電機拖動與控制

1、電機拖動與控制第1頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 第0章 電機概述電機的定義 電機是一種能實現(xiàn)機電能量轉換的電磁裝置，是電動機和發(fā)電機的統(tǒng)稱。將電能轉換為機械能的電機稱為電動機；將機械能轉換為電能的電機稱為發(fā)電機。工作原理 電磁感應定律、電磁力定律及電流的磁效應。構造的一般原則 用適當?shù)膶Т藕蛯щ姴牧蠘嫵赡芑ハ噙M行電磁感應的電路和磁路，以產生電磁功率和電磁轉矩，達到能量轉換的目的。第2頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五電機分類：變壓器直流電機伺服電動機、步進電動機、測速發(fā)電機 回轉變壓器、自整角機、直線電動機電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器

2、動力電機微特電機感應電機同步電機感應電動機感應發(fā)電機交流電機同步電動機同步發(fā)電機同步補償機直流電動機直流發(fā)電機旋轉電機靜止電機特種變壓器：自耦、三繞組、互感器第3頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五我們周圍的電機舉例：第4頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五我們周圍的電機舉例：第5頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第6頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第7頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第8頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五本章內容：直流電機的基本工作原

3、理直流電機的結構及銘牌直流電機的電樞繞組直流電機的磁場電樞繞組的感應電動勢與電磁轉矩直流電機中的換向直流電動機的分類第一章 直流電機基本理論及結構第9頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第一章 直流電機基本理論及結構直流電機優(yōu)缺點：優(yōu)點：起動性能和調速性能好，過載能力大。缺點：存在電流換向問題，結構工藝復雜，使用有色金屬多，價格昂貴，運行可靠性差。直流電機發(fā)展形勢： 隨著近年來電力電子學和微電子學的迅速發(fā)展，將逐步被交流調速電動機取代，直流發(fā)電機則正在被電力電子器件整流裝置所取代。但在今后一個相當長的時期內，直流電機仍將在許多場合繼續(xù)發(fā)揮作用。第10頁，共98頁，2022

4、年，5月20日，23點39分，星期五 1.1 直流電機的基本工作原理補充：分析電機常用的基本電磁定律 (1)電磁力定律：垂直于磁力線的導體通過電流時，會受到力的作用。力的方向用左手定則確定： 若與磁力線垂直的導體通過電流，導體受的力為：F=BLIF：力，N B：磁感應強度, Wb/m2或T(特斯拉)L: 導體的有效長度，m I：導體中的電流，A第11頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五若導體與磁力線發(fā)生相對運動，導體中感應的電勢為：E=BLVE：感應電勢，V B：磁感應強度, Wb/m2或T(特斯拉)L: 導體的有效長度，m V：導體的運動速度，m/s感應電動勢的方向用右

5、手定則確定： 1.1 直流電機的基本工作原理(2)電磁感應定律：若導體切割磁力線，導體中會產生感應電動勢。第12頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.1 直流電機的基本工作原理(3)電流磁效應：通電的導體周圍會產生磁場。磁場的方向用右手螺旋定則確定： 第13頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.1 直流電機的基本工作原理 1.1.1 直流電動機的基本工作原理 直流電動機是將直流電能轉變成機械能的旋轉機械。 N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過，

6、電流方向a到b到c到d到a。在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S 極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。如右圖。 a) 圖1-1 直流電動機的工作原理第14頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.1.1 直流電動機的基本工作原理 當電樞旋轉到右圖所示位置時原N極性下導體ab轉到S極下，受力方向從左向右，原S 極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉。 實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，

7、相應地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產生的總的電磁轉矩足夠大并且比較均勻，電動機的轉速也就比較均勻。 b) 圖1-1 直流電動機的工作原理第15頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.1.1 直流電動機的基本工作原理 電機的各組成部件第16頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.1 直流電機的基本工作原理 1.1.2 直流發(fā)電機的基本工作原理 右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈

8、與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。圖1-2 直流發(fā)電機的工作原理圖第17頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.1.2 直流發(fā)電機的基本工作原理 直流發(fā)電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械。 當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉時，線圈abcd將產生感應電動勢。 如右圖，導體ab在N極下，a點高電位，b點低電位；導體cd在S極下，c點高電位，d點低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負。 圖1-2 直流發(fā)電機的工作原理圖第18頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉180度后，如右圖。 導體ab在S極下，a點低

