電機拖動第二章

第二章直流電機本章重難點重點直流電機的工作原理及額定數(shù)據(jù)；直流電機的勵磁方式及電樞反應；直流電機的基本方程式，包括感應電動勢、電磁轉矩、電壓平衡方程、轉矩平衡方程式及功率平衡方程式；直流電機的工作特性；直流電動機的固有機械特性和人為機械特性；難點：直流電機電樞繞組的設計；直流電機帶負載后的磁場；直流電機換向不良產(chǎn)生的原因。電機是利用電磁作用原理進行能量轉換的機電裝置。直流電動機的功能是將直流電能轉換成機械能帶動機械負載，而直流發(fā)電機的功能是將機械能轉化成直流電能供給電負載。直流電動機具有良好的起動和寬廣平滑的調速性能，因而被廣泛應用于對起動和調速性能要求較高的生產(chǎn)機械上，如電力機車、軋鋼機、船舶機械、造紙機和紡織機等。直流發(fā)電機主要用作直流電源，供給直流電動機及電解、電鍍設備等所需要的直流電能。下面重點講直流電動機和直流發(fā)電機的工作原理。一、直流發(fā)電機的工作原理要解決的問題是直流發(fā)電機是如何發(fā)起電來的？依據(jù)定理：方向由右手定則判定假設原動機拖動電樞逆時針恒速旋轉原動機拖動目前位置：ab線圈邊在N極下，cd線圈邊在S下ab邊：感應電勢（電流）b→a

cd邊：感應電勢（電流）d→c線圈電勢方向：

d→c→b→a電刷電勢方向：A+；B-所以，直流發(fā)電機原理（原理三部曲）（1）原動機使轉子以每分鐘n轉旋轉（2）發(fā)電機內部有磁場存在（圖中給出的是永久磁鐵）（3）當電樞被原動機驅動，線圈abcd按逆時針方向轉動后，線圈的有效邊ab和cd切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢e，大小為Blv，用右手定則判斷出感應電勢的方向。于是，對外電路來說，電刷A極性為“+”，電刷B極性為“-”。二、直流電動機工作原理要解決的問題是怎樣轉起來的？依據(jù)：電磁力定律

B—磁密，l—導體有效長度，i—電流方向由左手定則判定磁極電樞換向器電刷(靜止）目前位置：ab線圈邊在N極下，cd線圈邊在S下線圈中電流方向A→a→b→c→d→B電樞逆時針方向旋轉ab邊:電流a→b

,電磁力方向逆時針

cd邊:電流c→d

,電磁力方向逆時針目前位置：cd線圈邊在N極下，ab線圈邊在S下線圈中電流方向A→d→c→b→a→B電樞逆時針方向旋轉ab邊:電流b→

a

,電磁力方向逆時針

cd邊:電流d

→c,電磁力方向逆時針直流電動機工作原理（三步曲）：（1）將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導體有電流流過。（2）電機內部有磁場存在。（3）載流的轉子（即電樞），將受到電磁力的作用(左手定則)，所有導體產(chǎn)生的電磁力作用于轉子產(chǎn)生的電磁轉矩，以便拖動機械負載旋轉。（1）在直流電動機中，雖然外加電壓和電流都為直流，但在電樞繞組內部，電流是交變的，靠換向器和電刷的作用將外部直流轉變成內部交流，從而得到方向固定的電磁轉矩，使得電樞朝一個方向連續(xù)旋轉。這時，電刷和換向器起到了機械式逆變器的作用。結論：（2）在直流發(fā)電機中，電樞內的感應電動勢和電流都是交變的，靠換向器和電刷的作用將內部交流電動勢轉變成外部電刷間的直流電動勢，從而使外部電路得到直流電流。這時電刷和換向器起到了機械式整流器的作用。（3）雖然電樞線圈是旋轉且其中的電流是交變的，但它們在N極下和S極下的電樞電流方向是不變的，因此，電樞電流所產(chǎn)生的磁場從空間上看也是恒定不變的。三、直流電機的結構、額定值及主要系列靜止部分——定子旋轉部分——轉子（電樞）電機由兩大部分組成定子由主磁極、換向磁極、機座以及電刷裝置等組成，如圖所示。（1）主磁極主磁極用來產(chǎn)生主磁場，使電樞繞組感應電動勢，它由鐵心和主磁極繞組（勵磁繞組）組成，鐵心用0.5~1.5mm的低碳鋼板疊壓而成的，主磁極N，S交替布置，均勻分布并用螺釘固定在機座上。為使主磁通在氣隙中分布更合理，鐵心的下部比套繞組的部分更寬些。（2）換向極用來改善直流電機的換向，它由鐵芯和套在鐵芯上的換向極繞組構成。鐵芯常用整塊鋼或厚鋼板制成的，匝數(shù)不多的換向與電樞繞組串聯(lián)。換向極的極數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相同。（3）機座定子機座即是電機的外殼，又是電機磁路的一部分。一般用低碳鋼鑄成或用鋼板焊接而成。機座的兩端有端蓋。中小型電機前后端蓋都裝有軸承，用于制成轉軸。大型電機則采用座式滑動軸承。（4）電刷裝置其作用是使轉動部分的電樞繞組與外電路接通，將直流電壓、電流引出或引入電阻繞組。它與轉換器相配合，起整流或逆變器作用。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿座和匯流條等零件組成，如下圖所示：轉子部分轉子由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器等部件組成，如圖所示。（1）電樞鐵芯

