整套课件教程：电机应用技术任务驱动式教程

1、电机应用技术任务驱动式教程学习情境1 直流电机的运行与维护任务1直流电机的基本特性任务2 他励直流电动机的拖动及其实现任务3 并励直流电动机的拖动及其实现下一页返回学习情境2 变压器的运行与维护任务1 单相变压器的认识与分析任务2 三相变压器的分析及其应用上一页下一页返回学习情境3 三相异步电动机的拆装与运行维护任务1 三相异步电动机的拆装任务2 三相笼型异步电动机的工作特性任务3 三相绕线式异步电动机的拖动特性任务4 三相异步电动机的拖动及其实现任务5 单相电阻启动异步电动机上一页下一页返回学习情境4 控制电机的运行与维护任务1 交流测速发电机的基本特性与运行维护任务2 直流伺服电动机的基本

2、特性与运行维护任务3 交流伺服电动机的基本特性与运行维护任务4 步进电动机的基本特性与运行维护任务5 力矩式自整角机的基本特性与运行维护任务6 控制式自整角机的基本特性与运行维护上一页返回学习情境1 直流电机的运行与维护任务1直流电机的基本特性任务2 他励直流电动机的拖动及其实现任务3 并励直流电动机的拖动及其实现任务1 直流电机的基本特性1. 1 直流电机的工作原理及其结构1. 1. 1电机的基本知识及发展概况 1.电机的概念在现代，电能是一广泛应用的能源。电能与其他能源相比，有突出的优点。首先电能的生产与转换比较经济，目前我国的公共电网就是由众多的火力发电厂与水力发电站并网运行组成的;其次

3、电能传输与分配比较容易。尤为突出的是，它可以远距离输送，可把某地生产的电能输送到几千公里之外的地区去;再者电能的使用与控制比较方便，且易于实现自动化。因此，在现代社会中，电能的应用已遍及各行各业中。下一页返回任务1 直流电机的基本特性 在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，都必须通过能够进行能量(或信号)传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被称为电机。通常所说的电机，是指那些利用电磁感应原理设计制造而成的、用于实现能量(或信号)传递与变换的电磁机械的统称。按电机的功能来分类，电机可分为: (1)发电机把机械能转变成电能。 (2)电动机把电能转变成机械能。 (3)变压器、变频机

4、、变流机、移相器等，是分别用于改变电压、频率、电流及相位的，即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能。 (4)控制电机应用于各类自动控制系统中的控制元件。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 值得指出的是，从基本工作原理来看，发电机与电动机只是电机的两种不同的运行方式，从能量转换的观点来看，二者是可逆的。上述的各种电机中，有些是静止的，如变压器;有些是旋转的，如各种类型的发电机与电动机。按电流的类型及工作原理的某些差异，旋转电机又可分为直流电机、交流异步电机、交流同步电机及各种具有专门用途的控制电机等。下面把电机的主要类型归纳如下: (1)直流电机 直流发电机 直流电动机 (2)交流电机

5、 同步电动机 同步发电机 三相异步电动机上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 单相异步电动机(3)变压器 电力变压器 其他变压器(4)控制电机 直流、交流测速发电机 直流、交流伺服电动机 步进电动机 旋转变压器上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性2.电机以及电力施动的发展概况 始于19世纪60 70年代的第二次工业技术革命，是以电力的广泛应用为显著特点的。从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上，一系列电气发明相继出现。1866年，德国工程师西门子制成发电机;1870年比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始成为取代蒸汽来拖动机器的新能源。随后，各种用电设备

6、相继出现。1882年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第一个火力发电站，把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时，电机刚刚在工业上初步应用，各种电机初步定型，电机设计理论和电机设计计算初步建立。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 随着社会生产的发展和科技的进步，对电机一也提出了更高的要求，如:性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻、体积小等，而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电机的理论基础上，又派生出多种精度高、响应快的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。电机制造一也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向

