绪论 的物理量,其方向与B相同,其大小与B之间相差一个导磁介质的磁导率,即 B H B=uh 磁导率μ是反映导磁介质导磁性能的物理量,磁导率μ越大的介质,其导磁性能越好 磁导率的单位是Hm。真空中的磁导率=4丌×107Hm,其他导磁介质的磁导率通常用A 的倍数来表示,即 A=Alo 式中A1=—导磁介质的相对磁导率 铁磁性材料的相对磁导率=2000~6000,但不是常数,非铁磁性材料的相对磁导率 ≈1,且为常数。磁场强度的单位为Am,工程上常沿用Acm为单位 4)全电流定律。磁场中沿任一闭合回路l对磁场强度H的线积分等于该闭合回路所 包围的所有导体电流的代数和。其数学表达式为 9Hd=∑ 这就是全电流定律,当导体电流的方向与积分路径的方向符合右手螺旋定则时为正, 如图0.3中的1和l3;反之则为负,如图0.3中的l2 2)磁路的欧姆定律 磁力线流通的路径称为磁路。工程上将全电流定律用于磁路时,通常把磁力线分成若 干段,使每一段的磁场强度H为常数,则线积分9Hd可用式∑H来代替,全电流定律 可以表示为 ∑H=∑ 式中H——第k段的磁场强度 l第k段的磁路长度。 对图04所示的磁路,∑H=H11+H212∑=W,W为线圈匝数,/为线圈中 的电流,则有 H11+H2l2=W 图0.3全电流定律 图04磁路示意图 将H=和B=-代入上式即得 l2=Rm1+中Rn2=HI=F
绪论 ·5· ·5· 的物理量，其方向与 B 相同，其大小与 B 之间相差一个导磁介质的磁导率 μ ，即 B H μ = 或 B = μH 磁导率 μ 是反映导磁介质导磁性能的物理量，磁导率 μ 越大的介质，其导磁性能越好。 磁导率的单位是 H/m。真空中的磁导率 7 0 μ 4 10 H/m − = π× ，其他导磁介质的磁导率通常用 μ0 的倍数来表示，即 μ μμ = r 0 式中 r 0 μ μ μ = ——导磁介质的相对磁导率。 铁磁性材料的相对磁导率 μr = 2000～6000，但不是常数，非铁磁性材料的相对磁导率 1 μr ≈ ，且为常数。磁场强度的单位为 A/m，工程上常沿用 A/cm 为单位。 (4) 全电流定律。磁场中沿任一闭合回路 l 对磁场强度 H 的线积分等于该闭合回路所 包围的所有导体电流的代数和。其数学表达式为 d ∫l H l = ∑I 这就是全电流定律，当导体电流的方向与积分路径的方向符合右手螺旋定则时为正， 如图 0.3 中的 I1和 I3；反之则为负，如图 0.3 中的 I2。 2) 磁路的欧姆定律 磁力线流通的路径称为磁路。工程上将全电流定律用于磁路时，通常把磁力线分成若 干段，使每一段的磁场强度 H 为常数，则线积分 d l H l ∫ 可用式∑ H lk k 来代替，全电流定律 可以表示为 Hk k ∑ ∑ l = I 式中 Hk——第 k 段的磁场强度； lk——第 k 段的磁路长度。 对图 0.4 所示的磁路， Hk k 11 2 2 ∑ l HI H = + I ，∑I = WI ，W 为线圈匝数，I 为线圈中 的电流，则有 H11 2 2 I HI W + = I 图 0.3 全电流定律 图 0.4 磁路示意图 将 B H μ = 和 Φ B S = 代入上式即得 1 2 1 2m m 1 2 1 2 Φ Φ l l ΦR ΦR WI F μ μ S S + = + ==
电机与拖动 式中R4 分别为第1段、第2段磁路的磁阻 2S2 ΦRn、ΦR,——分别为第1段、第2段磁路的磁压降; F=W——磁路的磁动势。 一般情况下,磁路分为n段时,则有 F 称之为磁路的欧姆定律。 根据Ran=。可知,各段磁路的磁阻与磁路的长度成正比,与磁路的截面积成反比, 并与磁路的磁介质成反比。由于铁磁材料的磁导率μ比真空等非铁磁性材料大得多,因而 Rn小得多。同时,由于铁磁性材料的磁导率H不是常数,所以磁阻Rm也不是常数。分析 磁路时,有时不用磁阻Rm,而是采用磁导n,他们互为倒数关系,即 R 3)电磁感应定律 磁场变化会在线圈中产生感应电动势,感应电动势的大小与线圈的匝数W和线圈所交 链的磁通对时间的变比率二成正比,这是电磁感应定律。当按惯例规定电动势的正方向 与产生它的磁通的正方向之间符合右手螺旋定则时,感应电动势的公式为 e dr dt 式中y=Wφ——线圈交链的总磁通 按照愣次定律确定的感应电动势的实际方向与按照惯例规定的感应电动势的正方向正 好相反,所以感应电动势公式右边总加一负号 通常,电机中的感应电动势根据其产生原因的不同,可以分为以下三种 (1)自感电动势e1。线圈中流过交变电流i时,由i产生的与线圈自身交链的磁链亦随 时间发生变化,由此在线圈中产生的感应电动势,称为自感电动势,用eL表示,其公式为 dy dt 式中中——自感磁通; L=W—自感磁链 线圈中流过单位电流产生的自感磁链称为线圈的自感系数L,即 YL 自感系数L为常数时,自感电动势的公式可改为
