电机与拖动基础课件

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1、D DIANIANJ JI I Y YU U T TUOUOD DONGONGJ JI IC CHUHU高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材主 编：李庆武 刘子林副主编：张之光 王宏玉主 审：李梅芳电机与拖动基础绪绪 论论1 0 0 绪绪 论论目目 录录0.1 0.1 电机和电力拖动技术在国民经济中的作用电机和电力拖动技术在国民经济中的作用电机和电力拖动技术在国民经济中的作用电机和电力拖动技术在国民经济中的作用10.2 0.2 电机的类型及所用的材料电机的类型及所用的材料电机的类型及所用的材料电机的类型及所用的材料20.3 0.3 本课程的主要内容、任务

2、和学习方法本课程的主要内容、任务和学习方法本课程的主要内容、任务和学习方法本课程的主要内容、任务和学习方法32 电能是现代能源中应用最广的二次能源，它的生产、变换、传输、分配、使用和控制都比较方便经济，而要实现电能的生产、变换和使用等都离不开电机。电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电机在国民经济的各个领域起着重要作用。在电力工业中，产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。在工业企业中，人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求。在交通运输业中，需要大量的牵引电动机。在电力排

3、灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。在品种繁多的家用电器中，也离不开功能各异的小功率电动机。0.1 电机和电力拖动技术在国民经济中的作用电机和电力拖动技术在国民经济中的作用3 用电动机作为原动机拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。电力拖动是机电设备中的一个重要组成部分。除小部分生产机械采用气动或液压拖动外，绝大多数的生产机械都采用电力拖动，这源于电力拖动有其一系列的优点：（1） 电能的远距离输送简便经济，分配简单，检测方便；（2） 电力拖动比其他形式的拖动效率高，电动机与被拖动机械的联接简便；（3） 电动机的形式和种类很多，具有各种各样的特性，可适应不同生产机械的需要，且

4、电力拖动的起动、制动与调速等控制简便迅速，调节性能好；（4） 可实现远距离控制与自动调节，并进而实现生产过程的自动化。0.1 电机和电力拖动技术在国民经济中的作用电机和电力拖动技术在国民经济中的作用4 现代能源的主要形式是电能，与电能密切关联的电机广泛应用于社会生产的各个部门和社会生活的各个方面。电机的品种繁多，按其功能用途可分为变压器、直流电机、交流电机和控制电机，如图0.1所示。无论是哪一种电机，都 必须以磁场作为其耦合 场，通过电磁感应作用 来实现能量转换。为了 在一定的励磁电流下产 生较强的磁场,电机的磁 路均用导磁性能良好的 铁磁材料组成。图图0.1 电机的分电机的分类类0.2 电机

5、的类型及所用的材料电机的类型及所用的材料5 0.2 电机的类型及所用的材料电机的类型及所用的材料6 0.2 电机的类型及所用的材料电机的类型及所用的材料7 本课程是电气自动化、电气技术和机电一体化等专业的一门专业基础课。“电机与拖动基础”是“电机学”和“电力拖动技术基础”两部分内容的有机结合，它是在学习了“电工基础”等课程的基础上，通过讲授直流电机、变压器、交流电机的基本理论和电力拖动的基本原理等知识，以期达到下列要求：（1） 熟悉直流电机、变压器、三相异步电动机的基本结构，掌握它们的工作原理。（2） 掌握直流电动机、三相异步电动机的机械特性及各种运转状态的基本理论。（3） 掌握直流电动机、三

6、相异步电动机起动、制动、调速的电力拖动基本原理和计算方法。（4） 掌握电机及电力拖动实验的基本方法和技能。 0.3 本课程的主要内容、任务和学习方法本课程的主要内容、任务和学习方法8 “电机与拖动基础”既是一门技术基础课，又具有专业课的性质，不仅有理论的分析推导、磁场的抽象叙述，还要用基本理论去分析比较复杂又带有机、电、磁综合性的工程实际问题，这是学习本课程的难点。学习时应注意以下几点：（1） 牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（2） 可运用类比或比较的学习方法，找出各种电机的共性和个性，以加深对各种电机及拖动系统性能的理解。（3） 要理论联系实际，重视实验和实训环节。（4） 课前应预习，

7、课后应及时复习,并选择适当的思考题和习题作为课外作业，以巩固理论知识，提高理解和运算能力。0.3 本课程的主要内容、任务和学习方法本课程的主要内容、任务和学习方法9D DIANIANJ JI I Y YU U T TUOUOD DONGONGJ JI IC CHUHU高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材主 编：李庆武 刘子林副主编：张之光 王宏玉主 审：李梅芳电机与拖动基础1 1 直流电机直流电机10 1 1 直流电机直流电机目目 录录1.1 1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 11.

