第一章 电机原理教案

1、第一章 第15页 第一章 教案周次第1周， 章节名称绪言1-1直流电机工作原理结构；1-2直流电机的结构1-3电机磁场1-4直流电机感应电势和转矩授课方式理论课（）；实验课（ ）；实习（ ）教学时数4学时教学目的及要求要求掌握：1直流电机工作的核心物理现象：电磁感应规律；2直流电机的工作原理、直流电机感应电势和转矩的计算；3直流电机的不同励磁绕组结构及励磁方式。教学内容提要1 电机及电力拖动技术的应用、发展以及在本专业学科领域的地位和作用2 直流电机的工作原理；3 直流电机的结构；4 直流电机的铭牌参数；5 电机的四种励磁方式；6 直流电机感应电势和转矩的计算。教学重点与难点1. 如何分析直流

2、电机中的电磁感应规律。2. 直流电机的换向器如何实现直流交流，交流直流的变换。通过数学推导正确解释直流电机的特征量（感应电动势和电磁转矩）的物理含义。讨论练习和作业教学手段多媒体与其它方式结合学时分配第一次课：1，2，3；第二次课： 4，5，6参考资料1电机与拖动基础 刘启新 中国电力出版社 2电机与拖动基础 宋银宾 机械出版社 3电机与电力拖动 顾绳谷 合肥工业出版社 4电机原理及拖动 彭鸿才 机械工业出版社 绪论 一、电机及电机学概念1.电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。2.电机分类：（按运动方式分类）静止电机-变压器 电机直流电机 旋转电机 交流电机 异步

3、电机 同步电机二、本课程的任务1. 电机学及性质：专业基础课2. 基本要求：了解电机、变压器的基本结构掌握正常稳态运行时的分析方法了解空载运行和负载运行时电机内部的物理情况掌握电机的运行特性掌握电机的基本实验方法和操作技能3.本门课学习方法：抓住主要矛盾； 理论联系实际； 善于运用对比的方法。三、电机在国民经济中的作用1. 电能是现代常用的一种能源2. 电机是一种进行机电能量转换的电磁机械装置3. 电机在工农业生产、航空航天等起重要作用。 磁 路1.1磁路基本定律一、 磁路的概念1. 两种常见的磁路2.主磁通和漏磁通二、磁路基本电磁定律1.全电流定律安培环路定律 电流方向的判断：凡导体电流的方

4、向与积分路径的方向符合右手螺旋关系，则电流为正，反之为负。 2.磁路欧姆定律： 铁磁材料的不为常数。3.电磁感应定律： 变压器电动势：同上；运动电动势：判断方向：右手定则。4.电磁力定律：判断方向：左手定则（主要用于分析旋转电机的电磁转矩）1.2常用铁磁性材料及其特性一、 铁磁物质的磁化铁磁材料：铁、镍、钴及其合金二、 磁化曲线1.磁化曲线：特性：具有高的导磁性能；磁化曲线呈非线性（饱和特性）2.磁滞回线磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化；时的值，称为剩磁；三、 铁磁材料 软磁材料：高，小，磁滞回线窄而长，如：铸钢、硅钢片、制作电机铁心；硬磁材料：不高，Br大，磁滞回线宽，如：铁氧体、钕铁硼等

5、制造永久磁铁；四、磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的，涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生的损耗，铁损：磁滞损耗+涡流损耗，。第一节 直流电机的基本工作原理一、基本工作原理直流电机的构成（1）.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）.气隙*注意：同步电机旋转磁极式；直流电机旋转电枢式。 1.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1） 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2） 特点： a、 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、 电

6、枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。c、 电枢电动势反电势（与I反向）；d、 电磁转矩驱动转矩（与n同向）*说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。2、脉动的减小电枢绕组由许多线圈串联组成 第二节 直流电机的基本结构一、 主磁极建立主磁场（N、S交替排列）a、 主极铁心磁路，由1.01.5mm厚钢板构成b、 励磁绕组电路、由电磁线绕制二、 机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚三、 电枢铁心磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）四、 电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）五、 换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料

7、）六、 电刷装置a、 电刷石墨或金属石墨b、 刷握、刷杆、连线（铜丝辨）七、 换向极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）三、励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例 分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式） 他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。*说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。7 直流电机的型号和额定值(type and rated values)1.型号： Z 2-9 2

8、 铁心长度代号 机座号 第二次改型设计 直流2.额定值额定功率:输出电功率额定电压：；额定电流：；额定值之间的关系： 电动机：。第三节 空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场一、 空载时直流电机的气隙磁场1、 主磁通和漏磁通2、 气隙磁场波形图3、 特点：（1）I单独产生，即F单独产生；（2）平顶波（3）几何中性线B为零二、 负载时的电枢磁动势电枢电流I（一）交轴电枢磁动势1、 电刷放在几何中性线2、 电刷是电枢电流的分界线3、 磁动势分布波形为三角形4、 磁场波形马鞍形5、 电刷位于几何中心线上，F为交轴电枢磁动势6、 磁动势的计算（1） 电负荷（线负荷）A电枢表面单位长度上的安培导体

9、数A=Z*I/*D式中：Z电枢绕组总导体数I导体内的电流（即支路电流）D电枢直径（外径）（2） 距原点为+x及-x的闭合回路的磁动势（两个磁极即一对磁极）（3） 距原点x处每个气隙的磁动势（即每极磁动势）（4） 交轴电枢磁动势的最大值（距原点/2处，即几何中型线处）（二）直轴电枢磁动势 若电刷从几何中性线移过角，则可把电枢磁动势分解成直轴磁动势和交轴磁动势 三、 电枢反应1.概述空载：气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（）负载：Ff+电枢磁动势电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布 几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=

