電機及拖動基礎教學課件

1、電機及拖動基礎教學課件 電氣一次設備 2008-02-07 16:13:10 閱讀200 評論0 字號：大中小 1.4  直流電機的磁場1.4.1  直流電機的空載磁場1.4.2  直流電機負載時的磁場和電樞反應1.4.3  直流電機的勵磁方式1.5  直流電機的換向1.5.1  直流電機的換向問題和換向極繞組1.5.2直流電機的補償繞組小 結 思考題習 題參考文獻第1章 直流電機原理摘要：本章分析直流電機的工作原理、結構、電路、磁路及換向等問題，為電力拖動自動控制系統(tǒng)提供元件的基本知識。1.4  直流電機的磁場（返回頂部）

2、    直流電機中除主極磁場外，當電樞繞組中有電流流過時，還將會產生電樞磁場。電樞磁場與主磁場的合成形成了電機中的氣隙磁場，它是直接影響電樞電動勢和電磁轉矩大小的。要了解氣隙磁場的情況，就要先分析清楚主磁場和電樞磁場的特性。    1.4.1  直流電機的空載磁場（返回頂部）直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小，且可以不計其影響的一種運行狀態(tài)，此時電機無負載，即無功率輸出。所以直流電機空載時的氣隙磁場可以看作就是主磁場，即由勵磁磁通勢單獨建立的磁場。當勵磁繞組通入勵磁電流，各主磁極極性依次呈現為 極和 極，由于電機磁路結

3、構對稱，不論極數多少，每對極的磁路是相同的，因此只要分析一對極的磁路情況就可以了。圖1.16是一臺四極直流電機空載時的磁場分布示意圖（一對極的情形）。從圖中看出，由 極出來的磁通，大部分經過氣隙進入電樞齒部，再經過電樞磁軛到另一部分的電樞齒，又通過氣隙進入 極，再經過定子磁軛回到原來出發(fā)的 極，成為閉合回路。這部分磁通同時匝鏈著勵磁繞組和電樞繞組，電樞旋轉時，能在電樞繞組中感應電動勢，或者產生電磁轉矩，把這部分磁通稱為主磁通，用0表示。此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合回路，這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈，稱為漏磁通，用 表示。由于主磁通磁路的氣隙較小，磁導較

4、大，漏磁通磁路的氣隙較大，磁導較小，而作用在這兩條磁路的磁通勢是相同的，所以漏磁通在數量上比主磁通要小得多，大約是主磁通的20%左右。圖1.16  直流電機空載時的磁場分布示意圖1 極靴；2極身；3元子磁軛；4勵磁繞組；5氣隙；6電樞齒；7電樞磁軛由于主磁極極靴寬度總是比一個極距要小，在極靴下的氣隙又往往是不均勻的，所以主磁通的每條磁力線所通過的磁回路不盡相同，在磁極軸線附近的磁回路中氣隙較?。唤咏鼧O尖處的磁回路中氣隙較大。如果不計鐵磁材料中的磁壓降，則在氣隙中各處所消耗的磁通勢均為勵磁磁通勢。因此，在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯

5、著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。不考慮齒槽影響時，直流電機空載磁場的磁密分布如圖1.17所示。圖1.17  直流電機空載磁場的磁密分布在直流電機中，為了感應電動勢或產生電磁轉矩，氣隙里要有一定數量的主磁通0，也就是需要有一定的勵磁磁通勢 ，或者當勵磁繞組匝數一定時，需要有一定的勵磁電流 。把空載時主磁通0與空載勵磁磁通勢 或空載勵磁電流 的關系，即0= 或0= ，稱為直流電機的磁化曲線，它表明了電機磁路的特性。電機的磁化曲線可通過電機磁路計算來得到。直流電機磁路計算內容是：已知氣隙每極磁通為0，求出直流電機主磁路各段中的磁壓降，各段磁壓降的總和便是勵磁磁通勢 。對于給定的不同

6、大小的0用同一方法計算，得到與0相應的不同 ，經多次計算，便得到了空載磁化曲線0 。直流電機主磁通的磁回路從圖1.16中可看出主要包括這樣幾段：兩段主磁極、兩段氣隙、兩段電樞齒部、電樞磁軛、定子磁軛。對于每一段磁路，都是根據已知的0，算出磁密B，再找出相應的磁場強度H，分別乘以各段磁路長度后便得到磁壓降。氣隙部分的磁導率是常數，不隨0而變，或者說氣隙磁壓降與0成正比。但其它各段磁路，都是鐵磁材料構成，它們的B與H之間是非線性關系，具有磁飽和的特點，也就是說它們的磁壓降與0不成正比，也具有飽和現象，當0大到一定程度后，出現飽和，0再增大，H或磁壓降就急劇增大。因此，造成了直流電機0大到一定程度后

