1、电机与拖动基础 电机与拖动基础绪论 绪论 学习方法 所需基本知识 意义 课程内容绪论意义 绪论意义 电机： 与电能有关的能量转换机械， 是实现电能的生 产、变换、传输、分配、使用和控制的电磁机械装置绪论 绪论 电能的生产、传输和分配 1. 电能的生产、传输和分配绪论驱动生产机械和装备 绪论驱动生产机械和装备 2. 2. 驱动生产机械和装备 驱动生产机械和装备 拖动生产机械如金属切削、矿山机械、交通运输机 械、起重机械、化工机械、农用机械、电动工具、 家用电器等绪论 绪论 控制系统和智能化装置的重要元件 3. 控制系统和智能化装置的重要元件绪论电机的分类 绪论电机的分类 电机 动力类 控制电机
2、变压器 直线电机 旋转电机 电动机 发电机 异步电机 同步电机 电动机 发电机 电动机 发电机 自动控制系统中的 执行元件、检测元 件绪论电机拖动的分类 绪论电机拖动的分类 电机拖动 具有良好的起、制 动性能，平滑调 速。 世界电力拖动研究 的中心。逐渐取代 直流拖动 交流电机拖动 直流电机拖动绪论课程性质 绪论课程性质 定位： 十分重要的专业基础课 目标 ： （1）分析电机运行的基本原理 （2） 分析直流电机、交流电机、变压器和 一些控制电机的运行性能绪论课程内容 绪论课程内容 课程内容： 直流电机：结构、绕组、性能； 变压器： 等效电路； 交流电机绕组、电势和磁势； 异步电机： 结 构，
3、特性、调速 同步电机： 结 构、性能绪论基本知识 绪论基本知识 电学、磁学和动力学原理的综合运用 直流和交流电路分析原理 磁路定律 电磁关系 电、磁和力的关系 力学定律 能量转换和守恒定律 材料的特性绪论基本名词 绪论基本名词 电流、电压、电阻； 磁通、磁场密度 B、磁场强度 H、磁动势 F ； 磁阻、磁导； 磁滞、涡流；绪论电路分析 绪论电路分析 交、直流电路分析 欧姆定律： 基尔霍夫定律 R I U = = 0 i u = 0 i i绪论磁路分析 绪论磁路分析 磁路欧姆定律： 基尔霍夫定律 F R F S l F m m = = =/ = i H F i = 0 i 绪论电磁定律 绪论电磁
4、定律 电磁感应定律 全电流定律： = l I dl H dt d N dt d e = = v l B e =绪论电、磁和力的关系 绪论电、磁和力的关系 右手定则： 导体在磁场中运动产生电势. e B v B f i 左手定则： 载流导体在磁场中受到的 电磁力。绪论力学定律 绪论力学定律 直线运动和旋转运动的动力学定律 r F M = 力和力矩的关 系： 旋转运动： = dt d J M绪论能量守恒 绪论能量守恒 输入能量输出能量损耗储备绪论材料特性 绪论材料特性 导电性、导磁性 磁化曲线、磁滞现象 H B 0 上升曲线和下降曲线不重合 剩磁、矫顽力 0/ H/m 10 4 -7 0 = 真空
5、的磁导率： = r 相对磁导 率：绪论材料特性 绪论材料特性 饱和性 磁滞损耗、涡流损耗 Bf （H ） H B f （H ） 0 2 , m n B f p 1.6 1.2 , 2 = m Fe B f p绪论学习方法 绪论学习方法 综合性 各种规律同时作用、多个物理量互相影响。 实用性 主次之分， 具体条件作具体分析。绪论参考书 绪论参考书 电机与拖动基础 电机学 电机学习题集第一章 直流电机 直流电机的基本原理和结构 直流电机的电枢绕组 直流电机的磁场 直流电机的电枢电动势、电磁转矩 和电磁功率 直流电机的换向直流电机的用途 电源 励磁机 测速 伺服直流电机的特点 直流发电机的电势波形较
6、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，热动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高一、直流电机的结构 11 直流电机的原理和结构定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电刷和换向器结构直流电机电刷结构直流电机的基本结构总结 主要由定子、转子两部分组成 直流电机 定子 转子 机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 轴承 换向器 风扇 转轴 电枢绕组二、直流电机的工作原理 磁场定义直流电机的物理模型电势正方向：abcd B+,A- 1 直流发电机的工作原理 （1）、换流过程 a b c d A B a b c d A B d c
7、a b A B 电势正方向： 电势正方向： dcba B+,A-（2）直流发电机运行时的几点结论 1. 电枢线圈内电势、电流方向是交流电； 2. 电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一 致； 3. 从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不 变的磁场； 4. 产生的电磁转矩M与转子转向相反，是制动性质；2 直流电动机的工作原理 （1）、换流过程 a b c d a b c d d c a b 电流正方向：dcba 转矩方向：顺时针 电势方向：abcd 电流正方向：dcba 转矩方向： 电势方向： 电流正方向：abcd 转矩方向：顺时针 电势方向：dcba（2）直流电动机运行时的几点结论
