电机学(二)

直流电机的额定值
① 额定功率： PN，kW
② 额定电压： UN，V ③ 额定电流： IN，A 直流发电机： 直流电动机：
PN 103 IN [ A] UN PN 103 IN [ A] U N N
④ 额定转速： nN，r/min
⑤ 绕组温升及绝缘等级：TN，K；B，F，H 等。
2 n M z n K 60 9.55 9.55
n
1 2
M
T0
T
第六章 直流电机的用途、工 作原理及结构
第一节
直流电机及其用途
用途： 直流发电机把机械能转化为电能；
直流电动机把电能转化为机械能。
直流电动机的优点：
① 调速范围宽，且易于平滑调速；
② 过载、起动、制动转矩大；
③ 易于控制，可靠性高；
GD 2 dn 运动方程的实用形式：M M z 375 dt
系统旋转运动的三种状态：
1)当 M M z ， dt 0 时, n 0或n 常值，则电动机处于静止 dn 或等速运行状态，电力拖动系统即处于稳态。
dn 2)当M M z ， 0 时,电力拖动系统处于加速运行状态，即处 于过渡过程。 dt dn 3)当M M z ， 0 时,电力拖动系统处于减速运行状态，也处 于过渡过程。 dt
④ 调速时能量损耗小。
直流电动机的缺点：换向困难
第二节
直流电机的基本工作原理
1、直流电动势的产生
电磁感应定律： e Blv
满足右手定则
结论： eBA 为随时间正负交变的电动势
1、直流电动势的产生（续）
结论：
由于静止电刷和旋转换向器的 e 作用，BA 为脉动的直流电动势。
eBA
2、平均电磁转矩的产生
4、电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。 构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530或DR5 硅钢片叠压夹紧而成。 5、电枢绕组 作用：直流电机的电路部分。 构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成， 上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘， 并用槽楔压紧。
6、换向器
作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。 构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆 筒，片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环 夹紧而构成。 7、电刷装置 作用：电枢电路的引出（或引入）装置，把转 动的电枢绕组与静止的外电路相连接。 构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。
“电力拖动”分类
电力电子器件发明后，以电子元件控制、由可控整流器供 电的直流电力拖动系统逐渐取代了直流发电机-电动机系 统,并发展到采用数字电路控制的电力拖动系统。这种电 力拖动系统具有精密调速和动态响应快等性能。这种以弱 电控制强电的技术是现代电力拖动的重要特征和趋势。 交流电动机没有机械式整流子，结构简单、使用可靠,有 良好的节能效果,在功率和转速极限方面都比直流电动机 高；但由于交流电力拖动控制性能没有直流电力拖动好， 所以70年代以前未能在高性能电力拖动中获得广泛应用。 随着电力电子器件的发展，自动控制技术的进步，出现了 如晶闸管的串级调速、电力电子开关器件组成的变频调速 等交流电力拖动系统，使交流电力拖动已能在控制性能方 面与直流电力拖动相抗衡和媲美，并已在较大的应用范围 内取代了直流电力拖动。
“电力拖动”简介
20世纪，随着社会的进步，为提高生产率和改善产品 质量，工业部门对机械设备不断提出新的、高的技术 要求。如要求有宽的速度调节范围、有高的调速精度、 能快速地进行可逆运行以及对位置、加速度、张力、 转矩等物理量的可控性能的要求等。以蒸汽机、柴油 机等作为原动机的拖动装置很难甚至不可能予以完成， 而应用电力拖动则能很好地满足上述技术要求。因此， 电力拖动被广泛用于冶金、石油、交通、纺织、机械、 煤炭、轻工、国防和农业生产等部门，在国民经济中 占有重要地位，是社会生产不可缺少的一种传动方式。
电力拖动系统的运动方程
电力拖动系统运动方程式描述了系 统的运动状态，系统的运动状态取决于 作用在原动机上的各种力（电动机作直 线运动）或原动机转轴上的各种转矩 （电动机作旋转运动）。 根据如图给出的系统（忽略空载转 矩），可写出拖动系统的运动方程式：

