电机第1章教材

电机原理及拖动河北工程大学

信息与电气工程学院

刘增环3/26/20241第一章直流电机原理1.直流电机的用途、结构、基本工作原理2.直流电机的空载磁场3.直流电机的电枢绕组4.直流电机的电枢反应5.直流电机电枢电势与电磁力矩6.直流发电机7.直流电动机8.直流电机换向3/26/20242直流电机的用途电源励磁机测速伺服3/26/20243直流电机的结构（P6图1-4）3/26/20244直流电机截面图（P6图1-4）3/26/20245直流电机主磁极3/26/20246换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。3/26/20247电刷装置（P7图1-6）电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置3/26/20248换向器在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用3/26/20249直流电机电枢截面3/26/202410电枢绕组是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分槽楔3/26/202411直流电机主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承结构视频3/26/202412直流电机基本工作原理3/26/202413直流发电机原理原理视频3/26/202414发电机电势波形3/26/202415把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过，如图。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。直流电动机原理原理视频3/26/202416直流电机的铭牌数据

3/26/202417直流电机的铭牌数据额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速在额定工况下，电机出线端的平均电压是指输出额定电压发电机是指输入额定电压电动机3/26/202418直流电机的铭牌数据此外，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。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3/26/2024191-2直流电机的空载磁场空载：直流电机的空载磁场是由流过励磁绕组的电流If产生的，它是直流电机中的主要磁场。3/26/2024202极电机磁路中的磁通分布极轴线：磁极平分线几何中性线：相临两磁极极轴线的平分线。物理中性线：气隙磁密由正到负过零的分界线。主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：走漏磁路的磁通3/26/2024214极电机磁路中的磁通分布NSSN几何中性线极轴线极距主磁通漏磁通3/26/2024221.直流电机磁路N极铁芯－气隙－电枢齿－电枢轭－相邻S极电枢齿－气隙－S极铁芯－定子轭－回到N极.构成闭合路径3/26/202423分析主磁路主磁路的分段：全电流定律简化：（1-1）（1-2）3/26/202424分析主磁路气隙电枢齿电枢轭主磁极定子轭封闭回路中包含Nf匝线圈的2倍（1-3）前面图中封闭回路总磁势各段磁压降为：即3/26/202425分析主磁路这个关系即直流电机的磁化曲线121.11~1.35饱和系数：

：气隙磁势

ac：总磁势

：铁心饱和引起磁势增加

3/26/2024262.气隙磁通密度分布波形当励磁电流不变时：平均磁通密度

：极距

：铁心长度每极磁通与平均磁密的关系：3/26/202427线圈电势与刷间电势e，Bπ2πωtαeπ2πωt气隙磁密与线圈电势刷间电势空载时的气隙磁通密度为一平顶波3/26/2024281-3直流电机的电枢绕组电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定量的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。3/26/202429电枢绕组形式直流电机绕组电枢绕组3/26/2024301.相关技术术语及绕组元件极轴线，几何中线极距：相邻极轴线沿电枢表面的圆弧距离，通常用槽数表示，如：极距＝电枢槽数/极数3/26/202431绕组元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。单匝多匝有效边3/26/202432元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。首端末端3/26/202433绕组节距y=y1-y2＝1第一节距y1第二节距y2合成节距y：换向节距yk：yk＝y＝13/26/202434第一节距y1必须是整数3/26/2024352.单叠绕组单迭：单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，后面元件的首端紧迭在前一元件的末端。特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同y=yk=13/26/202436单迭绕组展开图例：一台电机P＝2，Z＝S＝K＝16合成节距＝换向节距y＝yk＝1第一元件末端与第二元件的首端连接第一节距：3/26/202437单迭绕组展开图1123456789101112131416152345678910111213141615+－++－－运动方向NSNSττττ159.13在几何中线上同一磁极元件串联3/26/202438绕组的并联支路电路图a＝p＝b单叠绕组输出电势：一条支路电势输出电流：2a条支路电流和3/26/202439绕组小结直流电机的电枢绕组形成闭合回路。回路中合成电势为零、环流为零。并联支路成对出现，并联支路对数=极对数。电枢电势（即刷间电势）=支路电势。电枢电流=各支路电流之和。即：。电刷成对出现（单叠绕组中，刷对数=极对数）。为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接3/26/2024401-4直流电机的电枢反应直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。

