1、教学安排教材：教材：电机原理及拖动电机原理及拖动 主编主编 彭鸿才彭鸿才 机械工业出版社机械工业出版社学时：上学期学时：上学期4848，下学期，下学期4040，共，共8888学时学时成绩：考试成绩成绩：考试成绩8585，平时成绩，平时成绩1515实验：独立设课实验：独立设课3232学时学时 1 绪 论课程性质：十分重要的自动化专业基础课，是后续课程性质：十分重要的自动化专业基础课，是后续专业课的基础。如果不能很好的掌握电机的工作原专业课的基础。如果不能很好的掌握电机的工作原理及电力拖动的静态、动态特性，就不能组成一个理及电力拖动的静态、动态特性，就不能组成一个良好性能的自动控制系统良好性能的自
2、动控制系统。在工农业生产、国防军工农业生产、国防军事、日常生活，随处可见的自动化设备、各种电器事、日常生活，随处可见的自动化设备、各种电器几乎无一例外与电机有着密切关系。自动化控制的几乎无一例外与电机有着密切关系。自动化控制的目标大都由电动机具体实现。因此从各方面来说：目标大都由电动机具体实现。因此从各方面来说：电机课程十分重要。电机课程十分重要。如：传送带、洗如：传送带、洗衣机、电动门衣机、电动门 电机原理及拖动电机原理及拖动是一门理论性很强的专业是一门理论性很强的专业基础课，涉及的基础理论和实际知识面广，需要基础课，涉及的基础理论和实际知识面广，需要电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合运
3、用。电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合运用。与其它基础课不同的是电机是一个具体的工业设与其它基础课不同的是电机是一个具体的工业设备，受各种条件的制约，因此本课程也具有专业备，受各种条件的制约，因此本课程也具有专业课的性质，在用理论分析电机及拖动的实际问题课的性质，在用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的实际应用状态，学会采用时，必须结合电机的实际应用状态，学会采用工工程观点程观点和分析方法解决问题。掌握基本理论的同和分析方法解决问题。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。忽略次要矛盾忽略次要矛盾 绪 论 3课程任务：本课程
4、的任务是让大家在了解电机结课程任务：本课程的任务是让大家在了解电机结构和工作原理的基础上，掌握电机参数的分析计构和工作原理的基础上，掌握电机参数的分析计算、电机选择、运行及实验方法，培养在电机及算、电机选择、运行及实验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。习和工作打下坚实的基础。绪 论 4 为了学好本门课程，应该注意以下几点：1.抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素有条件地略去一些次要因素；2.抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主 要特性；3.要有良好的学习方法，运用对比或比较分析电机不同状态的共性和特
5、点，加深对原理和性能的理解；4.理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5.充分预习和复习。绪 论 5电机发展简史1.初期发展时期：电磁感应定律的发现：第一代电机雏形，法拉第圆盘发电机直流电动机的发展：产生连续运动的震荡电机，产生连续运动的旋转电机单相交流电的应用：早期交流发电机模型，闭合磁路的变压器制成三相交流电的应用：二相交流电动机，三相交流电动机，三相变压器 6电机发展简史2.近代发展时期 上世纪二十年代用于家用电器的单相交流电机诞生，各种主要电机有成型设计，开始了电动机的近代发展时期。7电机的主要作用 电机是能量转换装置，是利用电磁感应原理工作的机械，是实现电能的生产、变换、传输、分配、
6、使用和控制的电磁机械装置。按照功能对电机进行分类可分为：发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；按电机结构或旋转静止可分为：变压器和旋转电机。“电机”是指与电能有关的转换器械，有能量的输入也有能量的输出。且有一方或双方是电能。8电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机电机分类自动控制系统中的执行元件、检测元件旋转电机动力类直线电机电力变压器特殊变压器直线电机 一般电动机工作时都是转动的，直线运动能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省略中间转换装置？设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直