8、 1. 外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流； 2. 线圈中感应电势与电流方向相反； 3. 线圈是旋转的，电枢电流是交变的。 电枢电流产 生的磁场在空间上是恒定不变的； 4. 产生的电磁转矩M与转子转向相同，是驱动性质；直流电机的可逆原理 同一台直流电机， 通过改变外界条件， 可当发电机运行， 也可当电动机运行。三、直流电机的额定值 额定容量P N ：输出功率 额定电压U N ：额定状态下出线端电压； 额定电流I N ：额定状态下出线端电流； 额定转速n：额定状态下的电机转速 直流发电机： P N U N I N 直流电动机： P N U N I N 直流电机的铭牌数据1-2 直流电机电
9、枢绕组 对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前 提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电 气、热），运转可靠，结构简单等。 电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的 枢纽。绕组实物图电枢绕组的形式 环形绕组 鼓形绕组 叠绕组 波绕组y=y1-y2 有关电枢绕组名词、术语 元件： 第一节距y1 极距：铁心表面， 一个极所占的距离。 第二节距y2 合成节距y： 换向器节距 yk： 极轴线：磁极中心线 几何中心线：磁极之间的平分线基本绕组形式 基本绕组形式 一、单迭绕组： 迭：两个相临联接的元件，后以元 件的端部紧迭在
10、前一元件的端部。 单：首末端相联的两换向片相隔 一个换向片的宽度。 特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同 y=y k =1单迭绕组分析实例 1。数据计算： yy k 1 计算数据y和y1 画绕组展开图 安放电刷和磁极 实例： P2， ZSK16 4 2 2 16 2 1 = = = = p Z y 1 单迭绕组展开图 1.槽展开 2.绕组放置 3.安放磁极电刷 1234567891 01 11 21 31 4 16 15 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 15 槽展开 绕组放置 安放磁极、电刷 NS N S + + 展开图（2 ） 1 123456789
11、1 01 11 21 31 4 16 15 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 15 NS N S + + 绕组放置 元件1： 上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=5即6槽下 层。 元件2： 上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=5即7槽下 层。 以此类推某一瞬间电刷、磁极放置 磁极：磁极宽度约0.7 , 均匀分布，N、S极交替安 排。 电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大 直流电势以及产生最大的电磁转矩， 电刷放在被电 刷短路的元件电势为零的位置。 电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。 在 磁极的几何中心线上电势为零。 电刷
12、放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线 对准的换向片上。元件连接顺序图 绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。电路图 电路图 结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图 每个极下的元件组成一条支路。 即单迭 绕组的并联支路数正好等于电机的极数。 这是单迭绕组的重要特点之 一。单迭绕组的特点 单迭绕组的特点 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 并联支路数等于磁极数， 2a=2p; 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为 零， 绕组内部无换流； 每条支路由不相同的电刷引出， 电刷不能少， 电刷数 等于磁极数; 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势， 电枢 电压等于支路电压;
13、由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和， 即 a a ai I 2 =二、单波绕组 波绕组：首末端所接的两换 向片相隔很远，两个元件紧 相串联后形似波浪。 为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件边应 处于相同磁极极性下，即合成节距 2 , 2 y y 单波绕组： 换向片极距y k 必须符合 即 1 = k y P k C P k y k = = 1 为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后回到 原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。单波绕组 实例：P2， Z=SK15 左单波绕组 计算数据y和y1 画绕组展开图 安放电刷和磁极 1。绕组数据计算 3 4 3 4 15
