電機與拖動直流電機課件

1主編：李慶武劉子林副主編：張之光王宏玉主審：李梅芳電機與拖動基礎緒論20緒論目錄0.1電機和電力拖動技術在國民經濟中的作用10.2電機的類型及所用的材料20.3本課程的主要內容、任務和學習方法33電能是現(xiàn)代能源中應用最廣的二次能源，它的生產、變換、傳輸、分配、使用和控制都比較方便經濟，而要實現(xiàn)電能的生產、變換和使用等都離不開電機。電機是一種利用電磁感應定律和電磁力定律，將能量或信號進行轉換或變換的電磁機械裝置。電機在國民經濟的各個領域起著重要作用。在電力工業(yè)中，產生電能的發(fā)電機和對電能進行變換、傳輸與分配的變壓器是電站和變電所的主要設備。在工業(yè)企業(yè)中，人們利用電動機把電能轉換為機械能去拖動各種生產機械，從而滿足生產工藝過程的要求。在交通運輸業(yè)中，需要大量的牽引電動機。在電力排灌、播種、收割等農用機械中，都需要規(guī)格不同的電動機。在品種繁多的家用電器中，也離不開功能各異的小功率電動機。0.1電機和電力拖動技術在國民經濟中的作用5現(xiàn)代能源的主要形式是電能，與電能密切關聯(lián)的電機廣泛應用于社會生產的各個部門和社會生活的各個方面。電機的品種繁多，按其功能用途可分為變壓器、直流電機、交流電機和控制電機，如圖0.1所示。無論是哪一種電機，都必須以磁場作為其耦合場，通過電磁感應作用來實現(xiàn)能量轉換。為了在一定的勵磁電流下產生較強的磁場,電機的磁路均用導磁性能良好的鐵磁材料組成。圖0.1電機的分類0.2電機的類型及所用的材料60.2電機的類型及所用的材料70.2電機的類型及所用的材料9“電機與拖動基礎”既是一門技術基礎課，又具有專業(yè)課的性質，不僅有理論的分析推導、磁場的抽象敘述，還要用基本理論去分析比較復雜又帶有機、電、磁綜合性的工程實際問題，這是學習本課程的難點。學習時應注意以下幾點：（1）牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（2）可運用類比或比較的學習方法，找出各種電機的共性和個性，以加深對各種電機及拖動系統(tǒng)性能的理解。（3）要理論聯(lián)系實際，重視實驗和實訓環(huán)節(jié)。（4）課前應預習，課后應及時復習,并選擇適當的思考題和習題作為課外作業(yè)，以鞏固理論知識，提高理解和運算能力。0.3本課程的主要內容、任務和學習方法10主編：李慶武劉子林副主編：張之光王宏玉主審：李梅芳電機與拖動基礎1直流電機111直流電機目錄1.1直流電機的工作原理與結構11.2直流電機的勵磁方式和磁場21.3直流電動機電動勢和電磁轉矩31.4直流電動機的機械特性413直流電機可分為直流發(fā)電機和直流電動機兩大類。將機械能轉化為電能的直流電機是直流發(fā)電機，將電能轉化為機械能的直流電機是直流電動機。直流電機具有良好的調速性能、較大的起動轉矩和過載能力，一般應用于對起動和調速要求較高的場合。另外，結構復雜、成本較高、維護較困難是直流電機的不足之處。1.1直流電機的工作原理與結構14圖1.1所示為直流發(fā)電機的工作原理模型。在圖1.1中，N、S為一對固定的磁極，稱為直流電機的定子。abcd是固定在可旋轉鐵質圓柱體上的線圈，線圈連同鐵質圓柱體是直流電機可轉動的部分，稱為直流電機的轉子（或電樞）。線圈的末端a、d聯(lián)結到兩個相互絕緣并可以隨線圈一同轉動的導電片上，該導電片稱為換向片。轉子線圈與外電路的聯(lián)結是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。在定子與轉子間有間隙存在，稱為氣隙。圖1.1直流發(fā)電機的工作原理模型在直流發(fā)電機的模型中，當有原動機拖動轉子以一定的轉速逆時針旋轉時，根據電磁感應定律可知，在線圈abcd中將產生感應電動勢。