電機及拖動基礎(chǔ)主講：符永剛電信學院電工電子教研室緒論第一章直流電動機的基本原理第二章直流電動機的拖動基礎(chǔ)第三章變壓器基本原理及應(yīng)用第四章異步電動機的基本原理第五章異步電動機的拖動基礎(chǔ)電機及拖動課件緒論

本課程是電氣自動化技術(shù)專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。0.1本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容

本課程的任務(wù)是讓學生掌握電機制基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，培養(yǎng)在電機及電力拖動方面分析和解決問題的能力，為今后學習和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

本課程的內(nèi)容有直流電機的基本原理、直流電動機的拖動基礎(chǔ)、變壓器基本原理及應(yīng)用、異步電動機的基本原理、異步電動機的拖動基礎(chǔ)五個部分。緒論

電機及拖動基礎(chǔ)是一門理論性很強的技術(shù)基礎(chǔ)課，同時又具有專業(yè)課的性質(zhì)，涉及的基礎(chǔ)理論和實際知識面廣，是電磁學、動力學、熱力學等學科知識的綜合。用理論分析電機及拖動的實際問題時，必須結(jié)合電機的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點和分析方法。掌握基本理論的同時，還要注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算方法。0.2本課程的特點及學習方法

為了學好本門課程，必須做到以下幾點：1、抓主要矛盾，有條件地略去一些次要因素；2、抓住重點，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、要有良好的學習方法，運用對比或比較的方法，分析電機的共性和特點，加深對原理和性能的理解；4、理論聯(lián)系實際，重視科學實驗和工程實踐；5、充分預習和復習。

緒論

電機是利用電磁感應(yīng)原理工作的機械。

電機常用的分類方式有兩種：一是按功能分，有發(fā)電機、電動機、變壓器和控制電機四大類；二是按電機結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機。0.3電機及電力拖動系統(tǒng)概述兩種方法歸納如下：電機變壓器直流電機直流發(fā)電機直流電動機交流電機控制電機同步電機同步發(fā)電機同步電動機異步電機異步發(fā)電機異步電動機緒論

電力拖動系統(tǒng)是用電動機來拖動機械運行的系統(tǒng)。包括：電動機、傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械、控制設(shè)備和電源五個部分。它們之間的關(guān)系如下

電動機傳動機構(gòu)生產(chǎn)負載控制設(shè)備電源補充：電機的作用

☆能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備電能——電機發(fā)電——輸電——用電

☆各領(lǐng)域中有特殊要求的動力裝置1.發(fā)電環(huán)節(jié)——各種電機

引進600MW汽輪發(fā)電機

國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V

為了把發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到四面八方的用戶，需要將發(fā)電機輸出的20kV左右的電壓升高。在我國，一般升高到220kV或500kV。為了輸送一定大小的功率、采用高電壓。2.輸配電環(huán)節(jié)——變壓器

連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機的封閉母線

與電網(wǎng)相連的高壓出線端3.用電環(huán)節(jié)——電動機1）各行業(yè)廣泛使用電動機2）在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用☆信息技術(shù)（雷達驅(qū)動）☆航天航空航海☆生物醫(yī)學工程（多種醫(yī)療設(shè)備）二、電機發(fā)展歷程及當前狀況

1833年直流電機

1885年異步電動機

1889年三相系統(tǒng)1.歷程

至今保留在美國麻省理工學院的由愛迪生發(fā)明的一種直流電動機

2.我國目前實際應(yīng)用情況☆汽發(fā)：消化引進，設(shè)計600MW☆700MW水發(fā),三峽電站

500kV輸電線路以及相應(yīng)的變壓器

500kV直流輸電，西電東送運行中

400MW燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組☆引進建設(shè)

600MW核電機組各種電動汽車3.當前研究、開發(fā)與創(chuàng)新（1）國內(nèi)外與電機相關(guān)的研究領(lǐng)域

☆精確模型研究☆新能源技術(shù)（風力發(fā)電，波浪發(fā)電，高速“電、熱、冷”三聯(lián)供機組）

☆機電一體化(電機、電力電子與微電子結(jié)合)

