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电机与拖动基础
电机
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重点：直流电机的基本工作原理 直流电机的磁场 直流电机的基本公式 直流电机的平衡关系 直流电机的工作特性 第一节 直流电机的基本原理 第二节 直流电机的结构 第三节 直流电机的磁场 第四节 直流电机感应电动势和电磁转矩的 计算 第五节 直流电动机的运行原理 第六节 直流发电机的运行原理 第七节 直流测速发电机 第一节第一节 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 直流电机的工作原理 电动生磁 磁动生电 电磁生力 重点：应用电磁感应定律、 电磁力定律、 左手定则、 右手定则分析直流电机的 基本工作原理 电磁感应定律： 在恒定的磁场中，导体切割磁力线产生 感应电动势。 大小：e=Blv 方向：由右手定则确定 一、直流发电机的工作原理 一、直流发电机的工作原理 交流发电机工作原理图 定子磁场 转子电枢 气隙 电枢转一周时线圈中感应电动势 波形 直流发电机工作原理图 换向片 一个线圈的脉动电动势波形 直流电动机的工作原理图 二、直流电动机的工作原理 电磁力定律： 大小： Blif 方向： 左手定则 三、直流电机的换向 换向：电机在旋转过程 中，线圈中电流方 向改变的过程 换向的危害： 电刷和换向器之间产生火花 改善换向的方法： 1.主磁极之间安装换向极 2.移动电刷 3.采用补偿绕阻 S N SK NK nM nG 第二节 直流电机的结构 两个主要部分： 静止部分定子：主磁极、换向极、 机座、电刷、端盖及 轴承等 旋转部分转 子(电枢)：转 子铁心、 转子绕组、 换向器等 直流电机径向剖面图 直流电机轴向结构剖面 一、直流电机的定子 作用：建立主磁场 起固定支撑作用 (一)主磁极:产生主磁场： 永久磁铁 电磁铁 成对出现 电磁铁:(1)主磁极铁心: 由11.5mm厚的钢板 冲叠成(包括极靴) (2)主磁极绕阻:励磁绕 阻套在铁心外 (二) 换向极(或附加极) 作 用：改善换向，减小电刷与换向 器之间的火花 安装地点：两主磁极之间 结 构：铁心+绕组 铁 心：整块钢板或薄钢板迭成 绕 组：套在铁心上，与电枢绕组串联 (三) 机座: 材料：由导磁性能较好的铸钢或厚钢板焊成 作用：固定主磁极、换向极和端盖 作为电机磁路的一部分 (四)电刷 作用：引入或引出电枢电流 组成：电刷、刷握、汇流条等 (五)接线盒(板) F或L A或S RfRa 二、直流电机的转子 能量转换的关键部分电枢 组成:电枢铁心、电枢绕组、 换向器、转轴风扇等 (一)电枢铁心 作用：作为磁路 嵌放绕组 组成:由0.5mm厚的硅钢片叠装而成 以减少涡流和磁滞损耗 (二)电枢绕组 作用：感应电动势、通过电流、产生电磁转矩、实现能量转换 组成:以一定的规律嵌放在电枢铁心的槽内 1.电枢绕组的分类: (1)叠绕组：单叠 复叠 (2)波绕组：单波 复波 2 1 3 2.电枢绕组的一般介绍 (以单叠绕组为例) （1）元件：组成电枢绕组的基本单元 pZ22 1 （2）极距 ：一个磁极在空间所占据的位置 z：电枢圆周开的槽数 p：磁极对数 (3)节距： 第一节距 Y1：一个元件两 有效边间的距离 Y1=Z/2p= 合成节距 Y：串联的两个 元件对应边间 的距离 Y=1 (单叠) 换向器节距Yk：一个元件 两出线端换向片 的距离 Y=Yk=1(单叠) 2 1 3 Y1 Y Yk N S 3.单叠绕组的联接方法和特点： 例：一台直流发电机：p=2 z=16 s=k=16 作出：绕组展开图和绕组的电路图 (1)绕组展开图： 绕组连接表： y1=16/4=4 1kyy312yyy 绕组展开图： 第一步：画元件边 第二步：画磁极 第三步：画换向片 第四步：联绕组 第五步：定电动势方向 第六步：放电刷 N S N S 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 13 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 15 16 N S N S 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 13 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 15 16 A B + _ B2 B1 A2 A1 (2) 电枢绕组的电路示意图及特点: A1 A B - 1 5 9 13 A2 B2 B1 + 1 2 10 9 13 14 6 5 2 3 