电机拖动与控制（课堂PPT）

1、张张 勇勇 主编主编电机拖动与控制电机拖动与控制青岛港湾职业技术学院青岛港湾职业技术学院面向21世纪高职高专系列教材 第第0 0章章 电机概述电机概述v电机的定义电机的定义 电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为电动机电动机；将机械能转换为电能的电机称为；将机械能转换为电能的电机称为发电机发电机。v工作原理工作原理 电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。v构造的一般原则构造的一般原则 用适当的导磁和导电材料构

2、成能互相进行电磁感应用适当的导磁和导电材料构成能互相进行电磁感应的电路和磁路，以产生电磁功率和电磁转矩，达到能量的电路和磁路，以产生电磁功率和电磁转矩，达到能量转换的目的。转换的目的。v电机分类：电机分类：变压器变压器直流电机直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机 回转变压器、自整角机、直线电动机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压变压器、降压变压器电力变压器：升压变压器、降压变压器动力电机动力电机微特电机微特电机感应电机感应电机同步电机同步电机感应电动机感应电动机感应发电机感应发电机交流电机交流电机同步电动机同步电动机同步发电机同步发电机同步

3、补偿机同步补偿机直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机旋转电机旋转电机静止电机静止电机特种变压器特种变压器：自耦、三绕组、互感器自耦、三绕组、互感器本章内容：本章内容：v直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理v直流电机的结构及铭牌直流电机的结构及铭牌v直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组v直流电机的磁场直流电机的磁场v电枢绕组的感应电动势与电磁转矩电枢绕组的感应电动势与电磁转矩v直流电机中的换向直流电机中的换向v直流电动机的分类直流电动机的分类第一章第一章 直流电机基本理论及结构直流电机基本理论及结构第一章第一章 直流电机基本理论及结构直流电机基本理论及结构直流电机优缺点：直流电机优缺

4、点：优点：优点：起动性能和调速性能好，过载能力大。起动性能和调速性能好，过载能力大。缺点：缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多，存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差。价格昂贵，运行可靠性差。直流电机发展形势：直流电机发展形势： 随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继

5、续发挥作用。将在许多场合继续发挥作用。 1.1 1.1 直流直流电机电机的基本工作原理的基本工作原理补充：分析电机常用的基本电磁定律补充：分析电机常用的基本电磁定律 (1)(1)电磁力定律：电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。力的方向用力的方向用左手左手定则确定：定则确定：若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=BLIF=BLIF F：力，：力，N BN B：磁感应强度：磁感应强度, Wb/m, Wb/m2 2或或T(T(特斯拉特斯拉) )L: L: 导体的有效长度，导体的有

6、效长度，m Im I：导体中的电流，：导体中的电流，A A若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=BE=BL LV VE E：感应电势，：感应电势，V BV B：磁感应强度：磁感应强度, Wb/m, Wb/m2 2或或T(T(特斯拉特斯拉) )L: L: 导体的有效长度，导体的有效长度，m Vm V：导体的运动速度，：导体的运动速度，m/sm/s感应电动势的方向用感应电动势的方向用右手右手定则确定：定则确定： 1.1 1.1 直流直流电机电机的基本工作原理的基本工作原理(2)(2)电磁感应定律：电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会

7、产生感应电动势。若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。 1.1 1.1 直流直流电机电机的基本工作原理的基本工作原理(3)(3)电流磁效应：电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。通电的导体周围会产生磁场。磁场的方向用磁场的方向用右手螺旋右手螺旋定则确定：定则确定： 1.1 1.1 直流直流电机电机的基本工作原理的基本工作原理 1.1.1 1.1.1 直流直流电动机电动机的基本工作原理的基本工作原理 直流电动机直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械。是将直流电能转变成机械能的旋转机械。 N N和和S S是一对固定的磁极，可是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。以是电磁铁，也

8、可以是永久磁铁。把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，电接到直流电源上，电刷刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此时接负极。此时电枢线圈中将电流流过，电流方电枢线圈中将电流流过，电流方向向a a到到b b到到c c到到d d到到a a。在磁场作用。在磁场作用下，下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从受力方向从右向左，右向左，S S 极下导体极下导体cdcd受力方向受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。如右图。向旋转。如右图。

