电机及拖动基础第二章

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电机与拖 动基础
从图2—4的电动机原理模型中，当转子受电磁力作 从图2 4的电动机原理模型中， 用旋转后，导体运动又将切割磁力线， 用旋转后，导体运动又将切割磁力线，感应出电动 不难判定出每一有效边中感应电动势方向， 势，不难判定出每一有效边中感应电动势方向，总 是与流入导体的电流方向相反。 是与流入导体的电流方向相反。 通过分析看出， 通过分析看出，直流电机是作为发电机运行还是作 为电动机运行，主要在于外部条件， 为电动机运行，主要在于外部条件，即输入给电机 的功率形式。当从轴上输入给电机机械功率 机械功率时 的功率形式。当从轴上输入给电机机械功率时,电 机作发电机运行，通过电刷向外部输出电能. 输出电能 机作发电机运行，通过电刷向外部输出电能. 若从电刷上输入给电机电功率 电功率时 若从电刷上输入给电机电功率时，电机作电动机运 经转轴向外输出机械功率。 行，经转轴向外输出机械功率。 就是说同一台电机在不同的外界条件下即可作为发 电机又可作为电动机运行的原理， 电机又可作为电动机运行的原理，称为可逆运行原 见图2 5 理。见图2—5。
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以上分析的为线圈边和线圈端的电动势，如何在电刷上 以上分析的为线圈边和线圈端的电动势， 得到直流电动势呢？ 得到直流电动势呢？ 这必须通过换向器，即换向片，共同构成的部分。 这必须通过换向器，即换向片，共同构成的部分。换向 器与空间上固定不动的电刷相连接，从图2—1所示瞬时 器与空间上固定不动的电刷相连接，从图 所示瞬时 可以看出，当导体ab在 极下时 的方向从 指向a经 极下时， 的方向从b指向 可以看出，当导体 在N极下时，e的方向从 指向 经 电刷A引出 极性为正。 引出， 电刷 引出，极性为正。 线圈转过180º，导体 与dc互换位置，dc边处于 极与 互换位置， 边处于 边处于N极与 线圈转过 ，导体ab与 互换位置 A刷相接触，电动势方向从 指向 经电刷 引出，极性 刷相接触， 指向d经电刷 引出， 刷相接触 电动势方向从c指向 经电刷A引出 仍为正。同理可分析出B刷极性为负 通过观察可见， 刷极性为负。 仍为正。同理可分析出 刷极性为负。通过观察可见， 极下的线圈边总是与电刷A相接触 运动在N极下的线圈边总是与电刷 相接触， 刷极性 运动在 极下的线圈边总是与电刷 相接触，A刷极性 总为正；运动在S极下的线圈边总是与电刷 相接触， 总为正；运动在 极下的线圈边总是与电刷B相接触， 极下的线圈边总是与电刷 相接触 所以电刷B总是负极性 这样在A、 刷间得到的电动势 总是负极性， 所以电刷 总是负极性，这样在 、B刷间得到的电动势 波形就是如图2—3所示的直流电动势21世纪高等学校规划教材 张方谢胜利 所示的直流电动势。 波形就是如图 所示的直流电动势。 世纪高等学校规划教材
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由于导体随电枢旋转，转子每转过一周， 由于导体随电枢旋转，转子每转过一周，导体 移过一对磁极，导体边ab和 中的电动势互换 移过一对磁极，导体边 和dc中的电动势互换 一次方向，或者说导体中的电动势是交变的。 一次方向，或者说导体中的电动势是交变的。 对于线圈abcd来说，N极下和 极下线圈边的电 来说， 极下和 极下和S极下线圈边的电 对于线圈 来说 动势大小相等，方向相反， 、 端的电动势为 动势大小相等，方向相反，a、b端的电动势为 两个线圈边的电动势之和， 两个线圈边的电动势之和，eda=2e=2BXLv，eda ， 是一个线圈边电动势的2倍 是一个线圈边电动势的 倍， eda方向为 方向为dcba。当线圈转过 。当线圈转过180º后，电动势方 后 向变为abcd。 向变为 。
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线圈以匀速切割磁力线，且长度固定，从式（ 线圈以匀速切割磁力线，且长度固定，从式（2—1）可以 ） 看出感应电动势e正比于所隙磁密，又可以说e的大小和方 看出感应电动势 正比于所隙磁密，又可以说 的大小和方 正比于所隙磁密 的波形如图2— 向由导体转到该点的磁密BX来确定 来确定。 向由导体转到该点的磁密 来确定。如BX的波形如图 2所示时，e的波形将与 X波形相同。 所示时， 的波形将与B 所示时 的波形将与 波形相同。 中表示气隙磁密B 图2—2中表示气隙磁密 X沿转子表面分布的波形。如果 中表示气隙磁密 沿转子表面分布的波形。 将图中纵坐标换个比例尺， 将图中纵坐标换个比例尺，这一特性曲线也可以表示线圈 边的电动势e随时间变化的波形 随时间变化的波形。 中的横坐标原点， 边的电动势 随时间变化的波形。图2—2中的横坐标原点， 中的横坐标原点 可理解为线圈边的ab转动时从 转动时从N极下开始计量的沿圆周空 可理解为线圈边的 转动时从 极下开始计量的沿圆周空 间距离X的原点 也是转动时间t的初始时刻 的原点， 的初始时刻。 间距离 的原点，也是转动时间 的初始时刻。
