电机与电机控制教材

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1、电机与电气控制 电子工业出版社 电机与电气控制 第1篇 直流电机及拖动 第1章 直流电机原理 第2章 直流电动机 第3章 直流电动机的启动、调速和制动 电机与电气控制 第2篇 变 压 器 第4章 单相变压器 第5章 三相变压器 第6章 其他用途的变压器 电机与电气控制 电机与电气控制 第3篇 三相异步电动机及拖动 第7章 三相异步电动机 第8章 三相异步电动机的电力拖动 电机与电气控制 第4篇 其他用途的电动机 第9章 单相异步电动机 第10章 同步电动机 第11章 控制电机 电机与电气控制 第5篇 电气控制技术 第12章 常用低压电器 第13章 电气控制的基本线路 第14章 机床电气控制线路

2、 第15章 可编程序控制器（PLC） 电机与电气控制 第1章 直流电机原理 内容提要: v 本章主要讲述直流电动机的基本工作原理；直 流电动机的结构以及各部件的作用，重点介绍 能量转换的核心部件电枢绕组不同形式的 连接规律和特点。 v 感应电势和电磁转矩的计算。 v 直流电机的磁场以及改善换向的方法。 电机与电气控制 1.1 直流电机基本工作原理 1.1.1 直流电机的模型结构 图1.1 直流发电机工作原理 电机与电气控制 1.1 直流电机基本工作原理 1.1.2 直流发电机工作原理 v 1感应电势的产生 v 2电势的波形 电机与电气控制 1.1 直流电机基本工作原理 图1.2 线圈电势的波形

3、 图1.3 电刷两端的电势波形 电机与电气控制 1.1 直流电机基本工作原理 图1.4 两个线圈换向后的电势波形 图1.5 多个线圈电刷两端电势波形 电机与电气控制 1.1 直流电机基本工作原理 1.1.3 直流电动机的工作原理 在图1.6所示瞬时，电流i的方向为： +A换向片1abcd换向片2B 根据电磁力定律，线圈边ab, cd分别受到电磁力f的作用，其大小为： 图1.6 直流电动机工作原理图 电机与电气控制 1.1 直流电机基本工作原理 1.1.4 直流电机可逆原理 （1）直流电动机与直流发电机在结构上并无本质区 别，不同的是直流发电机必须要由一个原动机拖动 。产生感应电势e，接通负载便

4、有一电流i流过，i 与e方向相同。同时载流导体ab、cd便受到电磁 力的作用（左手定则确定），而产生转矩T与转速 方向相反，故称阻转矩。 （2）在直流电动机中，通过电刷和换向器的作用， 即时地将电刷两端直流电变换成线圈内部的交流电 ，从而产生单方向电磁转矩T，T与旋转电动机方 向n相同。同时，旋转的导体ab、cd切割磁场， 便产生一电势（右手定则确定），其方向与电流方 向相反，故称作反电势。 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.1 直流电机的结构 1.2.1.1 定子（静止部分） 1主磁极 2换向极 3机座 4电刷装置 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2

5、.1.2 转子或电枢（转动部分） 1电枢铁芯 2电枢绕组 3换向器 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.1.3 气隙 小容量直流电机定、转子之间气隙 约为0.5 5mm，大型电机约为510mm，气隙对电机运 行性能量影响很大，组装时要特别注意。 图1.12 换向片及金属套筒式换向器结构 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.2 直流电机的额定值 表1.1 直流电机的铭牌 型号Z4-132-2励磁方式他励 额定功率15kW励磁电压180V 额定电压440V励磁电流4A 额定电流39.3A工作制S1 额定转速1510r/min绝缘等级F 外壳防护形 式 IP2

6、3S重量142kg 标准编号JB6316-92出厂日期年月 电机厂 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1电机的额定值 2直流电机的型号 3直流电机的主要系列 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.1 电枢绕组的名词术语 1绕组元件 2元件数S、换向片数K、虚槽数Zu三者之 间 的关系 3极距 4电枢绕组的基本类型 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4， 要求绕制一右行单叠绕

7、组。 解： 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4， 要求绕制一右行单叠绕组。 解： （单叠右行绕组） 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4， 要求绕制一右行单叠绕组。 解： （单叠右行绕组） （整距） 电机与电气控制 1.2