7、线感应电动机在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。10直线电机 直线电机的基本缺点是很难将定子与转子空隙做成象旋转式电机那么小，旋转式是无限循环的，而直线电动机是有端头的。泄漏磁通多，电气机械能量转换的效率低，电力的消耗量多，直线电机在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进。11 电机的主要用途之一是拖动其他机械进行生产活动。电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。电动机传动机构生产负载控制设备电源电机
8、拖动的分类 12电机拖动具有良好的起、制动性能，平滑调速。国内外电力拖动研究的中心。逐渐取代直流拖动交流电机拖动直流电机拖动异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。电机拖动的分类 13照明电机在电能生产传输过程作用 14电能的生产、传输和分配 15新型发电装置，电离气体发电和磁流气体发电，发出的是直流电。直流输电系统 16 电机拖动生产机械如金属切削、矿山机械、交通运输机械、起重机械、化工机械、农用机械、电动工具、家用电器等 17控制系统和智能化装置的重要元件 181.电路：电路主要指电枢绕组部分，它的形式和连接方法影响电势的数量和质量。
9、绕组带上负载对磁场的影响是研究电机的核心问题；2.磁路：此外电机中磁路分析的准确性直接影响电路的计算，在磁路不饱和时电路参数为常数，磁路饱和时与磁路有关的电路参数是非线性的；课程研究对象 193.机械特性：在电机能量转换过程中涉及电磁力矩及相应的转速问题，二者关系nf(T)为电机的机械特性；4.损耗：在能量转换中存在各种损耗，主要有铜损和铁损。课程研究对象 201.直流和交流电路分析原理2.磁路定律3.电磁关系4.电、磁和力的关系5.力学定律6.能量转换和守恒定律7.材料的特性 电学、磁学和动力学原理的综合运用 21电磁感应定律全电流定律：lIdlHdtdNdtdevlBe1nk kH lIN
10、I 电流方向与积分电流方向与积分方向符合右手螺方向符合右手螺旋定则为正旋定则为正1.电磁关系 222.电路分析和磁路定律交、直流电路分析UI R 0ii欧姆定律：基尔霍夫定律电磁关系磁路欧姆定律磁路基尔霍夫定律imiFU 0imUmR ue 23用一定形状的铁心形成闭合路径磁路Il dHlmRFSlIN/产生磁通的激励称为磁动势F=IN IlSRm 称为磁路的磁阻，阻碍磁通的物理量；l 为磁路的平均长度；S 为磁路的截面积。磁路欧姆定律根据全电流定律BINHlllS 24铁磁材料的 不为常数：磁路欧姆定律：磁路的基尔霍夫第一定律：说明磁通是连续的。磁路的基尔霍夫第二定律：mmmUFSFRRl
11、SlRmmR0HlNI 25电路欧姆定律与磁路欧姆定律比较磁路磁路电路电路磁动势磁动势 F磁通磁通 磁感应强度磁感应强度B磁阻磁阻 R=l/SmRF电动势电动势E 电流电流 I电流密度电流密度 J电阻电阻 R=l/SREI NI+EIR若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁路的磁阻应由不同的几段串联而成，即mimmmRRRRIN321I 0S0 S11l1S12l2S2 26欧姆定律：F Rm IE R基尔霍夫定律：0 I0ueHlNI3.磁路与电路的对比 274.电、磁和力的关系导体在磁场中运动产生电势.eBvBfi载流导体在磁场中受到的电磁力。285.力学定律直线运动和旋转运动的动力学定律TF
12、r 力和力矩关系：旋转运动：dtdTJ 29输入能量输出能量损耗6.能量守恒 30分析铁磁材料的磁化磁效应：电荷运动产生磁场磁畴：铁磁材料中有相同磁场方向的原子组成的磁体磁化：铁磁材料在外磁场作用下产生磁性7.材料特性 31l磁化曲线、磁滞现象 H/m 104-70真空的磁导率：0 /r相对磁导率：非铁磁材料剩磁矫顽力材料特性 32磁滞回线22 empfBl磁滞损耗Bf（H）HBf（H）02 ,mnBfp1.61.2 ,2mFeBfp涡流损耗铁损原始磁化曲线)(HfB 材料特性 33 （1）电路中有电流，就有功率损耗；直流磁路中，维持一定的磁通量，铁心中没有功率损耗。（2）在电路中电流全部在导