9、電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負?？梢?，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下。1.1.2 直流發(fā)電機的基本工作原理圖1-2 直流發(fā)電機的工作原理圖第19頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.1.2 直流發(fā)電機的基本工作原理電機可逆原理： 從上述基本電磁情況來看，一臺直流電機原則上既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行，只是其輸入輸出的條件不同而已。如用原動機拖動直流電機的電樞，將機械能從電機軸上輸入，而電刷上不加直流電壓，則從電刷端可以引出直流電動勢作為直流電源，可輸出電能，

10、電機將機械能轉換成電能而成為發(fā)電機；如在電刷上加直流電壓，將電能輸入電樞，則從電機軸上輸出機械能，拖動生產機械，將電能轉換成機械能而成為電動機。這種同一臺電機，既能作發(fā)電機又能作電動機運行的原理，在電機學理論中稱為電機的可逆原理。第20頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.2 直流電機的結構及銘牌 1.2.1 結構直流電機結構：主要由定子、轉子（電樞）兩大部分組成。定子的作用是產生磁場；轉子的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢。第21頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.2.1 結構圖1-4 直流電機橫剖面示意圖第22頁，共98頁，2022年，5

11、月20日，23點39分，星期五1.定子 直流電機的定子由主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。 (1)主磁極：主要作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。(2)換向極：主要作用是改善換向，安裝在兩相鄰主磁極之間，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成。 (3)機座：機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。機座中作為磁通通路的部分稱為磁軛。機座的兩

12、端裝有端蓋。(4)端蓋：端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內部還起防護作用。 1.2.1 結構第23頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.2.1 結構(5)電刷裝置：電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷、刷握、刷桿和連線等部分組成。 第24頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 圖1-7 換 向 極 1.2.1 結構第25頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.2.1 結構第26頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 2.轉子 轉子部分包括電樞鐵心、電

13、樞繞組、換向器、轉軸、軸承、風扇等。(1)電樞鐵心：電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽硅鋼片疊壓夾緊而成。(2)電樞繞組：電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。(3)換向器：在直流電動機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關鍵部件之一。換向器由許多換向片排成一個圓筒，

14、其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構成。 1.2.1 結構第27頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.2.1 結構第28頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.2.1 結構第29頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五圖1-9 直流電機轉子結構1.轉軸 2.軸承 3.換向器 4.電樞鐵心 5.電樞繞組 6.風扇 7.軸承 1.2.1 結構第30頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 電機的銘牌上標明了電機的型號及額定數(shù)據，供用戶選擇和使用時參考。 額定值 是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機）在指

15、定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作，并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產品設計或試驗的依據。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。 1.2.2 電機的銘牌第31頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.銘牌數(shù)據根據國家標準，直流電機的額定數(shù)據有：額定功率 PN指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 對于直流發(fā)電機，PN是指發(fā)電機帶額定負載時，電刷輸出的功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PNUNIN 對于直流電

16、動機，PN是指電動機帶額定負載時，轉軸上輸出的機械功率，所以公式中還應有效率N存在。PNUNINN (N額定效率） 1.2.2 電機的銘牌第32頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五額定電壓 UN指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。額定電流 IN指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉速 nN指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以r/min為量綱單位。額定勵磁電流 If指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。 1.2.2 電機的銘牌第33頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的

17、額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速 1.2.2 電機的銘牌第34頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式 此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。電動機軸上輸出的額定轉矩用TN表示，其大小等于輸出的額定機械功率除以轉子額定角速度，即TN= PN /N=PN/(2nN/

18、60)=9.55 PN/ nN實際運行時，電機不可能總是工作在額定運行狀態(tài)，如果運行時電機的負載小于額定容量，稱為欠載運行；而電機的負載超過額定容量，稱為過載運行。長期的欠載或過載都不好。 1.2.2 電機的銘牌第35頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五例題1-1： 一臺直流電動機其額定功率PN=160kW，額定電壓UN=220V，額定效率N=90%，額定轉速nN=1500r/min，求該電動機額定運行狀態(tài)時的輸入功率、額定電流及額定轉矩各是多少？ 1.2.2 電機的銘牌解：額定輸入功率 P1= PN/ N=160/0.9=177.8kW 額定電流 IN= PN/ UN