8、2 1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场 21.3 1.3 直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩 31.4 1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 411 【知识目标知识目标】掌握直流电机的基本结构、直流发电机和直流电动机的基本原理、直流电机的励磁方式和磁场分布、直流电动机的电枢电动势和电磁转矩以及直流电动机的机械特性。【能力目标能力目标】学习直流电机的拆卸、接线方法；计算直流电动机的电枢电动势、电磁转矩；掌握

9、直流电动机的运行特性。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构12 直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力，一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外，结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构13 图1.1所示为直流发电机的工作原理模型。在图1.1中，N、S为一对固定的磁极，称为直流电机的定子。abcd是固定在可旋转铁质圆柱体上的线圈，线圈连同铁质圆柱体是直流电机可转动的

10、部分，称为直流电机的转子（或电枢）。线圈的末端a、d联结到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。转子线圈与外电路的联结是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。在定子与转子间有间隙存在，称为气隙。图1.1直流发电机的工作原理模型在直流发电机的模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在线圈abcd中将产生感应电动势。1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 电路的组成电路的组成电路的组成电路的组成1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构14 图图1.1直流发电机的工作原理模型直流发电机的工作原理模型 1.1 直流电

11、机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构15 导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。在逆时针旋转情况下，导体ab在N极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位；导体cd则在S极下，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位，在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。当线圈旋转180后，导体ab在S极下，导体cd则在N极下，此时导体中的感应电动势方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片同时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构16 从图1.1中可以看出，和电刷A接触

12、的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，使电刷获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据具体应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢表面的不同位置上，并按照一定的规定联结起来，构成直流电机的电枢绕组。磁极也是根据需要,N、S极交替放置多对。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构17 1.1.21.1.21.1.21.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理图1.2 1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构18 图图1.2 直流电动机的模型直流电动机的模型

13、 1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构19 导体受力方向由左手定则确定。在第一种情况下，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd受力方向从左到右。导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方

14、向和S极下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构20 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。由以上分析可以看出：任何一台电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定，如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构21 直流电动机和直

15、流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。小型直流电动机结构如图1.3所示，其剖面结构如图1.4所示。（1） 定子部分定子部分定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成，如图1.3所示。1.1.31.1.31.1.31.1.3 直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构22 图图1.3小型直流电动机的结小型直流电动机的结构构1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的

16、工作原理与结构23 图图1.4小型直流电动机的剖面结小型直流电动机的剖面结构构1电枢绕组；2电枢铁芯；3机座；4主磁极铁芯；5励磁绕组；6换向绕组；7换向极铁芯；8主磁极极靴；9机座底脚1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构24 主磁极主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯上的励磁绕组构成。主磁极铁芯分成极身和极靴两部分，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁芯是用1.01.5 mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是

17、用来产生主磁通的，称为励磁绕组。主磁极的结构如图1.5所示。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构25 图图1.5直流电机主磁极的结构直流电机主磁极的结构1机座；2主磁极铁芯；3励磁绕组1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构26 机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁性能较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑的作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，因此，机座起到了支撑的作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢冲片叠压成定子铁轭

18、，再把定子铁轭固定在一个专门起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快、调速范围较高的场合。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构27 换向极换向极结构如图1.6所示。换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用来改善直流电机的换向。一般电机容量超过1 kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极铁芯可根据要求用整块钢制成，也可用1.01.5 mm厚的钢板叠成，所有的换向极线圈串联后称为换向极绕组，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组数目一般与主磁极数目相同，但在功率很小的直流

19、电机中，只装主磁极数一半的换向极或不装换向极。换向极的极性根据换向要求确定。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构28 电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路联结起来，并与换向器配合，起到整流或逆变的作用。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆座和压紧弹簧组成，其结构如图1.7所示。 端盖电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构29 图图1.6 直流电动机换向极结直流电动机换向极结构构1换向极铁芯；2换向极绕组图图1.7 电刷

20、的结构电刷的结构1刷握；2电刷；3压紧弹簧；4铜丝辫 1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构30 （2） 转子部分转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。 电枢铁芯电枢铁芯是主磁路的一部分，同时用来嵌放电枢绕组。当电机旋转时，为减小电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯用涂有绝缘漆的0.5 mm厚的硅钢片叠成。电枢铁芯冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风口。小型直流电机的电枢冲片形状如图1.8所示。 电枢绕组电枢绕组是用绝缘铜线绕制的

