《電機(jī)與檢劭》?

05級(jí)電氣自動(dòng)化專業(yè)

焦作大學(xué)

機(jī)電工程學(xué)院

常青

二OO六年八月

緒論

§0—1電機(jī)及電力拖動(dòng)簡介

1.什么是電機(jī)

在現(xiàn)代，電能是一種廣泛應(yīng)用的能源。電能與其他能源相比，有突出的優(yōu)點(diǎn)。首先電能的生產(chǎn)

與轉(zhuǎn)換比較經(jīng)濟(jì)；其次電能傳輸與分配比較容易；再者電能的使用與控制比較方便，且易于實(shí)現(xiàn)自

動(dòng)化。因此，在現(xiàn)代社會(huì)中，電能的應(yīng)用已遍及各行各業(yè)中。

在電能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進(jìn)行能量(或信號(hào))傳遞

與變換的電磁機(jī)械裝置，這些電磁機(jī)械裝置被廣義地稱為電機(jī)。通常所說的電機(jī)，是指那些利用電

磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)制造而成的、用于實(shí)現(xiàn)能量(或信號(hào))傳遞與變換的電磁機(jī)械的統(tǒng)稱。按電機(jī)的功能來

分類，電機(jī)可分為：

(1)發(fā)電機(jī)一把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能；

(2)電動(dòng)機(jī)——把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能；

(3)變壓器、變頻機(jī)、變流機(jī)、移相器等，是分別用于改變電壓、頻率、電流及相位的，即把一

種類型的電能轉(zhuǎn)變成另一種類型的電能；

(4)控制電機(jī)——應(yīng)用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制元件。

值得指出的是，從基本工作原理來看，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)只是電機(jī)的兩種不同的運(yùn)行方式，從能

量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來看，二者是可逆的。

上述的各種電機(jī)中，有些是靜止的，如變壓器；有些是旋轉(zhuǎn)的，如各種類型的發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)。

按電流的類型及工作原理的某些差異，旋轉(zhuǎn)電機(jī)又可分為直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)

及各種具有專門用途的控制電機(jī)等。

2.電機(jī)以及電力拖動(dòng)的發(fā)展概況

始于19世紀(jì)60-70年代的第二次工業(yè)技術(shù)革命，是以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點(diǎn)的。從此

人類社會(huì)由蒸汽機(jī)時(shí)代步入了電氣化時(shí)代。在法拉第電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上，一系列電氣發(fā)明相繼出

現(xiàn)。1866年，德國工程師西門子制成發(fā)電機(jī)；1870年比利時(shí)人格拉姆發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，電力開始成

為取代蒸汽來拖動(dòng)機(jī)器的新能源。隨后，各種用電設(shè)備相繼出現(xiàn)。1882年法國學(xué)者德普勒發(fā)明了遠(yuǎn)

距離送電的方法。同年，美國著名發(fā)明家愛迪生創(chuàng)建了美國第一個(gè)火力發(fā)電站，把輸電線結(jié)成網(wǎng)絡(luò)。

從此電力作為一種新能源而廣泛應(yīng)用。那時(shí)，電機(jī)剛剛在工業(yè)上初步應(yīng)用，各種電機(jī)初步定型，電

機(jī)設(shè)計(jì)理論和電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算初步建立。隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)電機(jī)也提出了更高的

要求，如：性能良好、運(yùn)行可靠、單位容量的重量輕體積小等，而且隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展要求,

在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，又派生出多種精度高、響應(yīng)快的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的一個(gè)獨(dú)立分

支。電機(jī)制造也向著大型、巨型發(fā)展。中小型電機(jī)正向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效節(jié)能方向

發(fā)展。各種響應(yīng)快速、起?？焖俚奶胤N電機(jī)在各種復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和無人工廠中實(shí)現(xiàn)了比人

的手腳更復(fù)雜而精巧的運(yùn)動(dòng)。古老的電機(jī)學(xué)已經(jīng)和電力電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制論結(jié)合起來，發(fā)展成

了一門新的學(xué)科。

在我國，電機(jī)制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。我國的電機(jī)生產(chǎn)從1917年至今已有80多年的歷

史，經(jīng)過改革開放20多年的發(fā)展，特別是近10年的發(fā)展，有了長足的進(jìn)步，令世人矚目。目前

已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)業(yè)體系，電機(jī)產(chǎn)品的品種、規(guī)格、性能和產(chǎn)量滿足了我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需

要。而且一些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。近來世界上電機(jī)行業(yè)專家紛紛預(yù)測(cè)，中國將會(huì)成

為世界電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)制造基地。近年來我國已生產(chǎn)了不少大型直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)

機(jī)；在中小型電機(jī)和控制電機(jī)方面，亦自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了不少新系列電機(jī)；對(duì)電機(jī)的新理論、新結(jié)

構(gòu)、新工藝、新材料、新運(yùn)行方式和調(diào)試方法，進(jìn)行了許多研究和試驗(yàn)工作，取得不少成果。

與電機(jī)發(fā)展過程一樣，電力拖動(dòng)技術(shù)也有個(gè)不斷發(fā)展的過程。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)稱為電力

拖動(dòng)（或稱為電氣傳動(dòng)）。電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由控制設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械和電源五部分

組成。它們之間的關(guān)系如圖0.1所示。

圖0.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

電力拖動(dòng)代替蒸汽或水力拖動(dòng)之初，電力拖動(dòng)的方式是成組拖動(dòng)，就是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)

拖動(dòng)一組生產(chǎn)機(jī)械，從電動(dòng)機(jī)到各個(gè)生產(chǎn)機(jī)械的能量傳遞以及各個(gè)生產(chǎn)機(jī)械之間的能量分配完全用

機(jī)械的方法，靠“天軸”以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，車間里有大量的“天軸”、長皮帶和皮帶輪等。這

