第一章-电机与拖动课件

绪论电源电源控制装置控制装置电动机电动机生产机械生产机械传动机构传动机构第一节第一节 直流电机直流电机的工作原理的工作原理1.1.11.1.1直流电动机直流电动机的工作原理的工作原理转动原理转动原理 1.1.21.1.2直流发电机直流发电机的工作原理的工作原理转动原理转动原理第一章第一章 直流电机直流电机 直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。其其中将机械能转换为直流电能的直流电机称为直流发电机，中将机械能转换为直流电能的直流电机称为直流发电机，反之，称为直流电动机。直流电动机存在维护要求高、反之，称为直流电动机。直流电动机存在维护要求高、结构复杂、价格较贵等缺点，但由于它具有良好的起动结构复杂、价格较贵等缺点，但由于它具有良好的起动与调速性能，因此在某些要求起动转矩大、调速性能要与调速性能，因此在某些要求起动转矩大、调速性能要求高的生产机械，如电力机车、电动半、轧钢机、造纸求高的生产机械，如电力机车、电动半、轧钢机、造纸机以及某些起重设备等场合仍广泛地应用着。机以及某些起重设备等场合仍广泛地应用着。第二节第二节 直流电机的构造和额定值直流电机的构造和额定值1.2.1 1.2.1 直流电机直流电机的构造的构造1 1、换向器、换向器 2 2、电刷装置、电刷装置 3 3、机座、机座 4 4、主磁极、主磁极 5 5、换向、换向极极 6 6、端盖、端盖 7 7、风扇、风扇 8 8、电枢绕组、电枢绕组 9 9、电枢铁心、电枢铁心一、定子部分的构造一、定子部分的构造1主磁极主磁极 主磁极的作用是产生主磁场，以便电枢绕组在此磁场中转主磁极的作用是产生主磁场，以便电枢绕组在此磁场中转动而感应电动势。动而感应电动势。2换向极换向极 换向极是用来改善换向的。换向极是用来改善换向的。它也由铁心和套在铁心上的绕组它也由铁心和套在铁心上的绕组构成。构成。3机座机座 机座的主体部分作为磁极间磁的通路，机座的主体部分作为磁极间磁的通路，这部分称为磁扼。这部分称为磁扼。4电刷装置电刷装置 电刷装置的作用是通过电刷与换向器之间的滑动接触，把转电刷装置的作用是通过电刷与换向器之间的滑动接触，把转动的电枢与外电路相连接。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷动的电枢与外电路相连接。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条等部件构成，整个电刷装置固定在端盖内。杆座和汇流条等部件构成，整个电刷装置固定在端盖内。二、转子部分的构造二、转子部分的构造 1 1电枢铁心电枢铁心 电枢铁心用作电机磁的通路及嵌置电枢绕组。为了减少涡流损耗电枢铁心电枢铁心用作电机磁的通路及嵌置电枢绕组。为了减少涡流损耗电枢铁心一般用涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。一般用涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2 2电枢绕组电枢绕组 电抠绕组的作用是感应电势和通过电流，使电机实现机电能量转换。电抠绕组的作用是感应电势和通过电流，使电机实现机电能量转换。3 3换向器换向器 换向器的作用对发电机而言，是将电机内部的交流电动势变成直流电动势。换向器的作用对发电机而言，是将电机内部的交流电动势变成直流电动势。对电动机而言，则是将外部的直流电流变成电机内部的交流电流。对电动机而言，则是将外部的直流电流变成电机内部的交流电流。4 4 转轴转轴1.2.2 1.2.2 直流电机的额定值直流电机的额定值 为了使用户能正确合理地使用电动机，电动为了使用户能正确合理地使用电动机，电动机的外壳上都附有铭牌。铭牌上标有该电动机额定运行机的外壳上都附有铭牌。铭牌上标有该电动机额定运行的主要技术数据如功率、电压、电流、转速等。铭牌上的主要技术数据如功率、电压、电流、转速等。铭牌上的主要技术数据则称为额定值。的主要技术数据则称为额定值。一、额定功率一、额定功率P PN N 二、额定电压二、额定电压U UN N三、额定电流三、额定电流I IN N 四、额定转速四、额定转速n nN N额定值的关系额定值的关系直流电动机直流电动机 直流发电机直流发电机 Z2 5 1直流电机直流电机 电枢铁心长度电枢铁心长度设计序号设计序号 机座号机座号 型号型号 为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用各种型号表示。成不同的系列，每种系列用各种型号表示。