电机与拖动基础课件 2

电机与拖动漯河高级技工学校电气工程系李跃红1

绪

论0.1电力拖动的概念及作用10.2本课程的主要内容、任务和学习方法

20.3电动机的类型及使用32电力拖动基本概念电力拖动：是指用电动机拖动生产机械的工作机构使之运转的一种方式。用电动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务。

广泛应用于生产中的各式各样的生产机械，如车床、钻床、铣床、造纸机、轧钢机等。3电力拖动系统的组成电源控制设备电动机传动和工作机构上下4电力拖动系统一般由四个子系统组成：（1）电源——是电动机和控制设备的能源。分为交流电源和直流电源；（2）电动机——是生产机械的原动机，其作用是将电能转换成机械能。可分为交流电动机和直流电动机。（3）控制设备——是用来控制电动机的运转，由各种控制电器、自动化元件及工业控制计算机等组成。（4）传动机构——是电动机与生产机械工作机构之间的传递动力的装置。如减速箱、传动带、连轴器等。5电力拖动的特点（优点）1.方便经济—电能生产、交换、传输都比较经济，分配、检测和使用比较方便2.效率高—比蒸汽机、压缩空气机的拖动效率要高，且传动机构简单3.调节性能好—电动机类型多，具有各种运行特性，适应不同生产机械需要；且电力拖动的启动、制动、调速、正反转等控制简便、迅速，能实现较理想的控制目的4.易于实现生产过程的自动化——电力拖动可以实现远距离控制与自动调节，且各种非电量（位移、速度、温度）都可以通过传感器转变为电量作用于电力拖动系统，因而能实现生产过程的自动化6电力拖动的发展过程按电力拖动系统中电动机的组合数量来分，电力拖动经历了三个阶段：成组拖动单电动机拖动多电动机拖动按电力拖动的控制方式来分，可分为：断续控制系统连续控制系统7电力拖动的发展过程--成组拖动成组拖动：一台电动机拖动传动轴，再由传动轴通过带传动分别拖动多台生产机械。特点：能量损失大，效率低，不安全，且不能利用电动机的调速性能，不能实现自动控制，因此已被淘汰。19世纪末，电动机逐步取代蒸汽机以后，最初采用成组拖动。【注：第一次工业革命：18世纪60年代--19世纪中期（人类开始进入蒸汽时代）

第二次工业革命：19世纪下半叶--20世纪初（人类开始进入电气时代，并在信息革命、资讯革命中达到顶峰）

第三次工业革命：第二次世界大战之后人类进入科技时代，生物克隆技术的出现，航天科技的出现，欧美有称为21世纪系统与合成生物学将引发第三次工业革命，（生物科技与产业革命）】8电力拖动的发展过程-单电动机拖动单电动机拖动：由一台电动机拖动一台生产机械。特点：简化了中间传动机构，提高了效率，同时可充分利用电动机的调速性能，易于实现自动控制。20世纪20年代开始采用单电动机拖动9电力拖动的发展过程-多电动机拖动多电动机控制：即一台生产机械中由多台电动机分别拖动不同的运动部件。特点：简化了生产机械的传动机构，提高了传动效率，求容易实现自动控制，提高了生产率。20世纪30年代，随现代工业生产的迅速发展，生产机械越来越复杂，一台生产机械有许多运动部件，若仍用一台电动机拖动，传动机构将十分复杂，因此出现了多电动机拖动10电力拖动的发展过程--断续控制和连续控制在电力拖动发展的不同阶段，这两种拖动方式占有不同的地位，且呈现交替发展的趋势随着电力拖动的出现，最早产生的是由手动控制电器控制电动机运转的手动断续控制方式。随后逐步发展为由继电器、接触器得主令电器等组成的继电接触式有触点断续控制方式。这种控制方式系统结构简单、工作稳定、成本低、维护方便，不仅可以方便地实现生产过程的自动化，而且可实现集中控制和远距离控制。所以目前生产机械中仍广泛采用。但这种控制只有通和断两种状态，其控制作用是断续的，即只能控制信号的有无，而不能连续地控制信号的变化。为适应控制信号连续变化的场合，又出现了直流电动机连续控制。这种控制方式可充分利用直流电动机调速性能好的特点，得到高精度、宽范围的平滑调速系统。11电力拖动的发展过程-多种控制方式近年来，随着电子技术和控制理论的不断发展，相继出现了顺序控制、可编程无触点断续控制、采样控制等多种控制方式。电子功率器件与自动控制相结合：晶闸管-直流电动机调速系统；交流变频调速系统等。12电能是现代能源中应用最广的二次能源，它的生产、变换、传输、分配、使用和控制都比较方便经济，而要实现电能的生产、变换和使用等都离不开电机。电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电机在国民经济的各个领域起着重要作用。在电力工业中，产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。在工业企业中，人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求。在交通运输业中，需要大量的牵引电动机。在电力排灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。在品种繁多的家用电器中，也离不开功能各异的小功率电动机。电机和电力拖动技术在国民经济中的作用13本课程是电气自动化、电气技术和机电一体化等专业的一门专业基础课。“电机与拖动基础”是“电机学”和“电力拖动技术基础”两部分内容的有机结合，它是在学习了“电工基础”等课程的基础上，通过讲授直流电机、变压器、交流电机的基本理论和电力拖动的基本原理等知识，以期达到下列要求：（1）熟悉直流电机、三相异步电动机的基本结构，掌握它们的工作原理。（2）掌握直流电动机、三相异步电动机的机械特性及各种运转状态的基本理论。（3）掌握直流电动机、三相异步电动机起动、制动、调速的电力拖动基本原理和计算方法。（4）掌握电力拖动基本控制线路的安装和维修技能。

