电机与拖动基础2

1、电机与拖动基础直流电机直流电机直流电机的原理直流电机的基本工作原理直流电机的分析 直流电机的磁路和电枢绕组 电枢电动势与电磁转矩3. 直流电动机的运行特性 直流电机：电能机械能的设备直流电机的基本运行原理结构电磁关系数学模型（即基本方程式和等效电路）运行特性的分析与计算 直流电机的特点直流电动机的调速性能很好，特别是起动转矩大，机械特性平稳、线性性能好。直流电机既可以作为电动机使用，也可以作为发电机使用直流电机的制造工艺复杂，比交流异步电机生产成本高，使用维护较为困难，可靠性较差。 直流电机的工作原理根据电机结构，定子部分有固定磁场，用一对或多对N，S磁极表示。磁场可以在线圈绕组通过直流电流产

2、生，也可以通过永久磁铁产生。如果有一个导体在这个磁场中，且流过电流，则这个带电导体会受到力的作用，产生运动运动方向由左手定则确定 直流电机的工作原理要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体中电流方向总是流出结构上必须有电刷A,B和换向器1,2 由外电源从电刷A、B引入直流电流。使电流从正电刷A流入，而由负电刷B流出。此时，由于电流总是经过N极下的导体流进去，而经过S极下的导体流出来，所以上、下两根导体分别受到的电磁力的方向是始终不变的，它们产生的力矩方向永远是反时针方向，因此这台电机可以带动别的机械旋转，把电能转换为机械能，成为一台直流电动机。 如果电刷上不加

3、直流电压，外力使导体逆时针转动，则会在线圈上感应电动势。具体在A,B上有电压差 直流电机的工作原理 直流电机的工作原理从上面的基本电磁关系可知，直流电机可以作为电动机，也可以作为直流发电机 直流电机的工作原理结论： （1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流； （2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器； （3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。 直流电机的主要组成直流电机有静止和转动部分1，静止部分为定子，主要作用是产生磁场2

4、，转子部分为转子（通常称为电枢），主要作用是产生电磁转矩和感应电动势3，电刷和换向器4，静止部分和转动部分之间有移动的间隙（气隙）主要结构基本结构：直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。 定子的作用是用来产生磁场和作电机的机械支撑。转子用来产生电磁力矩或产生感应电势而实现能量转换。 直流电机的图片直流电机的图片 直流电机的结构1. 主磁极是一种电磁铁。有铁心（铁磁材料）和绕制好的励磁线圈绕在铁心外边直流电机的静止部分（定子）有主磁极，换向极，极座，电刷装置 直流电机的结构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通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装

5、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。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。 直流电机的结构2. 换向极装在二个主磁极之间，作用是为了改善换向。也是由铁心和线圈组成换向极绕组通常与电枢绕组串联 直流电机的结构3. 电刷装置电刷装置是将直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷装置由电刷。刷柄、刷柄杆

6、座和铜丝辫组成 直流电机的结构直流电机的转动部分（电枢）有电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇1. 电枢铁心作用：嵌放电枢线圈和形成主磁路转子：电枢铁心，槽内嵌入线圈 线圈的首末端分别连接到两片相邻且相互绝缘的圆弧形铜片，即换向片上。与一个线圈的末端相联的换向片同时与下一个线圈的首端连接，于是，各线圈通过换向片连接起来构成电枢绕组。各换向片固定于转轴上且与转轴绝缘。这种由换向片构成的整体称为换向器。 直流电机的转子 直流电机的结构电枢绕组电枢绕组由按一定规律联接的线圈组成，是直流电机的主要电路部分，是通过电流和产生感应电动势，实现机电能量转换的关键部件。绕组用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌

7、放在电枢槽内 直流电机的结构换向器换向器在直流电机中也是非常重要的。主要作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流电机作为发电机使用时，将绕组内的交变电动势转换为电刷上的直流电动势直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据主要有额定功率 PN：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 “W” 为量纲单位。额定电压 UN：指额定状态下电枢出线端的电压，以 V 为量纲单位。 额定电流 IN：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 A 为量纲单位。 额定转速 nN：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。 额定励磁电流 If：指电机在额定状态时的励磁电流值。对于