☆特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機）☆

新能源技術(shù)風力發(fā)電波浪發(fā)電波浪能電站外景

波浪能電站內(nèi)景

☆

新能源技術(shù)高速“電、熱、冷”三聯(lián)供機組☆

新能源技術(shù)壓氣機燃氣輪機發(fā)電機排氣利用型冷溫水機燃料室電力負荷采暖負荷制冷負荷進氣排氣進氣熱水負荷☆

機電一體化

如果用正在發(fā)展的新型永磁無刷直流電動機代替普通電動機,效果如下：

電冰箱：>1000萬臺/年，電量少15%洗衣機：>1100萬臺，噪音降低10分貝，節(jié)省電能50%，節(jié)水20%/cwc/永磁直流無刷直流電動機外形圖☆

特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機）

電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展及其軍事應(yīng)用，王靜端，Vol.26,No.1March,2001，火力與指揮控制超微電機與微型機器人技術(shù)人工心臟技術(shù)(2)電機領(lǐng)域我國正在研究的項目舉例

在國家自然科學基金網(wǎng)站

輸入搜索詞“電機”、“電動機”、“變壓器”，獲取目前項我國正在研究的項目。選擇“信息檢索”，進入

/project/search下面是幾個實例：☆

航天超聲波電機☆

高速發(fā)電的發(fā)電機☆

人工肌肉直線電機

☆超導電機☆電動機故障診斷

☆艦船驅(qū)動用電動機

☆

智能型電力電子變壓器1.2

直流電機的電樞繞組1.3直流電機的負載磁場

本章主要討論直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，討論直流電機的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩，直流發(fā)電機和電動機。1.5直流發(fā)電機的基本方程

1.4直流電動機的基本方程1.1直流電機的原理與結(jié)構(gòu)第一章直流電機的基本原理直流電機的基本特點定義：一種能夠進行直流電能與機械能轉(zhuǎn)換的電磁裝置。優(yōu)點：起動能力較強、調(diào)速性能較好、制動方法較多、攜帶比較方便。缺點：結(jié)構(gòu)復雜、制造困難、容易損壞、經(jīng)常維護、價格較高、適應(yīng)性差、效率較低、電源不便。用途：電力機車、可逆軋機、礦用汽車、大型電鏟。分類：直流電動機：直流電能＝＞旋轉(zhuǎn)機能，直流發(fā)電機：旋轉(zhuǎn)機能＝＞直流電能。1.1直流電機的基本原理與基本結(jié)構(gòu)1、直流發(fā)電機的簡單工作原理

1.1.1直流電機的工作原理

發(fā)電機基本理論——法拉第電磁感應(yīng)定律——力磁生電定律法拉第電磁感應(yīng)定律：當磁場強度方向、導體運動方向和感應(yīng)電勢方向三者相互垂直時，感應(yīng)電勢的大小為：e=BlV

，感應(yīng)電勢的方向為：右手定則。右手（發(fā)電機）定則：若磁場與導體之間存在相對運動，則導體必感應(yīng)電動勢。

右手手心迎著磁力線，拇指指向?qū)w運動方向，則四指指向?qū)w電勢方向。（1）基本結(jié)構(gòu)：定子：N、S為固定在機殼上的磁極——產(chǎn)生磁場，A、B為固定在機殼上的電刷——引導電勢；轉(zhuǎn)子：點劃線為固定在軸承上的轉(zhuǎn)軸——輸入機能，圓柱體為固定在轉(zhuǎn)軸上的鐵心——傳導磁通，abcd為固定在鐵心上的線圈——感應(yīng)電勢，1、2為固定在轉(zhuǎn)軸上的換向片——機械整流；a端連接的為1號換向片，b端連接的為2號換向片.