21、线圈按一定规律放置在电枢铁芯槽内，并与换向器联结。电枢绕组是直流电机的重要组成部分，电机工作时线圈中产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构31 图图1.8电枢冲片形状电枢冲片形状1齿；2槽；3轴向通风孔1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构32 换向器换向器又称整流子。对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器如图1.9所示。换向器是由换向片组合而成的，是直流机的关键部件，也是最薄弱的部分。

22、换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形，嵌在含有云母绝缘的V形钢环内，拼成圆筒形套在钢套筒上，相邻的两换向片间以0.61.2 mm厚的云母片作为绝缘，最后用螺纹压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组的部分与绕组引出线间焊接。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构33 图图1.9 换向器结构换向器结构1V形套筒；2云母片；3换向片；4联结片1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构34 表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注在电机的铭牌上，所以又称为铭牌数据。它是正确合理使用电机的依据。铭

23、牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。国产电机型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。1.1.41.1.41.1.41.1.4 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构35 如：Z292中的Z表示一般用途直流电机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表

24、示机座代号；2表示电枢铁芯长度代号。电机铭牌上所标的数据称为额定数据，具体含义如下：额定功率PN是指在额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机，额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率；对于发电机，额定功率是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为kW。额定电压UN是指额定工作条件下电机出线端的平均电压。对于电动机，额定电压是指输入额定电压；对于发电机，额定电压是指输出额定电压。额定电压的单位为V。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构36 额定电流IN是指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为A。额定功率、额定电压和额定电流的关系为：发电机电动机

25、额定转速 指对应于额定电流、额定电压，电机运行于额定功率时所对应的转速。额定转速的单位为 。额定励磁电流 是指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A。励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的联结方式。根据电枢线圈与励磁线圈的联结方式不同，直流电机励磁有并励、串励、他励和复励等方式。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构37 在电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定值是选用或使用电机的主要依据。电机在运行时的各种数据可能与额定值不同，由负载大小决定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超

26、过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构38 由直流电机的基本工作原理可知，电枢旋转切割气隙中的磁力线而感应电动势，电枢电流与气隙中的磁场相互作用而产生电磁转矩，因而气隙磁场是电机进行机电能量转换的媒介。直流电机的气隙磁场是在主磁极的励磁绕组中通以直流电流建立的。所以直流电机有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的联结方式称为励磁方式。励磁方式不同，电机的运行特性有很大的差异。直流电机的励磁方式可分为

27、他励、并励、串励和复励四类，如图1.10所示。1.2.11.2.11.2.11.2.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场39 图图1.10直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式（a） 他励； （b）并励； （c） 串励； （d）、（e） 复励1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场40 (1) 他励电机他励电机他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个相互独立的电源供电，如图1.10（a）所示。励磁电流If的大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压及负载基本无

28、关。(2) 并励电机并励电机并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，如图1.10（b）所示。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场41 (3) 串励电机串励电机串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如 图1.10（c）所示。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速。串励式直流电动机不准空载或轻载运行。

29、串励式直流电动机常用于要求起动转矩很大且转速允许有较大变化的负载等。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场42 (4) 复励电机复励电机复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成:一个与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁（或并励）绕组，如图1.10（d）、（e）所示。通常他磁（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大，转速变化不大的负载。由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势方向相反，称为差复励

30、；差复励式直流电动机一般用于起动转矩小，而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中。这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系统中。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场43 1.2.2.1直流直流电机的电机的空载磁场空载磁场直流电机空载运行时，电枢电流为零。这时的气隙磁场是由励磁电流If通过励磁绕组产生的磁动势Ff所建立。所以，直流电机空载时的气隙磁场又称励磁磁场。1.2.21.2.21.2.21.2.2 直流电机的磁场直流电机的磁场直流电机的磁场直流电机的磁场1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场44 （1） 直流电机的磁路直流电机的磁路以四极电机为例，当励磁

31、绕组流过励磁电流If时，每极的励磁磁动势为建立的空载磁场的分布如图1.11所示。其中绝大部分的磁通是从N极出来，经过气隙进入电枢的齿槽，再经过电枢的铁轭到电枢的另一边齿槽，又通过气隙进入S极，通过定子铁轭回到N极。这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通。另外，还有一小部分磁通不进入电枢铁芯，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路，这部分称为漏磁通。漏磁通只是增加主磁极磁路的饱和程度，使电机的损耗加大，效率降低。一般情况下，漏磁通为主磁通的15%20%。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场45 图图1.11 四极电机空载