本课程的主要内容、任务和学习方法14“电机与拖动基础”既是一门技术基础课，又具有专业课的性质，不仅有理论的分析推导、磁场的抽象叙述，还要用基本理论去分析比较复杂又带有机、电、磁综合性的工程实际问题，这是学习本课程的难点。学习时应注意以下几点：（1）牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（2）可运用类比或比较的学习方法，找出各种电机的共性和个性，以加深对各种电机及拖动系统性能的理解。（3）要理论联系实际，重视实验和实训环节。（4）课前应预习，课后应及时复习,并选择适当的思考题和习题作为课外作业，以巩固理论知识，提高理解和运算能力。本课程的主要内容、任务和学习方法15现代能源的主要形式是电能，与电能密切关联的电机广泛应用于社会生产的各个部门和社会生活的各个方面。电机的品种繁多，按其功能用途可分为变压器、直流电机、交流电机和控制电机，如图0.1所示。无论是哪一种电机，都必须以磁场作为其耦合场，通过电磁感应作用来实现能量转换。为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场,电机的磁路均用导磁性能良好的铁磁材料组成。图0.1电机的分类电机的分类及使用16电机的分类及所用的材料17电机的类型及所用的材料18主编：李庆武刘子林副主编：张之光王宏玉主审：李梅芳电机与拖动基础1直流电机191直流电机目录1.1直流电机的工作原理与结构11.2直流电机的励磁方式和磁场21.3直流电动机电动势和电磁转矩31.4直流电动机的机械特性420【知识目标】掌握直流电机的基本结构、直流发电机和直流电动机的基本原理、直流电机的励磁方式和磁场分布、直流电动机的电枢电动势和电磁转矩以及直流电动机的机械特性。【能力目标】学习直流电机的拆卸、接线方法；计算直流电动机的电枢电动势、电磁转矩；掌握直流电动机的运行特性。1.1直流电机的工作原理与结构21直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力，一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外，结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。1.1直流电机的工作原理与结构22图1.1所示为直流发电机的工作原理模型。在图1.1中，N、S为一对固定的磁极，称为直流电机的定子。abcd是固定在可旋转铁质圆柱体上的线圈，线圈连同铁质圆柱体是直流电机可转动的部分，称为直流电机的转子（或电枢）。线圈的末端a、d联结到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。转子线圈与外电路的联结是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。在定子与转子间有间隙存在，称为气隙。图1.1直流发电机的工作原理模型在直流发电机的模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在线圈abcd中将产生感应电动势。1.1.1电路的组成1.1直流电机的工作原理与结构23图1.1直流发电机的工作原理模型1.1直流电机的工作原理与结构24导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。在逆时针旋转情况下，导体ab在N极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位；导体cd则在S极下，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位，在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。当线圈旋转180°后，导体ab在S极下，导体cd则在N极下，此时导体中的感应电动势方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片同时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。1.1直流电机的工作原理与结构25从图1.1中可以看出，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，使电刷获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据具体应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢表面的不同位置上，并按照一定的规定联结起来，构成直流电机的电枢绕组。磁极也是根据需要,N、S极交替放置多对。1.1直流电机的工作原理与结构261.1.2直流电动机的工作原理图1.21.1直流电机的工作原理与结构27图1.2直流电动机的模型1.1直流电机的工作原理与结构28导体受力方向由左手定则确定。在第一种情况下，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd受力方向从左到右。导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。1.1直流电机的工作原理与结构29同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。由以上分析可以看出：任何一台电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定，如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。1.1直流电机的工作原理与结构30直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。小型直流电动机结构如图1.3所示，其剖面结构如图1.4所示。（1）定子部分定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成，如图1.3所示。1.1.3直流电机的结构1.1直流电机的工作原理与结构31图1.3小型直流电动机的结构1.1直流电机的工作原理与结构32图1.4小型直流电动机的剖面结构1—电枢绕组；2—电枢铁芯；3—机座；4—主磁极铁芯；5—励磁绕组；6—换向绕组；7—换向极铁芯；8—主磁极极靴；9—机座底脚1.1直流电机的工作原理与结构33①主磁极主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯上的励磁绕组构成。主磁极铁芯分成极身和极靴两部分，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁芯是用1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。主磁极的结构如图1.5所示。1.1直流电机的工作原理与结构34图1.5直流电机主磁极的结构1—机座；2—主磁极铁芯；3—励磁绕组1.1直流电机的工作原理与结构35②机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁性能较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑的作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，因此，机座起到了支撑的作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专门起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快、调速范围较高的场合。1.1直流电机的工作原理与结构36③换向极换向极结构如图1.6所示。换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用来改善直流电机的换向。一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极铁芯可根据要求用整块钢制成，也可用1.0～1.5mm厚的钢板叠成，所有的换向极线圈串联后称为换向极绕组，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组数目一般与主磁极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主磁极数一半的换向极或不装换向极。换向极的极性根据换向要求确定。1.1直流电机的工作原理与结构37④电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路联结起来，并与换向器配合，起到整流或逆变的作用。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆座和压紧弹簧组成，其结构如图1.7所示。⑤端盖电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。1.1直流电机的工作原理与结构38图1.6直流电动机换向极结构1—换向极铁芯；2—换向极绕组图1.7电刷的结构1—刷握；2—电刷；3—压紧弹簧；4—铜丝辫