在發(fā)電機工作過程中，磁極與電刷固定不動。在發(fā)電機工作過程中，轉(zhuǎn)軸、鐵心、線圈與換向片同速同向旋轉(zhuǎn)。（2）工作原理：條件：①主磁極線圈通電→產(chǎn)生恒定磁場，原理：磁場與導體之間產(chǎn)生相對運動，磁場中的導體感應(yīng)電動勢(N極下)eN和(S極下)eS：②轉(zhuǎn)軸輸入機械能→轉(zhuǎn)子定向旋轉(zhuǎn)（逆時針）：原始位置：ab(處于N極下)—→根據(jù)右手定則—→eN(b→a)—→a(+)—→1(+)—→A(+)

cd(處于S極下)—→根據(jù)右手定則—→eS(d→c)—→d(-)—→2(-)—→B(-

)

在圖示條件下，直流發(fā)電機的極性為：電刷A為正，電刷B為負。當直流發(fā)電機連接負載時，在電動勢作用下，電流將從電刷A流出，從電刷B流入。

由于電刷A總是與位于N極下的導體相接觸，而電刷B總是與位于S極下的導體接觸。

因此電刷A的極性總是正的，而電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。當原動機驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)180°后，如右下圖所示。ab(處于S極下)—→根據(jù)右手定則—→eS(a→b)—→a(-

)—→1(-)—→B(-)

cd(處于N極下)—→根據(jù)右手定則—→eN(c→d)—→d(+)—→2(+)—→A(+)

在圖示條件下，直流發(fā)電機的極性為：電刷A仍為正，電刷B仍為負。當直流發(fā)電機連接負載時，在電動勢作用下，電流將從電刷A流出，從電刷B流入。

實際直流發(fā)電機的電樞繞組是根據(jù)實際需要，由多個線圈按照一定的規(guī)律連接起來，分布在電樞鐵心表面的不同位置，構(gòu)成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替，放置多對，一般以四極機為主。結(jié)論（1）在轉(zhuǎn)子線圈邊上的感應(yīng)電勢e和電流i都是交流電，通過換向片及電刷的整流作用。才變成了兩個電刷之間的直流電動勢，使外電路獲得方向不變的直流電流；（2）在發(fā)電機中，e和其i的方向始終一致；（3）雖然電樞線圈是旋轉(zhuǎn)的，且電樞線圈中的電流也是交流的，但從空間上看，N極與S極下的電樞電流的方向不變→由電樞電流所產(chǎn)生的磁場從空間上看也是恒定不變的磁場；在發(fā)電機中換向器的作用：

將轉(zhuǎn)子導體上的交變電勢轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ与娝㈤g的直流電勢。

即：變交為直—整流。（4）當直流發(fā)電機接上負載時，電樞繞組中就有電流i，i與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力f（左手定則）→f，f使轉(zhuǎn)軸受到一個力矩T=f*R(R是導體對轉(zhuǎn)軸中心的半徑)，稱為電磁轉(zhuǎn)矩T（electromagnetictorque），方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是制動性質(zhì)→原動機必須輸入機械功率克服電磁轉(zhuǎn)矩T的制動作用才能使轉(zhuǎn)子繼續(xù)恒速旋轉(zhuǎn)，不斷地發(fā)出電能輸給負載→將機械能（mechanicalenergy）通過電磁感應(yīng)作用變成了電能（electricalenergy）。2、直流電動機的簡單工作原理電動機基本理論——畢奧沙發(fā)電磁力定律——電磁生力定律畢奧沙發(fā)電磁力定律：若磁場中的導體通過定向的電流，則導體必產(chǎn)生電磁力。

當磁場強度方向、導體電流方向和導體受力方向三者相互垂直時，導體受力的大小為：f=Bli，

導體受力的方向為：左手定則。

左手（電動機）定則：

左手手心迎著磁力線，四指指向?qū)w電流方向，則拇指指向?qū)w受力方向。

（1）基本結(jié)構(gòu)：定子：N、S為固定在機殼上的磁極——產(chǎn)生磁場，A、B為固定在機殼上的電刷——引導電流；轉(zhuǎn)子：點劃線為固定在軸承上的轉(zhuǎn)軸——輸出機能，圓柱體為固定在轉(zhuǎn)軸上的鐵心——傳導磁通，abcd為固定在鐵心上的線圈——感應(yīng)轉(zhuǎn)矩，1、2為固定在轉(zhuǎn)軸上的換向片——機械整流；連接a端的為1號換向片，連接b端的為2號換向片.

