电机拖动基础第一章

电机拖动基础第一章第1页，课件共95页，创作于2023年2月第一节直流电机的结构(观看直流电动机录像片)

直流电机都是由定子和转子两大部分组成的定子:

主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置转子:电枢绕组、电枢铁心、换向器、转轴、风扇第2页，课件共95页，创作于2023年2月一、直流电机的用途二、基本工作原理第二节直流电机的用途及基本工作原理第3页，课件共95页，创作于2023年2月一、直流电机的用途直流电机是电机的主要类型之一。发电机----直流电源。电动机----机械负载。第二节直流电机的用途及基本工作原理第4页，课件共95页，创作于2023年2月一、直流电机的用途作电源用:将机械能转化为直流电能作动力用:将直流电能转化为机械能第二节直流电机的用途及基本工作原理第5页，课件共95页，创作于2023年2月一、直流电机的用途信号的传递:测速发电机将机械信号转换为电信号伺服电动机：直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号第二节直流电机的用途及基本工作原理第6页，课件共95页，创作于2023年2月第二节直流电机的用途及基本工作原理1.直流电机的物理模型图解:N,S为磁极,不动abcd为线圈,旋转1,2为换向片,旋转A,B为电刷,不动二、基本工作原理第7页，课件共95页，创作于2023年2月第二节直流电机的用途及基本工作原理2.直流发电机的工作原理二、基本工作原理第8页，课件共95页，创作于2023年2月第二节直流电机的用途及基本工作原理2.直流发电机的工作原理二、基本工作原理第9页，课件共95页，创作于2023年2月导体ab处于N极下时A＋B－原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场；电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv(右手定则）;通过换向器与电刷的作用，可以引出单向（直流）的端电势eAB.第二节直流电机的用途及基本工作原理2.直流发电机的工作原理二、基本工作原理第10页，课件共95页，创作于2023年2月导体ab处于S极下时仍然A＋B－当电刷端连接某用电负载时,电枢绕组中将有电流产生;电流方向与绕组中的电势同方向;载流导体受磁场作用产生电磁力,方向与绕组转向相反,阻止线圈转动;负载得到电功率.原动机克服电磁力作功,将机械能变为电能发电机原理动画第二节直流电机的用途及基本工作原理2.直流发电机的工作原理二、基本工作原理第11页，课件共95页，创作于2023年2月将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流流过。载流的转子导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）电磁力作用于转子，拖动机械负载旋转。电磁力克服外力作功,将电能变为机械能电动机原理动画第二节直流电机的用途及基本工作原理3.直流电动机的工作原理二、基本工作原理第12页，课件共95页，创作于2023年2月第二节直流电机的用途及基本工作原理二、基本工作原理4.电机的可逆运行原理一台直流电机原则上既可以作为电动机运行也可以作为发电机运行这种原理在电机理论中称为可逆原理第13页，课件共95页，创作于2023年2月弄清下列问题：最简单的直流发电机、直流电动机的物理模型判断感应电势的右手定则判断导体(电流)受力方向的左手定则第二节直流电机的用途及基本工作原理二、基本工作原理第14页，课件共95页，创作于2023年2月弄清下列问题：4.直流发电机:导体中电势方向与电流方向相同,转子转动方向与所受电磁力方向相反,导体中为交变电势,电刷端为直流电势,机械能变为电能第二节直流电机的用途及基本工作原理二、基本工作原理第15页，课件共95页，创作于2023年2月弄清下列问题：5.直流电动机:导体中电势方向与电流方向相反,转子转动方向与所受电磁力方向相同,导体中为交变电势,电刷端为直流电势,电能变为机械能第二节直流电机的用途及基本工作原理二、基本工作原理第16页，课件共95页，创作于2023年2月弄清下列问题：6.换向器和电刷的作用:发电机:交流直流电动机:直流交流7.电刷端电势=导体电势之和转子受力方向永远不变电刷中电流方向不变,导体中电流方向交变第二节直流电机的用途及基本工作原理二、基本工作原理第17页，课件共95页，创作于2023年2月三、名牌数据额定容量PN(KW)额定电压UN(V)额定电流IN(A)额定转速nN(r/min、rpm)励磁方式和额定励磁电流IfN(A)额定效率ηN=PN/P1

