电机原理及电力拖动

2
2)
k
Lk （或 I I W）
磁路欧姆定律：

F
R
1
N
k
前言
3) 电磁感应定律：
d e w dt
e BLV
e方向：由右手螺旋定则确定
i
4)
回路定律：
e U
R
u
5) 电磁力定律：
eL
L
f BLi
f 的方向由左手定则确定
上述基本定律要求熟练掌握，准备使用。
电阻(电抗)：R
电压：U I R
在电路中：
在磁路中：
磁势：F W I
F Um 磁通： Rm F 1 L 磁阻：Rm A 磁压：U m Rm
U I
前言
1) 全电流定律
1
H d L I
H
1 N
当电流方向与积分路径方向符合右手螺旋定则时，其电流为正， 否则为负。
第一节 直流电机用途、结构及原 理
二．直流电动机的工作原理
直流电动机与直流发电机的结构一样，但是直流电动机是将直流 电能转换为机械能的装置，故要加直流电源。 载流导体在磁场中产生电磁力： f BLi 电磁力的方向由左手定则确定：
第一节 直流电机用途、结构及原 理
① 当电枢线圈位于图ａ时，其等效为下图
前言
三．电机分类 变压器 旋转电机 交流电机 控制电机
直流电机
同步电机
电机
异步电机
变压器：把一种电压等级的电能变为另一种电压等 级的电能。 发电机：把机械能转换为电能。 电动机：把电能转换为机械能。
前言
四．学习方法
明确物理概念，注重工作原理和运行特性，通过习题和实验 消化所学内容。
第一章 直流电机原理
Ｎ
f ab
n
i e
f cd
Ｓ
第一节 直流电机用途、结构及原 理
②当电枢线圈位于图b时，其等效为下图
Ｎ
f cd
n
i e
f ab
Ｓ
第一节 直流电机用途、结构及原 理
工作过程： 在电刷端加直流U i 载流导体产生电磁力f BLi 形成力矩M n 带动生产机械做功。 直流电动机中换向器的作用：将电刷端的直流转换为绕组中的交变 电流（保证其转矩方向不变）。 总结：
合成节距y：相邻两串联元件间的距离: y y1 y2 在单迭绕组中y 1。 换向节距yk：同一元件的首尾端在换向器的跨距。
yk （单位不同） y
第三节 直流电机的电枢绕组
二.单迭绕组的绕制
例如：一台直流电机，极数2P=4 Z=S=K=16，试绕制一单迭绕组
计算节矩：y1
Z 16 4 整距绕组 2P 4 在单迭绕组中 y yk 1 y2 y1 y 3
图中： 导体中电流流进 导体中电流流出
电枢磁场的方向由右手定则确定
第四节 直流电机的电枢反应
图中：0点—主极轴线与电枢表面交点
线负荷A 单位长度的安匝数（安培导体数） Ni A a （1-12） D 式中：N 总导体数，ia 导体电流（即支路电流） D 电枢直径 电枢表示任一点到 O点的电枢磁势为： Fax A x (1-13)
一.基本概念
1）极轴线：平分主极成左右两部分的直线。
N S N S
极轴线Fra Baidu bibliotek
几何中性线
第三节 直流电机的电枢绕组
2）几何中性线 相邻两主极的几何分界线。 3）极距
相邻两主极在电枢圆周的长度，用 表，单位为槽:

4）绕组节距
总槽数Z 主极极数2P
( P 磁极对数）
y1 y2
yK
第三节 直流电机的电枢绕组
式中：B v 每极平均磁密 极距（相邻主极间的距离）
第三节 直流电机的电枢绕组
绕组是连接到换向片上的线圈总称。 绕组分类： 单迭绕组： 后匝端 有效边
前匝端
单匝单迭元件
多匝单迭元件
第三节 直流电机的电枢绕组
单波绕组：
还有复迭、复波绕组，主要对于单迭绕组。
第三节 直流电机的电枢绕组
曲线1：气隙磁化曲线因气隙不存在 饱和，故为直线（曲线2的切 线）。 曲线2：刚开始铁芯未饱和，呈直线 关系，随后因铁芯趋于饱和， 呈曲线关系。
饱和系数：K m
ac 表征电机饱和程度。 ab 一般K m取1.11 ~ 1.35
第二节 直流电机的空载磁势
