1、 电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案绪论绪论第一章第一章 直流电机直流电机第二章第二章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第三章第三章 变压器变压器第四章第四章 三相异步电动机三相异步电动机第五章第五章 三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第六章第六章 同步电机同步电机第七章第七章 驱动和控制微电机驱动和控制微电机第八章第八章 电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择电机与拖动电子教案绪 论 电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动
2、机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。有变压器和旋转电机。0.1 电机及电力拖动系统概述两种方法归纳如下两种方法归纳如下：电机电机变压器变压器直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机交流电机交流电机控制电机控制电机同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电机异步电机异步发电机异步发电机异步电动机异步电动机绪 论 电机拖动系统电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：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、
3、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下它们之间的关系如下 电动机电动机传动机构传动机构生产负载生产负载控制设备控制设备电源电源绪 论 本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。0.2 本课程的性质、任务和内容 本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及
4、电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。习和工作打下坚实的基础。本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。绪 论 电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、
5、动力业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。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。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。0.3 本课程的特点及学习方法 为了学好本门课程，必须做到以下几点：为了学好本门课程，必须做到以下几点：1 1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2 2、抓住重点，牢
6、固掌握基本概念、基本原理和主要特性；、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3 3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；共性和特点，加深对原理和性能的理解；4 4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5 5、充分预习和复习。、充分预习和复习。1.2 1.2 直流电机电枢绕组简介直流电机电枢绕组简介1.3 1.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理
7、，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。电动机的工作特性。1.4 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向1.6 1.6 直流发电机直流发电机1.7 1.7 直流电动机直流电动机1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构思考题与习题思考题与习题基本要求：基本要求：1.掌握直流电机的基本工作原
8、理；2.了解直流电机的基本结构和各部件的主要作用；3.明确直流电机的铭牌中主要额定数据及其含义以及在使用电机时应当注意的事项；4.理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法；4.能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图。了解各绕组的主要特点；5.了解电枢反应对电机的影响；6.掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式；7.理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质；8.了解直流电机的换向过程和改善换向的方法；9.了解直流电机的各种励磁方式；10.掌握电磁功率的关系式，并理解直流电机中机电能量是可以彼此互相转换的；11.了解电机的可逆原理。了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态；12.掌握
9、根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式；13.掌握自励直流发电机的自励建压过程和条件；14.掌握直流发电机的运行特性；15.掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系。1.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，右图为直流发电机的物理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端枢。线圈的首末端a a、d d连接到两个连接到两个相
10、互绝缘并可随线圈一同旋转的换相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。电刷进行的。直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。是将机械能转变成电能的旋转机械。当原动机驱动当原动机驱动电机转子逆时针旋电机转子逆时针旋转时同，线圈转时同，线圈abcdabcd将感应电动势。如将感应电动势。如右图，导体右图，导体abab在在N N极极下，下，a a点高电位，点高电位，b b点低电位；导体点低电位；导体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电点高电位，位，d d点低电位；电点
11、低电位；电刷刷A A极性为正，电刷极性为正，电刷B B极性为负。极性为负。当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后，如右图后，如右图。0180 与电刷与电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，与电刷极下，与电刷B B接触的导体总是位接触的导体总是位于于S S极下极下,电刷电刷A A的极性总是正的，的极性总是正的，电刷电刷B B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低电位，点低电位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，
12、c c点点低电位，低电位，d d点高电位；电刷点高电位；电刷A A极性极性仍为正，电刷仍为正，电刷B B极性仍为负。极性仍为负。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此
13、时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该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。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下，受力方向从左向右，原下，受力方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转
14、到转到N N极下，受力方极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。下继续逆时针方向旋转。与直流发电机相同，实际的与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。磁极也并非一对。当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时直流电直流电动机的动机的工作原工作原理示意理示意图图:1.1 直流电机的基本工作原理和结构1.1.2 直流电机的主要结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构
15、成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定子定子转子转子换向器换向器：与电刷装置配合与电刷装置配合,完成直流与交流的互换。完成直流与交流的互换。电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。转转 轴：轴：由钢铁做成。由钢铁做成。轴轴 承：承：1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列额
16、定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率NP额定功率额定功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。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额定电压额定电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流NI额额定定电电流流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.Nn额额定定转转速速
17、fNI额额定定励励磁磁电电流流对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、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。出厂编号等。电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运欠载运行；运行电流大于额定电流行电
18、流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。作性能等比较好。1.2.1 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识1.2 直流电机的电枢绕组简介元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中
19、一根称为首端，另一根称为末端。一根称为首端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。P2D叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边
20、在电枢表面跨过的距离。1y合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。层边与第二个元件的上层边间的距离。2y21yyy单叠绕组单叠绕组21yyy单波绕组单波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky1.2.2.1.2.2.单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件(线圈线圈)相互叠压相互叠压,合成节距与换向合
21、成节距与换向节距均为节距均为1,1,即：即：1kyy 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。电刷间的相对位置关系。单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极数与支路数相
22、同。数与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。.单波绕组单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。图所示。两个串联元件放在两个串联元件放在同极磁极下，空间位置同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落其末尾所边的换向片落在与起始的换
23、向片相邻在与起始的换向片相邻的位置。的位置。单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来组成一条支路，支起来组成一条支路，支路对数为路对数为1 1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2 2）当元件的几何形）当元件的几何形状对称时，电刷在状对称时，电刷在换向器表面上的位换向器表面上的位置对准主磁极中心置对准主磁极中心线，支路电动势最线，支路电动势最大大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支
24、路电流之和。1.3.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数当励磁绕组的串联匝数为为 ，流过电流，流过电流 ，每，每极的励磁磁动势为：极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢
25、绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路
26、或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在