19、N=160*103/220*0.9=808.1A 額定轉矩 TN= 9.55 PN/ nN=9.55*160* 103 /1500=1018.7N m第36頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五2.國產直流電機產品的型號： 電機產品的型號一般用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示。其中漢語拼音字母是根據電機的全名稱選擇有代表意義的漢字，再從該字的拼音中得到，例如， ZA112/21其中，Z直流電動機； A設計系列號； 112中心高112mm 2極數(shù)； 11號鐵心Z2系列是一般用途的中、小型直流電機，包括發(fā)電機和電動機及調壓發(fā)電機。Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流電機

20、系列。Z是直流電動機系列；ZF是直流發(fā)電機系列。ZQ系列是電力機車、工礦電機車和蓄電池供電電車用的直流牽引電動機。ZH系列是船舶上各種輔助機械用的船用直流電動機。ZU系列是用于龍門刨床的直流電動機。 1.2.2 電機的銘牌第37頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.3 直流電機的電樞繞組 1.3.1 電樞繞組的常用術語 元件（線圈）：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。一個元件由兩條元件邊和端接線組成，元件邊放在槽內，能切割磁力線而產生感應電動勢，叫“有效邊”，端接線放在槽外，不切割磁力線，僅作為連接線用。每個元件的一個元件邊放在某一個槽的上層，另一個元件邊

21、則放在另一槽的下層。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。每一個元件的兩個端點分別接在不同的換向片上，每個換向片接兩個不同的線圈端頭。 第38頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五實槽：電機電樞上實際開出的槽叫實槽。實槽數(shù)用Q表示。虛槽：即單元槽(每層元件邊的數(shù)量等于虛槽數(shù))，每個虛槽的上、下層各有一個元件邊。虛槽數(shù)用Q表示。設槽內每層有個虛槽，若實槽數(shù)為Q，虛槽數(shù)為Q，則Q= Q。極軸線：磁極的中心線。幾何中性線：是指主磁極N極和S極的機械分界線。物理中性線：把N極與S極磁場為零處的分界線稱 為物理中性線。1.3.1 電樞繞組

22、的常用術語 第39頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 a)元件 b)繞組元件在槽內的放置 c）實槽與虛槽 b）1上層邊； 2下層邊； 3端接部分； 4首、末端 c）1槽楔；2線圈絕緣；3導線；4層間絕緣；5 槽絕緣；6 槽底絕緣 1.3.1 電樞繞組的常用術語 第40頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示為（距離）若用虛槽數(shù)表示為（槽數(shù)）式中 D電樞外徑(m)； p磁極對數(shù)。p2t=Q 1.3.1 電樞繞組的常用術語 極距位置示意圖第41頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五繞

23、組節(jié)距：繞組節(jié)距通常用虛槽數(shù)或換向片數(shù)表示，見圖1-12。(1)第一節(jié)距Y1：同一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。(2)第二節(jié)距Y2：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。(3)合成節(jié)距Y：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。 (4)換向器節(jié)距YK：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。單疊繞組單波繞組 1.3.1 電樞繞組的常用術語 第42頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.3.1 電樞繞組的常用術語 圖1-12 電樞繞組的節(jié)距a)單疊繞組 b)單波繞組a)b)第43頁，共98頁，2022年，5月20日，23點

24、39分，星期五繞組主要分類：大的分類為環(huán)形和鼓形；環(huán)形繞組只曾在原始電機用過；現(xiàn)代直流電機均用鼓形繞組，它又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導線，運行較可靠，經濟性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。環(huán)形繞組示意圖 鼓形繞組示意圖 1.3.1 電樞繞組的常用術語 第44頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。波繞組示意圖疊繞組示意圖 1.3.1 電樞繞組的常用術語 第45頁，共98頁，