32、磁场示意图四极电机空载磁场示意图 1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场46 主磁通对应的主磁路的组成分为气隙、电枢齿、电枢铁轭、主磁极和定子铁轭五部分，简化为主磁路由气隙和铁磁材料两大部分组成。根据磁路定律，产生空载磁场的磁动势全部降落于气隙和铁磁材料之中，即励磁磁动势为气隙磁动势与铁磁材料磁动势之和。虽然气隙长度在闭合磁路中只占很小的一部分，但是，由于气隙中的磁导率远小于铁磁材料的磁导率，所以气隙的磁阻很大。可以认为，磁路的励磁磁动势几乎都消耗在气隙上。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场47 （2） 空载时气隙磁通密度分布空载时气隙磁通密度分布因为电

33、枢绕组是在气隙磁场下进行电磁感应的，所以气隙磁通密度的分布是我们分析的主要对象。当忽略主磁路中铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距的75%，磁极中心及附近的气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数；接近极尖处气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外气隙明显增大，磁通密度显著减小；在磁极的几何中性线处，气隙磁通密度为零。因此，空载时的气隙磁通密度分布为一平顶波，如图1.12所示。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场48 图图1.12 气气隙隙磁磁密密分分布布图图a ） 气隙形状；（ b ） 气隙磁密分布1.2

34、直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场49 1.2.2.2直流电机的负载磁场直流电机的负载磁场直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主磁极磁场一起，在气隙中建立一个合成磁场。下面以两极电动机为例分析合成磁场分布情况。为了方便，换向器通常不画出来，而把电刷画在电枢圆周上，如图1.13所示。图中，电刷处在几何中性线 上。1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场50 图图1.13直流电动机气隙磁场分布示意图直流电动机气隙磁场分布示意图（a） 主磁极磁场； （b） 电枢磁场； （c） 合成磁场 1.2 直流电机的励磁方式

35、和磁场直流电机的励磁方式和磁场51 图1.13(a)所示为空载磁场分布情况。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m 。空载时物理中性线与几何中性线重合。图1.13(b)所示为电枢磁场，它的方向由电枢电流确定，电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布。图1.13(c)所示为合成磁场，它是主磁极磁场与电枢磁场合在一起产生的。可以看出，由于电枢磁场的出现，对主磁极磁场的分布有明显的影响，这种现象称为电枢反应。从图1.13看出，当电刷在几何中性线时，电枢反应表现如下：1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场52 （1） 使气隙磁场发生畸变。在每一磁极下，主磁极磁场的一

36、半被削弱，另一半被加强。这时物理中性线与几何中性线不再重合。（2） 对主磁极磁场有去磁作用。在磁场不饱和时，主磁极磁场被削弱数量与加强数量恰好相等，每极下的合成磁通量与空载时相同。实际上电机一般工作在磁化曲线的膝部，磁路总是饱和的。这样，因磁饱和的影响，主磁极的增磁部分要小于不饱和时的增磁部分，因此合成的磁通量比空载时略有减少。 1.2 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场53 直流电动机运行时，其电枢中产生电磁转矩和感应电动势。电磁转矩为拖动转矩，通过电动机的轴带动负载；电枢感应电动势为反向电动势，与电枢所加外电压相平衡。电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每

37、个支路里的感应电动势。在直流电机中，感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律，电枢绕组中每根导体感应电动势为 对于给定的电机，电枢绕组的电动势（即每一并联支路的电动势）等于并联支路每根导体电动势之和，线速度v与转子的转速n成正比。因此，电枢电动势可用下式表示 ：1.3.11.3.11.3.11.3.1 电枢电动势电枢电动势电枢电动势电枢电动势1.3 直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩54 1.3 直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩55 在直流电机中，电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。根

38、据电磁力定律，当电枢绕组有电枢电流流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁芯半径的乘积为电磁转矩。一根导体在磁场中所受电磁力的大小为 ，对于给定的电机，磁感应强度B与每极的磁通成正比；每根导体中的电流ia与从电刷流入（或流出）的电枢电流Ia成正比；导线长度l在电机制成后是个常量。因此，电磁转矩T与电磁力f成正比，即电磁转矩与每极磁通和电枢电流Ia成正比，其大小用下式来表示： 1.3.21.3.21.3.21.3.2 电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩1.3 直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩56 1.3 直流电动机电动势和电磁转矩直流电动机电动势和电磁转矩57 直流

