电机与电力拖动基础 (全)

1.4 直流电机的电枢反应
电枢反应:电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响。 电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，它还受 电刷位置的影响。 一、电枢磁动势与电枢磁场 二极直流电机电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布图。 几点说明： N 1.因电刷接触的换向片与几何中 性线处的导体相连,故把电刷画在几 何中性线处的导体上. ⊙⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 2.绕组只画一层,都在电枢表面上. ⊙ ⊙ S N 3.电流方向以电刷为分界线. ⊕ ⊕ 4.电枢磁场以电刷为极轴线,电刷 ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ 处磁势最强,主磁极的极轴线处 电枢磁势为零.电枢磁势与主磁极 磁势正交,称交轴电枢磁势 .
N
n
S
⊙ ⊙⊙ ⊕ ⊕ ⊕ ⊙⊕ xx xx Fax
0 x Bax x n


二、电刷位于几何中性线上时的电枢反应 此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这 电枢反应为交轴电枢反应。 n n n 电机合成磁场Bδx= B0x+Bax m 正方向规定：磁力线进入转子 ⊙ ⊙S N 为负,出来为正. 所以,主磁极磁通密度在N极 ⊙ ⊙⊙⊙ ⊙⊙⊙ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ 下为负,在S极下为正. 物 几 发电机 电动机 可知:磁场波形发生了畸变. 理 何 中 中 (1)发电机:前极尖增磁,后极 B0x 线 线 尖去磁. (2)电动机:前极尖去磁,后极 尖增磁. 如不考虑磁路饱和,则增去磁量相等 Bax 总磁通量不变. n mn (3)物理中线移到m-m n Bδx
(2)换向极:它位于相邻两主磁极之间,构造与主磁极相似,其 作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花. (3)机座:一般把厚钢板弯成圆筒形,然后再焊成机座,也可采 用铸钢件.其作用一方面是作为各磁极间的磁路,故 又称为磁轭,另一方面机座作为电机的机械支架,主 磁极和换向极就固定在磁轭上. (4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以 保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可 以自由旋转. (5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向.
(3)换向器:其作用是使电枢绕组的绕组元件中的电流 进行 方向的交换,起着电流换向作用.电枢绕组元件 的引线就焊在换向片上. 3.气隙 在极掌和电枢之间有一空气隙.气隙是电机的重要 组成部分,它的大小和形状对电机 性能有很大的影响 . 4.其他部分 (1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承. (2).通风装置:作用是冷却电机.
.
.
.
.
.
号码上打“.”的,表示被电刷短路的元件 .当元件的两元件边 的距离恰是一个极距时,由于电刷放在极轴线处的换向片上, 故被电刷短接的元件的两个元件边正处在两相邻 几何中线 上.
4.绕组电路分析: 元件2、3、4电势方向相同组成一个支路，元件6、7、8电势方 向相同组成一个支路，但方向与2、3、4组成支路电势相反。 元件10、11、12与2、3、4支路电势方向相同故将电刷A1、A2 接在一起；14、15、16与6、7、8支路电势方向相同故将B1、B2 接在一起，引出正、负两个电极。 并联支路图: ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒⌒ B1 每个主磁 2 3 4 A1 ⌒ ⌒ _ 极下的元件 5 A2 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 8 7 6 串联成一条 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 1 _ 9 ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 支路,共有四 ++ 10 11 12 ⌒ ⌒ 13 条并联支路 B2 ⌒⌒ ⌒ ⌒ ⌒ ⌒ 16 15 14 _ a=b=p ,输出电 + 流Ia=2aia ,a为并联 支路数、ia为去路 电流；p为主磁极 对数；b为电刷对数。
3.单迭绕组展开图
τ n τ τ τ
1 2 3
4
5
6
7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
N1
S1
N2
S2
15
16 1 2 3 4_ 5 6 7 + A1 B1
8
Leabharlann Baidu
9 10 11 12 13 14 _ + A2 B2
+
_
图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均 用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个 主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片 宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层—— 上层边；而元件的 第二元件边总是嵌在槽的下层—— 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1
电机及拖动基础
电路
由金属导线和电气以及电子部件组成的导电回路称为电路。 电路导通叫做通路，只有通路才有电流通过。 电路在某一处位置断开，叫做断路或开路。 电源之间没有负载而是直接接通叫做短路。短路是绝对不允 许的，这样会导致用电器及电源的损坏。
自锁电路
目
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
1
2
0
If
二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布 气隙磁密的概念： 是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁 通。 因而气隙磁密实际上是指电枢表面的磁通密度。 气隙磁密=主磁极作用产生部分+电枢磁势作用部分 主磁极磁势单独作用（电枢电流为零时）： 气隙在极掌下大致 是均匀的。但在极 δ 尖以外时，主磁通所 经气隙加大，磁密减 小，并在两主磁极中 Bδ 间的几何中线上下降 τ 为零。
1.3 直流电机的电枢绕组
一、概述 电机的电枢绕组是电机的主要组成部件。 电机必须通过电枢绕组与气隙磁场相互作用才能实 现 能量转换。 绕组类型：（1）单迭绕组；（2）复迭绕组；（3） 单 波绕组；（4）复波绕组；（5）混合绕 组。 其中，单迭和单波绕组是最基本的直流电枢绕组，是 了解其他绕组的基础。 二、单迭绕组 1 有关技术名词 （1）极轴线：它是将主磁极平分为左右两部分的直
主磁通Φ所经磁路:两个气隙、两个电枢齿、一个电枢轭、 两个主磁极铁心和一个 主磁极轭等五段。 由磁路中的欧姆定律： wf If = ΣФRm wf —— 一个主磁极上激磁绕组的匝数； If —— 激磁绕组中的激磁电流； Φ Rm —— 该段的磁组； Ф—— 磁通 量
说明:当I较小时磁路的磁阻为气隙 磁阻且为常数,故If与Φ是线性的 If较大时铁心饱和,磁阻加大Φ增 加变慢If与Φ为非线性关系. 电机的饱和程度对电机的性能有很 大的影响.
