1、a,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(chǔ),緒 論,2,0 緒 論,目 錄,3,電能是現(xiàn)代能源中應(yīng)用最廣的二次能源，它的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制都比較方便經(jīng)濟，而要實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換和使用等都離不開電機。 電機是一種利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，將能量或信號進行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機械裝置。電機在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域起著重要作用。在電力工業(yè)中，產(chǎn)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(shè)備。在工業(yè)企業(yè)中，人們利用電動機把電能轉(zhuǎn)換為機械能去拖動各種生產(chǎn)機械，從而滿足生產(chǎn)工藝過程的要求。在交通運輸業(yè)中，需要大量的牽引電

2、動機。在電力排灌、播種、收割等農(nóng)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(shù)在國民經(jīng)濟中的作用,4,用電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運行的系統(tǒng)，稱為電力拖動系統(tǒng)。電力拖動是機電設(shè)備中的一個重要組成部分。除小部分生產(chǎn)機械采用氣動或液壓拖動外，絕大多數(shù)的生產(chǎn)機械都采用電力拖動，這源于電力拖動有其一系列的優(yōu)點： （1） 電能的遠距離輸送簡便經(jīng)濟，分配簡單，檢測方便； （2） 電力拖動比其他形式的拖動效率高，電動機與被拖動機械的聯(lián)接簡便； （3） 電動機的形式和種類很多，具有各種各樣的特性，可適應(yīng)不同生產(chǎn)機械的需要，且電力拖動的起

3、動、制動與調(diào)速等控制簡便迅速，調(diào)節(jié)性能好； （4） 可實現(xiàn)遠距離控制與自動調(diào)節(jié)，并進而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。,0.1 電機和電力拖動技術(shù)在國民經(jīng)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(guān)聯(lián)的電機廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)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(yīng)作用 來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。為了 在一定的勵磁電流下產(chǎn) 生較強的磁場,電機的磁 路均用導(dǎo)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,6,0.2 電機的類型及所用

4、的材料,7,0.2 電機的類型及所用的材料,8,本課程是電氣自動化、電氣技術(shù)和機電一體化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。 “電機與拖動基礎(chǔ)”是“電機學”和“電力拖動技術(shù)基礎(chǔ)”兩部分內(nèi)容的有機結(jié)合，它是在學習了“電工基礎(chǔ)”等課程的基礎(chǔ)上，通過講授直流電機、變壓器、交流電機的基本理論和電力拖動的基本原理等知識，以期達到下列要求： （1） 熟悉直流電機、變壓器、三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)，掌握它們的工作原理。 （2） 掌握直流電動機、三相異步電動機的機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論。 （3） 掌握直流電動機、三相異步電動機起動、制動、調(diào)速的電力拖動基本原理和計算方法。 （4） 掌握電機及電力拖動實驗的基本方法

5、和技能。,0.3 本課程的主要內(nèi)容、任務(wù)和學習方法,9,“電機與拖動基礎(chǔ)”既是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，又具有專業(yè)課的性質(zhì)，不僅有理論的分析推導(dǎo)、磁場的抽象敘述，還要用基本理論去分析比較復(fù)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(yīng)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(yīng)預(yù)習，課后應(yīng)及時復(fù)習,并選擇適當?shù)乃伎碱}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(nèi)容、任

6、務(wù)和學習方法,a,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(chǔ),1 直流電機,11,1 直流電機,目 錄,12,【知識目標】 掌握直流電機的基本結(jié)構(gòu)、直流發(fā)電機和直流電動機的基本原理、直流電機的勵磁方式和磁場分布、直流電動機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩以及直流電動機的機械特性。 【能力目標】 學習直流電機的拆卸、接線方法；計算直流電動機的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩；掌握直流電動機的運行特性。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),13,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(zhuǎn)化為電能的直流電機是直流發(fā)電機，將電能轉(zhuǎn)化為機械能的直流電機是直流電動機。直流電機