種傳動(dòng)方式效率低下，生產(chǎn)率低下，灰塵大，勞動(dòng)條件和衛(wèi)生條件差，且容易出事故。另外，電動(dòng)

機(jī)發(fā)生故障，則成組拖動(dòng)的所有生產(chǎn)機(jī)械都將停車，生產(chǎn)將可能停滯。顯然這是一種落后的電力拖

動(dòng)方式。

20世紀(jì)20年代以來，生產(chǎn)機(jī)械上廣泛采用一種“單電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)”，即一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械用一臺(tái)單

獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，且易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的全部自動(dòng)化。但是，由于是一臺(tái)電

動(dòng)機(jī)拖動(dòng)具有多個(gè)工作機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械，需要負(fù)責(zé)能量傳遞的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所以，從20世紀(jì)30

年代起，廣泛采用了“多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)”，即每個(gè)工作機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，因而生產(chǎn)機(jī)械的

機(jī)械結(jié)構(gòu)可以大大簡化，提高了機(jī)械機(jī)構(gòu)的可靠性。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技水平的提高，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求，如：要求提高加工精度與工作

速度，要求快速起動(dòng)、制動(dòng)及反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在大范圍內(nèi)調(diào)速以及整個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化等。這些，都必

須要有自動(dòng)控制設(shè)備，以組成自動(dòng)化的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。

最早的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)是繼電器-接觸器自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于有觸點(diǎn)斷續(xù)控制系統(tǒng)。接著，出現(xiàn)了

發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組，使得直流電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。并且在這個(gè)基礎(chǔ)上，發(fā)展成為采用電力電子

器件組成的自動(dòng)化直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)，并且正向大容量方向發(fā)展；自動(dòng)化元件已有成套標(biāo)準(zhǔn)控制單

元，控制裝置集成化、小型化、微型化，設(shè)備可靠性高，維護(hù)簡便，許多設(shè)備都可做到自動(dòng)運(yùn)行，

不需要監(jiān)視和維護(hù)。

由于交流電動(dòng)機(jī)較之直流電動(dòng)機(jī)具有：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、慣性小等一系列優(yōu)點(diǎn)，而

且單機(jī)容量可以做得很大，電壓等級(jí)可以做得很高，可以實(shí)現(xiàn)高速拖動(dòng)等，所以，人們一直在致力

研究性能更高的交流調(diào)速系統(tǒng)。目前，隨著電力電子器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，

性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，容量進(jìn)一步增大，控制系統(tǒng)集成化程度進(jìn)一步提高。交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)取代

直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)是無可爭議的事實(shí)了。

我國的電力拖動(dòng)系統(tǒng)取得的發(fā)展是有目共睹的，但是，與國外比較，還是有很大差距。主要體

現(xiàn)在：技術(shù)水平相對(duì)較低、拖動(dòng)運(yùn)行效率不高、成套技術(shù)不成熟等。目前，正在奮起直追，狠抓基

礎(chǔ)，開展一些關(guān)鍵技術(shù)的研究，以期盡快縮短和國外的差距，力爭達(dá)到拖動(dòng)系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指

標(biāo)最佳。

3.電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展前景

電氣化、信息化時(shí)代，在性能、可靠性及容量等方面，對(duì)電機(jī)提出了更高的要求。交流變頻調(diào)

速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無刷直流電機(jī)、永磁同步無刷電機(jī)等得到了很大發(fā)展。同時(shí)，隨著新興

行業(yè)的發(fā)展，微電機(jī)亦成為電機(jī)行業(yè)發(fā)展的亮點(diǎn)，是我國電工電器行業(yè)（電機(jī)）發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)品。稀土

永磁電機(jī)，無軸承電機(jī)也是電機(jī)技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向。

與此相適應(yīng)，電機(jī)拖動(dòng)也有了新的發(fā)展，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和

工作的速度，要求快速啟動(dòng)、制動(dòng)和逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的調(diào)速及整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化等，這

就需要有一整套自動(dòng)控制設(shè)備組成自動(dòng)化的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。而這些高要求的拖動(dòng)系統(tǒng)隨著自動(dòng)控制

理論的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的采用，以及數(shù)控技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與采用，正

在不斷地完善和提高。

綜上所述，電力拖動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今，它具有許多其他拖動(dòng)方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它啟動(dòng)、制動(dòng)、

反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動(dòng)機(jī)的類型多，且具有各種不同的運(yùn)行特性來滿

足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)的檢測(cè)和信號(hào)的變換與傳送方便，易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

因此，電力拖動(dòng)已成為國民經(jīng)濟(jì)電氣自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

§0—2本課程的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和特點(diǎn)

《電機(jī)及拖動(dòng)》是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常

用的交直流電機(jī)、變壓器、控制電機(jī)等的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)

算，電機(jī)容量選擇及試驗(yàn)方法等，為學(xué)習(xí)《工廠電氣控制設(shè)備》、《自動(dòng)控制原理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》

等課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識(shí)。

《電機(jī)及拖動(dòng)》是分析和解決電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本問題，主要包括直流電機(jī)及拖動(dòng)、變壓

器、異步電機(jī)及拖動(dòng)、同步電動(dòng)機(jī)、控制電機(jī)和電動(dòng)機(jī)容量的選擇等內(nèi)容。課程學(xué)完后學(xué)生應(yīng)達(dá)到

下列要求：

掌握常用的交直流電機(jī)及變壓器的基本原理（電磁關(guān)系、能量關(guān)系）；

掌握電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性以及各種運(yùn)行狀態(tài)的基本原理；

掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法、調(diào)速原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

掌握電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本實(shí)驗(yàn)方法與技能，并具有熟練的運(yùn)算能力；

掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)容量的選擇；掌握控制電機(jī)的工作原理、特性及用途。

