电机与拖动--直流电机

1、电机与拖动电机与拖动Page 1直直 流流 电电 机机电机与拖动电机与拖动本章内容本章内容1 直流电机工作原理直流电机工作原理 2 直流电机的磁场直流电机的磁场 3 直流电机的基本方程直流电机的基本方程 4 直流发电机的运行特性与试验测试直流发电机的运行特性与试验测试 5 直流电动机的工作特性与试验测试直流电动机的工作特性与试验测试 6 直流电机的换向直流电机的换向 7 实例（应用）实例（应用） 8 直流电机性能的仿真直流电机性能的仿真 Page 2电机与拖动电机与拖动本章教学基本要求本章教学基本要求1. 了解直流电机主要结构和励磁方式，注意换向器和电刷的了解直流电机主要结构和励磁方式，注意换

2、向器和电刷的作用，掌握其额定值。作用，掌握其额定值。 2. 熟悉直流电机的基本工作原理，理解感应电动势和电磁转熟悉直流电机的基本工作原理，理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握其计算方法。矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握其计算方法。 3. 掌握直流电机的基本平衡方程和功率流程，以及不同励磁掌握直流电机的基本平衡方程和功率流程，以及不同励磁方式的工作特性。方式的工作特性。 4. 了解电枢反应对换向的影响和改善换向措施。了解电枢反应对换向的影响和改善换向措施。 Page 3电机与拖动电机与拖动本章教学基本要求本章教学基本要求 直流电机的基本平衡方程和工作特性。直流电

3、机的基本平衡方程和工作特性。重点：重点： 直流电机的换向。直流电机的换向。难点：难点： Page 4电机与拖动电机与拖动Page 5提问提问 作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设备。备。 把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机，把机把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机，把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。 直流电机是将直流电能转换为机械能或将机械能转换为直流电机是将直流电能转换为机械能或

4、将机械能转换为直流电能的一种装置。直流电能的一种装置。电机与拖动电机与拖动 直流发电机的工作原理是建立直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的，变化的在电磁感应定律基础上的，变化的磁场在导体中要感应电动势是发电磁场在导体中要感应电动势是发电机工作的基本原理，图机工作的基本原理，图1所示为简所示为简单直流发电机模型。单直流发电机模型。Page 61 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理NSNSnB1B2AX励磁绕组主磁极电刷换向片电枢nB1B2原动机拖动原动机拖动XAa）

5、w wt=0时，时，A端端X端端 b）w wt=180时，时，A端端X端端电刷电刷B1(+)B2(-) 电刷电刷B1(+)B2(-) 图图1 直流发电机工作原理直流发电机工作原理 给励磁绕组通入直流电，将在固定的主磁极呈现上为给励磁绕组通入直流电，将在固定的主磁极呈现上为N极、极、下为下为S极。极。N和和S极之间是电枢，电枢铁心上安放着由极之间是电枢，电枢铁心上安放着由A和和X两根两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（导体组成的电枢线圈，线圈的首端（A）和末端（）和末端（X）分别连在）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上，换相片形成的整体称为两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上，换相片形成的整体

6、称为换向器。换向器固定在转轴上，且与转轴绝缘。换向器。换向器固定在转轴上，且与转轴绝缘。 SN电机与拖动电机与拖动 换相片上安放着一对固定不动换相片上安放着一对固定不动的电刷的电刷B1和和B2，电刷能与外电路，电刷能与外电路联接。固定不动的部分（主磁极、联接。固定不动的部分（主磁极、电刷等）被称为定子，随转轴转动电刷等）被称为定子，随转轴转动的部分（线圈、电枢铁心、换相器的部分（线圈、电枢铁心、换相器等）被称为转子（又称电枢）。等）被称为转子（又称电枢）。Page 71 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工