1.1.1電路的組成1.1直流電機的工作原理與結構15圖1.1直流發(fā)電機的工作原理模型1.1直流電機的工作原理與結構17從圖1.1中可以看出，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，因此電刷A的極性總為正，而電刷B的極性總為負，使電刷獲得直流電動勢。實際直流發(fā)電機的電樞是根據具體應用情況需要有多個線圈。線圈分布于電樞表面的不同位置上，并按照一定的規(guī)定聯(lián)結起來，構成直流電機的電樞繞組。磁極也是根據需要,N、S極交替放置多對。1.1直流電機的工作原理與結構181.1.2直流電動機的工作原理圖1.21.1直流電機的工作原理與結構19圖1.2直流電動機的模型1.1直流電機的工作原理與結構21同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。由以上分析可以看出：任何一臺電機既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行，這一性質稱為電機的可逆原理。電機的可逆原理不僅適用于直流電機，也適用于交流電機。電機的實際運行方式由外施條件決定，如果電機轉子輸入機械能，而電樞繞組輸出電能，電機作為發(fā)電機運行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉子輸出機械能，則電機作為電動機運行。1.1直流電機的工作原理與結構22直流電動機和直流發(fā)電機的結構基本是相同的，即都有可旋轉部分和靜止部分?？尚D部分稱為轉子，靜止部分稱為定子，在定子和轉子之間存在著氣隙。小型直流電動機結構如圖1.3所示，其剖面結構如圖1.4所示。（1）定子部分定子的作用，在電磁方面是產生磁場和構成磁路，在機械方面是整個電機的支撐。定子由磁極、機座、換向極、電刷裝置、端蓋和軸承等組成，如圖1.3所示。1.1.3直流電機的結構1.1直流電機的工作原理與結構23圖1.3小型直流電動機的結構1.1直流電機的工作原理與結構25①

主磁極主磁極的作用是在定子與轉子之間的氣隙中建立磁場。主磁極由主磁極鐵芯和放置在鐵芯上的勵磁繞組構成。主磁極鐵芯分成極身和極靴兩部分，極靴的作用是使氣隙磁通密度的空間分布均勻并減小氣隙磁阻，同時極靴對勵磁繞組也起支撐作用。為減小渦流損耗，主磁極鐵芯是用1.0～1.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，用鉚釘把沖片鉚緊，然后再固定在機座上。主磁極上的線圈是用來產生主磁通的，稱為勵磁繞組。主磁極的結構如圖1.5所示。1.1直流電機的工作原理與結構26圖1.5直流電機主磁極的結構1—機座；2—主磁極鐵芯；3—勵磁繞組1.1直流電機的工作原理與結構29④

電刷電刷裝置的作用是通過電刷和旋轉的換向器表面的滑動接觸，把轉動的電樞繞組與外電路聯(lián)結起來，并與換向器配合，起到整流或逆變的作用。電刷裝置一般由電刷、刷握、刷桿座和壓緊彈簧組成，其結構如圖1.7所示。⑤端蓋電機中的端蓋主要起支撐作用。端蓋固定在機座上，其上放置軸承支撐直流電機的轉軸，使直流電機能夠旋轉。1.1直流電機的工作原理與結構30圖1.6直流電動機換向極結構1—換向極鐵芯；2—換向極繞組圖1.7電刷的結構1—刷握；2—電刷；3—壓緊彈簧；4—銅絲辮