7、高效节能方向发展。各种响应快速、启停快速的特种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控制论结合起来，发展成了一门新的学科。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 在我国，电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从1917年至今已有80多年的历史，经过改革开放20多年的发展，特别是近10年的发展，有了长足的进步，令世人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体系，电机产品的品种、规格、性能和产量满足了我国国民经济发展的需要。而且一些产品已经达到或接近世界先进水平。近年来世界上电机行业专家纷纷预测，中国将会成为世界电动机

8、的生产制造基地。 近年来我国已生产了不少大型直流电动机、异步电动机和同步电动机;在中小型电机和控制电机方面，亦自行设计和生产了不少新系列电机;对电机的新理论、新结构、新工艺、新材料、新运行方式和调试方法，进行了许多研究和试验工作，取得不少成果。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 3.电力施动系统与电机发展过程一样，电力拖动技术一也有个不断发展的过程。电动机拖动生产机械的运转称为电力拖动(或称为电气传动)。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成。它们之间的关系如图1.1.1所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 电力拖动代替蒸汽或水力拖动之初，电

9、力拖动的方式是成组拖动，就是由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到各个生产机械的能量传递以及各个生产机械之间的能量分配完全用机械的方法，靠“天轴”以及机械传动系统来实现，车间里有大量的“天轴”、长皮带和皮带轮等。这种传动方式效率低下，生产率低下，灰尘大，劳动条件和卫生条件差，且容易出事故。另外，电动机发生故障，则成组拖动的所有生产机械都将停车，生产将可能停滞。显然这是一种落后的电力拖动方式。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 20世纪20年代以来，生产机械上广泛采用一种“单电机拖动系统”，即一台生产机械用一台单独的电动机拖动。简化了机械结构，且易于实现生产设备运转的全部自动化。但是，

10、由于是一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械，需要负责能量传递的机械传动机构。所以，从20世纪30年代起，广泛采用了“多电动机拖动系统”，即每个工作机构由单独的电动机拖动，因而生产机械的机械结构可以大大简化，提高了机械机构的可靠性。随着生产的发展和科技水平的提高，对拖动系统提出了更高的要求，如:要求提高加工精度与工作速度，要求快速启动、制动及反转，实现在大范围内调速以及整个生产过程自动化等。这些，都必须要有自动控制设备，以组成自动化的电力拖动系统。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 最早的电力拖动控制系统是继电器一接触器自动控制系统，属于有触点断续控制系统。接着，出现了发电机一电动机

11、组，使得直流电动机得到了广泛的应用。并且在这个基础上，发展成为采用电力电子器件组成的自动化直流电力拖动系统，并且正向大容量方向发展;自动化元件已有成套标准控制单元，控制装置集成化、小型化、微型化，设备可靠性高，维护简便，许多设备都可做到自动运行，不需要监视和维护。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 但是，由于交流电动机较之直流电动机具有结构简单、价格便宜、维护方便、惯性小等一系列优点，而且单机容量可以做得很大，电压等级可以做得很高，可以实现高速拖动等，所以，人们一直在致力研究性能更高的交流调速系统。目前，随着电力电子器件的发展，交流调速系统已经得到广泛应用，性能指标进一步提高，容量进一

12、步增大，控制系统集成化程度进一步提高。交流电力拖动系统取代直流电力拖动系统已经是无可争议的事实了。 我国的电力拖动系统取得的发展是有日共睹的，但是，与国外比较，还是有很大差距。主要体现在技术水平相对较低、拖动运行效率不高、成套技术不成熟等。目前，正在奋起直追，狠抓基础，开展一些关键技术的研究，以期尽快缩短和国外的差距，力争达到拖动系统的综合技术经济指标最佳。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 4.电机及电力拖动系统的发展前景 电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。同时，随