7、作原理直流发电机的基本工作原理NSNSnB1B2AX励磁绕组主磁极电刷换向片电枢nB1B2原动机拖动原动机拖动XAa）w wt=0时，时，A端端X端端 b）w wt=180时，时，A端端X端端电刷电刷B1(+)B2(-) 电刷电刷B1(+)B2(-) 图图1 直流发电机工作原理直流发电机工作原理 磁极磁极N和和S所产生气隙磁通密度沿空所产生气隙磁通密度沿空间分布如图间分布如图2所示。所示。 定、转子之间有一空隙，称为气隙。定、转子之间有一空隙，称为气隙。0btw w 2 eAX图图2 气隙磁通密度分布和线圈气隙磁通密度分布和线圈AX感应电动势感应电动势电机与拖动电机与拖动 当原动机拖动电枢逆时

8、针方向当原动机拖动电枢逆时针方向旋转时，导体切割磁力线，根据电旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电动磁感应定律，导体内产生感应电动势，大小为势，大小为e=Bxlv，式式中，中，Bx为导为导体所在处的磁通密度（体所在处的磁通密度（Wb/m2），），l为导体的有效长度（为导体的有效长度（m），），v为导体为导体的线速度（的线速度（m/s），），e为感应电动势为感应电动势（V）。）。 Page 81 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理NSNSnB1B2AX励磁

9、绕组主磁极电刷换向片电枢nB1B2原动机拖动原动机拖动XAa）w wt=0时，时，A端端X端端 b）w wt=180时，时，A端端X端端电刷电刷B1(+)B2(-) 电刷电刷B1(+)B2(-) 图图1 直流发电机工作原理直流发电机工作原理 感应电动势方向由右手定则判定，展开右手使大拇指与四指感应电动势方向由右手定则判定，展开右手使大拇指与四指呈呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向时，则四，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向时，则四指的指向为导体中感应电动势的方向。指的指向为导体中感应电动势的方向。电机与拖动电机与拖动 发电机工作时，发电机工作时，N极下导体电极下导体电动势指

10、向纸外，电刷动势指向纸外，电刷B1总为总为“+”；S极下导体电动势指向纸内，电刷极下导体电动势指向纸内，电刷B2总为总为“”，不难看出，线圈中，不难看出，线圈中的电动势是交流的，而通过换向器的电动势是交流的，而通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流的作用，使电刷间的电动势为直流的，如图的，如图3所示。所示。Page 91 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理NSNSnB1B2AX励磁绕组主磁极电刷换向片电枢nB1B2原动机拖动原动机拖动XAa）w wt=0时，时，A端端X端端

11、 b）w wt=180时，时，A端端X端端电刷电刷B1(+)B2(-) 电刷电刷B1(+)B2(-) 图图1 直流发电机工作原理直流发电机工作原理 0eB2B1tw w 2 图图3 电刷电刷B1B2间的电动势间的电动势 电机与拖动电机与拖动 换向器和电刷的共同作用：换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电动势整流成刷间将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；的直流电动势；把转动的电路与把转动的电路与外面不转的电路联接。外面不转的电路联接。Page 101 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构1直流发电机的基本工作原理直流发

12、电机的基本工作原理NSNSnB1B2AX励磁绕组主磁极电刷换向片电枢nB1B2原动机拖动原动机拖动XAa）w wt=0时，时，A端端X端端 b）w wt=180时，时，A端端X端端电刷电刷B1(+)B2(-) 电刷电刷B1(+)B2(-) 图图1 直流发电机工作原理直流发电机工作原理 0eB2B1tw w 2 图图3 电刷电刷B1B2间的电动势间的电动势 从刷间电动势波形看，脉动很从刷间电动势波形看，脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律联接

13、，刷间串联元件数增多，定规律联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，可获得所需的直流电。脉动减小，可获得所需的直流电。0etw w 2 电刷间的电动势波形电刷间的电动势波形电机与拖动电机与拖动 如图如图4所示，将直流电加到电刷上（所示，将直流电加到电刷上（B1为为+、B2为为），线圈），线圈AX上就有电流通过上就有电流通过（A端端 、X端端），根据电磁力定律，载流），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为导体在磁场中要受力，大小为f=Bxli ，式式中，中，i为流过导体的电流（为流过导体的电流（A），方向由左手定则），方向由左手定则确定。确定。 Page 111 1直流电机工作原理直流电机