在電動機工作過程中，磁極與電刷固定不動。在電動機工作過程中，轉(zhuǎn)軸、鐵心、線圈與換向片同速同向旋轉(zhuǎn)。當電磁轉(zhuǎn)矩T大于阻轉(zhuǎn)矩時，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，直流電動機的轉(zhuǎn)子將沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。（2）工作原理：條件：①主磁極線圈通電→產(chǎn)生恒定磁場，原理：磁場中導體通過定向的電流，a→b→c→d磁場中的導體感應(yīng)電磁力(N極下)fN和(N極下)fS：②電刷接直流電源→轉(zhuǎn)子通入電流(A+，B-)

：原始位置：ab(處于N極下)—→iN(a→b)—→根據(jù)左手定則—→fN(從右向左)

—→T(逆時針)

cd(處于S極下)—→iS(c→d)—→根據(jù)左手定則—→fS(從左向右)

—→T(逆時針)

在圖示條件下，直流電動機的轉(zhuǎn)矩方向為：T逆時針方向。

同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞繞組也并非單一線圈，磁極也并非一對。當轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)180°后，如右下圖所示。ab(處于S極下)—→iS(b→a)—→根據(jù)左手定則—→fS(從左向右)

—→T(逆時針)

cd(處于N極下)—→iN(d→c)—→根據(jù)左手定則—→fN(從右向左)

—→T(逆時針)

在圖示條件下，直流電動機的轉(zhuǎn)矩方向為：T逆時針方向。在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，直流電動機的轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。結(jié)論（1）在直流電動機中，雖然直流電源U和I是直流，但線圈邊的電流i卻是交流，這是由于換向片及電刷的逆變作用，將外部直流變成內(nèi)部的交流；（2）同上，雖然電樞線圈是旋轉(zhuǎn)的且電流是交變的，但從空間上看，由電樞電流產(chǎn)生的磁場也是一個恒定磁場。（3）當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞導體切割磁力線也會感應(yīng)電勢（右手定則）→可知電樞電勢也是交變的，而且其方向與i的方向相反，故稱為反電勢（counter-electromotiveforce）。（4）在直流電動機中，轉(zhuǎn)子是在T的作用下才能旋轉(zhuǎn)的，所以T的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致，是驅(qū)動性質(zhì)的，此時，電機從電源輸入電能，通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成機械能從軸上輸出來帶動生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)動。在電動機中換向器的作用：

將定子電刷間的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子導體上的交變電流。

即：變直為交—逆變。

同一臺直流電機，既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行，電機的實際運行狀態(tài)由外部條件決定。如果用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就可以從電刷兩端引出直流電動勢，并作為直流電源對負載供電；如果在電刷兩端外施直流電壓，則電動機就可以帶動軸上的機械負載旋轉(zhuǎn)，把電能變成機械能。這種同一臺電機由于外界條件不同，既可作為發(fā)電機也可作為電動機運行原理，不僅適用于直流電機，而且也適合于交流電機，是電機理論中的普遍原理，稱為電機的可逆原理。三、電機的可逆原理1.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機的結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分，即定子和轉(zhuǎn)子。電機結(jié)構(gòu)