7、，磁路總磁壓降即勵磁磁通勢 急劇增大，電機的磁化曲線具有飽和現象，如圖2.18所示。圖1.18  電機的磁化曲線考慮到電機的運行性能和經濟性，直流電機額定運行的磁通額定值的大小取在磁化曲線開始彎曲的地方（稱為膝部），如圖1.18中的a點（稱為膝點），對應的N系指在空載額定電壓時的每極磁通，對應的勵磁磁通勢為FfN。1.4.2  直流電機負載時的磁場和電樞反應（返回頂部）當電機帶上負載后，電樞繞組中就有電流流過，在電機磁路中，又形成一個磁通勢，這個磁通勢稱為電樞磁通勢。因此，負載時的氣隙磁場將由勵磁磁通勢和電樞磁通勢共同作用所建立。電樞磁通勢的出現，必然會影響空載時只有勵磁磁

8、通勢單獨建立的磁場，有可能改變氣隙磁密分布及每極磁通量的大小。通常把負載時電樞磁通勢對主磁場的這種影響稱為電樞反應，電樞反應對直流電機的運行性能影響很大。電樞磁通勢如何影響電機中的主磁場呢？下面先分析清楚電樞磁通勢和電樞磁場的特性，然后把兩種磁場合成起來，再考慮到飽和問題，就可以看清楚電樞磁通勢對主磁場的影響了。    1電樞磁通勢和電樞磁場電樞磁通勢是由電樞電流所產生的，從對電樞繞組的分析可知，不論什么型式的繞組，其各支路中的電流是通過電刷引入或引出的。在一個極下元件邊中電流方向是相同的，相鄰的不同極性的磁極下元件邊中電流方向總是相反的。因此，電刷是電樞表面電流

9、分布的分界線。在電樞磁通勢的作用下，電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布如圖1.19所示。圖1.19  電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布由于電刷和換向器的作用，盡管電樞是旋轉的，但是每極下元件邊中的電流方向是不變的，因此電樞磁通勢以及由它建立的電樞磁場是不動的。電樞磁場的軸線總是與電刷軸線重合，并與勵磁磁通勢產生的主磁場軸線相互垂直。現在研究電樞磁通勢的大小和電樞磁場的磁密沿電樞表面分布的情況。首先討論一個元件所產生的電樞磁通勢。設電樞槽內僅嵌放一個元件，該元件軸線（即元件的中心線）與磁極軸線垂直，即元件邊位于磁極軸線上，如圖1.20（a）所示。元件有 匝，元件中的電流為 ，則元件邊

10、所產生的磁通勢為 安培導線數。由該元件所建立的磁場的磁力線的路徑如圖1.20（a）所示。設想將電機從 處切開，展平如圖1.20（b）所示。根據全電流定律可知，每個磁回路的磁通勢均為 。每根磁力線通過兩次氣隙，若不計鐵磁材料中的磁壓降，則磁通勢全部消耗在氣隙中。在直流電機中，與磁極軸線等距離處的氣隙大小相等，所以磁力線通過一次氣隙所消耗的磁通勢則為磁力線所包圍的全電流的一半，即1/2 。若以幾何中性線為縱軸，電樞周長為橫軸，但規(guī)定磁通勢方向與磁力線方向一致，即正磁通勢表示由它產生的磁通方向從電樞到主磁極，負磁通勢則為從主磁極到電樞。作這些規(guī)定后，一個元件所消耗于氣隙的磁通勢的空間分布為 

11、;                           （1.15）將式（1.15）用曲線形式表示，如圖1.20（b）中所示。從圖中看出，一個寬度為一個極距 的元件所產生的電樞磁通勢在空間的分布為一個以2 為周期，幅值為1/2 的矩形波。圖1.20  一個元件所產生的電樞磁通勢a)磁力線分布    b）磁通勢

