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1、,电机与拖动基础及 MATLAB仿真 陈亚爱 周京华编著 李正熙主审,Page 2,本课程的章节和内容,绪 论 第1章 变压器 第2章 三相交流电动机 第3章 三相交流电动机的电力拖动 第4章 直流电机 第5章 直流电动机的电力拖动 第6章 驱动和控制微电机 第7章 电动机容量的选择,Page 3,第 4 章 直 流 电 机,本章内容,4.1 直流电机工作原理,4.2 直流电机的磁场,4.3 直流电机的基本方程,4.4 直流发电机的运行特性与试验测试,4.5 直流电动机的工作特性与试验测试,4.6 直流电机的换向,4.7 实例（应用）,4.8 直流电机性能的仿真,Page 4,本章教学基本要求
2、,1. 了解直流电机主要结构和励磁方式，注意换向器和电刷的作用，掌握其额定值。,2. 熟悉直流电机的基本工作原理，理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握其计算方法。,3. 掌握直流电机的基本平衡方程和功率流程，以及不同励磁方式的工作特性。,4. 了解电枢反应对换向的影响和改善换向措施。,Page 5,本章教学基本要求,直流电机的基本平衡方程和工作特性。,重点：,直流电机的换向。,难点：,Page 6,Page 7,提问,什么是直流电机？有什么作用？,作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完 成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设 备。,把电能转换为机械能
3、的直流电机称为直流电动机，把机 械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。,直流电机是将直流电能转换为机械能或将机械能转换为 直流电能的一种装置。,直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的，变化的磁场在导体中要感应电动势是发电机工作的基本原理，图4-1所示为简单直流发电机模型。,Page 8,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，A端X端 b）wt=180时，A端X端 电刷B1(+)B2(-) 电刷B1(+)B2(-) 图4-1 直流发电机工作原理,给励磁绕组通入直流电，将在固定的主磁极呈现上为N极、下为S极。N和
4、S极之间是电枢，电枢铁心上安放着由A和X两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（A）和末端（X）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相片形成的整体称为换相器。换相器固定在转轴上，且与转轴绝缘。,换相片上安放着一对固定不动的电刷B1和B2，电刷能与外电路联接。固定不动的部分（主磁极、电刷等）被称为定子，随转轴转动的部分（线圈、电枢铁心、换相器等）被称为转子（又称电枢）。,Page 9,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，A端X端 b）wt=180时，A端X端 电刷B1(+)B2(-) 电刷B1(+)B2(-) 图4-
5、1 直流发电机工作原理,磁极N和S所产生气隙磁通密度沿空间分布如图4-2所示。,定、转子之间有一空隙，称为气隙。,图4-2 气隙磁通密度分布和线圈AX感应电动势,当原动机拖动电枢逆时针方向旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电动势，大小为e=Bxlv，式中，Bx为导体所在处的磁通密度（Wb/m2），l为导体的有效长度（m），v为导体的线速度（m/s），e为感应电动势（V）。,Page 10,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，A端X端 b）wt=180时，A端X端 电刷B1(+)B2(-) 电刷B1
6、(+)B2(-) 图4-1 直流发电机工作原理,感应电动势方向由右手定则判定，展开右手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向时，则四指的指向为导体中感应电动势的方向。,发电机工作时，N极下导体电动势指向纸外，电刷B1总为“+”；S极下导体电动势指向纸内，电刷B2总为“”，不难看出，线圈中的电动势是交流的，而通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流的，如图4-3所示。,Page 11,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，A端X端 b）wt=180时，A端X端 电刷B1(+)B2(-) 电刷B1(+
7、)B2(-) 图4-1 直流发电机工作原理,图4-3 电刷B1B2间的电动势,换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；把转动的电路与外面不转的电路联接。,Page 12,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，A端X端 b）wt=180时，A端X端 电刷B1(+)B2(-) 电刷B1(+)B2(-) 图4-1 直流发电机工作原理,图4-3 电刷B1B2间的电动势,从刷间电动势波形看，脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律联接，刷间串
8、联元件数增多，脉动减小，可获得所需的直流电。,如图4-4所示，将直流电加到电刷上（B1为+、B2为），线圈AX上就有电流通过（A端、X端），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为f=Bxli ，式中，i为流过导体的电流（A），方向由左手定则确定。,Page 13,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,2直流电动机的基本工作原理,展开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心时，四指的指向则为导体中电流的方向，大拇指指向为导体受力方向；f的单位为N。,图4-4 直流电动机的工作原理,换向器和电刷的共同作用：将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；把外面不转的电路
9、与转动的电路连接起来。,直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动部分，又称电枢）。,Page 14,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,图4-6 直流电机结构,Page 15,磁极铁心,励磁绕组,励磁磁场,电动势、电磁转矩,图4-5直流电机结构概况,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,Page 16,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。,（1）定子,主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组
10、成，铁心用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列，如图4-7所示。,换向极也由铁心和绕组组成，铁心一般由整块钢组成，安放在相邻两主磁极之间（见图4-7），作用是改善电机的换向。,图4-7 主磁极与换向极示意图,电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成（见图4-8），作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。,图4-8 电刷装置,Page 17,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。,（1）定
11、子,转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。,（2）转子（电枢）,Page 18,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,电枢铁心一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时又是电机主磁路的一部分。,（2）转子（电枢）,电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,换向器由许多相互绝缘的换向片组成，如图4-9所示，作用是将电枢绕组中的交流电整
12、流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。,图 4-9 换向片与换向器,Page 19,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，也是主磁路的一部分。,（3）气隙,Page 20,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、复叠、复波、复合绕组等，其基本形式是单叠绕组和单波绕组。,a）单叠 b）单波 图4-10 单匝元件示意图,a）单叠 b）单波 图4-11 两匝元件示意图,图4-12 u=2示意图
13、,由于工艺等方面的原因，有时电枢不宜开太多的槽，在一个实际的槽中，上、下层嵌放多个（设为u个）元件边，通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。,若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数S等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，如图4-12所示，则有S=uQ=Qu，Qu为虚槽数。,Page 21,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，用槽数表示极距时，有,a）单叠 b）单波 图4-11 两匝元件示意图,式中，p为主磁极的极对数，S为总元件数。,a）单叠 b）单波 图4-10 单匝元
14、件示意图,Page 22,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。其特点：支路对数a等于极对数p，同时还等于电刷对数b，即a=p=b；电枢电流Ia等于各支路电流ia之和，即Ia=2aia。,（1）单叠绕组,单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点：支路对数a等于1，与极对数p无关，即a=1；电枢电流Ia等于2倍支路电流ia，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p。,（2）
15、单波绕组,Page 23,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,2直流电机模型,为方便起见，在分析电机内部电磁关系时建议采用电机模型，如图4-13所示。,图4-13 直流电机模型,从图中可见，无论电机有多少对磁极，都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。几何中性线对应的轴线被称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的磁极轴线被称为直轴，用d-d表示。,以后在分析电机内部电磁过程时均采用直流电机模型。,Page 24,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示。,Page 25,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,Page 26,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,Page 27,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,额定值：是选择电机的依
