電機及拖動基礎(chǔ)(顧繩谷-主編)第二章

1、1第二章第二章 直流電機直流電機第一節(jié)第一節(jié) 直流電機的工作原理及結(jié)構(gòu)直流電機的工作原理及結(jié)構(gòu)一、直流電機的工作原理一、直流電機的工作原理（一）直流電動機的工作原理（一）直流電動機的工作原理載流導(dǎo)體在磁場中受到的力載流導(dǎo)體在磁場中受到的力Bilf B 磁場的磁感應(yīng)強度磁場的磁感應(yīng)強度(Wb/m2)i 導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體中的電流(A)l 導(dǎo)體的有效長度導(dǎo)體的有效長度(m)2 當安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流當安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就

2、旋轉(zhuǎn)起來。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要轉(zhuǎn)起來。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要處在處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在流入的方向；而在S極下時，總是從電刷極下時，總是從電刷B流出的方向，就使電動機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。流出的方向，就使電動機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。 當線圈當線圈ax中通入直流電流時，線圈邊中通入直流電流時，線圈邊a和和x上均受到電磁力，根上均受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個據(jù)左手定則確定力的方向。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩。3（二）

3、直流發(fā)電機的工作原理（二）直流發(fā)電機的工作原理 用原動機拖動電樞逆時針方向恒速用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈邊轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和和cd就分別切割不同就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交變的電動勢。由于換向器配合電刷對變的電動勢。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷電流的換向作用，在電刷A、B端的端的電動勢確是直流電動勢。電動勢確是直流電動勢。 一臺直流電機一臺直流電機作為電動機運行作為電動機運行在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞 旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn) ，輸出機械能；，

4、輸出機械能；作為發(fā)動機運行作為發(fā)動機運行用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直 流電動勢，作為直流電源，輸出電能。流電動勢，作為直流電源，輸出電能。4二、直流電機的結(jié)構(gòu)二、直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機剖面圖直流電機剖面圖1換向器換向器2電刷裝置電刷裝置3機座機座4主磁極主磁極5換向極換向極6端蓋端蓋7風扇風扇8電樞繞組電樞繞組9電樞鐵心電樞鐵心56（一）直流電機的靜止部分（一）直流電機的靜止部分1 1、主磁極、主磁極2 2、換向極、換向極1主磁極鐵心主磁極鐵心2勵磁繞組勵磁繞組3機座機座1換向極鐵心換向極鐵心2換向極繞組換向極繞組3、機座、機座用來固定主磁極

5、、換向極和端蓋；用來固定主磁極、換向極和端蓋； 另外，又作為磁路的一部分。另外，又作為磁路的一部分。 7（二）直流電機的轉(zhuǎn)動部分（二）直流電機的轉(zhuǎn)動部分4、電刷裝置、電刷裝置1刷握刷握2電刷電刷3壓緊彈簧壓緊彈簧44銅絲辮銅絲辮1、電樞鐵心、電樞鐵心a)電樞鐵心電樞鐵心 沖片沖片b)電樞鐵心電樞鐵心82、電樞繞組、電樞繞組由許多按由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。一定規(guī)律連接的線圈組成。1槽楔槽楔2線圈絕緣線圈絕緣3導(dǎo)體導(dǎo)體44層間絕緣層間絕緣55槽絕緣槽絕緣66槽底絕緣槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器、換向器由許多換由許多換向片組成，換向片之間用云向片組成，換向片之間用云母絕緣。

6、母絕緣。1換向片換向片2連接片連接片9第二節(jié)第二節(jié) 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)直流電機的銘牌數(shù)據(jù)直流電機的額定值有：直流電機的額定值有：1 1、額定功率、額定功率PN(kW)2 2、額定電壓、額定電壓UN(V)3 3、額定電流、額定電流IN(A)4 4、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5 5、額定勵磁電壓、額定勵磁電壓UfN(V)10在額定工況下，電機出線端的平均電壓發(fā)電機：是指輸出額定電壓；發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。電動機：是指輸入額定電壓。NU額定電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流NI額定電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速Nn額定轉(zhuǎn)速指軸