13、着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，是我国电工电器行业(电机)发展的重点产品。稀土永磁电机，无轴承电机一也是电机技术发展的新动向。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性与此相适应，电机拖动一也有了新的发展，对拖动系统又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速启动、制动和逆转，实现很宽范围内的调速及整个生产过程的自动化等，这就需要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些高要求的拖动系统随着自动控制理论的不断发展，半导体器件和电力电子技术的采用，以及数控技术和计算机技术的发展与采用，正在不断地完善和提高。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 综

14、上所述，电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高;电动机的类型多，且具有各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求;整个系统各参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电气自动化的基础。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1 .1 .2 常用的电磁定律与公式 一、全电流定律凡是电流均会在其周围产生磁场，这就是电流的磁效应，即所谓“电生磁”。例如电流通过一根直的导体，在导体周围产生的磁场用磁力线描述时，磁力线是以导体为轴线的同心圆，磁力线的方向可根据电流的方向由右手螺旋定则确

15、定，如图1. 1. 2所示。如果是电流通过导体绕成的线圈，产生的磁场的磁力线方向仍可用右手螺旋定则确定，这时，使弯曲的四指方向与电流方向一致，则大拇指的方向即为线圈内磁力线的方向，如图1. 1. 2所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 1.磁感应强度B 磁场中任意一点的磁感应强度B的方向，即为过该点磁力线的切线方向，磁感应强度B的大小为通过该点与B垂直的单位面积上的磁力线的数目。磁感应强度B的单位为T，工程上常沿用Gso为单位，其换算关系为1T=104 Gso 2.磁通量少穿过某一截面S的磁感应强度B的通量，即穿过某截面S的磁力线的数目称为磁通量，简称磁通少，并有上一页下一页返回任

16、务1 直流电机的基本特性设磁场均匀，且磁场与截面垂直，上式可简化为磁通的单位为Wb，有时沿用Mx为单位，其换算关系为 由上式可知，磁场均匀，且磁场与截面垂直时，磁感应强度的大小可以用下式表示上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性因此，磁感应强度又称为磁通密度。其单位与磁通和面积的单位相对应，即 ， 3.磁场强度H 磁场强度H是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量，其方向与B相同，其大小与B之间相差一个导磁介质的磁导率拜，即上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 磁导率拜是反映导磁介质导磁性能的物理量，磁导率拜越大的介质，其导磁性能越好。磁导率的单位是H/m。真空中的磁

17、导率 ，其他导磁介质的磁导率通常用拜。的倍数来表示，即式中 - 导磁介质的相对磁导率。 铁磁性材料的相对磁导率 = 2 000一6 000，但不是常数，非铁磁性材料的相对磁导率 1，且为常数。磁场强度的单位A/ m，工程上常沿用A/cm为单位。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 4.全电流定律 磁场中沿任一闭合回路Z对磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和。其数学表达式为 这就是全电流定律，当导体电流的方向与积分路径的方向符合右手螺旋定则时为正，如图1. 1. 3中的 和 ;反之则为负，如图1. 1. 3中的 。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 二、磁路

18、的欧姆定律 磁力线流通的路径称为磁路。工程上将全电流定律用于磁路时，通常把磁力线分成若干段，使每一段的磁场强度H为常数，则线积分 可用 来代替，全电流定律可以表示为式中 :第k段的磁场强度; :第k段的磁路长度。 对图1. 1. 4所示的磁路， , ,N为线圈匝数，I为线圈中的电流，则有上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性将 和 代入上式即得式中 ， 分别为第1段、第2段磁路的磁阻;Rm1,Rm2 分别为第1段、第2段磁路的磁压降;上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 磁路的磁动势。一般情况下，磁路分为n段时，则有即称之为磁路的欧姆定律。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性根

