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1、电机及拖动基础 讲 义,主讲 张友斌,绪言,一、电机及电力拖动技术的发展概况 （一）电机的发展概况1、电能的应用非常广泛，其优点有：生产和变换经济传输和分配比较容易使用和控制方便2、电机在电能的应用与生产上起着关键作用： 电力工业中，发电机与变压器为主要设备工业企业中，电动机作为原动机大量使用自动控制技术，控制电动机被广泛使用 3、电机为一种机械装置,其通过电磁感应作用实现机电能量转化。,4、电机是随着生产发展而产生和发展的反过来也促进了社会生产力的不断提高。 5、我国的电机制造工业也取得很大成绩。 6、电机在制造上向着大型、巨型发展。中小型电机也在控制方面也大大提高了控制技术。 （二）电力拖
2、动的发展1、成组拖动用电力拖动代替蒸汽机拖动或水力拖动。2、单电机拖动系统3、多电机拖动系统4、自动化电力拖动系统 （三）自动化电力拖动系统的发展1、继电器接触器型控制系统（有触点断续）2、发电机电动机组 交磁电机放大系统、磁放大系统等 晶闸管整流系统,3、自动化直流拖动系统向集中化、小型化、微型化控制发展。 4、交流电力拖动系统逐步取代直流电力拖动系统 5、自动化电力拖动迈向计算机控制的生产过程自动化。 6、自动化电力拖动系统成为低成本自动化系统的重要组成部分。,二、本课程的性质、任务与内容1、本课程的性质：电气控制及其自动化专业的专业基础课。2、本课程的任务：使学生掌握常用交直流电机、控制
3、电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法。为后续课程准备必要的基础知识。 3、本课程的内容：主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题，具有“电机学”和“电力拖动基础”的基本内容。,第一章磁路 11 磁路的基本定律,一、磁场的几个常用量1、磁感应强度 B2、磁通 3、磁场强度 H 二、磁路的概念1、磁路：磁通所经过的路径。磁路可以是铁磁物质，也可以是非磁体。在电机与变压器里，在铁心内通过的磁通称为主磁通，在铁心外及空气中通过的磁通成为漏磁通。,2、励磁励磁线圈：用以激励磁路中的磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流。当励磁电流为直流时，磁路为
4、直流磁路，其磁通为恒定，不随时间变化而变化。如：直流电机、同步电机内的励磁。当励磁电流为交流时，磁路为交流磁路，其磁通随时间变化而变化。如：变压器、感应电动机、交流接触器、交流继电器等。,三 、磁路的基本定律1、安培环路定律沿着任何一条闭合回线 ，磁场强度 的线积分值 等于该闭合回线所包围的总电流值 的代数和 。即：,2、磁路的欧姆定律,F磁路的磁动势，FNi，即为作用在铁心上的安匝数，单位为A,为磁路的磁阻，单位为A/Wb,3、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫第一定律穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零，即磁通连续性定律。,（2）磁路的基尔霍夫第二定律沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各
5、段磁位降的代数和。,磁路与电路的不同磁路与电路虽然具有类比性，但性质二者完全不同：1）电路中有电流I时，就有功率损耗 ；而在直流磁路中，维持一定量的磁通量 时。铁心中没用功率损耗。 2）电路中可以认为导线外无电流，但磁路中铁心外却有漏磁通。即没有绝对的磁绝缘体。 3）电路中的电阻率 在一定温度下时不变的，但铁心的磁导率 却随铁心的饱和程度有关。 4）对电路，当为线性电路时可以应用叠加原理。但对铁心磁路不可应用叠加原理。因为铁心饱和时磁路为非线性。,12 常用的铁磁材料及其特性,一、铁磁物质的磁化铁磁物质包括铁、镍、钴等以及它们的合金铁磁物质的磁畴在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，磁效应相