2.转动部分
(1)电枢铁心:电枢铁心由0.5毫米厚且冲有齿和槽的硅钢 片迭成.铁心钢片沿轴向迭装,以降低电枢铁 心在磁场中旋转时所产生的磁滞和涡流损 耗,从而提高电机的效率.电枢铁心一方面作 为电机磁路的一部分,另一方面便于将电枢 绕组安装在电枢铁心的槽内,起着固定电枢 绕组的作用. (2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.
1.2 直流电机的空载磁场
发电机:由主磁极产生的气隙磁通与电枢绕组切割而产生电势.
电动机:电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩. 分析电机磁场是分析电机运行状态的必要步骤. 空载磁场:电枢无电流时的磁场.它是电机中最基本的 磁场. 一、电机的磁化曲线 主磁通(通过气隙进入电枢) 激磁磁势所产生的磁通 漏磁通(不经过电枢) 漏磁通不能在电枢中产生电势也不产生电磁转矩,但它 存 在却增加了磁极和磁轭的饱和程度. 主磁通是实现机电能量转换所必需的.
录
直流电机原理 电力拖动系统的动力学基础 直流电动机的电力拖动 变压器 三相异步电动机原理 三相异步电动机的电力拖动 同步电动机 控制电机 电力拖动系统中电动机的选择
本课程的性质、任务及学习方法 1、性质：在工业电气自动化专业中，《电机原 理及拖动》是一门十分重要的专业基础课或称 技术基础课。 2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使 用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析 各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设 计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还 要有一定深度的了解。
三、直流电机的基本工作原理 1.直流发电机的基本工作原理
为了说明方便,作下列规定: (1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极 下的 导体称为S导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入 纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来 时用 表示. S S
n
a
n
b
b2
（2）极距：它是相邻两主磁极极轴线之间的距离，在相 邻主磁极之间，与上述距离大小相等的距离，也叫极距。 N 极轴线 N
N
N .
n
S
S
n τ 极距
（3）几何中线：是在相邻两 极轴线之间并且与这两极 轴线等距离的直线，两相邻主磁极以几何中线为轴作位 置上的对称分布。以n—n表示。
2.单迭绕组元件 单迭绕组由迭绕组元件按一定规律排列联接而成.绕组 元件实际上是一个线圈,可以是多匝,也可以的单匝的. 绕组元件结构原理: N S a1b1及a2b2部分称为元件边, 用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2 将元件边联结起来,使两元件 a1 m V a2 边中电势在元件中迭加. 端线c1d1及c2d2 称为引线,d1为 n b1 b2 元件的首端,d2为末端.元件 c1 的首端和末端分别焊接在 d1 d2 不同的换向上. a1b1称为第一元件边,右边a2b2称为第二元件边.
b N
b1
b2
N
a
b1
基本原理: 由于导体切割了磁力线,因而在导体内将产生 感应电动势.根据右手定则,N导体中电势方向为 ;而S 导体中电势方向为 ;即二者方向相反. N导体和S导体在交换(a和b位置),但是,b 1和b2极 性是恒定的,即b1恒为正,b2恒为负,故在电刷两端输出 脉动的直流电压. 综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过 换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒 为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.
⊕
⊕
把电枢圆周从电刷处切开展成 直线并以主磁极轴线与电枢表面 的交点为空间坐标的起点,这点的 电枢磁动势为零. 电枢磁动势沿空间的分布: 电枢线负荷--- 电枢圆周表面单位 长度上的安培导体数. N ia A= π D 应用全电流定律,有ΣHl=2Ax 认为总磁势全部降在两段气隙上 2Fax=2Ax 即 Fax=Ax 磁密 Bax=μ0Hax=µ0Fax /δ
3、学习方法：要注意它既有基础理论的学习，又有结合工程 实际综合应用的性质。要逐渐地培养学员的工程观点，掌握工程 问题的处理方法。
第一章 直流电机原理 1.1 直流电机的用途、结构及工作原理
一、直流电机的用途
1.直流电动机的用途:在工业生产中,利用电动机的 轴上转矩拖动生产机械,对产品进行加工. 2.直流发电机的用途:作为电源设备 二、直流电机的结构 1.静止部分 (1)主磁极:由极身和极掌组成,固定在磁轭 (机座)上.在磁极上套入激磁绕 组(线圈).主磁极总是偶数,且N 极和S极相间出现.极掌对激磁 磁轭 绕组起支撑作用,且使磁通在气 线圈 极身 隙中有较好的分布波形. 极掌
e 0 t
2.直流电动机的基本工作原理
n
S a
b N
a、b导体中电流方向如左所示 ，由左手定则可知S导体和N导 体受力均为逆时针方向,因而使 电枢逆时针方向旋转.
通过换向器的作用，使与 电源负极相接的电刷仅能 接通S导体，故S导体中的 电流方向恒为流出纸面， 而与电源正极相接电刷仅 能接通N导体，电流流入 纸面。故电机恒逆转。