14、工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构2直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 展开左手使大拇指与四指呈展开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心时，四，当磁力线指向手心时，四指的指向则为导体中电流的方向，大拇指指向为导体受力方向；指的指向则为导体中电流的方向，大拇指指向为导体受力方向；f的单位为的单位为N。NSTnB1B2AXE 图图4 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 换向器和电刷的共同作用：换向器和电刷的共同作用：将刷间的直流电逆变成线圈中将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；的交流电；把外面不转的电路与转动的电路连接起来。把外

15、面不转的电路与转动的电路连接起来。 电机与拖动电机与拖动 直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动部分，又称电枢）。部分，又称电枢）。Page 121 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构直流电机的主要结构 图图6 直流电机结构直流电机结构 电机与拖动电机与拖动Page 13主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心换向器换向器转轴转轴磁极铁心磁极铁心励磁绕组励磁绕组电刷电刷刷握刷握绝缘支架绝缘

16、支架压紧力调整装置压紧力调整装置定子定子 转子转子(电枢电枢)直直流流电电机机图图5直流电机结构概况直流电机结构概况 1 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构直流电机的主要结构电机与拖动电机与拖动Page 141 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构直流电机的主要结构 定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。（1）定子）定子 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，铁心用主磁极由

17、主磁极铁心和励磁绕组组成，铁心用11.5mm的钢的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，是成对出现，N、S极交替排列，如图极交替排列，如图7所示。所示。 换向极也由铁心和绕组组成，铁心一般由整块钢组成，安放换向极也由铁心和绕组组成，铁心一般由整块钢组成，安放在相邻两主磁极之间（见图在相邻两主磁极之间（见图7），作用是改善电机的换向。），作用是改善电机的换向。图图7 主磁极与换向极示意图主磁极与换向极示意图 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成（见图电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成（见图8），

18、），作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等部作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。件，同时也是磁路的一部分。 图图8 电刷装置电刷装置 电机与拖动电机与拖动Page 151 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构直流电机的主要结构 机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。（1）定子）定子 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。（2）转子（

19、电枢）转子（电枢）电机与拖动电机与拖动Page 161 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构直流电机的主要结构 电枢铁心一般用电枢铁心一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时又是电机主磁路的一部分。是嵌放电枢绕组，同时又是电机主磁路的一部分。（2）转子（电枢）转子（电枢） 电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的规律连接组成，每个

20、元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。 换向器由许多相互绝缘的换向片组成，如图换向器由许多相互绝缘的换向片组成，如图9所示，作用是所示，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。变成电枢绕组中的交流电。图图 9 换向片与换向器换向片与换向器 电机与拖动电机与拖动Page 17

21、1 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.1直流电机的基本工作原理及主要结构直流电机的基本工作原理及主要结构3直流电机的主要结构直流电机的主要结构 为了使电机能够运为了使电机能够运转，定子和转子之间要转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，也是此间隙称为气隙，也是主磁路的一部分。主磁路的一部分。（3）气隙）气隙 电机与拖动电机与拖动Page 181 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型电枢绕组和直流电机模型 1电枢绕组电枢绕组 直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、复叠、复波、复合绕组等，其基本形式

22、是单叠复叠、复波、复合绕组等，其基本形式是单叠绕组和单波绕组。绕组和单波绕组。a）单叠）单叠 b）单波）单波图图10 单匝元件示意图单匝元件示意图 a）单叠）单叠 b）单波）单波图图11 两匝元件示意图两匝元件示意图图图12 u=2示意图示意图 由于工艺等方面的原因，有时电枢不宜开由于工艺等方面的原因，有时电枢不宜开太多的槽，在一个实际的槽中，上、下层嵌放太多的槽，在一个实际的槽中，上、下层嵌放多个（设为多个（设为u个）元件边，通常把一个上层边和个）元件边，通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。 若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则若