8、直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即 PNUNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在,即 PNUNINN 直流电机的绕组原理可知，直流电机必须有可以在磁场中转动的线圈电动机中，线圈中通过电流，产生电磁转矩，使线圈在磁场中转动。在磁场中转动的线圈，同时感应产生电动势，吸收电功率，实现电能机械能的转换发电机中，线圈在磁场中转动，线圈中感应产生感应电动势。通过换向器和电刷，输出到电机外发电机接入负载，产生电流。这个电流流过线圈，产生电磁转矩，吸收机械功率，转换成为电磁功率 直流电机的绕组可以在磁场中转动的线圈是实现机电能量转换的枢纽，

9、故称为电枢。电枢表面有许多均匀分布的槽，槽内嵌放许多线圈，这些线圈按一定规律联接，形成电枢绕组。电枢绕组在直流电机中起着非常重要的作用。需要重点讨论对电枢绕组的要求1，电枢绕组通直流电时产生最大的力矩2，正、负电刷之间所感应的电势应尽可能大3，节省材料、结构简单直流电机的绕组 直流电机的绕组一、简单的绕组电枢中有不止一个线圈，而是多个线圈，而且必须合理的联接起来 直流电机的绕组多个线圈的联接关系对电机的运行起到极为重要的作用。应重点研究相邻线圈的首端和末端联接到一个换向片上，所有线圈通过换向片，连接成一个整体，构成闭合的电枢绕组 直流电机的绕组电枢旋转时，线圈中感应的电动势将随电枢位置稍有不同

10、，旋转90度，180度时没有变化。45度位置时，有些线圈自身短路，没有充分利用。但没有改变直流电机电枢绕组通过换向片成为一个闭合绕组的特性 直流电机的绕组 直流电机的绕组二、绕组的基本形式有关技术名词元件电枢的基本单元（单个绕组）。绕组中每个线圈的二个端子各接到一个换向片上。一个元件有二个出线端（首，尾）极轴线每个磁极的中心线几何中心线二个相邻磁极之间的几何中心线极距二个相邻轴间的距离 线圈的节距: 同一线圈的两个元件边之间的间距, 直流电机的绕组绕组技术术语：1，元件电枢的基本单元(单个绕组)。空间特点：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈2，槽数电枢铁磁材料圆周开槽数量，Q表示3，元件

11、数电枢绕组总的元件数量，S表示4，换向片数电枢绕组连接的换向器数量，K表示。5，极距相邻二个不同磁极间(主极)的距离，表示。常用槽数表示 直流电机的绕组绕组技术术语：6, 极对数直流电机定子固定磁场的磁极对数，q 表示7，节距一个元件的二个边距离，y表示。常用槽数表示第一节距：每一元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用槽数来表示。例上元件边在1槽，下元件边在5槽，则y1=5-1=4 。为了使绕组感应电动势最大，应使y1接近于极距。(极距即相邻两主极间的距离，用槽数表示。)换向节距：yc，同一元件的两端所接的两换向片之间的距离。以换向片数表示 直流电机的绕组为使元件二个边感应电势基本相等，那么

12、元件的跨距应等于或接近于一个极距直流电机电枢绕组有二种基本形式：单叠绕组和单波绕组直流电机的线圈在槽中，元件边分成上下二层叠放 直流电机的绕组 直流电机的绕组（一）单叠绕组单叠绕组特点元件二个端子连接于相邻二个换向片上yc=+1，（右行绕组）yc=-1，（左行绕组）绕组的所有相邻元件依次串联，接到一个换向片上。最后一个元件的末端与第一个元件的首端( 通过端子）连在一起，形成一个闭合回路 直流电机的绕组具体电机绕组分析。1、电机电枢绕组参数：极对数q=2，槽数Q=16，元件数S16，换向片数K=16。2、讨论问题计算绕组参数，列出绕组联接顺序表3、画出绕组展开图，绕组电路图4、元件跨距y1=Q/

