《电机学》学习笔记

总体基础：导线的感应电动势：e=Blv 电机感应电动势E=C Eφn=pN60a*φn导线所受电磁力：f=Bxli 电磁转矩Tem=pN2πaφIa=C TφI a电机内气隙磁场：F m=F a+F f1第一部分直流电机一、结构：定子为永磁极，为电机提供一个固定的磁场，成对出现。

绝大多数不采用永磁体，由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。

转子上面为电枢绕组。

电动机时，转子通以直流电压，经过换向器变在转子内部体现为每根导体上的交变电流，用以驱动旋转。

发电机时，由于转子切割磁场，电枢内每根导线上产生交变电流，通过换向器对外体现为直流电。

换向器通过电刷连接外电路。

电枢铁心用于固定支撑电枢绕组和导通磁路。

为了减少涡流损耗，采用0.5~0.35的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。

额定值：额定功率P N（W），额定电压U N（V），额定电流I N（A），额定转速n N（r/min）,额定效率η，额定转矩T N。

发电机：P N=U N*I N 电动机：P N=U N*I N*η额定值是电机运行的基本依据，一般希望电机按照额定值运行。

运行于额定值时称为满载。

运行时超过额定容量，称为过载。

运行远低于额定容量，称为轻载。

过载使电机过热，降低使用寿命，甚至损坏电机，应避免。

轻载浪费容量和降低了效率，不建议采用。

二、直流电机分类和通用方程1、分类：他励：励磁电流和电枢电路采用不同电源。

并励：励磁绕组和电枢并联串励：励磁绕组和电枢串联复励：电机里同时存在并励绕组和串励绕组。

并励和串励绕组磁动势相加称积复励，相减称差复励。

并励绕组与电枢绕组并接，串励绕组与电枢串接，称短复励。

并励绕组与串励绕组串联后与电枢绕组并联，称长复励。

2、直流电机可逆性：当电机以较高转速n旋转时，产生E>U，则电机电枢电流与E同向，电磁转矩Tem与n反向，电机为发电机运行状态。

当电机以较低转速n旋转时，产生E<U，则电机电枢电流与E反向，电磁转矩Tem与n同向，电机为电动机运行状态。

在不同的外部条件下，一台电机的转换能量方向可以改变的性质，无论是交流电机还是直流电机都具有这种性质，称为电机的可逆性。

3、直流电机方程：（1）电动势平衡方程：发电机： E=U+Ia*Ra 电动机：U=E+Ia*Ra（2）功率平衡方程:电磁功率的概念：电枢绕组感应电动势E 与电枢电流Ia 的乘积。

P em =E*Ia 发电机： EI a =UI+UI f +I a 2R aEI a ——发电机电磁功率UI ——发电机输出功率UI f ——发电机励磁回路电阻损耗I a 2R a ——发电机电枢回路内电阻损耗，即铜损电动机： P= U （Ia+If ）= EI a +UI f +I a 2R a(3)转矩平衡方程： 发电机：P1Ω=Pem Ω+P0Ω 电动机： Pem Ω =P2Ω+P0Ω （4）效率：η=P2P1=P1−Σp P1三、几种电机的运行特征运行特征：讨论端电压U 0、电枢电流I 或者输出电流I 、励磁电流I f 与转速n 之间的三个量中其余不变时，任意两个量之间关系。