23、电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数总元件数S等于实槽数等于实槽数Q；若每槽的上、下层各；若每槽的上、下层各有有u个元件边时，如图个元件边时，如图12所示，则有所示，则有S=uQ=Qu，Qu为虚槽数。为虚槽数。 电机与拖动电机与拖动Page 191 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型电枢绕组和直流电机模型 1电枢绕组电枢绕组 在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，用槽数表示极距时，有间的距离称作极距，用槽数表示极距时，有 a）单叠）单叠 b）单波）单波图图11 两匝元件示意图两匝元件示意图pQpSu22 式中

24、，式中，p为主磁极的极对数，为主磁极的极对数，S为总元件数。为总元件数。 a）单叠）单叠 b）单波）单波图图10 单匝元件示意图单匝元件示意图电机与拖动电机与拖动Page 201 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型电枢绕组和直流电机模型 1电枢绕组电枢绕组 单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。其特点：回路。其特点：支路对数支路对数a等于极对数等于极对数p，同时还等于电刷对数，同时还等

25、于电刷对数b，即，即a=p=b；电枢电流电枢电流Ia等于各支路电流等于各支路电流ia之和，即之和，即Ia=2aia。（1）单叠绕组）单叠绕组 单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点：两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点：支路对数支路对数a等于等于1，与极对数，与极对数p无关，即无关，即a=1；电枢电流电枢电流Ia等于等于2倍支路电流倍支路电流ia，即，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于等于极对数极对数p。（2）单波绕组）单

26、波绕组电机与拖动电机与拖动Page 211 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.2电枢绕组和直流电机模型电枢绕组和直流电机模型 2直流电机模型直流电机模型 为方便起见，在分析电机内部电磁为方便起见，在分析电机内部电磁关系时建议采用电机模型，如图关系时建议采用电机模型，如图13所示所示。NSqq（交轴）dd（直轴）n图图13 直流电机模型直流电机模型 从图中可见，无论电机有多少对磁从图中可见，无论电机有多少对磁极，都只用极，都只用N、S一对磁极表示，不画换一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，并与位相器，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈于几何中性线处的元

27、件接触，一个圆圈代表一个元件。几何中性线对应的轴线代表一个元件。几何中性线对应的轴线被称为交轴，用被称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的表示；与交轴垂直的磁极轴线被称为直轴，用磁极轴线被称为直轴，用d-d表示。表示。 以后在分析电机内部电磁过程时均采用直流电机模型。以后在分析电机内部电磁过程时均采用直流电机模型。 电机与拖动电机与拖动Page 221 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列直流电机的铭牌数据和主要系列 为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国

28、标制定的额定钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示。数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示。电机与拖动电机与拖动Page 23额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机接线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转

29、速Nn额定转速1 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列直流电机的铭牌数据和主要系列 1电机主要的额定值电机主要的额定值 电机与拖动电机与拖动Page 24fNI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 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日此外，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。期、出厂编号等。1 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列直流电机的铭牌数据和主要系列 1电机主要的额定值电机主要的额定值 电机与拖动电机与

30、拖动Page 251 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列直流电机的铭牌数据和主要系列 1电机主要的额定值电机主要的额定值 额定值：额定值：是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择 电机容量，使电机工作在额定运行状态。电机容量，使电机工作在额定运行状态。 长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。时电机的运行效率

31、、工作性能等比较好。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定额定状态。电机运行电流小于额定电流状态。电机运行电流小于额定电流欠载欠载运行；运行电流大于运行；运行电流大于额定电流额定电流过载过载运行。运行。电机与拖动电机与拖动Page 261 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列直流电机的铭牌数据和主要系列 2国产电机主要系列国产电机主要系列 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：，型号采用汉语拼音字

32、母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z4-72”表示直流电动机、第四次改进设计型，表示直流电动机、第四次改进设计型，“7”表示机座表示机座号，号，7后面的后面的2表示长铁心（表示长铁心（2号表示长铁心，号表示长铁心，1号表示短铁心）号表示短铁心）。（1） Z2系列是普通中小型直流电机。系列是普通中小型直流电机。（2） ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。机、起重机、升降机、电铲等。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。的手册中查到。