二.气隙磁密沿电枢表面分布波形
设电枢表面是光滑的（略去齿槽影响）； 同时认为全部磁势降在气隙中（即各处 磁势相等）； 气隙磁势磁密的分布波形由下式确定： B N f I f H （1-6）
第一节 直流电机用途、结构及原 理
换向器的作用： 在直流发电机中，换向器将绕组中的交变电势变为电刷间的直流 电势（整流作用）。 电势波形分析： 设导体有效长度为L，速度为V 恒速，由e BLV 可知，e的波形 由磁密B确定。B在气隙空间分布波形为B f ( )、e f ( wt )。
换向器的作用：
在直流发电机中，将绕组中交流转为电刷间的直流 在直流电动机中，将电刷间直流转为绕组中的交流
第一节 直流电机用途、结构及原 理
四.直流电机的额定值
额定值：指电机在额定运行状态下各物理的数值
主要有： 1 ）额定容量Pe ( w, kw) 输出功率 发电机：PN U N I N ,出线端输出功率 电动机：PN U N I N N 轴上输出功率 2）额定电压：U N (V ) 3）额定电流：I N ( A) 4）额定转速：nN (r / min) 5）额定转矩：M N ( N m, kg m) 6）额定效率： N 直流电机的主要系列：见教材P7页。
电机原理及电力拖动
主讲：王击
中南大学信息学院自动化专业
前言
一. 电机及拖动概况 本课程由两部分组成： 第一部分：《电机学》 第二部分：《电力拖动基础》 《电机原理及拖动》是自动化专业的一门重要专业基础课（或技术基础 课），是《自动控制系统》、《工业企业供电》、《电气控制技术》等课 程的基础。
前言
设此发电机在原动机拖动下，以ｎ逆时钟旋转。
第一节 直流电机用途、结构及原 理
① 当转子（电枢）旋转在图ａ位置时：
导体电势：eab
ecd
A电刷“” B电刷“”
② 当转子（电枢）旋转在图ｂ位置时：
导体电势：eab
由上述分析可见：
ecd
A电刷“” B电刷“”
1 导体中的电势是交变的 2 电刷两端的电势eAB极性是恒定的（直流） 为什么eAB是直流电势 是电刷与换向器的共同作用的结果
第一节距y1：一个元件两有效边的距离。 Z y1 1 2P y1 整距元件 y1 长距元件 y1 短距元件
通常使用短距元件，因为可节省铜导线，同时有利于改善电 势波形。
第二节距y2：第一个元件的下层边与紧接着串联的第二元件上 层边之间的距离。
第三节 直流电机的电枢绕组
1.直流发电机： 1 ）机械能转换为电能 2）换向器将绕组中的交流变为电刷间的直流 3）发电机中的电势为电势源（e, i同方向） 4）发电机中的转矩为制动力矩，与n( M 外 )相反
第一节 直流电机用途、结构及原 理
２．直流电动机： 1) 将电能转换为机械能 2) 换向器将外加直流转换为绕组中的交流 3) 电动机中的电势为反电势与电流方向相反 4) 电动机中的转矩为拖动力矩，与n同方向
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 直流电机用途、结构及原理 直流电机的空载磁势 直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢反应 直流电机的电枢电势与电磁转矩 直流发电机 直流电动机 直流电机换向简介
第一节 直流电机用途、结构及原 理
一.直流发电机的工作特性
发电机是将机械能转换为电能，故必须原动机拖动发电机。
对于各段磁压降可写成： B L H L L Rm s
(1-4)
式中： 磁导、Rm 磁阻、S 导磁体截面积
第二节 直流电机的空载磁势
闭合回路磁势方程：
R N
m
f f
i
（1-5）
由(1-5)式可见，磁通 是励磁电流i f 的函数，即 f ( I f )
第二节 直流电机的空载磁势
主磁通：交链电枢绕组的磁通（参与能量转换） 其路径：气隙 电枢 气隙 相邻磁极
磁轭 气隙