13、2p=16/4=45、右行绕组方式，换向节距yc=1直流电机绕组 直流电机的绕组连接顺序表绕组电路图电枢绕组的电路图直流电机的绕组单叠绕组的特点单叠绕组的支路对数a，等于电机的极对数p，有a=p电机电刷数目必须等于支路数，也就必须等于主磁极数。电刷数主磁极数支路的电动势也就是电枢电动势。支路电动势电枢电动势电枢总的电流 Ia=2a ia （ia元件支路电流）使用场合绕组电流大，电压较低，在大中型直流电机中采用 直流电机的绕组（二）单波绕组单波绕组特点元件不是依次串联，而是将相隔大约二个极距（磁场中位置相对应）的元件连接元件二出线端所连接的换向片相隔较远，相串联的二元件也相隔较远顺着串联元件绕电

14、枢一周，元件的末端不能与起始元件所连的换向片相连，而必须与相邻的换向片相连 直流电机的绕组单波绕组绕电枢一周，经过p对磁极，有p个元件串联，每个元件在换向器上跨过yc个换向片，总的所跨过换向片数为pyc 个。绕组绕电枢一周后，须连接到起始换向片的后一个（或前一个）换向片。总的换向片数为K，则依顺序计数，这个换向片正是第K-1（或K+1）个公式可表示为： 直流电机的绕组具体情况分析单波绕组的绕法电机电枢绕组极对数p=2，槽数Q=15，元件数S15，换向片数K=15。元件跨距y1=3，换向节距yc=(k-1)/p=(15-1)/2=7 直流电机的绕组连接顺序表绕组电路图单波绕组的支路对数a，与极对

15、数p无关，总是1，a=1电机电刷数目一般情况下还是等于极对数直流电机的绕组绕组的差别并联支路数目一般支路数多，则组成支路的串联元件就少，低电压就可以产生大电流。故单叠绕组用于制作大电流的的电机。大功率电机采用叠绕组电压高，而电流小的电机（中小功率电机）可以采用单波绕组。（支路数a=1，组成支路上的元件数多。 直流电机的励磁方式及磁场前面主要讨论了电枢，都是在已有一个磁场情况下讨论的。下面讨论，这个磁场如何获得？有什么特性？二个问题讨论1，磁场的空间布局；2，如何由电生磁；一、直流电机的励磁方式在直流电机中，由磁极的励磁磁动势建立的磁场是电机的主磁场励磁磁场。励磁方式指对励磁绕组的供电方式实质上

16、就是励磁绕组和电枢绕组如何联接 按励磁方式的不同，直流电机有多种励磁方式 直流电机的励磁方式及磁场他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组供电独立进行并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联，供电电压相同串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联，供电电流相同 直流电机的励磁方式及磁场复励直流电机主磁极有二个绕组，一个与电枢并联后，再与另一个与励磁绕组串联。先串联再并联也可以直流电机的励磁方式及磁场二、直流电机的空载磁场空载磁场电枢电流很小或为零，电机无负载空载磁场由励磁磁动势单独建立的磁场直流电机的励磁方式及磁场直流电机的磁通路径磁路从主磁极1出发气隙1电枢齿1电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭-主磁极1。 直流

17、电机的励磁方式及磁场磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处磁密为0。空载时气隙磁密波形空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数B0（x）表示；分析可知它是平顶波。直流电机的励磁方式及磁场电机运行时，每个主磁极下要有一定量的主磁通0，必须有一定的励磁磁动势。Ff0=NfIf。必须有一定的励磁电流If0，讨论主磁通与励磁磁动势Ff0或励磁电流If0。即0f(Ff0)电机磁路的B-H曲线电机的磁化曲线电机的磁化曲线是非线性的其解析式可表示为直流电机的励磁方式及磁场三、直流电机负载时的磁场及电枢反应直流电机负载后，电枢绕组有电流通过, 并产生电枢磁场。 负