12、分布若電樞表面均勻分布四個元件，如圖1.21所示。根據上面分析，每個元件的磁通勢空間分布均為一個高為1/2 、寬度為 的矩形波。把這樣的四個矩形波疊加起來，可得一個每級高度為 、階梯級數為2的階梯形波。圖1.21  四個元件所產生的電樞磁通勢如果電樞表面均勻分布的元件數目較多，那么總的電樞磁通勢波形會接近圖1.21中所表示的三角形波。由于實際電機中，電樞上元件很多，可近似地認為電樞磁通勢分布波形為一三角形波，其軸線即位于三角形的頂點上。設 為電樞繞組的總導線數， 為元件數， 為極對數， 為極距， 為電樞直徑，則階梯級數為 ，且階梯形波或三角形波的幅值為  

13、0;                                              （1.16）把 和 代入式（2.16）得 &

14、#160;                                          （1.17）式中 電樞表面單位長度上的安培導體數，稱為線負荷（A/m）。知道了電樞磁通勢分布曲線

15、，在忽略鐵心中磁阻的情況下，即可求出電樞磁場的磁密沿電樞表面的分布曲線。這條曲線表示為                                           

16、0;       （1.18）式中  氣隙長度（m）；      真空中的磁導率， 。如果氣隙是均勻的，即 為常數，則在極靴范圍內，磁密分布也是一條直線。但在兩極極靴之間的空間內，因氣隙長度大為增加，磁阻急劇增加，雖然此處磁通勢較大，磁密卻反而減小，因此磁密分布曲線是馬鞍形，如圖1.22中所示。圖1.22  磁場分布和電樞反應2負載時的合成磁場和電樞反應以直流電動機為例，把主磁場與電樞磁場合成，將合成磁場與主磁場比較，便可看出電樞反應的作用。在圖2.22中

17、，表明了磁極極性和極下元件邊中的電流方向。根據左手定則，決定轉動方向為由右向左。再按磁力線方向與磁通勢方向一致的原則，分別畫出主磁場分布曲線 及電樞磁場分布曲線 。若磁路不飽和，可用迭加原理，將 沿電樞表面逐點相加，便得到負載時氣隙內合成磁場分布曲線 （如圖2.22中實線所表示）。將 和 比較，得出：    （1）使氣隙磁場發(fā)生畸變。每一磁極下，因為電樞磁場使主磁場一半被削弱，另一半被加強，并使電樞表面磁密為零的位置由空載時在幾何中性線逆轉向移動了一個角度 。稱通過電樞表面磁密為零的這條直線為物理中性線。故在空載時，物理中性線與幾何中性線重合；負載時，由于電樞反應

18、的影響，氣隙磁場發(fā)生畸變，物理中性線與幾何中性線不再重合，而且磁場的分布曲線也與空載時不同。（2）對主磁場起去磁作用。在磁路不飽和時，主磁場被削弱的數量恰好等于被加強的數量（圖2.22中表示出面積 ），因此負載時每極下的合成磁通量與空載時相同。但在實際電機中，磁路總是飽和的。因為在主磁極兩邊磁場變化情況不同，一邊是增磁的，另一邊是去磁的。主極的增磁作用會使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，從而使實際的合成磁場曲線（圖中用虛線表示）比不計飽和時要低些，與不飽和時相比，增加的磁通要少些；主極的去磁作用可使飽和程度降低，鐵心磁阻減小，結果使實際的合成磁場曲線（圖中用虛線表示）比不計飽和時略高些，與不飽和時

19、相比，減少的磁通要少些。由于磁阻變化的非線性，磁阻的增大比磁阻的減小要大些，增加的磁通就會小于減少的磁通（圖2.22中表示出面積 )，因此負載時合成磁場每極磁通比空載時每極磁通略有減少，這就是電樞反應的去磁作用?？偟膩碚f，電樞反應的作用不僅使電機內氣隙磁場發(fā)生畸變，而且還會呈去磁作用。    1.4.3  直流電機的勵磁方式（返回頂部）    直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。1他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯接關系，而由其他直流電源

20、對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，接線如圖1.23（a）所示。圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。2并勵直流電機并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯，接線如圖1.23（b）所示。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。3串勵直流電機串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯后，再接于直流電源，接線如圖1.23（c）所示。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。4復勵直流電機復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖1.23（d）所示。若串勵繞組產生的磁