例例 见书见书15页页第三节第三节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电抠绕组的作用是产生电磁转矩和感应电势，使电机实现机电能量转电抠绕组的作用是产生电磁转矩和感应电势，使电机实现机电能量转换。换。电枢绕组一般是许多用带绝缘的导线线圈（下称元件）电枢绕组一般是许多用带绝缘的导线线圈（下称元件），均匀分布在均匀分布在电枢铁心的槽内，并按一定的规律连接起来，线圈的端部接到换向片上。电枢铁心的槽内，并按一定的规律连接起来，线圈的端部接到换向片上。按规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组和单波绕组等。按规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组和单波绕组等。1.3.1 1.3.1 元件与节距元件与节距 1 1 电枢绕组元件电枢绕组元件 电枢绕组是用绝缘的导线绕制而成电枢绕组是用绝缘的导线绕制而成，线圈分布在电枢铁心的二个槽线圈分布在电枢铁心的二个槽 内，槽外部分称为端接部分，称它为一个元件。二个槽内的导线称为元件内，槽外部分称为端接部分，称它为一个元件。二个槽内的导线称为元件边，分称上层边和下层边。边，分称上层边和下层边。线圈的端部都接在换向片上，每片换向片上都接着一个元件的上层边线圈的端部都接在换向片上，每片换向片上都接着一个元件的上层边和另一个元件的下层边。和另一个元件的下层边。元件数元件数S =S =换向片数换向片数K S=KK S=K 每个电枢槽内分别有上下两层放二个元件边，故每个电枢槽内分别有上下两层放二个元件边，故 电枢槽数电枢槽数Z =Z =元件数元件数S S=K=ZS S=K=Z2 2节距节距3 3 表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距4 4A A：第一节距第一节距 y y1 1 5 5 整数整数 极极距距6 6一般取一般取 7 7 8 8 同一元件两元件边在电枢周围上所跨的距离同一元件两元件边在电枢周围上所跨的距离9 9B B：第二节距第二节距 y y2 2 第一个元件的下层边和直接相连的第二个元件第一个元件的下层边和直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢周围上的距离的上层边之间在电枢周围上的距离1010C C：合成节距合成节距 y y 直接相连的二个元件的对应边在电枢周围上的距离直接相连的二个元件的对应边在电枢周围上的距离1111D D：换向节距换向节距 y yk k 每个元件的首、末二端所接的两片换向片在换向器周围上每个元件的首、末二端所接的两片换向片在换向器周围上所跨的距离所跨的距离1212 节距用槽数表示节距用槽数表示叠叠绕组元件绕组元件波绕组元件波绕组元件1.3.1 1.3.1 单叠绕组单叠绕组 后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件的后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件的端接部分上，这种绕组称叠绕组。当叠绕组的换向节端接部分上，这种绕组称叠绕组。当叠绕组的换向节距距 y yk k=1 =1 ，则称单叠绕组。则称单叠绕组。y2y1yyk例：一台直流电机，例：一台直流电机，Z=S=K=16Z=S=K=16，2p=42p=4接成接成单叠绕组。单叠绕组。计算节距计算节距 y2y1yyk绘制绕组展开图绘制绕组展开图15161234567891011121314151612345B2A1B1A2+_1516123456789101112131415161234510 N2 12 6 S1 8 2 N1 414 S2 16Z=16,2p=4 Z=16,2p=4 单叠绕组展开图单叠绕组展开图单叠绕组连接顺序表单叠绕组连接顺序表12345678910111213141516156789101112131415161234单叠绕组连接顺序表单叠绕组连接顺序表单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图1314219105612387610111216151413915B2B1A1 A2单叠绕组的特点单叠绕组的特点1.位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，并联支路对数等于极对数，即路，并联支路对数等于极对数，即a=p。