18、载时气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同作用 在直流电机中，从空载到负载，气隙磁场是变化的电枢磁场会对主磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应。 电枢反应会使每极磁通发生变化，也会使气隙磁场发生畸变，从而影响电机的性能。对电动机，将影响电机的转速对发电机，将直接影响导电机的端电压电枢磁动势的影响，与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩。对直流电机的换向也是不利的直流电机的励磁方式及磁场电枢磁场如何影响电机中的气隙磁场？主磁场的磁密分布。直流电机的励磁方式及磁场电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。 电枢电流的方向由电刷来界定的。图中电刷以上电流为流入纸里，电刷以下为流出纸面。 这样的电流分布所产生的磁力线

19、如图所示可见，电枢磁动势的轴线总是与和电刷轴线重合。此时的电枢磁场图示为直流电机的励磁方式及磁场了解电枢磁场的分布，可确定电枢磁动势和电枢磁密沿电枢表面的分布电枢槽内有一个元件的情形元件的轴线与磁极轴心垂直，元件在磁极轴线上。元件有Ny匝，每个元件边有Ny导线元件中的电流为ia，磁动势为iaNy直流电机的励磁方式及磁场将电枢从几何中线分开，展开图示分析可得到，一个元件消耗于气隙的磁动势在空间分布关系为磁动势空间分布一个宽度为一个极距的元件产生的电枢磁动势在空间的分布为一个以二个极距2 为周期、幅值为iaNy/2安培的矩形波直流电机的励磁方式及磁场每极下一般有多个元件，每个元件的磁动势空间分布都

20、是一个高为iaNy/2、宽度为的矩形波。各矩形波之间的间距为一个槽距。多个矩形波叠加的结果，可得一个高度为iaNy，阶梯数为2的阶梯波形总的电枢磁动势波形接近三角波直流电机的励磁方式及磁场如果电枢绕组的总导线数为Z，元件数S，极对数p，极距，电枢直径Da，则阶梯级数阶梯形波的幅值电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的曲线直流电机的励磁方式及磁场因为极靴下气隙变化不大，极间气隙较大，所以极间电枢磁场大为消弱，曲线有一个马鞍形状直流电机的励磁方式及磁场电枢反应将励磁产生的主磁场和电枢磁场合成，形成合成磁场将合成磁场与主磁场比较，可以看出电枢的作用图示主磁极磁场分布曲线Box=f(x)图示电枢磁场分布曲线B

21、ax=f(x)图示Box+Bax负载时气隙合成磁场分布曲线Bx=f(x)直流电机的励磁方式及磁场主磁场为平顶波，电枢磁场为马鞍形波。 在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内磁密减弱。 如果电机的磁场不饱和，则半个极距内增加的磁通量与另半个极距内减少的磁通量相等。即每极总磁通与空载时一样。 实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。 由图可知，原来的磁场发生了畸变，0点发生了位移。 直流电机的励磁方式及磁场比较各曲线，可得负载时气隙磁场发生了畸变表现为电机中物理中性线和几何中心线已不再重合有去磁作用磁路不饱和时，主磁场消弱的量与加强的量相等负载时，实际合成曲线在主磁极二边磁场变化

22、情况不同。一边增磁，另一边减磁感应电动势和电磁转矩计算研究电机的外部特性一、感应电动势的计算当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。 由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之和。 感应电动势和电磁转矩计算当元件轴线从一个主极轴线转到相邻主极轴线时，电枢转过电角度为，与元件交链的磁通从变到电枢角速度为，过程时间为 一个匝数为Ny的元件中感应电动势的平均值为绕组的全部有效导体数是Z=2SNy，有感应电动势和电磁转矩计算磁通与励磁电流If的关系为感应电动势的计算公式表示为感应电动势的大小与每极磁通和电枢转速的乘积

23、成正比与励磁电流和电枢机械角速度的乘积成正比正负电刷之间感应电势的计算每极下气隙磁场的分布和相应的导体电势情况根据图，每根导体的瞬时电势为：导体沿圆周的线速度为：每根导体的平均电势为：每条支路即正、负电刷之间的感应电势为：式中， 为电势常数， 为每极下的磁通。结论： 直流电机正、负电刷之间的感应电势与转子转速以及每极的磁通成正比。感应电动势和电磁转矩计算二、电磁转矩的计算在直流电机中，当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩T。 在电动机中，电磁转矩属于拖动转矩；而在发电机中则为阻力转矩 感应电动势和电磁转矩计算设气隙某处的径向磁密为Bx，元件匝数Ny，元件边有效长度 ，元件中的电流

