《电机及其拖动》第一章
《电机及拖动基础》课件第1章
图1-14 直流电动机的气隙磁场分布示意图 (a) 主极磁场 ；(b) 电枢磁场；(c) 气隙磁场
1.4 直流电机的基本公式
直流电机的电枢是实现机电能量转换的核心，一台直流电 机运行时，无论是作为发电机还是作为电动机，电枢绕组中都 要因切割磁感应线而产生感应电动势，同时载流的电枢导体与 气隙磁场相互作用产生电磁转矩。
f=Bxli
(1-2)
图1-2 直流电动机的工作原理图 (a) ab边在N极下、cd边在S极下的电流方向；(b) 转子转过180°后的电流方向
例1.2 电动机拖动的生产设备常常需要作正转和反转的 运动，例如龙门刨床工作台的往复运动、电力机车的前行和倒 退等，那么图1-2所示的直流电动机怎样才能顺时针旋转呢？
3) 额定电流IN 额定电流是指额定电压和额定负载时，允许电机电刷两端 长期输出(发电机)或输入(电动机)的电流，单位为A。 对发电机，有
对电动机，有
PN=UNIN
PN=UNINηN
式中：ηN——额定效率。
4) 额定转速nN 额定转速是指电机在额定运行条件下的旋转速度，单位为 r/min。 此外，铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重 量等参数。还有一些额定值，如额定效率ηN、额定转矩TN、额 定温升τN，一般不标注在铭牌上。
定律告诉我们，在均匀磁场中，当导体切割磁感应线时，导体 中就有感应电动势产生。若磁感应线、导体及其运动方向三者 相互垂直，则导体中产生的感应电动势e的大小为
e=Bxlv
(1-1)
图 1-1 直流发电机的工作原理图 (a) ab边在N极下、cd边在S极下的电动势方向；(b) 转子转过180°后的电动势方向
2. 转子部分 1) 电枢铁芯 电枢铁芯由硅钢片叠成。为了减小涡流损耗，电枢铁芯 通常采用 0.35～0.5 mm厚且两面涂有绝缘漆的硅钢冲片叠压 而成。有时为了加强电机冷却，在电枢铁芯上冲制轴向通风孔， 在较大型电机的电枢铁芯上还设有径向通风道，用通风道将铁 芯沿轴向分成数段。整个铁芯固定在转轴上，与转轴一起旋转。 电枢铁芯及冲片形状如图1-9所示，电枢边缘的槽供安放电枢 绕组用。
电机与其拖动基础第一章磁路
旋转电机、直线电机 还有各种特殊用途、 特殊机构的电机，如：自整角机、球形电 机等
第一章 磁路
Magnetic Circuit 研究磁路的必要性：
电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置。
两个简单的物理事实：
1、变化的磁场会产生电场——由磁生电——机械能 向电能转换； 2、通电导体会在磁场中受力——电能向机械能的 转换。
绪论
• 什么是电机？
电机学中所说的电机，是指依靠电磁感应 作用而运行的电气设备，用于机械能和电 能之间的转换、不同形式电能之间的变换、 或者信号的传递与转换。
电机在国民经济中的运用
电机是完成多种能量形式转换的有效工具， 而电能又是最容易实现传输、变换的能量形
式，可以说，如果没有电机就没有现代工业，
从两个方面解释： （1）提高电机效率 （2）减小电机体积
二、磁化曲线和磁滞回线
1、起始磁化曲线
将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由 零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用B=f (H)描述的 曲线就称为起始磁化曲线。
B
B f (H)
d
b
a
uFe B H
Bu0H
H
铁磁材料的起始磁化曲线
A F e 0 .0,0 A δ 0 32 9 . 1 0 4 0 ,lF 5 e 0 .3 ,l 5 1 40
（3）计算每一段磁路的平均磁密；
B F eA F e0 0 ..0 00 0 T 0 01 T 9 9 ,B δA Φ δ30 . 2 . 1 0 0 4 0 5 T 000.99
一、简单串联磁路 [例1-2] 铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.0009 m2，
磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度δ=5×10-4m，求该磁路
电机与拖动第一章课件解析
第1章直流电机要点提示：1.直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。
2.直流电机由两大部分组成：定子和转子。
3.掌握直流电机的工作原理。
4.掌握直流电动机的工作特性：转速特性、转矩特性、效率特性5.掌握直流电机定子绕组的励磁方式有：他励、并励、串励、复励。
6.理解电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路的过程称为换向。