直流发电机:PN=INUN额定输出电功率直流电动机:PN=INUNηN额定输出机械功率第二节直流电机的用途及基本工作原理第18页，课件共95页，创作于2023年2月额定运行状态:电机运行时各个物理量均为额定值欠载状态:电流小于额定值过载状态:电流大于额定值电动机轴上输出额定转矩(Nm):T2N=PN/ΩN=PN/(2πnN/60)=9.55PN/nN(=9550PN/nN)第二节直流电机的用途及基本工作原理KWW第19页，课件共95页，创作于2023年2月第三节直流电机的磁路与磁化特性一、直流电机的磁路二、空载时气隙磁通密度的分布波形三、空载磁化特性四、直流电机的励磁方式第20页，课件共95页，创作于2023年2月一、直流电机的磁路

主磁场：由励磁绕组通以直流励磁电流产生的。电机运行时磁场：励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组等共同产生

空载运行：励磁绕组里有励磁电流，其他绕组无电流（空、无载运行）。每极的励磁磁通势为：Wf——

一个磁极上励磁绕组的串联砸数If——励磁电流第三节直流电机的磁路与磁化特性第21页，课件共95页，创作于2023年2月定子磁轭气隙1气隙2电枢齿电枢磁轭励磁绕组一、直流电机的磁路第三节直流电机的磁路与磁化特性主磁路——定转子之间的气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭第22页，课件共95页，创作于2023年2月主磁通——同时交链着励磁绕组和电枢绕组

的磁通。

主极漏磁通——不进入电枢铁心，只交链着

励磁绕组本身的磁通

主磁通能在电枢绕组中感应电动势（或产生电磁转矩），而漏磁通没这个作用，只增加主磁路的饱和度。一、直流电机的磁路第三节直流电机的磁路与磁化特性第23页，课件共95页，创作于2023年2月二、空载时气隙磁通密度的分布波形直流电机的主磁路

演示选定一个磁管，其所包围得导体总电流为:第三节直流电机的磁路与磁化特性第24页，课件共95页，创作于2023年2月二、空载时气隙磁通密度的分布波形磁路欧姆定律:分别是：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭磁路的磁阻第三节直流电机的磁路与磁化特性第25页，课件共95页，创作于2023年2月磁路的磁阻与磁路的几何尺寸及所用的材料有关。仅考虑气隙的磁阻，li电枢轴向有效长度气隙磁密δΔli[]——气隙的长度，m[]——空气磁导率，近似真空，[Ff

]——每极励磁磁通势，A二、空载时气隙磁通密度的分布波形第三节直流电机的磁路与磁化特性第26页，课件共95页，创作于2023年2月气隙磁密分布波形1——均匀气隙时的气隙磁密2——不均匀气隙时的气隙磁密极身极靴几何中线几何中线漏磁通主磁通二、空载时气隙磁通密度的分布波形第三节直流电机的磁路与磁化特性第27页，课件共95页，创作于2023年2月三、空载磁化特性空载时气隙每极磁通Ф与空载励磁磁通势Ff或空载励磁电流If的关系，即Ф＝f(Ff)或Ф＝f(If)，称为直流电机的空载磁化特性。第三节直流电机的磁路与磁化特性第28页，课件共95页，创作于2023年2月四、直流电机的励磁方式

直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励和自励（串励、并励和复励）。他励——励磁电流由其他直流电源单独供给。自励——电机的励磁电流由电机自身供给。不同励磁方式的直流电机有不同的特性。第三节直流电机的磁路与磁化特性第29页，课件共95页，创作于2023年2月四、直流电机的励磁方式第三节直流电机的磁路与磁化特性第30页，课件共95页，创作于2023年2月四、直流电机的励磁方式第三节直流电机的磁路与磁化特性第31页，课件共95页，创作于2023年2月第四节直流电机的电枢绕组一、单叠绕组二、单波绕组第32页，课件共95页，创作于2023年2月主要分类大的分类为环形和鼓形；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。它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。电枢绕组是直流电机的核心部分。第四节直流电机的电枢绕组第33页，课件共95页，创作于2023年2月第四节直流电机的电枢绕组第34页，课件共95页，创作于2023年2月环形电枢绕组（展开图）鼓形电枢绕组（展开图）第四节直流电机的电枢绕组第35页，课件共95页，创作于2023年2月

元件——一个绕组元件就是一个线圈单匝元件——每个元件边里仅有一根导体。

引出线——只有：首端，尾端。电枢绕组——由许多个形状相同的单匝绕组元件（或多匝元件）以一定的规律连接起来的。第四节直流电机的电枢绕组第36页，课件共95页，创作于2023年2月鼓形绕组有许多个形状相同的线圈组成，每个线圈有两个有效边，分别位于电枢圆周相距一个极距的两个槽中。一个边在上层时，另一个边一般在下层。1－上层元件边；2－下层元件边3－后端接部分；4－首端接部分元件边在槽内的放置情况第四节直流电机的电枢绕组第37页，课件共95页，创作于2023年2月Wy——