24、 。元件所受切线方向的电磁力为电枢直径为Da，则电磁转矩为元件数为S，电枢表面dx段共有元件边数dx段电流产生的电磁转矩为感应电动势和电磁转矩计算绕组全部导体数Z=2SNy；电枢总电流 ，则dx段电流的电磁转矩为一个极距内导体电流产生的电磁转矩为直流电机电磁转矩的计算公式为分析有关系式：直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式电机在进行能量转换时，有其运动方程式运动方程式包含电气系统的电动势平衡方程式、机械系统的转矩平衡方程式能量平衡关系的功率方程式（一）电动势平衡方程式注意点电枢磁动势和励磁磁动势方向始终相互垂直。电枢回路与励磁回路之间不存在互感作用转动的电枢回路切割气隙磁场，存在由机械运

25、动而感应产生的电动势不计电机磁路的饱和效应，二个电路的参数为常数直流电机的运行原理列出直流电机电枢回路和励磁回路的电动势平衡方程直流电机的运行原理（二）转矩平衡方程根据牛顿定律，有转矩平衡方程式电动机发电机直流电机的运行原理（三）功率平衡方程并励电机情况电动机输出的电磁功率和机械功率对于发电机直流电机运行原理直流电机运行原理二、直流电动机的工作特性工作特性是运行特性之一，选用电机的一个重要依据直流电动机工作特性包括：额定条件下，电机转速n，电磁转矩Tem，效率与输出功率P2的关系n、Tem、=f(P2)工作特性的表示式 n、Tem、=f(Ia)直流电机工作特性随励磁方式变化很大有关计算式列写如

26、下直流电机运行原理1.并励直流电动机的工作特性（1）转速特性 n=f(Ia)转速表达式直流电机运行原理（2）转矩特性转矩公式（3）效率特性效率公式直流电机运行原理2. 串励电动机的工作特性转速特性直流电机运行原理转矩特性转矩公式效率特性：与并励电动机相似直流电机运行原理例题直流电机运行原理直流电机运行原理直流电机运行原理三、直流发电机的特性直流发电机作为电源使用，（已较少在使用）作为发电机，关心的主要是输出端电压直流电机运行原理（一）空载运行空载特性（他励电机）定义：当n =常数，Ia=0时, 改变励磁电流，电枢端电压U0 随励磁电流If0变化的关系。 U0=E0-IaRa-2UsE0=Cen

27、N0， If=Ff / N 结论：经过一定比例转换后，开路特性U0=f(If0)曲线与电机的磁化曲线=f(Ff0)形状完全相同。 直流电机运行原理2. 空载特性（并励电机）自励：励磁绕阻并接于电枢绕组两端，由发电机本身的端电压提供励磁，而发电机的端电压又必须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的U=0到正常运行时U为一定值，有一个自己建立电压的过程(自励过程).电机的主磁极通常总有剩磁存在。 原动机拖动转子旋转，电枢绕组切割剩磁场，产生一个不大的剩磁感应电势。 这一电势加到励磁绕组将产生一个不大的励磁电流。 该励磁电流产生的磁势如果与剩磁同方向，将相互加强，会建立起稳定电压。 该励磁电流产生的磁势如果和剩磁反方向，将相互减弱，将无法建立稳定电压。 可见励磁绕组的接线对建立电压很重要。 直流电机运行原理2. 空载特性（并励电机）励磁回路的电阻值Rfer称为临界值。稳定点：由动态方程可知要求：rfRfer励磁回路总电阻应小于建立电压时的临界电阻。 直流电机运行原理（二）负载运行发电机在加上负载后，端电压都会下降。负载越大，电压下降越大测量是，保持n=nN=常数 ，调节励磁电流到额定值I=IN。测取U和I，画出曲线U=f(I)二