14、2 1 = = = p z y 7 2 1 15 1 = = = = p K y y k m 4 3 7 2 1 = = = y y y元件、磁极、电刷放置原则 元件、换向片的放置： 1 元件上层边1 槽， 下层边4 槽;首末端所连 的换向片相距yk7； 为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的 中心线与1元件的轴线重合。 1 元件上层边 所连的换向片定为1 。 依次联接。 磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。 电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。单波绕组展开图 单波绕组展开图 3 3456789 1 1 10 12 13 14 15 2 1 4 5 6 7 8 9 10 11 1
15、2 13 14 15 1 2 N S SN 槽展开 绕组放置 安放磁极、电刷单波绕组元件连接顺序图 单波绕组元件连接顺序图 从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成 一个闭合回路的顺序是： 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 用联接顺序图表示为： 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 上层边 下层边单波绕组电路图 单波绕组电路图 单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。 由 于磁极只有N、S之分， 所以单波绕组的支路对数a与极
16、对数多 少无关，永远为1，即a1。 7 14 61 3 15 10 3 11 4 2 5 12 8 9 1 12 5 4 15 1 8 9单波绕组的特点 同极性下各元件串联起来组成一条支 路，支路对数a1，与磁极对数p无关。 当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向 器表面上的位置对准主磁极中心线，支 路电动势最大。 电刷组数应等于极数（采用全额电刷）; 电枢电流 I a 2i a 。直流电机绕组的归纳 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路. 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁 极数(2p)是一个偶数. 注：a支路对数 p极对数 为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上 的导
17、体相接触。单迭绕组和单波绕组的区别 单迭绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元 件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对 支路。 2a2p。 迭绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数 少，适应于较大电流、较低电压的电机。 单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件 相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2。 波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数 多，适用于较高电压、较小电流的电机。1-3 直流电机的磁场 直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以 直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不 同的联接，决定了不同的励磁方式。 不同的励磁方式，电机的性能将不同。
18、一、励磁方式励磁方式 他励 串励 并励 复励 永磁材料励磁 IIa II a I f I=I a +I f I=Ia Ifc=Ia,I=Ia+Ifb; I=Ifc=Ia+Ifb直流电机的磁场和磁路 磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、附加极绕 组、补偿绕组共同产生。励磁绕组起主要作用。 （1）线圈套在铁心上产生磁场。磁力线集中在铁磁 物质内。 （2）磁路：使磁力线集中经过的路径。 （3）磁路计算： = I dl H r = n k k IW l H 1 S B = B H =二、空载时磁场分布 直流电机空载时的磁场分布 磁路从气隙1出发经电枢齿 电枢轭电枢齿2气隙2 主磁极2定子轭主磁
19、极1， 最后又回到气隙1磁通、磁路 主磁通、主磁路：由N极出 发， 经气隙进入电枢齿 部，经电枢铁心的磁轭到另 外的电枢齿，通过气隙进入 S极，再经定子轭回到原来N 极。 主磁通交链励磁绕 组和电枢绕组， 在电枢绕组中感应 电势，产生电磁转 矩。 漏磁通、漏磁路：不进入 电枢铁心，直接经过相邻 的磁极或定子轭。 影响饱和 程度主磁通和漏磁通 主磁通 0 和漏磁通 由同一磁动势建 立； 0 所走的路径气隙小，磁阻小； 漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大； 漏磁系数: ; 1 0 + = k 0 0 k p = + =励磁磁势的计算 * 磁路：两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个 主极铁心和一个定子
