单相交流电机

海南风光第七章直流电动机单相异步电动机步进电机 清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编第七章 电动机 7.2 直流电动机7.2.1 概述7.2.2 工作原理7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系7.2.4 电磁转矩7.2.5 机械特性7.2.6 直流电动机的调速7.2.7 直流电动机的使用和额定值7.3单相异步电动机7.4步进电机本课作业7-137-147-18107.2.1 概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（ 1）调速性能好 :调速范围广，易于平滑调节。（ 2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（ 3）易于控制。应用：（ 1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（ 2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（ 3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具7.2.2 工作原理一、 工作原理 U+NS电刷换向片直流电源 电刷 换向器 线圈II注意： 换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷换向片IIFFU+NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。直流发电机 用右手定则判感应电动势 Ea的方向U+NSEEIa电枢绕组电阻 Ra感应电动势 输出电压二、 直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构1. 转子 （又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2. 定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义： 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机： 励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机： 励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机： 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机： 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIf IaU M并励UIf M串励U M复励U7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用 E表示）。一、 电枢中的感应电动势FFU+NS电刷换向片IIEE根据右手定则知， E和原通入的电流方向相反，其大小为：KE： 与电机结构有关的常数n： 电动机转速 ：磁通单位： （韦伯）， n（ 转 /每分）， E（ 伏）FFU+NS电刷换向片IIEE二、 电枢绕组中电压的平衡关系因为 E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U： 外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变 E， 只能改变 或 n。(2)若忽略绕组中的电阻 Ra， 则 ，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变 可调速。7.2.4 电磁转矩KT： 与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关） ：线圈所处位置的磁通Ia： 电枢绕组中的电流一、电磁转矩单位： （韦伯）， Ia（ 安培）， T（ 牛顿 米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。二、 转矩平衡关系电磁转矩 T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL： 负载转矩T0 ： 空载转矩 转矩平衡过程： 当负载转矩（ TL） 发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。例： 设外加电枢电压 U 一定， T=TL+ T0(平衡 )，这时，若 TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点： Ia 、 P入 TL n EIa T 最后达到新的平衡点。机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。7.2.5 机械特性一、 他励电动机的机械特性即： 其中 ，M他励UfIf IaUn0： 理想空载转速 ,即 T=0时的转速。（实际工作时 ,由于有空载损耗，电机的 T不会为 0。）当 T时 n ， 但由于他励电动机的电枢电阻 Ra很小，所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大 ，属硬机械特性。根据 n-T 公式画出特性曲线n0nNTN Tn n其中 ，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、 串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则据此公式做出 T-n 曲线nTM串励U Ia(1) T=0时，在理想情况下， n。 但 实际上负载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，但空载时 T 很小， n 很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2) 随转矩的增大， n 下降得很快，这种特性属软机械特性。 nT(2) 恒功率负载（ P 一定时， T 和 n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择 :(1) 恒转矩的生产机械 (TL一定，和转速无关） 要选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机械等。7.2.6 直流电动机的调速与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（ 1）调速均匀平滑，可以无级调速。（ 2）调速范围大，调速比可达 200 （他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：由该式可知， n 和 有关，在 U 一定的情况下，改变 可改变 n 。 在励磁回路中串上电阻 Rf， 改变 Rf大小调节励磁电流，从而改变 的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理其中 ，M他励UfIf IaU其中： =K If Rf If n ， 但在额定情况下， 已接近饱和， If 再加大，对 影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。 Rf If n ， 减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念： 改变磁通调速的方法 减小磁通， n只能上调。其中 ，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：（减小）TLRf增加Tn其中 ，调速过程 : U一定 ,则Rf E IaT nIa E暂时T TL其中 ，最后达到新的平衡T =TL（ 1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限， n不能太高。（ 2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。3.减小 调速的特点：二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压 U， n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.特性曲线nn0“n0n0 电压降低T