19、据 可知，各段磁路的磁阻与磁路的长度成正比，与磁路的截面积成反比，并与磁路的磁介质成反比。由于铁磁材料的磁导率 比真空等非铁磁性材料大得多，因而Rm小得多。同时，由于铁磁性材料的磁导率不是常数，所以磁阻Rm ，也不是常数。分析磁路时，有时不用磁阻Rm，而是采用磁导m它们互为倒数关系，即上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性三、电磁感应定律磁场变化会在线圈中产生感应电动势，感应电动势的大小与线圈的匝数N和线圈所交链的磁通对时间的变化率 ，这是电磁通感应定律。当的、按惯例规定电动势的正方向与产生它的磁通的正方向之间符合右手螺旋定则时，感应电动势的公式为式中 线圈交链的总磁通。 按照楞次定律确定

20、的感应电动势的实际方向与按照惯例规定的感应电动势的正方向正好相反，所以感应电动势公式右边总加一负号。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 如果磁场恒定不变，导体或线圈与磁场的磁力线之间有相对切割运动时，在线圈中产生的电动势称为感应电动势，又称为速度电动势。若磁力线、导体与切割运动三者方向相互垂直，则由电磁感应定律可知:感应电动势的公式为式中B 磁场的磁感应强度; l 导体切割磁力线部分的有效长度; v 导体切割磁力线的线速度。 感应电动势的方向可用右手定则确定，即将右手掌摊平，四指并拢，大拇指与四指垂直，让磁力线指向手掌心，大拇指指向导体切割磁力线的运动方向，则4个手指的指向就是导体中感

21、应电动势的方向，如图1. 1. 5所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 四、电磁力定律 载流导体在磁场中会受到电磁力的作用。当磁场力和导体方向相互垂直时，载流导体所受的电磁力的公式为式中F载流导体所受的电磁力; B载流导体所在处的磁感应强度; 载流导体处在磁场中的有效长度; I载流导体中流过的电流。 电磁力的方向可以由左手定则判定。如图1. 1. 6所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 综上所述，电磁作用原理基本上包括以下3个方面。 (1)有电流必定产生磁场，即电生磁。方向由右手螺旋定则确定，大小关系符合全电流定律的公式 。 (2)磁场变化会在导体或线圈中产生感应电动势

22、，即“磁变生电”。变压器电动势的方向由楞次定律确定，大小关系符合电磁感应定律的基本公式 。切割电动势的方向用右手定则确定，计算其大小的公式为 。 (3)载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，即“电磁生力”，电磁力的方向由左手定则确定，计算其大小的公式为 。 以上3个方面可以简单地概括为“电生磁，磁变生电，电磁生力”，这11个字是分析各种电机工作原理的共同的理论基础。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1 .1 .3 直流电机的基本工作原理 直流电动机和直流发电机通称为直流电机，二者是可逆的，若把直流电能转换为机械能量称为电动机，反之称为发电机。直流电动机与交流异步电动机相比，具有较好的启动

23、性能、在较宽的范围内达到平滑无级地调速，同时又比较经济;所以广泛地应用于轧钢机、电力机车、大型机床拖动系统以及玩具行业中。直流发电机主要是采用交流电机拖动用做直流电源，但随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置将逐步取代用做直流电源的直流发电机。电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机能将直流电能转换为机械能，或将机械能换转为直流电能。将直流电能转换成机械能的装置称为直流电动机，将机械能转换为直流电能的装置称为直流发电机。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性直流电机的结构复杂、使用有色金属多、生产工艺复杂、价格昂贵、运行可靠性差等缺点，限制了直流电机的广泛应用。随着近年电力电

24、子学和微电子学的迅速发展，在很多领域内，直流电动机将逐步为交流调速电动机所取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。 但是直流电机的主要优点良好的启动性能和调速性能、较大的过载能力等，使得直流电机在许多场合仍继续发挥重要作用。如直流电动机常应用于那些对启动和调速性能要求较高的生产机械，如大型机床、电力机车、轧钢机、矿井卷扬机、船舶机械、造纸机和纺织机等。直流发电机作为直流电源，供给需要直流电能的场合，如化工中的电解、电镀等。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 图1. 1. 7是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以

25、转动的铁质圆柱体，称为电枢铁芯。铁芯表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abed，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abed通过换向器和电刷接通外电路。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 一、直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abed中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由0指向d。导体ab和cd分别处于N, S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，