9、a) a) 图图1-1 1-1 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理1.1.1 1.1.1 直流直流电动机电动机的基本工作原理的基本工作原理 当电枢旋转到右图所示位当电枢旋转到右图所示位置时原置时原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下，受力方向从左向右，原下，受力方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力极下，受力方向从右向左。该电磁力形成方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。用下继续逆时针方向旋转。 实际的直流电动机，电枢实际

10、的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。电动机的转速也就比较均匀。 b) b) 图图1-1 1-1 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理1.1.1 1.1.1 直流直流电动机电动机的基本工作原理的基本工作原理 电机的各组成部件电机的各组成部件 1.1 1.1 直流直流电机电机的基本工作原理的基本工作原理1.1.2 1.1.2 直流直流发电机发电机的基本工作原理的基本工作原理 右

11、图为直流发电机的物右图为直流发电机的物理模型，理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可旋转导磁圆是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的磁圆柱体称为电机的转子或转子或电枢电枢。线圈的首末端。线圈的首末端a a、d d连连接到两个相互绝缘并可随线接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。的电刷进行的。图图1-2 1-2 直流发电机的工作原理图直流发电机的工作原理图1.1.2 1.1

12、.2 直流直流发电机发电机的基本工作原理的基本工作原理 直流发电机直流发电机是将机械能转是将机械能转变成电能的旋转机械。变成电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子逆当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，线圈时针旋转时，线圈abcdabcd将产将产生感应电动势。生感应电动势。 如右图，导体如右图，导体abab在在N N极下，极下，a a点高电位，点高电位，b b点低电位；导点低电位；导体体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电位，点高电位，d d点低电位；电刷点低电位；电刷A A极性为正，极性为正，电刷电刷B B极性为负。极性为负。 图图1-2 1-2 直流发电机的工作原理图直流发电机的工作原理

13、图 当原动机驱动电机转子逆当原动机驱动电机转子逆时针旋转时针旋转180180度后，如右图。度后，如右图。 导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低电点低电位，位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点低电位，点低电位，d d点高点高电位；电刷电位；电刷A A极性仍为正，极性仍为正，电刷电刷B B极性仍为负。可见，极性仍为负。可见，和电刷和电刷A A接触的导体总是位接触的导体总是位于于N N极下，和电刷极下，和电刷B B接触的接触的导体总是位于导体总是位于S S极下。极下。1.1.2 1.1.2 直流直流发电机发电机的基本工作原理的基本工作原理图图1-2

14、 1-2 直流发电机的工作原理图直流发电机的工作原理图1.1.2 1.1.2 直流直流发电机发电机的基本工作原理的基本工作原理电机可逆原理：电机可逆原理： 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可压，则从电刷端可以引

15、出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理可逆原理。 1.2 1.2 直流电机的结构及铭牌直流电机的结构及铭牌1.2.1 1.2.1 结构结构直流

16、电机结构：直流电机结构：主要由主要由定子、转定子、转子（电枢）子（电枢）两大两大部分组成。部分组成。定子定子的作用是产的作用是产生生磁场磁场；转子转子的的作用是产生作用是产生电磁电磁转矩和感应电动转矩和感应电动势势。1.2.1 1.2.1 结构结构图图1-4 1-4 直流电机横剖面示意图直流电机横剖面示意图1.1.定子定子 直流电机的定子由直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置置等部件组成。等部件组成。 (1)(1)主磁极：主磁极：主要作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主主要作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组

17、通以直流电流来建立磁磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。易固定。(2)(2)换向极：换向极：主要作用是改善换向，安装在两相邻主磁极之间，主要作用是改善换向，安装在两相邻主磁极之间，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成。是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构

18、成。 (3)(3)机座：机座：机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。机座的两端装有端盖。机座的两端装有端盖。(4)(4)端盖：端盖：端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。1.2.1 1.2.1 结构结构1.2.1 1.2.1 结构结构(5)(5)电刷装置：电刷装置：电刷装置是电枢电路的引出（

19、或引入）装置，电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。 图图1-7 1-7 换换 向向 极极1.2.1 1.2.1 结构结构1.2.1 1.2.1 结构结构 2.2.转子转子 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。风扇等。(1)(1)电枢铁心电枢铁心：电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕：电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的

20、涡流损耗，铁心一般用厚铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm0.5mm且冲有齿、槽硅钢片且冲有齿、槽硅钢片叠压夹紧而成。叠压夹紧而成。(2)(2)电枢绕组电枢绕组：电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律：电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地