6、互抵消、对外不现磁性。在外磁场作用下，磁畴就顺外磁场方向转向，排列整齐，显出磁性来。即说铁磁物质被磁化了。电机中常用铁磁材料的磁导率,二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线,1）开始磁化时，因为外磁场较弱，故磁通密度增加的不快，如图中Oa段。 2）当外磁场增强后，铁磁材料内部大量磁畴开始转向，此时磁通密度增加的很快，见图中ab段。 3）若外磁场继续增加，由于铁心内的大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，磁通密度也就增加的缓慢了，如图中的bc段，即为饱和现象。 4）达到饱和后，磁通密度就再很难随外磁场的 增加而增加了，如图中的cd段,2、磁滞回线 略,3、基本磁化曲线 略,三、铁磁材
7、料 分为软磁材料与硬磁材料两种： 见教材,4、铁心损耗： 由磁滞损耗与涡流与损耗两部分组成。,13 直流磁路的计算,略,第二章 直流电机,21直流电机的工作原理及结构 见讲述。,2-2 直流电机的铭牌数据,电机的额定功率,直流电动机：PN=UN*IN* 直流发电机：PN=UN*IN,直流电机运行时,若各个物理量都与它的额定值一样,就叫额定运行状态.在额定运行状态下工作(额定工况),电机能可靠地运行,并具有良好的性能.,作业：p55 21,2-3直流电机的绕组,绕组：直流电机的线圈，实现电能与机械能的机电能量转换的部件；为直流电机的主要电路。在电机中按一定规律连接起来，构成直流电机的电枢绕组。
8、电动机绕组：其吸收电功率 ，将电能转化为机械能。 发电机绕组：其吸收机械功率 ，将机械能转化为电能。 要求有：1，产生足够的电动势；2，尽可能节省材料； 3，结构简单，运行可靠。,由直流电机的 工作原理可知，直流电机中必须具有能在磁场里转动的线圈。,简单的绕组,见图212：12，34，56，78为4个线圈的8个边。若按图213a连接，参见213e可发现1、2、3、4为1支路（从到），5、6、7、8为另一支路（从到），两支路并联。元件：绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上，为绕组的一个单元。 直流电机电枢绕组构成原则：将绕组通过换向片连接起来构成闭合绕组。,单一线圈是不能产生足够的电动势或
9、电磁转矩，必须将多个线圈连接成绕组（称为电枢绕组）,绕组的基本形式,基本形式有两种：1.单叠绕组：元件两个端子连接于相邻的两个换热片上。2.单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。 绕组中的一些参数： 1、极对数 p ：为磁极的NS对，线圈绕制时必须与磁极对数一致。 2、槽数Q：用来镶嵌绕组的电枢表面的实际槽数。每个槽内都有上下两层元件边。 3、虚槽数Qu：当每个槽内的上层元件边不只一个时而是u个时，用Qu表示槽数，且QuuQ。 4、元件数S:用来表示线圈的个数，且SQu 5、换向片数K：因为每个元件都要连接在换向片上，故KS。,单叠绕组 节距,节距：指被联结起来的两个元件边或换向片之间的距
10、离。以所跨过的元件边数或换向片数来表示。 第一节距（y1）：同一个元件两个元件边之间的距离。Y1应接近或等于节距换向节距（yc）：上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离。以换向片数目表示。 第二节距 (y2)：连至同一个换向片的两个元件边之间的距离。Y2=y1yc,y1=Q/2p=整数 （Q为电枢的槽数，p为磁极对数） 是使y1成为整数的一个分数,例子,极对数p=2，槽数Q=16，元件数S=16，换向片数K=16，即Q=S=K=16，则y1 =4，yc=1，y2=y1yc=3 节距的作用在决定元件连接顺序时非常有用,单叠绕组元件连接顺序表,展开图见图216，请看第8个元件，其上层边