1、他励发电机（1）空载特性曲线为n=常数，I=0时，U0=f(I f)的关系曲线。

当励磁电流I f=0时，发电机仍然有一个很小的电压，称为剩磁电压，值约为额定电压的2%~4%。

（2）负载特性曲线为n=常数，I=常数时，U0=f(I f)的关系曲线。

两条曲线在同一励磁电流下，电压不等。

产生原因是：1、电枢反映的去磁（或助磁）作用；2、电枢回路总电阻引起的电压降。

（3）外特性曲线为n=常数，I f=常数时，U=f（I）的关系曲线。

随着负载电流增大，输出端电压下降。

这是由于电枢回路总电阻引起的电压降和电枢反映的去磁效应。

当负载电流大大超过额定值时，发电机端电压降的很低。

极端时，负载电阻为零，由于电枢电阻很小，短路电流很大，使发电机损坏。

需要设置短路保护设备。

（4）调节特性为n=常值，U=常值时，I f= f（I）的关系曲线。

当负载电流增大时，要保持端电压不变，需要增大励磁电流，以补偿电阻压降以及电枢反应增加的去磁作用。

2、并励发电机并励发电机的自励条件（同样适用于复励发电机）：（1）电机应有剩磁。

即主磁极存在部分磁场，使电枢在旋转过程中产生电压。

（2）励磁绕组并接到电枢的连接方法与电枢的旋转方向正确配合。

剩磁产生电压能够使励磁绕组磁场增加。

这样可以使主磁极磁场增大。

（3）励磁回路电阻小于电机运行转速对应的临界电阻。

在发电机正常转速下，电枢绕组产生的电压足以激发足够的磁场，使发电机工作稳定。

即U0>I f R f时，自己可以成立。

外特性曲线见图。

当负载电流增加时，并励发电机端电压比他励发电机下降快。

因为他励发电机在负载电流增加爱时，端电压下降是由于电枢回路电阻压降和电枢反应的去磁作用。

而并励发电机要加上端电压下降造成励磁电流的减小。

并空载和负载特征曲线外特性曲线调节特性励发电机电压调整率一般为20%左右。

外特性曲线的意义包括：当负载电阻下降时，I=U/R 增大，电机磁路接近饱和状态，I=I a+I f，I f的减小对于U作用不大。

当电流I增大到临界电流I cr后，I f减小到不足以使磁路饱和，其减小使U降低很快，导致I进一步减小，一般并励发电机临界电流I cr约为（2~3）I N。

并励发电机稳定短路电流很小，当负载短路时，电枢里只有剩磁产生的电动势。

但是，当发生突然短路时，由于励磁线圈并联于电枢绕组两端，由于其电感效应，是励磁电流和励磁磁通不能立即为零，短路电流将达到（8~12）I N。

故并励发电机需要安装短路保护设备。

3、复励发电机复励发电机中并励绕组起主要作用，以保证空载时产生额定电压，串励绕组用来补偿负载时电枢回路的电压降和电枢反应的去磁作用。

若要求额定负载时端电压保持为额定电压，称为平复励。

串励绕组过度补偿，使负载时端电压比额定电压高，称过复励。

差复励电机中，由于负载时串励绕组的磁动势是电机磁通和电动势进一步减小，使得外特性急剧下降，可以作为恒电流电源使用，如直流电焊机。

4、直流电动机4.1 并励电动机令U=U N=常数，I f=I fN=常数。

1、速度特性：n=U−IaRaCeφ转速调整率：Δn=n0−nNnN×100%由于U与If为常值，影响转速的两个因素（电枢回路电阻压降造成转速下降，电枢反应的去磁作用是转速上升）互相抵消，使并励电动机转速变化很小，具有略为下降的速率特征。

并励电动机，转速调整率通常为Δn=3%~4%，基本上为恒速电动机。

并励电动机运行时，励磁绕组绝对不能断路。

在重负载下断开励磁绕组，导致磁通急剧减小，Tem= C TφI a急剧减小，电动机停转，反电动势为零，电枢电流很大，电机过热以至烧毁。

在轻载下断开励磁绕组，根据速度特性方程，转速急剧上升，造成电动机“飞速”，损坏转动部件。

2、转矩特性：U=U N=常值，I f=I FN=常值时，T em=f（P2）的关系曲线T em=T0+T2=T0+P2/Ω其中：T0为空载转矩，T2= P2/Ω=P2/(2πn/60)为一条通过坐标原点的直线，由于P2增加时，n稍有下降，故而直线略微向上弯曲。