25、2022年，5月20日，23點39分，星期五 單疊繞組：是指相鄰元件(線圈)相互疊壓, 元件的出線端接到相鄰的換向片上，第一個元件的下層邊（虛線）連接著第二個元件的上層邊，它放在第一元件上層邊相鄰的第二個槽內。合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即：Y=Yk=1 下面通過例子說明單疊繞組如何連接，有何特點。例:已知某直流電機的極對數(shù)p=2 ，虛槽數(shù)Q，元件數(shù)S，及換向片數(shù)為K，S=K=Q=16,試畫出單疊繞組展開圖。 1.3.2 單疊繞組第46頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五解:1計算繞組數(shù)據:因為是單疊，所以 Y=Yk=1 2畫繞組展開圖: 假想把電樞從某一槽的中間沿軸向切開

26、展示成平面，所得繞組連接圖稱為繞組展開圖。（1）先畫16根等長、等距的實線，代表各槽上層元件邊，再畫16根等長等距的虛線，代表各槽下層元件邊。 1.3.2 單疊繞組Q第47頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五（2）根據Y1，畫出第一個元件的上下層邊（15槽），令上層邊所在的槽號為元件號。（3）接上換向片，1、2片之間對準元件中心線，之后等分換向器，定出換向片號；（4）畫出第二個元件，上層邊在第2槽，與第一個元件的下層邊聯(lián)接；下層邊在第6槽與3號換向聯(lián)接。按此規(guī)律，一直把16個元件全部聯(lián)起來。（5）放磁極：磁極應均勻分布在圓周上，N極磁力線垂直向里（進入紙面），S極向外（從

27、紙面穿出）； 1.3.2 單疊繞組第48頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五（6）放電刷：對準在磁極軸線下，畫一個換向片寬（實際上K很多，電刷寬23片寬）。并把相同極性下的電刷并聯(lián)起來。實際運行時，電刷是靜止不動的，電樞在旋轉，但是被電刷所短路的元件，永遠都是處于電機的幾何中性線，其感應電動勢是接近零的。為使正、負電刷間引出的電動勢最大，我們已知被電刷所短路的元件電動勢為零，在元件端接線對稱的情況下，電刷的實際位置應在磁極中性線下，所以習慣上稱為“電刷放在幾何中性線位置”。 1.3.2 單疊繞組第49頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第50頁，共9

28、8頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.3.2 單疊繞組第51頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.3.2 單疊繞組單疊繞組連接順序表 繞組展開圖比較直觀，但畫起來比較麻煩，為簡便起見，繞組連接規(guī)律也可用連接順序表來表示。本例連接順序表如下。上排數(shù)字同時代表上層元件邊的元件號、槽號和換向片號，下排數(shù)字代表下層元件邊所在的槽號。第52頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五圖1-15 單疊繞組并聯(lián)支路圖 1.3.2 單疊繞組 取一瞬間（如圖F1-16瞬間），將此瞬間不與電刷接觸的換向片省去不畫，可以得到圖1-15的并聯(lián)支路圖?？梢钥闯鰡?/p>

29、疊繞組的連接規(guī)律是將同一磁極下的各個元件串聯(lián)起來組成一條支路。所以，單疊繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a總等于極對數(shù)p，即a=p。第53頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五單疊繞組的特點：1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與并聯(lián)支路數(shù)相同。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。 3）電刷個數(shù)等于極數(shù)。 1.3.2 單疊繞組第54頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第55頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.3.3 單波繞組第56頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，

30、星期五單波繞組的特點：1）上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1，與磁極對數(shù)無關；2）當元件的幾何形狀左右對稱，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)（全額電刷）。4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。 單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于并聯(lián)支路對數(shù)的多少。單疊繞組可以通過增加極對數(shù)來增加并聯(lián)支路對數(shù)。適用于低電壓大電流的電機；單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a=1，但每條支路串聯(lián)的元件數(shù)較多，適用于小電流較高電壓的電機。1.3.3 單波繞組第57頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分

31、，星期五 1.4 直流電機的磁場 1.4.1 空載時的主磁場 直流電機工作中，主磁極產生主磁場，電樞電流產生電樞磁場。這兩個磁場在氣隙中相互影響，相互疊加，合成了氣隙磁場。空載：發(fā)電機不輸出電功率，電動機不輸出機械功率，即電樞電流為零的狀態(tài)。那么 ，這時的氣隙磁場，只由主極的勵磁電流所建立，所以直流電機空載時的氣隙磁場，又稱勵磁磁場?？梢钥醋魇侵鞔艌?。主磁通：經過主磁極、氣隙、電樞鐵心及機座構成磁回路。它同時與勵磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應電動勢和產生電磁轉矩，稱為主磁通。 漏磁通：僅交鏈勵磁繞組本身，不進入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應電動勢及產生電磁轉矩，稱