本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、實(shí)踐性也強(qiáng)。分析電機(jī)與電力拖動(dòng)的工作原理要用電學(xué)、磁學(xué)和動(dòng)

力學(xué)的基礎(chǔ)理論，既要有時(shí)間概念，又要有空間概念，所以理論性較強(qiáng)；而用理論分析各種電機(jī)和

電力拖動(dòng)的實(shí)際問題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工程觀點(diǎn)和工程分析方法，除要掌握基本

理論以外，還應(yīng)注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作技能和計(jì)算能力，所以實(shí)踐性也較強(qiáng)。因此，學(xué)習(xí)本門課程應(yīng)該

特別注意理論聯(lián)系實(shí)際。

§0-3本課程常用的電磁定律與公式

一.電路定律

1.歐姆定律

uU

/=—R=—

RU=IRI

4

z

2.基爾霍夫第一定律（電流定律）

E/=o

2?=°或寸=°

3.基爾霍夫第二定律（電壓定律）

￡U=￡E

Ew=Ee或工&=工、

二.全電流定律（安培環(huán)路定律）

i.電流磁效應(yīng)

凡是電流均會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，叫電流的磁效應(yīng)，即所謂“電生磁”。磁力線的方向可根據(jù)電

流的方向有右手螺旋定則確定。

2.磁路的幾個(gè)基本物理量

（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B

B的方向

B的大?。号c磁場(chǎng)方向垂直的單位面積即穿過的磁力線的數(shù)目。

單位1T=IO,Gs

（2）磁感應(yīng)通量

穿過某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量，即穿過某截面S的磁力線的數(shù)目，故稱為磁感應(yīng)通量，簡

稱磁通。

。?ds

磁場(chǎng)均勻且與截面垂直時(shí)，@=BS。S稱為磁通密度。

0的單位為WblWb=108Mx

B的單位為T1T=1Wb/m2lGs=lMx/cm2

（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度H

H=—

4或B=陽

〃為導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，反映介質(zhì)的導(dǎo)磁性能，4大則導(dǎo)磁性能好?！ǖ膯挝籋/m,真空的

7

47tx10H/mo

一般，=2000?6000（鐵磁性材料）

H的單位為A/m或A/cm

3.全電流定律

磁場(chǎng)中沿任一閉回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線積分等于該閉回路回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)

和。

/

這就是全電流定律。當(dāng)導(dǎo)體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關(guān)系時(shí)為正，反之為負(fù)。

三.磁路及磁路定律

磁路：磁通流通的路徑。

鐵磁材料的磁化曲線

（1）磁路的歐姆定律

將全電流定律用于右圖所示的無分支磁路，可

得

￡卬=21=Ni

Hl=-^-=Ni

pA

,NiF-

/JA

磁路中的磁通。與作用在該磁路的上的磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。

磁阻m必1

（2）磁路的基爾霍夫第一定律

對(duì)任一封閉面而言，穿入的磁通必于穿出

的磁通，這是磁通連續(xù)原理。對(duì)有分支的磁路

在磁通匯合處的封閉面上磁通的代數(shù)和等于

零，即wy=o。圖中，玄+。2_。3=0

（3）磁路的基爾霍夫第二定律

將全電流定律應(yīng)用到任一閉合磁路上，有

勺Hdl=￡Hl=￡Ni=Z尸=Z溷

磁壓降的代數(shù)和等于磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。

圖例中片一工=管「跖代=~H2l2=。1氏加一。2火加2

磁路和電路的差別：

(1)電路可以有電勢(shì)無電流，磁路中有磁動(dòng)勢(shì)必然有磁通；

(2)電路中有電流就有損耗(/2氏)，恒定磁通下，磁路中無損耗；

(3)G導(dǎo)"G絕x"而心=(1。3?IO九,磁路中必須考慮漏磁通；

(4)電阻率。在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，4隨B變化，即凡，，隨飽和度

增加而增加。

四.電磁感應(yīng)定律

e=-空=-N”

dtdt

負(fù)號(hào)解釋：

1.變壓器電動(dòng)勢(shì)

線圈與磁通之間沒有相對(duì)切割關(guān)系，僅由線圈交鏈的磁通發(fā)生變化而引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為變壓器

電勢(shì)。見圖0—2,自感電動(dòng)勢(shì)、互感

2.運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)(速率電動(dòng)勢(shì))

若磁場(chǎng)恒定，構(gòu)成線圈的導(dǎo)體切割磁力線，使線圈交鏈的磁通發(fā)生變化，導(dǎo)體中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為

運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)，三方向互相垂直時(shí)，其大小

e=Blv

方向由右手定則確定。

五.電磁力定律

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，三方向互相垂直時(shí)，其大小為

f=Bli

方向由右手定則確定。

六.能量守恒定律

第一章直流電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)

直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)通稱為直流電機(jī)，二者是可逆的，若把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量稱為

電動(dòng)機(jī)，反之稱為發(fā)電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比，具有較好的啟動(dòng)性能、在較寬的范

圍內(nèi)達(dá)到平滑無級(jí)地調(diào)速，同時(shí)又比較經(jīng)濟(jì)；所以廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、電力機(jī)車、大型機(jī)床拖動(dòng)

系統(tǒng)以及玩具行業(yè)中。直流發(fā)電機(jī)主要是采用交流電機(jī)拖動(dòng)用做直流電源，但隨著電力電子技術(shù)的

發(fā)展，晶閘管變流裝置將逐步取代用做直流電源的直流發(fā)電機(jī)。本篇主要分析直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原

理、運(yùn)行特性以及起、制動(dòng)、調(diào)速性能。

電機(jī)是利用電磁作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。直流電機(jī)能將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或?qū)C(jī)

械能換轉(zhuǎn)為直流電能。將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱為直流電動(dòng)機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能