7、上輸出指軸上輸出的機械功率的機械功率指電刷間輸出的指電刷間輸出的額定電功率額定電功率電動機電動機發(fā)電機發(fā)電機額定條件下電機所能提供的功率額定功率NP11fNI額定勵磁電流對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式勵磁方式 此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。出廠編號等。 電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于額定狀電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運行電流大于

8、額欠載運行；運行電流大于額定電流定電流過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。12第三節(jié)第三節(jié) 直流電機的繞組直流電機的繞組一、簡單的繞組一、簡單的繞組 對繞組的要求：在能夠通過規(guī)定的對繞組的要求：在能夠通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動勢的前提下，電流和產(chǎn)生足夠的電動勢的前提下，盡可能節(jié)省銅和絕緣材料，并且結(jié)構(gòu)盡可能節(jié)省銅和絕緣材料，并且結(jié)

9、構(gòu)簡單、運行可靠。簡單、運行可靠。1-21-2、3-43-4、5-65-6、7-87-8分別構(gòu)成分別構(gòu)成4 4個線圈個線圈 右圖只是說明原理的示意圖。它的缺右圖只是說明原理的示意圖。它的缺點是：隨著電樞的轉(zhuǎn)動，始終只有一個點是：隨著電樞的轉(zhuǎn)動，始終只有一個線圈有電流。這樣的話，材料沒有充分線圈有電流。這樣的話，材料沒有充分利用，產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩或電勢均很小利用，產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩或電勢均很小。解決辦法：用解決辦法：用4 4個換向片將個換向片將4 4個線圈都連接個線圈都連接起來，成為一個閉合繞組，兩個不同的元起來，成為一個閉合繞組，兩個不同的元件邊連接一個換向片。每個元件的兩個元件邊連接一個換向片。每個元

10、件的兩個元件邊連接件邊連接2 2個不同的換向片。共用了個不同的換向片。共用了4 4個換個換向片，節(jié)省了材料，提高了輸出轉(zhuǎn)矩。向片，節(jié)省了材料，提高了輸出轉(zhuǎn)矩。1314151617二、繞組的基本形式二、繞組的基本形式（一）單疊繞組（一）單疊繞組單疊繞組的特點：元件的兩個端子連單疊繞組的特點：元件的兩個端子連接在相鄰的兩個換向片上。接在相鄰的兩個換向片上。單疊繞組的所有的相鄰元件依次串聯(lián)，單疊繞組的所有的相鄰元件依次串聯(lián)，即后一元件的首端與前一元件的末端即后一元件的首端與前一元件的末端連在一起，接到一個換向片上。最后連在一起，接到一個換向片上。最后一個元件末端與第一個元件首端連接一個元件末端與第一

11、個元件首端連接在一起，形成一個閉合回路。在一起，形成一個閉合回路。 元件的跨距：上層元件邊與下層元件的跨距：上層元件邊與下層元件邊的距離（用槽數(shù)表示）稱為跨元件邊的距離（用槽數(shù)表示）稱為跨距。一般要求元件的跨距等于電機的距。一般要求元件的跨距等于電機的極距。極距。 右上圖中，跨距為右上圖中，跨距為4 4槽。槽。181920（二）單波繞組（二）單波繞組單波繞組單波繞組不是把元件依串聯(lián)，而是把相隔大約兩個極距，不是把元件依串聯(lián)，而是把相隔大約兩個極距，即在磁場中的位置差不多相對應(yīng)的元件連接起來。即在磁場中的位置差不多相對應(yīng)的元件連接起來。2122直流電機的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還

12、有其他直流電機的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等形式，如復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組等。23第四節(jié)第四節(jié) 直流電機的勵磁方式及磁場直流電機的勵磁方式及磁場一、直流電機的勵磁方式一、直流電機的勵磁方式1 1、他勵直流電機、他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而是由勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而是由 其他直流電源對勵磁繞組供電其他直流電源對勵磁繞組供電。2 2、并勵直流電機、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。3 3、串勵直流電機、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。4 4、復(fù)勵直流電機、