漏磁通：只交链励磁绕组的磁通（不参与能量转换） 主磁路的磁势分析： 设主磁路径如下图所示： 定子磁轭 磁极 气隙 电枢齿 电枢磁轭
第二节 直流电机的空载磁势
第一节 直流电机用途、结构及原 理
磁极铁芯：用1~1.5mm低碳钢板冲压而成。 （小型机可用整块铸钢制成） 激磁绕组：用绝缘导线绕制而成。
+
Uf
If
-
s1
N2
N1
s2
磁极N、S相间出现！！
第一节 直流电机用途、结构及原 理
2.换向极：用来改善换向，减少电刷与换向器间的火花，装于两主磁 极间（可以是主极数的一半）换向极绕组匝数少，线径粗。 3.机壳： 固定主磁极，换向极，端盖等，同时又是磁路。用铸钢或 厚钢板制成。 4.电刷装置：接通外电路和电枢电路。
主要内容： 1) 电机的基本理论及应用（能量转换） 2) 电机及拖动系统的静、动态特性 3) 拖动系统的速度调节及其特性 4) 电机容量选择 主要特点： 电机是一种电磁结构设备，运行中，既遵循磁路定律，又遵循电路 定律，在拖动系统中满足能量守恒定律。
前言
二．基本电磁定律
d 电势：e w dt E U 电流：I R
第一节 直流电机用途、结构及原 理
三．直流电机的结构
定子部分
由两大部分组成
转子（电枢）部分
（一）定子结构
定子作用：产生磁场，支撑电机及配件。
第一节 直流电机用途、结构及原 理
1.主磁极：产生磁场（成对出现）,可以是永久磁场,也可以在极身上 绕绕组，通入直流电产生磁场。
＋
if
主磁极
Ｓ
换向磁极
－
Ｎ
电机外壳
根据磁路第二定律： 总磁势：Fo HL
2 气隙磁势 2 电枢齿磁势 电枢磁轭磁势 2 磁极磁势 定子磁轭磁势 2 H 2 H t Lt H rt Lrt 2 H p L p H st Lst 2 N f I f (两极总磁势） (1-3) 式中：N f 励磁绕组匝数，I f 励磁电流
第二节 直流电机的空载磁势
空载磁场：指电机无负载时，由主极励磁绕组通入直流所产生磁场。 一.直流电机磁路、磁通和磁化曲线
一个主极所产生的磁势为：
F N f I f ( N f 匝数，I f 励磁电流）
(占80%以上) 主磁通：
由F所产生的磁通 直流电机空载时的磁势：
(大约20%) 漏磁通：
电刷具体放置方法： 应放在元件轴线与主极轴线重合的元件所接两换向片之间， 且电刷中心线与两换向片中心线重合（即被电刷短路的元件其瞬时 电势为0）。 电枢绕组的电路图：
第四节 直流电机的电枢反应
电枢反应： 电枢磁场对主磁极建立的气隙磁场的影响。 电枢反应 电刷不在几 有交轴电枢反应， 可分为: 何中性线时 还有直轴电枢反应 一.电刷在几何中性线时的电枢磁势和电枢磁场 电刷在几何中性线时—只有交轴电枢反应
第一节 直流电机用途、结构及原 理
（二）转子结构 转子也称为电枢。 电枢的作用：产生感应电势和电磁转矩是能量转换的枢纽。 （1）转子铁芯： 用0.35~0.5mm相互绝缘的硅钢片制成。 电枢绕组 电枢齿 电枢槽 电枢磁轭
第一节 直流电机用途、结构及原 理
（2）电枢绕组：通过电流感应电势，能量转换的重要部件，是直流电 机的主电路。用高强度绝缘漆包线绕制。 （3）换向器：由相互绝缘的换向片组成。
绕组连接顺序表：
规定：元件号、元件上层边所在槽号以及该元件首端所接换向片 均相同。 1、2、3……16 —— 表示元件上层所在槽号 1’、2 ’ 、3 ’ ……16 ’ —— 表示元件下层所在槽号
第三节 直流电机的电枢绕组
绕组元件的连接顺序：
第三节 直流电机的电枢绕组
绕组展开图：
第三节 直流电机的电枢绕组

式中： 是常数（ 是空气隙） 由（ 1 6）式可知B 与气隙长度成反比。
第二节 直流电机的空载磁势
在极轴两边气隙小且大小相差不大
B 最大，各处基本相同。
在靴处气隙显著加大，B 明显减少 B f ( )曲线是个钟形波。 每极下平均磁通 B v L （1-7）