13、线中流动，导线外没有电流；在磁路中，没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中，总有一部分漏磁通散布在周围空气中。磁路与电路区别 34 （3）电阻率在一定温度下是不变的；磁阻率不是常数，是磁通密度的函数。（4）对线性电路，计算时可以用叠加定理；铁心磁路，饱和时磁路是非线性，不能用叠加定理。磁路与电路区别 35磁滞损耗和涡流损耗是什幺原因引起的？答：磁滞损耗由于B交变时铁磁物质磁化不可逆，磁畴之间反复摩擦，消耗能量而产生的。它与交变频率f成正比，与磁密幅值B的次方成正比。涡流损耗是由于通过铁芯的磁通发生变化时，在贴心中产生感应电势，再由于这个感应电势引起电流（涡流）而产生电损耗。它与交变频率f的平方和B的平
14、方成正比。磁路思考题 36 电磁转矩是怎样产生的？它在机电能量转换过程中起着什么作用？答：电机中电磁转矩是由载流导体在磁场中受力而产生的，在机电能量转换中是机械能和电能转换的完成者。磁路思考题 37 一铁环的平均半径为0.3米，铁环的横截面积为一直径等于0.05米的圆形，在铁环上绕有线圈，当线圈中电流为5安时，在铁心中产生的磁通为0.003韦，查表知当B=1.528T时H=3180A，试求线圈应有匝数。解：铁环中磁路平均长度 （m）圆环的截面积S铁环内的磁感应强度磁场强度H3180（A）FH =31801.896000（A）故：匝数为N （匝）89.13.022RlD2232110.051.9
15、6 10()44Dm 30.0031.528()1.96 10BTS lD12005/6000IF 38 设上题铁心中的磁通减少一半，线圈匝数不变，问此时线圈中流过电流比原来大，还是小？39第一章 直流电机原理第一节 直流电机结构用途及基本工作原理第二节 直流电机的空载磁场第三节 直流电机的电枢绕组第四节 直流电机的电枢反应第五节 直流电机的电枢电动势与电磁转矩第六节 直流发电机第七节 直流电动机第八节 直流电机换向简介 40世界上第一台电机 雏形返 41法拉第圆盘发电机返 42产生的连续运动振荡电动机 返 43能产生连续运动的旋转电动机返 44永久磁铁型旋转式交流发电机 返 45直流电机的用
16、途电源励磁机测速伺服 46直流电机的结构（P6图1-4）47直流电机结构（P6图1-4）48 49换向极换向极是安换向极是安装在两相邻装在两相邻主磁极之间主磁极之间的一个小磁的一个小磁极，它的极，它的作作用是改善直用是改善直流电机的换流电机的换向向情况，使情况，使电机运行时电机运行时不产生有害不产生有害的火花。的火花。50电刷装置（P7图1-6）电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置。1.连线 2.刷杆 3.电刷 4.刷握 51换向器在直流发电在直流发电机中，换向机中，换向器起整流作器起整流作用，在直流用，在直流电动机中，电动机中，换向器起逆换向器起逆变作用变作用 52电枢截面 53电枢绕组
17、是直流电机的电是直流电机的电路部分，也是感生路部分，也是感生电动势，产生电磁电动势，产生电磁转矩进行机电能量转矩进行机电能量转换的部分转换的部分槽楔 54直流电机主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承 55直流电机基本工作原理 56直流发电机原理原动机驱动电机转子逆时针旋转，导体ab在N极下感应电势e的方向由b指向a；转子旋转 180 后，导体ab在S极下感应电势e的方向由a指向b。电刷A的极性始终为正，电刷B的极性始终为负，因此在电刷A、B两端可获得直流电动势。57发电机电势波形 58把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，电刷接到直流电源上，电刷A
18、A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此时电枢线接负极。此时电枢线圈中将电流流过，如图。在磁场作用下，圈中将电流流过，如图。在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向受力方向从右向左，左，S S 极下导体极下导体cdcd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。直流电动机原理 59直流电机的铭牌数据 60直流电机的铭牌数据额定条件下电机所额定条件下电机所能提供的功率能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的指电刷间输出的