当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。3/26/202441电枢磁动势与电枢磁场右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。电枢NS分界线磁势为零3/26/202442交轴磁动势在空间的分布引入电枢线负荷的概念：导体总数N；导体电流ia；电枢直径为D，则线负荷在原点O左右x处取磁力线闭合回路，应用全电流定律有整个回路的磁压降近似为两个气隙上磁势：电枢磁动势为零3/26/202443电枢磁动势、磁通密度空间分布沿电枢径向展开3/26/202444直流电机负载时的磁场主极磁场电枢磁场合成磁场3/26/2024451、当电刷在几何中性线上时将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，得到的负载电机磁场分布情况如图。3/26/202446合成磁势曲线主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线不饱和两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线物理中性线偏离几何中性线饱和时磁阻不为常数不能简单叠加3/26/202447这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。如图(a)(b)所示。2.当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)(b)所示。3/26/202448交轴磁势和直轴磁势3/26/202449分析直流电动机电刷移位NN逆向移刷顺向移刷3/26/202450电刷偏移对主磁场的作用电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁直轴助磁电动机直轴助磁交轴和直轴去磁3/26/202451以直流电机为例思考电枢反应什么时候只有交轴电枢反应？什么时候既有交轴又有直轴电枢反应？什么情况下直轴电枢反应是去（助）磁的？3/26/2024521-5.电枢电势与电磁转矩电枢电势：电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、负电刷之间的感应电势，即每个支路里的感应电势。计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。3/26/202453电枢电势一根导体在一个极距范围内平均感应电势：Bav：平均磁密；l：导体长度；v：电枢旋转线速度n：电枢旋转速度（r/min)：每极磁通3/26/202454电枢电势)(电动势常数为电机的结构常数其中每条支路导体数（每极下导体数），总导体数N常数3/26/202455电枢电势性质:

发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).（1-18）NN3/26/202456电磁转矩电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。一根导体的平均电磁力：作用在电枢上的总电磁力：3/26/202457大小:为电机的转矩常数其中电磁转矩（1-20）3/26/202458电势常数Ce和转矩常数CT取决于电机结构。它们的关系为：电磁转矩性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。（1-21)3/26/202459电磁功率直流电机中机械能转换为电能或电能转换为机械能的那部分功率，是由于电和磁的相互作用产生的。3/26/202460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率的那部分输入电功率。3/26/2024611-6直流发电机他励：励磁电源由其他独立直流电源提供按励磁方式分类并励发电机串励发电机复励发电机自励：用发电机本身发出的电给励磁绕组供电供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。3/26/2024621-6直流发电机1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：3/26/2024632、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足。3/26/2024644、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。长分接法短分接法3/26/2024652直流发电机的基本方程规定各物理量的参考方向如图（一）电压平衡方程式为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：电枢电动势：从方程式可见，直流发电机（1-22)＋－3/26/202466直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入的驱动转矩（二）电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩：SN（1-23）机械摩擦及铁损引起的空载转矩转矩平衡方程为：3/26/202467原动机输入给发电机的机械功率电磁功率是转换成电功率的那部分机械功率机械摩擦损耗铁损耗附加损耗。空载损耗包括：输入直流发电机后扣除空载损耗，其余为电磁功率将（1-23）式两边同乘旋转角速度：（三）功率平衡方程式3/26/202468（三）功率平衡方程式将（1-22）式两边同乘电枢电流：电磁功率是转换出的总功率，他与输出功率之间还差电枢回路的电阻铜损耗。3/26/202469如果是自励发电机，还应减去励磁功率他励直流发电机功率流程图3/26/2024703.直流发电机运行特性直流发电机的四个基本物理量：U、I、If、n。（n由原动机拖动，保持不变）运行特性：在U、I、If之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。（他励电机负载电流＝电枢电流）（1）n＝常数，I＝0，Uo＝f（If）；空载特性（2）n＝常数，If＝常数，U＝f（I）；外特性（3）n＝常数，U＝常数，If＝f（I）；调节特性3/26/202471一、空载特性定义：当、时，

直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载时，。由于，因此空载特性实质上就是。由于正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。3/26/202472空载特性Uo＝f（If）空载特性可以通过实验的手段得到。UfGAVr平均空载特性曲线3/26/202473定义：当、时，

外特性曲线由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励二、外特性3/26/202474二、外特性根据以下公式可知，发电机端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。3/26/202475电压调整率（电压变化率）从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示。U0是空载时的端电压，一般他励直流发电机的电压变化率约为5％～10%。3/26/202476IIf三、调节特性转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电机的端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流增大，励磁电流也增大。INIfN定义：当、时，