21、通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復勵式。圖1.23  直流電機的勵磁方式a)他勵； b)并勵； c)串勵； d）復勵第1章 直流電機原理摘要：本章分析直流電機的工作原理、結構、電路、磁路及換向等問題，為電力拖動自動控制系統(tǒng)提供元件的基本知識。1.5  直流電機的換向（返回頂部）    1.5.1  直流電機的換向問題和換向極繞組（返回頂部）通過對直

22、流電機電樞繞組的分析知道，當電樞旋轉時，組成電樞繞組的每條支路里所含元件數目是不變的，但組成每條支路的元件都在依次循環(huán)地更換。一條支路中的某個元件在經過電刷后就成為另一條支路的元件，并且在電刷的兩側，元件中的電流方向是相反的，因此直流電機在工作時，繞組元件連續(xù)不斷地從一條支路退出而進入相鄰的支路。在元件從一條支路轉入另一條支路這個過程中，元件中的電流就要改變方向，這就是所謂直流電機的換向問題。換向問題是換向器電機的一個專門問題，如果換向不良，將會在電刷與換向片之間產生有害的火花。當火花超過一定程度，就會燒壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。此外，電刷下的火花也是一個電磁波的來源，對附近無線

23、電通訊有干擾。國家對電機換向時產生的火花等級及相應的允許運行狀態(tài)有一定的規(guī)定。讀者可參閱我國有關國家技術標準。產生火花的原因是多方面的，除電磁原因外，還有機械的原因，換向過程中還伴隨有電化學、電熱等因素，它們互相交織在一起，所以相當復雜，至今還沒有完全掌握其各種現象的物理實質，尚無完整的理論分析。就電磁理論方面看，換向元件在換向過程中，電流的變化必然會在換向元件中產生自感電動勢。此外，因電刷寬度通常為23片換向片寬，同時換向的元件就不止一個，換向元件與換向元件之間會有互感電動勢產生。自感電動勢和互感電動勢的合成稱為電抗電動勢。根據楞次定律，電抗電動勢的作用是阻止電流變化的，即阻礙換向的進行。另

24、外電樞磁場的存在，使得處在幾何中性線上的換向元件中產生一種切割電動勢，稱為電樞反應電動勢。根據右手定則，電樞反應電動勢也起著阻礙換向的作用。因此，換向元件中出現延遲換向的現象，造成換向元件離開一個支路最后瞬間尚有較大的電磁能量，這部分能量以弧光放電的方式轉化為熱能，散失在空氣中，因而在電刷與換向片之間出現火花。從產生火花的電磁原因出發(fā)，要有效地改善換向，就必須減小、甚至抵削換向元件中的電抗電動勢和電樞反應電動勢。目前最主要的方法是在主磁極之間裝設換向極。由于換向元件中的電抗電動勢和電樞反應電動勢均與電樞電流成正比，所以換向極繞組中應通以電樞電流，即換向極繞組與電樞繞組串聯。換向極繞組一般用截面

25、較大的矩形導線繞成，而且匝數較少。換向極繞組產生的磁通勢的方向與電樞磁通勢的方向相反，大小比電樞磁通勢大。這樣換向極磁通勢除抵削電樞磁通勢在幾何中性線處的作用外，剩余的磁通勢在換向元件里產生感應電動勢，這個電動勢抵消換向元件中的電抗電動勢。只要換向極設計和調整得合適，就能保證換向元件中總電動勢接近于零，電機的換向就比較順利了，使負載運行時電刷與換向器之間基本上沒有火花。圖2.24表示了一臺直流電機換向極繞組的聯接與換向極的極性布置。在直流電動機中，換向極極性應和換向元件邊剛離開的那個主磁極極性一樣，其排列順序為 、 、 、 （ 、 為換向極極性），而在直流發(fā)電機中，應與將進入的那個主磁極極性相

26、同，其排列順序為 、 、 、 。圖1.24  換向極繞組聯接與極性1.5.2 直流電機的補償繞組（返回頂部）在直流電機中，除了上述的電磁性火花外，有時還因某些換向片的片間電壓過高而產生的所謂電位差火花。在換向不利的條件下，電磁性火花與電位差火花連成一片，在換向器上形成一條長電弧，將正、負電刷連通，如圖2.25所示。這種現象稱為“環(huán)火”，是一種十分危險的現象，它不僅會燒壞電刷和換向器，而且將使電樞繞組受到嚴重損害。圖1.25  環(huán)火為了防止電位差火花和環(huán)火，在大容量和工作繁重的直流電機中，在主磁極極靴上專門沖出一些均勻分布的槽，槽內嵌放補償繞組，如圖1.26所示。補償繞組與電