19、额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出的指轴上输出的机械功率机械功率电动机电动机在额定电压下，运行于额定在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速定功率时对应的转速Nn额定转速在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压NU额定电压是指输出是指输出额定电压额定电压发电机发电机是指输入是指输入额定电压额定电压电动机电动机 61直流电机的铭牌数据 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速
20、及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式 62作业：1-11-41.1.为什么直流电机能发出直流电？如果为什么直流电机能发出直流电？如果没有换向器没有换向器，直流电机能不，直流电机能不能发出直流电流？能发出直流电流？2.2.试判断下列情况下，电刷两端电压性质：试判断下列情况下，电刷两端电压性质：磁极固定，电刷与电枢同时旋转：磁极固定，电刷与电枢同时旋转：电枢固定，电刷与磁极同时旋转。电枢固定，电刷与磁极同时旋转。3.3.已知某直流电动机铭牌数据如下，额定功率已知某直流电动机铭牌数据如下，额定功率750kW750kW，额定电压，额定电压220V220V，额定转速，额
21、定转速1000r/min1000r/min，额定效率，额定效率88.588.5，试求该电机的额，试求该电机的额定电流。定电流。4.4.已知某直流发电机的额定功率已知某直流发电机的额定功率240kW240kW，额定电压，额定电压460V460V，额定转，额定转速速1500r/min1500r/min，试求该电机的额定电流。，试求该电机的额定电流。5.5.一台直流发电机额定容量一台直流发电机额定容量180kw180kw，额定电压，额定电压230230伏，额定转速伏，额定转速1450r/min1450r/min，额定效率，额定效率89.5%,89.5%,求额定输入功率和额定电流。求额定输入功率和额定
22、电流。答答答答答 63答案1.答：由于换向器的作用，电刷短接的元件始终连接相同磁极，感应电势在电刷两端不变，故直流机能发出直流电。如果没有换向器，直流机不能发出直流电，只能发出交流电。64答案2.2.答：（答：（1 1）电刷两端的是交流电压：）电刷两端的是交流电压：（2 2）电刷两端的是直流电压。）电刷两端的是直流电压。65答案3.解：对于直流电动机，解：对于直流电动机，4.5.故该电机的额定电流故该电机的额定电流 NNNNIUP)(385%5.8822075000ANNNNUPI 66答案4.解：解：5.故该电机的额定电流故该电机的额定电流 6.讨论：此处为什么没有讨论：此处为什么没有？IU
23、PNNN)(522460240000AUPINNNN 67答案5.解：电机的额定输入功率解：电机的额定输入功率 额定电流额定电流)(201%5.89180kwNNinPP)(782230180000AUPINNN 681-2直流电机的空载磁场等）何负载，克服摩擦阻力（电动机：轴上不带任（发电机）0 0aaII空载：空载：直流电机的空载磁场是由流过励磁绕组的电流直流电机的空载磁场是由流过励磁绕组的电流I If f产生的，它是直流电机中的主要磁场。产生的，它是直流电机中的主要磁场。692极电机磁路中的磁通分布极轴线：磁极平分线极轴线：磁极平分线几何中性线几何中性线：相临两磁极极轴线的平分线。物理中
24、性线：物理中性线：气隙磁密由正到负过零的分界线。注意：几何中线与物理中线不一定重合！主磁通：主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：漏磁通：走漏磁路的磁通 704极电机磁路中的磁通分布NSSN几何中性线极轴线极距主磁通漏磁通 711.直流电机磁路N N极铁芯气隙电枢齿电枢轭相邻极铁芯气隙电枢齿电枢轭相邻S S极电枢齿极电枢齿气隙气隙 S S极铁芯定子轭回到极铁芯定子轭回到N N极极.构成闭合路径构成闭合路径分析主磁路主磁路的分段主磁路的分段：段磁路种类型两段主磁极、一段定子轭一段转子轭、两段电枢齿两段气隙85 pslrltllll全电流定律iHdl简化：HlNi（1-1）（1-2）73分析主磁路2222
25、t trl rlppsl slffHH lH lH lH lN I 气隙电枢齿电枢轭主磁极定子轭封闭回路中包含Nf匝线圈的2倍2ffFN I（1-3）前面图中封闭回路总磁势mRsllBHl各段磁压降为：即即 74分析主磁路cffmINRHl()ff I 这个关系即直流电机的磁化曲线这个关系即直流电机的磁化曲线fNIfIa0N b12MacKab 1.111.35饱和系数：饱和系数：abbc：气隙磁势 ：总磁势 ：铁心饱和引起磁势增加 ac 752.气隙磁通密度分布波形fIC CBHINff1B当励磁电流不变时lBavavBl：平均磁通密度 ：极距 ：铁心长度每极磁通与平均磁密的关系：76空载时