元件的匝数,多匝元件的元件边里有Wy根导体S——元件数（线圈数）K——换向片数＝元件数Ze——总虚槽数（把一个上层元件边与一个下层元件边看成一个虚槽）Z——总实槽数，电枢实际的槽数u

——一个实槽的虚槽数=上下并列着的元件数Ze=uZ=S=K电枢绕组全体导体数

N=2uWyZ=2WyZe第四节直流电机的电枢绕组第38页，课件共95页，创作于2023年2月一、单叠绕组1、节距

指被联结起来的两个元件边或换向片之间距离。以跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。演示第四节直流电机的电枢绕组第39页，课件共95页，创作于2023年2月（1）第一节距y1

=整数（2）合成节距y和换向片节距yk

对单叠绕组：y=yk=1

（3）第二节距y2

对单叠绕组：y2=y1-y

一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第40页，课件共95页，创作于2023年2月2、单叠绕组的展开图展开图只是个原理图，并非实际结构图，表现槽内各元件在电路上的连接情况。一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第41页，课件共95页，创作于2023年2月【举例】一台4极16槽直流电机，已知换向片数K=16；电枢绕组的线圈数S=16；试画出整距右行单叠绕组展开图。

【分析】

每槽两个边，每个线圈两个边，所以槽数z=线圈数S=16,极距τ＝z/2p＝16/4＝4槽。

因为要求为整距线圈即第一节距y1＝τ＝4（槽）

又因为单叠右行，则合成节距y＝+1；

则第二节距y2＝y1－y＝3（槽）；

一个线圈的一个有效边若放在1号槽内，另一个有效边必须放在5号槽内。即一个线圈跨过4个槽的位置。一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第42页，课件共95页，创作于2023年2月【画出展开图】画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽的元件边，下层边用虚线，上层用实线画；标出槽号：画出第一个元件，展开图中可以把一个元件画成一匝。[注意元件的端部要画对称]在第一个元件的引出线端画出换向器，并标出换向片号；换向片号与所连的上层边槽号要相同。依次串联16个元件。再画出各磁极N、S、N、S。鼓形绕组的电刷中心线在每个磁极的中心线上。〖即保证电刷必须与位于几何中线处的导体相接触。〗画出电枢转向和电刷连线。一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第43页，课件共95页，创作于2023年2月极数2p=4元件S=16换向器K=16虚槽数Ze=16右行绕组一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组展开图第44页，课件共95页，创作于2023年2月一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组展开图第45页，课件共95页，创作于2023年2月单叠绕组的电机转子工作过程演示单叠绕组联结顺序表一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第46页，课件共95页，创作于2023年2月单叠绕组并联支路图一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第47页，课件共95页，创作于2023年2月特点：（1）支路对数等于极对数a=p。（2）电刷放在换向器表面对准主磁极中心线的位置。（3）电刷杆数等于极数。一、单叠绕组第四节直流电机的电枢绕组第48页，课件共95页，创作于2023年2月二、单波绕组1、节距（1）第一节距y1

（2）合成节距y和换向器节距yk选择yk应使串联的元件感应电动势方向同向第四节直流电机的电枢绕组第49页，课件共95页，创作于2023年2月单波绕组的换向器节距为式中正负号的选择，首先满足yk是一个整数二、单波绕组第四节直流电机的电枢绕组第50页，课件共95页，创作于2023年2月2、单波绕组的展开图2p=4Ze=S=K=15y1=4yk=7y=7y2=3二、单波绕组第四节直流电机的电枢绕组第51页，课件共95页，创作于2023年2月二、单波绕组第四节直流电机的电枢绕组3、单波绕组的并联支路图第52页，课件共95页，创作于2023年2月二、单波绕组第四节直流电机的电枢绕组联结次序表第53页，课件共95页，创作于2023年2月单波绕组的特点：（1）支路对数a=1，与磁极对数p无关。（2）元件几何对称时，电刷放在换向器表面上对准主磁极中心线的位置（3）电刷杆也等于极数二、单波绕组第四节直流电机的电枢绕组第54页，课件共95页，创作于2023年2月结论1、单叠绕组并联支路对数多，适合较低电压较大电流的电机。2、单波绕组支路对数永远为1，适合较高电压、较小电流的电机。第四节直流电机的电枢绕组第55页，课件共95页，创作于2023年2月直流电机符号第四节直流电机的电枢绕组直流发电机惯例直流电动机惯例第56页，课件共95页，创作于2023年2月第五节电枢电势与电磁转矩一.电枢电势二.电磁转矩三.直流电机的电枢反应和电流的换向第57页，课件共95页，创作于2023年2月第五节电枢电势与电磁转矩电枢电势Ea=CeΦn其中Ce=pN/60a称为电势常数N=2WyZe电枢表面总导体数Φ为每极磁通(Wb)二.电磁转矩T=CTΦIa其中CT=pN/2πa称为转矩常数Ia为电枢电流CT=9.55Ce第58页，课件共95页，创作于2023年2月三.直流电机的电枢反应和电流的换向主磁场电枢磁场合成磁场电枢反应的影响:1.使气隙磁密分布波形发生歪扭2.物理中性线与几何中性线不再重合3.去磁效应第五节电枢电势与电磁转矩第59页，课件共95页，创作于2023年2月1.直流电机的换向。2.电枢反应3.换向极第五节电枢电势与电磁转矩第60页，课件共95页，创作于2023年2月例:标出直流电动机各绕组中电流的方向解:

第五节电枢电势与电磁转矩第61页，课件共95页，创作于2023年2月例:标出直流发电机各绕组中电流的方向解:第五节电枢电势与电磁转矩第62页，课件共95页，创作于2023年2月作业:标出直流发电机、直流电动机各绕组中电流的方向直流发电机直流电动机第五节电枢电势与电磁转矩第63页，课件共95页，创作于2023年2月四.直流电机的基本公式1.参考方向直流电动机直流发电机Ea=CeΦn,T=CTΦIa,CT=9.55CeU=Ea+IaRaEa=U+IaRaT=T2+T0=TLT1=T+T0直流发电机惯例直流电动机惯例2.基本公式第五节电枢电势与电磁转矩第64页，课件共95页，创作于2023年2月第六节直流发电机一.直流发电机稳态运行时的基本方程式二.功率关系三.他励直流发电机的运行特性四.并励直流发电机第65页，课件共95页，创作于2023年2月第六节直流发电机一.直流发电机稳态运行时的基本方程式电枢回路方程:Ea=U+IaRaEa=CeΦn转矩关系:T1=T+T0T1输入转矩T=CTΦIa电磁转矩T0空载转矩第66页，课件共95页，创作于2023年2月并励或他励发电机的励磁电流:If=Uf/Rf气隙每极磁通:Φ=f(If,Ia)第六节直流发电机一.直流发电机稳态运行时的基本方程式第67页，课件共95页，创作于2023年2月二.功率关系EaIa=UIa+Ia2Ra=P2+pCuaP2=UIa输出给负载的电功率,称作输出功率pCua=

Ia2Ra电枢回路铜损耗PM=EaIa电磁功率

T1Ω=TΩ+T0Ω

P1=PM+p0=PM+pm+pFeP1=T1Ω原动机输给发电机的机械功率，称作输入功率PM=TΩ=EaIa电磁功率p0=pm+pFe空载损耗=机械损耗+铁损耗第六节直流发电机第68页，课件共95页，创作于2023年2月综合

P1=PM+p0=

P2+pCua+pm+pFe他励直流发电机的功率流程图:PCuf二.功率关系第六节直流发电机第69页，课件共95页，创作于2023年2月并励时,pCuf=If2Rf也应计算称作励磁损耗总损耗∑p=pCuf+pCua+pm+pFe+psps附加损耗，估算:有补偿绕组时ps=0.5%PN无补偿绕组时ps=1%PN发电机的效率η=P2/P1=1-∑p/(P2+∑p)10kW以下电机效率约为75—85%10kW--100kW电机效率约为85—90%100kW--1000kW电机效率约为88—93%二.功率关系第六节直流发电机第70页，课件共95页，创作于2023年2月三.他励直流发电机的运行特性空载特性n=c,Ia=0时的U=f(If)特性U=U0=E0=f(If)∵E0=Ceφ0nE0∝φ0

∴E0=f(If)类似于φ0=f(If)第六节直流发电机第71页，课件共95页，创作于2023年2月2.外特性n=c,If=c时的U=f(I)图aU=Ea-IaRa(I=Ia)3.调节特性n=c,U=c时的If=f(I)图b4.效率特性η=f(P2)图c三.他励直流发电机的运行特性他励并励第六节直流发电机第72页，课件共95页，创作于2023年2月四.并励直流发电机1.并励直流发电机的自励条件U=If(Rf+R)U=E0=f(If)类似于φ0=f(If)第六节直流发电机第73页，课件共95页，创作于2023年2月自励条件:剩磁极性正确临界电阻2.空载特性与他励发电机相同3.外特性比他励发电机差四.并励直流发电机1.并励直流发电机的自励条件第六节直流发电机第74页，课件共95页，创作于2023年2月第七节直流电动机运行原理一、可逆运行原理二、他励直流电动机稳态运行的基本方程三、他励直流电动机的功率关系四、直流电动机的工作特性第75页，课件共95页，创作于2023年2月一、可逆运行原理一台电机既可以作为电动机运行也可以作为发电机运行---可逆原理。第七节直流电动机运行原理发电机原理动画电动机原理动画第76页，课件共95页，创作于2023年2月二、他励直流电动机稳态运行的基本方程电枢回路方程电枢电动势电磁转矩T稳态运行时的转矩关系气隙每极磁通第七节直流电动机运行原理第77页，课件共95页，创作于2023年2月UIa=EaIa+Ia2RaP1=PM+pCuaP1=UIa输入电功率PM=EaIa电磁功率pCua=Ia2Ra电枢铜耗TΩ=T2Ω+T0Ω