爆炸圖

裝配圖定子定子主磁極鐵心：材料——低碳鋼片、形狀——極身極掌、位置——幾何對稱、寬度——0.6～0.7τ。1、定子——相對靜止部分的總稱定子主要由機座、主磁極、換向極、電刷四大部分組成，此外還有接線盒、端蓋、軸承等。（1）機座作用：固定定子部件、傳導恒定磁通、散發(fā)鐵心熱量。材料：鑄鐵或者鋼板。構(gòu)成：機殼、底座、接線盒等。（2）主磁極作用：產(chǎn)生恒定磁場、磁密梯形分布、協(xié)助能量轉(zhuǎn)換。材料：鐵心外纏線圈。構(gòu)成：主磁極線圈，主磁極鐵心。主磁極線圈：材料——銅質(zhì)線圈、形式——集中線圈、極性——N.S相間、連接——相互串聯(lián)。端蓋（3）換向極作用：克服電樞反應(yīng)、改善換向過程。材料：鐵心外纏線圈。構(gòu)成：換向極線圈，換向極鐵心。換向極線圈：材料——銅質(zhì)線圈、形式——集中線圈、極性——N.S相間、連接——相互串聯(lián)。換向極鐵心：材料——低碳鋼板、形狀——矩形結(jié)構(gòu)、位置——主極之間、寬度——0.1τ左右。（4）電刷作用：輸入輸出電能、疏導電樞電流、平衡電樞電勢。材料：石墨。構(gòu)成：電刷、刷盒、刷壓、刷桿、刷架。后端蓋為克服渦流損耗鋼片之間必須絕緣，為克服磁滯損耗鋼片里必須添加硅。鋼片厚0.35mm，絕緣厚0.10mm。2、轉(zhuǎn)子——相對轉(zhuǎn)動部分的總稱轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、換向器四大部分組成，此外還有風扇、配重片等。（1）轉(zhuǎn)軸作用：輸出輸入機能、固定轉(zhuǎn)子鐵心、固定換向器等。材料：鍛造過的鋼材。構(gòu)成：類似車軸形狀。（2）轉(zhuǎn)子鐵心作用：固定轉(zhuǎn)子繞組、傳導交變磁通、散發(fā)鐵心熱量。材料：含硅絕緣鋼片。構(gòu)成：環(huán)形鋼片，外側(cè)開鐵心槽，安放轉(zhuǎn)子繞組，中間開軸孔。直流電機的鐵心損耗：交變磁通在電樞鐵心上產(chǎn)生的渦流損耗與磁滯損耗之和。

用pFe表示。構(gòu)成：由許多相同的換向片疊成圓桶形狀。（3）轉(zhuǎn)子繞組作用：產(chǎn)生電樞電勢、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩、完成能量轉(zhuǎn)換。材料：絕緣銅質(zhì)導線。構(gòu)成：由許多相同的線圈按照一定規(guī)律串聯(lián)成一個閉合回路。（4）換向器作用：完成機械整流、變交流為直流、變直流為交流。材料：絕緣銅換向片。換向器轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心沖片1.1.3直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的運行特性。額定值通常標在各電氣設(shè)備的銘牌上，故又叫銘牌值。1、直流電機的額定數(shù)據(jù)直流電機的額定數(shù)據(jù)：

根據(jù)電機設(shè)計標準以及實驗數(shù)據(jù)所規(guī)定的電機技術(shù)參數(shù)。

（1）直流電機的額定功率：

直流電機在額定條件下長期運行時的最大允許輸出功率。

用PN表示，單位：W、KW、MW。

直流發(fā)電機：PN=UNIN

——輸出電功率；

直流電動機：PN=TNΩN

——輸出機械功率。

直流電機在正常運行時所能夠允許的最高端線工作電壓。

用UN表示，單位：V、KV。

直流發(fā)電機：UN——輸出端電壓

直流電動機：UN——輸入端電壓。

（2）直流電機的額定電壓：

直流電動機：IN——輸入端電流。（3）直流電機的額定電流：直流電機在長期運行時所能夠允許的最大端線工作電流。用IN表示，單位：A、KA。直流發(fā)電機：IN——輸出端電流；（4）直流電機的勵磁方式：直流電機的主磁極勵磁繞組與電樞繞組之間的連接形式。分為：他勵電機、并勵電機、串勵電機、復勵電機。（5）額定轉(zhuǎn)速：在額定條件下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。用nN表示，單位：r/min、rpm。n與Ω轉(zhuǎn)換關(guān)系：nN=60ΩN/2π，ΩN=2πnN/60。（6）額定效率：在額定條件下的電機效率。用ηN表示。效率：η=P2/P1，額定效率：ηN=PN/P1N。用E、B、F、H等表示。（7）直流電機的絕緣等級：直流電機按著電樞繞組的絕緣材料等級規(guī)定的耐熱級別。分為連續(xù)、斷續(xù)、短時。（8）直流電機的工作方式：直流電機按著設(shè)計標準和電機發(fā)熱程度規(guī)定的工作制式。系列：指結(jié)構(gòu)和形狀基本相似，而容量按一定比例遞增的一系列電機；其電壓、轉(zhuǎn)速、機座號、鐵心長等都有一定的等級。2、國產(chǎn)直流電機系列課堂總結(jié)：1.直流電機的簡單工作原理；2.直流電機的主要結(jié)構(gòu)，主要元件的作用、材料、構(gòu)成；3.直流電機的額定功率。Z2—31Z2——小型直流第二次設(shè)計、3——機座大小順序號、