20、轭。 = x x L H F 磁 势： 计算方法：1。先求经过某一段的磁通； 2。根据该段的截面积S X 计算该段的磁密 B X ； 3。由Bx在磁化曲线上查H X 。气隙磁场 在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一 样，B 大小完全与气隙长度成反比。 引进极弧系数b p 和气隙卡氏系数 主磁场磁密的分布 在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均 匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在 此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐 渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁 密等于0。空载磁化曲线 磁化曲线：表示空载主磁通 0 与主极磁动势F f 之间 的关系曲线， 0 f（ F f ）。通过实验或计算得 到。 0
21、F f 直线，不 饱和部分 膝点 饱和部分 F 0 F 0 F F k = (约1.11.35)三、直流电机负载时磁场 主极磁场 电枢磁场 合成磁场电枢磁场、电枢反应的定义 直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电 流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁 场的影响就称为电枢反应。 当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁 场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出 现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。 各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电 刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势 的轴线总是与电刷轴线相重合。1. 交轴磁势 与主极轴线正交的轴线通常称为交轴 与主极轴线重合的轴线称为直轴；2
22、直轴磁势 电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴分量3 交轴电枢反应 N S 主极产生磁场的磁密波形 ) 2( 2 1 x D Ni F a a ax = ax ax F B = 0 电枢绕组产生磁场的磁密波形 合成磁场的磁密波形4 直轴电枢反应 增磁与去磁与电刷的旋转角度有关。 若电机为发电机时，电刷顺转向移动角。 直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小 角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将 是去磁的。 而直流发电机的电刷若是逆转向偏移 一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的 作用将是增磁的。直流电机的电枢反应 电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙 磁场的影响。 具体表现：
23、使气隙磁场分布发生畸变； 使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线 与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生 偏转； 呈去磁作用14 直流电机的感应电势 和电磁转矩 一、直流电机的电枢电势 电枢电势：直流机正、负电刷之间的感应电势， 即每个支路里的感应电势。 计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁 密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。直流电机的感应电势 具体计 算： 一根导 体： v l B e i av av = B av ：平均磁密；li：导体长 度；v：电枢旋转线速度 60 2 n p v = n：电枢旋转速度（r/min) i av l B = ：每极磁通 支路电 势：
24、n C n a pN n p l l a N e a N E e i i av a = = = = 60 60 2 2 2 Ce：电势常数 N：总导体数电枢电势的认识 n Ce n a pN E a = = 60 一台制造好的电机，它的电枢电势(V)正比于 每极磁通（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分 布无关。 对电枢电势的认识：二、电磁转矩 一根导体的平均电磁 力： a i av av i l B f = a I i a a 2 = 作用在电枢上的总电磁 力： N i l B N f f a i av av = = 电磁转 矩： 2 2 D N i l B D f M a i av e
25、m = = p D 2 = a M a a i i em I C I a pN p N a I l l M = = = 2 2 2 2 C M : 转矩常数电磁转矩的认识 a M a em I C I a pN M = = 2 一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极 磁通和电枢电流，与磁密分布无关。 电势常数Ce和转矩常数C M 决定于结构常数。 它们的关系为： 2 60 = e M C C三、电磁功率 电枢电功率 = = = = em a M a e a a em M I n C I n C I E P 60 2 直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应 作用，转换成轴上的机械功率；