的裝置稱為直流發(fā)電機(jī)。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用有色金屬多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、運(yùn)行

可靠性差等缺點(diǎn)，限制了直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用。隨著近年電力電子學(xué)和微電子學(xué)的迅速發(fā)展，在很

多領(lǐng)域內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)將逐步為交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)所取代，直流發(fā)電機(jī)則正在被電力電子器件整流裝

置所取代。但是直流電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)一良好的起動(dòng)性能和調(diào)速性能、較大的過載能力等，使得直

流電機(jī)在許多場(chǎng)合仍繼續(xù)發(fā)揮重要作用。如直流電動(dòng)機(jī)常應(yīng)用于那些對(duì)起動(dòng)和調(diào)速性能要求較高的

生產(chǎn)機(jī)械，如大型機(jī)床、電力機(jī)車、軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、船舶機(jī)械、造紙機(jī)和紡織機(jī)等。直流發(fā)

電機(jī)作為直流電源，供給需要直流電能的場(chǎng)合，如化工中的電解、電鍍等。本章主要分析直流電動(dòng)

機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩等問題。

1.1直流電機(jī)基本工作原理

圖1.1是一臺(tái)直流電機(jī)的最簡單模型。N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永

久磁鐵。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)

成的電樞線圈abed,線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)半圓形銅片（換向片）上，它們的組合在一

起稱為換向器，在每個(gè)半圓銅片上又分別放置一個(gè)固定不動(dòng)而與之滑動(dòng)接觸的電刷A和B,線圈abed

通過換向器和電刷接通外電路。

1.直流電動(dòng)機(jī)工作原理

圖1.1直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖

加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流，

方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋

轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。

實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線

圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。

2.直流發(fā)電機(jī)工作原理

同直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也是交變的，而通過換向器和

電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動(dòng)勢(shì)是極性不變的直流電動(dòng)勢(shì)。在電刷A、B之間接上

負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。

從以上分析可以看出：一臺(tái)直流電機(jī)原則上可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于

外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋

轉(zhuǎn)，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直

流電能，從電刷上引出直流電動(dòng)勢(shì)，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同一臺(tái)電機(jī)，既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電

機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。

圖1.2直流發(fā)電機(jī)工作原理示意圖

1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值

1.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

由直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、

端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電

動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換

向器和風(fēng)扇等組成。裝配后的電機(jī)如圖L3所示。直流電機(jī)的縱向剖視圖如圖1.4所示。

2.直流電機(jī)的電樞繞組

按照連接規(guī)律的不同，電樞繞組分為單疊繞組（見圖1.11）、單波繞組（見圖1.12）、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞

組、蛙繞組等多種類型。本節(jié)先介紹元件的基本特點(diǎn)，再以單疊繞組和單波繞組為例闡述電樞繞組

的構(gòu)成原理和連接規(guī)律。

圖1.11單疊繞組元件圖1.12單波繞組元件

1一首端2—末端3—元件邊1—2—末端3一元件邊

4一端接部分5一換向片4—端接部分51換向片

1）電樞繞組元件

電樞繞組元件由絕緣漆包銅線繞制而成,每個(gè)元件有兩個(gè)嵌放在電樞槽內(nèi)、能與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

或電動(dòng)勢(shì)的有效邊，稱為元件邊。元件的槽外部分亦即元件邊以外的部分稱為端接部分。為便于嵌

線，每個(gè)元件的一個(gè)元件邊嵌放在某一槽的上層，稱為上層邊，畫圖時(shí)以實(shí)線表示；另一個(gè)元件邊

則嵌放在另一槽的下層，稱為下層邊，畫圖時(shí)以虛線表示。每個(gè)元件有兩個(gè)出線端，稱為首端和末

端，均與換向片相連。如圖1.11、圖1.12所示。每一個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，每片換向片又總是接一

個(gè)元件的上層邊和另一個(gè)元件的下層邊，所以元件數(shù)S總等于換向片數(shù)K,即$=跖而每個(gè)電樞槽

分上下兩層嵌放兩個(gè)元件邊，所以元件數(shù)S又等于槽數(shù)Z,即S=K=Z。

2)節(jié)距

節(jié)距是用來表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)。直流電機(jī)電樞繞組的節(jié)距有第一節(jié)

距yi、第二節(jié)距y2、合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk4種，如圖1.13所示。

圖1.13電樞繞蛆節(jié)距

(1)第一節(jié)距。同一元件的兩個(gè)元件邊在電樞圓周上所跨的距離，用槽數(shù)來表示，稱為第一節(jié)距yi。

一個(gè)磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距T,當(dāng)用槽數(shù)表示時(shí)，極距的表達(dá)式為

Z

T=—,

2P

式中P—磁極對(duì)數(shù)。

(2)第二節(jié)距。第一個(gè)元件的下層邊與直接相連的第二個(gè)元件的上層邊之間在電樞圓周上的距離，用

槽數(shù)表示，稱為第二節(jié)距y2,如圖1.13所示。

(3)合成節(jié)距。直接相連的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為合成節(jié)距y,

如圖1.13所示。

(4)換向器節(jié)距。每個(gè)元件的首、末兩端所連接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換向片

數(shù)表示，稱為換向器節(jié)距yk。由圖1.13可見，換向器節(jié)距yk與合成節(jié)距y總是相等的，即yk=y

3.直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。按勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為以下4類。

1)他勵(lì)直流電機(jī)

勵(lì)磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系，如圖1.20(a)所示。永磁直流電機(jī)也

屬于他勵(lì)直流電機(jī)，因其勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞電流無關(guān)。圖1.20中電流正方向是以電動(dòng)機(jī)為例設(shè)定的。

2)并勵(lì)直流電機(jī)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖1.20（b）所示。勵(lì)磁電壓等于電樞繞組端電壓。以上兩類電機(jī)的勵(lì)磁