32、為漏磁通。第58頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五主磁通路徑:磁力線由N極出來，經氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經定子鐵軛回到N極漏磁通路徑:磁力線不進入電樞鐵心，直接經過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路1.4.1 空載時的主磁場下圖1-19是一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。圖1-19 直流電機的磁通及其分布幾何中性線第59頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五第60頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用

33、，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的(1520)%。 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。1.4.1 空載時的主磁場第61頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度B較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀（b）氣隙磁密分布1.4.1 空載時的主磁場第62頁，共98頁，2022年，5月2

34、0日，23點39分，星期五 直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流流過，它將產生一個電樞磁場。電樞磁場的磁力線分布如右圖。電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的二極直流電機的電樞磁場分布情況。 假設勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產生的氣隙磁場在空間的分布情況。1.4.2 負載時的電樞磁場 圖1-21 電樞磁場 a)第63頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 將圖1-21a展開為圖1-21b。如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 Fax

35、 所示。 由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中Bax所示。注意：電樞磁動勢Fax為三角波， 電樞磁通密度Bax為馬鞍型。 b) 圖1-21 電樞磁動勢和磁場的分布1.4.2 負載時的電樞磁場第64頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁動勢對主磁極的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。當電刷在幾何中性線上時，電樞磁場和主極磁場相互垂直，此時的電樞反應叫交軸電樞反應。將主磁場分布和電樞磁

36、場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況。1.4.3 電樞反應第65頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線1.4.3 電樞反應 將空載時主極磁通密度與負載時電樞磁通密度逐點相加，便得到負載時氣隙中的磁場分布曲線。(紅線所示)第66頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五交軸電樞反應（電刷在幾何中性線）的性質：1.使氣隙磁場發(fā)生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾

37、何中性線，磁通密度的曲線與空載時不同。2.對主極磁場起去磁作用 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量恰好等于被加強的數(shù)量，因此負載時每極下的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁飽和的影響，比不飽和增加的磁通要少些，從而使合成磁通量比空載時略為減小，起到了去磁作用。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質。1.4.3 電樞反應第67頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五2、當電刷不在幾何中性線上時 電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢 和直軸電樞磁動勢 。

38、如圖(a)(b)所示。1.4.3 電樞反應第68頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五電刷不在幾何中性線時的電樞反應可用下列表格說明:電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁1.4.3 電樞反應第69頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.5 電樞繞組的感應電動勢與電磁轉矩 1.5.1 電樞電動勢 電樞電動勢:電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢。是指直流電機正、負電刷之間的感應電動勢，也就是電樞繞組每條支路的感應電動勢，即一條支路中各元件感應電動勢之和。大小:apNnCnEeaF=F=6

39、0)(電動勢常數(shù)為電機的結構常數(shù)其中式中 N電樞總導體數(shù)； a電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)； 電動勢常數(shù) F 氣隙每極磁通（Wb） n電機的轉速（r/min）第70頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五可見，直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關，感應電動勢的方向由電機轉向和主磁場方向決定。性質: 發(fā)電機電源電勢(與電樞電流同方向)； 電動機反電勢(與電樞電流反方向)。1.5.1 電樞電動勢第71頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五電磁轉矩:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。 電機的總電磁轉矩為

40、：為電機的轉矩常數(shù)，有其中可見，制造好的直流電機其電磁轉矩、每極磁通及電樞電流成正比；方向由主磁場方向和電樞電流方向決定。性質: 發(fā)電機制動(與轉速方向相反)； 電動機驅動(與轉速方向相同)。1.5.1 電磁轉矩大小:aTaICIapNTF=F=p2第72頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.5.1 電磁轉矩 電樞電動勢的方向由電機的轉向和主磁場方向決定，其中只要有一個方向改變，電動勢方向也就隨之改變了。電磁轉矩的方向由電樞電流和主極磁場的方向決定，同樣，只要改變其中一個方向，電磁轉矩方向將隨之改變，而兩個方向同時改變時，則電磁轉矩方向不變。第73頁，共98頁，2022