特性曲线如图所示3/26/202477并励直流发电机的自励4.并励直流发电机原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与相等时，达到稳定的平衡工作点A。3/26/202478自励过程曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻特性曲线，也称场阻线。它的斜率就是增大，场阻线变为曲线4时，称为临界电阻，与空载特性直线部分重合电机没有稳定运行点。若再增加励磁回路电阻，场阻线变为曲线3时，它可以在很低的稳定点上运行（见书上B点），不能建立正常输出电压，发电机将不能自励。在建立正常电压过程中励磁电流在上升：3423/26/202479IfU并励直流发电机自励的特征发电机自励时的稳定点为励磁回路场阻线与空载特性的交点。电机的转速发生变化，空载特性曲线改变，稳定工作点也改变。不同的转速，具有不同的临界电阻3/26/202480并励直流发电机自励的条件（1）电机的主磁路有剩磁，可通过“充磁”获得（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致3/26/202481并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。但是由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。并励发电机的空载特性3/26/202482外特性和调整特性并励发电机的外特性U=f(I)与他励相比，下降更快。因为除了有他励电机的两个下降因素外，还因为电压下降会导致励磁电流的降低，在电压下降较大时励磁电流明显减小磁路退出饱和，外特性出现“拐点”（见书图中1-27）所以并励电机外特性有以下特点：(1)负载增大时，端电压下降较快；(2)外特性有拐弯现象;调整特性与他励发电机相似。3/26/202483直流发电机的小结（1）三个平衡式，以及E>U的发电状态判据。（2）发电机的励磁方式：（3）不同励磁方式对工作特性的影响。3/26/202484直流电动机完成的是电能向机械能的转换。与直流发电机相同，直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。本节以他励直流电动机为例，推导直流电动机的基本方程式。1-7直流电动机3/26/202485一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。以他励电机为例，一台他励直流发电机并联于直流电网上运行，保持不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当下降到一定程度时，使得，此时，发电机输出的电功率，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的空载损耗po

。1、直流电机的可逆原理3/26/202486保持发电机的不变，继续降低原动机的，将有，反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，使电机从电动机状态转变到发电机状态。3/26/202487TEa>UEa=UEa<U电动机3/26/202488T1Ea>UEa=UEa<U3/26/202489第1章直流电机2直流电动机的基本方程按电动机惯例规定各物理量的参考方向如图。在外加电压作用下，电枢顺电压U的方向流过电流，电流在磁场中受力产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下旋转，旋转的导体切割主磁场产生一个与电流方向相反的电动势电压平衡方程式：(1-31)T23/26/202490电动机转矩平衡方程式直流电机通电后，电枢电流磁场中受力产生电磁转矩在克服了机组摩檫阻转矩T0后，转换为输出的机械转矩T2拖动生产机械作功。当生产机械负载转矩与输出转矩T2相等时，电机达到稳定平衡有：（1-32）3/26/202491功率平衡方程式将式（1-31）两边同乘Ia：将式（1-32）两边同乘角速度：3/26/202492直流电动机功率流程图3/26/2024933、直流电动机的特性工作特性，是指在U＝UN，If＝IfN时，转速n、电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系。运行特性转速特性转矩特性效率特性机械特性电压、励磁、转子电枢回路总电阻均为常数的情况下，电机转速和电磁转矩的关系曲线。分为自然机械特性和人工机械特性。3/26/202494

直流电动机的工作特性1、转速特性定义：当、时，由电压平衡方程式可得：

忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图红线所示。3/26/202495

直流电动机的工作特性2、转矩特性定义：当、时，转矩表达式

考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。3/26/2024963、效率特性定义：当、时，由方程式可得空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。3/26/202497四、串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组是串联的，因此励磁电流随着负载变化。这是串励电机的主要特点。串励电机的机械特性很软，当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：关系式3/26/202498转速特性转矩特性当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。3/26/202499串励直流电动机的机械特性当磁路不饱和时，转矩与电流平方成正比；当磁路饱和时的机械特性与他励电动机的特性曲线一致。因此串励电动机的机械特性与转速特性有相同的形状。3/26/2024100复励电动机的机械特性介于并励和串励的机械特性曲线之间，兼有并励和串励电动机的优点。串励复励并励3/26/2024101直流电动机的小结（1）三个平衡式，以U>E和T与n方向一致为的电动状态判据。（2）不同励磁方式对工作特性的影响（特性软硬度不同）。（3）电动机的机械特性方程式3/26/20241028.直流电机换向直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。假定换向片的宽度等于电刷的宽度换向周期Tk：3/26/2024103电枢移到电刷与换向片1、2接触面积相同时，元件1的被短路没有电流。电刷仅与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示。电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示。一、换向过程元件112a2iaiaiai3/26/2024104二、换向的电磁理论自感电动势和互感电动势：换向元件在换向过程中电流改变而产生的电抗电势根据楞次定律，电抗电势的方向阻止换向电流的变化，因此的方向必与换向前的元件电流的方向一致。(1)换向元件中的电动势3/26/2024105(1)换向元件中的电动势切割电动势：（旋转电势）在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。NSner

据右手定则，的方向总是与换向前元件中的电流方向相同，与

方向一致，也是阻碍换向的。Φaea3/26/2024106换向电动势：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。换向元件中的合成电动势为：自感电动势、互感电动势和切割电动势是阻碍换向的。(1)换向元件中的电动势3/26/2024107（2）换向元件中的电流设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是和，元件自身的电阻为，流过元件的电流为，元件与换向片间的连线电阻，元件在换向时的回路方程：忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为，则可推导出换向元件中的电流变化规律二、换向的电磁理论3/26/2024108三、直线换向、延迟换向与超越换向1.直线换向当时换向元件电流随时间线性变化。当时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。2.延迟换