7.直流电机的感应电动势：电枢绕组中的感应电动势，即正负电刷之间的感应电动势。
1.1 直流电机的基本工作原理与结构电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。
按工作电源种类可分为直流电机和交流电机。
直流电机按能量转换的方向可分为直流电动机和直流发电机。
在电机发展的历史上，直流电机的发明较早，它的电源是电池，后来才出现了交流电机。
直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力，比较容易控制。
常用于调速要求较高的生产机械上，如轧钢机，矿井提升设备，大型起重机，电力机车，挖掘机械和纺织机械等；同时直流发电机可用来作为直流电机以及交流电机的励磁直流电源。
直流电机的换向问题，限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。
随着近年来电力电子技术的发展，在很多领域内，直流电机有逐步被交流电机取代的趋势。
但在某些要求调速范围大、调速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电机的应用目前仍占有较大的比重。
1.1.1 直流电机的结构任何电机都包括三大部分：定子、转子和气隙。
同一般类型电机一样，直流电动机和直流发电机在主要结构上基本相同，都由定子、转子和气隙三部分组成。
如图1.1.1所示。
直流电动机主要由定子、转子、电刷装置、换向极、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。
1.定子定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等组成，其剖面结构如图1.1.2所示其主要作用是产生主磁场和作为电机的机械支架。
1）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。
主磁极由铁心和励磁绕组两部分组成，通过螺钉固定。
电机与拖动 课件 第一章
绪论一、电机的作用电机是与电能的生产、传输、和使用有关的能量转换机械：*电能的产生是由发电机完成，发电机把其它形式的能量转换为电能；*在电能的传输过程中，为了减少输电线路的能量损耗，远距离采用高压输电，然后再降压供给用户，升压和降压都是由变压器完成；*在工矿企业及家庭等场所，人们使用电动机把电能转换成机械能。
二、电机的分类动力类：变压器旋转电机：直流电机（发电机、电动机）交流电机（异步机、同步机）控制类：伺服电动机、测速发电机、旋转变压器、自整角机、步进电动机三、基本的电磁定律1．磁路描述磁场的两个基本的物理量：磁感应强度B、磁场强度H磁感应强度（也叫磁通密度）为B=Φ/A磁场强度H=B/μ=Φ/μA其中：μ称为导磁系数（磁导率）（H/M）（亨/米）BμμH铁磁材料的磁化曲线2．全电流定律（安培环路定律）揭示了电产生磁的本质，阐明电流与其磁场的大小及方向的关系。
全电流定律：在一磁场内，磁场强度H 沿任一回路的线积分等于这回路所匝链的总电流（磁场强度的方向：切线方向）∑⎰==NI i L d H L当H 、B 为常数时，沿铁心有效长度L 作积分时，上式可写成：⎰==NI HL HdL称：F=NI 为作用在整个磁路上的磁动势。
由F=HL=（Φ/μA ）L=（L/μA ）Φ=R MΦ得：Φ=F/RM 此式称为磁路欧姆定律其中：R M 为整个磁路的总磁阻3．电磁感应定律电磁感应定律（楞次定律）：当线圈中匝链的磁通变化时，在线圈中将感生电动势，这一现象叫电磁感应。
感应（生）电动势的一般表达式：d we Φ-=e=BLv4．电磁力定律在大小和方向恒定的磁场中导体所受到的电磁力为F（F是由电流和磁场的相互作用产生的，故称电磁力）F=BLi第一章直流电机的原理本章要求：掌握直流发电机和直流电动机的工作原理。
了解直流电机的结构、电枢绕组。
熟练掌握并能正确使用直流电机的额定值。
熟练掌握直流电机的励磁方式。
搞清直流电机空载磁场，正确理解磁化曲线。
电机与拖动第1章绪论
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绪论
发电、输电、配电、用电系统
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大型车床
绪论
电葫芦
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11
磁悬浮列车
绪论
2019/9/8
12
发现号航天飞机
绪论
精密数控机床
舞 蹈 机 器 人
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13
绪论
本课程在自动化专业课程体系中的地位
控制理论 系统建模 系统辨识 自适应控制 最优控制
