电机及拖动基础(顾绳谷-主编)第二章

1、1第二章第二章 直流电机直流电机第一节第一节 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力载流导体在磁场中受到的力Bilf B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)i 导体中的电流导体中的电流(A)l 导体的有效长度导体的有效长度(m)2 当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就

2、旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在流入的方向；而在S极下时，总是从电刷极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。 当线圈当线圈ax中通入直流电流时，线圈边中通入直流电流时，线圈边a和和x上均受到电磁力，根上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。电磁转矩。3（二）

3、直流发电机的工作原理（二）直流发电机的工作原理 用原动机拖动电枢逆时针方向恒速用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边转动，线圈边ab和和cd就分别切割不同就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷电流的换向作用，在电刷A、B端的端的电动势确是直流电动势。电动势确是直流电动势。 一台直流电机一台直流电机作为电动机运行作为电动机运行在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢 旋转，拖动生产机械旋转旋转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能；，

4、输出机械能；作为发动机运行作为发动机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直 流电动势，作为直流电源，输出电能。流电动势，作为直流电源，输出电能。4二、直流电机的结构二、直流电机的结构直流电机剖面图直流电机剖面图1换向器换向器2电刷装置电刷装置3机座机座4主磁极主磁极5换向极换向极6端盖端盖7风扇风扇8电枢绕组电枢绕组9电枢铁心电枢铁心56（一）直流电机的静止部分（一）直流电机的静止部分1 1、主磁极、主磁极2 2、换向极、换向极1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3、机座、机座用来固定主磁极

5、、换向极和端盖；用来固定主磁极、换向极和端盖； 另外，又作为磁路的一部分。另外，又作为磁路的一部分。 7（二）直流电机的转动部分（二）直流电机的转动部分4、电刷装置、电刷装置1刷握刷握2电刷电刷3压紧弹簧压紧弹簧44铜丝辫铜丝辫1、电枢铁心、电枢铁心a)电枢铁心电枢铁心 冲片冲片b)电枢铁心电枢铁心82、电枢绕组、电枢绕组由许多按由许多按一定规律连接的线圈组成。一定规律连接的线圈组成。1槽楔槽楔2线圈绝缘线圈绝缘3导体导体44层间绝缘层间绝缘55槽绝缘槽绝缘66槽底绝缘槽底绝缘电枢槽内的绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器、换向器由许多换由许多换向片组成，换向片之间用云向片组成，换向片之间用云母绝缘。

6、母绝缘。1换向片换向片2连接片连接片9第二节第二节 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：1 1、额定功率、额定功率PN(kW)2 2、额定电压、额定电压UN(V)3 3、额定电流、额定电流IN(A)4 4、额定转速、额定转速nN(r/min)5 5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN(V)10在额定工况下，电机出线端的平均电压发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速指轴

7、上输出指轴上输出的机械功率的机械功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率电动机电动机发电机发电机额定条件下电机所能提供的功率额定功率NP11fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式励磁方式 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于

8、额欠载运行；运行电流大于额定电流定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。12第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组一、简单的绕组一、简单的绕组 对绕组的要求：在能够通过规定的对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构尽可能节省铜和绝缘材料，并且结

9、构简单、运行可靠。简单、运行可靠。1-21-2、3-43-4、5-65-6、7-87-8分别构成分别构成4 4个线圈个线圈 右图只是说明原理的示意图。它的缺右图只是说明原理的示意图。它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小利用，产生的总转矩或电势均很小。解决办法：用解决办法：用4 4个换向片将个换向片将4 4个线圈都连接个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接一个换向片。每个元

10、件的两个元件边连接件边连接2 2个不同的换向片。共用了个不同的换向片。共用了4 4个换个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。向片，节省了材料，提高了输出转矩。1314151617二、绕组的基本形式二、绕组的基本形式（一）单叠绕组（一）单叠绕组单叠绕组的特点：元件的两个端子连单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。接在相邻的两个换向片上。单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的末端即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接一个元件末端与第一

11、个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。在一起，形成一个闭合回路。 元件的跨距：上层元件边与下层元件的跨距：上层元件边与下层元件边的距离（用槽数表示）称为跨元件边的距离（用槽数表示）称为跨距。一般要求元件的跨距等于电机的距。一般要求元件的跨距等于电机的极距。极距。 右上图中，跨距为右上图中，跨距为4 4槽。槽。181920（二）单波绕组（二）单波绕组单波绕组单波绕组不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。2122直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还

12、有其他直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。23第四节第四节 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式1 1、他励直流电机、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电其他直流电源对励磁绕组供电。2 2、并励直流电机、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组与电枢绕组并联。3 3、串励直流电机、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。4 4、复励直流电机、

13、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联， 另一个与电枢绕组串联。另一个与电枢绕组串联。24二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。势单独建立的磁场。25气隙中主磁场磁通密度的分布气隙中主磁场磁通密度的分布磁化曲线磁化曲线26三、直流电机负载时的磁场及电枢反应三、直流电机负载时的磁场及电枢反应 当直流电机带上负载以后，在电机磁当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为路中又形成一个磁动势，这个磁

14、动势称为电枢磁动势。电枢磁动势。 此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。气隙磁场的影响称为电枢反应。274 4个元件所产生的电枢磁动势波形个元件所产生的电枢磁动势波形电枢反应后磁动势波形电枢反应后磁动势波形1 1、有负载时气隙磁场发生了畸变、有负载时气隙磁场发生了畸变2 2、电枢反应呈现去磁作用、电枢反应呈现去磁作用28第五节第五节 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算一、感应电动势的计算一、感应电动势的计算 直流电机无论作电动机运行，还是发直流电机无论