1.1直流電機的工作原理與結構31（2）轉子部分轉子又稱電樞，是電機的轉動部分，是用來產生感應電動勢和電磁轉矩，從而實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部分。它包括電樞鐵芯、換向器、電機轉軸、電樞繞組、軸承和風扇等。①電樞鐵芯電樞鐵芯是主磁路的一部分，同時用來嵌放電樞繞組。當電機旋轉時，為減小電樞鐵芯中的磁通變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵芯用涂有絕緣漆的0.5mm厚的硅鋼片疊成。電樞鐵芯沖片上沖有放置電樞繞組的電樞槽、軸孔和通風口。小型直流電機的電樞沖片形狀如圖1.8所示。②電樞繞組電樞繞組是用絕緣銅線繞制的線圈按一定規(guī)律放置在電樞鐵芯槽內，并與換向器聯(lián)結。電樞繞組是直流電機的重要組成部分，電機工作時線圈中產生感應電動勢和電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量的轉換。1.1直流電機的工作原理與結構32圖1.8電樞沖片形狀1—齒；2—槽；3—軸向通風孔1.1直流電機的工作原理與結構33③換向器換向器又稱整流子。對于發(fā)電機，換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動勢轉變?yōu)橹绷麟妱觿菹蛲獠枯敵鲋绷麟妷?；對于電動機，它是把外界供給的直流電流轉變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機旋轉。換向器如圖1.9所示。換向器是由換向片組合而成的，是直流機的關鍵部件，也是最薄弱的部分。換向器采用導電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成。換向片的底部做成燕尾形，嵌在含有云母絕緣的V形鋼環(huán)內，拼成圓筒形套在鋼套筒上，相鄰的兩換向片間以0.6～1.2mm厚的云母片作為絕緣，最后用螺紋壓圈壓緊。換向器固定在轉軸的一端。換向片靠近電樞繞組的部分與繞組引出線間焊接。1.1直流電機的工作原理與結構34圖1.9換向器結構1—V形套筒；2—云母片；3—換向片；4—聯(lián)結片1.1直流電機的工作原理與結構35表征電機額定運行情況的各種數據稱為額定值。額定值一般標注在電機的銘牌上，所以又稱為銘牌數據。它是正確合理使用電機的依據。銘牌數據主要包括電機型號、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉速和額定勵磁電流及勵磁方式等，此外還有電機的出廠數據，如出廠編號、出廠日期等。國產電機型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯數字表示，其格式為：第一部分用大寫的拼音表示產品代號，第二部分用阿拉伯數字表示設計序號，第三部分用阿拉伯數字表示機座代號，第四部分用阿拉伯數字表示電樞鐵芯長度代號。1.1.4直流電機的銘牌數據1.1直流電機的工作原理與結構36如：Z292中的Z表示一般用途直流電機；2表示設計序號，第二次改型設計；9表示機座代號；2表示電樞鐵芯長度代號。電機銘牌上所標的數據稱為額定數據，具體含義如下：額定功率PN是指在額定條件下電機所能供給的功率。對于電動機，額定功率是指電動機軸上輸出的最大機械功率；對于發(fā)電機，額定功率是指電刷間輸出的最大電功率。額定功率的單位為kW。額定電壓UN是指額定工作條件下電機出線端的平均電壓。對于電動機，額定電壓是指輸入額定電壓；對于發(fā)電機，額定電壓是指輸出額定電壓。額定電壓的單位為V。1.1直流電機的工作原理與結構37額定電流IN是指電機在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流值。額定電流的單位為A。額定功率、額定電壓和額定電流的關系為：發(fā)電機電動機額定轉速指對應于額定電流、額定電壓，電機運行于額定功率時所對應的轉速。額定轉速的單位為。額定勵磁電流是指對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流。額定勵磁電流的單位為A。勵磁方式是指直流電機的勵磁線圈與其電樞線圈的聯(lián)結方式。根據電樞線圈與勵磁線圈的聯(lián)結方式不同，直流電機勵磁有并勵、串勵、他勵和復勵等方式。