13、復(fù)勵直流電機兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)，兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)， 另一個與電樞繞組串聯(lián)。另一個與電樞繞組串聯(lián)。24二、直流電機的空載磁場二、直流電機的空載磁場直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。勢單獨建立的磁場。25氣隙中主磁場磁通密度的分布氣隙中主磁場磁通密度的分布磁化曲線磁化曲線26三、直流電機負載時的磁場及電樞反應(yīng)三、直流電機負載時的磁場及電樞反應(yīng) 當直流電機帶上負載以后，在電機磁當直流電機帶上負載以后，在電機磁路中又形成一個磁動勢，這個磁動勢稱為路中又形成一個磁動勢，這個磁

14、動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢。 此時的電機氣隙磁場是由勵磁磁動勢此時的電機氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產(chǎn)生的。電樞磁動勢對和電樞磁動勢共同產(chǎn)生的。電樞磁動勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。274 4個元件所產(chǎn)生的電樞磁動勢波形個元件所產(chǎn)生的電樞磁動勢波形電樞反應(yīng)后磁動勢波形電樞反應(yīng)后磁動勢波形1 1、有負載時氣隙磁場發(fā)生了畸變、有負載時氣隙磁場發(fā)生了畸變2 2、電樞反應(yīng)呈現(xiàn)去磁作用、電樞反應(yīng)呈現(xiàn)去磁作用28第五節(jié)第五節(jié) 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算一、感應(yīng)電動勢的計算一、感應(yīng)電動勢的計算 直流電機無論作電動機運行，還是發(fā)直流電機無論

15、作電動機運行，還是發(fā)電機運行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。電機運行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。602260tp npn 式中，式中，n電樞的轉(zhuǎn)速；電樞的轉(zhuǎn)速；p極對數(shù)。極對數(shù)。ay01d460tpnEe tNt根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個匝數(shù)為根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個匝數(shù)為 的元件的元件中感應(yīng)電動勢的平均值為：中感應(yīng)電動勢的平均值為：yN29nCnapZaSpnNEyae602604對制成的電機，對制成的電機，Ce=pZ/60a為一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)為一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)繞組全部有效導(dǎo)體數(shù)為繞組全部有效導(dǎo)體數(shù)為 ，所以，所以y2ZSN若不計飽和影響，有若不計飽和影響，有ffK I其中其中Kf 為

16、比例常數(shù)為比例常數(shù)30fafffeIGnIKCnCEea其中其中Gaf=CT Kf ； 為機械角速度。為機械角速度。感應(yīng)電動勢的計算公式為感應(yīng)電動勢的計算公式為31242eaaTaZpZTpIICIaa其中其中為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有apZCT2eTCC55. 9電磁轉(zhuǎn)矩也可以表示為電磁轉(zhuǎn)矩也可以表示為eaffaTG I I其中其中Gaf=CT Kf 二、二、電磁轉(zhuǎn)矩的計算電磁轉(zhuǎn)矩的計算32第六節(jié)第六節(jié) 直流電機的運行原理直流電機的運行原理一、直流電機的基本方程式一、直流電機的基本方程式（一）電動勢平衡方程式（一）電動勢平衡方程式若電機穩(wěn)態(tài)運行，對于電動機若電機穩(wěn)態(tài)運行，對于電

17、動機若電機穩(wěn)態(tài)運行，對于發(fā)電機若電機穩(wěn)態(tài)運行，對于發(fā)電機aaaaafafaIREIRIGUfffIRUfffIRUaaaaIRUE33（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式對于電動機：對于電動機：穩(wěn)態(tài)運行時穩(wěn)態(tài)運行時e20ddTTTJt其中其中T2為負載制動轉(zhuǎn)矩，為負載制動轉(zhuǎn)矩，T0為空載損耗轉(zhuǎn)矩。為空載損耗轉(zhuǎn)矩。e20TTT對于發(fā)電機：對于發(fā)電機：1e0ddTTTJt其中其中T1為原動機拖動轉(zhuǎn)矩。為原動機拖動轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運行時穩(wěn)態(tài)運行時1e0TTT二、直流電動機工作特性二、直流電動機工作特性34（一）并勵直流電動機的工作特性（一）并勵直流電動機的工作特性1. . 轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性當當U=UN