4 8 7 6 10 11 12 14 15 16 每个极面下电动势相同的元件组成一条支路 单叠绕组a=p ( a:支路对数) Ia=2aia 为获最大感应电动势，电刷应放在磁极轴线上 电刷数=2a=2p (三)换向器：重要的 部件: 结构：由多片彼此绝缘的换向片组成 作用 电动机中：将直流电流交变电流 发电机中：将交变电动势直流电动势 (四)转轴 起转子旋转的支撑作用，一般用圆钢加工而成 三、直流电机的铭牌数据和主要系列 额定条件下电机所额定条件下电机所能提供的功率能提供的功率 NP额定功率指电刷间输出的额指电刷间输出的额定电功率定电功率 发电机发电机 指轴上输出的指轴上输出的机械功率机械功率 电动机电动机 在额定电压下，运行于额定在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流功率时对应的电流 NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速定功率时对应的转速 Nn额定转速在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压 NU额定电压是指输出额定电压是指输出额定电压 发电机发电机 是指输入额定电是指输入额定电压压 电动机电动机 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。 fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流 指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式 励磁方式 三、直流电机的铭牌数据和主要系列 三、直流电机的铭牌数据和主要系列 （一）铭牌数据 铭牌上标注额定值，是电机运行的基本依据。 直流电动机 型 号 Z395 产品编号 7001 结构类型 励磁方式 他 励 功率 30 kW 励磁电压 220V 电压 220 V 工作方式 连续 电流 160.5 A 绝缘等级 定子B转子B 转速 750 r /min 重量 685kg 标准编号 JB1104-68 出厂日期 年 月 （二）主要系列 1Z，ZF，ZD系列 2Z4，ZO2系列 3ZJF，ZJD系列 4S，SZ，SY系列 5ZCF，CYD，ZYS和CY系列 第三节 直流电机的磁场 重点 （1）励磁方式 （2）气隙磁场的分布情况 （3）影响气隙磁场的因素(电枢反应） （4）气隙磁场的分布波形 一、直流电机的励磁方式 励磁绕组的供电方式(一)他励直流电机 励磁绕组与电枢绕 组之间无电的联系 永磁电机也属于此类 Ia=I IMa If IGa U Uf + + - - (二)并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联 M:I=Ia+If G:Ia=I+If - IM If IG U + (三)串励直流电机 励磁绕组与电枢 绕组串联起来 I=Ia=If IMa IGa U + - 主磁极有两个励磁绕: 一并一串 两绕组产生的磁通势 同方向积复励 两绕组产生的磁通势 反方向差复励 励磁方式不同,运行特性差异较大 (四)复励直流电机 IM If IG U + - 二、直流电机的空载磁场 空载:无负载P2=0 M：I0 G：I=0 （一）主磁通和漏磁通: 1.主磁通：经过主磁路的磁通，分别和 定子、转子绕组匝链 2.漏磁通：不与电枢绕组匝链磁通 （二）磁化特性曲线 线性段: 膝部: (弯曲部) 饱和段： 直流电机的工作点一般在弯曲部分 UN INf If U() 0 （三）空载磁场气隙磁密分布曲线 Bx 三、直流电机的负载磁场 电枢磁场分布 四、直流电机的电枢反应 电枢反应: 电枢磁场对主磁场的影响 Ia=0If0 If=0Iaa 两磁场叠加 每一极面下,主极磁场的一半被削弱,另一半被加强 几何中性线与物理中性线 (磁场为零的位置)不重合 G：物理中性线顺顺电机旋转方向移动的角度 M：物理中性线逆逆电机旋转方向移动的角度 1.负载时气隙磁场发生畸变 2.有去磁作用： 考虑磁场饱和情况 :削弱增强 负载时的每极磁通比空载时略有减少 第四节 直流电机感应电动势 和电磁转矩的计算 一、感应电动势Ea的计算 1.一根导体的感应电动势 ex=Bxlv 2.一根的导体的平均感应电动势 eav=Bavlv lBav60260npnDva602602npnplleav3.电枢感应电动势(每条支路的感应电动势) nCnapNeaNEeava602Ce电动势系数 apNCe60二、电磁转矩的计算 1.一根导体所受到的平均电磁力 2.每根导体产生的平均电磁转矩 3.