电机拖动教案.docx
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电机拖动教案
第一章 直流电机
本章以直流电机为主要讨论对象，分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路、运行原理及换向等问题，为电力拖动系统提供元件的性能知识。
（1）旋转电机是一种实现机电能量转换的机电装置
（2）电动机---把电能转换为机械能
一.直流电动机的优点：
1.调速性能好 2.启动转矩较大
二.直流电动机的缺点：
1.制作工艺复杂 2.生产成本较高 3.维护较困难 4.可靠性较差
三.发展趋势
随着电力电子技术的发展
特别是大功率电力电子器件问世,微电子技术以及控制技术发展
直流发电机有逐步被整流电源取代的趋势
直流电动机被交流电动机取代的趋势
第一节直流电机工作原理和结构
* 直流发电机的工作原理
* 直流电动机的工作原理
* 电机的可逆运行原理
一、直流电机的工作原理
1、电磁感应定理
在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直（图1-1a），
则作用导体中感应的电势大小为：
e=B·l·v
符号 物理量 单位
B 磁场的磁感应强度 Wb/m2
v 导体运动速度 米/秒
l 导体有效长度 m
e 感应电势 V
图1-1b
电势的方向（图1-1a）用右手定则（图1-1b）确定
2.电磁力定律
载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直（图1-1c），作用在导体上的电磁力大小为：
f=B·l·i
符号 物理量 单位
I 导体中的电流 A
l 导体有效长度 m
f 电磁力 N
图1-d 力的方向用左手定则
（一）直流发电机的工作原理
1. 直流发电机的原理模型
1）交变电势产生
请看动画
2）直流电势产生
请看动画
3）发电机工作原理
用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，
靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势
4）换向器（图1.1.3）和电刷配合（图1.1.4）的换向作用
图1.1.3 换向器的构造
因为电刷A通过换向片所引出的电动势
始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势
所以电刷A始终有正极性，同样道理，电刷B始终有负极性
所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉振电动势
5）结论
线圈内的感应电动势是一种交变电动势
而在电刷AB端的电动势却是直流电动势
（二）直流电动机的工作原理
1.直流电动机的原理模型（图1.1.5）
要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：
当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，
即进行所谓“换向”。
为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋 转,这就是直流电动机的工作原理
请看动画
（三）电机的可逆运行原理
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
二、直流电机的结构
旋转电机结构形式,必须有满足电磁和机械两方面要求的结构
旋转电机必须具备静止和转动两大部
1.直流电机静止部分称作定子
作用--产生磁场
由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成
2. 直流电机转动部分称作转子（通常称作电枢）
图1.1.7 直流电机电枢照片
作用--产生电磁转矩和感应电动势
由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成
（一）直流电机的静止部分
1.主磁极 图1.1.9
主磁极是一种电磁铁
用1-1.5毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心
2.换向极（又称附加极或间极） 换向极图片图1.1.10
图1.1.1 主磁极和换向极示意图
作用--改善换向
换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成
铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联
3.机座 机座通常由铸铁或厚铁板焊成
有两个作用：
1）固定主磁极、换向极和端盖；2）作为磁路的一部分。
机座中有磁通经过的部分称为磁轭
4.电刷装置（图1.1.12）
作用--把直流电压、直流电流引入或引出
由电刷（图1.1.13）、刷握、刷杆座和铜丝辫组成
（二）直流电机的转动部分
1.电枢铁心 电枢铁心装配图 图1.1.14
两个用处：
1）作为主磁路的主要部分；
2）嵌放电枢绕组
通常用０.５ｍｍ厚的硅钢片冲片叠压而成
2.电枢绕组 元件及嵌放方法（图1.1.16）
直流电机的主要电路部分