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绪论
4
明确研 究对象
如何学习《电机与拖动》？ 常用电机和变压器
电机拖动系统
了解课 程特点
电、磁、热、力等物理定律同时作用 内部电磁关系颇为复杂
抓住共性，举一反三； 分清主次，具体条件具体分析；
积极思维，刻苦钻研；
勤复习，多动手。
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绪论
主要参考书
(1)许建国 电机与拖动基础 高等教育出版社，2009年 (2)李发海、王岩 电机与拖动基础 清华大学出版社，2019年
常用的交直流电机和变压器的基本结构、工作原理和运 行特性（掌握）；
直流电动机的起动、制动及调速方法（掌握） ；
交流异步电动机的机械特性（掌握） ；
交流电动机的起动、制动规律和调速方法（掌握） ；
选择电动机容量的一般方法（了解） ；
通过实验，掌握电机的基本实验方法和电机使用的基本 技能。
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绪论
预祝大家取得优异的成绩！
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电力拖动系统
绪论
直流电力拖动
具有良好的起、制 动性能，平滑调速
电机与拖动1章
1.1.2 磁场的几个基本物理量
1.1.2.1 磁感应强度
磁感应强度B 磁感应强度B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。 磁感应强度B的方向: 磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。 磁感应强度B的大小: 磁感应强度B的大小:
1.7常用的铁磁材料及其特性
导电材料：铜线。构成电路。 ① 导电材料：铜线。构成电路。 导磁材料：硅钢片。构成磁路。 ② 导磁材料：硅钢片。构成磁路。 结构材料：铸铁、铸钢和钢板。承受力。 ③ 结构材料：铸铁、铸钢和钢板。承受力。 绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。 ④ 绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。 用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电 用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。 机常用绝缘材料按性能划分为A、 、 、 、 机常用绝缘材料按性能划分为 、 E、B、F、 H、C等6个等级。如B级绝缘材料可在 个等级。 级绝缘材料可在130℃下 、 等 个等级 级绝缘材料可在 ℃ 长期使用，超过130℃则很快老 化 ，但 H级绝 长期使用 ，超过 ℃ 级绝 缘材料允许在180℃下长期使用。 缘材料允许在 ℃下长期使用。
IN 在均匀磁场中 Hl = IN 或 H = l
安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。 安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。 电流与磁场强度联系起来
1.3磁路基本定律
磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流， 磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁 通行经的路径。 通行经的路径。 磁动势 F = Ni 磁 阻 Rm= l /( A) l为磁路的长度 为磁路的长度 A为铁心截面积 为铁心截面积 磁 导 Λm = 1 / Rm 磁路欧姆定律： 磁路欧姆定律： Φ = F/Rm 铁磁材料的磁阻随饱和程度的提高而增加
电机与拖动 第4版 第1章 电机学基础知识
磁动势F =Ni（单位安匝At）
磁阻Rm = l/(μA) （单位每亨H-1）
第一章 电机学基础知识
12/99
1.2 电机的基本原理
2) 磁路及基本定律
基尔霍夫第一定律
基尔霍夫第二定律
l0A0μ0ϕ0 i N
l1A1μ1ϕ1 ϕ1
ϕ2 l2A2μ2ϕ2
l3A3μ3ϕ3 ϕ3
l6A6μ6ϕ6
l5A5μ5ϕ5 l4A4μ4ϕ4
第一章 电机学基础知识
目录
1.1 电机的基本功能与主要类型 1.2 电机的基本原理 1.3 电机的制造材料
第一章 电机学基础知识
2/99
1.1 电机的基本功能
电机（包括变压器和旋转电机 ）是实现能量转换和 信号传递的电磁装置。
电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。
电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置。