15、作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势。电机运行，电枢内部都感应产生电动势。602260tp npn 式中，式中，n电枢的转速；电枢的转速；p极对数。极对数。ay01d460tpnEe tNt根据电磁感应定律，一个匝数为根据电磁感应定律，一个匝数为 的元件的元件中感应电动势的平均值为：中感应电动势的平均值为：yN29nCnapZaSpnNEyae602604对制成的电机，对制成的电机，Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数为一个常数，称为电动势常数绕组全部有效导体数为绕组全部有效导体数为 ，所以，所以y2ZSN若不计饱和影响，有若不计饱和影响，有ffK I其中其中Kf 为

16、比例常数为比例常数30fafffeIGnIKCnCEea其中其中Gaf=CT Kf ； 为机械角速度。为机械角速度。感应电动势的计算公式为感应电动势的计算公式为31242eaaTaZpZTpIICIaa其中其中为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有apZCT2eTCC55. 9电磁转矩也可以表示为电磁转矩也可以表示为eaffaTG I I其中其中Gaf=CT Kf 二、二、电磁转矩的计算电磁转矩的计算32第六节第六节 直流电机的运行原理直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式一、直流电机的基本方程式（一）电动势平衡方程式（一）电动势平衡方程式若电机稳态运行，对于电动机若电机稳态运行，对于电

17、动机若电机稳态运行，对于发电机若电机稳态运行，对于发电机aaaaafafaIREIRIGUfffIRUfffIRUaaaaIRUE33（二）转矩平衡方程式（二）转矩平衡方程式对于电动机：对于电动机：稳态运行时稳态运行时e20ddTTTJt其中其中T2为负载制动转矩，为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩。为空载损耗转矩。e20TTT对于发电机：对于发电机：1e0ddTTTJt其中其中T1为原动机拖动转矩。为原动机拖动转矩。稳态运行时稳态运行时1e0TTT二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性34（一）并励直流电动机的工作特性（一）并励直流电动机的工作特性1. . 转速特性转速特性当当U=UN

18、 , , If=IfN时，时，n=f(Ia)的关系曲线的关系曲线aaeeRUnICC其中其中2. . 转矩特性转矩特性当当U=UN , ,If=IfN时，时，Te=f(Ia)的关系曲线的关系曲线eTaTaTCIC I TTCC 3. . 效率特性效率特性当当U=UN , ,If=IfN时，时，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线2FemecCufaaac21af2 100%1()pppI RIUPPU II35（二）串励直流电动机的工作特性（二）串励直流电动机的工作特性电动势平衡方程式电动势平衡方程式eaafc()UCnIRR电动势公式电动势公式aeaaECnC I n转矩平衡方程式转矩平衡方程式

19、e20TTT转矩公式转矩公式2eTaTaTCIC I （其中，（其中，Rfc为串励绕组电阻，为串励绕组电阻，aefCC K ，TTfCC K ）2e200602PTTTTn36（三）复励直流电动机的工作特性（三）复励直流电动机的工作特性 例例2-12-1 一台他励直流电动机的额定数据为：一台他励直流电动机的额定数据为：V750NUkW1325NPA1930NImin/ r200Nn电枢绕组的电阻电枢绕组的电阻电刷接触压降电刷接触压降0161. 0aRV22cU设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持

20、不变的情况下，试求（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求（1）在电枢回路中突然串入电阻）在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743, ,求串入电阻最初瞬求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？37（2）减少电动机的励磁电流，使磁通）减少电动机的励磁电流，使磁通 减少减少10%，当达到，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？稳定时的电枢电流和转速分别是多少？解解aaac2(750 1930 0.0161 2)V717VEUI RUa1930AI aaac()2750 1930 (0.0161 0.0743)2 V574VEUIRRU （

21、1）电枢回路中突然串入电阻）电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间最初瞬间a717VE acaa27507172A343A0.0161 0.0743UEUIRR稳态时稳态时aa574(200)r/min160r/min717EnnE （2）磁通）磁通 减少为原来的减少为原来的0.9a(1930/0.9)A2145AIaaac2(7502145 0.01612)V713VEUI RUaa7131200r/min221r/min7170.9EnnE 38三、直流发电机的工作特性三、直流发电机的工作特性a) 他励直流发电机他励直流发电机b) 并励直流发电机并励直流发电机c) 复励直流发电机复励直流发电机（

22、一）空载运行（一）空载运行1 空载特性空载特性当他励直流发电机被原动机拖当他励直流发电机被原动机拖动，动，n=nN 时，励磁绕组端加上时，励磁绕组端加上励磁电压励磁电压Uf , ,调节励磁电流调节励磁电流If0 , ,得出空载特性曲线得出空载特性曲线U0=f(I0)。392 并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机空载电压的建立自励电压的建立有三个条件：自励电压的建立有三个条件：1）电机必须有剩磁；电机必须有剩磁；2）励磁绕组并联到）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确；电枢的极性必须正确；3）励磁回路的总电阻小于该转速下励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻的临界电阻。（二）负载运行（二）负载运行 无论他励、并励还是复励发电机，无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在建立电压以后，在 n = nN 的条件下，的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。生变化。1积复励发积复励发电机外特性；电机外特性；2他励发他励发电机外特性；电机外特性；3并励发并励发电机外特性；电机外特性；40第七节第七节 直流电机的换向直流电机的换向 换向问题很复杂，换