1——鐵心長度順序號。主要分類

疊繞組、波繞組。波繞組示意圖疊繞組示意圖1.2.1直流電樞繞組基本知識元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。1.2直流電機的電樞繞組合成節(jié)距：連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。第一節(jié)距：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。單疊繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。繞組節(jié)距1.2.2單疊繞組

單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即：。一、單疊繞組的的特點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。2）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。

單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構(gòu)成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關(guān)系。

二、單疊繞組的展開圖三、繞組的并聯(lián)支路電路圖1.2.3單波繞組單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。一、單波繞組的特點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，與磁極對數(shù)無關(guān)；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。4）電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢；

兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。

二、單波繞組的展開圖三、單波繞組的并聯(lián)支路圖1.3.1直流電機的空載磁場

直流電機工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動勢，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應(yīng)。

右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為，流過電流為，每極的勵磁磁動勢為：一、直流電機的磁路1.3直流電機的負載磁場1.3.1直流電機的空載磁場

直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。磁力線由N極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路

空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，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。

如右圖(a)所示幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。二、空載時氣隙磁通密度的分布圖形

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。（b）氣隙磁密分布

為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關(guān)系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。

為了經(jīng)濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通設(shè)定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。1.3.2直流電機負載時的負載磁場

直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。

右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。

假設(shè)勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。

如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中所示。

由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中所示。三、直流電機的電樞反應(yīng)

當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結(jié)果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。1、當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點：2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變

空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線角，磁通密度的曲線與空載時不同。

磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。2、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢。如圖(a)(b)所示。電刷不在幾何中性線時的電樞反應(yīng)可用下列表格說明電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁1.直流電機的電樞電勢1.3.3直流電機的電樞電勢與電磁轉(zhuǎn)矩無論直流電動機還是直流發(fā)電機，只要電樞繞組旋轉(zhuǎn)，導體就會因切割磁力線而產(chǎn)生電樞電勢。直流電機的電樞電勢：在每極磁通作用下，旋轉(zhuǎn)電樞在繞組兩端上產(chǎn)生的電勢。1、電樞電勢表達式的一般形式Ea=CeΦn，★

法拉第電磁感應(yīng)定律的另一種形式

Ce=pN/60a——電勢常數(shù)，結(jié)構(gòu)常數(shù)；p——磁極對數(shù)；N——導體根數(shù)；a——支路對數(shù)。2、電樞電勢表達式的公式分析（1）若Φ=C，則Ea∝n，

①大小：n↑—→Ea↑，

②方向：n＜0

—→Ea＜0；（2）若n=C，則Ea∝Φ，

①大?。害怠鶨a↑，

②方向：Φ＜0

—→Ea＜0。

3、改變發(fā)電機電壓極性的方法（1）通過改變電樞旋轉(zhuǎn)方向，改變電樞電壓的極性：n＜0

—→Ea＜0—→U＜0；

（2）通過改變勵磁電壓方向，改變電樞電壓的極性：Uf＜0

—→If＜0

—→Φ＜0

—→Ea＜0—→U＜0。4、電樞電勢在電機中的作用在發(fā)電機中，電機利用電樞電勢輸出電功率，所以電樞電勢與電樞電流同向，電樞電勢被稱為電源電勢。在電動機中，電機利用電樞電勢平衡端電壓，所以電樞電勢與電樞電流反向，電樞電勢又被稱為反電勢。2.直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩無論直流電動機還是直流發(fā)電機，只要電樞繞組通電，導體就會因切割磁力線而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩：1、電磁轉(zhuǎn)矩表達式的一般形式T=CTΦIa，★