PM=P2+p0PM=TΩ=EaIa电磁功率P2=T2Ω轴上输出机械功率p0=T0Ω=pm+pFe空载损耗三、他励直流电动机的功率关系第七节直流电动机运行原理第78页，课件共95页，创作于2023年2月三、他励直流电动机的功率关系第七节直流电动机运行原理功率流程图:P1=P2+pm+pFe

+pCua(+ps)效率:η=P2/P1=1-∑p/(P2+∑p)第79页，课件共95页，创作于2023年2月四.直流电动机的工作特性转速特性U=UN,If=IfN时,n=f(Ia)称转速特性

n=UN/CeΦN-RaIa/CeΦN2.转矩特性U=UN,If=IfN时,T=f(Ia)称转矩特性3.效率特性U=UN,If=IfN时,η=f(Ia)称效率特性第七节直流电动机运行原理第80页，课件共95页，创作于2023年2月第八节他励直流电动机的机械特性一.机械特性的一般表达式二.固有机械特性三.人为机械特性第81页，课件共95页，创作于2023年2月第八节他励直流电动机的机械特性机械特性的一般表达式T=CTΦIa代入n=U/CeΦ–(Ra+R)Ia/CeΦ得

n=U/CeΦ

–(Ra+R)T/CeCTΦ2

=U/CeΦ

–(Ra+R)T/9.55(CeΦ)2=n0-βTn0=U/CeΦ

理想空载转速β=(Ra+R)T/9.55(CeΦ)2特性的斜率Tn0n0TsIa第82页，课件共95页，创作于2023年2月二.固有机械特性

U=UN,

Φ=ΦN,R=0时的机械特性n=UN/CeΦN–RaIa/CeΦNn

=UN

/CeΦN–RaT/9.55(CeΦN)2Ia=0(T=0)时,n=n0,U=Ean=0时,Ia=UN/Ra=Is直接起动电流≈20INTs=CTΦNIs起动转矩T=TN(Ia=IN)时,n=nN

ΔnN=

n0-nN额定速降TIaTsn00nIsnNTN一般nN≈0.95

n0第八节他励直流电动机的机械特性第83页，课件共95页，创作于2023年2月例:一台他励直流电动机额定功率PN＝96kW，额定电压UN＝440V，额定电流IN＝250A，额定转速nN＝500r／min，电枢回路总电阻Ra＝0.078Ω，忽略电枢反应的影响,求:(1)理想空载转速n0(2)固有机械特性斜βN解:(1)CeΦN=(UN–RaIN

)/nN

=(440-0.078×250)/500=0.841n0=UN/CeΦN=440/0.841=523r／min(2)βN=Ra/CeΦNCTΦN=Ra/9.55(CeΦN)2

=0.078/9.55×0.8412=0.0115第八节他励直流电动机的机械特性第84页，课件共95页，创作于2023年2月三.人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性n=UN/CeΦN–(Ra+R)Ia/CeΦN或

=UN/CeΦN–(Ra+R)T/9.55(CeΦN)2=n0-βT

R4nTIa0R=0R1R2R3n0第八节他励直流电动机的机械特性第85页，课件共95页，创作于2023年2月2.改变电枢电压的人为机械特性n=U/CeΦN–RaIa/CeΦN或=U/CeΦN–RaT/9.55(CeΦN)2=

n0-βTnTIa0n0UNU1U2U3U4U5n01n02n03n04n05第八节他励直流电动机的机械特性第86页，课件共95页，创作于2023年2月3.弱磁的人为机械特性n=UN

/CeΦ–RaIa/CeΦ或=UN

/CeΦ–RaT/9.55(CeΦ)2=

n0-βTnnIaTΦNΦNIs=UN/RaTs=CTΦIs00第八节他励直流电动机的机械特性第87页，课件共95页，创作于2023年2月电枢反应对机械特