電樞鐵芯是電機磁路的一部分，電樞繞組放置在鐵芯的槽內，為減少磁滯損耗及渦流損耗，電樞鐵芯通常用0.35mm或0.5mm的硅鋼片疊裝而成。（2）電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分。它的作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩，從而實現(xiàn)機電能量的轉換。電樞繞組是用絕緣銅線制成的元件，然后嵌放在電樞鐵芯槽內，每個線圈有兩個出線端，分別接到換向器的兩個換向片上。所有線圈按一定規(guī)律連接成一個閉合回路。（3）換向器換向器是直流電機的重要部件。在直流發(fā)電機中，它將電樞繞組內部的交流電動勢轉換為電刷間的直流電動勢；在直流電動機中，它將電刷上的直流電流轉換為繞組內的交流電流。如下圖，換向器由許多梯形銅排制成的彼此絕緣的換向片組成。換向片數(shù)與線圈元件數(shù)相同。四、直流電機的額定值（1）額定功率：電機按規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。

●對于電動機，額定功率是指轉子軸上輸出的機械功率；●對于發(fā)電機，額定功率則是指電刷輸出端輸出的電功率。

（2）額定電壓：電樞繞組能夠安全工作的最大電壓?！駥τ陔妱訖C是電刷輸出端的輸入電壓；●對于發(fā)電機是電刷輸出端的輸出電壓。（3）額定電流：

電機按規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許通過的最大電流。（并勵機和復勵機指得是總電流）（4）額定轉速：

在額定電壓、額定電流、和輸出額定功率運行時，電機的轉速。（5）額定效率：

在額定條件下電機的輸出功率與輸入功率之比。直流電動機：

直流發(fā)電機：電動機軸上輸出的額定轉矩：

（上式中的單位為kw）五、直流電機的電樞繞組從直流電機的工作原理可知，直流電機必須有能在磁場中轉動的繞組才能正常工作。對于電動機，處在磁場中的載流電樞繞組產(chǎn)生電磁轉矩，拖動機械負載；對于發(fā)電機，原動機拖動電樞旋轉時，電樞繞組切割磁場從而產(chǎn)生感應電動勢，作為直流電源帶動電負載，電樞繞組是直流電機實現(xiàn)機電能量轉換的重要部分。電樞繞組的一般知識對電樞繞組的主要要求：正、負電刷間所感應的電勢應盡量大；繞組所用的導線和絕緣材料盡可能節(jié)??；結構簡單運行可靠。

1．電樞繞組的元件電樞繞組是由若干個線圈按照一定的規(guī)律組成。由絕緣導線繞制而成的線圈稱為元件，一個元件有兩個有效邊，其匝數(shù)為NY，見下圖，其中一個有效邊嵌放在電樞槽的上層，稱為上層邊；另一個有效邊放在相距約一個極距的電樞槽的下層，稱為下層邊。電樞槽外的部分稱為元件的端部，如下圖所示。

■一個元件有兩根引出線，稱為首端和尾端，它們分別接到兩個換向片上，而每個換向片又與不同元件的兩根引出線相連接，所以整個電樞繞組的元件數(shù)S應等于換向片數(shù)K，即：S=K●每個元件有兩個有效邊，而每電樞槽分上下兩層嵌放兩個有效邊，所以元件數(shù)S應等于電樞的槽數(shù)Z，即