1.1直流电机的工作原理与结构39（2）转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。①电枢铁芯电枢铁芯是主磁路的一部分，同时用来嵌放电枢绕组。当电机旋转时，为减小电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯用涂有绝缘漆的0.5mm厚的硅钢片叠成。电枢铁芯冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风口。小型直流电机的电枢冲片形状如图1.8所示。②电枢绕组电枢绕组是用绝缘铜线绕制的线圈按一定规律放置在电枢铁芯槽内，并与换向器联结。电枢绕组是直流电机的重要组成部分，电机工作时线圈中产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。1.1直流电机的工作原理与结构40图1.8电枢冲片形状1—齿；2—槽；3—轴向通风孔1.1直流电机的工作原理与结构41③换向器换向器又称整流子。对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器如图1.9所示。换向器是由换向片组合而成的，是直流机的关键部件，也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形，嵌在含有云母绝缘的V形钢环内，拼成圆筒形套在钢套筒上，相邻的两换向片间以0.6～1.2mm厚的云母片作为绝缘，最后用螺纹压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组的部分与绕组引出线间焊接。1.1直流电机的工作原理与结构42图1.9换向器结构1—V形套筒；2—云母片；3—换向片；4—联结片1.1直流电机的工作原理与结构43表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注在电机的铭牌上，所以又称为铭牌数据。它是正确合理使用电机的依据。铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定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。国产电机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：第一部分用大写的拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。1.1.4直流电机的铭牌数据1.1直流电机的工作原理与结构44如：Z292中的Z表示一般用途直流电机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座代号；2表示电枢铁芯长度代号。电机铭牌上所标的数据称为额定数据，具体含义如下：额定功率PN是指在额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机，额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率；对于发电机，额定功率是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为kW。额定电压UN是指额定工作条件下电机出线端的平均电压。对于电动机，额定电压是指输入额定电压；对于发电机，额定电压是指输出额定电压。额定电压的单位为V。1.1直流电机的工作原理与结构45额定电流IN是指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为A。额定功率、额定电压和额定电流的关系为：发电机电动机额定转速指对应于额定电流、额定电压，电机运行于额定功率时所对应的转速。额定转速的单位为。额定励磁电流是指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A。励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的联结方式。根据电枢线圈与励磁线圈的联结方式不同，直流电机励磁有并励、串励、他励和复励等方式。1.1直流电机的工作原理与结构46在电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定值是选用或使用电机的主要依据。电机在运行时的各种数据可能与额定值不同，由负载大小决定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。1.1直流电机的工作原理与结构47由直流电机的基本工作原理可知，电枢旋转切割气隙中的磁力线而感应电动势，电枢电流与气隙中的磁场相互作用而产生电磁转矩，因而气隙磁场是电机进行机电能量转换的媒介。直流电机的气隙磁场是在主磁极的励磁绕组中通以直流电流建立的。所以直流电机有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的联结方式称为励磁方式。励磁方式不同，电机的运行特性有很大的差异。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四类，如图1.10所示。1.2.1直流电机的励磁方式1.2直流电机的励磁方式和磁场48图1.10直流电机的励磁方式（a）他励；（b）并励；（c）串励；（d）、（e）复励1.2直流电机的励磁方式和磁场49(1)他励电机他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个相互独立的电源供电，如图1.10（a）所示。励磁电流If的大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压及负载基本无关。(2)并励电机并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，如图1.10（b）所示。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。1.2直流电机的励磁方式和磁场50(3)串励电机串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如

图1.10（c）所示。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速。串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求起动转矩很大且转速允许有较大变化的负载等。1.2直流电机的励磁方式和磁场51(4)复励电机复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成:一个与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁（或并励）绕组，如图1.10（d）、（e）所示。通常他磁（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大，转速变化不大的负载。由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势方向相反，称为差复励；差复励式直流电动机一般用于起动转矩小，而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中。这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