6/99
1.2 电机的基本原理
1) 磁场基本概念
同性相斥、异性相吸。 铁磁材料性质。
第一章 电机学基础知识
7/99
1.2 电机的基本原理
1) 磁场基本概念
磁通量Φ（单位：韦伯 Wb ） 垂直穿过某截面的磁感线总和。
磁通连续性定理—通过任意封闭曲面的磁通量等于零。
第一章 电机学基础知识
8/99
1.2 电机的基本原理
电机泛指所有实施电能特性变换的机械装置。电气工 程学科关注的电机，研究限于依据磁场耦合实现机电 能量转换和信号传递与转换的装置（电磁式电机）。
the devices used in the interconversion of electric and mechanical energy. Emphasis is placed on electromagnetic rotating machinery, by means of which the bulk of this energy conversion takes place. However, the techniques developed are generally applicable to a wide range of additional devices including linear machines, actuators, and sensors.
电机及拖动基础 第5版 第一章 直流电机
线圈感应电动势——交变 换向整流——电刷间输出直流电动势
直流发电机的工作原理模型
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端 的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的 变化？
解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线 圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的 滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所 以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。
作用 静止部分:定子
电磁方面：产生磁场和构成磁路。 机械方面：整个电机的支撑。
中间有气隙 作用
旋转部分:转子
主要部件：磁极、机座、换向 极、电刷、轴承、端盖等
感应电动势和产生电磁转矩， 从而实现能量的转换
主要部件：电枢铁心、电枢绕 组、换向器、轴承和风扇等
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
1、定子部分
电枢绕组：电枢线 圈按一定规律连接 形成。其并联支路 对数用a表示。 单叠绕组：a=p 单波绕组：a=1
单波、单叠绕组联接示意图
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
换向器
作用：实现电刷内外 交直流的转换。
由许多燕尾状的铜片间 隔绝缘云母片而成
材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨 性能好的紫铜或铜合金制成。
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
直流电动机的外形图（自带鼓风机的Z4系列）
图中上 为鼓风 机，下 为直流 电动机
《电机及拖动基础》(4版) 直流电机
二、直流电机的基本结构
1-端盖 2-风扇 3-机座 4-电枢 5-主磁极 6-电刷架 7-换向器 8-接线板 9-接线盒
直流电动机的内部结构图
《电机及拖动基础》第一章 直流电机
换向元件中出现的由 自感与互感作用所引起 的感应电动势，称为电 抗电动势。
2020年12月11日10时21分
电机及拖动基础
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2、电枢反应电动势
3. 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。
电机及拖动基础
第一节、直流电（动）机工作原理
电刷
+
N I
U I
–
S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
电机及拖动基础
电刷
+ U
F
N IF I
–
S
换向片
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转
动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。
电刷压在换向片上。