26、的气隙磁通密度为一平顶波空载时的气隙磁通密度为一平顶波e，B2te2t气隙磁密与线圈电势刷间电势 77习题1.1.何谓饱和现象？电机的磁路为什么会出现何谓饱和现象？电机的磁路为什么会出现饱和现象饱和现象?饱和对电机运行性能有何影响？饱和对电机运行性能有何影响？2.2.磁路如图所示，由两段铁心磁路如图所示，由两段铁心加两段气隙构成，气隙长度加两段气隙构成，气隙长度=1mm=1mm。铁心材料为硅钢片，。铁心材料为硅钢片，H H 9.69.610104 4A/mA/m A/m A/m。线圈。线圈匝数匝数N=1000N=1000，通入的电流，通入的电流I=0.2AI=0.2A。试求磁路中铁芯磁势。试求
27、磁路中铁芯磁势。答答 78答案1.答：磁导率随着H增大而减小，即磁阻增大的现象叫做饱和现象。电机磁路中由于有非线性铁磁材料，所以会出现饱和现象。由于饱和现象的存在，使电机设计时对H和B的值不能取得过高，材料利用率受到限制，激磁电流需要增大。79答案磁路如图所示，由两段铁心加两段气隙构成，气隙长度=1mm。铁心材料为硅钢片，H9.6104A/m。线圈匝数N=1000，通入的电流I=0.2A。试求磁路中铁芯磁势。解：总磁势解：总磁势NI10000.2200A气隙磁势气隙磁势 2Hl29.61040.001 192A铁芯磁势铁芯磁势2001928A结论：气隙磁势结论：气隙磁势铁芯磁势铁芯磁势 801
28、-3直流电机的电枢绕组电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定量的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。直流电机绕组采用电势，只在特大电机中均压绕组：均衡磁场和流对磁场的影响补偿绕组：补偿电枢电换向极绕组电枢绕组励磁绕组电枢绕组蛙形混合绕组复波绕组单波绕组（多极采用）双叠）复叠绕组（两套单叠、）单叠绕组（*821.有关技术术语及绕组元件极轴线，几何中线极距：相邻极轴线沿电枢表面的圆弧距离，通常 用槽数表
29、示，如：极距电枢槽数/极数pZ2 83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。单匝多匝有效边 84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。首端首端末端末端 85绕组节距y=y1-y21第一节距y1第二节距y2合成节距y：换向节距yk：yky1 86pZy211y第一节距y y1 1必须是整数必须是整数 ）长距元件（费铜，短距元件整距元件 111yyy 872.单叠绕组单迭：单叠绕组的特点是相邻元件单迭：单叠绕组的特点是相邻元件(线圈线圈)相互叠相互叠压压,合成节距与换向节距均为合成节距与换向节距均为1，后面元件的首后面元件的首端紧
30、迭在前一元件的末端。端紧迭在前一元件的末端。特点：特点：槽数槽数Z Z、元件数、元件数S S和换向片和换向片数数K K三者相同三者相同y=yk=1 88单迭绕组展开图例：一台电机P2，ZSK16合成节距换向节距yyk14221621pZy第一元件末端与第二第一元件末端与第二 元件的首端连接元件的首端连接第一节距：89单迭绕组展开图单迭绕组展开图1123456789101112131416152345678910111213141615+运动方向NSNS159.13在几何中线上同一磁极元件串联 90绕组的并联支路电路图apb单叠绕组输出电势：一条支路电势输出电流：2a条支路电流和aaaiI2 9
31、1绕组小结直流电机的电枢绕组为闭合回路。其中：电势为零；环流为零。并联支路成对出现。并联支路对数=极对数，即：ap。电枢电势（即刷间电势）=支路电势。电枢电流=各支路电流之和。即：。电刷成对出现（单叠绕组中，刷对数=极对数）。为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接 92作业1-8.1-9一台四极单迭绕组的直流电机。如果取出相邻的两组电刷，只用剩下的两外两组电刷是否可以？对电机性能有何影响？端电压有何变化？此时发电机能供给多大的负载（用额定功率的百分数表示）；如果有一元件断线，电刷间的电压有何变化？电流有何变化？若只用相对的两组电刷是否能够运行？若有一极失去励磁，将会产生什么