27、樞繞組串聯，并使補償繞組磁通勢與電樞磁通勢相反，以保證在任何負載下電樞磁通勢都能被抵削，從而減少了因電樞反應而引起氣隙磁場的畸變，也就減少了產生電位差火花和環(huán)火的可能性。但是裝置補償繞組使電機的結構變得復雜，成本較高，所以一般直流電機不采用，僅在負載變動大的大、中型電機中才用。    還應指出的是環(huán)火的發(fā)生除了上述的電氣原因外，因換向器外圓不圓，表面不干凈也可能形成環(huán)火，因此加強對電機的維護工作，對防止環(huán)火的發(fā)生有著重要作用。圖1.26  補償繞組小  結（返回頂部）直流電機的工作原理是建立在電和磁相互作用的基礎上。直流電機以及其他旋轉電機都是

28、實現機電能量轉換的裝置。為此必須熟練地應用所學過的基本電磁定律，結合電刷和換向器的作用去理解，并且充分注意到直流電機中外電路的電壓（電動勢）和電流都是直流電性質的，而每個元件的電壓（電動勢）和電流都是交變性質的。任何類型的旋轉電機都由定子部分和轉子部分組成，在這兩部分之間存在著一定大小的氣隙，使電機中磁場和電路能發(fā)生相對運動。直流電機的主要結構部件除定子部分的主磁極和轉子部分的電樞外，還有一些其他主要的部件，如換向器。這些主要的結構部件有其結構形式和作用。額定值是保證電機可靠地工作并具有良好性能的依據。尤其對應用人員，要充分理解額定值的涵義，以便合理地選擇和使用電機。直流電機的額定值有額定功率

29、、額定電壓、額定電流、額定轉速和額定勵磁電流等。電樞繞組是直流電機的主要電路部分，是實現機電能量轉換的樞紐。直流電機的電樞繞組是由許多完全相同的元件按一定的規(guī)律排列和聯接起來的一種閉合繞組。單疊繞組和單波繞組是兩種基本型式。從構成電樞電路的支路來看，單疊繞組中上層邊處于同一磁極下的元件串聯構成一條支路，而單波繞組則是將上層邊處于相同極性磁極下的所有元件串聯構成一條支路，雖然電樞在轉動，每個瞬時構成支路的元件在更換，但電樞繞組通過電刷并聯的支路數總是不變的。因此，單疊繞組的支路對數始終等于極對數，即 ，而單波繞組的支路對數與極對數無關，永遠等于1，即 。電機的磁場是機電能量轉換的媒介，不僅需要理

30、解電機的磁場是怎樣產生的，而且更重要的是理解其性質。直流電機的磁場由勵磁磁通勢和電樞磁通勢共同產生，屬于雙邊勵磁的電機。因此存在電樞磁通勢對氣隙磁場的影響，即所謂電樞反應。電樞反應的作用不僅使氣隙磁場發(fā)生畸變，而且還會呈一定的去磁作用。電樞反應對直流電機的運行性能影響很大。換向是直流電機在制造和運行中必須予以重視的問題。特別是在運行中需經常觀察直流電機的換向是否良好。不良換向將會使電機遭到損壞。換向過程是相當復雜的，至今還未完全掌握其各種現象的物理實質，主要的電磁現象在于換向元件中存在兩種電動勢（即電抗電動勢和電樞反應電動勢）阻礙電流變化，導致換向延遲。當換向元件離開一條支路最后的瞬間具有一定

31、的電磁能量釋放出來，可能產生火花。改善換向的主要方法是裝設換向極。換向極繞組通以電樞電流，使換向極磁通勢不僅抵削在幾何中性線處作用的電樞磁通勢，而且產生換向極電動勢去抵削電抗電動勢。為了防止電位差火花與環(huán)火，在大容量和工作繁重的直流電機中，在主磁極極靴上嵌放補償繞組。思考題（返回頂部）1.1  在直流發(fā)電機和直流電動機中，電磁轉矩和電樞旋轉方向的關系有何不同？電樞電動勢和電樞電流方向的關系有何不同？    1.2  直流電機有哪些主要結構部件？各用什么材料制成？起什么作用？    1.3  直流電機銘牌上的額定功率是指什么功率？   1.4  一臺四極直流電