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
两两相反，因此在整个闭合回路内互相抵销，总电动势
为零，不会产生环流。
2020年12月11日10时21分
电机及拖动基础
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3.放置电刷 ：为了引出最大电动势，必须在换向片1和2、 5和6、9和10、13和14之间，也就是在磁极轴线位置，放置 4组电刷A1、B1、A2、B2，因为这时A、B电刷之间所包含的 元件，其电动势的方向都是相同的
电机及拖动基础
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2、电枢绕组——由许多
按一定规律连接的线圈组成。
3、换向器——由许多
换向片组成，换向片之间 用云母绝缘。
1—槽楔
2—线圈绝缘
3—导体
4—层间绝缘
5—槽绝缘
电机及拖动基础知识要点复习
电机及拖动基础知识要点复习电机复提纲第一章：概念：主磁通、漏磁通、磁滞损耗、涡流损耗。
磁路的基本定律：安培环路定律：XXX。
磁路的欧姆定律：作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻Rm。
磁路与电路的类比：与电路中的欧姆定律在形式上十分相似。
E=IR。
磁路的基尔霍夫定律：1）磁路的基尔霍夫电流定律：穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零。
2）磁路的基尔霍夫电压定律：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位差的代数和。
第二节常用铁磁材料及其特性铁磁材料：1、软磁材料：磁滞回线较窄。
剩磁和矫顽力都小的材料。
软磁材料磁导率较高，可用来制造电机、变压器的铁心。
2、硬磁材料：磁滞回线较宽。
剩磁和矫顽力都大的铁磁材料称为硬磁材料，可用来制成永久磁铁。
铁心损耗：1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩擦而消耗的能量。
2、涡流损耗——铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗。
3、铁心损耗——磁滞损耗和涡流损耗之和。
第二章：一、换向：尽管电枢在转动，但处于同一磁极下的线圈边中电流方向应始终不变，即进行所谓的“换向”。
二、直流电机的应用：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。
三、直流电机的主要结构：定子的主要作用是产生磁场，转子又称为“电枢”，作用是产生电磁转矩和感应电动势。
要实现机电能量转换，电路和磁路之间必须在相对运动，所以旋转电机必须具备静止的和转动的两大部分，且静止和转动部分之间要有一定的间隙（称为：气隙）。
四、直流电机的铭牌数据：直流电机的额定值有：1、额定功率PN(kW)；2、额定电压UN(V)；3、额定电流IN(A)；4、额定转速nN(r/min)；5、额定励磁电压UfN(V)。
五、直流电机电枢绕组的基本形式：直流电机电枢绕组的基本形式有两种：一种叫单叠绕组，另一种叫单波绕组。
《电机与拖动》第1章 直流电机的结构和工作原理
直 流 电 机 的 组 成
作
用：产生感应电动势和电磁转 矩，实现能量的转换
12
1.2
直流电机的结构和工作原理
图1-3 直流电机的结构图 a）直流电机的结构 b）轴端剖面图 1-风扇 2-机座 3-电枢 4-主磁极 5-刷架 6-换向器 7-接线板 8-出线盒 9-换向极 10-端盖
13
1.2
1、定子
30
1.2
3．励磁方式
直流电机的结构和工作原理
励磁绕组获得励磁电流的方式称为励磁方式，如图1-14所示。
图1-14 直流电机的励磁方式 a）他励 b）并励 c）串励 d）复励
31
1.2
直流电机的结构和工作原理
三、直流电机的工作原理
1．直流发电机的基本工作原理
当原动机拖着电枢以一定的转速在磁场中逆时针旋转时，根据 电磁感应原理，线圈边ab和cd以线速度v切割磁力线产生感应电动势， 其方向用右手定则确定。在图中所示的位置，线圈的边ab处于N极下， 产生的电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势 从d指向c。从整个线圈来看，电动势的方向为d c b a。反之， 当ab边转到S极下，边cd转到N极下时，每个边的感应电动势
图1-8 线圈在槽内的放置示意图 1-上层有效边 2、5-端接部分 3-下层有 效边 4-线圈尾端 6-线圈首端
20
1.2
直流电机的结构和工作原理
绕组联接如图1-9所示。
y1
--极距，就是一个磁极在电枢表面的空间距离，其计算是： --第一节距
yk
--换向器节距
y2
Z 2p
--第二节距
y
--合成节距
冒烟（是否冒烟）