41、年，5月20日，23點39分，星期五1.5.1 電磁轉矩例：1-2 ： 一臺直流發(fā)電機2p=4,2a=2,31槽，每槽元件數(shù)為12，E=115V，額定轉速nN=1450r/min。求：（1）每極磁通。（2）此發(fā)電機作為電動機使用，當電樞電流為800A時，能產生多大電磁轉矩。1-2 解：(1) Ce=pN/60a=2*31*12/60*1=12.4 F=E/ Cen=(115/12.4*1450)Wb=6.4*10-3Wb (2) CT=9.55Ce=118.42 T= CT FIa=(118.42*6.4*10-3*800)Nm=606.3Nm第74頁，共98頁，2022年，5月20日，23點

42、39分，星期五1.5.1 電磁轉矩例1-3： 上題電機之數(shù)據，當每極磁通量不變時：(1)電機轉速降低至1000r/min時，電樞感應電動勢為多少？(2)電樞電流減小到500A時，電樞產生的電磁轉矩為多大？1-3 解： 帶入式感應電動勢公式及電磁轉矩公式計算如下： (1) Ea =CeFn=(12.4*6.4*10-3*1000)V=79.36V (2) T=CTFIa=(118.42*6.4*10-3*500)Nm=378.94Nm第75頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。 換向是指直流電機的電樞繞組元件從一條支路經過電刷進入

43、另一條支路，該元件電流從一個方向變換為另一個方向。 電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1被短路，電流被分流。如圖所示。 電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為 電刷僅與換向片2接觸時，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為 。元件112 1.6 直流電機中的換向 1.6.1 換向過程的基本概念 第76頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.6.1 換向過程的基本概念 圖1-23 直流電機電樞繞組元件的換向過程a)換向開始瞬間 b)正在換向瞬間 c)換向結束瞬間第77頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 元件從開始換向到換向終了所經歷的

44、時間，稱為換向周期 。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經過電刷時都要經歷換向過程。 換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。 產生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械原因、化學原因。1.6.1 換向過程的基本概念 第78頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 換向元件與換向過程中產生的電動勢分為兩類：電抗電動勢和電樞反應電動勢。1.電抗電動勢 換向元件（線圈）在換向過程中電流改變，因此必有自感作用；同時進行換向的元件不止一個，換向元件與換向元件之間，又有互感作

45、用。因此，換向元件中電流變化時，必然出現(xiàn)由自感與互感作用所引起的感應電動勢，即(自感電動勢和互感電動勢 )這個電動勢稱為電抗電動勢。 根據楞次定律，自感電動勢、互感電動勢總是阻礙電流變化的，也就是阻礙換向的。1.6.2 換向元件中的電動勢 第79頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.6.2 換向元件中的電動勢 2.電樞反應電動勢 雖然換向元件位于幾何中性線處，主磁場的磁密等于零，但是電樞磁場的磁密不等于零。因此換向元件必然切割電樞磁場，而在其中產生一種旋轉電動勢，稱為電樞反應電動勢。 說明： 電抗電動勢和電樞反應電動勢都在換向元件內產生阻礙換向的附加電流，在換向過程中，

46、由于電流突變，使線圈內儲存的磁場能以火花形式釋放出來。第80頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.6.3 改善換向的方法 從產生火花的電磁原因出發(fā)，減少換向元件的電抗電動勢和電樞反應電動勢，限制換向元件中的附加電流，就可以有效地改善換向。 改善換向常用的方法有以下4種： (1)安裝換向極 這是目前改善換向最有效的方法。一般容量為1kW以上的直流電機都裝有換向極。 換向極安裝在主磁極之間，換向極極性確定的原則是換向極繞組產生的磁動勢的方向是電樞反應磁動勢的相反方向，大小比電樞反應磁動勢略大。(見下圖)第81頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.6.