21、绝缘，并用槽楔压紧。线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。(3)(3)换向器换向器：在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向：在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多换向片排成一个器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V V形环夹紧而构成。形环夹紧而构成。1.2.1 1.2.1 结构结构1.2.1 1.2.1 结构结构1.2.1 1.2.1 结构结构图图1-9 1-9 直流电机转子结构直流电机转子结构1.1.转轴转轴 2.2.轴承轴承 3.3.换向器换向

22、器 4.4.电枢铁心电枢铁心 5.5.电枢绕组电枢绕组 6.6.风扇风扇 7.7.轴承轴承1.2.1 1.2.1 结构结构 电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择和使用时参考。和使用时参考。 额定值额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能。额可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行

23、产品设计或试验的依据。额定值通定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌 1. 1. 铭牌数据铭牌数据根据国家标准，直流电机的额定数据有：根据国家标准，直流电机的额定数据有：额定功率额定功率 P PN N 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以出功率，以 W W 为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于 1kW 1kW 或或 1MW 1MW 时时, ,则用则用 kW kW 或或 MW MW 表示。表示。 对于直流

24、发电机，对于直流发电机，P PN N是指发电机带额定负载时，电刷输出是指发电机带额定负载时，电刷输出的功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。的功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。P PN NU UN NI IN N 对于直流电动机，对于直流电动机，P PN N是指电动机带额定负载时，转轴上输是指电动机带额定负载时，转轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率出的机械功率，所以公式中还应有效率N N存在。存在。P PN NU UN NI IN NN N ( (N N额定效率）额定效率）1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌额定电压额定电压 U UN N 指额定状态下电枢出线端的电压，以指额

25、定状态下电枢出线端的电压，以 “V” V” 为量纲为量纲单位。单位。额定电流额定电流 I IN N 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” A” 为量纲单位。为量纲单位。 额定转速额定转速 n nN N 指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/minr/min为量纲单为量纲单位。位。额定励磁电流额定励磁电流 I If f 指电机在额定状态时的励磁电流值。指电机在额定状态时的励磁电流值。 1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出

26、的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：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。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流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，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速Nn额定转速1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电

27、流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式与电枢线圈的连接方式励磁方式 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。电动机轴上输出的额定转矩用电动机轴上输出的额定转矩用T TN N表示，其大小等于输出的额表示，其大小等于输出的额定机械功率除以转子额定角速度，定机械功率除以转子额定角速度，即即T TN N= P= PN N /N N=P=PN N/(2n/(2nN N/60)=9.55 P/60)=9.55 PN N/ n/ nN

28、 N实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运行时电机的负载小于额定容量，称为行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行欠载运行；而电机的负载；而电机的负载超过额定容量，称为超过额定容量，称为过载运行过载运行。长期的欠载或过载都不好。长期的欠载或过载都不好。1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌例题例题1-11-1： 一台直流电动机其额定功率一台直流电动机其额定功率P PN N=160kW=160kW，额定电压，额定电压U UN N=220V=220V，额定效率额定效率N N=90%=90%，额定转速，额定转速n nN N=15

29、00r/min=1500r/min，求该电动机，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少？少？1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌解：解：额定输入功率额定输入功率 P P1 1= P= PN N/ / N N=160/0.9=177.8kW=160/0.9=177.8kW 额定电流额定电流 I IN N= P= PN N/ U/ UN N N N=160=160* *10103 3/220/220* *0.9=808.1A0.9=808.1A 额定转矩额定转矩 T TN N= 9.55 P= 9.55 PN N/

30、n/ nN N=9.55=9.55* *160160* * 10 103 3 /1500=1018.7N m/1500=1018.7N m2.2.国产直流电机产品的型号：国产直流电机产品的型号： 电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音字母和阿电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。其中拉伯数字表示。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再从该字的拼音中得到择有代表意义的汉字，再从该字的拼音中得到，例如，例如， Z ZA A112/21112/21其中，其中，ZZ直流电动机；直流电动机； AA设计系列号；设计系列号； 11

31、2112中心高中心高112mm 2112mm 2极数；极数； 1111号铁心号铁心 Z2Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机及调压发电机。动机及调压发电机。 Z Z和和ZFZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z Z是直流是直流电动机系列；电动机系列；ZFZF是直流发电机系列。是直流发电机系列。 ZQZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。流牵引电动机。 ZHZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。系列是