32、后果？答答答答 931.取出相邻的两组电刷 94(2)如果有一元件断线 95（3）只用相对两组电刷不能运行 若只用相对两组电刷不能运行，因为此时，感应电势与感应电势相抵消，端电压为零不能发电。96（4）若有一极失去励磁 假定一极失去励磁，在电机的各个磁极中磁通不相等，故在每极下的感应电势也不等，这样单迭绕组中并联的每条支路产生的感应电势不等，因此形成环流。由于电机绕组电阻很小，环流将很大使电机过热。971-4直流电机的电枢反应直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电
33、枢磁场的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。98电枢磁动势与电枢磁场 右图为一台电刷放在几何中性右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为况，电枢磁动势为交轴磁动势交轴磁动势。电枢NS分界线磁势为零 99研究交轴磁动势在空间分布引入电枢线负荷的概念：导体总数N；
34、导体电流ia；电枢直径为D，则线负荷2HlAx 在原点O左右x处取磁力线闭合回路，应用全电流定律有aNiAD 22axaxFAxFAx 整个回路的磁压降近似为两个气隙上磁势：电枢磁动势为零 100电枢磁动势、磁通密度空间分布axFaxB00axaxaxFBH电枢展开 101直流电机负载时的磁场主极磁场电枢磁场合成磁场 1021、当电刷在几何中性线上时将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，得到的负载电机磁场分布情况如图。103合成磁通密度分布曲线xB0axBxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线不饱和两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线物理中性线偏离几何中性线物理中性线
35、偏离几何中性线饱和时磁阻不为常数不能简单叠加 104这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。如图(a)(b)所示。adFaqF2.当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。105交轴磁势和直轴磁势 106分析直流电动机电刷移位NN逆向移刷顺向移刷 107电刷偏移对主磁场的作用电刷顺转向偏移电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁直轴助磁直轴助磁电动机电动机直轴助磁直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 108以直流电机为例思考电枢反应什么时候只有交轴电枢反应？什
36、么时候既有交轴又有直轴电枢反应？什么情况下直轴电枢反应是去（助）磁的？109(课堂练习)四极直流电机123456789101112131415161718 110几何中线几何中线图示时刻图示时刻1、10号的上层边；号的上层边；6、15号的下层边处在几何中线上。号的下层边处在几何中线上。11115.电枢电势与电磁转矩 电枢电势电枢电势：电枢旋转时：电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、负电刷动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、负电刷之间的感应电势，之间的感应电势，即每个支路里的感应电势。即每个支路里的感应电势。计算：计算：求出
37、求出一根导体一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数总的导体数。112电枢电势一根导体在一个极距范围内平均感应电势：avaveBlvBav：平均磁密；l：导体长度；v：电枢旋转线速度602npvn：电枢旋转速度（r/min)avBl ：每极磁通602602npnplleav 113电枢电势2226060aavNNnpNEepnaaa )(电动势常数为电机的结构常数其中apNCe6060aepNEnCna每条支路导体数（每条支路导体数（每极下导体数每极下导体数），总导体数），总导体数N常数 114电枢电
