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(jī)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(jì)，而要實(shí)現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換和使用等都離不開電機(jī)。 電機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機(jī)械裝置。電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)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(jī)和對電能進(jìn)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(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能去拖動各種生產(chǎn)機(jī)械，從而滿足生產(chǎn)工藝過程的要求。在交通運(yùn)輸業(yè)中，需要大量的牽引電

2、動機(jī)。在電力排灌、播種、收割等農(nóng)用機(jī)械中，都需要規(guī)格不同的電動機(jī)。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(jī)。,0.1 電機(jī)和電力拖動技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用,4,用電動機(jī)作為原動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行的系統(tǒng)，稱為電力拖動系統(tǒng)。電力拖動是機(jī)電設(shè)備中的一個重要組成部分。除小部分生產(chǎn)機(jī)械采用氣動或液壓拖動外，絕大多數(shù)的生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動，這源于電力拖動有其一系列的優(yōu)點(diǎn)： （1） 電能的遠(yuǎn)距離輸送簡便經(jīng)濟(jì)，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(jī)與被拖動機(jī)械的聯(lián)接簡便； （3） 電動機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制與自動調(diào)節(jié)，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。,0.1 電機(jī)和電力拖動技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)的品種繁多，按其功能用途可分為變壓器、直流電機(jī)、交流電機(jī)和控制電機(jī)，如圖0.1所示。 無論是哪一種電機(jī)，都 必須以磁場作為其耦合 場，通過電磁感應(yīng)作用 來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。為了 在一定的勵磁電流下產(chǎn) 生較強(qiáng)的磁場,電機(jī)的磁 路均用導(dǎo)磁性能良好的 鐵磁材料組成。,圖0.1 電機(jī)的分類,0.2 電機(jī)的類型及所用的材料,6,0.2 電機(jī)的類型及所用

4、的材料,7,0.2 電機(jī)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(jī)電一體化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。 “電機(jī)與拖動基礎(chǔ)”是“電機(jī)學(xué)”和“電力拖動技術(shù)基礎(chǔ)”兩部分內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，它是在學(xué)習(xí)了“電工基礎(chǔ)”等課程的基礎(chǔ)上，通過講授直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)的基本理論和電力拖動的基本原理等知識，以期達(dá)到下列要求： （1） 熟悉直流電機(jī)、變壓器、三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，掌握它們的工作原理。 （2） 掌握直流電動機(jī)、三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論。 （3） 掌握直流電動機(jī)、三相異步電動機(jī)起動、制動、調(diào)速的電力拖動基本原理和計(jì)算方法。 （4） 掌握電機(jī)及電力拖動實(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)方法,9,“電機(jī)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(jī)、電、磁綜合性的工程實(shí)際問題，這是學(xué)習(xí)本課程的難點(diǎn)。學(xué)習(xí)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1） 牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。 （2） 可運(yùn)用類比或比較的學(xué)習(xí)方法，找出各種電機(jī)的共性和個性，以加深對各種電機(jī)及拖動系統(tǒng)性能的理解。 （3） 要理論聯(lián)系實(shí)際，重視實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。 （4） 課前應(yīng)預(yù)習(xí)，課后應(yīng)及時復(fù)習(xí),并選擇適當(dāng)?shù)乃伎碱}和習(xí)題作為課外作業(yè)，以鞏固理論知識，提高理解和運(yùn)算能力。,0.3 本課程的主要內(nèi)容、任

6、務(wù)和學(xué)習(xí)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(jī)與拖動基礎(chǔ),1 直流電機(jī),11,1 直流電機(jī),目 錄,12,【知識目標(biāo)】 掌握直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的基本原理、直流電機(jī)的勵磁方式和磁場分布、直流電動機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩以及直流電動機(jī)的機(jī)械特性。 【能力目標(biāo)】 學(xué)習(xí)直流電機(jī)的拆卸、接線方法；計(jì)算直流電動機(jī)的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩；掌握直流電動機(jī)的運(yùn)行特性。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),13,直流電機(jī)可分為直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)兩大類。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的直流電機(jī)是直流發(fā)電機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的直流電機(jī)是直流電動機(jī)。直流電機(jī)