32、船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。 ZUZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。系列是用于龙门刨床的直流电动机。1.2.2 1.2.2 电机的铭牌电机的铭牌 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 元件（线圈）：元件（线圈）：构成绕组的线圈称为绕组元件，分构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组成，元件边放在槽内，能切割磁力线而产生感应电动成，元件边放在槽内，能切割磁力线而产生感应电动势，叫势，叫“有效边有效边”，端接线放在槽外，不切割磁

33、力线，端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用。每个元件的一个元件边放在某一个仅作为连接线用。每个元件的一个元件边放在某一个槽的上层，另一个元件边则放在另一槽的下层。槽的上层，另一个元件边则放在另一槽的下层。元件的首末端：元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。每一个相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。每一个元件的两个端点分别接在不同的换向片上，每个换向元件的两个端点分别接在不同的换向片上，每个换向片接两个不同的线圈端头。片接两个不同的线圈端头。 实槽：实槽：电机电枢上实际开出的槽叫实槽。实槽数电机电枢上实际开出

34、的槽叫实槽。实槽数用用Q Q表示。表示。 虚槽：虚槽：即单元槽即单元槽( (每层元件边的数量等于虚槽数每层元件边的数量等于虚槽数) )，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。虚槽数用每个虚槽的上、下层各有一个元件边。虚槽数用Q Q表示。设槽内每层有表示。设槽内每层有个虚槽，若实槽数为个虚槽，若实槽数为Q Q，虚槽数为虚槽数为Q Q，则，则Q Q= Q= Q。 极轴线：极轴线：磁极的中心线。磁极的中心线。 几何中性线：几何中性线：是指主磁极是指主磁极N N极和极和S S极的机械分界线。极的机械分界线。 物理中性线：物理中性线：把把N N极与极与S S极磁场为零处的分界线称极磁场为零处的分界线称 为物

35、理中性线。为物理中性线。1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 a) a)元件元件 b)b)绕组元件在槽内的放置绕组元件在槽内的放置 c c）实槽与虚槽）实槽与虚槽 b b）11上层边；上层边； 22下层边；下层边； 33端接部分；端接部分； 44首、末端首、末端 c c）11槽楔；槽楔；22线圈绝缘；线圈绝缘；33导线；导线；44层间绝缘；层间绝缘；5 5 槽绝缘；槽绝缘；6 6 槽底绝缘槽底绝缘 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 极距：极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示为（距离）

36、表示为（距离）pD2若用虚槽数表示为（槽数）若用虚槽数表示为（槽数）式中式中 DD电枢外径电枢外径(m)(m)； pp磁极对数。磁极对数。p2Q Q 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 极距位置示意图极距位置示意图绕组节距：绕组节距：绕组节距通常用虚槽数或换向片数表示，见图绕组节距通常用虚槽数或换向片数表示，见图1-1-1212。(1)(1)第一节距第一节距Y Y1 1：同一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的同一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。距离。(2)(2)第二节距第二节距Y Y2 2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件连至同一换向片上的两个元件中第一

37、个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。的下层边与第二个元件的上层边间的距离。(3)(3)合成节距合成节距Y Y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。距离。 (4)(4)换向器节距换向器节距Y YK K：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。21yyy单叠绕组单叠绕组21yyy单波绕组单波绕组 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 图图1-12 1-12 电枢绕组的节距电枢绕组的节距a)a)单叠绕组单叠绕组 b)b)单波绕

38、组单波绕组a)a)b)b)绕组主要分类：绕组主要分类： 大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过；现大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过；现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。经济性好，故现在均用鼓形绕组。环形绕组示意图环形绕组示意图 鼓形绕组示意图鼓形绕组示意图 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 叠绕组：叠绕组：指串联的两个元件总是后

39、一个元件的端接部分紧叠在指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：波绕组：指把相隔约为一对极距的指把相隔约为一对极距的同极性同极性磁场下的相应元件串磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。波绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图叠绕组示意图 1.3.1 1.3.1 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 单叠绕组：单叠绕组：是指相邻元件是指相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, , 元件的出线元件的出线端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接端接到相邻的换向片

40、上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。合成节距与换向节距均为个槽内。合成节距与换向节距均为1,1,即：即：Y=YY=Yk k=1=1 下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。例例: :已知某直流电机的极对数已知某直流电机的极对数p=2 p=2 ，虚槽数，虚槽数Q Q，元件数，元件数S S，及，及换向片数为换向片数为K K，S=K=QS=K=Q=16,=16,试画出单叠绕组展开图。试画出单叠绕组展开图。 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕

41、组解解:1:1计算绕组数据计算绕组数据: :因为是单叠，所以因为是单叠，所以 Y=YY=Yk k=1 =1 2 2画绕组展开图画绕组展开图: : 假想把电枢从某一槽的中间沿轴向切开展示成平面，假想把电枢从某一槽的中间沿轴向切开展示成平面，所得绕组连接图称为所得绕组连接图称为绕组展开图绕组展开图。（1 1）先画）先画1616根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画再画1616根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。4221621pZy 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组Q Q（2 2）根据）根据Y1Y1，画出第

42、一个元件的上下层边（，画出第一个元件的上下层边（1 15 5槽），令上层边所在的槽号为元件号。槽），令上层边所在的槽号为元件号。（3 3）接上换向片，）接上换向片，1 1、2 2片之间对准元件中心线，片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；之后等分换向器，定出换向片号；（4 4）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第2 2槽，与第一槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第个元件的下层边联接；下层边在第6 6槽与槽与3 3号换向号换向联接。按此规律，一直把联接。按此规律，一直把1616个元件全部联起来。个元件全部联起来。（5 5）放磁极：磁极应均匀分布在圆周上，）放磁

43、极：磁极应均匀分布在圆周上，N N极磁极磁力线垂直向里（进入纸面），力线垂直向里（进入纸面），S S极向外（从纸面极向外（从纸面穿出）；穿出）； 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组（6 6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上宽（实际上K K很多，电刷宽很多，电刷宽2 23 3片宽）。并把相片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应元件，永远都是处于电机的几

44、何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在位置应在磁极中性线磁极中性线下，所以习惯上称为下，所以习惯上称为“电刷电刷放在几何中性线位置放在几何中性线位置”。 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组单叠绕组连接顺序表单叠绕组连接顺序表 绕组展开图比较直观，但画起来比较麻烦，为简便起

45、见，绕组展开图比较直观，但画起来比较麻烦，为简便起见，绕组连接规律也可用绕组连接规律也可用连接顺序表连接顺序表来表示。本例连接顺序表来表示。本例连接顺序表如下。上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换如下。上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换向片号，下排数字代表下层元件边所在的槽号。向片号，下排数字代表下层元件边所在的槽号。图图1-15 1-15 单叠绕组并联支路图单叠绕组并联支路图 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组 取一瞬间（如图取一瞬间（如图F1-16F1-16瞬间），将此瞬间不与电刷接触的换向片瞬间），将此瞬间不与电刷接触的换向片省去不画，可以得到图省去不画，可以得到

46、图1-151-15的并联支路图。可以看出单叠绕组的连的并联支路图。可以看出单叠绕组的连接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路。所以，接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路。所以，单叠绕组的并联支路对数单叠绕组的并联支路对数a a总等于极对数总等于极对数p p，即，即a=pa=p。单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：1 1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与并联支路数相同。数与并联支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。势最

47、大，电刷间电动势等于并联支路电动势。 3 3）电刷个数等于极数。）电刷个数等于极数。 1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组 1.3.3 1.3.3 单波绕组单波绕组单波绕组的特点：单波绕组的特点：1 1）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并联支路对数恒等于路，并联支路对数恒等于1 1，与磁极对数无关；，与磁极对数无关；2 2）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大；准主磁极中心线时，支路电动势最大；3 3）电刷数等于

48、磁极数（）电刷数等于磁极数（全额电刷全额电刷）。）。4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数a=1a=1，但每条支路，但每条支路串联的元件数较多，适用于小电流较高电压的电机。串联的元件数较多，适用于小电流较高

49、电压的电机。1.3.3 1.3.3 单波绕组单波绕组 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场 1.4.1 1.4.1 空载时的主磁场空载时的主磁场 直流电机工作中，主磁极产生主磁场，电枢电流产生电枢磁直流电机工作中，主磁极产生主磁场，电枢电流产生电枢磁场。这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。场。空载：空载：发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率，即电枢发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率，即电枢电流为零的状态。那么电流为零的状态。那么 ，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立

50、，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。可以看作是主磁场。可以看作是主磁场。主磁通：主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通。和产生电磁转矩，称为主磁通。 漏磁通：漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称组相交链，不能在电枢绕组中感