47、3 改善換向的方法 為在負載變化時始終有效地改善換向，換向極繞組中應流過電樞電流，即換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。 第82頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.6.3 改善換向的方法 (2)調整電刷的位置 在小容量無換向極的直流電機中，將電刷從電樞幾何中性線移開一個適當角度，用主磁場來代替換向極磁場，也可改善換向。移動電刷的方向規(guī)定為：當電機運行于電動機狀態(tài)時，電刷應逆著電樞旋轉方向移動；而運行于發(fā)電機狀態(tài)時，電刷則應順著電樞旋轉方向移動。若方向不正確將使電機換向更加惡化。(3)增加換向回路的電阻。電刷與換向器之間的接觸電阻是換向回路中最重要的電阻，不同牌號的電刷具有不同的

48、接觸電阻，選擇合適的電刷能改善換向。第83頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.6.3 改善換向的方法 (4)裝設防止環(huán)火的補償繞組 所謂環(huán)火，是指電機正、負電刷之間出現(xiàn)電弧，電弧被拉長，直接從一種極性的電刷跨過換向器表面到達相鄰的另一極性的電刷，使整個換向器表面布滿環(huán)型電弧。 出現(xiàn)環(huán)火，可在很短時間內損壞電機。為避免環(huán)火現(xiàn)象，采用補償繞組是有效方法之一。補償繞組嵌置在主磁極極靴上專門沖制的槽內。其中流過的是電樞電流，所以補償繞組應與電樞繞組串聯(lián)，其電流方向與對應極下電樞繞組的電流方向相反，顯然它產生的磁動勢與電樞反應磁動勢方向相反，從而補償了電樞反應的影響。第84頁，

49、共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 1.7 直流電動機的分類 直流電動機按結構形式分為開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種；按容量分為小型、中型和大型；按勵磁方式分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復勵三種方式。 供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。第85頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五1.7.1 他勵式直流電動機 他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。他勵直流電機的電樞電流和負載電流相同，即：第86頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五并勵：電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一電源供電。且滿足 ：

50、如圖所示1.7.2 并勵式直流電動機 第87頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足 1.7.1 串勵式直流電動機 第88頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五復勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。(先并后串/先串后并)1.7.1 積復勵式直流電動機 第89頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 第一章 習 題1.直流電機的換向器在發(fā)電機和在電動機中各起什么作用？2.直流電機銘牌上的功率是指什么功率?3.如何改變直流發(fā)電機的電樞電動勢的方向？如何

51、改變直流電動機電磁轉矩方向？4.什么叫電樞反應？電樞反應的性質如何？5.何謂交軸電樞反應？它對直流電機氣隙磁場有什么影響？6.一臺直流發(fā)電機數(shù)據為：額定功率PN=10kW，額定電壓UN=230V，額定轉速nN=2850r/min，額定效率N=0.85。求它的額定電流及額定負載時的輸入功率。7.一臺直流電動機的額定數(shù)據為：額定功率PN=17kW，額定電壓UN=220V，額定轉速nN=2850r/min，額定效率N=0.83。求它的額定電流及額定負載時的輸入功率。第90頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 第一章 習 題8.已知直流電機的極對數(shù)p=2，虛槽數(shù)Q=22，元件數(shù)及

52、換向片數(shù)均為22，連成單疊繞組。計算各繞組的節(jié)距，畫出繞組展開圖及磁極和電刷的位置，并求出其并聯(lián)支路數(shù)。9.已知直流電機的極對數(shù)p=2，虛槽數(shù)、元件數(shù)及換向片數(shù)均為19，連成單波繞組。計算各繞組的節(jié)距，畫出繞組展開圖及磁極和電刷的位置，求并聯(lián)支路數(shù)。10.一臺直流電機的極對數(shù)p=3，單疊繞組，電樞繞組總導體數(shù)N=398，氣隙每極磁通F=3.5*10-2Wb，當轉速分別為n=1500r/min及n=500r/min時，求電樞繞組的感應電動勢。11.一臺4極直流發(fā)電機，電樞繞組為單疊整距繞組，每極磁通F=3.5*10-2Wb，電樞總導體數(shù)N=152，求當轉速n=1200r/min時的空載電動勢Ea。若改為單波繞組，其他條件不變，則當空載電動勢為210V時，發(fā)電機轉速應多少？若保持每條支路的電流ia=50A不變，求電樞繞組為單疊和單波時，發(fā)電機的電磁轉矩T各為多少？第91頁，共98頁，2022年，5月20日，23點39分，星期五 第一章 習 題12.換向極的作用是什么？它裝在什么位置？極性應該怎樣？流過換向極繞組的電流是什么電流？13.一臺直流電動機改成發(fā)電機運行時，是否需要改接換向極繞組？