電機(jī)拖動第二章

第二章直流電機(jī)第一節(jié)直流電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的工作原理（一）直流電動機(jī)的工作原理載流導(dǎo)體在磁場中受到的力B

—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)i

—導(dǎo)體中的電流(A)l

—導(dǎo)體的有效長度(m)1

下圖為直流電動機(jī)的簡化模型。N,S為固定不動的定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的轉(zhuǎn)子線圈，線圈的首端a，末端d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同轉(zhuǎn)動的導(dǎo)電換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷實(shí)現(xiàn)的。在定子與轉(zhuǎn)子間有間隙存在，稱其為氣隙。

23（二）直流發(fā)電機(jī)的工作原理

用原動機(jī)拖動電樞逆時(shí)針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交變的電動勢。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢確是直流電動勢。4

一臺直流電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行——在直流電機(jī)的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械能；作為發(fā)動機(jī)運(yùn)行——用原動機(jī)拖動直流電機(jī)的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。5二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)剖面圖1—換向器2—電刷裝置3—機(jī)座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風(fēng)扇8—電樞繞組9—電樞鐵心67（一）直流電機(jī)的靜止部分1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—?jiǎng)?lì)磁繞組3—機(jī)座1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機(jī)座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。8（二）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分4、電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮1、電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心92、電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導(dǎo)體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片10第二節(jié)直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定值有：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、額定勵(lì)磁電壓UfN(V)11在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速指軸上輸出的機(jī)械功率指電刷間輸出的額定電功率電動機(jī)發(fā)電機(jī)額定條件下電機(jī)所能提供的功率額定功率PN＝UNIN

PN＝UNINηN

12對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞線圈的連接方式勵(lì)磁方式

此外，電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有物理量與額定值相同——電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)的運(yùn)行電流小于額定電流——欠載運(yùn)行；運(yùn)行電流大于額定電流——過載運(yùn)行。長期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，而長期過載運(yùn)行會縮短電機(jī)的使用壽命。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。13例一臺發(fā)電機(jī)PN=145KWUN=230VnN=1450r/minηN=90%，求輸入功率P1和額定電流IN。解：14第三節(jié)直流電機(jī)的繞組一、簡單的繞組

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，盡可能節(jié)省銅和絕緣材料，并且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。1-2、3-4、5-6、7-8分別構(gòu)成4個(gè)線圈

右圖只是說明原理的示意圖。它的缺點(diǎn)是：隨著電樞的轉(zhuǎn)動，始終只有一個(gè)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。解決辦法：用4個(gè)換向片將4個(gè)線圈都連接起來，成為一個(gè)閉合繞組，兩個(gè)不同的元件邊連接一個(gè)換向片。每個(gè)元件的兩個(gè)元件邊連接2個(gè)不同的換向片。共用了4個(gè)換向片，節(jié)省了材料，提高了輸出轉(zhuǎn)矩。1516171819二、繞組的基本形式（一）單疊繞組單疊繞組的特點(diǎn)：元件的兩個(gè)端子連接在相鄰的兩個(gè)換向片上。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連在一起，接到一個(gè)換向片上。最后一個(gè)元件末端與第一個(gè)元件首端連接在一起，形成一個(gè)閉合回路。

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）稱為跨距。一般要求元件的跨距等于電機(jī)的極距。右上圖中，跨距為4槽。202122單疊繞組的的特點(diǎn)：1、同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。若以a表示支路對數(shù)，P表示極對數(shù)則2a=2p2、電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。3、電樞電流等于各支路電流之和。23（二）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(gè)極距，即在磁場中的位置差不多相對應(yīng)的元件連接起來。2425直流電機(jī)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。26單波繞組的特點(diǎn)1、同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為1即a=1,與磁極對數(shù)P無關(guān)；2、當(dāng)元件的幾何形狀對稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動勢最大；3、電刷數(shù)等于磁極數(shù)（采用全額電刷）；4、電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢；5、電樞電流等于兩條支路電流之和。27第四節(jié)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場一、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式1．他勵(lì)電動機(jī)勵(lì)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(lì)磁繞組供電。

他勵(lì)直流電動機(jī)的電樞電流和電源供給的電流相同+-282．并勵(lì)電動機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。滿足-+293．串勵(lì)電動機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足-+304．復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，另一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)。

有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，它也分積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)兩類，因?yàn)椴顝?fù)勵(lì)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，實(shí)際上不采用。+-314．復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，另一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)。

有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，它也分積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)兩類，因?yàn)椴顝?fù)勵(lì)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，實(shí)際上不采用。+-32二、直流電機(jī)的空載磁場直流電機(jī)的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時(shí)，由勵(lì)磁磁動勢單獨(dú)建立的磁場。33氣隙中主磁場磁通密度的分布磁化曲線34三、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場及電樞反應(yīng)