電流只有電機(jī)額定電流的1%?5%,所以勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線細(xì)而匝數(shù)多。

3）串勵(lì)直流電機(jī)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖1.20（c）所示。勵(lì)磁電流等于電樞電流，所以勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線粗而匝

數(shù)較少。

4）復(fù)勵(lì)直流電機(jī)

每個(gè)主磁極上套有兩套勵(lì)磁磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵(lì)繞組。一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，

稱為串勵(lì)繞組，如圖1.20（d）所示。兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相同時(shí)稱為積復(fù)勵(lì)，兩個(gè)磁勢(shì)方向相

反時(shí)稱為差復(fù)勵(lì)，通常采用積復(fù)勵(lì)方式。

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式不同，運(yùn)行特性和適用場(chǎng)合也不同。

圖1.20直流電動(dòng)機(jī)的分類

4.直流電機(jī)的額定值

電機(jī)制造廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺(tái)電機(jī)的主要性能指標(biāo)稱為

電機(jī)的額定值。額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上或產(chǎn)品說明書上。

直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)：

1）額定功率PN

額定功率是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，額定功率

是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；對(duì)發(fā)電機(jī)來說，額定功率是指電樞輸出的電功率。單位為kW（千瓦）。

2）額定電壓UN

額定電壓是電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V（伏）O

3）額定電流IN

額定電流是電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A（安培）。

4）額定轉(zhuǎn)速I1N

額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，

單位為r/min（轉(zhuǎn)/分）。

額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，又稱為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩TN、額定效率QN

等，不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品況明書或由銘牌上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

額定功率與額定電壓和額定電流之間有如下關(guān)系：

直流電動(dòng)機(jī)PN=UNIN[NXkW

3

直流發(fā)電機(jī)PN=UNIN^10kW

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果各個(gè)物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱為滿載運(yùn)

行。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電樞電流小于

額定電流，稱為欠載運(yùn)行；電機(jī)的電樞電流大于額定電流，稱為過載運(yùn)行。欠載運(yùn)行，電機(jī)利用不

充分，效率低；過載運(yùn)行，易引起電機(jī)過熱損壞。

1.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩

一.直流電機(jī)的磁場(chǎng)

由直流電機(jī)基本工作原理可知，直流電機(jī)無論作發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，都必須具有一

定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，所以磁場(chǎng)是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介。因此，在分析直流電機(jī)的運(yùn)行原理以前,

必須先對(duì)直流電機(jī)中磁場(chǎng)的大小及分布規(guī)律等有所了解。

直流電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁磁勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的氣隙磁密分布為一平頂波，如圖1.23(b)所示，負(fù)載時(shí)，電

樞繞組流過電樞電流la,產(chǎn)生電樞磁勢(shì)Fa,與勵(lì)磁磁勢(shì)Ff共同建立負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁密，必然會(huì)

使原來的氣隙磁密的分布發(fā)生變化。通常把電樞磁勢(shì)對(duì)氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。

電刷放在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)的影響為：

(1)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。半個(gè)極下磁場(chǎng)削弱，半個(gè)極下磁場(chǎng)加強(qiáng)。對(duì)發(fā)電機(jī)，是前極端(電樞

進(jìn)入端)的磁場(chǎng)削弱，后極端(電樞離開端)的磁場(chǎng)加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)，則與此相反。氣隙磁場(chǎng)的畸變使

物理中性線偏離幾何中性線。對(duì)發(fā)電機(jī)，是順旋轉(zhuǎn)方向偏離；對(duì)電動(dòng)機(jī)，是逆旋轉(zhuǎn)方向偏離。

(2)磁路飽和時(shí)，有去磁作用。因?yàn)榇怕凤柡蜁r(shí)，半個(gè)極下增加的磁通小于另半個(gè)極下減少的磁

通，使每個(gè)極下總的磁通有所減小。

二.電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支

路的電動(dòng)勢(shì)。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割電動(dòng)勢(shì)，由于氣隙合成磁密在一個(gè)極下的

分布不均勻，所以導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是變化的。為分析推導(dǎo)方便起見，可把磁密看成是均勻

分布的，取每個(gè)極下氣隙磁密的平均值Bav,從而可得一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密產(chǎn)

生的電動(dòng)勢(shì)的平均值e.”其表達(dá)式為

eav=Bmlv

式中Bav—一個(gè)極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；

I—電樞導(dǎo)體的有效長度(槽內(nèi)部分)；

v------電樞表面的線速度。

由于4B=-”，v=-602pr,

所以，一根導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值

設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N(N=2SW),則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為曳，因而

2a

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

「NN2”-pN不一不

E=—e“=--------<Pn=-----◎=C0〃

2a2a6060。

式中，Ce=叱——對(duì)己經(jīng)制造好的電機(jī)，是一個(gè)常數(shù)，故稱為直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

60。

每極磁通中的單位用Wb（韋伯），轉(zhuǎn)速單位用r/min時(shí)，電動(dòng)勢(shì)Ea的單位為V。上式表明：對(duì)已

制成的電機(jī)，電樞電動(dòng)勢(shì)Ea與每極磁通電和轉(zhuǎn)速n成正比。

三.電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中流過電樞電流la時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過支路電流ia,成為載流導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中受

到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定則確定，如圖1.27所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為

fx=Bxlii

如果仍把氣隙合成磁場(chǎng)看成是均勻分布的，氣隙磁密用平均值Bav表示，則每根導(dǎo)體所受電磁

力的平均值為fav=BJia

一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為Tav=fav^-

式中D-----電樞外徑。

不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向也不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向部是

一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值Tav乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N,

即

式中。？=則一一對(duì)已制成的電機(jī)是一個(gè)常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