26、这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图1.1.7 (a)所示。当电枢旋转 ，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图1. 1. 7 (b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向0，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。实际的直流电动机

27、，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应的换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速一也就比较均匀。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 二、直流发电机工作原理 直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机(如汽轮机等)拖动电枢朝某一方向(例如逆时针方向)旋转，如图1.1.8 (a)所示。这时导体ab和cd分别切割N极和5极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向用右乎定则确定。可知导体ab中电动势的方向由b指向a，导体cd中电动势的方向由d指向c，在一个串联回路中相互叠加的，形成电刷A为电源正极，电刷B为电源负极。电枢转过后，导体cd与

28、导体ab交换位置，但电刷的正负极性不变，如图1.1.8 (b)所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性可见，同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向一也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷A, B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A, B之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。从以上分析可以看出:一台直流电机原则上可以作为电动机运行，一也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行;如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机

29、能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1 .1 .4 直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图1. 1

30、. 9所示。直流电机的纵向剖视图如图1. 1. 10所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 1.定子 1)主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成。铁芯一般用O.S一1. S tlltll厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁芯上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图1. 1. 11所示。 上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性2)换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与

31、换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁芯和换向极绕组组成，如1. 1. 12所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁芯上，换向极的数目与主磁极相等。 3)机座 电机定子的外壳称为机座，见图1. 1. 10中的3。机座的作用有两个:一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用;二是机座本身一也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁扼为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 4)电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1.

32、 1. 13所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性2.转子(电枢) 1)电枢铁芯 电枢铁芯是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁芯采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图1. 1. 14 ( a)所示，以降低电机运行时电枢铁芯中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁芯固定在转轴或转子支架上。铁芯的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电

33、枢绕组。 转子的结构如图1. 1. 14 (b)所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性2)电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁芯之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽u用槽楔固定，如图1. 1. 15所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 3)换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加

34、直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变;在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固通常如图1. 1. 16所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用螺母锁紧。4)转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加下而成。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1. 1. 5 直流电机的铭牌数据及主要系列 1.铭牌数据及主要系列 铭牌钉在电机机座的外表面上，上面标明电机主要额定数据及电机产品数据，供

35、使用者使用时参考。铭牌数据主要包括:电机型号、电机额定功率、额定电压、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。 电机的产品型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为:第一部分字符用大写的汉语拼音表示产品代号，第二个字符用阿拉伯数字表示设计序号，第三个字符是机座代号，用阿拉伯数字表示，第四个字符表示电枢铁芯长度代号，用阿拉伯数字表示。以Z3一95为例说明如下:上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性z直流;3第三次改型设计;9机座号;5铁芯长度。第一部分字符的含义如下:Z系列:一般用途直流电动机;zJ

36、系列:精密机床用直流电动机;zT系列:广调速直流电动机;ZQ系列:直流牵引电动机;ZH系列:船用直流电动机;ZA系列:防爆安全型直流电动机;zKJ系列:挖掘机用直流电动机;zzJ系列:冶金起重直流电动机)上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 2.额定值 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要性能指标称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明书上。直流电机的额定值主要有下列几项。 1)额定功率PN 额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率;对发电机来说，额定功率是指电枢输出的电功率

37、。单位 kW(千瓦)。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性2)额定电压UN 额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V(伏)。3)额定电流 IN 额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安培)。 4)额定转速 额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为r/min(转/分)。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩TN,额定效率nN等，不一定标在铭牌上，可查产品说明书或由铭牌上的数据计算得到。额定功率与额定

38、电压和额定电流之间有如下关系: 直流电动机 直流发电机 上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行;电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低;过载运行，易引起电机过热损坏。上一页返回下一页任务1 直流电机的基本特性1. 2 直流电机的电枢绕组简介 电枢绕组是直流电机的核心部分。电枢绕组放置在电机的转子上，当转子在电机磁场中转动时，不论是电动机还是发电机，绕组均产生感应电动势