39、电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩 之间的关系，即 。1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性1.4.11.4.11.4.11.4.1 固有机械特性固有机械特性固有机械特性固有机械特性图图1.14 他励直流电动机他励直流电动机的电路原理图的电路原理图58 1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性59 图1-15 1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性60 因为电枢电阻Ra很小，特性斜率很小，通常额定转速降nN只有额定转速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性， 如图1.16中的直线 所示。图图1.15 他励直流电动机的机械特性他励直

40、流电动机的机械特性图图1.16电动机的固有特性和电枢电动机的固有特性和电枢串联电阻的人为特性串联电阻的人为特性1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性61 人为机械特性可用改变电动机参数的方法获得，他励直流电动机有电枢回路串电阻、降低电枢电压和减弱励磁磁通三种人为机械特性。1.4.2.1电枢回路串电阻时的人为机械特性电枢回路串电阻时的人为机械特性 保持 、 不变，只在电枢回路中串入电阻Rs时的人为特性为 （1.11） 与固有机械特性相比，电枢回路串电阻时人为特性的理想空载转速 不变，但斜率随串联电阻Rs的增大而增大，所以特性变软。改变Rs的大小，可以得到一簇通过理想空载点 并具有不同斜

41、率的人为特性，如图1.16所示。1.4.21.4.21.4.21.4.2 人为机械特性人为机械特性人为机械特性人为机械特性1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性62 1.4.2.2降低电源电压时的人为机械特性降低电源电压时的人为机械特性保持 、 、 不变，只改变电枢电压U时的人为特性为 由于电动机的工作电压以额定电压 为上限，因此改变电时，只能在低 于额定电压的范围内 变化，与固 有特性比较，降低电压时人为特性 的斜率不变，但理想空载转速n0 随电压的降低而正比减小。因此， 降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线，如图1.17所示。（1-12） 图图1.1

42、7电动机的固有特电动机的固有特性和降低电压的人为特性性和降低电压的人为特性1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性63 1.4.2.3减弱励磁磁通时的人为机械特性减弱励磁磁通时的人为机械特性在图1.14中，改变励磁回路调节电阻Rsf就可以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时磁路已经开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。 保持R=Ra（Rs=0）、U=UN不变，只减弱磁通时的人为特性为 对应的转速特性为 （1-13）（1-14）1.4 直

43、流电动机的机械特性直流电动机的机械特性64 在电枢回路串电阻和降低电压的人为特性中，因为 不变 ， ，所以它们的机械特性 曲线也代表了转速特性曲线 。但是，在讨论减弱励磁磁通的人为特性时，因为磁通是个变量，所以 与 两条直线是不同的。如图1.18所示。当n=0时，堵转电流 为常数，而n0随的减小而增大，因此， 的人为特性是一组通过横坐标I=Ik点的直线，如图1.18（a）所示。改变磁通可以调节转速，从图1.18（b）可看出，当负载转矩不太大时，磁通减小使转速升高；当负载转矩特别大时，减弱磁通才会使转速下降。然而，这时的电枢电流已经过大，电动机不允许在这样大的电流下工作。因此，实际运行条件下，可

44、以认为磁通越小，稳定转速越高。1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性65 图图1.18 减弱励磁磁通时的人为特性减弱励磁磁通时的人为特性(a)转速特性；转速特性；(b) 机械特性机械特性1.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性66 小结直流电机由定子和转子两部分组成。定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置。转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向极转轴和轴承等。导体在磁场中运动产生感应电动势；载流导体在磁场中受力。这两个规律是直流电机工作的基础。电枢是直流电机的核心。电枢由电枢铁芯及其上的电枢绕组共同组成。电能向机械能转换及机械能向电能转换均是在电枢中完成的。小小 结结67

45、 电枢磁动势的存在使空载时的气隙每极磁通量和气隙磁通密度分布波形发生变化。电枢反应使气隙磁通密度分布发生畸变，在磁路饱和的情况下，每极下的磁通量减少，电枢反应表现为去磁作用，使磁通密度的零点偏离几何中性线。电枢反应对一般用途的中小型直流电机影响不大，但对大中型直流电机有较大影响。直流电机是可逆的，即从原理上讲，一台直流电机可作为发电机运行，也可作为电动机运行。小小 结结68D DIANIANJ JI I Y YU U T TUOUOD DONGONGJ JI IC CHUHU高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材电机与拖动基础武汉理工大学出版社发行部http:/地 址：武汉市武昌珞狮路122号邮 编：430070电 话：027-87394412 87383695传 真：027-8739709769