1.1直流電機的工作原理與結構38在電機的銘牌上還標有其他數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。額定值是選用或使用電機的主要依據。電機在運行時的各種數據可能與額定值不同，由負載大小決定。若電機的電流正好等于額定值，稱為滿載運行；若電機的電流超過額定值，稱為過載運行；若比額定值小得多，稱為輕載運行。長期輕載運行使電機的容量不能充分利用。故在選擇電機時，應根據負載的要求，盡可能使電機運行在額定值附近。1.1直流電機的工作原理與結構39由直流電機的基本工作原理可知，電樞旋轉切割氣隙中的磁力線而感應電動勢，電樞電流與氣隙中的磁場相互作用而產生電磁轉矩，因而氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的媒介。直流電機的氣隙磁場是在主磁極的勵磁繞組中通以直流電流建立的。所以直流電機有兩種基本繞組，即勵磁繞組和電樞繞組。勵磁繞組和電樞繞組之間的聯(lián)結方式稱為勵磁方式。勵磁方式不同，電機的運行特性有很大的差異。直流電機的勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵和復勵四類，如圖1.10所示。1.2.1直流電機的勵磁方式1.2直流電機的勵磁方式和磁場40圖1.10直流電機的勵磁方式（a）他勵；（b）并勵；（c）串勵；（d）、（e）復勵1.2直流電機的勵磁方式和磁場41(1)他勵電機他勵式直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個相互獨立的電源供電，如圖1.10（a）所示。勵磁電流If的大小僅決定于勵磁電源的電壓和勵磁回路的電阻，而與電機的電樞電壓及負載基本無關。(2)并勵電機并勵式直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由同一電源供電，如圖1.10（b）所示。勵磁電流一般為額定電流的5%，要產生足夠大的磁通需要有較多的匝數，所以并勵繞組匝數多，導線較細。并勵式直流電動機一般用于恒壓系統(tǒng)。中小型直流電動機多為并勵式。1.2直流電機的勵磁方式和磁場42(3)串勵電機串勵式直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如

圖1.10（c）所示。勵磁電流與電樞電流相同，數值較大，因此，串勵繞組匝數很少，導線較粗。串勵式直流電動機具有很大的起動轉矩，但其機械特性很軟，且空載時有極高的轉速。串勵式直流電動機不準空載或輕載運行。串勵式直流電動機常用于要求起動轉矩很大且轉速允許有較大變化的負載等。1.2直流電機的勵磁方式和磁場43(4)復勵電機復勵電機的主磁極由兩個勵磁繞組組成:一個與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組；另一個為他磁（或并勵）繞組，如圖1.10（d）、（e）所示。通常他磁（或并勵）繞組起主要作用，串勵繞組起輔助作用。若串勵繞組和他勵（或并勵）繞組的磁動勢方向相同，稱為積復勵；該型電機多用于要求起動轉矩較大，轉速變化不大的負載。由于積復勵式直流電動機在兩個不同旋轉方向上的轉速和運行特性不同，因此不能用于可逆驅動系統(tǒng)中。若串勵繞組和并勵（或他勵）繞組的磁動勢方向相反，稱為差復勵；差復勵式直流電動機一般用于起動轉矩小，而要求轉速平穩(wěn)的小型恒壓驅動系統(tǒng)中。這種勵磁方式的直流電動機也不能用于可逆驅動系統(tǒng)中。1.2直流電機的勵磁方式和磁場441.2.2.1直流電機的空載磁場直流電機空載運行時，電樞電流為零。這時的氣隙磁場是由勵磁電流If通過勵磁繞組產生的磁動勢Ff所建立。所以，直流電機空載時的氣隙磁場又稱勵磁磁場。