33、电机与拖动电机与拖动【例题例题1】 注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。 某直流电动机额定数据为：某直流电动机额定数据为：PN=250kW，额定电压，额定电压UN=220V，额定转速，额定转速nN=1000r/min，额定效率，额定效率h hN=91.6%，求该电动机的额定电流和输入功率。，求该电动机的额定电流和输入功率。 解：解：（1 1）额定电流）额定电流 （2 2）输入功率）输入功率1 1直流电机工作原理直流电机工作原理1.3直流电机的铭牌数据和主要系列直流电机的铭牌数据和主要系列 电动机的额定电流为：电动机的额定电流为： A612

34、40A9160220102503NNNN.UPIh电动机的输入功率为：电动机的输入功率为： kW273W61240220NN1.IUPPage 27电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。通入电流激励而建立的。 按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励

35、。+ +- -UfIfIaIfIaU=UfIaIf1If2+ +- -IUUUIIa=If+ +- -图图15 直流电机励磁方式示意图直流电机励磁方式示意图 Page 28电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 1）他励。励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关，如）他励。励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关，如图图15a所示。永磁直流电机也属他励。所示。永磁直流电机也属他励。2）并励。励磁绕组与电枢绕组并联，如图）并励。励磁绕组与电枢绕组并联，如图15b所示。所示。3）串励。励磁绕组与电枢绕组串联，如图）串励。励磁绕组与电枢绕组

36、串联，如图15c所示。所示。+ +- -UfIfIaIfIaU=UfIaIf1If2+ +- -IUUUIIa=If+ +- -图图15 直流电机励磁方式示意图直流电机励磁方式示意图 Page 29电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 4）复励。主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并）复励。主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组，如图励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组，如图15d所示。所示。d）复励）复励 IaIf1If2+ +- - 若两套励磁绕组产生的磁动势是相加的，则称

37、积复励；若若两套励磁绕组产生的磁动势是相加的，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁动势是相减的，则称差复励，如图两套励磁绕组产生的磁动势是相减的，则称差复励，如图16所所示。实际应用中常用积复励。示。实际应用中常用积复励。a）积复励）积复励 b）差复励）差复励图图16 复励示意图复励示意图FfFaFfFaIfIaIfIaPage 30电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 直流电机空载是指电直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。负载空转的一种状态。 图图17所示是一台四极直流电机空载磁场的分布

38、，图中主磁所示是一台四极直流电机空载磁场的分布，图中主磁极极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。交替分布，故磁场的分布是对称的。图图17 直流电机空载磁场的分布直流电机空载磁场的分布 空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。独建立。Page 31电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 绝大部分的磁通经主磁绝大部分的磁通经主磁极、气隙、电枢铁心及定子极、气隙、电

39、枢铁心及定子磁轭闭合的这部分磁通同时磁轭闭合的这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：称主磁通，记作：0。图图17 直流电机空载磁场的分布直流电机空载磁场的分布 主磁通参与机电能量转换，能产生感应电动势和电磁转矩主磁通参与机电能量转换，能产生感应电动势和电磁转矩，是工作磁通。，是工作磁通。 主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小。较小。 Page 32电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 另一小部分磁通不另一小部分磁通不穿过电枢，

40、仅与励磁绕穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通组自身链绕，称漏磁通，记作：，记作：s。图图17 直流电机空载磁场的分布直流电机空载磁场的分布 漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻较大。较大。 漏磁通不穿过电枢表面，不参与机电能量转换，不是工作漏磁通不穿过电枢表面，不参与机电能量转换，不是工作磁通。磁通。 所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的20%。Page 33电机与拖动电机与拖动Page 34主磁极主磁极转子转子附加磁极附加磁极主磁通主磁通F F0漏磁通漏磁通F Fs2 2直流电机