27m

磁通的單位用Wb,電流的單位用A時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T的單位為N?m（牛?米）。上式表明：對(duì)已制

成的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通中和電樞電流la成正比。

電樞電動(dòng)勢(shì)=Q的電磁轉(zhuǎn)矩T=怛是直流電機(jī)兩個(gè)重要的公式。對(duì)于同一臺(tái)直流電

機(jī)，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Q和轉(zhuǎn)矩常數(shù)。之間具有確定的關(guān)系：

G=CT=0.105CT

1.4直流電動(dòng)機(jī)的基本平衡方程式

直流電動(dòng)機(jī)的基本平衡方程式是指直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電路系統(tǒng)的電壓平衡方程式、能量

轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程式和機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。

一.電壓平衡方程式

電樞回路的電勢(shì)平衡方程式為

u=七+/工+

式中l(wèi)a——電樞電流；

ra——電樞回路的電阻;

2Aus——正負(fù)電刷的接觸電壓降落。在額定負(fù)載時(shí)，一般情況下取2Ar=2V。

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，由于U>Ea,電流從電網(wǎng)流入電樞繞組，成為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電能。同

樣，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，電樞會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)向相同，成為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又可作為發(fā)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只是各有異同。在兩種運(yùn)行狀態(tài)

下，電樞繞組中均產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果端電壓U大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea,即U>Ea,電流從電網(wǎng)流

入電樞繞組，成為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；反之，如果U<Ea,則電樞繞組向外輸送電流，成為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

同樣，在這兩種運(yùn)行狀態(tài)下，電樞均產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向同方向，成為驅(qū)

動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而在發(fā)電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，使之成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

二.功率平衡方程式

以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例來進(jìn)一步論述電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的功率平衡關(guān)系。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流I為電樞電流

la與勵(lì)磁電流If之和，I=Ia+If

由電網(wǎng)輸入的電功率為

+pf

“a=EJa+/；9+=幾+Pa+Pb

式中MP稱為電磁功率，是電樞電流al與電樞電動(dòng)勢(shì)aE的乘積，是電樞繞組因切割主磁通而產(chǎn)生

的電功率。輸入至電樞回路中的功率除了一小部分化作電樞回路的銅損ap和電刷接觸電損耗bp外,

大部分為電磁功率MP。在直流電動(dòng)機(jī)情況下，電磁功率就是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率的功率。這一轉(zhuǎn)變而

來的機(jī)械功率尚不能全部被利用，還需克服鐵心損耗Fep、機(jī)械損耗mp和雜散損耗p△后，才是電

動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率2P,即有

4-

PM=2P+*pm+pp

電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式為

片=4+Pf++Pb+Pm+PA+PA=6+Z”

畫出直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率流程如圖所示。

三.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式是:

式中,

7=a=堊=型0Tl一—電磁轉(zhuǎn)矩：

coco2ita

7；=芻——電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩；

0）

■+'■—由機(jī)械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩。

0）

電動(dòng)機(jī)軸的電磁轉(zhuǎn)矩一部分與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，另一部分是空載損耗。

第二章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

§2-1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

電力拖動(dòng)裝置通常由電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源四部分組成。電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)構(gòu)之間

一般還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動(dòng)方式后再傳給生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)。

（一）運(yùn)動(dòng)方程式

對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，方程式為

dv

F—Fz=mdt（N）

dv

式中F—拖動(dòng)力Fz—阻力mdt一，慣性力m的單位為kg

對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，方程式為

dd

T-TZ=Jdt（N?m）

式中T一拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩

Tz—阻轉(zhuǎn)矩（或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩）

溫

Jdt—慣性轉(zhuǎn)矩（或稱加速轉(zhuǎn)矩）

通常將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關(guān)系為

GD2

J=mp2=4g

式中m與G—轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；

。與D—慣性半徑與直徑（m）；

g=9.81m/s2—重力加速度

再將機(jī)械角速度Q用轉(zhuǎn)速n表示，則可得運(yùn)動(dòng)方程式的實(shí)用形式

GD2dn

T-Tz=375dt

式中GD?一飛輪矩N-m2

電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)可由運(yùn)動(dòng)方程式判斷

dn

（1）當(dāng)T=Tz,dt=0,則n=0或n=常值電動(dòng)機(jī)靜止或等速旋轉(zhuǎn)，即拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)

行。

dn

（2）當(dāng)T>TZ,dt>0,電力拖動(dòng)系統(tǒng)加速運(yùn)行。

dn

（3）當(dāng)T<TZ,dt<0,電力拖動(dòng)系統(tǒng)減速運(yùn)行。

（二）運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩的正負(fù)號(hào)分析

根據(jù)電動(dòng)機(jī)和生成機(jī)械負(fù)載類型及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的不同，運(yùn)動(dòng)方程式中的T和Tz都有方向變化帶來

的正負(fù)號(hào)問題，一般可作如下規(guī)定：先規(guī)定某一方向?yàn)閚的正方向，則轉(zhuǎn)矩T的方向與此方向相同

為正，反之為負(fù)，轉(zhuǎn)矩Tz的方向與此方向相反為正，相同為負(fù)。

dn

dt的大小及正負(fù)符號(hào)由T及Tz的代數(shù)和來決定。

上述運(yùn)動(dòng)方程式是對(duì)一根軸而言的，適用于單軸系統(tǒng)。對(duì)于多軸系統(tǒng)，就應(yīng)列出多個(gè)方

程聯(lián)立求解，比較麻煩。為此，通常只要把電動(dòng)機(jī)軸作為研究對(duì)象即可，這就需要把實(shí)際的

拖動(dòng)系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)。

二.生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系用曲線表示稱為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。

生產(chǎn)機(jī)械品種繁多，特性各不相同，但大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可以歸納為以下三種類