4.2串励电动机注意If=Ia1、速率特性：负载增加时，转速下降的很快串励电机不允许空载运行。

串励电动机空载或轻载时，Ia=If很小，φ也很小，由转速公式可知，转速将非常高而引起危险，俗称“飞速”。

物理过程是：由于磁通量很小，电枢必须以非常高的转速才能产生足够的反电动势来与端电压平衡。

为了防止意外，规定：串励电动机与生产机械连接时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，应使用齿轮或直轴联轴器传动。

由于串励电动机不允许空载运行。

根据规定，串励电动机的转速调整率定义为1/4负载（不是空载）时转速与额定转速的差值。

2、转矩特性： 串励电动机的转速n 随着P2的增加而迅速下降，电磁转矩Tem 将随着负载的增加而很快上升。

一般情况下，转矩按照大于电流一次方的比例增加。

串励电动机有较大的起动转矩。

过载时，转速n 自动下降，输出功率P2变化不大，保护电动机不至于因过载而损坏。

负载减轻时转速会自动上升。

3、复励电动机：为了避免运行不稳定现象，通常接成积复励形式。

复励电动机中的并励绕组起主要作用时，它的工作特性接近于并励电动机。

当电枢反应的去磁作用较强时，仍能够获得下降的速率特性，从而保证了电动机的稳定运行，这种复励电动机的复励电动机的串励绕组常称之为“稳定绕组”；复励电动机中的串励绕组起主要作用时，它的工作特性接近于串励电动机，但空载时不会出现“飞速”的危险。

5、直流电动机机械特性U=U N =常值，励磁和电枢回路电阻不变时，转速与电磁转矩之间关系曲线n=f （Tem ）称为直流电机的机械特性。

其中电枢回路不串调节电阻使称为自然机械特性，串入调节电阻时，称为人工机械特性。

n=U Ce φ-Ia （Ra+Rj ）Ceφ=UCe φ-Ra+RjCeCTφ2Tem并励电动机中，自然机械特性很接近于水平线，Tem 增加时，n 下降不多，称为硬机械特性。

串励电动机中，电磁转矩Tem 增大时，转速迅速下降。

称为软机械特性四、直流电动机的起动、调速和制动（一）、起动1、直接起动（用在容量很小的电动机中）起动电流Ist=U−e Ra ≈U Ra 起动转矩 Tst=C T φIst优点：不必增加起动设备，操作简单，起动转矩很大缺点：起动电流很大，可达10~20倍额定电流，影响电网电压并使换向器产生强烈火花。

2、电枢回路串接变阻器起动（用于小容量电动机中）起动时将起动电阻串入电枢回路以限制启动电流，当转速上升后再逐步将启动电阻切除。

起动电流Ist=URa+Rast3、降压启动（用于经常启动的大容量直流电动机中）通过降低电动机的电枢端电压来限制起动电流。

降压启动要求有专用的直流电源，过去采用发电机——电动机组形式，现多采用可控硅整流器——电动机组形式。

起动过程中，可以逐步提升电源电压，使电动机组转速按照需要的加速度上升，以控制启动时间。

降压启动电动机应采用他励，使启动时电动机的励磁电流不受端电压影响，启动转矩不致于过小。

优点：起动电流小，起动过程中能量消耗少，能够达到调速和正反转的目的。

缺点：机组投资费用较大。

4、改变电动机转向：将励磁绕组或电枢绕组两极对调。

如同时两个对调，则转向不变。

（二）调速n=UCeφ-Ia（Ra+Rj）Ceφ=UCeφ-Ra+RjCeCTφ2Tem1、改变励磁电流调速，改变φ。

由于负载转矩不变，则电磁转矩不变，电枢电流与磁通成反比例。

减小励磁电流时可以使电动机转速升高，电枢电流将增加，则输入、输出功率将同时增加，电动机的效率几乎不变。

优点：效率高，设备简单，调节方便缺点：随着转速和电枢电流的增加，电抗电动势增加，使换向条件恶化。