电机及拖动基础(顾绳谷 主编)第二章

Kf If
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感应电动势的计算公式为
Ea Cen Ce K f I f n Gaf I f
其中Gaf=CT Kf ； Ω为机械角速度。
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二、电磁转矩的计算
Z pZ Te 2 p I a I a CT I a 4πa 2πa
pZ 其中 CT 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
另外，又作为磁路的一部分。
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4、电刷装置
1—刷握
2—电刷 3—压紧弹簧 4—铜丝辫
（二）直流电机的转动部分 1、电枢铁心
a)—电枢铁心
冲片
b)—电枢铁心
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2、电枢绕组——由许多按
一定规律连接的线圈组成。
1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体 4—层间绝缘 5—槽绝缘
3、换向器——由许多换
向片组成，换向片之间用云 母绝缘。
Ea U a Ra I a
U f Rf I f
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（二）转矩平衡方程式
d 对于电动机： Te T2 T0 J dt
其中T2为负载制动转矩，
T0为空载损耗转矩。 稳态运行时
Te T2 T0
对于发电机：T1 Te T0 J
d dt
其中T1为原动机拖动转矩。 稳态运行时
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（二）直流发电机的工作原理
用原动机拖动电枢逆时针方向恒速 转动，线圈边ab和cd就分别切割不同 极性磁极下的磁场，线圈中产生了交 变的电动势。由于换向器配合电刷对 电流的换向作用，在电刷A、B端的 电动势确是直流电动势。
一台直流电机 作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢 旋转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能； 作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直 流电动势，作为直流电源，输出电能。
a) 他励直流发电机 b) 并励直流发电机 c) 复励直流发电机
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2 并励和复励直流发电机空载电压的建立 自励电压的建立有三个条件：
1）电机必须有剩磁； 2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确； 3）励磁回路的总电阻小于该转速下 的临界电阻。 （二）负载运行 无论他励、并励还是复励发电机， 建立电压以后，在 n = nN 的条件下， 加上负载后，发电机的端电压都将发 生变化。
一、换向的电磁现象
1、电抗电动势 换向元件中出现的由 自感与互感作用所引起 的感势 由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，在几何中心线处，虽 然主磁场的磁密等于零，可是电枢磁场的磁密不为零。因此，换向 元件切割电枢磁场，产生一种电动势，称为电枢反应电动势。
1-2、3-4、5-6、7-8 分别构成4个线圈
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二、绕组的基本形式 （一）单叠绕组
单叠绕组的特点：元件的两个端子连 接在相邻的两个换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联， 即后一元件的首端与前一元件的末端 连在一起，接到一个换向片上。最后 一个元件末端与第一个元件首端连接 在一起，形成一个闭合回路。 元件的跨距：上层元件边与下层 元件边的距离（用槽数表示）称为跨 距。一般要求元件的跨距等于电机的 极距。 右上图中，跨距为4槽。
Ea U Ia Ra 2ΔUc (750 2145 0.0161 2)V 713V
Ea 713 1 n n 200 r / min 221r / min Ea 717 0.9
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三、直流发电机的工作特性
（一）空载运行 1 空载特性 当他励直流发电机被原动机拖 动，n=nN 时，励磁绕组端加上 励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 , 得出空载特性曲线U0=f(I0)。
电枢反应后磁动势波形
1、有负载时气隙磁场发生了畸变 2、电枢反应呈现去磁作用
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第五节 感应电动势和电磁转矩的计算
一、感应电动势的计算
直流电机无论作电动机运行，还是发 电机运行，电枢内部都感应产生电动势。
t 60 2 pn 2 pn 60
式中，n—电枢的转速；p—极对数。 根据电磁感应定律，一个匝数为 N y 的元件 中感应电动势的平均值为：
T1 Te T0
二、直流电动机工作特性
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（一）并励直流电动机的工作特性 1. 转速特性 当U=UN , If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线
Ra U n Ia Ce Ce
2. 转矩特性 当U=UN ,If=IfN时，Te=f(Ia)的关系曲线 其中
Te CT Ia CT Ia CT CT
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气隙中主磁场磁通密度的分布
磁化曲线
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三、直流电机负载时的磁场及电枢反应
当直流电机带上负载以后，在电机磁 路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为 电枢磁动势。 此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势 和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对 气隙磁场的影响称为电枢反应。
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4个元件所产生的电枢磁动势波形
第二章
一、直流电机的工作原理
直流电机
第一节 直流电机的工作原理及结构
（一）直流电动机的工作原理
载流导体在磁场中受到的力
f Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A) l — 导体的有效长度(m)
当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根 据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个 电磁转矩。 当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流 过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋 转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要 处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S 极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。
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第三节 直流电机的绕组
对绕组的要求：在能够通过规定的 电流和产生足够的电动势的前提下， 尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构 简单、运行可靠。
一、简单的绕组
右图只是说明原理的示意图。它的缺 点是：随着电枢的转动，始终只有一个 线圈有电流。这样的话，材料没有充分 利用，产生的总转矩或电势均很小。 解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接 起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元 件边连接一个换向片。每个元件的两个元 件边连接2个不同的换向片。共用了4个换 向片，节省了材料，提高了输出转矩。
额定功率 PN
额定电流I N
额定电压U N
在额定工况下，电机 出线端的平均电压 在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流
额定转速nN
在额定电压、额定电流下，运 行于额定功率时对应的转速
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发电机：是指输出额定电压； 电动机：是指输入额定电压。
额定励磁电流 fN I
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
1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。 2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。 4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，
另一个与电枢绕组串联。
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二、直流电机的空载磁场
直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动 势单独建立的磁场。
1 t pn Ea 0 e d t 4 N y 60 t
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绕组全部有效导体数为 Z 2SNy，所以
Ea 4 N y pn S pZ n Cen 60 2a 60 a
对制成的电机，Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数 若不计饱和影响，有 其中Kf 为比例常数
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二、直流电机的结构
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极
5—换向极
6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
直流电机剖面图
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（一）直流电机的静止部分 1、主磁极 2、换向极
1—主磁极铁心
2—励磁绕组
3—机座 1—换向极铁心
2—换向极绕组
3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；
电动势公式 Ea Ce n Ca I a n
转矩平衡方程式 转矩公式
Te T2 T0 Te CT Ia CT Ia2
（其中，Rfc为串励绕组电阻，
Ca Ce Kf ，CT CT Kf ）
60 P2 Te T2 T0 T0 2π n
电磁转矩也可以表示为 Te Gaf I f I a 其中Gaf=CT Kf
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第六节 直流电机的运行原理
一、直流电机的基本方程式
（一）电动势平衡方程式 若电机稳态运行，对于电动机
U a Gaf I f Ra I a Ea Ra I a
U f Rf I f
若电机稳态运行，对于发电机
1——积复励发电机外特性； 2——他励发电机外特性； 3——并励发电机外特性；
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第七节 直流电机的换向
换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。 当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能 正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的 原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。
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（三）复励直流电动机的工作特性
[例2-1] 一台他励直流电动机的额定数据为：
PN 1325 kW U N 750V I N 1930 nN 200r / min A 电枢绕组的电阻 Ra 0.0161 电刷接触压降 2ΔU c 2V
设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩 （包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求 （1）在电枢回路中突然串入电阻RΩ=0.0743Ω,求串入电阻最初瞬 36 间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？