畢奧沙發(fā)電磁力定律的另一種形式

CT=pN/2πa——轉(zhuǎn)矩常數(shù)，結(jié)構(gòu)常數(shù)；CT=pN/2πa=(60/2π)Ce。

2、電磁轉(zhuǎn)矩表達式的公式分析（1）若Φ=C，則T∝Ia

，

①大小：Ia↑—→T↑

，

②方向：Ia＜0

—→T＜0；（2）若n=C，則T∝Φ，

①大?。害怠鶷↑

，

②方向：Φ＜0—→T＜0

。

在每極磁通作用下，電樞電流在電樞表面上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

3、改變電動機轉(zhuǎn)動方向的方法（1）通過改變電樞電壓極性，改變電樞旋轉(zhuǎn)的方向：U＜0

—→Ia＜0

—→T＜0

—→n＜0（2）通過改變勵磁電壓極性，改變電樞旋轉(zhuǎn)的方向：Uf＜0

—→If＜0

—→

Φ＜0

—→T＜0

—→n＜0。

4、電磁轉(zhuǎn)矩在電機中的作用在發(fā)電機中，電機利用電磁轉(zhuǎn)矩平衡輸入轉(zhuǎn)矩，所以電磁轉(zhuǎn)矩與電樞轉(zhuǎn)向反向，電磁轉(zhuǎn)矩被稱為制動轉(zhuǎn)矩。在電動機中，電機利用電磁轉(zhuǎn)矩輸出機械功率，所以電磁轉(zhuǎn)矩與電樞轉(zhuǎn)向同向，電磁轉(zhuǎn)矩被稱為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。1.4.1直流電機的勵磁方式

直流電機的勵磁方式分為四種形式：（1）他勵電機；（2）并勵電機；（3）串勵電機；（4）復勵電機。1、他勵電機：直流電機的勵磁繞組與電樞繞組沒有電的直接聯(lián)系，分別接在兩個不同的獨立直流電源上，勵磁電流由另一個直流電源單獨供給。如圖所示。1.4直流電動機的基本方程直流他勵電動機的端電流與電樞電流為同一個電流。I=Ia

2、并勵電機：直流電機的勵磁繞組與電樞繞組的兩端并聯(lián)在一起，然后接在一個獨立直流電源上，勵磁電流與電樞電流由同一個直流電源供給。如圖所示。直流并勵電動機的端電流等于電樞電流與勵磁電流之和。I=Ia+If。

3、串勵電機：直流電機的勵磁繞組與電樞繞組的兩端串聯(lián)在一起，然后接在一個獨立直流電源上，勵磁電流與電樞電流由同一個直流電源供給。如圖所示。直流串勵電動機的端電流與電樞電流和勵磁電流是同一個電流。I=Ia=If。

4、復勵電機：復勵電機是將串勵與并勵兩種勵磁形式組合在一起，然后接在一個獨立直流電源上，勵磁電流與電樞電流由同一個直流電源供給。如圖所示。直流復勵電動機的端電流等于兩個勵磁電流之和，同時電樞電流與一個勵磁電流是同一個電流。I=If1+If2

If2=Ia

1.4.2直流電動機的基本方程直流電動機基本方程：反映直流電動機運行時各個物理量之間聯(lián)系的數(shù)學方程。

直流電機電動機慣例：

以U為參考，I與U同向，Ia與I同向，Ia與Ea反向；以n為參考，T與n同向，T2與n反向，T0與n反向。

1、電路形式：2、電路方程：①勵磁電壓方程：

Uf=If(rf+rC)=IfRf；

Uf——勵磁電壓，If——勵磁電流，Rf=rf+rC——勵磁電阻，rf——繞線電阻，rC——調(diào)節(jié)電阻。②電樞電壓方程：

U=Ea+IaRa=CeΦn+IaRa；

U——電樞電壓，Ia——電樞電流，Ra=ra+rj——電樞電阻，ra——繞線電阻，rj——接觸電阻。

③電流平衡方程：

I=Ia。

I——輸入端電流。

3、轉(zhuǎn)矩方程：T=T2+T0=TL。

(n=C)