用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换
由许多按一定规律联接的线圈组成
3.换向器
图1.1.3 换向器的构造
直流电机的重要部件
作用---将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势
直流电机的铭牌数据
一、什么是额定值
电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械量所规定的数据（p1-3）
二、额定工况
电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况
三、额定值
额定功率PN（W）
额定电压UN（V）
额定电流IN（A）
额定转速nN（rpm）
额定励磁电压UfN（V）
额定励磁电流IfN（A）和励磁方式等
四、直流电动机的额定功率
轴上输出机械功率,等于额定电压和额定电流的乘积，再乘以电动机的效率
即：
PN=UNINηN
五、直流发电机的额定功率
电机出线端输出的电功率 , 等于额定电压和额定电流的乘积
即：
PN=UNIN
直流电机的铭牌数据
一、什么是额定值
电机制造厂按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械量所规定的数据（p1-3）
二、额定工况
电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况
三、额定值
额定功率PN（W）
额定电压UN（V）
额定电流IN（A）
额定转速nN（rpm）
额定励磁电压UfN（V）
额定励磁电流IfN（A）和励磁方式等
四、直流电动机的额定功率
轴上输出机械功率,等于额定电压和额定电流的乘积，再乘以电动机的效率
即：
PN=UNINηN
五、直流发电机的额定功率
电机出线端输出的电功率 , 等于额定电压和额定电流的乘积
即：
PN=UNIN
直流电机的绕组
一、电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机的一个重要部件
对电枢绕组的要求是:
在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下; 尽可能节省有色金属和绝缘材料 ; 并且要结构简单、运行可靠等
一、简单的绕组
图1.2.1
如果电枢上有四个线圈，换向器由八个换向片组成，（图1-2.1）因为上述模型如作发电机运行，由于线圈互相不联接，电流不能通过所有线圈, 所以产生的电磁转矩与感应电动势大小不足 , 为此应该将所有线圈互相联接起来
图1-2.2
绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上，它是绕组的一个单元，称为元件. 为了使一个元件两个有效边中所感应产生的电动势大小相等或相差不多，使电动势是叠加的，那么元件的跨距应等于或接近于一个极距。
为使线圈端接部分对称，线圈可采用如下连接形式（1.2.2）。
二、绕组的基本形式
直流电机电枢绕组的基本形式：
1）单叠绕组 2）单波绕组
实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般采用双层绕组
（一）单叠绕组
1.单叠绕组联接的特点
元件两个端子联接于相邻的两个换向片上
元件跨距：
y1
元件上层元件边与下层元件边之间空间距离（用槽数表示）,
一般等于或约等于电机的极距
换向节距：
yk
元件上层元件边与下层元件边所联接的两个换向片之间的距离（用槽数表示）
单叠绕组元件的连接情况yk=1
图1.2.3单叠绕组元件的连接
2.单叠绕组连接示例
一台直流电动机的绕组数据为：
极对数Ｐ＝２，槽数Ｑ为１６，元件数Ｓ等于换向片数Ｋ和槽数Ｑ，即Ｑ＝Ｓ＝Ｋ＝１６，
电机极距为：
t=Q/2p=16/2*2=4
取元件跨距为跨四个槽，ｙ１＝４,
元件两端子所联换向片之间的距离ｙｋ＝１
（1）单叠绕组元件联接顺序表
表1-1 单叠绕组元件联接顺序表
（2）单叠绕组展开图
图1.2.5 单叠绕组展开图
注意：
电机在运行过程中，绕组元件、换向器与电机磁极、电刷有相对运动，请看动画
（3）瞬时绕组电路图
图1.2.6 瞬时绕组电路图
请看动画
3.单叠绕组的电路特点
任一瞬时，处于同一磁极下的元件构成一条支路， 因此采用单叠绕组的电机共有2P条支路。
（二）单波绕组
1.单波绕组元件的连接情况
图1.2.7单波绕组元件的连接
连接特点:
把相隔约两个极距的元件依次串接.
换向节距:
yk=（K±1）/P
2.单波绕组连接示例
一台直流电动机的绕组数据为：
极对数Ｐ＝２，槽数Ｑ为15，元件数Ｓ等于换向片数Ｋ和槽数Ｑ，即Ｑ＝Ｓ＝Ｋ＝15，
电机极距为：
t=Q/2p=15/2*2
取元件跨距为跨四个槽，ｙ１＝４,
元件两端子所联换向片之间的距离ｙｋ＝（K±1）/P=（15±1）/2=7
3.单波绕组元件联接顺序表
表1-2
4.单波绕组展开图
图1.2.9
5.瞬时绕组电路图
图1.2.10
6.单波绕组的电路特点
任一瞬时，处于同一极性磁极下的元件构成一条支路，
因此采用单波绕组的电机共有2条支路。
（三）单叠绕组、单波绕组的共同特点
与被电刷短路元件（即换向元件）相邻的两元件电流方向相反。