18、 , , If=IfN時，時，n=f(Ia)的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線aaeeRUnICC其中其中2. . 轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性當當U=UN , ,If=IfN時，時，Te=f(Ia)的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線eTaTaTCIC I TTCC 3. . 效率特性效率特性當當U=UN , ,If=IfN時，時，=f(Ia)的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線2FemecCufaaac21af2 100%1()pppI RIUPPU II35（二）串勵直流電動機的工作特性（二）串勵直流電動機的工作特性電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式eaafc()UCnIRR電動勢公式電動勢公式aeaaECnC I n轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式

19、e20TTT轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)矩公式2eTaTaTCIC I （其中，（其中，Rfc為串勵繞組電阻，為串勵繞組電阻，aefCC K ，TTfCC K ）2e200602PTTTTn36（三）復(fù)勵直流電動機的工作特性（三）復(fù)勵直流電動機的工作特性 例例2-12-1 一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：V750NUkW1325NPA1930NImin/ r200Nn電樞繞組的電阻電樞繞組的電阻電刷接觸壓降電刷接觸壓降0161. 0aRV22cU設(shè)電動機原來在額定轉(zhuǎn)速和額定負載下運行，在負載的總制動轉(zhuǎn)矩設(shè)電動機原來在額定轉(zhuǎn)速和額定負載下運行，在負載的總制動轉(zhuǎn)矩（包括損耗轉(zhuǎn)矩）保持

20、不變的情況下，試求（包括損耗轉(zhuǎn)矩）保持不變的情況下，試求（1）在電樞回路中突然串入電阻）在電樞回路中突然串入電阻R=0.0743, ,求串入電阻最初瞬求串入電阻最初瞬間和達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？間和達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？37（2）減少電動機的勵磁電流，使磁通）減少電動機的勵磁電流，使磁通 減少減少10%，當達到，當達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？解解aaac2(750 1930 0.0161 2)V717VEUI RUa1930AI aaac()27501930(0.01610.0743)2 V574VEUIRRU （1）電

21、樞回路中突然串入電阻）電樞回路中突然串入電阻R最初瞬間最初瞬間a717VE acaa27507172A343A0.01610.0743UEUIRR穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時aa574(200)r/min160r/min717EnnE （2）磁通）磁通 減少為原來的減少為原來的0.9a(1930/0.9)A2145AIaaac2(7502145 0.0161 2)V713VEUI RUaa7131200r/min221r/min7170.9EnnE38三、直流發(fā)電機的工作特性三、直流發(fā)電機的工作特性a) 他勵直流發(fā)電機他勵直流發(fā)電機b) 并勵直流發(fā)電機并勵直流發(fā)電機c) 復(fù)勵直流發(fā)電機復(fù)勵直流發(fā)電機（一）空載

22、運行（一）空載運行1 空載特性空載特性當他勵直流發(fā)電機被原動機拖當他勵直流發(fā)電機被原動機拖動，動，n=nN 時，勵磁繞組端加上時，勵磁繞組端加上勵磁電壓勵磁電壓Uf , ,調(diào)節(jié)勵磁電流調(diào)節(jié)勵磁電流If0 , ,得出空載特性曲線得出空載特性曲線U0=f(I0)。392 并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機空載電壓的建立并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機空載電壓的建立自勵電壓的建立有三個條件：自勵電壓的建立有三個條件：1）電機必須有剩磁；電機必須有剩磁；2）勵磁繞組并聯(lián)到）勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確；電樞的極性必須正確；3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻的臨界電阻。（二）負載運行（二）負載運行 無論他勵、并勵還是復(fù)勵發(fā)電機，無論他勵、并勵還是復(fù)勵發(fā)電機，建立電壓以后，在建立電壓以后，在 n = nN 的條件下，的條件下，加上負載后，發(fā)電機的端電壓都將發(fā)加上負載后，發(fā)電機的端電壓都將發(fā)生變化。生變化。1積復(fù)勵發(fā)積復(fù)勵發(fā)電機外特性；電機外特性；2他勵發(fā)他勵發(fā)電機外特性；電機外特性；3并勵發(fā)并勵發(fā)電機外特性；電機外特性；40第七節(jié)第七節(jié) 直流電機的換向直流電機的換向 換向問題很復(fù)雜，換向