型。

（一）恒轉(zhuǎn)距負(fù)載特性

1.反抗性恒轉(zhuǎn)距負(fù)載特性

Tz的大小恒定不變，方向總是與運(yùn)動(dòng)方向相反。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性在第一和第三象限，如圖2—1

所示，例如金屬的壓延，機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)等。

圖2-1反抗性恒轉(zhuǎn)短負(fù)載特性圖2-2位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)或特性

1.1.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

Tz的大小和方向均與轉(zhuǎn)速無關(guān)，不隨機(jī)變化。其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性在第一和第四象限，如圖2—2

所示，例如重物的提升與下放等。

（二）通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性

Tz大小基本上與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即

2

Tz=kn

式中k—比例常數(shù)

其特性如圖2—3所示，在第一，三象限，例如風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等

乃

圖2-4恒功率負(fù)載特性

圖2-3通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性

(三)恒功率負(fù)載特性

Tz的大小基本上與轉(zhuǎn)速n成反比，即乙=幺

n

27mTznk

這時(shí)Pz=Tz^l=Tz60=9.55=9.55=肩

故稱恒功率負(fù)載特性，如圖2—4所示，切削機(jī)床屬于此類。

實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。

§2-2他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線n=f(T)稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

--機(jī)械特性方程式

由基本公式丁=5①L

Ea=CeOn

U=Ea+IaR

_Ea_U-IaR_URr_UR所

當(dāng)U、R、①為常數(shù)時(shí)，n=f(T)為一條向下傾斜的直線，如圖2-5所示。

圖2-5他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的圖2v電樞反應(yīng)對(duì)機(jī)械

機(jī)械將性特性的影響

U

〃0

其中Ce（t＞稱為理想空載轉(zhuǎn)速

B=R2

CGA稱為機(jī)械特傾性的斜率，大小反映軟特性與硬特性

D

△〃="=-------T

QC/一稱為負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降

電樞反應(yīng)對(duì)機(jī)械特性的影響，可能使特性在T較大時(shí)上翹，如圖2—6所示，克服上翹現(xiàn)

象的方法是裝設(shè)穩(wěn)定繞組。

--固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性

（一）固有機(jī)械特性

U二%、①二①^、電樞回路不串電阻時(shí)的機(jī)械特性。

其方程式

〃=工-。

Q。=CeC*"

由于Ra較小，特性的斜率B小，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是一條稍稍向下傾

斜的直線，如圖2—5所示，稱為硬特性，其額定轉(zhuǎn)速變化率

而N%=」_^100%

nN

一般為10%左右。

（二）電樞串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性

U=UN，0=R=Ra+R。時(shí)的"=/（T）

方程式為

n-UN_Ra+Rn

幾一c乂t

C@Nc?媚

可見n。不變時(shí)，斜率隨R。的增大而增大，轉(zhuǎn)速降也隨串聯(lián)電阻之加大而增加。如圖2—7所

/Ko

圖2-7他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有

機(jī)械特性及電樞申聯(lián)電阻時(shí)的

人為機(jī)械特性

（三）改變電壓時(shí)的人為機(jī)械特性

①=①、，RQ=°,改變電壓時(shí)的機(jī)械特性方程式為

uR

G0NCeg%

特性的斜率/不變，〃。與U成正比變化。如圖2-8a）所示。

（四）減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性

『UNRT

n---------------a--1

c“cecTf

隨著磁通減弱，〃。增大，斜率也增大，如圖2—8b）所示。

圖28a）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電壓不

同時(shí)的人為機(jī)械特性圖28b）減翳力的分=，（T）曲猿

lTJ一入時(shí)2及3T及時(shí)2及3f及6時(shí)

5時(shí)（辦>5>%>

三.機(jī)械特性的繪制

（一）固有機(jī)械特性的繪制

兩點(diǎn)決定一條直線，只要設(shè)法求得特性（圖2—5）上的兩點(diǎn)，一般選擇理想空載點(diǎn)（Z0,

〃。）和額定運(yùn)行點(diǎn)（TN,2較為方便，"N是知道的，只要求〃。和TN。

U

〃0二----

1.求〃。C4

C血="=6一""R

襄N〃N式中Ra可用下式估算：

12UI—P

RNNN

a=-2

N

TN=CT（/）NIN=9.55Ce0N，N

（二）人為機(jī)械特性的繪制

只需將相應(yīng)的參數(shù)值代入人為機(jī)械特性方程式，即可計(jì)算繪制各種人為機(jī)械特性O(shè)

四.電力拖動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

穩(wěn)定運(yùn)行的概念，不穩(wěn)定運(yùn)行的概念。

穩(wěn)定運(yùn)行的判據(jù)：”在交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上T<Tz,而在這一轉(zhuǎn)速之下T>Tz,就能保

dT<dTz_

證穩(wěn)定運(yùn)行”，或在交點(diǎn)滿足加而。

§2-3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

起動(dòng)時(shí)，應(yīng)先通勵(lì)磁電流，而后加電樞電壓，并且一般不能加額定電壓直接起動(dòng)。因?yàn)槠?/p>

動(dòng)開始時(shí)，〃=°，起動(dòng)電流

/J一紇;U

St

Ra凡

可能達(dá)到額定電流的十多倍，換向嚴(yán)重惡化，沖擊轉(zhuǎn)矩也易損壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

為此，起動(dòng)時(shí)，應(yīng)設(shè)法限制電樞電流的不超過額定電流的1.5?2倍。方法有兩種：一是

降壓起動(dòng)，二是電樞回路中串電阻起動(dòng)。

下圖是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串三段電阻進(jìn)行三級(jí)起動(dòng)的電路圖和相應(yīng)的特性圖。圖中

「為起動(dòng)過程中最大的轉(zhuǎn)矩，T2是切換轉(zhuǎn)矩，Tz為起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，。起動(dòng)過程中，每一級(jí)