1.2.2直流電機的磁場1.2直流電機的勵磁方式和磁場45（1）直流電機的磁路以四極電機為例，當勵磁繞組流過勵磁電流If時，每極的勵磁磁動勢為建立的空載磁場的分布如圖1.11所示。其中絕大部分的磁通是從N極出來，經過氣隙進入電樞的齒槽，再經過電樞的鐵軛到電樞的另一邊齒槽，又通過氣隙進入S極，通過定子鐵軛回到N極。這部分磁通同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組，能在電樞繞組中感應電動勢和產生電磁轉矩，稱為主磁通。另外，還有一小部分磁通不進入電樞鐵芯，直接經過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路，這部分稱為漏磁通。漏磁通只是增加主磁極磁路的飽和程度，使電機的損耗加大，效率降低。一般情況下，漏磁通為主磁通的15%～20%。1.2直流電機的勵磁方式和磁場46圖1.11四極電機空載磁場示意圖1.2直流電機的勵磁方式和磁場47主磁通對應的主磁路的組成分為氣隙、電樞齒、電樞鐵軛、主磁極和定子鐵軛五部分，簡化為主磁路由氣隙和鐵磁材料兩大部分組成。根據磁路定律，產生空載磁場的磁動勢全部降落于氣隙和鐵磁材料之中，即勵磁磁動勢為氣隙磁動勢與鐵磁材料磁動勢之和。雖然氣隙長度在閉合磁路中只占很小的一部分，但是，由于氣隙中的磁導率遠小于鐵磁材料的磁導率，所以氣隙的磁阻很大?？梢哉J為，磁路的勵磁磁動勢幾乎都消耗在氣隙上。1.2直流電機的勵磁方式和磁場48（2）空載時氣隙磁通密度分布因為電樞繞組是在氣隙磁場下進行電磁感應的，所以氣隙磁通密度的分布是我們分析的主要對象。當忽略主磁路中鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。一般情況下，磁極極靴寬度約為極距的75%，磁極中心及附近的氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數；接近極尖處氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外氣隙明顯增大，磁通密度顯著減?。辉诖艠O的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。因此，空載時的氣隙磁通密度分布為一平頂波，如圖1.12所示。1.2直流電機的勵磁方式和磁場49圖1.12氣隙磁密分布圖a）氣隙形狀；（b）氣隙磁密分布1.2直流電機的勵磁方式和磁場501.2.2.2直流電機的負載磁場直流電機帶有負載時，電樞繞組中有電流通過，電樞繞組的電流也會產生磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主磁極磁場一起，在氣隙中建立一個合成磁場。下面以兩極電動機為例分析合成磁場分布情況。為了方便，換向器通常不畫出來，而把電刷畫在電樞圓周上，如圖1.13所示。圖中，電刷處在幾何中性線上。1.2直流電機的勵磁方式和磁場51圖1.13直流電動機氣隙磁場分布示意圖（a）主磁極磁場；（b）電樞磁場；（c）合成磁場1.2直流電機的勵磁方式和磁場52圖1.13(a)所示為空載磁場分布情況。在電樞表面上磁感應強度為零的地方是物理中性線m-m?？蛰d時物理中性線與幾何中性線重合。圖1.13(b)所示為電樞磁場，它的方向由電樞電流確定，電樞電流的分界線是電刷，在電刷軸線兩側對稱分布。圖1.13(c)所示為合成磁場，它是主磁極磁場與電樞磁場合在一起產生的?？梢钥闯?，由于電樞磁場的出現(xiàn)，對主磁極磁場的分布有明顯的影響，這種現(xiàn)象稱為電樞反應。從圖1.13看出，當電刷在幾何中性線時，電樞反應表現(xiàn)如下：1.2直流電機的勵磁方式和磁場53（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變。在每一磁極下，主磁極磁場的一半被削弱，另一半被加強。