S=Z對于小容量的電機，電樞直徑較小，其外圓不可能沖有很多槽，往往在一個槽的上層和下層各放u個元件邊，把一個上層邊和一個下層邊看成一個虛槽，虛槽數(shù)Zu與實槽數(shù)Z的關系。Zu=uZ=S=K當一個槽的上層和下層各放1個元件邊時，u=1●相鄰兩個異性極中心線之間用電樞鐵心外圓的對應弧長表示的距離，稱為極距，當用槽數(shù)表示時，有；2節(jié)距表征電樞繞組元件本身和元件連接規(guī)律的數(shù)據(jù)稱為節(jié)據(jù)。（1）第一節(jié)距Y1Y1是同一個元件的兩個元件邊的距離，一般用槽數(shù)表示，為了使每個元件的感應電動勢最大，應接近或等于極距，有

稱為整距線圈稱為短距線圈稱為長距線圈短距線圈和整距線圈多被采用，長距線圈因為端部長，用銅多而造成浪費，很少被采用。（2）第二節(jié)距：連接同一個換向片的兩個元件邊之間的距離。

（3）合成節(jié)距：直接相連的兩個元件的對應邊的距離。（4）換向器的節(jié)距

：同一線圈的兩個首尾線端所接兩個換向片之間的距離。單疊繞組單疊繞組的連接特點是：同一元件的兩個出線端分別連接到相鄰的兩個換向片上，即換向片節(jié)距Yk=1，相鄰元件通過換向片依次相連，從而組成整個閉合繞組，后一元件的端部緊緊疊在前一個元件的端部上，故而稱為單疊繞組，單疊繞組繞制時，每繞過一個元件便在電樞表面移過一個虛槽。例題：例2-1一臺直流電機的繞組數(shù)據(jù)為：極對P=2，槽數(shù)Z=16，，換向片數(shù)K=16，試設計單疊繞組連接圖。1．單疊繞組的展開圖（1）計算節(jié)距解：

為了得到最大感應電勢，取整距繞組。（2）連接元件先畫出16根等長、等距的實線，代表各槽元件的上層邊，再畫出16根等長、等距的虛線，代表各槽元件的下層邊，并編上槽號，如下圖，畫16各小方塊代表換向片，1號元件由1號換向片經(jīng)第1槽上層（實線），根據(jù)Y1=4連到第5槽的下層（虛線），然后回到2號換向片；2號元件由2號換向片經(jīng)第2槽上層（實線），根據(jù)Y1=4連到第6槽的下層（虛線），然后回到3號換向片；照此方法依次連接完16個元件，組成一個閉合回路，（3）畫磁極和電刷首先根據(jù)均勻劃分4個極區(qū)，再畫出4個主磁極，主磁極的中心線與極區(qū)的中心重合，其厚度應小于元件有效邊的長度，習慣上規(guī)定主磁極位于電樞繞組的上方，對于N極，磁力線的方向是進入紙面的；對于S極，磁力線的方向是由紙面穿出的。電刷的桿數(shù)與主磁極的個數(shù)相同，即為4個。電刷安放原則是：空載時，正、負電刷間獲得最大感應電動勢，或者說被電刷短接的元件中感應電動勢應為最小，即被電刷短接的元件的兩個有效邊應處于磁密為零的物理中性線上?？蛰d時，物理中性線與幾何中性線重合，幾何中性線為兩個異性磁極的分界線。如果把電刷中心線對準主磁極的中心線，則被電刷短接的元件的元件邊正好位于幾何中心線處，其中的感應電動勢為零。如上圖1、5、9、13的元件邊正好處于幾何中心線上，這幾個元件的感應電動勢為零。單疊繞組的并聯(lián)支路圖在繞組展開圖所示的瞬間，根據(jù)電刷之間元件連接順序，可畫出相應的電樞繞組并聯(lián)電路圖，（1）對于單疊繞組，電刷總是把上層邊處于同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，所以有幾個極就有幾條支路，即2a=2p。即