41、的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 若不考虑电枢表面齿槽效应，设电若不考虑电枢表面齿槽效应，设电枢表面光滑，根据磁路定律可推出气隙枢表面光滑，根据磁路定律可推出气隙磁通密度磁通密度Bd d与气隙长度与气隙长度d d呈反比，即有呈反比，即有B Bd d1/ 1/d d。1空载时气隙磁通密度分布空载时气隙磁通密度分布 B Bd dB Ba av v极靴电枢图图18 空载磁场气隙磁通密度分布空载磁场气隙磁通密度分布 图图18所示，主磁极下气隙小，且均匀，气隙磁通密度分布所示

42、，主磁极下气隙小，且均匀，气隙磁通密度分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁通密度下降均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁通密度下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁通密度急剧下降，在相；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁通密度急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁通密度降为零。气隙磁通密度沿电邻两极的空间分界线上，磁通密度降为零。气隙磁通密度沿电枢表面空间分布的波形被称为平顶波，也可称为钟形曲线。枢表面空间分布的波形被称为平顶波，也可称为钟形曲线。Page 35电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1空载时气隙磁通密

43、度分布空载时气隙磁通密度分布 Page 36空载时的磁场分布示意图空载时的磁场分布示意图 a）空载时磁场分布）空载时磁场分布 b）主磁场磁通密度分布）主磁场磁通密度分布 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 电机的磁化曲线是指电机主磁通电机的磁化曲线是指电机主磁通0与与励磁磁动势励磁磁动势Ff的关系曲线，即的关系曲线，即0=(Ff)。当。当励磁绕组的匝数励磁绕组的匝数Nf一定时，改变励磁电流一定时，改变励磁电流If就可改变磁动势，可用就可改变磁动势，可用0=(If) 表示。表示。 2电机的磁化曲线电机的磁化曲线 电机的磁化曲线可通过

44、试验或电机磁路计算得到，如图电机的磁化曲线可通过试验或电机磁路计算得到，如图19所示。图中曲线所示。图中曲线1为电机磁化曲线，曲线为电机磁化曲线，曲线2为气隙线，它表示气为气隙线，它表示气隙中所消耗的磁动势，由于空气中的隙中所消耗的磁动势，由于空气中的0为常数，故气隙线是线为常数，故气隙线是线性的。性的。Page 372 气隙气隙线线1 磁化曲磁化曲线线FabFbcabcF0(If)F F 0图图19 电机的磁化曲线电机的磁化曲线 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 电机的磁化曲线具有饱和特点，当主电机的磁化曲线具有饱和特点，当主

45、磁通磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使增大，使0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。非线性。2电机的磁化曲线电机的磁化曲线Page 382 气隙气隙线线1 磁化曲磁化曲线线FabFbcabcF0(If)F F 0图图19 电机的磁化曲线电机的磁化曲线 磁化曲线表征磁路的饱和程度，对电机运行性能有很大的磁化曲线表征磁路的饱和程度，对电机运行性能有很大的影响。影响。电机与拖动电机与拖动2 2直流

46、电机的磁场直流电机的磁场 2.2直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场2电机的磁化曲线电机的磁化曲线Page 392 气隙气隙线线1 磁化曲磁化曲线线FabFbcabcF0(If)F F 0图图19 电机的磁化曲线电机的磁化曲线 设计电机时，既要考虑节省材料，设计电机时，既要考虑节省材料，磁通密度磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更经济有效地磁路太饱和，所以，为了更经济有效地利用材料，一般额定磁通取在直流电机利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。磁化曲线开始弯曲的地方。 电机的磁化曲线可通过试验或电机磁路计算得到。电机的磁化曲

47、线可通过试验或电机磁路计算得到。 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.3直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场 Page 40 图图a表示仅由表示仅由励磁电流产生的励磁电流产生的空载磁场，图空载磁场，图b表表示由电枢电流单示由电枢电流单独产生的电枢磁独产生的电枢磁场，设电机磁路场，设电机磁路不饱和，利用叠不饱和，利用叠加原理，得到负加原理，得到负载时的气隙磁场载时的气隙磁场如图如图c所示。所示。 直流电机负载运行时，电枢电流直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中的磁动势由不为零，气隙中的磁动势由励磁电流励磁电流If产生的励磁磁动势产生的励磁磁动势Ff和电枢电流