51、应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通。为漏磁通。主磁通路径主磁通路径: :磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S S极，再经定子铁轭回到极，再经定子铁轭回到N N极极漏磁通路径漏磁通路径: :磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路磁极或定子铁轭形成闭合回路1.4.1 1.4.1 空载时的主磁场空载时的主磁场下图下图1-191-19是一台是一台四极四极直流电机空载时的磁场示意图。直流电机空载时的磁场示意图。图图1-19 1-1

52、9 直流电机的磁通及其分布直流电机的磁通及其分布几何中性线几何中性线 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主主磁通磁通小得多，大约是主磁通的小得多，大约是主磁通的(1520)%(1520)%。 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于材料的磁阻时，主磁

53、极下气隙磁通密度的分布就取决于气气隙的大小和形状隙的大小和形状。1.4.1 1.4.1 空载时的主磁场空载时的主磁场 磁极中心及附近的磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密气隙小且均匀，磁通密度度B B较大且基本为常数，较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为线处，气隙磁通密度为零。零。几何中性线极靴极身（a）气隙形状xB（b）气隙磁密分布1.4.1 1.4.1 空载时的主磁场空载时的主磁场 直流

54、电机带上负载后，电枢绕组中直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流流过，它将产生一个电枢磁场。有电流流过，它将产生一个电枢磁场。电枢磁场的磁力线分布如右图。电枢电枢磁场的磁力线分布如右图。电枢电流产生的磁动势称为电流产生的磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。变化。 右图为一台电刷放在几何中性线的二右图为一台电刷放在几何中性线的二极直流电机的电枢磁场分布情况。极直流电机的电枢磁场分布情况。 假设励磁电流为零，只有电枢电流。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况。

55、在空间的分布情况。1.4.2 1.4.2 负载时的电枢磁场负载时的电枢磁场 图图1-21 1-21 电枢磁场电枢磁场 a) a) 将图将图1-21a1-21a展开为图展开为图1-21b1-21b。如果认为直流电机电枢上有无如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中呈三角波，如图中 F Fax ax 所示。所示。 由于主磁极下气隙长度基本不由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对

56、动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中称的马鞍型，如图中BaxBax所示。所示。注意：电枢磁动势注意：电枢磁动势F Faxax为三角波，为三角波， 电枢磁通密度电枢磁通密度BaxBax为马鞍型。为马鞍型。axBaxF b) b) 图图1-21 1-21 电枢磁动势和磁场的分布电枢磁动势和磁场的分布1.4.2 1.4.2 负载时的电枢磁场负载时的电枢磁场 当励磁绕组中有励磁电流，当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁动势对主磁极的影响称为对主磁极的影响称

57、为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。电枢反应与电刷的位置有关。当电刷在几何中性线上时，电当电刷在几何中性线上时，电枢磁场和主极磁场相互垂直，此枢磁场和主极磁场相互垂直，此时的电枢反应叫时的电枢反应叫交轴电枢反应交轴电枢反应。将主磁场分布和电枢磁场分布叠将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分加，可得到负载后电机的磁场分布情况。布情况。1.4.3 1.4.3 电枢反应电枢反应xB0 xBaxB主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密

58、度分布曲线通密度分布曲线1.4.3 1.4.3 电枢反应电枢反应 将空载时主极磁通密度与负载时电枢磁通密度逐点相加，将空载时主极磁通密度与负载时电枢磁通密度逐点相加，便得到负载时气隙中的磁场分布曲线。便得到负载时气隙中的磁场分布曲线。( (红线所示红线所示) )交轴电枢反应（电刷在几何中性线）的性质：交轴电枢反应（电刷在几何中性线）的性质：1.1.使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物

59、理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲线与空载削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。2.2.对主极磁场起去磁作用对主极磁场起去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量，因此负载时每极下的磁通量与空载时相同。电机正常运量，因此负载时每极下的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁饱和的影响，比行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁饱和的影响，比不饱和增加的磁通要少些，从而使合成磁通量比空载时略为不饱和增加的磁通要少些，从而使合成磁通量比空载时略为减小，起到了去磁作用。即电

60、刷在几何中性线时的电枢反应减小，起到了去磁作用。即电刷在几何中性线时的电枢反应为为交轴去磁性质交轴去磁性质。1.4.3 1.4.3 电枢反应电枢反应2 2、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时 电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所示。这时电枢磁动势可以分解为两个垂所示。这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势 。如图。如图(a)(b)(a)(b)所示。所示。adFaqF1.4.3 1.4.3 电枢反应电枢反应电刷