式中，a為支路對數(shù)，p為極對數(shù)。（2）電刷桿數(shù)等于極數(shù)。（3）電樞總電流Ia為支路電流ia的2a倍，即

結論：六、直流電機的磁場由直流電機的基本工作原理可知，氣隙磁場是直流電機進行電能量轉換的重要介質。無論是發(fā)電機還是電動機，具有一定強度的磁場是產(chǎn)生足夠大的感應電動勢及電磁轉矩不可缺少的必要條件，而且電機氣隙內磁場的大小、分布及產(chǎn)生該磁場的勵磁方式，將直接影響與決定電機的運行性能，因此，對電機磁場的分析、了解是學習直流電機運行原理及工作特性的重要基礎知識。直流電機的勵磁方式主磁極上勵磁繞組通以直流而產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勢。勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式與電樞繞組的關系。按勵磁方式不同，勵磁方式可以分為以下4種類型。1、他勵直流電機勵磁繞組用其他的直流電源供電，與電樞繞組之間無電的聯(lián)系，見下圖。對于小容量電機，常采用永磁鐵提供主磁場。永磁式直流電機也屬于他勵直流電機。2、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。見下圖，勵磁繞組電壓與電樞繞組電壓相等，兩者的電流之和等于總電流，即。3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。見下圖，勵磁繞組電流與電樞繞組電流相等。4、復勵直流電機主磁極上裝有兩套繞組，一組與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵繞組；一組與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組，見下圖。若兩組繞組產(chǎn)生的磁動勢相同，稱為積復勵；若兩組磁動勢相反，稱為差復勵。

七、直流電機的空載磁場二、直流電機的空載磁化曲線直流電機運行時，要求每極下有一定數(shù)量的主磁通，稱為每極磁通。當勵磁繞組Nf一定時，主磁通的大小由勵磁電流決定。三、空載磁場氣隙磁通密度分布曲線直流電機的主磁路由5部分組成：主磁極、定、轉子之間的氣隙，電樞鐵心，定子磁軛。包圍主磁路的總磁動勢為：

2Ff=2Hδδ+2Hll1+H2l2+2H3l3+H4l4式中，Hδ、H1、H2、H3、H4——氣隙、電樞齒、電樞鐵心、主磁極和定子磁軛的平均磁場強度。忽略鐵心飽和影響，一般鐵心中的磁阻大大小于氣隙磁阻，主磁路中的磁動勢主要消耗在兩個氣隙上。所以：2Ff=2Hδδ而上式中的Hδ=Bδ/u0那么有：在極靴內，氣隙長度較小且均勻不變，則氣隙磁密度較大且基本為常數(shù)。極靴兩側，氣隙長度逐漸增大，氣隙磁密度明顯減小，在兩主磁極之間的幾何中心線處，磁密度為零，這時物理中性線與幾何中性線重合。空載時氣隙磁密度分布為一禮帽形的平頂波。八、直流電機的電樞反應和負載磁場空載時，由主磁極的勵磁磁動勢單獨產(chǎn)生的氣隙磁密度分布為一平頂波；負載時，電樞繞組中流過電樞電流，產(chǎn)生電樞反應磁動勢Fa,與勵磁磁動勢Ff共同建立負載時的氣隙合成磁動勢，F(xiàn)a的出現(xiàn)必然會引起原來空載時氣隙磁密度的大小和分布發(fā)生變化，把電樞反應磁動勢Fa對主磁極氣隙磁場的影響，稱為電樞反應。1、電樞磁勢電樞磁勢分布與電樞電流有關(電流產(chǎn)生磁勢，磁勢建立磁場)。電樞電流的方向由電刷來決定。電樞磁勢的軸線總是與電刷接觸的導體的連線重合?；蛘哒f電刷位置決定了電樞磁勢的軸線。當電刷與處于幾何中性線上的導體相接處時，電樞磁勢的軸線在交軸方向，并把這一磁勢稱為交軸電樞反應磁勢。1、單個元件所產(chǎn)生的電樞磁勢一個整距元件所產(chǎn)生的磁動勢Fa為以兩個極距為周期，幅值為的矩形波。如圖2-21b所示。