11、在第8槽（与第8个换向片相连），其下层边在12槽，且与第9个元件的上层边(与第9个换向片相连）相连接。故知道元件连接顺序表就可以画出其展开图。,元件连接顺序：上层元件边 (如1)y1下层元件边 下层元件边y2下一个上层元件边 或 前一个上层元件边 (如1)+yc=下一个上层元件边,绘制单叠绕组展开图的方法,绘制单叠绕组展开图的方法 1、绘制单叠绕组的元件连接顺序表草图 2、根据Qu数目绘制元件的上层边并标号,3、再绘制元件的下层边,绘制单叠绕组展开图的方法,4、再按元件的连接顺序将相邻的元件的上层边与下层边相连。如1的上层边与5的下层边相连，再与2的上层边相连,5、绘制换向片与电刷：将换向片分
12、成Qu等分，且标号和与之相连的元件的上层边的标号相同。电刷数目等于2p，放电刷的原则是：要求正、负电枢之间得到最大的电动势。或被电刷短路的元件感应电动势最小，电刷宽度等于换向片宽度，并与换向片接触且均匀分布，一般短接两个元件，其实是一个与上层边相连（如元件1），一个与下层边所在的另一个元件（如元件5）的上层边相连。 6、磁路方向、电磁转矩方向与元件中的电流方向符合左手定则。绘制其他的请参考图216。,单叠绕组的电路图,见图217 参见图216，元件1被电刷A1短路，元件2、3、4的电流方向一致，构成一条支路且与换向片5相连，同理8、7、6的电流方向一致，构成另1条支路且与换向片6相连，而5、6
13、换向片又被电刷B1短接，故2、3、4、6、7、8的电流从B1流出。构成一对支路同理其他元件构成另2条支路。故一共有4条并联支路，两对支路。用a表示支路对数，且有 ap (p为磁极对数）,单波绕组,单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。 元件两出线端所连的换向片相隔较远相串连的两元件也相隔较远，这样连接起来的元件形式犹如波浪一样向前延伸。,节距,1、第一节距（y1）：与单叠绕组相同y1=Q/2p=整数 合成节距y和换向片节距yc pyc=K 1， 或 yc=（K 1）/p 式中正负号的选择要满足yc为整数，若yc为整数时一般取负号。 第二节距（y2）y2ycy1 各节距的在绕组的具体计算见图
14、218,例子,P2，Q15，SK15则y1=Q/2p=整数 15/4 1/4=3yc=(K 1)/p=(151)/2=7 当p为偶时取yc为奇y2ycy1734,单波绕组元件连接顺序表,展开图见图219，请看第1个元件，其上层边在第1槽（与第1个换向片相连），其下层边在4槽，且与第8个元件的上层边(与第8个换向片相连）相连接。故知道元件连接顺序表就可以画出其展开图。更正：电刷A2的位置应在换向片1213处,元件连接顺序：上层元件边 (如1)y1下层元件边 下层元件边y2下一个上层元件边 或 前一个上层元件边 (如1)+yc=下一个上层元件边,绘制单波绕组展开图的方法,绘制单波绕组展开图的方法,
15、3、再绘制元件的下层边,1、绘制单波绕组的元件连接顺序表草图,2、根据Qu数目绘制元件的上层边并标号,绘制单波绕组展开图的方法,4、再按元件的连接顺序将相邻的元件的上层边与下层边相连。如1的上层边与4的下层边相连，再与8的上层边相连,5、绘制换向片与电刷：将换向片分成Qu等分，且标号和与之相连的元件的上层边的标号相同。 6、放电刷：电刷数目等于2p，放电刷的原则是：要求正、负电枢之间得到最大的电动势。或被电刷短路的元件感应电动势最小。电刷宽度等于换向片宽度，并与换向片接触且均匀分布，一般短接两个元件，其实是一个与上层边相连（如元件8），一个与下层边所在的另一个元件（如元件4）的上层边相连。绘制其他的请参考图219。,单波绕组的电路图,见图220 参见展开图219， 支路对数 a1,作业,1：已知直流电机的极对数p=2，虚槽数Q=22，元件数S及换向片数K都等于22，联成单叠绕组。 （1）计算绕组各节距 （2）画出绕组展开图、磁极及电刷的位置； （3）求并联之路数。 2：已知直流电机的极对数p=2，虚槽数Q=S=K=19，联成单波绕组。 （1）计算绕组各节距 （2）画出绕组展开图、磁极及电刷的位置； （3）求并联之路数。 3、 P55 25,2-4直流电机的励磁方式及磁场 直流电机的励磁方式,
