銅耗銅耗是消耗在導(dǎo)線電阻上的電能損耗勵(lì)磁回路銅耗接觸損耗2）鐵耗鐵耗是消耗在磁路上鐵磁材料中的損耗3）機(jī)械損耗包括軸承和電刷的摩擦損耗4

11、）雜散損耗電樞回路銅耗42效率曲線有一個(gè)最大值：電動(dòng)機(jī)在某一負(fù)載時(shí)，效率最高。可以求得：當(dāng) 時(shí)，效率最高。通常出現(xiàn)在電樞電流為額定值的80%時(shí)。43（二）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性電動(dòng)勢(shì)平衡方程式電動(dòng)勢(shì)公式轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩公式，）（其中，Rfc為串勵(lì)繞組電阻，44（三）復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性例2-1 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：電樞繞組的電阻電刷接觸壓降設(shè)電動(dòng)機(jī)原來(lái)在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載下運(yùn)行，在負(fù)載的總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（包括損耗轉(zhuǎn)矩）保持不變的情況下，試求（1）在電樞回路中突然串入電阻R=0.0743,求串入電阻最初瞬間和達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？45（2）減少電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使磁

12、通 減少10%，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？解（1）電樞回路中突然串入電阻R最初瞬間穩(wěn)態(tài)時(shí)（2）磁通 減少為原來(lái)的0.946三、直流發(fā)電機(jī)的工作特性a) 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)b) 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)c) 復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（一）空載運(yùn)行1 空載特性當(dāng)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，n=nN 時(shí)，勵(lì)磁繞組端加上勵(lì)磁電壓Uf ,調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If0 ,得出空載特性曲線U0=f(I0)。472 并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓的建立自勵(lì)電壓的建立有三個(gè)條件：1）電機(jī)必須有剩磁；2）勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確；3）勵(lì)磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。（二）負(fù)載運(yùn)行 無(wú)論他勵(lì)、并勵(lì)還是復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)，建立電壓以后，在 n = nN 的條件下，加上負(fù)載后，發(fā)電機(jī)的端電壓都將發(fā)生變化。1積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性；2他勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性；3并勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性；48第七節(jié) 直流電機(jī)的換向 換向問(wèn)題很復(fù)雜，換向不良會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。 產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機(jī)械的原因。此外換向過(guò)程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。一、換向的電磁現(xiàn)象1、電抗電動(dòng)勢(shì) 換向元件中出現(xiàn)的由自感與互感作用所引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為電抗電動(dòng)勢(shì)。49502、電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 由于電刷放置在磁極軸線下的換向器上，在幾何中心線處，雖