若每對極下有若干個元件均勻分布，每個元件產(chǎn)生的磁動勢仍為矩形波，若干個元件產(chǎn)生的磁勢為這些矩形波疊加而成的階梯波，為了分析簡單起見，可近似認為這一階梯波為一三角波Fax。三角波磁動勢的最大值在幾何中性線處，主磁極中線處磁勢為零。見下圖中特性Fax。電樞氣隙磁密Bax的分布波形呈馬鞍形，見下圖特性Bax。2、電磁磁勢單獨產(chǎn)生的磁感應強度分布：磁密度由磁勢和氣隙磁阻共同決定。極面下氣隙基本不變，磁密度正比喻磁勢。兩極之間的區(qū)域內，氣隙變大，磁密迅速減小，一個周期的磁密波形是馬鞍形。波形如下所示：3、電樞磁場和勵磁磁場在一個極距內相加時，一半極距內磁密度加強，另一半極距內磁密度減弱。若果電機的磁場不飽和，則半個極距內增加的磁通兩與另半個極距減少的磁通量相等。即每極總磁通與空載時一樣。實際上由于飽和，使得每極磁通總體上有所減少。磁場發(fā)生畸變，0點發(fā)生了位移。電樞反應有一定的飽和去磁作用。綜上所述：1）氣隙磁場發(fā)生畸變，半個磁極下的磁場增加，半個磁極下的磁場消弱。物理中性線偏移幾何中性線，對于直流發(fā)電機是順轉向偏移；對于電動機是逆轉向偏移。2）當磁路飽和時，每極總磁通量減少，具有去磁作用。九、直流電機的電樞感應電動勢和電磁轉矩無論是發(fā)電機還是電動機，當電樞在氣隙中旋轉時，電樞繞組的元件邊切割氣隙磁力線，就會在其中產(chǎn)生感應電動勢。直流電機的電磁轉矩無論是電動機還是發(fā)電機，當電樞繞組中電流流過時，載流導體處在磁場中就要受到電磁力的作用，其方向由左手定則判定。結論：對于已經(jīng)制造好的電機，電磁轉矩Tem與每極磁通Φ及電樞電流Ia成正比。當Φ及Ia中任一個參量的方向改變時，Tem的方向跟著改變。電樞感應電勢和電磁轉矩兩個公式對于直流發(fā)電機和直流電動機都適用。對于直流發(fā)電機，與同方向，與反方向，為阻轉矩；

對于直流電動機，與反方向，為反電動勢，與同方向，為拖動轉矩。對于同一臺電機，電勢常數(shù)和轉矩常數(shù)之間具有確定的關系：從而得十、直流電動機的運行原理根據(jù)直流電機可逆原理，一臺直流電機即可作為電動機使用，由使用時的外部條件所決定。當他勵直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時，其電氣連接和機械連接如下圖：1、電壓平衡方程根據(jù)基爾霍夫第二定律，由上圖可知，當電動機穩(wěn)態(tài)運行時，各物理量都為常數(shù)，穩(wěn)態(tài)時的電壓平衡方程式為：結論：直流電機在電動機運行狀態(tài)下的電樞電動勢總小于電樞端電壓。

2轉矩平衡方程式根據(jù)牛頓第二定律可知，對于任意瞬間，直流電動機軸上的電磁轉矩（驅動轉矩），應與電動機軸上的負載轉矩、空載轉矩及慣性轉矩之和相平衡。穩(wěn)態(tài)運行時，結論：電動機穩(wěn)定運行時，電磁轉矩等于負載轉矩與

空載轉矩之和。3、功率平衡方程式直流電動機運行時，內部存在著各種損耗，如電路中存在著銅損耗，磁路中存在著鐵損耗，電機轉動時還存在著機械損耗等。輸入的電功率除去各種損耗后轉化為機械功率輸出?，F(xiàn)以并勵直流電動機為例，分析其功率平衡關系。電樞繞組的銅損耗為：電磁功率為:將兩邊同乘以機械角速度，可得：其對應的功率為：式中：機械軸上的輸出功率；空載損耗；直流電機的鐵耗，當電機運行時，電樞鐵心在直流磁場中受到反復磁化，產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，兩者之和為鐵耗；機械損耗，轉動部分的摩擦損耗和自扇冷式的電機的風阻損耗等；實際中還存在著雜散損耗（附加損耗）。由磁場畸變和齒槽效應等引起的。綜合上述關系可得：功率流程圖如圖。其效率為：4、并勵直流電動機的工作特性定義：直流電動機的工作特性定義為：端電壓，勵磁電流，且電樞回路無外接電阻條件下，電動機的轉速n，電磁轉矩Tem，運行效率η分別與電樞電流Ia的關系。因為它反映了電動機工作時所具有的電氣、機械性能，所以統(tǒng)稱為機械特性。

轉速特性定義：當并勵直流電動機的、、時，轉速n與電樞電流Ia的關系被稱為轉速特性，即將電動勢公式代入電壓平衡方程式中，整理得