48、和电枢电流Ia产生的电枢磁动势产生的电枢磁动势Fa共同建立。共同建立。NSFaIa+NSIf=NSIfFaFfIaFf a）空载磁场）空载磁场 b）电枢磁场）电枢磁场 c）气隙磁场）气隙磁场图图20 直流电机电机负载时的磁场直流电机电机负载时的磁场 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.3直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场 Page 41 引入电枢线负荷的概念，线负荷是引入电枢线负荷的概念，线负荷是指在电枢表面单位长度上的安培导体数指在电枢表面单位长度上的安培导体数，用，用A表示。设表示。设N为电枢绕组总导体数，为电枢绕组总导体数，ia为导体电流，为导体电流，Da为

49、电枢直径，则根据线为电枢直径，则根据线负荷定义有负荷定义有aaDNiAxFax=f(x)Bd dx= =f( (x) )BBox=f(x)B x= =f( (x) )电枢磁通密度电枢磁通密度 SNxx=0 x 2Bd dx= =f( (x) )气隙磁通密度(磁路未饱和)气隙磁通密度(磁路未饱和)Box=f(x)励磁磁通密度励磁磁通密度Fax=f(x)电枢磁势电枢磁势B x= =f( (x) ) 2xnGBd dx = =f( (x) )Bd dx = =f( (x) )气隙磁通密度(磁路饱和)气隙磁通密度(磁路饱和)nM图图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形直流电机负载时气隙磁蜜波形 将电枢外表

50、面从几何中性线处展开将电枢外表面从几何中性线处展开成直线，如图成直线，如图21所示，并设主磁极轴线所示，并设主磁极轴线与电枢表面的交点处为原点与电枢表面的交点处为原点0，这点的电，这点的电枢磁动势为零，在离原点枢磁动势为零，在离原点x处作一矩形磁处作一矩形磁闭合回路，根据安培环路定律，当磁路闭合回路，根据安培环路定律，当磁路不饱和时，存在不饱和时，存在xAxDNiFHlx222)(aaa Fax=Ax（7） （8） 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.3直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场 Page 42 式中，式中，Fax为每个气隙磁动势，为每个气隙磁动势，Fax

51、与与x成正比，则电枢磁动势分布波形为三角成正比，则电枢磁动势分布波形为三角波，如图波，如图21曲线曲线Fax=(x)所示。根据所示。根据Bax=oHax，可推出电枢磁通密度为，可推出电枢磁通密度为xFax=f(x)Bd dx= =f( (x) )BBox=f(x)B x= =f( (x) )电枢磁通密度电枢磁通密度 SNxx=0 x 2Bd dx= =f( (x) )气隙磁通密度(磁路未饱和)气隙磁通密度(磁路未饱和)Box=f(x)励磁磁通密度励磁磁通密度Fax=f(x)电枢磁势电枢磁势B x= =f( (x) ) 2xnGBd dx = =f( (x) )Bd dx = =f( (x) )

52、气隙磁通密度(磁路饱和)气隙磁通密度(磁路饱和)nM图图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形直流电机负载时气隙磁蜜波形 在磁极下气隙均匀，则在磁极下气隙均匀，则Baxx；在极；在极尖，因气隙很大，则尖，因气隙很大，则Bax很小，电枢磁通很小，电枢磁通密度沿电枢表面分布为一马鞍波形，如密度沿电枢表面分布为一马鞍波形，如图图21曲线曲线Bax=(x)所示。图中曲线所示。图中曲线Box=(x)表示励磁磁通密度，亦即电机空表示励磁磁通密度，亦即电机空载时的磁通密度曲线。载时的磁通密度曲线。Fax=Ax xDNiFHBxxxaa0a0a0a1dd（8） （9） 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电