38、势性质性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).60aepNEnCna（1-18）NN电势方向电势方向 115电磁转矩 电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。一根导体的所受平均电磁力：avavafBliaIiaa2作用在电枢上的总电磁力（N/S极下导体受力方向一致）：avavaffNBliN 116大小:2aTapNTICIa 为电机的转矩常数其中apNCT2电磁转矩22avavaDDTfBliNpD22222aavaTaIppNTlNICIlaa （1-20）117电势常数Ce和转矩常数CT取决于电机结构，其
39、关系为：电磁转矩性质电磁转矩性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。eTCC55.9apNCe60apNCT2（1-21)118电磁功率260n 260MaaeaTaPEICn ICn I 直流电机中机械能转换为电能或电能转换为机械能的那部分功率，是由于电和磁的相互作用产生的。MaaPE IT 260TanCIT 119电磁功率直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过所做的机械功率等于通过电磁感应电磁感应作用在电枢作用在电枢回路所得到的电功率。回路所得到的电功率。直流电动机：从电源吸收的电功率，直流电动机：
40、从电源吸收的电功率，通过通过电磁电磁感应感应作用，作用，转换成轴上的机械功率；转换成轴上的机械功率；从发电机的角度看：电磁功率是转换成电功从发电机的角度看：电磁功率是转换成电功率的那部分输入机械功率率的那部分输入机械功率 从电动机的角度看：电磁功率是转换成机械从电动机的角度看：电磁功率是转换成机械功率的那部分输入电功率。功率的那部分输入电功率。120习题一台四极直流发电机，元件数S=120，每元件电阻为0.2，当转速为1000r/min时，每个元件的平均电动势为10V。电枢绕组为单叠绕组，求当电机空载时正负电刷间的电压U和电枢绕组电阻Ra各为多少？改为每根导体改为每根导体 121解：设直流电机
41、电枢绕组的并联支路数为2a，则每条支路的串联元件数为S/2a，每条支路的感应电动势等于支路串联的各元件电动势之和，而支路电阻也等于支路串联的各元件电阻之和。由于单叠绕组的各支路是对称的，因此正负电刷间的电动势为支路电动势，而电枢绕组电阻则等于支路电阻除以并联支路数。空载时，正负电刷间的电压等于正负电刷间的电动势。122电枢绕组为单叠绕组时，2a=4，每支路串联的元件数为120/4=30。因此端电压U和电枢绕组电阻分别Ra为 123习题一台二极、82kw、230V、970r/min的直流发电机的电枢上共有123个元件，每元件为1匝，如果额定运行时的磁通比空载电压为额定电压时的磁通多5，试求电机的
42、额定电磁转矩。124 解：此发电机的总导体数 N123*2*1246根 电势常数转矩常数空载电压为额定电压时所以则额定负载时的额定磁通韦电机额定负载电流A故电机额定电磁转矩1 2464.16060epNaC 24639.1722TpNpaC 0NeEnUC 02300.01454.1 970NenUC 0(15%)0.0145(15%)0.0152 52.35623082000UPINNN39.17 0.0152 356.52212.27NaTCTI （Nm）125N支路导体数每极下导体数 1261-6 直流发电机他励：励磁电源由其他独立直流电源提供他励：励磁电源由其他独立直流电源提供按励磁方
43、按励磁方式分类式分类并励发电机并励发电机串励发电机串励发电机复励发电机复励发电机自励：用发电自励：用发电机本身发出的机本身发出的电给励磁绕组电给励磁绕组供电供电 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。励三种方式。1271-6 直流发电机1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。aIIGUUfIFaII 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：1282、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。faIIIfIFIGUaI3、串励：励磁绕
44、组与电枢绕组串联。IIIfaGIaIfIFU 1294、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF长分接法长分接法短分接法短分接法 1302 直流发电机的基本方程规定各物理量的参考方向如图aEGUaIfIfU（一）电压平衡方程式aabaaaRIUURIUE2aR 为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：bU2电枢电动势：nCEea从方程式可见直流发电机UEaaaaUEI R （1-22)131直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入的驱动转矩 （二）电磁转矩和转矩