7、具有良好的調(diào)速性能、較大的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力，一般應(yīng)用于對起動和調(diào)速要求較高的場合。另外，結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu),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(zhuǎn)鐵質(zhì)圓柱體上的線圈，線圈連同鐵質(zhì)圓柱體是直流電機可轉(zhuǎn)動的部分，稱為直流電機的轉(zhuǎn)子（或電樞）。線圈的末端a、d聯(lián)結(jié)到兩個相互絕緣并可以隨線圈一同轉(zhuǎn)動的導(dǎo)電片上，該導(dǎo)電片稱為換向片。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的聯(lián)結(jié)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(zhuǎn)子間有間隙存在，稱為氣隙。 圖1.1直流發(fā)電

8、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(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在線圈abcd中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。,1.1.1 電路的組成,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),16,導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則確定。在逆時針旋轉(zhuǎn)情況下，導(dǎo)體ab在N極下，感應(yīng)電動勢的極性為a點高電位，b點低電位；導(dǎo)體cd則在S極下，感應(yīng)電動勢的極性為c點高電位，d點低電位，在此狀態(tài)下電刷A的極性為正，電刷B的極性為負。當線圈旋轉(zhuǎn)180后，導(dǎo)體ab在S極下，導(dǎo)體cd則在N極下，此時導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢方向已改變，但

9、由于原來與電刷A接觸的換向片已經(jīng)與電刷B接觸，而與電刷B接觸的換向片同時換到與電刷A接觸，因此電刷A的極性仍為正，電刷B的極性仍為負。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),17,從圖1.1中可以看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)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(jù)具體應(yīng)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(jié)起來，構(gòu)成直流電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要,N、S極交替放置多對。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),18,1.1.2 直流電動機的工作原理,圖1.2,1

10、.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),20,導(dǎo)體受力方向由左手定則確定。在第一種情況下，位于N極下的導(dǎo)體ab受力方向為從右向左，而位于S極下的導(dǎo)體cd受力方向從左到右。導(dǎo)體所受電磁力對軸產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，這種由于電磁作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向為逆時針。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時，線圈按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，當電樞轉(zhuǎn)動到第二個位置時，原位于S極下的導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，其受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅欢挥贜極下的導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，導(dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，該轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向，線圈在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這樣雖然導(dǎo)體

11、中流通的電流為交變的，但N極下的導(dǎo)體受力方向和S極下導(dǎo)體的受力方向并未發(fā)生變化，電動機在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu),22,直流電動機

12、和直流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)基本是相同的，即都有可旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分?？尚D(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子，靜止部分稱為定子，在定子和轉(zhuǎn)子之間存在著氣隙。小型直流電動機結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。 （1） 定子部分 定子的作用，在電磁方面是產(chǎn)生磁場和構(gòu)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(jié)構(gòu),1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),23,圖1.3小型直流電動機的結(jié)構(gòu),1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),24,圖1.4小型直流電動機的剖面結(jié)構(gòu) 1電樞繞組；2電樞鐵芯；3機座； 4主磁極鐵芯；5勵磁繞組；6換向繞組； 7換

13、向極鐵芯；8主磁極極靴；9機座底腳,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),25, 主磁極主磁極的作用是在定子與轉(zhuǎn)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(gòu)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1.01.5 mm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(chǎn)生主磁通的，稱為勵磁繞組。主磁極的結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),26,圖1.5直流電機主磁極的結(jié)構(gòu) 1機座；2主磁極鐵芯；3勵磁繞組,1.1

14、 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),27, 機座直流電機的機座有兩種形式，一種為整體機座，另一種為疊片機座。整體機座是用導(dǎo)磁性能較好的鑄鋼材料制成的，該種機座能同時起到導(dǎo)磁和機械支撐的作用。由于機座起導(dǎo)磁作用，因此機座是主磁路的一部分，稱為定子鐵軛。主磁極、換向極及端蓋均固定在機座上，因此，機座起到了支撐的作用。一般直流電機均采用整體機座。疊片機座是用薄鋼沖片疊壓成定子鐵軛，再把定子鐵軛固定在一個專門起支撐作用的機座里，這樣定子鐵軛和機座是分開的，機座只起支撐作用，可用普通鋼板制成。疊片機座主要用于主磁通變化快、調(diào)速范圍較高的場合。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),28, 換向極換向極結(jié)構(gòu)如圖1.6