T

——電磁轉(zhuǎn)矩，TL=T2+T0——負載轉(zhuǎn)矩，T2——輸出轉(zhuǎn)矩，T0——空載轉(zhuǎn)矩。

4、功率方程：

UI=EaIa+Ia2Ra—→P1=PM+pCua，

P1——輸入功率，PM——電磁功率，pCua——電樞銅損。

TΩ=T2Ω+T0Ω—→PM=P2+p0，

PM——電磁功率，P2——輸出功率，p0——空載損耗。

他勵電動機電磁功率PM：

他勵電動機中能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的功率。PM

=EaIa=CeΦnIa=(pN/60a)ΦnIa——電功率。

=(pN/60a)Φ(60Ω/2π)Ia=(pN/2πa)ΦIaΩ=CTΦIaΩ=TΩ——機械功率。

PM

=EaIa=TΩ。

P2=P1-p0-pCua=P1-∑p——功率平衡方程。

p0=pm+pFe——空載損耗——不變損耗；pCua=Ia2Ra——電樞銅損——負載損耗。

他勵電動機能流圖：

[例1-2-1]已知：他勵電動機，PN=185W，UN=220V，IN=1.1A，nN=1600r/min，IfN=85mA。試求：（1）ηN=?（2）TN=?（3）T2N=?（4）T0=?1.4.2直流電動機的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性1、直流他勵電動機的工作特性定義：當、時，由方程式可得

忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負載電流按線性關(guān)系變化。如圖所示。（2）轉(zhuǎn)矩特性定義：當、時，轉(zhuǎn)矩表達式

考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。（3）效率特性定義：當、時，由方程式可得

空載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化，當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上，電動機的效率較低；隨著負載電流的增加，輸入的功率大部分都輸出到機械負載上，電動機的效率也隨之提高；但當負載電流增大到一定程度時，銅損隨著快速增大，此時電動機的效率又逐步變小。電動機的效率特性如圖所示。例題1

一臺并勵直流電動機，PN=7.5kW，UN=110V，IN=82.2A，nN=1500r/min，Ra=0.1014Ω，Rf=46.7Ω，忽略電樞反應(yīng)。求（1）T2N；（2）TN；（3）n0；（4）Ia0；（5）n0`；二、直流發(fā)電機的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向1、電樞電動勢和電動勢平衡方程

為電樞回路總電阻，為正負電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動勢平衡方程為：電樞電動勢：從方程式可見，直流發(fā)電機2、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程電磁轉(zhuǎn)矩：直流發(fā)電機的勵磁電流直流發(fā)電機軸上有三個轉(zhuǎn)矩：原動機輸入給發(fā)電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和機械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩。平衡方程為：3、勵磁特性公式每極氣隙磁通4、功率平衡方程原動機輸入給發(fā)電機的機械功率電磁功率機械摩擦損耗、鐵損耗、附加損耗?？蛰d損耗包括：

電磁功率一方面代表電動勢為的電源輸出電流時發(fā)出的電功率，一方面又代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機械功率。電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻是的銅損耗輸出的電功率自勵發(fā)電機中還應(yīng)減去勵磁損耗三、他勵發(fā)電機的運行特性1、空載特性定義：當、時，

直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。

空載時，。由于，因此空載特性實質(zhì)上就是。由于正比于，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同?？蛰d特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線2、外特性定義：當、時，外特性曲線如圖所示

由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵

根據(jù)可知，端電壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。3、調(diào)節(jié)特性定義：當、時，外特性曲線如圖所示

由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應(yīng)及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響。四、并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性

并勵的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。1、自勵條件

曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻特性曲線，也稱場阻線。

原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確，產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大，增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與相等時，達到穩(wěn)定的平衡工作點A。增大，場阻線變?yōu)榍€3時，稱為臨界電阻。如圖所示。若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵?？梢?，并勵直流發(fā)電機的自勵條件有：2、空載特性

并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確3、外特性4、調(diào)節(jié)特性

并勵發(fā)電機的電樞電流，比起他勵發(fā)電機僅僅多了一個勵磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵發(fā)電機的相差不大。

對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的