電機及拖動基礎(chǔ)顧繩谷第四版

1、第二章 直流電機,第一節(jié) 直流電機的工作原理及結(jié)構(gòu),一、直流電機的工作原理,（一）直流電動機的工作原理,載流導(dǎo)體在磁場中受到的力,2,當安裝換向器以后，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。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時，總是從電刷B流出的方向，就使電動機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。,當線圈ax中通入直流電流時，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。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩。,3,（二）直流發(fā)電機的工作原理,用原動機拖動電

2、樞逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交變的電動勢。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢確是直流電動勢。,一臺直流電機 作為電動機運行在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞 旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn) ，輸出機械能； 作為發(fā)動機運行用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直 流電動勢，作為直流電源，輸出電能。,4,二、直流電機的結(jié)構(gòu),直流電機剖面圖,1換向器 2電刷裝置 3機座 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,5,6,（一）直流電機的靜止部分,1、主磁極,2、換向極,1主磁極鐵心 2勵磁繞組 3機座,1換

3、向極鐵心 2換向極繞組,3、機座用來固定主磁極、換向極和端蓋； 另外，又作為磁路的一部分。,7,（二）直流電機的轉(zhuǎn)動部分,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,8,2、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,9,第二節(jié) 直流電機的銘牌數(shù)據(jù),直流電機的額定值有： 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、額定勵磁電壓U

4、fN(V),10,在額定工況下，電機出線端的平均電壓,發(fā)電機：是指輸出額定電壓； 電動機：是指輸入額定電壓。,在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流,在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,11,對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流,此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。,電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運行電流大于額定電流過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。,1

5、2,第三節(jié) 直流電機的繞組,一、簡單的繞組,對繞組的要求：在能夠通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動勢的前提下，盡可能節(jié)省銅和絕緣材料，并且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。,1-2、3-4、5-6、7-8分別構(gòu)成4個線圈,右圖只是說明原理的示意圖。它的缺點是：隨著電樞的轉(zhuǎn)動，始終只有一個線圈有電流。這樣的話，材料沒有充分利用，產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩或電勢均很小。,解決辦法：用4個換向片將4個線圈都連接起來，成為一個閉合繞組，兩個不同的元件邊連接一個換向片。每個元件的兩個元件邊連接2個不同的換向片。共用了4個換向片，節(jié)省了材料，提高了輸出轉(zhuǎn)矩。,13,14,15,16,17,二、繞組的基本形式,（一）單疊繞組,單疊繞組的特

6、點：元件的兩個端子連接在相鄰的兩個換向片上。 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，接到一個換向片上。最后一個元件末端與第一個元件首端連接在一起，形成一個閉合回路。,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）稱為跨距。一般要求元件的跨距等于電機的極距。 右上圖中，跨距為4槽。,18,19,20,（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極距，即在磁場中的位置差不多相對應(yīng)的元件連接起來。,21,22,直流電機的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等。,23,第四節(jié) 直流電機的勵磁方

7、式及磁場,一、直流電機的勵磁方式,1、他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而是由 其他直流電源對勵磁繞組供電。,2、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。,3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。,4、復(fù)勵直流電機兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)， 另一個與電樞繞組串聯(lián)。,24,二、直流電機的空載磁場,直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。,25,氣隙中主磁場磁通密度的分布,磁化曲線,26,三、直流電機負載時的磁場及電樞反應(yīng),當直流電機帶上負載以后，在電機磁路中又形成一個磁動勢，這個磁動勢稱為電樞磁動勢。 此時的電機氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共

8、同產(chǎn)生的。電樞磁動勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。,27,4個元件所產(chǎn)生的電樞磁動勢波形,電樞反應(yīng)后磁動勢波形,1、有負載時氣隙磁場發(fā)生了畸變 2、電樞反應(yīng)呈現(xiàn)去磁作用,28,第五節(jié) 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算,一、感應(yīng)電動勢的計算,直流電機無論作電動機運行，還是發(fā)電機運行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。,式中，n電樞的轉(zhuǎn)速；p極對數(shù)。,根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個匝數(shù)為 的元件中感應(yīng)電動勢的平均值為：,29,對制成的電機，Ce=pZ/60a為一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù),繞組全部有效導(dǎo)體數(shù)為 ，所以,若不計飽和影響，有,其中Kf 為比例常數(shù),30,其中Gaf=CT Kf ； 為機械角速度。,感應(yīng)電動勢的計

9、算公式為,31,二、電磁轉(zhuǎn)矩的計算,32,第六節(jié) 直流電機的運行原理,一、直流電機的基本方程式,（一）電動勢平衡方程式,若電機穩(wěn)態(tài)運行，對于電動機,若電機穩(wěn)態(tài)運行，對于發(fā)電機,33,（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式,對于電動機：,穩(wěn)態(tài)運行時,其中T2為負載制動轉(zhuǎn)矩， T0為空載損耗轉(zhuǎn)矩。,對于發(fā)電機：,其中T1為原動機拖動轉(zhuǎn)矩。,穩(wěn)態(tài)運行時,二、直流電動機工作特性,34,（一）并勵直流電動機的工作特性,1. 轉(zhuǎn)速特性,當U=UN , If=IfN時，n=f(Ia)的關(guān)系曲線,35,（二）串勵直流電動機的工作特性,電動勢平衡方程式,電動勢公式,轉(zhuǎn)矩平衡方程式,轉(zhuǎn)矩公式,（其中，Rfc為串勵繞組電阻，,，,）

10、,36,（三）復(fù)勵直流電動機的工作特性,例2-1 一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：,37,（2）減少電動機的勵磁電流，使磁通 減少10%，當達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？,解,（2）磁通 減少為原來的0.9,38,三、直流發(fā)電機的工作特性,a) 他勵直流發(fā)電機,b) 并勵直流發(fā)電機,c) 復(fù)勵直流發(fā)電機,（一）空載運行,1 空載特性,當他勵直流發(fā)電機被原動機拖動，n=nN 時，勵磁繞組端加上勵磁電壓Uf ,調(diào)節(jié)勵磁電流If0 ,得出空載特性曲線U0=f(I0)。,39,2 并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機空載電壓的建立,自勵電壓的建立有三個條件：,1）電機必須有剩磁；,2）勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性

11、必須正確；,3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。,（二）負載運行,無論他勵、并勵還是復(fù)勵發(fā)電機，建立電壓以后，在 n = nN 的條件下，加上負載后，發(fā)電機的端電壓都將發(fā)生變化。,1積復(fù)勵發(fā)電機外特性；,2他勵發(fā)電機外特性；,3并勵發(fā)電機外特性；,40,第七節(jié) 直流電機的換向,換向問題很復(fù)雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)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(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。,一、換向的電磁現(xiàn)象,1、電抗電動勢,換向元件中出現(xiàn)的由自感與互感作用所引起的感應(yīng)電動勢，稱為電抗電動勢。,41,2、電樞反應(yīng)電動勢,由于電刷放置在磁極軸線下的換向器上，在幾何中心線處，雖然主磁場的磁密等于零，可是電樞磁場的磁