26、直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的 机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的 电功率。 机械功率1-5 直流电动机 直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复 励。 以并励为例推导直流电动机的基本方程式。 各物理量正方向的规定： 电枢电动势Ea与电流Ia方向相反； 电磁转矩Mem与转速n方向一致。 R a r f I a I f I E a M em ,n U r 一、基本方程式 （1）电势平衡式 电枢回 路： ) ( + + = R R I E U a a a f f f f R I r r I U = + = ) ( U E a 重要的转速公式 Ce R R I U
27、n a a ) ( + =基本方程式 （2）转矩平衡式 M em M 0 M 2 M Z M 2 ：输出转矩; M 0 :空载制动转矩;M Z :总负载转矩 推论： （1 ） M Z a C M I = ，若制动M Z 不变， 不变， 稳定后的I a 不 变。 （2） 实际空载时， Ia 0。（3）功率平衡式 电动机从电源输入的电功率为： cuf cua em f a a a a f a a a a p p P UI R R I I E I U I R R I E I U P + + = + + + = + + + = = ) ( ) ( 2 1 ad mec fe p p p p + + =
28、 0 0 2 0 2 ) ( p P M M M I E P em a a em + = + = = = n = 60 2 功率平衡式 直流电动机的功率平衡式： + = + + + + + = p P p p p p p P P ad mec fe cuf cua 2 2 1% 100 ) 1 ( % 100 2 1 2 + = = p P p P P 效率：二、 直流电动机的工作特性 工作特性， 是指在UU N ，I f I fN 时， 转速n、电磁转 矩M和效率随输出功率P 2 而变化的关系。即 ) ( , , 2 P f Mem n = 或 ) ( , , a I f Mem n = 还
29、研究n与Mem之间的关系， 即机械特性。nf（M em ）Ia n 并励（他励）电动机转速特性 fN f N I I R U U = = = , 0 , 时 ， ) ( a I f n = 的关系为转速特性。 a a a a N I Ce R n I Ce R Ce U n = = 0 n 0 ： 理想空载转速 根据转速公式，可得 ; 0 Ce U n N = 转速下降不多， 考虑电枢发应， 有可能升高。Ia Mem 并励（他励）电动机转矩特性 根据转矩公式： a M a M em I C I C M = = 或者 60 / 2 2 n P M em = 考虑去磁， 曲线有所下 降。并励（他励
30、）电动机效率特性 当UU N ，I f I fN 时， ) (Ia f = 的关系叫效率特性。 % 100 ) ) ( 1 ( % 100 ) 1 ( 2 1 + + + + + = = f a N a a ad mec fe cuf I I U R I p p p p P p 其 中， ad mec fe cuf p p p p + + + 为不变损耗 a a cua R I p 2 = 为可变损耗并励（他励）电动机效率特性 与Ia之间存在二次关系， 效率曲线 存在一个最大值。 0 = a dI d 令可 得 N fN I I 忽略励磁电流 a a ad mec Fe cuf R I p p
31、 p p 2 = + + + Ia % 100 ) ) ( 1 ( % 100 ) 1 ( 2 1 + + + + + = = f a N a a ad mec fe cuf I I U R I p p p p P p 电动机效率特性 结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗 时， 此时效率最高。 推论： （1）额定运行时总损耗 ； （2）可从额定数据来估算电枢回路总电 阻。 a N R I p 2 2 = 2 2 1 N N N N a I P I U R = 上述结论和推论具有普遍性Mem n 并励（他励）电动机机械特性 机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规 律。 a M em
32、E a a E a a a R C M n C R I n C R I E U + = + = + = 从可 得 em M E a E M C C R C U n 2 = 2 M E a C C R 机械特性是稍下降的直线， 计及饱 和， 成为水平或上翘。并励（他励）电动机机械特性 从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍 有变化， 该特性称为硬特性。 用转速变化率来表征： % 100 % 0 = N N n n n nIa n 串励电动机转速特性（ ） e a a e N a a N C R I C U I Ce R Ce U n = = 根据转速公式，可得 ) ( a I f n = 串励
