电机与电气控制(第3版)讲义课件

电机与电气控制（第3版）电子工业出版社第1章 直流电机原理 内容提要: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。感应电势和电磁转矩的计算。直流电动机不同励磁方式的特点。直流电机的磁场以及改善换向的方法。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1.1 直流电机基本工作原理1.1.2直流发电机工作原理1感应电势的产生2电势的波形1.1 直流电机基本工作原理 图1.2线圈电势的波形 图1.3电刷两端的电势波形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 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。1.2 直流电机的结构和额定值1.2.1直流电机的结构1定子（静止部分）(1)主磁极(2)换向极(3)机座(4)电刷装置1.2 直流电机的结构和额定值2.转子或电枢（转动部分）(1)电枢铁芯(2)电枢绕组(3)换向器1.2 直流电机的结构和额定值3.气隙小容量直流电机定、转子之间气隙 约为0.55mm，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IP23S重量142kg标准编号JB6316-92出厂日期年月电机厂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1.2 直流电机的结构和额定值1.2.3 直流电机的电枢绕组1.电枢绕组的名词术语（1）绕组元件（2）元件数、换向片数、虚槽数 三者之间的关系。（3）极距。（4）电枢绕组的基本类型。1.2 直流电机的结构和额定值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：1.2 直流电机的结构和额定值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）1.2 直流电机的结构和额定值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）1.2 直流电机的结构和额定值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）1.2 直流电机的结构和额定值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1.2 直流电机的结构和额定值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：1.2 直流电机的结构和额定值3.直流单波绕组(1)单波绕组的特点图1.19单波绕组元件1.2 直流电机的结构和额定值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：1.2 直流电机的结构和额定值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）1.2 直流电机的结构和额定值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）1.2 直流电机的结构和额定值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）1.2 直流电机的结构和额定值3.直流单波绕组(2)单波绕组展开图（1）单波绕组的画法与单叠绕组相同，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。1.2 直流电机的结构和额定值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1.2 直流电机的结构和额定值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1.2 直流电机的结构和额定值3.直流单波绕组（1）单波绕组的连接规律和特点。例1.2已知：一台直流电机，要求绕制一左行单波绕组。1.2 直流电机的结构和额定值3.直流单波绕组（1）单波绕组的连接规律和特点。例1.2已知：一台直流电机，要求绕制一左行单波绕组。解：1.2 直流电机的结构和额定值3.直流单波绕组（1）单波绕组的连接规律和特点。（2）单波绕组展开图。（3）单波绕组的并联支路。（4）单叠绕组和单波绕组的应用。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.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1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向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。1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向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：1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向3.同一电机Ce与CT的关系因为所以 或1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向1.3.2 1.3.2 直流电机的磁场直流电机的磁场1 1直流电动机的分类直流电动机的分类（1 1）直流他励电动机。）直流他励电动机。1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向（2）直流并励电动机。（3）直流串励电动机。（4）直流复励电动机。1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向2.直流电动机的空载磁场（主极磁场）(1)磁路图图1.25 直流电机的磁路和磁通分布直流电机的磁路和磁通分布(2)磁化曲线图图1.26 电机磁化曲线电机磁化曲线（3）直流电动机空载磁场及特点。）直流电动机空载磁场及特点。1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向3直流电动机空载磁场及特点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.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。1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向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1）电抗电势eX2）电枢反应电势eV（又称旋转电势）3）附加电流ik4）附加电流ik对换向的影响1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向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