2.当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。小。3.电刷刷杆数等于极数。电刷刷杆数等于极数。第四节第四节 直流电机的磁场直流电机的磁场1.4.1 1.4.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 直流电机按励磁绕组与电枢绕组连接方式不直流电机按励磁绕组与电枢绕组连接方式不同，可分为他励、并励、串励和复励四种。同，可分为他励、并励、串励和复励四种。MUfUFI aI f+他励他励I MUFI f+I a并励并励I a=2aia串励串励FI fMUI a+IMU+FI fI a复励复励 他励直流电机他励直流电机 其特点是励磁绕组与电抠绕组分别由两组其特点是励磁绕组与电抠绕组分别由两组独立的直流电源供电。独立的直流电源供电。并励直流电机并励直流电机 其特点是励磁绕组与电枢绕组并联，故励其特点是励磁绕组与电枢绕组并联，故励磁绕组两端的电压等于电枢绕组两端的电压。磁绕组两端的电压等于电枢绕组两端的电压。这两种励磁绕组的匝数较多，导线较细。这两种励磁绕组的匝数较多，导线较细。串励直流电机串励直流电机 其特点是励磁绕组与电抠绕组串联，故励其特点是励磁绕组与电抠绕组串联，故励磁电流等于电枢电流，励磁绕组匝数较少，导线较粗。磁电流等于电枢电流，励磁绕组匝数较少，导线较粗。复励直流电机复励直流电机 其特点是主磁极上有两个励磁绕组，一个其特点是主磁极上有两个励磁绕组，一个与电抠并联与电抠并联(即并励绕组即并励绕组)，另一个与电枢串联，另一个与电枢串联(即串励绕组即串励绕组)。当两个励磁绕组产生的磁动势方向相同时称为积发励，反之，当两个励磁绕组产生的磁动势方向相同时称为积发励，反之，称为差复励。称为差复励。直流电机的直流电机的励磁励磁方式不同，运行特性和适用场方式不同，运行特性和适用场合也不同。合也不同。1.4.2 1.4.2 直流电机的空载磁直流电机的空载磁场场 一、主磁通和漏磁通一、主磁通和漏磁通 当电机的励磁绕组接上励磁电流时，产生当电机的励磁绕组接上励磁电流时，产生励磁磁场，称主磁场。其绝大部分磁通以定励磁磁场，称主磁场。其绝大部分磁通以定子铁心、气隙和转子铁心为闭合磁路，同时子铁心、气隙和转子铁心为闭合磁路，同时链着定、转子绕组，这部分磁通称为主磁通链着定、转子绕组，这部分磁通称为主磁通（0 0）。另有很少一部分磁通只与定子绕组另有很少一部分磁通只与定子绕组或转子绕组本身相链，称为漏磁通或转子绕组本身相链，称为漏磁通（）（20%20%左右）。左右）。NSNS0 0二、直流电机的空载磁化特性二、直流电机的空载磁化特性 电机的励磁绕组接上励磁电流时产电机的励磁绕组接上励磁电流时产生励磁磁场，当电机空载时，主磁通和励磁生励磁磁场，当电机空载时，主磁通和励磁电流的关系称空载磁化特性。电流的关系称空载磁化特性。AIfo（Ffo）0 00开始饱和点开始饱和点三、空载磁场气隙磁通密度分布曲线三、空载磁场气隙磁通密度分布曲线 当电机空载时，主磁通和励磁电流当电机空载时，主磁通和励磁电流的关系称空载磁化特性。的关系称空载磁化特性。BBavAIfo（Ffo）0 00开始饱和点开始饱和点空载磁场气隙空载磁场气隙平均磁通密度平均磁通密度1.4.3 1.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场一、直流电机的电枢反应一、直流电机的电枢反应 电枢磁动势对空载气隙磁通密度分布的影电枢磁动势对空载气隙磁通密度分布的影响称直流电机的电枢反应。响称直流电机的电枢反应。二、直流电机的电枢磁场二、直流电机的电枢磁场 电枢磁动势单个作用产生的电枢磁场分布电枢磁动势单个作用产生的电枢磁场分布情况。情况。三、负载时气隙合成磁场三、负载时气隙合成磁场第五节第五节 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩1.5.1 1.5.1 直流电机的电枢绕组的感应电动势直流电机的电枢绕组的感应电动势 直流电机电枢绕组的感应电动势常用下式表示直流电机电枢绕组的感应电动势常用下式表示P磁极对数磁极对数N导体总数导体总数a 单叠为单叠为p；单波为单波为1 每极磁通每极磁通 n 转速转速1.5.2 1.5.2 电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩 直流电机的电磁转矩常用下式表示直流电机的电磁转矩常用下式表示第六节第六节 直流电动机直流电动机MUFI f+I a并励并励I 图为并励直流电动机的电路图为并励直流电动机的电路原理图。