電機(jī)與電力拖動(dòng)第1章直流電機(jī)2課件

§1-3直流電機(jī)的電樞繞組§1-4直流電機(jī)的磁場(chǎng)§1-5直流電動(dòng)機(jī)§1-6直流發(fā)電機(jī)§1-7直流電機(jī)的換向§1-3直流電機(jī)的電樞繞組繞組型式單疊繞組單波繞組電樞：轉(zhuǎn)子——機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐繞組是由許多線圈(下稱元件)按一定規(guī)律連接而成

電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分，在電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要的作用。電樞繞組須滿足以下要求：在能通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動(dòng)勢(shì)（或電磁力）前提下，盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。1.電樞繞組元件——線圈(1).2個(gè)元件邊：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分(3).上層元件邊、下層元件邊(4).首(出線)端、末(出線)端上層元件邊、下層元件邊處在不同極性的磁極下，即同一元件的上層元件邊、下層元件邊的距離約為一個(gè)磁極的距離。一、元件與節(jié)距2.節(jié)距：用來(lái)表征元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)節(jié)距第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yk第一節(jié)距y1——必須是整數(shù)用槽數(shù)來(lái)表示同一元件的2個(gè)元件邊在圓周上的距離。極距τ：2個(gè)相鄰磁極在圓周上的距離。用槽數(shù)來(lái)表示p為極對(duì)數(shù)*.本課程只討論：一個(gè)槽內(nèi)共放置2個(gè)元件邊*.元件數(shù)S=換向片數(shù)K，即S=K*.換向片數(shù)K=槽數(shù)Z*.S=K=Z1片換向片總接1個(gè)元件的上層元件邊和另1個(gè)元件的下層元件邊。1個(gè)元件有2個(gè)元件邊。1個(gè)槽放2個(gè)元件邊。(3)合成節(jié)距y——必須是整數(shù)用槽數(shù)來(lái)表示直接相連的2個(gè)元件的對(duì)應(yīng)元件邊之間在圓周上的距離。(4)換向節(jié)距yk——必須是整數(shù)每個(gè)元件的首、末2端所接的換向片在圓周上的距離。用換向片數(shù)來(lái)表示。yk=y二、單疊繞組

疊繞組：后1元件的端接部分緊疊在前1元件的端接部分上;yk=1的疊繞組稱為單疊繞組。例：Z=S=K=16，2p=4，接成單疊繞組1.計(jì)算節(jié)距yk=y=1y1=4y2=3(6).畫磁極，一般認(rèn)為在繞組的上方,寬度≈0.75τ(7).畫電刷：均布，與磁極同中心

（1）先畫16根等長(zhǎng)、等距的實(shí)線，代表各槽上層元件邊，再畫16根等長(zhǎng)等距的虛線，代表各槽下層元件邊。實(shí)際上一根實(shí)線和一根虛線代表一個(gè)槽，依次把槽編上號(hào)，如圖所示；（2）根據(jù)y1，畫出第一個(gè)元件的上下層邊（1～5槽），令上層邊所在的槽號(hào)為元件號(hào)；（3）接上換向片，1、2片之間對(duì)準(zhǔn)元件中心線，之后等分換向器，定出換向片號(hào)；（4）畫出第二個(gè)元件，上層邊在第2槽，與第一個(gè)元件的下層邊聯(lián)接；下層邊在第6槽與3號(hào)換向片聯(lián)接。按此規(guī)律，一直把16個(gè)元件全部聯(lián)起來(lái)。