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(hù)較困難是直流電機(jī)的不足之處。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),14,圖1.1所示為直流發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)可轉(zhuǎn)動的部分，稱為直流電機(jī)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(jìn)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(jī)的工作原理模型在直流發(fā)電機(jī)的模型中，當(dāng)有原動機(jī)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(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),15,圖1.1直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型,1.1 直流電機(jī)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(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體cd則在S極下，感應(yīng)電動勢的極性為c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)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(fù)。當(dāng)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(fù)。,1.1 直流電機(jī)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(fù)，使電刷獲得直流電動勢。 實(shí)際直流發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),18,1.1.2 直流電動機(jī)的工作原理,圖1.2,1

10、.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),19,圖1.2 直流電動機(jī)的模型,1.1 直流電機(jī)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?yàn)閺挠蚁蜃螅挥赟極下的導(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?yàn)槟鏁r針。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時，線圈按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)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)閺淖笙蛴遥撧D(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(jī)在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),21,同直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際的直流電動機(jī)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(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動機(jī)運(yùn)行，這一性質(zhì)稱為電機(jī)的可逆原理。電機(jī)的可逆原理不僅適用于直流電機(jī)，也適用于交流電機(jī)。電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式由外施條件決定，如果電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械能，而電樞繞組輸出電能，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能，則電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),22,直流電動機(jī)

12、和直流發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)械方面是整個電機(jī)的支撐。定子由磁極、機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu),1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),23,圖1.3小型直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu),1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),24,圖1.4小型直流電動機(jī)的剖面結(jié)構(gòu) 1電樞繞組；2電樞鐵芯；3機(jī)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(jī)座底腳,1.1 直流電機(jī)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(jī)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(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),26,圖1.5直流電機(jī)主磁極的結(jié)構(gòu) 1機(jī)座；2主磁極鐵芯；3勵磁繞組,1.1

14、 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),27, 機(jī)座直流電機(jī)的機(jī)座有兩種形式，一種為整體機(jī)座，另一種為疊片機(jī)座。整體機(jī)座是用導(dǎo)磁性能較好的鑄鋼材料制成的，該種機(jī)座能同時起到導(dǎo)磁和機(jī)械支撐的作用。由于機(jī)座起導(dǎo)磁作用，因此機(jī)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(jī)座上，因此，機(jī)座起到了支撐的作用。一般直流電機(jī)均采用整體機(jī)座。疊片機(jī)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(jī)座里，這樣定子鐵軛和機(jī)座是分開的，機(jī)座只起支撐作用，可用普通鋼板制成。疊片機(jī)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(jī)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(jī)座上，用來改善直流電機(jī)的換向。一般電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)中的端蓋主要起支撐作用。端蓋固定在機(jī)座上，其上放置軸承支撐直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使直流電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),30,圖1.6 直流電動機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。它包括電樞鐵芯、換向器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、電樞繞組、軸承和風(fēng)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(dāng)電機(jī)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(fēng)口。小型直流電機(jī)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(jī)的重要組成部分，電機(jī)工作時線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。,1.1 直流電機(jī)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(fēng)孔,1.1 直流電機(jī)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(jī)，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(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),35,表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)稱為額定值。額定值一般標(biāo)注在電機(jī)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(jī)的依據(jù)。銘牌數(shù)據(jù)主要包括電機(jī)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(jī)的出廠數(shù)據(jù)，如出廠編號、出廠日期等。 國產(chǎn)電機(jī)型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?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?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號，第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機(jī)座代號，第四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵芯長度代號。,1.1.4 直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),1.1 直流電機(jī)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(jī)；2表示設(shè)計(jì)序號，第二次改型設(shè)計(jì)；9表示機(jī)座代號；2表示電樞鐵芯長度代號。 電機(jī)銘牌上所標(biāo)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(jī)所能供給的功率。對于電動機(jī)，額定功率是指電動機(jī)軸上輸出的最大機(jī)械功率；對于發(fā)電機(jī)，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(jī)出線端的平均電壓。對于電動機(jī)，額定電壓是指輸入額定電壓；對于發(fā)電機(jī)，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(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),37,額定電流IN是指電機(jī)在額定電壓下，運(yùn)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(jī) 電動機(jī) 額定轉(zhuǎn)速 指對應(yīng)于額定電流、額定電壓，電機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)勵磁有并勵、串勵、他勵和復(fù)勵等方式。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),38,在電機(jī)的銘牌上還標(biāo)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(jī)的主要依據(jù)。電機(jī)在運(yùn)行時的各種數(shù)據(jù)可能與額定值不同，由負(fù)載大小決定。若電機(jī)的電流正好等于額