原理图。按照图中各物理量正方向的按照图中各物理量正方向的规定，在稳定运行状态下电枢电规定，在稳定运行状态下电枢电路的：路的：一、电压平衡方程式一、电压平衡方程式1.6.1 1.6.1 直流电动机稳定运行状态下的基本关系直流电动机稳定运行状态下的基本关系式式E Ea a为电枢感生电动势，也称反电动势。为电枢感生电动势，也称反电动势。二、转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式三、功率平衡方程式三、功率平衡方程式1.输入功率输入功率2.电磁功率电磁功率MUFI f+I a并励并励3.功率平衡方程式功率平衡方程式4.直流电动机功率流程图直流电动机功率流程图并励直流电动机并励直流电动机PCufPCuaPFePmecMUFI f+I a并励并励他励直流电动机他励直流电动机PCufPCuaPFePmecMUfUFI aI f+他励他励1.6.2 1.6.2 并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性转速特性转速特性效率特性效率特性转矩特性转矩特性T n Ia 一、转速特性一、转速特性二、转矩特性二、转矩特性 三、三、效率特性效率特性请认真阅读书上请认真阅读书上1.6.2 1.6.2 内容内容1.6.3 1.6.3 串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性串励串励FI fMUI a+转速特性转速特性效率特性效率特性转矩特性转矩特性T n Ia 一一、转转速速特特性性二、转矩特性二、转矩特性 三、三、效率特性效率特性第七节第七节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性MUfUFI aI f+他励他励RRfRaRf1.7.1 1.7.1 机械特性方程式机械特性方程式电枢的感应电动势电枢的感应电动势电磁转矩电磁转矩电压平衡方程式电压平衡方程式 转速特性转速特性机械特性方程式机械特性方程式R=Ra+RMUfUFI aI f+他励他励RRfRaRf机械特性方程式机械特性方程式TNT0TOn0nn0nnNT1.7.11.7.1固有机械特性与人为机械特性固有机械特性与人为机械特性MUfUFI aI f+他励他励TNOn0nnNTnN固有机械特性固有机械特性0.05n0硬特性硬特性人为机械特性人为机械特性On0nT一、电枢回路串电阻一、电枢回路串电阻固有固有R R越大，越大，越大，特性越软越大，特性越软 电抠回路串电阻调速的物理过程：电抠回路串电阻调速的物理过程：R RC C增大时，由于增大时，由于n n不能突变，不能突变，E EC Ce e n不能突变，所以不能突变，所以IaIa减小，则减小，则T T减小，减小，T TT TL L 时，时，n n变小，变小，E E变小，变小，IaIa回升，回升，T T回升直至回升直至T=TT=TL L时恢复时恢复稳定运行，转速稳定运行，转速n n低于调速前的数值，且属于恒转矩性质的低于调速前的数值，且属于恒转矩性质的调速。调速。电枢回路串电阻调速的优点是设备简单、操作方便。电枢回路串电阻调速的优点是设备简单、操作方便。其缺点是其缺点是(1)(1)在空载或轻载时，调速效果很不明显；在空载或轻载时，调速效果很不明显；(2)(2)只能有级调速，速度调速不平滑；只能有级调速，速度调速不平滑；(3)(3)低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动大；低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动大；(4)(4)耗能大，不经济。耗能大，不经济。因此，这种调速方法只能用于调速性能要求不高的设因此，这种调速方法只能用于调速性能要求不高的设备上，如起重视、电车等。备上，如起重视、电车等。采用这种调速方法的系统已逐渐减少。采用这种调速方法的系统已逐渐减少。二、改变电枢电压二、改变电枢电压On0nT固有固有人为人为严禁电枢电压超过额定电压严禁电枢电压超过额定电压 降低电枢端电压调速的物理过程：降低电枢端电压调速的物理过程：U U减小时，减小时，IaIa减小，则减小，则T T减小，减小，T TT TL L 时，时，n n变小，变小，E E变小，变小，IaIa回升，回升，T T回升直至回升直至T=TT=TL L时恢复时恢复稳定运行，转速稳定运行，转速n n低于调速前的数值，且属于恒转矩性质的调速。低于调速前的数值，且属于恒转矩性质的调速。