39、。当转子中有电流时将产生电枢磁通势，该磁通势与电机气隙磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量的相互转换。按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛀绕组等多种类型。本节先介绍元件的基本特点，再以单叠绕组和单波绕组为例阐述电枢绕组的构成原理和连接规律。下一页返回上一页任务1 直流电机的基本特性1. 2. 1直流电枢绕组基本知识一、电枢绕组元件元件:构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件边:电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽内、能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。端接部分:元件的槽外部分亦即元件边以外的部分称为

40、端接部分。为便于嵌线，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层，称为上层边，画图时以实线表示;另一个元件边则嵌放在另一槽的下层，称为下层边，画图时以虚线表示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 元件的首末端: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。每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S总等于换向片数K,即S=K;而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数S又等于槽数Z,即S=K=Z上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用:表示。 式中D 电枢铁芯外

41、直径; 直流电机磁极对数。叠绕组: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。波绕组:指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪式地前进。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 二、电枢绕组节距 节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电机电枢绕组的节距有第一节距1、第二节距2 、合成节距和换向器节距k 四种，如图1. 2. 1所示。1.第一节距为1同一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数来表示。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距，用槽数表示时，极距的表达式为上一页下一页返回任务1 直流电机的基

42、本特性为使每个元件的感应电动势最大，第一节距1 应等于一个极距，但往往不一定是整数，而1只能是整数，因此，一般取第一节距式中小于1的分数。1 = 的元件称为整距元件，由整距元件构成的绕组就称为整距绕组； 1 的元件，称为长距元件，相对应的绕组称为长距绕组。由于长距绕组的电磁效果与短距绕组相似，但端接部分较长，耗铜较多，因此一般不采用。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 2.第二节距2 连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。 3.合成节距 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 单叠绕组: = 1- 2 单波绕组: = 1+ 2 4.换向节距k

43、 同一元件首末端连接的换向片之间的距离。由图1. 2. 1可见，换向节距k 与合成节距 总是相等的，即k= 。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1.2.2 单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压，合成节距与换向节距均为1，即： = k=1电机的绕组展开图是把放在铁芯槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，其作用是展示元件相互间的电气连接关系。除元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷间的相对位置关系。在画展开图前应根据所给定的电机极对数D，槽数Z、元件数S和换向片数K，计算出各节距值，然后根据计算值画出单叠绕组的展开图。下面通过一个具体的例子说明绕组展开图的画法。上一

44、页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 【例1J已知某直流电机的极对数p =2,槽数Z，元件数S及换向片数K为Z=S=K=16，试画出其右行单叠绕组展开图。 【解】 第一步:计算绕组各节距第二步:元件连接顺序表上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性第三步:绕组展开图 绘制直流电机单叠绕组展开图的步骤如下。 (1)画16根等长等距的平行实线代表16个槽的上层，在实线旁画16根平行虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线合起来代表一个槽，按顺序编上槽号，如图1.2.2所示。 (2)按节距 连接一个元件。例如将1号元件的上层边放在1号槽的上层，其下层边应放在1 + 1 -1 +4 =5号槽的下

45、层。由于一般情况下，元件是左右对称的，因此可把1号槽的上层(实线)和5号槽的下层(虚线)用左右对称的端接部分连成1号元件。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性注意首端和末端之间相隔一片换向片宽度(k =1)。为使图形规整起见，取换向片宽度等于一个槽距，从而画出与1号元件首端相连的1号换向片和与末端相连的2号换向片，并依次画出3至16号换向片。显然，元件号、上层边所在槽号和该元件首端所连换向片的编号相同。 (3)画1号元件的平行线，可以依次画出2至16号元件，从而将16个元件通过16片换向片连成一个闭合的回路。 (4)画磁极。该电机有4个主磁极，在绕组展开图圆周上应该均匀分布，即相邻磁极中