這時物理中性線與幾何中性線不再重合。（2）對主磁極磁場有去磁作用。在磁場不飽和時，主磁極磁場被削弱數量與加強數量恰好相等，每極下的合成磁通量與空載時相同。實際上電機一般工作在磁化曲線的膝部，磁路總是飽和的。這樣，因磁飽和的影響，主磁極的增磁部分要小于不飽和時的增磁部分，因此合成的磁通量比空載時略有減少。1.2直流電機的勵磁方式和磁場54直流電動機運行時，其電樞中產生電磁轉矩和感應電動勢。電磁轉矩為拖動轉矩，通過電動機的軸帶動負載；電樞感應電動勢為反向電動勢，與電樞所加外電壓相平衡。電樞電動勢是指直流電機正、負電刷之間的感應電動勢，也就是每個支路里的感應電動勢。在直流電機中，感應電動勢是由于電樞繞組和磁場之間的相對運動即導線切割磁力線而產生的。根據電磁感應定律，電樞繞組中每根導體感應電動勢為對于給定的電機，電樞繞組的電動勢（即每一并聯(lián)支路的電動勢）等于并聯(lián)支路每根導體電動勢之和，線速度v與轉子的轉速n成正比。因此，電樞電動勢可用下式表示：1.3.1電樞電動勢1.3直流電動機電動勢和電磁轉矩551.3直流電動機電動勢和電磁轉矩56在直流電機中，電磁轉矩是由電樞電流與氣隙磁場相互作用而產生的電磁力所形成的。根據電磁力定律，當電樞繞組有電樞電流流過時，在磁場內將受到電磁力的作用，該力與電機電樞鐵芯半徑的乘積為電磁轉矩。一根導體在磁場中所受電磁力的大小為，對于給定的電機，磁感應強度B與每極的磁通Φ成正比；每根導體中的電流ia與從電刷流入（或流出）的電樞電流Ia成正比；導線長度l在電機制成后是個常量。因此，電磁轉矩T與電磁力f成正比，即電磁轉矩與每極磁通Φ和電樞電流Ia成正比，其大小用下式來表示：1.3.2電磁轉矩1.3直流電動機電動勢和電磁轉矩571.3直流電動機電動勢和電磁轉矩58直流電動機的機械特性是指電動機的轉速n與電磁轉矩之間的關系，即。1.4直流電動機的機械特性1.4.1固有機械特性圖1.14他勵直流電動機的電路原理圖591.4直流電動機的機械特性60圖1-151.4直流電動機的機械特性61因為電樞電阻Ra很小，特性斜率β很小，通常額定轉速降ΔnN只有額定轉速的百分之幾到百分之十幾，所以他勵直流電動機的固有機械特性是硬特性，如圖1.16中的直線所示。圖1.15他勵直流電動機的機械特性圖1.16電動機的固有特性和電樞串聯(lián)電阻的人為特性1.4直流電動機的機械特性62人為機械特性可用改變電動機參數的方法獲得，他勵直流電動機有電樞回路串電阻、降低電樞電壓和減弱勵磁磁通三種人為機械特性。1.4.2.1電樞回路串電阻時的人為機械特性保持、不變，只在電樞回路中串入電阻Rs時的人為特性為

（1.11）與固有機械特性相比，電樞回路串電阻時人為特性的理想空載轉速不變，但斜率β隨串聯(lián)電阻Rs的增大而增大，所以特性變軟。改變Rs的大小，可以得到一簇通過理想空載點并具有不同斜率的人為特性，如圖1.16所示。1.4.2人為機械特性1.4直流電動機的機械特性631.4.2.2降低電源電壓時的人為機械特性保持、、不變，只改變電樞電壓U時的人為特性為

由于電動機的工作電壓以額定電壓為上限，因此改變電時，只能在低于額定電壓的范圍內變化，與固有特性比較，降低電壓時人為特性的斜率β不變，但理想空載轉速n0

隨電壓的降低而正比減小。因此，降低電壓時的人為特性是位于固有特性下方，且與固有特性平行的一組直線，如圖1.17所示。（1-12）圖1.17電動機的固有特性和降低電壓的人為特性1.4直流電動機的機械特性641.4.2.3減弱勵磁磁通時的人為機械特性在圖1.14中，改變勵磁回路調節(jié)電阻Rsf就可以改變勵磁電流，進而改變勵磁磁通。由于電動機額定運行時磁路已經開始飽和，即使再成倍增加勵磁電流，磁通也不會有明顯增加，何況由于勵磁繞組發(fā)熱條件的限制，勵磁電流也不允許大幅度地增加，因此，只能在額定值以下調節(jié)勵磁電流，即只能減弱勵磁磁通。保