（5）放磁極：磁極寬度約為均勻分布在圓周上，N極磁力線垂直向里（進(jìn)入紙面），S極向外（從紙面穿出）（6）放電刷：對(duì)準(zhǔn)在磁極軸線下，畫一個(gè)換向片寬（實(shí)際上K很多，電刷寬＝2～3片寬）。并把相同極性下的電刷并聯(lián)起來(lái)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷是靜止不動(dòng)的，電樞在旋轉(zhuǎn)，被電刷所短路的元件，永遠(yuǎn)都是處于電機(jī)的幾何中性線，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是接近零的。為使正、負(fù)電刷間引出的電動(dòng)勢(shì)最大，我們已知被電刷所短路的元件電動(dòng)勢(shì)為零，在元件端接線對(duì)稱的情況下，電刷的實(shí)際位置應(yīng)在磁極軸線下，習(xí)慣上稱為“電刷放在幾何中性線位置”，是指被電刷所短路的元件處于電機(jī)的幾何中性線。換向片上層邊下層邊5′6′7′4′5′3′8′1211631541231611544.單疊繞組的并聯(lián)支路圖5.單疊繞組的特點(diǎn)(1).同一磁極下各元件串聯(lián)成1支路；共2p條支路，并聯(lián)a=p(2).當(dāng)元件左右對(duì)稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對(duì)準(zhǔn)磁極的中心線時(shí)，正負(fù)電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小。(3).電刷的對(duì)數(shù)必須=極對(duì)數(shù)；電刷刷桿數(shù)=極數(shù)三、單波繞組單波繞組：合成節(jié)距(換向節(jié)距)≈2個(gè)極距、前后2元件串聯(lián)起來(lái)像波浪形。單波繞組的條件：pyk=K-1例：Z=S=K=15，2p=4，接成單波繞組1.計(jì)算節(jié)距2.畫繞組展開圖(1).畫Z個(gè)槽(2).畫一個(gè)元件(3).畫換向片(4).畫其他元件(5).換向片編號(hào)(6).畫磁極(7).畫電刷換向片上層邊下層邊11′10′9′5′4′6′8′7′8712635411514109111312下層邊4′3′2′13′12′14′1′15′上層邊11591014111312換向片876213544.單波繞組的并聯(lián)支路圖5.單波繞組的特點(diǎn)(1).上層邊在同一極性磁極下所有元件串聯(lián)成1支路；共2條支路，并聯(lián)

a=1(2).當(dāng)元件左右對(duì)稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對(duì)準(zhǔn)磁極的中心線時(shí)，正負(fù)電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小。(3).電刷的對(duì)數(shù)=1；電刷刷桿數(shù)=2；可采用全額電刷，即用P對(duì)電刷§1-4直流電機(jī)的磁場(chǎng)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式他勵(lì)直流電機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)串勵(lì)直流電機(jī)復(fù)勵(lì)直流電機(jī)

1.他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組由其他來(lái)源提供與電樞繞組沒(méi)有電的聯(lián)系永磁直流電機(jī)屬他勵(lì)電機(jī)永磁直流由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)If只有額定電流的5%以內(nèi)2.并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)勵(lì)磁電壓=電樞端電壓If只有額定電流的5%以內(nèi)3.串勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)勵(lì)磁電流=電樞電流=大4.復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有2個(gè)勵(lì)磁繞組1個(gè)與電樞繞組并聯(lián)——并勵(lì)繞組1個(gè)與電樞繞組串聯(lián)——串勵(lì)繞組積復(fù)勵(lì)差復(fù)勵(lì)

1.他勵(lì)式：勵(lì)磁電流由其他直流電源單獨(dú)供給，勵(lì)磁繞組和電樞繞組相互獨(dú)立。2.自勵(lì)式：顧名思義，勵(lì)磁電流由電機(jī)自身供給。而根據(jù)自勵(lì)方式即電樞繞組和勵(lì)磁繞組的連接方式的不同，自勵(lì)式又分為串勵(lì)式、并勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式;串勵(lì)式：電樞繞組和勵(lì)磁繞組相串聯(lián)，滿足：

并勵(lì)式：電樞繞組和勵(lì)磁繞組相并聯(lián)，滿足：

復(fù)勵(lì)式：在整個(gè)勵(lì)磁回路中，有兩套勵(lì)磁繞組，一套和電樞繞組相并聯(lián)，一套和電樞繞組相串聯(lián)，根據(jù)兩個(gè)勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)的關(guān)系，又可分為積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)：積復(fù)勵(lì)：串勵(lì)繞組和并勵(lì)繞組所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向一致，互相疊加，反之，叫做差復(fù)勵(lì)：

二.直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)空載運(yùn)行直流電機(jī)不帶負(fù)載(不輸出功率)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)空載電流相對(duì)額定電流而言，很小、常認(rèn)為=0空載磁場(chǎng)——主磁場(chǎng)主磁極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)1.主磁通和漏磁通磁通：由勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生**主磁通Φ0與電樞繞組匝鏈的磁通;**主磁路主磁極、氣隙、電樞齒、軛、定子軛**漏磁通Φs只與勵(lì)磁繞組匝鏈的磁通；