15、所示。換向極安裝在相鄰的兩個主磁極之間，固定在機座上，用來改善直流電機的換向。一般電機容量超過1 kW時均應(yīng)安裝換向極。 換向極是由換向極鐵芯和換向極繞組組成。換向極鐵芯可根據(jù)要求用整塊鋼制成，也可用1.01.5 mm厚的鋼板疊成，所有的換向極線圈串聯(lián)后稱為換向極繞組，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極繞組數(shù)目一般與主磁極數(shù)目相同，但在功率很小的直流電機中，只裝主磁極數(shù)一半的換向極或不裝換向極。換向極的極性根據(jù)換向要求確定。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),29, 電刷電刷裝置的作用是通過電刷和旋轉(zhuǎn)的換向器表面的滑動接觸，把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與外電路聯(lián)結(jié)起來，并與換向器配合，起到整流或逆變的作用。

16、電刷裝置一般由電刷、刷握、刷桿座和壓緊彈簧組成，其結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。 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(zhuǎn)軸，使直流電機能夠旋轉(zhuǎn)。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),30,圖1.6 直流電動機換向極結(jié)構(gòu) 1換向極鐵芯；2換向極繞組,圖1.7 電刷的結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu),31,（2） 轉(zhuǎn)子部分 轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機的轉(zhuǎn)動部分，是用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。它包括電樞鐵芯、換向器、電機轉(zhuǎn)軸、電樞繞組、軸承和風扇等。 電樞鐵芯電樞鐵芯是主磁路的一部分，同時用來嵌放電樞

17、繞組。當電機旋轉(zhuǎn)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0.5 mm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。 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(nèi)，并與換向器聯(lián)結(jié)。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(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),33, 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

18、電動勢轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機旋轉(zhuǎn)。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(guān)鍵部件，也是最薄弱的部分。 換向器采用導(dǎo)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(nèi)，拼成圓筒形套在鋼套筒上，相鄰的兩換向片間以0.61.2 mm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(zhuǎn)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(jié)構(gòu),34,圖1.9 換向器結(jié)構(gòu) 1V形套筒；2云母片； 3換向片；4聯(lián)結(jié)片,1.1

19、 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),35,表征電機額定運行情況的各種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。它是正確合理使用電機的依據(jù)。銘牌數(shù)據(jù)主要包括電機型號、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和額定勵磁電流及勵磁方式等，此外還有電機的出廠數(shù)據(jù)，如出廠編號、出廠日期等。 國產(chǎn)電機型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示，其格式為：第一部分用大寫的拼音表示產(chǎn)品代號，第二部分用阿拉伯數(shù)字表示設(shè)計序號，第三部分用阿拉伯數(shù)字表示機座代號，第四部分用阿拉伯數(shù)字表示電樞鐵芯長度代號。,1.1.4 直流電機的銘牌數(shù)據(jù),1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),36,如：Z292中的Z表

20、示一般用途直流電機；2表示設(shè)計序號，第二次改型設(shè)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(shù)據(jù)稱為額定數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu),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(yīng)的電流值。額定電流的單位為A。 額定功

21、率、額定電壓和額定電流的關(guān)系為： 發(fā)電機 電動機 額定轉(zhuǎn)速 指對應(yīng)于額定電流、額定電壓，電機運行于額定功率時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速的單位為 。 額定勵磁電流 是指對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)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(jié)方式。根據(jù)電樞線圈與勵磁線圈的聯(lián)結(jié)方式不同，直流電機勵磁有并勵、串勵、他勵和復(fù)勵等方式。,1.1 直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu),38,在電機的銘牌上還標有其他數(shù)據(jù)，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(jù)。電機在運行時的各種數(shù)據(jù)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

