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1、电机原理及拖动,茂名学院自动化系 叶伟,国家规划教材,东北大学 彭鸿才 主编,机工板,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。,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。,目 录,第一章 直流电机原理 第二章 电力拖动系统的动力学基础 第三章 直流电动
2、机的电力拖动 第四章 变压器 第五章 三相异步电动机原理 第六章 三相异步电动机的电力拖动 第七章 同步电动机 第八章 控制电机 第九章 电力拖动系统中电动机的选择,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 绕组起支撑作用,且使磁通在气 隙中有较好的分布波形.,
3、(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
4、器进行电流的换向.,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.,(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
5、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.,(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.,4.其他部分,(2).通风装置:作用是冷却电机.,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.,三、直流电机的基本工作原理,1.直流发
6、电机的基本工作原理,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.,2.直流电动机的基本工作原理,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
7、体，电流流入纸面。故电机恒逆转。,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.,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.,1.2 直流电机的空载磁场,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； Rm 该段的磁组； 磁通量,主磁通所经磁路: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 = Rm,说明:当I较小时磁路的磁阻为气隙 磁阻且为常数,故If与是线性的 If较大时铁心饱和,磁阻加
8、大增 加变慢If与为非线性关系. 电机的饱和程度对电机的性能有很 大的影响.,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 尖以外时，主磁通所 经气隙加大，磁密减 小，并在两主磁极中 间的几何中线上下降 为零。,二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布,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）
9、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线。,1.3 直流电机的电枢绕组,（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。 （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nn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: a1b
10、1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 边中电势在元件中迭加. 端线c1d1及c2d2 称为引线,d1为 元件的首端,d2为末端.元件 的首端和末端分别焊接在 不同的换向上. a1b1称为第一元件边,右边a2b2称为第二元件边.,3.单迭绕组展开图,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
11、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,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、
12、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: 每个主磁 极下的元件 串联成一条 支路,共有四 条并联支路 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。,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： 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. 3.电流方向以电刷
13、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 .,1.4 直流电机的电枢反应,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. A= 应用全电流定律,有Hl=2Ax 认为总磁势全部降在两段气隙上 2Fax=2Ax 即 Fax=Ax 磁密 Bax=0Hax=0Fax /,N ia, D,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
14、反应为交轴电枢反应。 电机合成磁场Bx= B0x+Bax 正方向规定：磁力线进入转子 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. 可知:磁场波形发生了畸变. (1)发电机:前极尖增磁,后极 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 总磁通量不变. (3)物理中线移到m-m,当磁路饱和时因磁势和磁通密度之间不再成线性关系在磁场相加的区域磁密下降.所以交轴电枢反应总有一些去磁作用. 三、电机上偏离几何中性线时的电枢反应 电枢磁势分为两部分：交轴磁势和顺轴磁势。_ Fa = Faq + Fad 当发电机顺旋转方向移动电刷或电动机逆
15、移时顺轴电势 Fad去磁，反之顺轴电势助磁。 右图为发电机电刷 顺移或电动机电刷逆 移后的电枢反应。,一、直流电机的电枢电动势 电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势 。 刷间电动势等于其中一条支路的电动势。 推导过程: 设绕组为整距元件,电刷在几何中线上. 如电枢绕组总导体数为N, 并联电路数为2a 则绕组每条支路的导体数为N/(2a). 如每根导体的平均电动势eav,则支路电动势即刷间电动势, N 一根导体的平均电动势为 eav =BavlV Bav-为一个极下的平均磁密, Bav =,Ea =,1.5 直流电机的电枢电动势与电磁转矩,导体切割磁场的速度v用每分钟转速表示有V=2pn/60 所以, Ea =(N/2a) 2pn/60 =(pN/60a) n =Ce n 这是一个十分重要的公式 ,式中Ce = pN/(60a)为电动势常数,是一个决定于电机结构的参数. 电枢电动势与每极磁通成正比,与转速正比. B-wb(韦伯) n- r/min (每分钟.转) Ea- V(伏特),二、直流电机的电磁转矩 电磁转矩：电枢导体在磁场中受力所形成的总转矩。 先求每根导体平均受力 fav =Bavia -