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模型中，当有外力带动电枢转动时， 模型中，当有外力带动电枢转动时，线圈边切割气隙 磁场磁力线，将产生感应电动势。 磁场磁力线，将产生感应电动势。产生外力的设备机械 称为原动机。设转子逆时针方向做匀速旋转， 边在 边在N 称为原动机。设转子逆时针方向做匀速旋转，ab边在 极下感应电动势方向通过右手定则判定出为由b指向 ； 极下感应电动势方向通过右手定则判定出为由 指向a； 指向 dc边在 极下，感应电动势方向为由 指向 。当转子逆 边在S极下 指向c。 边在 极下，感应电动势方向为由d指向 时针转过180º时，导体 和dc中感应电动势方向互换。 中感应电动势方向互换。 时针转过 时 导体ab和 中感应电动势方向互换 右手定则判定方法：磁力线垂直穿过右手掌心， （右手定则判定方法：磁力线垂直穿过右手掌心，拇指 指向导体运动方向， 指向导体运动方向，其他四指指向即是感应电动势方 ），线圈边感应电动势 线圈边感应电动势e的大小为 向），线圈边感应电动势 的大小为 e = BX Lv（2-1） ） 导体所在处的磁通密度； 式中 BX—导体所在处的磁通密度； 导体所在处的磁通密度 L—与极长相同，切割磁力线能感应电动势的导体有效 与极长相同， 与极长相同 长度； 长度； v—线圈转动的线速度。 线圈转动的线速度。 直流， 这样的方法得到的电动势为脉振直流，其大小在 零和幅值之间变动。在实际电机中， 零和幅值之间变动。在实际电机中，为了减小电 动势的脉振程度和提高电动势的幅值， 动势的脉振程度和提高电动势的幅值，则在转子 铁心表面均匀放置着按一定规律联接的许多线圈， 铁心表面均匀放置着按一定规律联接的许多线圈， 电刷间的电动势脉振减小，数值提高， 电刷间的电动势脉振减小，数值提高，变成实用 的直流电机。 的直流电机。 以上分析表明，线圈在转动过程中交替地处于N 以上分析表明，线圈在转动过程中交替地处于 极或S极下 所以线圈边中的感应电动势是交变的。 极下， 极或 极下，所以线圈边中的感应电动势是交变的。 但磁极与电刷的位置固定， 但磁极与电刷的位置固定，固定极下的线圈边接 固定电刷，尽管线圈内部的电动势是交变的， 固定电刷，尽管线圈内部的电动势是交变的，在 电刷上得到的电动势方向却是不变的。 电刷上得到的电动势方向却是不变的。
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2.1.2直流电动机的工作原理
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将图2—1中的原动机去掉，在A、B电刷上改接入直流电 中的原动机去掉， 将图 中的原动机去掉 、 电刷上改接入直流电 所示， 源U，使电机模型运行于电动机状态，图2—4所示，可以 ，使电机模型运行于电动机状态， 所示 把电能变为机械能输出。 把电能变为机械能输出。 从图中看出。接入直流电源后，电刷A为正极性 电刷B 为正极性， 从图中看出。接入直流电源后，电刷 为正极性，电刷 为负极性，电流从正电刷A经线圈边 经线圈边ab、 到负电刷 到负电刷B流 为负极性，电流从正电刷 经线圈边 、cd到负电刷 流 根据左手定则的电磁力定律， 出。根据左手定则的电磁力定律，在载流导体与磁力线相 互垂直的情况下，线圈一个有效边受的电磁力ƒ的大小为 的大小为： 互垂直的情况下，线圈一个有效边受的电磁力 的大小为： ƒ＝BXLi ＝ （2-2） ） 导体所在处磁通密度； 式中 BX—导体所在处磁通密度； 导体所在处磁通密度 L—导体有效长度； 导体有效长度； 导体有效长度 i—导体中的电流强度。 导体中的电流强度。 导体中的电流强度
第2章 直流电机的工作原理和主要结构
张 方 谢胜利
主 编 副主编
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第2章 直流电机的工作原理和主要结构
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本章介绍了直流电机的工作原理、基本结构。直流电 机的磁场及其能量变换的问题。讨论了电枢反应，感 应电动势、电磁转矩及电机可逆行运行原理。 分析了直流电机的工作特性、机械特性、换向问题。 直流电机结构复杂、成本高、制造较异步电动机困 难，运行和维护也较难。直流电机的高速性能较好， 起动转矩大，过载能力也较强，广泛用于金属切削机 床、轧钢机、电力机车、起重机、造纸机及纺织机中， 此外也用在一些特殊场所，如化工电解、电镀、及大 型变流发电机的励磁电源等。 直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、 录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表动玩 具等。
2.1直流电机的工作原理 直流电机的工作原理
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换向片又与两个空间静止不动 的电刷A、B相联接。线圈固定在 的电刷 、 相联接。 相联接 与轴同时转动的铁心上， 与轴同时转动的铁心上，通常称为 转子或叫电枢， 转子或叫电枢，而线圈与外电路联 就是通过换向片和电刷实现的。 接，就是通过换向片和电刷实现的。 电刷和磁极在空间静止不动， 电刷和磁极在空间静止不动，又称 为电机定子。 为电机定子。定、转子之间有空气 称为气隙。 隙，称为气隙。