的「(ID與4(1)取得大小一致，使電動(dòng)機(jī)有較均勻的加速度。

二.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電阻的計(jì)算

以圖2-10為例，取A=(1/?L2)/N或A之(L2-L5〃Z,4=(L5~2.0)/外，一般要

經(jīng)過多次調(diào)整，才能繪出圖2—10b所示特性圖，由此圖可以推導(dǎo)得計(jì)算分級(jí)電阻數(shù)值的公式。

nb=nc/故有Eb=Ec,在b點(diǎn)：

工

R?

r_U—Ec

1

在C點(diǎn)：為

4=里

兩式相除，考慮Eb=E*得：I2R

同樣，由D點(diǎn)和E點(diǎn)，可得：

4=女

A也

故有兩級(jí)起動(dòng)時(shí)：

Zt—_R】

1一R一瓦

推廣到m級(jí)：

_Rm_火加一1=…=_^1_

，2&一1Rm-2Ra

設(shè)合=6，轉(zhuǎn)=0,稱為起動(dòng)電流比（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比），則得各級(jí)電樞電路總電阻的計(jì)算公

式：

居=%

-2=西=加（

R-=B"K.

夕金

可見v4

如果給定用，需求加，則

吟

m=------

如需求分段電阻值，有前面公式可得

Rm=R「Ra=（0T）R.

Rg=R「Ri=W—0）Ra=0Rs

計(jì)算分級(jí)起動(dòng)電阻，有兩種情況：

1.起動(dòng)級(jí)數(shù)m未定：初選0—Rm=B（-＞求!!!，整成整數(shù)mT■計(jì)算僅值一計(jì)算

各級(jí)電阻或分段電阻。

-》

2.起動(dòng)級(jí)數(shù)m已定，選定,1計(jì)算尸值-計(jì)算各級(jí)電阻或分段電阻。

§2—4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

大量生產(chǎn)機(jī)械（如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、紡織機(jī)械等）的工作機(jī)構(gòu)要求在不同

的情況下以不同的速度工作，要求我們用人為的方法改變其速度，這可用機(jī)械方法、電氣方法或機(jī)

械電氣配合的方法。

電氣調(diào)速是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，通過人為的方法改變電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)，從

而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。

從他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式

URa+Rn

〃-----------------------------------7T1

c*eg方

可以看出，調(diào)速方法有三種：電樞回路串電阻Ra調(diào)速、降壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。

一.調(diào)速指標(biāo)

(一)調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)

1.調(diào)速范圍D

額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動(dòng)機(jī)可能調(diào)到的最高轉(zhuǎn)速/ax與最低轉(zhuǎn)速Ilmin之比，即

式中Ilmax受電動(dòng)機(jī)換向及機(jī)械強(qiáng)度的限制，11mm受生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定性要求的限制。不同的

生產(chǎn)機(jī)械要求的調(diào)速范圍是不同的，如車床D=20?120,龍門刨床D=10?40,造紙機(jī)D=3?20,軋鋼

機(jī)D=3?120等。

2.靜差率8

電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載運(yùn)行的轉(zhuǎn)速降△口與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，用百分?jǐn)?shù)表示

3%=區(qū)X100%=〃。一叫x100%

〃0〃0

一般為5?10%o

靜差率6的大小反映靜態(tài)轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定的程度，6越小，轉(zhuǎn)速降越小，轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定性越

好。不同的生產(chǎn)機(jī)械要求不同的靜差率，例如普通車床：<30%,龍門刨：<5<10%,造紙機(jī)：

<5<0.1%

靜差率與機(jī)械特性硬度有關(guān)。機(jī)械特性越硬，靜差率越小，相對(duì)穩(wěn)定性越好，但機(jī)械特性的硬

度相同時(shí)，靜差率5并不相等，而是〃。較低的其b較大。.??靜差率b與特性的硬度有關(guān)，但又不是

同一個(gè)概念。

生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率的要求限制了電動(dòng)機(jī)允許達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速〃min,從而限制了調(diào)速范圍。下面

以調(diào)壓調(diào)速的情況為例推導(dǎo)D與3的關(guān)系，根據(jù)不同電壓下的兩條特性，可得：

D—"max_"max_"max_"max_"max：

77min〃0-A〃NA(]?N)廝N(]Q-

"〃o§

可見：生產(chǎn)機(jī)械允許的最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率b越大，電動(dòng)機(jī)允許的調(diào)速范圍D越大。所以調(diào)速

范圍D只有在對(duì)5有一定要求的前提下才有意義。

3.平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多，調(diào)速越平滑，平滑程度用平滑系數(shù)。來

衡量。。的定義是相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速或線速度之比，即：

(p--—=—L-

%V1

顯然，。越接近于1,調(diào)速平滑性越好，。一1=￡可以小于任意數(shù)，則〃可調(diào)至任意數(shù)值，平

滑性最好，稱為無級(jí)調(diào)速。

4.調(diào)速時(shí)的容許輸出是指保持額定電流條件下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)容許輸出的最大轉(zhuǎn)矩或最大

功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。容許輸出的最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法；允許輸

出的最大功率不變的稱為恒功率調(diào)速方法。

（-）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包含三個(gè)方面：一是調(diào)速設(shè)備初投資的大小，二是運(yùn)行過程中能量損耗的多少，三是

維護(hù)費(fèi)用的高低，三者總和較小者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較好。

二.低電樞端電壓調(diào)速

（-）電樞回路串電阻調(diào)速

。保持U=0N,0=0v,電樞回路串入適當(dāng)大小的電阻R。，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。原理可從圖2-16

所示機(jī)械特性上看出。

圖2T6電樞申聯(lián)電阻訊速

串電阻調(diào)速的物理過程：AT紇不能突變。/“J,TJ,