當(dāng)直流電機(jī)帶上負(fù)載以后，在電機(jī)磁路中又形成一個(gè)磁動勢，這個(gè)磁動勢稱為電樞磁動勢。此時(shí)的電機(jī)氣隙磁場是由勵(lì)磁磁動勢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)。354個(gè)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1、有負(fù)載時(shí)氣隙磁場發(fā)生了畸變2、電樞反應(yīng)呈現(xiàn)去磁作用36第五節(jié)感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算一、感應(yīng)電動勢的計(jì)算直流電機(jī)無論作電動機(jī)運(yùn)行，還是發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。大小:性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機(jī)——反電勢(與電樞電流反方向).為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)（電動勢常數(shù)）其中可見，直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。式中n單位為r/min，Φ單位為Wb，Ea單位為V。37其中為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有二、電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——制動(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動機(jī)——驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同)?？梢?，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。式中Ia單位為A，Φ單位為Wb，Tem單位為N·m。38第六節(jié)直流電機(jī)的運(yùn)行原理一、直流電機(jī)的基本方程式（一）電動勢平衡方程式若電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，對于電動機(jī)-+式中Ra——電樞電路的電阻（包括電刷與換向器的接觸電阻）有的書認(rèn)為Ra電樞電阻不包括電刷與換向器的接觸電阻39若電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，對于發(fā)電機(jī)I式中Ra——電樞電路的電阻（包括電刷與換向器的接觸電阻）若Ra電樞電阻不包括電刷與換向器的接觸電阻40（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是個(gè)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電動機(jī)變速運(yùn)行時(shí)其中T2為負(fù)載制動轉(zhuǎn)矩，T0為空載損耗轉(zhuǎn)矩慣性轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對于發(fā)電機(jī)：其中T1為原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)41+-功率平衡方程式（電動機(jī)）42功率平衡方程式（電動機(jī)）Ω電樞旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度+-空載損耗43功率平衡方程式（發(fā)電機(jī)）I穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)輸入功率為空載損耗，等于鐵耗加機(jī)械損耗，稱為不變損耗44功率平衡方程式（發(fā)電機(jī)）I電磁功率45二、直流電動機(jī)工作特性

直流電動機(jī)的工作特性是指、電樞回路中無外加電阻，勵(lì)磁電流、電動機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、和效率三者與輸出功率P2之間的關(guān)系。

46（一）并勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性當(dāng)U=UN

,If=IfN時(shí)，n=f(Ia)的關(guān)系曲線當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，輸出功率P2增加，則輸入功率UIa增加，電樞回路中的電阻壓降RaIa增大，故電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n下降47（一）并勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性其中2.轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)U=UN

,If=IfN時(shí)，Te=f(Ia)的關(guān)系曲線3.效率特性當(dāng)U=UN

,If=IfN時(shí)，η=f(Ia)的關(guān)系曲線48（二）串勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性電動勢平衡方程式電動勢公式轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩公式（其中，Rfc為串勵(lì)繞組電阻，，）49（三）復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性50[例2-1]一臺他勵(lì)直流電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：電樞繞組的電阻電刷接觸壓降設(shè)電動機(jī)原來在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載下運(yùn)行，在負(fù)載的總制動轉(zhuǎn)矩（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RΩ=0.0743Ω,求串入電阻最初瞬間和達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？（2）減少電動機(jī)的勵(lì)磁電流，使磁通Φ減少10%，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？解

串入電阻瞬間，因慣性慣性，轉(zhuǎn)速來不及下降，因此感應(yīng)電動勢Ea不變。串入電阻前感應(yīng)電動勢Ea51（1）電樞回路中突然串入電阻RΩ最初瞬間穩(wěn)態(tài)時(shí)由于負(fù)載不變，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩不變，解法二由電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)：又因?yàn)楦鶕?jù)，磁通不變，所以電樞電流等于串入電阻前的穩(wěn)態(tài)電樞電流52（2）串入電阻前的穩(wěn)態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩磁通減少為原來的0.9時(shí)穩(wěn)態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩

總的制動轉(zhuǎn)矩不變，兩種情況下的電磁轉(zhuǎn)矩相等53電動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速間的關(guān)系對于旋轉(zhuǎn)的物體電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩電動機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩54三、直流發(fā)電機(jī)的工作特性a)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)b)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)c)復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（一）空載運(yùn)行1空載特性當(dāng)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)被原動機(jī)拖動，n=nN

時(shí)，勵(lì)磁繞組端加上勵(lì)磁電壓Uf,調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If0,得出空載特性曲線U0=f(I0)。55三、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)

并勵(lì)發(fā)電機(jī)是一種自勵(lì)電機(jī)，它的勵(lì)磁電流不需要由外電源供給，而是取自發(fā)電機(jī)本身，所以稱“自勵(lì)”。自勵(lì)過程設(shè)發(fā)電機(jī)已由原動機(jī)拖動至額定轉(zhuǎn)速，由于電機(jī)磁路中有一定的剩磁，在發(fā)電機(jī)的端點(diǎn)將會有一個(gè)不大的剩磁電壓。這時(shí)把并勵(lì)繞組并接到電樞上去，便有電流流過勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生一個(gè)勵(lì)磁磁動勢。勵(lì)磁磁動勢產(chǎn)生的磁場與剩磁同方向，使電機(jī)內(nèi)的磁場得到加強(qiáng)，從而使電機(jī)的端電壓升高。在這一較高端電壓的作用下，勵(lì)磁電流又進(jìn)一步升高，如此反復(fù)作用，發(fā)電機(jī)的端電壓便“自勵(lì)”起來。562并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓的建立自勵(lì)電壓的建立有三個(gè)條件：1）電機(jī)必須有剩磁；2）勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確；3）勵(lì)磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。（二）負(fù)載運(yùn)行無論他勵(lì)、并勵(lì)還是復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)，建立電壓以后，在

n=nN的條件下，加上負(fù)載后，發(fā)電機(jī)的端電壓都將發(fā)生變化。1——積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性；2——他勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性；3——并勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性；57如右圖所示，發(fā)電機(jī)在原動機(jī)以1500r/min順時(shí)針方向的拖動下，發(fā)出的端電壓是220V。若在原動機(jī)以1500r/mi