10、0； 物理中性线：B=0处的直线位置3.电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直4.电枢反应性质电刷在几何中性线时的电枢反应 性质：交轴电枢反应； 作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱；电刷不在几何中性线时的电枢反应 双反应理论：，分直轴和交轴分别分析； 交轴：同； 直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。四、 换向概述（一）、换向过程1.换向定义：从+到-的过程；2.换向周期：Tk，几毫秒；3.换向原因：电磁、机械、电化学和电热（二）、换向元件中的电动势主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。1. 电抗电动势 ： 从+到- 方向：由楞次定律知

11、，阻碍换向，与换向前相同；2.旋转电动势ek 物理中性线偏移几何中性线B0由于电枢反应影响e0 方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。（三）、改善换向的方法1.换向的不良后果：产生火花； 火花等级：2.改善换向的方法装设换向磁极；增加换向回路的电阻；电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。第四节 直流电机的感应电动势和电磁转距一、电枢绕组的感应电动势1 电枢绕组的感应电动势 一条支路的感应电动势（即根导体）2 的计算：（1） 一根导体产生的平均电动势：=lv 式中：Ba = =l = =（2） 一条支路的电动势，即电枢电动势Ea 式中： 每极磁通量； n转速（）； E

12、a电枢电动势（V）； Ce电动势常数。二、直流电机的电磁转距1 直流电机的电磁转距全部电枢导体产生的电磁转矩2 的计算(1) 一根导体所受点电磁力： favia(2) 全部电枢导体产生的电磁转矩，即直流电机的电磁转矩Bav=Nfav=Navlia=即：式中: 每极磁通量（Wb） ；电枢总电流（A） ；电磁转矩（N*m）； CT转矩常数 三、与的关系周次第2周 章节名称1-5 他励直流电动机运行特性习题课授课方式理论课（）；实验课（ ）；实习（ ）教学时数4学时教学目的及要求要求掌握：1直流电机的基本运行方程式；2电动机的工作特性分析；3电动机运行时的损耗分析。教学内容提要时间分配1直流电机的换

13、向。2直流电机的电势平衡方程式，转矩平衡方程式。3 他励直流电动机工作特性。4 他励直流电动机的有关计算。第一次课：1 2第二次课：3 4教学重点与难点换向的电磁过程。直流电机的电势平衡方程式，转矩平衡方程式的稳态和动态表达的异同。讨论练习和作业讨论：1 如何分析直流电动机的电枢回路的电动势平衡问题？2 直流电动机当速度n=0时，电磁转矩是否为零？当电枢电流为零时，电动势是否为零？3 换向机的如何正确安装？教学手段多媒体与其它方式结合参考资料1电机与拖动基础 刘启新 中国电力出版社 2电机与拖动基础 宋银宾 机械出版社 3电机与电力拖动 顾绳谷 合肥工业出版社 4电机原理及拖动 彭鸿才 机械工

14、业出版社 第五节 直流电机的基本方程一、电动势平衡方程 式中：电枢回路总电阻；：正、负电刷电压降，一般为0.62伏； 发电机：取“+”；电动机：取“-”；忽略电刷压降，则*结论：发电机：；电动机：；即根据与U的大小判断直流电机的运行状态。二、直流电机的功率平衡方程以并激直流电动机为例： pCuapCuf pad P1 Pem P2 (电能) 定子 转子 p0=pmec+pFe电动机： 电能机械能电机效率：三、转矩平衡方程1.发电机：2.电动机：四、直流电机的可逆性改变电机的外界条件，可以改变其运行状态。 例：直流发电机由原动机拖动并入电网运行时，若去掉原动机，Ea当 EaU时,Ia反向,电动运

15、行.。四、直流电动机的运行特性1 转矩转速特性（机械特性）电磁转矩与转速n之间的关系曲线：=f（）（1）n=f（）与励磁方式有关（2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性 固有机械特性： ； ； 人工机械特性：； （3）硬特性与软特性2 工作特性指= 常数时, ，与的关系曲线(1) 转速特性(2) 转矩特性(3) 效率特性(4) 并励直流电动机的运行特性（一） 转矩转速特性指U=UN=常数，常数，1 接线图2 表达式 =n0-RaTe/ CTCe23 曲线 *特点：硬特性4 引起下降的原因T2TeIaIaRan0Ra/ CTCe2（二） 工作特性1 转速特性或（1） 表达式（2） 分析：

16、P2T2TeIa（3） 并励直流电动机的转速调整率 =(n0-nN)/nN2 转矩特性 （1）表达式 （2）分析3 效率特性同其它电机：可变损耗等于不变损耗时，习题例1-1 有一台他励直流电动机，千瓦，伏，安，转分，欧，试求额定状态下的： (1)输入功率和总损耗； (2)铜耗、电磁功率和铁耗与机械损耗之和； (3)额定电磁转矩，输出转矩和空载损耗转矩 。 解：通过本例帮助读者熟练地掌握他励直流电动机的能量平衡关系和转矩平衡关系。因此我们可结合功率流程图得出下列关系式： 应用题中所给出的数据，可计算出： 输入功率： 总损耗： 铜耗： 电磁功率： 或 电磁转矩：。 或(上面两种计算结果有误差，是由系数955造成的) 输出转矩： 空载损耗转矩： 或： 例12 电机的技术数据与例1-1同，试求： (1)理想空载转速与实际空载转速 ；(2