当电刷处于磁极中性线时，某一极性磁极下元件边的电流方向一致
直流电机的励磁方式及磁场
一、直流电机的励磁方式
他励电机结构
（一）他励直流电机
图1.3.1他励直流电机电路原理图
（二）并励直流电机
图1.3.2 并励直流电机电路原理图
（三）串励直流电机
图1.3.3串励直流电机电路原理图
（四）复励直流电机
图1.3.4复励直流电机电路原理图
直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复励式
二、直流电机的空载磁场
1.直流电机的空载
电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态
2.直流电机的空载磁场 由励磁磁通势单独建立的磁场
以一台四极直流电机空载时为例，由励磁电流单独建立的磁场分布如图示
图1.3.5直流电机空载磁场
1）主磁通Φm 同时与励磁绕组和电枢绕组相交链
2）漏磁通Φ1σ 交链励磁绕组本身，不和电枢绕组相交链
3）空载磁密分布
不计齿槽影响，直流电机空载时，其气隙磁场（主磁场）的磁密分布波形如图所示
图1-23直流电机空载磁密分布
4）磁化曲线
主磁通Φm与励磁磁通势Ff0或励磁电流If0的关系称为电机的磁化曲线
表明电机磁路的特性
电机的磁化曲线可以通过电机磁路计算去求得
（1）主磁通所经过的磁回路
由主磁极铁心、气隙、电枢齿、电枢铁心和磁轭等五部分组成
因为铁磁材料的B—H曲线是非线性的，磁导率不是常数，
使得Φm=f（Ff0）的关系也是非线性的
（2）磁化曲线
电机磁化曲线的形状和所采用的铁磁材料的B—H曲线相似
图1.3.6 电机磁化曲线
三.直流电机负载时的磁场和电枢反应
1.负载时磁场
电机带上负载以后，电枢绕组内流过电流，还会形成磁通势，该磁通称为电枢磁通势。
所以，负载时电机中气隙磁场是由励磁磁通势和电枢磁通势共同建立。
由此可知，在直流电机中，从空载到负载，其气隙磁场是变化的
2.电枢反应
1）电枢磁通势对励磁磁通势所产生气隙磁场的影响称为电枢反应
为画图简单起见，元件边只画一层，认为电枢是光滑的，
并考虑某一极性下元件中流过电流同一方向，得电枢磁场分布，
图1.3.7电枢磁势产生的磁场分布
可见磁极几何中性线处电枢反应磁势最大。
2）单个电枢磁势分布展开图
图1.3.8单个电枢元件产生的磁场分布
3）多个电枢磁势分布展开图
讨论时考虑电刷处于几何中性线时，得磁势分布图
1.3.9三个电枢元件产生的磁场分布
4）电枢反应
再考虑主磁场的作用，可得考虑电枢反应后气隙磁场分布
图1.3..10考虑电枢反应后气隙磁场分布
由此可见:
电枢反应磁通势轴线的位置总是与电刷轴线重合
当电刷处于几何中性线时，电枢反应磁势与磁极轴线互相垂直
5）电枢反应使气隙磁场发生了畸变
电枢磁场使主磁场一半削弱，另一半加强
并使电枢表面磁密等于零处离开了几何中性线。
6）电磁反应呈去磁作用
*在磁路不饱和时
主磁场削弱的量与加强的量恰好相等。
*在磁路临界饱和时
增磁会使半个极下饱和程度提高，铁心磁组增大，
另外半个极下饱和程度减小，铁心磁组减小
因磁路临界饱和，从而使实际的合成磁场曲线要比不计饱和时略低
增加的磁通数量就会小于磁通减少的数量
*结论
电枢反应的另一个结果是电机负载情况下每极磁通有所下降
§1-4 感应电动势和电磁转矩的计算
*元件平均电势 *支路电势计算
一.感应电动势的计算
1.运行时感应电动势始终存在
电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向（图1.4.1）
图1.4.1
直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势 , 这个感应电动势是指一条支路的电动势
2.如何计算感应电动势的
要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势
（一） 元件平均电势
一根导体中的感应电动势可通过电磁感应定律求得，其表达式为
e=Blv
式中B是一个主磁极下的平均气隙磁通密度，
B与每极磁通Φ的关系为 Φ=Blτ
有此导出
[endif]>
线速度v可以表示为
[endif]>
有上式联立可得每根导体的电动势为
每条支路中的感应电动势为
[endif]>
[endif]>
为电动势常数 ，当电机做好后仅与电机结构有关；N为电枢导体总数。
磁通Φ的单位为Wb，转速的单位为r/min，感应电动势的单位为v。
上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。
当电机制造好以后，与电机结构有关的常数Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。
二、直流电机的电磁转矩
根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。
一根导体在磁场中所受电磁力的大小可用下式计算
[endif]>
[endif]> 为导体中流过的电流，Ia为电枢电流；a为并联支路对数。
每根导体的电磁转矩为
[endif]>
总的电磁转矩为
式中，CT =
为转矩常数，仅与电机结构有关；D=
为电枢
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