U

M
M
d 其中 J 为系统的惯性转矩。 dt
3、直流电机的换向
换向的缺点 影响因素：电磁原因、机械原因、物理化学原 因 改善换向的方法：加装换向极
第三节
直流电机的主要结构
主磁极
换向磁极
磁极铁心 （产生励 励磁绕组 磁磁场） 电刷 刷握 绝缘支架 压紧力调整装置
定子 直 流 电 机 转子
机座 端盖 电刷装置 转轴 换向器 电枢铁心
（产生电动势，流过 电枢绕组 电流，产生电磁转矩）
以单线圈简化模型为例，进行 分析。
显然，在电刷间接入直流电源后，
在线圈中就有直流电流流过。 电磁力定律： f Bli 满足左手定则
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极， 电刷B接负极。此时电枢线圈中将有电流流 过。 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。 使电枢逆时针旋转，电枢 一经转动，换向器配合电 刷对电流换向。
d M Mz J dt来自nMz电力拖动系统的运动方程
d M Mz J dt
转动惯量
GD2 J m 2 4g
2 n 60
角速度
GD 2 dn 运动方程的实用形式： M M z 375 dt
式中 GD2 4 gJ ----飞轮力矩（ N m2 ）
电力拖动系统的运动方程
“电力拖动”组成
包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电 源五个部分。
它们之间的关系如下：
电源
控制设备
电动机
传动机构
生产负载
“电力拖动”分类
按电动机供电电流方式的不同，有直流电力拖 动和交流电力拖动两种。
早期的生产机械如通用机床、风机、泵等不要求调速或调 速要求不高，以电磁式电器组成的简单交、直流电力拖动 即可以满足。随着工业技术的发展，对电力拖动的静态与 动态控制性能都有了较高的要求，具有反馈控制的直流电 力拖动以其优越的性能曾一度占据了可调速与可逆电力拖 动的绝大部分应用场合。自20年代以来，可调速直流电 力拖动较多采用的是直流发电机-电动机系统,并以电机扩 大机、磁放大器作为其控制元件。
电机学（二）
---电力拖动
什么是“电力拖动”？
凡是用电动机作为动力的设备。
以电动机作为原动机拖动机械设备运 动的一种拖动方式，又称电气传动， 也称电力驱动。
“电力拖动”简介
各类机械设备的运动都要依靠动力。在电动机问世以 前，人类生产多以风力、水力或蒸汽机作为动力。19 世纪30年代出现了直流电动机，俄国物理学家Б.С. 雅科比首次以蓄电池供电给直流电动机，作为快艇螺 旋桨的动力装置，以推动快艇航行。此后，以电动机 作为原动机的拖动方式开始被人们所瞩目。到80年代， 由于三相交流电传输方便以及结构简单的三相交流异 步电动机的发明，使电力拖动得到了发展。
1.反抗性恒转矩负载
特点：恒值转矩 M z 总是反对运动的方向。
n MZ
生产机械的典型负载转矩特性
一、恒转矩负载特性 2.位能性恒转矩负载 特点：恒值转矩 M z具有固定的方向，不随转速方向改变而改变。
n TZ
不论重物提升（n为正）或下放（n 为负），负载转矩始终为反方向， 即Mz始终为正。 提升时，转矩Mz反对提升；下放时， Mz 却帮助下放。
当电枢旋转到右图所示位置时， 原N极性下导体ab转到S 极下，受力方向从左向 右，原S 极下导体cd转 到N极下，受力方向从右 向左。该电磁力形成逆 时针方向的电磁转矩。 线圈在该电磁力形成的 电磁转矩作用下继续逆 时针方向旋转。
直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替 变化的电流。 图中电刷相对于磁极的位置保证了，无论线圈边 处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生逆时针 方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方 向的电磁转矩。
生产机械的典型负载转矩特性
二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数，即 M z 与 n 成反比，特性曲线为一条双 K 曲线。 M
z
三、泵类负载特性 负载的转矩 M 基本上与转 z 速 n 的平方成正比。负载特性 为一条抛物线。 M z Kn2
n
n
P2 M z M z
生产机械的典型负载转矩特性
在运动方程式中，负载转矩 M z与转速 n 的关系n f M z ， 即为生产机械的负载转矩特性。 一、恒转矩负载特性 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 M z与转速 n 无关的 特性，即当转速变化时，负载转矩 M z保持恒值。分反抗性恒转矩 负载和位能性恒转矩负载两种。
“电力拖动”特点
由于电能获得方便，使用电动机的设备体积比其他动 力装置小，并且没有汽、油等对环境的污染，控制方 便，运行性能好，传动效率高，可节省能源等。所以， 80％以上的机械设备，小如用步进电机拖动指针跳动 的电子手表、大到上万千瓦的大型轧钢机械等都应用 电力拖动。80年代，中国生产的电能中约有三分之一 用于电力拖动。单个电力拖动装置的功率可以从几毫 瓦到几百兆瓦，转速可从每小时几转到每分钟数万转。
1、机座
作用：1、主磁路的一部分；
2、电机的结构框架用来固定主磁极、 换向极及端盖等，起机械支承的作用。 构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。
2、主磁极
作用：在定转子之间的气隙中建立磁场,使电 枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生 电磁转矩。 3、换向极 作用：改善换向。 构成：亦由铁心和绕组组成。