降压调速的优点是：降压调速的优点是：(1)(1)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好；机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好；(2)(2)静态稳定性好，调速范围大；静态稳定性好，调速范围大；(3)(3)均匀调节电抠电压，可得到平滑的无级调速；均匀调节电抠电压，可得到平滑的无级调速；(4)(4)调速过程中能量损耗小。调速过程中能量损耗小。主要缺点是需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较主要缺点是需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来己普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压以改变高。近年来己普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压以改变它的转速。因此，它被广泛地应用于对起动、制动和调速性能要求它的转速。因此，它被广泛地应用于对起动、制动和调速性能要求较高的场合，如重型机床、精密机床和轧钢机等。较高的场合，如重型机床、精密机床和轧钢机等。应该指出，改变电枢电压调速时，并励电动机必须改成他应该指出，改变电枢电压调速时，并励电动机必须改成他励，否则电枢电压下降会影响电动机的励磁。励，否则电枢电压下降会影响电动机的励磁。三、改小励磁电流三、改小励磁电流On0nT固有固有人为人为越小，越小，n n0 0越大，越大，越大，特性变软。越大，特性变软。禁止增大励磁电流禁止增大励磁电流 减弱磁通调速的物理过程：减弱磁通调速的物理过程：减小时，减小时，E E减小，减小，IaIa 增大，则增大，则T T增大，增大，T TT TL L 时，时，n n增大，增大，E E回升，回升，IaIa变小，变小，T T回降回降直至直至T=TT=TL L时恢复稳定运行，转速时恢复稳定运行，转速n n高于调速前的数值，且属高于调速前的数值，且属于恒功率性质的调速。于恒功率性质的调速。减弱磁通调速的优点是：由于它是在功率较小的励减弱磁通调速的优点是：由于它是在功率较小的励磁回路中调节励磁电流的，因而控制方便，能量损耗小，而磁回路中调节励磁电流的，因而控制方便，能量损耗小，而且可以实现无级调速。主要缺点是只能从额定转速向上调。且可以实现无级调速。主要缺点是只能从额定转速向上调。因此，一般与降压调速配合使用来扩大调速范围，常应用于因此，一般与降压调速配合使用来扩大调速范围，常应用于重型机床，如龙门刨床、大型立车等。重型机床，如龙门刨床、大型立车等。例例:有一并励电动机，其额定数据如下：有一并励电动机，其额定数据如下：P P2 2=15Kw=15Kw、U U220V220V、n n1000r1000rminmin、0.850.85、R Ra a0.10 0.10 、R Rf f88.888.8试求：试求：(1)(1)额定电流额定电流I I、额定励磁电额定励磁电流流I If f及额定电枢电流及额定电枢电流I Ia a，；，；(2)(2)反电动势反电动势E E；(3)(3)额定额定转矩转矩T T；(4)(4)电枢电路铜耗电枢电路铜耗PPCuaCua，励磁电路铜耗励磁电路铜耗PPCufCuf 及空载损耗功率及空载损耗功率PPo o 。解解 (1)P(1)P2 2是输出是输出(机械机械)功率，额定输入功率，额定输入(电电)功率功率为为额定电流额定电流I I额定励磁电流额定励磁电流I If f额定电枢电流额定电枢电流I Ia a(2)(2)反电动势反电动势E E为为(3)(3)额定转矩额定转矩T T为为(4)(4)电枢电路铜耗电枢电路铜耗PPCuaCua励磁电路铜耗励磁电路铜耗PPCufCuf空载损耗功率空载损耗功率PP0 0第八节第八节 直流发电机直流发电机1.8.1 1.8.1 直流发电机稳定运行时的基本关系式直流发电机稳定运行时的基本关系式GUfUFI aI f+他励他励RfRaRf一、电动势平衡方程式一、电动势平衡方程式二、转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式三、功率平衡方程式三、功率平衡方程式1.输入功率输入功率2.电磁功率电磁功率3.输出功率输出功率4.功率平衡方程式功率平衡方程式他励直流发电机他励直流发电机PCufPCuaPFePmec5.直流发电机直流发电机功率流程图功率流程图并励直流发电机并励直流发电机PCufPCuaPFePmec