27、磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。空载时的气隙磁通密度为空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图一平顶波，如下图(b)(b)所示。所示。空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c)(c)所示。所示。为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。
28、如右图所示。000fF0fI 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。NfNI0fF0fIINfIA0N01.3.2 直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。出现使电机的磁场发生变化。右图为一台电刷放在
29、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分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为为交轴磁动势交轴磁动势。如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则有无穷多整距元件分布，则电电枢磁动势枢磁动势在气隙圆周方向空间在气隙圆周方向空间分布呈分布呈三角波三角波，如图中，如图中 所所示。示。axF 由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不
30、变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的为对称的马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所示。所示。axBaxBaxF1.3.31.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的位置有关。位置有关。1 1、当电刷在几何中性线
31、上时当电刷在几何中性线上时，将，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a a）所示。）所示。xB0axBxB主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线的磁通密度分布曲线由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后
32、由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，
33、铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。2 2、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所示。所示。电枢磁动势可以分电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势轴电枢磁动势 和直轴和直轴电枢磁动势电枢磁动势 。adFaqF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
34、移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁1.4.1 直流电机的电枢电动势1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。枢电动势。性质性质:发电机发电机电源电势电源电势(与电枢电流同方向与电枢电流同方向););电动机电动机反电势反电势(与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中a60pNCE可见可见,直流电机的感应电动势与电机结构
35、、气隙磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。大小大小:nCnapNEEa601.4.2 直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用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。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小:2emaTapNT IC Ia性质性质:发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比流成正比为电机的
36、转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中apNCT2ETC9.55C 1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述1.5 直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时支路时,元件里的电流方向改变，即元件里的电流方向改变，即换向换向。电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1的被短路，电流的被短路，电流被分流。被分流。电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的电流方向如图所示
37、，大小为电流方向如图所示，大小为 。aii 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为aii 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象
38、。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周换向周期期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。1.5.2 1.5.2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。LeMe切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电：在
39、几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。ae换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为：kaMLeeeee 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。是阻碍换向的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。的电动势。换向电动势是帮助换向的换向电动势是帮助换向的。ke换向元件中的电流：换向元件中的电流：11kbkbRi(RR)i(RR)ie 设两相邻的换向片
40、与电刷的接触电阻分别是设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和和 ，元件，元件自身的电阻为自身的电阻为 ,流过的电流为流过的电流为 ,元件与换向片间的连线电阻元件与换向片间的连线电阻为为 ,元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程：1bR2bRRikR 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为换向片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变，则可推导出换向元件中的电流变化规律为化规律为bR2kalkkkkbkeTtiiiiTTTR()tTt一、直线换向0e当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线
41、性变化。线性变化。0e当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向0e当当 时换向元件电流随时间再时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向ai直线换向直线换向aikTt0延迟换向延迟换向超越换向超越换向1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花
42、。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。产生火花。改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串
43、联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势1.6.1 1.6.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.6 直流发电机 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。分为他励他励和和自励自励两大类，自励方式又分两大类，自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。aIIGUfUfIaII 他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：2 2、并励、并励：发电机的励磁绕组与电发电机
44、的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足afI=I+IfIUIaEaI3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足afI=I=IUIaIfIaE4 4、复励：、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕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。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIUaEIaI1fIIaEUaI1fI2fI1.6.2 1.6.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一.电动势平衡方程电动势平衡方程2aaabaa
45、EUI RUUI R从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足aEU二二.转矩平衡方程转矩平衡方程10emTTTfIfU UaI1T0TemTnaEemT发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：1T0T直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流ffUIR三、励磁特性公式三、励磁特性公式每极气隙磁通每极气隙磁通aff(I,I)四四.功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 1P
46、电磁功率电磁功率aaememIETPPP01mecp机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗Fep、附加损耗附加损耗 adp空载损耗空载损耗 包括：包括：0paE 电磁功率电磁功率一方面代表电动势为一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。械功率。aICuaP电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率输出的电功率CuaemPPP2cufp自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗1.
47、6.3 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性一、空载特性1Cn0I)f(IUf定义定义:当当 、时，时，直流发电机的空载特性是非线直流发电机的空载特性是非线性的，上升与下降的过程是不相同性的，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的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。为空载特性曲线。空载时空载时aEU空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线UfI)(faIfE 空载特性实质上就是空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。化特性曲线相同。二、
48、外特性Nnn fNfII f(I)U 定义：当定义：当 、时，时，由曲线可见，负载电流增大时，端由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。电压有所下降。他励他励并励U0U0IaaeRInCU 根据根据 可知可知端电压下降端电压下降有两个原因：有两个原因：(一一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁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；作用使每极磁通量减少，使电动势减少；(二二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压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。下降。为什为什么低么低?三、调节特性1Cn2CU
49、f(I)If定义：当定义：当 、时，时，由曲线可见，在负载电流变化由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响路电阻压降对对输出端电压的影响.fI0I1.6.41.6.4 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过
50、程，满足建压的同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。条件称为自励条件。一、自励条件fI0U10fIA20U3 曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线，也称场阻线也称场阻线 。fffRIUfR 原动机带动发电机旋转时，如果主磁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动势。在电动势作用下励磁回路产生 。fI增大增大 ,场阻线变为曲线场阻线变为曲线3 3时，时，称为临界电阻称为临界电阻 。fRfRcrR