22、定值，稱為滿載運(yùn)行；若電機(jī)的電流超過額定值，稱為過載運(yùn)行；若比額定值小得多，稱為輕載運(yùn)行。長期輕載運(yùn)行使電機(jī)的容量不能充分利用。故在選擇電機(jī)時，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡可能使電機(jī)運(yùn)行在額定值附近。,1.1 直流電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu),39,由直流電機(jī)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(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。直流電機(jī)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(jī)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(jī)的運(yùn)行特性有很大的差異。 直流電機(jī)

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(jī)的勵磁方式,1.2 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,40,圖1.10直流電機(jī)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(jī)的勵磁方式和磁場,41,(1) 他勵電機(jī) 他勵式直流電動機(jī)的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個相互獨(dú)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(jī)的電樞電壓及負(fù)載基本無關(guān)。 (2) 并勵電機(jī) 并勵式直流電動機(jī)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(xì)。并勵式直流電動機(jī)一般用于恒壓系統(tǒng)。中小型直流電動機(jī)多為并勵式。,1.2 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,42,(3) 串勵電機(jī) 串勵式直流電機(jī)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(jī)具有很大的起動轉(zhuǎn)矩，但其機(jī)械特性很軟，且空載時有極高的轉(zhuǎn)速。串勵式直流電動機(jī)不準(zhǔn)空載或輕載運(yùn)行。串勵式直流電動機(jī)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(fù)載等。,1.2 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,43,(4) 復(fù)勵電機(jī) 復(fù)勵電機(jī)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(jī)多用于要求起動轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)速變化不大的負(fù)載。由于積復(fù)勵式直流電動機(jī)在兩個不同旋轉(zhuǎn)方向上的轉(zhuǎn)速和運(yùn)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(jī)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(jī)也不能用于可逆驅(qū)動系統(tǒng)中。,1.2 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,44,1.2.2.1直流

26、電機(jī)的空載磁場 直流電機(jī)空載運(yùn)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(jī)空載時的氣隙磁場又稱勵磁磁場。,1.2.2 直流電機(jī)的磁場,1.2 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,45,（1） 直流電機(jī)的磁路 以四極電機(jī)為例，當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)的勵磁方式和磁場,46,圖1.11 四極電機(jī)空載磁場示意圖,1.2 直流電機(jī)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(yuǎn)小于鐵磁材料的磁導(dǎo)率，所以氣隙的磁阻很大。可以認(rèn)為，磁路的勵磁磁動勢幾乎都消耗在氣隙上。,1.2 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,48,（2） 空載時氣隙磁通密度分布 因?yàn)殡姌欣@組是在氣隙磁場下進(jìn)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(dāng)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(jī)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(jī)的勵磁方式和磁場,50,1.2.2.2直流電機(jī)的負(fù)載磁場 直流電機(jī)帶有負(fù)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(jī)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(jī)的勵磁方式和磁場,51,圖1.13直流電動機(jī)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(jī)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(qiáng)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(dāng)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(jī)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(qiáng)。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(qiáng)數(shù)量恰好相等，每極下的合成磁通量與空載時相同。實(shí)際上電機(jī)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(jī)的勵磁方式和磁場,54,直流電動機(jī)運(yùn)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(jī)的軸帶動負(fù)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(jī)正、負(fù)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(jī)中，感應(yīng)電動勢是由于電樞繞組和磁場之間的相對運(yùn)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(jī)，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(jī)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,55,1.3 直流電動機(jī)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,56,在直流電機(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)，磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)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(jī)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,57,1.3 直流電動機(jī)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,58,直流電動機(jī)的機(jī)械特性是指電動機(jī)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(jī)的機(jī)械特性,1.4.1 固有機(jī)械特性,圖1.14 他勵直流電動機(jī) 的電路原理圖,59,1.4 直流電動機(jī)的機(jī)械特性,60,圖1

34、-15,1.4 直流電動機(jī)的機(jī)械特性,61,因?yàn)殡姌须娮鑂a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(jī)的固有機(jī)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(jī)的機(jī)械特性,圖1.16電動機(jī)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(jī)的機(jī)械特性,62,人為機(jī)械特性可用改變電動機(jī)參數(shù)的方法獲得，他勵直流電動機(jī)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(jī)械特性。 1.4.2.1電樞回路串電阻時的人為機(jī)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(jī)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(diǎn) 并具有不同斜率的人為特性，如圖1.16所示。,1.4.2 人為機(jī)械特性,1.4 直流電動機(jī)的機(jī)械特性,63,1.4.2.2降低電源電壓時的人為機(jī)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(jī)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