45、平衡方程10TTT 电磁转矩：TaTCI 1T0T0T1TnTSN（1-23）机械摩擦及铁损引起的空载转矩 转矩平衡方程为：132原动机输入给发电机的机械功率 1P机械摩擦损耗 铁损耗附加损耗。空载损耗包括：0mFespppp 输入直流发电机后扣除空载损耗，为电磁功率10TTT10TTT将（1-23）式两边同乘旋转角速度：10MPPp（三）功率平衡方程式（三）功率平衡方程式 133（三）功率平衡方程式（三）功率平衡方程式2McuPPpaaaUEI R 2aa aaaUIE II R 将（1-22）式两边同乘电枢电流：电磁功率是转换出的总功率，他与输出功率之间还差电枢回路的电阻铜损耗。2Cuaa
46、pI R 1342fffpI R 如果是自励发电机，还应减去励磁功率2fffpI R 他励直流发电机功率流程图1212cuFemsPPppppPPp 1353.直流发电机运行特性直流发电机的四个基本物理量：U、I、If、n。（n由原动机拖动，保持不变）运行特性：在U、I、If 之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。（他励电机负载电流电枢电流）（1 1）n n常数，常数，I I0 0，U Uo of f（I If f）；空载特性；空载特性（2 2）n n常数，常数，I If f常数，常数，U Uf f（I I）；外特性；外特性（3）n常数，U常数，Iff（I）；调节特性 136
47、定义：当 时，一、空载特性1Cn0I)(fIfU 直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载时，。由于 因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。aEUnCEea)(faIfE aE()ff I 137他励直流发电机空载特性 Uof（If）空载特性可以通过实验的手段得到。平均空载特性曲线UfIfNINU电位计接法 138定义：当 时Nnn fNfII)(IfU 外特性曲线负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励U0U0I二、外特性aaaUEI R 他励电机负载电流电枢电流 139二、
48、外特性二、外特性 根据以下公式可知，发电机端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。aaeRInCU对于并励电机：端电压下降使 If 下降，去磁作用更明显，端电压下降更多。140电压调整率（电压变化率）从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示。%1000NNUUUUU0是空载时的端电压，一般他励直流发电机的电压变化率约为510%。141定义：当 时，IIf三、调节特性转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电机的端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流
49、增大，励磁电流也增大。INIfN1Cn2CU)(IfIf特性曲线如图所示aaeRInCU 142一、自励条件4.并励直流发电机 原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，达到稳定的平衡工作点A。fIfIfIffRI 143自励过程 曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线也称场阻线 。它的斜率就是fffUI R fR增大 ，场阻线变为曲线4时，称为临界电阻，与空载特性直线部分重合电
50、机没有稳定运行点。fRfR0ffffdIUI RLdt在建立正常电压过程中励磁电流在上升：ffdILdtfI0NU1fNIA20U34 144自励过程若再增加励磁回路电阻，场阻线变为曲线3时，它可以在很低的稳定点上运行（见书上B点），不能建立正常输出电压，发电机将不能自励。0ffffdIUI RLdtffdILdtfI0NU1fNIA20U34 145IfU并励直流发电机自励的特征发电机自励时的稳定点为励磁回路场阻线与空载特性的交点。电机的转速发生变化，空载特性曲线改变，稳定工作点也改变。不同的转速，具有不同的临界电阻 146并励直流发电机自励的条件（1 1）电机的主磁路有剩磁，可通过）电机的