电枢表面N根导体产生的电磁转矩 aavavliBf22DliBDfTaavavavlBavaIiaa2pD22DliNBNTTaavavemaaemIapNpaIllNT2222-转矩常数 apNCT2（三）Ce与CT的关系 eeeTCCpNaCapNC55.9260602aTemICTapNCe60apNCT2第五节 直流电动机的运行原理 一、基本方程一、基本方程 1.电压平衡方程式 Ea= U - IaRa U=Ea+Iara+2Ub Uf=IfRf 2.转矩平衡方程式 Tem= TL+T0= T2+T0 P1=UI=(Ea+Iara+2Ub)Ia =EaIa+Ia2ra+2UbIa =Pem+pcua+pb Pem=EaIa=CenIa=CTIa (n/9.55)=Tem =P2+pFe+pm+pad=P2+p0+pad P1=P2+pFe+pm+pad+pcua+pb pFe:铁损耗,铁心中的涡流和磁滞损耗 pm:机械损耗、机械摩擦和风阻 pad：附加损耗、杂散损耗、齿槽效应和磁通脉动 3.功率平衡方程式 电磁功率 直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。 直流电动机：从电源吸收的电功率， 通过电磁感应作用， 转换成轴上的机械功率； 从发电机的角度看：电磁功率是转换成电功率从发电机的角度看：电磁功率是转换成电功率的那部分输入机械功率的那部分输入机械功率 从电动机的角度看：电磁功率是转换成机械功从电动机的角度看：电磁功率是转换成机械功率的那部分输入电功率。率的那部分输入电功率。 二、二、 工作特性工作特性 02)(adfNfNRIIUUemPf、Tn、（一）他（并）励电动机的工作特性 IN nN n Ia 0 n0 nn01.转速特性 aeaeICRCUn2.转矩特性 aTemICTIa T2 0 Tem=T0+T2 T0 nPnPPT222255. 960/23.效率特性: aabamFeUIIUrIppPpPpPPP211211112 令d/dIa=0 pFe+pm=I2ara时， =max 当U=UN，If=IfN，pFe+pm基本不变，称不变损耗 I2ara和 2UbIa随Ia变化，称可变损耗 （二）串励电动机的工作特性 faIII1.转速特性 aeeICRCUnkCRkICUneaaeN akI2.转矩特性 2aTaTemkICICTaTaTemICICTIa较小时 Ia较大时 第六节第六节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 1.电动势方程式 Ea=U+IaRa =U+Iara+2Ub Ia=I+If 2.转矩方程式 T1=Tem+T0 一、基本方程一、基本方程（并励） P1=T1 pFe pm pad pcuf pb pcua Pem=Tem = EaIa P2=UI 3.功率平衡方程式 T1=Tem +T0 P1=Pem+p0 考虑附加损耗pad,则 Pem=P1-(pFe+pm+pad) Pem=Tem=EaIa =UIa+Ia2Ra=UI+UIf+Ia2Ra =P2+pcuf+(pcua+pb) P1=P2+pFe+pm+pad +pcuf +pcua+pb U、I、If之间的函数关系：（n=nN） 二、运行特性二、运行特性 调节特性外特性空载特性负载特性_0_)()()(NfNfNUUfIIIIIfIfIIfUIfU 1.他励发电机他励发电机 空载特性 外特性 %1000NNNUUUU调节特性 自励 自励过程：并励发电机的电压从剩磁电压 上升到额定电压的过程 2.并励发电机并励发电机 自励条件: 剩磁 励磁绕组与电枢绕组的联接正确 磁场电阻不能太大 过渡过程中 Uf=ifRf+Lfdif/dt U0 ifRf Lfdif/dt 1 U U0 A If 外特性: n=nN=C Rf=C U=f(I) U=Ea-IaRa (1)I电枢反应EaU (2) I IaRaU (3)UIfEaU I 0 U IN 调节特性同他励 第七节 直流测速发电机 将 或 结构：同于普通的直流电机， 分永磁式和电磁式两种 G n Ea Ua RL Ia 一、直流测速发电机的输出特性Ua=f(n) .负载：=C RL=C Ua=Ea-IaRa Ia=Ua/RL U=Cen/(1+Ra/RL) =Cn n Ua 0 RL1 RL2 RL1 RL2 1.空载：U0=Ea=Cen=Ken 二、直流测速发电机的误差及其减小方法 实际Ua与n之间存在线性误差（一）电枢反应 =0-a Iaa=KIIa=KIUa/RL Ea=Cen=Cen(0-a) =Ken-CenKIUa/RL LLLaIeaRKnCnRRRnkC
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