33、电动机的特点 ， a f f f I K I K = = f a I I I = = 特点：重载时， n很小；轻载时，飞 车。 结论：串励电动机不允许在小于1520的额定负载下起动。Ia Mem 2 a M a a f M a M em I C I I K C I C M = = = 串励电动机转矩特性Mf （I a ） 根据转矩公式： 特点：串励电动机有较大起动转 矩与过载能力。大负载时，该曲 线接近直线变化。 结论：适用于重载起动的场合， 不 允许在空载和很轻负载下运行。Mem n 串励电动机机械特性 ) ( 1 s a em f M f E R R U M K C K C n + = a
34、 s a E s a a E s a a a I R R n C R R I n C R R I E U ) K ( ) ( ) ( f 从电压方程 + + = + + = + + = 以及 a M em I C M = 得 转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化，该特性称为软特性。Ia n 复励电动机的工作特性 复励是串励和并励共同合成得励磁方 式。 并励起主要作用， 接近并励特 性； 串励起主要作用， 接近串励特 性； 他励 串励 复励直流电动机的总结 （1）三个平衡式， 以及UE的电动状态判据。 （2）不同励磁方式对工作特性的影响。1-6 直流发电机 直流发电机的励磁方式可以是他励、并励和复
35、励。 以并励为例推导直流发电机的基本方程式。 各物理量正方向的规定： 电枢电动势Ea与电流Ia方向一致； 电磁转矩Mem与转速n方向相反， 为制动转矩。 R L R a r f I a I f I E a M em U r n一、基本方程式 （1）电势平衡式 电枢回 路： a a a R I U E + = f f f f R I r r I U = + = ) ( E a U （2）转矩平衡式 M 1 M 0 M em M 1 ：输入转矩; M 0 :空载制动转矩 （3）功率平衡式 + = em M M M 0 1 n = 60 2 功率平衡式 空载损耗功率 p 0 ： ad Fe mec
36、p p p p + + = 0 p mec ：机械损耗; p Fe : 铁心损 耗； p ad ： 附加损耗 em P p P + = 0 1 P 1 ：输入功率; p 0 ：空载损耗功率; P em ：电磁功率 电磁功率P em ： a em em I E M P = = a a f a a a a a a em R I UI P R I UI I R I U P 2 2 2 ) ( + + = + = + =功率和效率 ad p p fe p cuf p cua p P p P P mec em + + + + + = + = 2 0 1 功率平衡式： 效率： % 100 ) 1 ( %
37、100 1 1 2 = = P p P P 二、 发电机的运行特性 直流发电机的四个基本物理量： U、I、I f 、n。（n由原动机拖 动，保持不变） 运行特性：在U、I、I f 之间，保证其中一个量不变，另外两个物 理量之间的函数关系。 主要特性： （1）n常数， I常数， Uf（I f ）；负载特性 （2）n常数， I f 常数，Uf（I）；外特性 （3）n常数， U常数，I f f（I）；调节特性(1) 空载特性 负载特性uf(I f )在负载电流I0时， 即为空载特性。 空载 时， a E U = n C E e a = n等于常数 a E ) ( ) ( 0 f f I f I f
38、u = = 空载特性实质即为磁化曲线 确定磁路和运行点的 饱和程度空载特性 U o f（I f ） 空载特性可以通过实验的手段得到。 调节r I f 单调增长 U=1.11.3 U N I f 单调减小至0 I f 反向单调增长 U=（1.11.3）U N I f 单调减小至0 U f G A V rI U 外特性 Uf（I） 外特性也可以通过实验的手段得到。 调节R L I从零增至额定值 a a e a a a R I n C R I E U = = 1 他励 1 2 并励 2 n不变 I f 不变 G A V r R L电压调整率 从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表 示。 % 1
39、00 0 = N N U U U U U 0 是空载时的端电压， 一般他励直流发电机的电压 变化率约为510%。I I f 调整特性 I f f(I) 转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电 机的端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流增 大，励磁电流也增大。 I=I N ,U=U N 时的I f ，称为额 定励磁电流。 I N I fNI U G A V （3）并联发电机的自励条件和特性 f a I I I + = “自励发电机”，I f 15 dt dI L R I U f f f f + = 0 自励过程： ) ( f f f I f R I = ) ( 0 f I f U = )
40、( f f R I dt dI f U 自励特征 发电机自励时的稳定点为励磁回路伏安特性曲线与空 载特性的交点。 电机的转速发生变化， 励磁 回路伏安特性曲线发生移 动， 稳定工作点发生改变。 不同的转速， 具有不同的临 界电阻自励的条件 （1）电机必须有剩磁。 可通过“充磁” （2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合， 使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致 （3）励磁回路的电阻应小于与电机转速相对应的 临界电阻。外特性和调整特性 并励发电机的外特性 U=f(I) 与他励相比，根据 有几个特点： a a a R I E U = (1) 负载增大时， 端电压下降较 快； (2) 外特性有