53、机的磁场 2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 Page 43 当电机带负载后，电枢绕组流过电当电机带负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁动势。流，产生电枢磁动势。xFax=f(x)Bd dx= =f( (x) )BBox=f(x)B x= =f( (x) )电枢磁通密度电枢磁通密度 SNxx=0 x 2Bd dx= =f( (x) )气隙磁通密度(磁路未饱和)气隙磁通密度(磁路未饱和)Box=f(x)励磁磁通密度励磁磁通密度Fax=f(x)电枢磁势电枢磁势B x= =f( (x) ) 2xnGBd dx = =f( (x) )Bd dx = =f( (x) )气隙磁通密度(磁路饱和)气

54、隙磁通密度(磁路饱和)nM图图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形直流电机负载时气隙磁蜜波形 从上面分析可知，电枢磁动势对主从上面分析可知，电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。运行性能也会产生一定的影响。 将电枢磁动势对励磁磁动势产生的将电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为影响称为电枢反应电枢反应。电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 Page 44 当电机带负载后，电枢绕组流过电当电机带负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁动势。流，产生电枢磁动势。xFax=f(x)

55、Bd dx= =f( (x) )BBox=f(x)B x= =f( (x) )电枢磁通密度电枢磁通密度 SNxx=0 x 2Bd dx= =f( (x) )气隙磁通密度(磁路未饱和)气隙磁通密度(磁路未饱和)Box=f(x)励磁磁通密度励磁磁通密度Fax=f(x)电枢磁势电枢磁势B x= =f( (x) ) 2xnGBd dx = =f( (x) )Bd dx = =f( (x) )气隙磁通密度(磁路饱和)气隙磁通密度(磁路饱和)nM图图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形直流电机负载时气隙磁蜜波形 从上面分析可知，电枢磁动势对主从上面分析可知，电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的磁极产

56、生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。运行性能也会产生一定的影响。 将电枢磁动势对励磁磁动势产生的将电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为影响称为电枢反应电枢反应。1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 Page 45电枢磁场分布示意图电枢磁场分布示意图 a）电枢磁场分布）电枢磁场分布 b）电枢磁场磁动势和电枢磁通密度分布）电枢磁场磁动势和电枢磁通密度分布 2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直

57、流电机的磁场 Page 46负载磁通合成示意图负载磁通合成示意图b）电枢磁通）电枢磁通 a）主磁通）主磁通 +=c）气隙磁通）气隙磁通 2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 Page 47负载磁通密度合成示意图负载磁通密度合成示意图+a）主磁通密度）主磁通密度 b）电枢磁通密度）电枢磁通密度 c）合成磁通密度）合成磁通密度 2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流

58、电机的磁场 Page 48负载时的磁场分布示意图负载时的磁场分布示意图 a）负载时的磁场分布）负载时的磁场分布 b）合成磁通密度分布）合成磁通密度分布 2.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 Page 492.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应 当电刷位于几何中性线时，电枢反当电刷位于几何中性线时，电枢反应表现：使气隙磁场发生畸变并使物理应表现：使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移中性线偏移, 当磁路饱和时

59、有去磁作用。当磁路饱和时有去磁作用。 （1 1）使气隙磁场发生畸变）使气隙磁场发生畸变 设电枢旋转时先进入磁极的那个磁设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生畸变，如图场发生畸变，如图21所示，对发电机而所示，对发电机而言是前极尖磁场被削弱，后极尖磁场被言是前极尖磁场被削弱，后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极尖磁场被加加强；对电动机而言是前极尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。强后极尖磁场被削弱。 xFax=f(x)Bd dx= =f( (x) )BBox=f(x)B

60、 x= =f( (x) )电枢磁通密度电枢磁通密度 SNxx=0 x 2Bd dx= =f( (x) )气隙磁通密度(磁路未饱和)气隙磁通密度(磁路未饱和)Box=f(x)励磁磁通密度励磁磁通密度Fax=f(x)电枢磁势电枢磁势B x= =f( (x) ) 2xnGBd dx = =f( (x) )Bd dx = =f( (x) )气隙磁通密度(磁路饱和)气隙磁通密度(磁路饱和)nM图图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形直流电机负载时气隙磁蜜波形 电机与拖动电机与拖动2 2直流电机的磁场直流电机的磁场 Page 502.4直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