2.直流電機(jī)的空載磁化特性Φ0=f（If0）Φ0=f（Ff0）飽和：**磁阻非線性**磁阻變大**電機(jī)工作點(diǎn)選在磁路開始飽和的A點(diǎn)3.空載磁場(chǎng)氣隙磁密分布曲線氣隙δ極距τ=πD/(2p)磁極極靴的寬度≈75%τ氣隙磁密平均氣隙磁密

極靴下氣隙的遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極靴之外的氣隙。顯然，極靴下沿電樞圓周各點(diǎn)的主磁場(chǎng)將明顯大于極靴范圍以外，在兩極之間的幾何中心線處，磁場(chǎng)等于零。

對(duì)于這一點(diǎn)，可以通過(guò)數(shù)學(xué)形式來(lái)看一下：設(shè)電樞圓周為x軸，磁極軸線處為縱軸，又設(shè)電樞有效長(zhǎng)度為l，則離開坐標(biāo)原點(diǎn)為x的dx范圍內(nèi)的氣隙主磁通為：dΦx

=Bxldx

則空載時(shí)每極主磁通為：Bav為氣隙磁密的平均值

在額定狀態(tài)下，電機(jī)往往工作在飽和點(diǎn)附近，這樣既可以獲得較大的磁通，又不致需要太大的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，從而可以節(jié)省鐵心和勵(lì)磁繞組的材料。

負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)：

由于電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)，氣隙磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生變化，而這個(gè)變化的性質(zhì)將是我們下面研究的重點(diǎn)電樞反應(yīng)：電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)又根據(jù)其反應(yīng)方向的不同，分為交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)。二.電流電機(jī)的電樞反應(yīng)及負(fù)載磁場(chǎng)1.直流電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時(shí)，電樞繞組通有負(fù)載電流，由此產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa，F(xiàn)a與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff共同合成負(fù)載時(shí)的氣隙磁密，它與空載氣隙磁密分布不同。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。2.直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)**分析僅由電樞繞組的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。用右手螺旋定則可以電樞磁動(dòng)勢(shì)的方向。**電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa先分析只有1個(gè)整距元件Wc匝，電流ia，磁動(dòng)勢(shì)為iaWc設(shè)從電樞出、進(jìn)定子的磁動(dòng)勢(shì)為+可得1個(gè)繞組元件的磁動(dòng)勢(shì)如圖3個(gè)元件——3階梯波形很多個(gè)元件三角波形3.負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場(chǎng)1）物理中性線偏離了幾何中性線不考慮飽和，每極總磁通Φ不變電樞反應(yīng)的影響，使電樞表面磁密=0的物理中性線偏離了幾何中性線對(duì)電動(dòng)機(jī)，物理中性線逆著旋轉(zhuǎn)方向偏離了幾何中性線對(duì)發(fā)電機(jī)，物理中性線順著旋轉(zhuǎn)方向偏離了幾何中性線2）考慮飽和的影響考慮飽和的影響，半個(gè)極下減少的磁通大于增加的磁通，使每極總磁通減小。如電刷放在幾何中性線上，電樞反應(yīng)的影響：(1)是氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，物理中性線偏離了幾何中性線(2)考慮飽和的影響，半個(gè)極下減少的磁通大于增加的磁通，使每極總磁通減小。三.電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)指正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因：元件邊(導(dǎo)體)切割氣隙合成磁場(chǎng)氣隙合成磁場(chǎng)的分布是不均勻，每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是不同的。假設(shè)磁密是均勻的假設(shè)磁密是均勻的，取1個(gè)極下的平均值每個(gè)極下的1根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小相等