41、拐弯现象; 调整特性与他励发电机相似。直流发电机的总结 （1）三个平衡式， 以及EU的发电状态判据。 （2）发电机的励磁方式： （3）不同励磁方式对工作特性的影响。1-7 直流电机的换向 1. 换向过 程？ （假设电刷宽度等于换向片宽度） 电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束， 从一条支路转换到另一条支路， 电流改变了方向。 换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程。 从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期直线换向 如果换向元件中电势为零，则在被电刷短路的闭合 回路中不会有环流。 换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面 积决定。变化曲线时一条直线，称为直线换向。 但是换
42、向过程中， 不可能没有电势！ t +ia -ia i2. 换向元件中的感应电势 (1) 电抗电势e r 换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电 势和互感电势之和，称为电抗电势。 dt di L e r r = L r ：换向元件的电抗系数， 包括自感和互感 e r 的平均值： k a r r r T i L t i L e 2 + = = 设电刷宽度bs等于换向片宽度bk，换向片数为K， n K n D K D v b v b T k k k k k s k = = = = 60 60 / / 换向周期T k ：电抗电势的特点 n I T i e a k a r 电机负载越重或转速越高，电
43、 抗电势越大。 电抗电势的方向阻止换向电流的变化，因此e r 的方向必与换向前的元件电流ia的方向一致。换向元件所处的几何中线处，主 磁场几乎为零； 电枢反应磁势所产生的磁通a正 好穿过换向元件。 电枢旋转时，换向元件切割a 所生电势ea称为旋转电势。 a e a N S n e r （2）旋转电势旋转电势的特点 设换向元件匝数为W k ，电枢反应磁势在换向 元件处所生的磁密为Ba，则 ea的平均值： a k a a v l W B e = 2 特 点： （1） ，负载越重或者转速越 高，旋转电势也越大。 n I e a a （2）据右手定则， e a 的方向总是与换向 前元件中的电流方向相同
44、， e a 与e r 方向一 致，也是阻碍换向的。t i （3）电刷下产生火花的原因 换向元件中存在两个方向相同的电势e r 和e a， 合成电 势： 0 + = r a e e e 合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流： + = = R e e R e i r a k 由闭合转为断开时，由ik建立 的电磁能量以火花的形式释放 出来。 i k二、改善换向的方法 减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效地 改善换向。最有效的办法：装换向极。 N S a n e a e r N k S k 抵消电枢反应磁势，使e a 0 换向极磁势 建立B k ，产生e k ，使 = = 0 k r e e
45、e安装换向极的要求 换向极应装在几何中性线上; 换向极的极性使产生的B k 方向与电枢反应磁势 的方向相反。 换向极绕组必须与电枢绕组串联，使在任何 时候， e k e r加换向极后的结构图三、环火及其防止 电枢反应使气隙磁场发生畸变，使处于B max 处的元件 的感应电势增大。当片间电压U k 超过一定值时，换向 片间产生火花，称为电位差火花。 电位差火花与换向火花连成一片，构成环火。 防止环火的措施：在主磁极的极靴装补偿绕组，并 与电枢绕组串联。产生的磁势方向与电枢反应磁势相 反。1. 电力拖动的动力学基础； 2. 他励电动机的机械特性； 3. 他励直流电动机的起动； 4. 他励直流电动机
46、的制动； 5. 他励直流电动机的调速； 直流电机的电机拖动电力拖动系统的动力学基础 以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产 机械， 称为电力拖动。 电源 控制设备 电动机 传动机构 工作机构 电力拖动系统的构成基础 运动方程： dt dn GD dt d J M M Z = = 375 2 60 / 2 n = g GD D g G m J 4 ) 2 ( 2 2 2 = = = g： 重力加速度， 9.8米/秒 2 ；GD 2 ：系统的飞轮矩（牛米 2 ）； n： 转速（转/分）；M、M Z ：转矩（牛米） 注意：GD 2 是一个完整的符号;M、M Z 具有方向性， 与转 速方向一致为正。多轴系统的运动方程 系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴， 称 为多轴系统。 对多轴系统的分析，通过把多轴系统折算为等效的 单轴系统，进行简化。按单轴系统的运动方程进行 简化。 折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储 存的动能
