电机与拖动基础

《电机与拖动》多媒体交互式教学课件《电机与拖动》多媒体交互式教学课件ELECTRICAL MACHINERY & TOWAGE Multimedia Interactive Teaching Courseware王卫东西安电子科技大学机电工程学院Wang WeidongSchool of Electro-Mechanical EngineeringXidian University第一章直流电机• 1.0 引言• 1.1 直流电机的基本工作原理和结构• 1.2 直流电机的电枢绕组*• 1.3 直流电机的磁场• 1.4 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率• 1.5 直流电动机的运行原理• 1.6 直流发电机的运行原理*• 1.7 直流电机的换向* •课后作业1.0 引言•直流电机是电机的主要类型之一。

一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。

•直流发电机是将机械能转换成直流电能而带动电解、电镀及直流电动机等负载。

直流发电机有逐步被可控整流电源所取代的趋势。

•直流电动机是将直流电能转换成机械能而带动生产机械运转。

由于其具有良好的起动性能和调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。

•除此之外，还可以作为测控元件，用于信号的传递。

譬如：==>作为测量元件-->直流测速发电机==>作为执行元件-->直流伺服电动机直流电机的用途t作电源用作动力用-直流发电机将机械能转化为直流电能-直流电动机将直流电能转化为机械能测量元件-直流测速发电机执行元件-直流伺服电动机将机械信号转换为电信号将控制信号转换为机械信号直流电机的优缺点★直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小；★直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑；★直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大；★直流电动机易于控制，可靠性高；★由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。

§1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流电机的基本工作原理将交流变成直流——整流——将直流变成交流逆变整流方式：电子式机械式直流电机采用机械式整流装置，称为换向器，包括电刷和换向片转动的铁圆柱体及其上的线圈合称为电枢(a) 整体结构(b) 电枢结构图3.1.1 直流电机的主要结构311直流发电机工作原理BBe afce afe ai afdabe afi a e =Blve=Blvee单个线圈的感应电动势波形电刷间的电动势波形实验表明，当每极下导体数大于81%时，感应电动势的脉动幅度已<1%实际直流发电机的电枢是根据实际2π一对极6个线圈的感应电动势波形需要有多个线圈。

线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。

磁极也是根据需要N 、S 极交替旋转多对。

Summary•(1) 电枢线圈的感应电动势e a及电流i a都是交变的，通过换向片及电刷的整流作用才变成两电刷间的直流电动势，使外部电路得到方向不变的直流电动势和电流；•(2) 在发电机中，电枢线圈中的感应电动势e a(称为电枢电动势)与其电流i a(称为电枢电流)的方向始终一致；(3) 虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空•(3)间上看，N极与S极下的电枢电流的方向不变，因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场；(4) 电枢电流i a与磁场相互作用产生电磁力f。

此电磁力f使转轴受•(4)到一个力矩T＝f·R(式中R为导体对转轴中心的半径)，称之为电磁转矩，其方向是与转子转向相反的，是制动性质。

•原动机要保持转子以恒速旋转，必须克服此电磁转矩使电枢做功，这样就把输入的机械能变成了电能输给负载。

直流电动机工作原理BBce afe afd abe ai afe a fi af =BliSummary•外加电压U及电流I是直流，但在电枢绕组内部，电流i a是交流。

(1)这是靠换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流；()•(2) 虽然电枢线圈是旋转的且电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所生的磁场也是一个恒定磁场；•(3)当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势e a，电枢电动势是交变的，而且方向与电枢电流i a的方向始终相反，故称之为反电势；•(4)在直流电动机中，转子是在电磁转矩的作用下才能旋转的，电磁转矩是拖动性质，所以电磁转矩输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。

实际中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。

二、电机的可逆原理电动机与发电机的区别：1. 电枢不用原动机拖动同一台直流电机，只要改变外界的条件，既可以当发电机运2. 电刷直接接到直流电源上行，也可以当电动机运行。

如果用原动机拖动电抠恒速旋转，就可以从两电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在两电则端外施直流电压、则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。

这种同一台电机由于外界条件的不同，既可作发电机也可作电动机运行的原理，不仅适用于直流电机，而且也适合于交流电机(感应电机和同步电机)，是电机理论中的普遍原理，称为电机的可逆原理。

三、直流电机的主要结构电枢主磁极刷架•现代的直流电机的结构是较为复杂而且形式多样，风扇机座换向器右图是一台小型直流电机的结构剖面图，它由定子(静止部分)和转子(转动部分)两大部分所组成。

•如图所示：• 1 风扇2 机座3 电枢• 4 主磁极5 刷架6 换向器•7 接线板8 出线盒•9 换向极10 端盖接线板端盖出线盒换向极机座主磁极(a) 直流电机结构简图主要组成定子9主磁极（励磁绕组主极铁心）9换向极（绕组和铁心）9机座9端盖9电刷装置转子9电枢绕组9电枢铁心9换向器9转轴、风扇电机剖面图定子－主磁极•主磁极——主磁极的作用是建立主磁场。

绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。

主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

•主磁极铁芯靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。

为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁芯采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。

主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。

主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S 极交替出现。

定子－换向极•换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运换向极绕组行时不产生有害的火花。

换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。

•换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有换向极铁芯不装换向极的。

换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

换向极定子－电刷装置、机座•电刷装置——是电枢电路的引出（或引入）装置它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示。

压紧弹簧连线•它与换向器配合，起到整流或逆变的作用。

•电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的电刷表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。

刷握用螺钉夹紧在刷杆上。

每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用电刷的结构刷握连线连在一起，再引到出线盒。

刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

•机座——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。

机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。

机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。

机座的两端装有端盖。

转子——电枢铁芯•直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。

•转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器，以及转轴、轴承和风扇等附件。

电枢铁心——电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。

为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压05mm夹紧而成，如右图所示。

小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。

为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

转子——电枢绕组•电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。

线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。

大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

有效部分端接部上层边线圈绝缘槽楔元件边层间绝缘槽绝缘上层导体下层边末端首端槽底绝缘下层导体转子——换向器•换向器——前面已经指出，在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。

换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如右所示。

每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。

小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。

•气隙——气隙是定子磁极和电枢之间自然形成的间隙，它是主磁路的一部分，气隙中的磁场是电机进行机电能量转换的媒介，气隙的大小对电机的运行性能有很大的影响。

小容量直流电机的气隙约为1-3mm，大容量的可达几毫米。

六、直流电机的额定值•额定值——是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。

在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能。

额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。

额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。

额定值说明：•⒈额定功率P N 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W” 为量纲单位。

若大于1kW 或1MW 时,则用kW 或MW 表示。

•⒉额定电压U N 指额定状态下电枢出线端的电压，以“V” 为量纲单位。

•⒊额定电流I N 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A” 为量纲单位。

•⒋额定转速n N 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min 为量纲单位。

•⒌额定励磁电流I f 指电机在额定状态时的励磁电流值。

•除此之外还有一些物理量的额定值，如额定效率、额定转矩、额定温升及额定励磁方式等。

•注意：对于直流发电机，P N 是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。