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)四.電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩公式§1-5直流電動(dòng)機(jī)一、直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基本關(guān)系式電壓平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式功率平衡方程式電動(dòng)機(jī)慣例反電動(dòng)勢(shì)Ea與U方向相反勵(lì)磁繞組與電樞繞組是并聯(lián)的1.電壓平衡方程式并勵(lì)電動(dòng)機(jī)2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式電磁轉(zhuǎn)矩T，與n同方向——拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩T0，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩軸輸出的轉(zhuǎn)矩T2，帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械(負(fù)載轉(zhuǎn)矩)，通常是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3.功率平衡方程式電磁功率Pem在電磁感應(yīng)作用下，由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的這部分功率稱為電磁功率。用Pem表示。體現(xiàn)了能量的互相轉(zhuǎn)換作用。功率平衡方程式他勵(lì)電動(dòng)機(jī)二、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性2.轉(zhuǎn)矩特性3.效率特性當(dāng)可變損耗pcu等于不變損耗時(shí)，效率η達(dá)到最大值。三、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性特點(diǎn)：反電動(dòng)勢(shì)Ea與U方向相反勵(lì)磁繞組與電樞繞組是串聯(lián)的總電阻反電勢(shì)串勵(lì)繞組電阻串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性2.轉(zhuǎn)矩特性起動(dòng)時(shí)，n=0,Ia很大四、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性工作特性由起主要作用的勵(lì)磁繞組決定；一般在并勵(lì)與串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性之間。積復(fù)勵(lì)有較高的啟動(dòng)能力、過(guò)載能力，可空載輕載運(yùn)行。§1-6直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)一、直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基本方程式他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)慣例：1.電動(dòng)勢(shì)平衡方程式2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式空載損耗轉(zhuǎn)矩由機(jī)械損耗、鐵耗引起拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩方向同n方向-n方向-n3.功率平衡方程式發(fā)電機(jī)的輸入功率P1，除小部分損耗外，大部分轉(zhuǎn)換為電磁功率，由機(jī)械功率電功率3.功率平衡方程式電磁功率，除去電樞回路的銅損耗外，其余部分輸出電功率發(fā)電機(jī)的輸出功率電樞回路的銅損耗3.功率平衡方程式他勵(lì)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗由輸入機(jī)械功率或其他電源提供發(fā)電機(jī)的效率二、他勵(lì)直流電發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性4個(gè)主要物理量：電樞端電壓U勵(lì)磁電流If負(fù)載電流I=Ia轉(zhuǎn)速n——一般保持為額定值不變運(yùn)行特性即：3個(gè)量，其中1個(gè)不變，其余2個(gè)物理量之間的關(guān)系。1.空載特性空載磁化特性飽和曲線空載特性磁滯現(xiàn)象、平均空載特性、剩磁電壓飽和現(xiàn)象、設(shè)計(jì)時(shí)工作點(diǎn)的選擇如果轉(zhuǎn)速不是額定值，則空載特性按比例變化2.外特性負(fù)載試驗(yàn)方法：1.IfIfN保持2.nnN保持3.I從0調(diào)節(jié)1.2IN2.外特性由于電樞反應(yīng)使磁通減小，使端電壓與電流的關(guān)系不是一條直線。發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載電流的增大而減小的程度電壓調(diào)整率重要性能指標(biāo)3.調(diào)節(jié)特性負(fù)載電流的增大端電壓下降，原因？調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流達(dá)到保持端電壓不變?nèi)?、并?lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程和自勵(lì)條件發(fā)電的條件機(jī)械拖動(dòng)n要有氣隙磁場(chǎng)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程和自勵(lì)條件并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)的三個(gè)條件1電機(jī)必須有剩磁2勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確3勵(lì)磁回路中電阻小于Rcr(稱為臨界電阻)四、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性空載特性該接成他勵(lì)方式后，測(cè)量得到空載特性，方法和特性曲線與他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)相同。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性2.外特性同一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，分別接成并勵(lì)方式、他勵(lì)方式，得到外特性分別如圖1、2曲線。3.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性五、復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性并勵(lì)繞組：電壓高線細(xì)、匝多串勵(lì)繞組：電流大線粗、匝少串勵(lì)繞組起輔助作用，并勵(lì)繞組起主要作用。積復(fù)勵(lì):過(guò)復(fù)勵(lì)、平復(fù)勵(lì)、欠復(fù)勵(lì)

一、換向概述1-7直流電機(jī)的換向?yàn)榱朔治龇奖慵俣〒Q向片的寬度等于電刷的寬度。直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過(guò)電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。電樞移到電刷與換向片2接觸時(shí)，元件1的被短路，電流被分流。如圖所示。電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。元件112一個(gè)元件被電刷短路前的電流是+ia，被短路一下，之后的電流是-ia，這種電流方向的改變，就稱為換向。1.直線換向(電阻換向)**只考慮接觸電阻，它與接觸面積成反比。**接觸電阻是均勻變化的。**換向元件的