46、心线之间相隔4个槽。设某一瞬间，4个磁极中心分别对准3, 7,11 , 15槽，并让磁极宽度约为极距的0.6 0.7，画出4个磁极，如图1.2.2所示。依次标上极性N1、S1 、N2 、 S2，一般假设磁极在电枢绕组上面。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 (5)画电刷。电刷组数一也就是刷杆数目等于极数。本电机中2D 为4，必须均匀分布在换向器表面圆周上，相互间隔16/4 =4片换向片。为使被电刷短路的元件中感应电动势最小、正负电刷之间引出的电动势最大，由图分析可以看出:当元件左右对称时，电刷中心线应对准磁极中心线。图中设电刷宽度等于一片换向片的宽度。设此电机工作在电动机状态，并欲使电

47、枢绕组向左移动，根据左手定则可知电枢绕组各元件中电流的方向应如图1.2.2所示，为此应将电刷A1 、A2 :并联起来作为电枢绕组的“+”端，接电源正极，将电刷B1、B2并联起来作为“一”端，接电源负极。如果工作在发电机状态，设电枢绕组的转向不变，则电枢绕组各元件中感应电动势的方向用右手定则确定可知，与电动机状态时电流方向相反，电刷的正负极性不变。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 保持图1.2.2中各元件的连接顺序不变，将此瞬间不与电刷接触的换向片省去不画，可以得到图1.2.3所示的并联支路图。对照图1.2.3和图1.2.2，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

48、成一条支路。所以，单叠绕组的并联支路对数总等于极对数D ,即=D 。单叠绕组的特点:(1)同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。(2)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。(3)电枢电流等于各支路电流之和。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1.2.3 单波绕组 第一节距)!的确定原则与单叠绕组相同。 合成节距)和换向节距k :D个元件串联后，其末尾应该落在起始换向片1前一片的位置，才能继续串联其余元件，为此，换向器节距应满足以下关系:换向器节距合成节距上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 下面通过一个具体的例子说明绕组展

49、开图的画法。 【例2 】已知一台直流电机，Z=S=K=15, 2D =4，试画出单波绕组左行展开图。 【解】 第一步:计算绕组各节距第二步:元件连接顺序表上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 第三步:绕组展开图按图1.2.4中各元件的连接顺序，将此刻不与电刷接触的换向片省去不画，可以得此单波绕组的并联支路图，如图1.2.5所示。将并联支路图与展开图对照分析可知，单波绕组是将同一极性磁极下所有元件串联起来组成一条支路，由于磁极极性只有N和S两种，所以单波绕组的并联支路数总是2，并联支路对数恒等于1,即=1 。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 单波绕组的特点: (1)同极下各元件串

50、联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关。 (2)当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。 (3)电刷数等于磁极数。 (4)电枢电动势等于支路感应电动势。 (5)电枢电流等于两条支路电流之和。上一页返回下一页任务1 直流电机的基本特性 1. 3 直流电机的电枢反应直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主磁极磁动势的影响称为电枢反应。为研究电枢反应对直流电机特性的影响，首先要研究直流电机的空载磁场。1. 3. 1 直流电机的空载磁场 直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流

51、为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁势单独产生的励磁磁场，亦称主磁。一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图1.3.1所示，为方便起见，只画一半。当励磁绕组的串联匝数为Nf 时，流过电流If ，每极的励磁磁动势为:下一页返回上一页任务1 直流电机的基本特性 一、主磁通和漏磁通 图1. 3. 1表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁芯的磁扼(电枢磁扼)，到S极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的S极，再经机座(定子磁扼)形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁

52、极、气隙、电枢齿、电枢磁扼和定子磁扼五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁扼形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以0 表示。漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。如图1.3.2 (c)所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 二、空载磁场气隙磁密分布曲线 主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙8大小分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距:的75%左右，如图1.3.2 (a)所示。磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常