22、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(yīng)根據(jù)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(jié)構(gòu),39,由直流電機的基本工作原理可知，電樞旋轉(zhuǎn)切割氣隙中的磁力線而感應(yīng)電動勢，電樞電流與氣隙中的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因而氣隙磁場是電機進行機電能量轉(zhuǎn)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(jié)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

23、的勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)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(fù)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(guān)。 (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

24、5%，要產(chǎn)生足夠大的磁通需要有較多的匝數(shù)，所以并勵繞組匝數(shù)多，導(dǎo)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(shù)值較大，因此，串勵繞組匝數(shù)很少，導(dǎo)線較粗。串勵式直流電動機具有很大的起動轉(zhuǎn)矩，但其機械特性很軟，且空載時有極高的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩很大且轉(zhuǎn)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(fù)勵電機 復(fù)勵電機的主磁極由兩個勵磁繞組組

25、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(fù)勵；該型電機多用于要求起動轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)速變化不大的負載。由于積復(fù)勵式直流電動機在兩個不同旋轉(zhuǎn)方向上的轉(zhuǎn)速和運行特性不同，因此不能用于可逆驅(qū)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(fù)勵；差復(fù)勵式直流電動機一般用于起動轉(zhuǎn)矩小，而要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的小型恒壓驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)中。,1.2 直流電機的勵磁方式和磁場,44,1.2.2.1直流

26、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(chǎn)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(jīng)過氣隙進入電樞的齒槽，再經(jīng)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(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主磁通。另外，還有一小部分磁

27、通不進入電樞鐵芯，直接經(jīng)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(yīng)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(jù)磁路定律，產(chǎn)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(dǎo)率

28、遠小于鐵磁材料的磁導(dǎo)率，所以氣隙的磁阻很大。可以認為，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(yīng)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(shù)；接近極尖處氣隙逐漸變大，磁通密度減?。粯O尖以外氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小；在磁極的幾何中性線處，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

29、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,50,1.2.2.2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(chǎn)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

30、； （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(yīng)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(cè)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(chǎn)生的?？梢钥闯觯捎陔姌写艌龅某霈F(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(yīng)。從圖1.13看出，當電刷在幾何中性線時，電樞反應(yīng)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

31、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(shù)量與加強數(shù)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(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢。電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩，通過電動機的軸帶動負載；電樞感應(yīng)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(yīng)電動勢，也就是每個支路里

32、的感應(yīng)電動勢。 在直流電機中，感應(yīng)電動勢是由于電樞繞組和磁場之間的相對運動即導(dǎo)線切割磁力線而產(chǎn)生的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電樞繞組中每根導(dǎo)體感應(yīng)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(dǎo)體電動勢之和，線速度v與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩,55,1.3 直流電動機電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,56,在直流電機中，電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與氣隙磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁力所形成的。根據(jù)電磁力定律，當電樞繞組有電樞電流流過時，在磁場內(nèi)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(zhuǎn)矩。

33、一根導(dǎo)體在磁場中所受電磁力的大小為 ，對于給定的電機，磁感應(yīng)強度B與每極的磁通成正比；每根導(dǎo)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(dǎo)線長度l在電機制成后是個常量。因此，電磁轉(zhuǎn)矩T與電磁力f成正比，即電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和電樞電流Ia成正比，其大小用下式來表示：,1.3.2 電磁轉(zhuǎn)矩,1.3 直流電動機電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,57,1.3 直流電動機電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,58,直流電動機的機械特性是指電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩 之間的關(guān)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,59,1.4 直流電動機的機械特性,60,圖1

34、-15,1.4 直流電動機的機械特性,61,因為電樞電阻Ra很小，特性斜率很小，通常額定轉(zhuǎn)速降nN只有額定轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)速 不變，但斜率隨串聯(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,63,1.4.2.2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(nèi) 變化，與固 有特性比較，降低電壓時人為特性 的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速n0 隨電壓的降低而正比減小。因此， 降低電壓時的人為特