8、 直流电机的结构和额定值 1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4， 要求绕制一右行单叠绕组。 解： （单叠右行绕组） （整距） 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.2 单叠绕组 2单叠绕组展开图 图1.16 单叠绕组连接次序图 图1.17 单叠绕组展开图 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.2 单叠绕组 3单叠绕组并联支路图 将图1.17中的绕组元件用“ ”表示，并将图所示 瞬时没有与电刷接触的换向片省去，可得

9、图1.18（ a）所示。 单叠绕组的并联支路数等于电机主磁极数，即 2a=2P 或 a=p 若每条支路电流为ia，则电枢总电流Ia为： 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 图1.19 单波绕组元件 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15， 2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15，

10、2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： （短距） 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15， 2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： （短距） （单波左行） 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15， 2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： （短距） （单波左行） 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 2单波绕组展开图 （1）单波绕组的画法

11、与单叠绕组相同，其连接顺序 如图1.20所示。 图1.20 单波绕组连接顺序图 （2）单波绕组磁极及电刷安放与单叠绕组相同。 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 3单波绕组的并联支路 图1.21 单波绕组展开图 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 3单波绕组的并联支路 图1.22 单波绕组并联支路图 电机与电气控制 1.2 直流电机的结构和额定值 1.2.3.3 直流单波绕组 4单叠绕组和单波绕组的应用 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支 路数的多少。单叠绕组可以通过增加磁极对 数来增加并联支路数，适用于低

12、电压、大电 流的直流电机；而单波绕组的并联支路对数 a1，但每条支路串联的元件数较多，适用 于小电流、高电压的直流电机。 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.1 直流电机的感应电势和电磁转矩 1.3.1.1 电枢绕组的感应电势 1每根导体平均电势 在一个磁极下各导体所在的位置不同，磁密大小也不 同，如图1.23所示，因此，先取平均气隙磁密Bav ，从而得到每根导体平均电势值为： 图1.23 气隙磁密与电刷的导体分布 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.1.1 电枢绕组的感应电势 2电枢绕组感应电势 直流电机感应电势的高低与和n成比。

13、电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.1.2 电磁转矩 每根导体产生的平均电磁力为： fAV产生的电磁转矩为： 设电枢总导体数为N，则电枢电磁转矩为： 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.1.3 同一电机Ce与CT的关系 因为 所以 或 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.2 直流电机的磁场 1.3.2.1 直流电动机的空载磁场（主极磁场 ） 1磁路 图1.25 直流电机的磁路和磁通分 布 2磁化曲线 图1.26 电机磁化曲线 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.2.1 直流电

14、动机的空载磁场（主极磁场 ） 3直流电动机空载磁场及特点 （1）主磁场轴线与主磁极轴线重合，且对称于主磁 极轴线。 （2）物理中性线（电枢圆周上通过圆心，且磁密为 零的点的直线，它随磁密为零值点的移动而移动） 与几何中性线（相邻两主磁极之间的中心线，它是 固定不动的）重合。 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.2.2 直流电机负载磁场 1电枢磁场 直流电机负载运行时，电枢绕组中便有一电流流过，该电流 产生磁势： 称作电枢磁势，如图1.27（b）所示。 该电枢磁场的特点是： （1）电枢磁势的轴线与几何中性线重合，且对称于 几何中性线。 （2）电枢磁势的轴线与主极轴线

15、垂直，称为交轴电 枢磁 势。 （3）电枢磁势在空间固定不动。 2气隙合成磁场及电枢反应 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.3 直流电机的换向 1.3.3.1 换向过程 从图1.18（a）可知，电机运行时，电刷固定不动，旋 转的电枢绕组元件从一条支路经过电刷短路进入另一 条支路，元件中电流也随之改变方向这一过程，称为 换向过程，简称换向。 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.3.2 产生火花的电磁原因 产生火花的原因是多方面的，有机械原因、化学原因 ，但最主要的是电磁原因。机械原因可通过改善工艺 加以解决，化学原因可通过改善环境加以解

16、决。电磁 原因主要是换向元件K中，附加电流ik的出现而造成的 ，下面分析ik 产生的原因： 1理想换向（直线换向） 2延迟换向 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.3.2 产生火花的电磁原因 2延迟换向 （1）电抗电势eX （2）电枢反应电势eV（又称旋转电势） （3）附加电流ik （4）附加电流ik对换向的影响 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 1.3.3.3 改善换向的方法 1选择合适的电刷 2移动电刷位置 3装置换向极 电机与电气控制 1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向 本 章 小 结 v 1直流发电机是根椐电磁感应原理而工作的，电枢元 件的电势是交变的，通过换向器和电刷的作用即时地 变换成电