53、数，靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小，超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零，因此，空载气隙磁通密度分布为一个平顶波，如图1.3.2 (b)所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 三、直流电机的空载磁化特性 直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通 ，当励磁绕组的匝数Nf一定时，每极磁通少的大小主要决定于励磁电流If 。空载时每极磁通与空载励磁电流If (或空载励磁磁势 的关系 或 称为电机的空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的B一H曲线有饱和现象，磁阻是非

54、线性的，所以空载磁化特性在 较大时也出现饱和，如图1.3.3所示。为充分利用铁磁材料，又不至于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分(图中A点附近)。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性1.3.2 直流电机的电枢反应及负载磁场 一、直流电机的电枢反应 直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，如图1.3.2(b)所示，负载时，电枢绕组流过电枢电流Ia ，产生电枢磁势Fa，与励磁磁势Ff 共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中

55、产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气隙磁场结合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 二、直流电机的电枢磁场 图1.3.4表示一台两极直流电机电枢磁势单独作用产生的电枢磁场分布情况，圈中没有画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路，电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为分界。图中设上部元件边中电流为出来，下部元件边中电流是进去，由右手螺旋定则可知，电枢磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电刷轴线相重合，在

56、几何中性线上，亦即与磁极轴线相垂直。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 下面进一步分析电枢磁通势和电枢磁场气隙磁密的分布情况。如果假设图1.3.4所示电机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁极轴线相垂直，如图1.3.5所示。该元件有Nc 匝。元件中电流为ia，每个元件的磁通势为ia Nc 匝，由该元件建立的磁场的磁力线分布如图1.3.4所示，如果假想将此电机从几何中性线处(如图1.3.4电刷在几何中性线)展平，如图1.3.5所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁通势等于它所包围的全电流ia Nc ，当忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙均匀时，则

57、每个气隙所消耗的磁通势为1/2 ia Nc ，一般取磁力线自电枢出，进定子时的磁通势为正，反之为负，这样可得一个整距绕组元件产生的磁通势的分布情况如图1.3.6所示。可以看出一个整距元件所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以两个极距2为周期、幅值为1 /2 ia Nc 的矩形波。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的磁通势仍是幅值为1/2 ia Nc 的矩形波，把这许多个矩形波磁通势叠加起来，可得电枢磁通势在空间的分布为一个以两个极距2 为周期的多级阶梯形波，为分析简便起见或者元件数目足够多时，可近似地认为电枢磁势空间分布为一

58、个三角形波，三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图1.3.6所示。 上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性如果忽略铁芯中的磁阻，认为电枢磁通势全都消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁通密度的表达式为式中 Fax 气隙中X处的磁势; Bax 气隙中X处的磁密。 由上式可知，在磁极极靴下，气隙较小且变化不大，所以气隙磁密氏、与电枢磁势Fax 成正比，而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax 增加的程度，使 Bax 反而减小，所以，电枢磁场磁密分布波形为马靴形，如图1.3.6中曲线3所示。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 三、负载时的气隙合

59、成磁场 负载时的气隙合成磁场，如图1.3.7所示。 如果磁路不饱和或者不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载磁场的气隙磁密分布曲线1和电枢磁场的气隙磁密分布曲线3相加，即得负载时气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图1.3.6中的曲线4所示。对照曲线1和4可见:电枢反应的影响使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，另半个极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁通少维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等于零的物理中性线偏离了几何中性线，如图1. 3. 6所示。利用图1.3.6可以分析得知，对发电机，物理中性线顺着旋转方向(np的方向)偏离几何中性线;而

60、对电动机，则是逆着旋转方向( nD 的方向)偏离几何中性线。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 考虑磁路饱和影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，气隙磁密的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值;另半个极下磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，实际的气隙合成磁场磁密分布曲线如图1.3.6中的曲线5所示。由于铁磁性材料的非线性，曲线5与曲线4相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个极下减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。上一页下一页返回任务1 直流电机的基本特性 由以上分析可以得知电刷放在几何中性线上时电枢反