·6· 电机与拖动 ·6· 式中 1 1 m 1 1 l R μ S = 、 2 2 m 2 2 l R μ S = ——分别为第 1 段、第 2 段磁路的磁阻； m m 1 2 ΦR 、ΦR ——分别为第 1 段、第 2 段磁路的磁压降； F = WI ——磁路的磁动势。 一般情况下，磁路分为 n 段时，则有 mm m 1 2 n ΦR + ++ = ΦR ΦR F 即 mm m m 1 2 n F F Φ R R RR = = + ++ 称之为磁路的欧姆定律。 根据 mk k k k l R μ S = 可知，各段磁路的磁阻与磁路的长度成正比，与磁路的截面积成反比， 并与磁路的磁介质成反比。由于铁磁材料的磁导率 μ 比真空等非铁磁性材料大得多，因而 Rm 小得多。同时，由于铁磁性材料的磁导率 μ 不是常数，所以磁阻 Rm 也不是常数。分析 磁路时，有时不用磁阻 Rm，而是采用磁导λm ，他们互为倒数关系，即 m m l R λ = 3) 电磁感应定律 磁场变化会在线圈中产生感应电动势，感应电动势的大小与线圈的匝数 W 和线圈所交 链的磁通对时间的变比率 d d Φ t 成正比，这是电磁感应定律。当按惯例规定电动势的正方向 与产生它的磁通的正方向之间符合右手螺旋定则时，感应电动势的公式为 d d d d Φ e W t t ψ =− =− 式中 ψ = WΦ ——线圈交链的总磁通。 按照愣次定律确定的感应电动势的实际方向与按照惯例规定的感应电动势的正方向正 好相反，所以感应电动势公式右边总加一负号。 通常，电机中的感应电动势根据其产生原因的不同，可以分为以下三种： (1) 自感电动势 eL。线圈中流过交变电流 i 时，由 i 产生的与线圈自身交链的磁链亦随 时间发生变化，由此在线圈中产生的感应电动势，称为自感电动势，用 eL 表示，其公式为 L L L d d d d Φ e W t t ψ =− =− 式中 ΦL ——自感磁通； ψ L L = WΦ ——自感磁链。 线圈中流过单位电流产生的自感磁链称为线圈的自感系数 L，即 L L i ψ = 自感系数 L 为常数时，自感电动势的公式可改为
绪论 dy di 因为自感磁链v1=W,自感磁通嗔="=Wn,故有 R L=y=1=(Hm) 此式表明,线圈的自感系数与线圈匝纹的平方和磁导的乘积成正比。 (2)互感电动势eM。在相邻的两个线圈中,当线圈1中的电流i1交变时,它产生的并 与线圈2相交链的磁通中1亦产生变化,由此在线圈2产生的感应电动势称为互感电动势, 用eM表示,则其公式为 dt 式中eM线圈2中产生的互感电动势; v1=W221—线圈1产生而与线圈2相交链的互感磁链 如果引入线圈1和2之间的互感系数M,则上面互感电动势的公式为 day di 因为互感磁链v2=中2,互感磁通,、W=W42,故有 R M= wW,1 式中R12——互感磁链所经过磁路的磁阻 λ2—互感磁通所经过磁路的磁导。 上式表明,两线圈之间的互感系数与两个线圈匝数的乘积WW2和磁导率成正比 上述两类电动势中,线圈与磁通之间没有切割关系,仅是由于线圈交链的磁通发生变 化而引起,故可统称为为变压器电动势 (3)切割电动势e。如果磁场恒定不变,导体或线圈与磁场的磁力线之间有相对切割运 动时,在线圈中产生的感应电动势称为切割电动势,又称为速度电动势。若磁力线、导体 与切割运动三者方向相互垂直,则由电磁感应定律可知:切割电动势的公式为 式中B——磁场的磁感应强度 导体切割磁力线部分的有效长度; 导体切割磁力线的线速度 切割电动势的方向可用右手定则确定,即将右手掌摊平, 四指并拢,大拇指与四指垂直,让磁力线指向手掌心,大拇指 指向导体切割磁力线的运动方向,则4个手指的指向就是导体 2- 中感应电动势的方向,如图0.5所示 4)电磁力定律 载流导体在磁场中会受到电磁力的作用。当磁场力和导体图0.5切割电动势的右手定则
绪论 ·7· ·7· L L d d d d i e L t t ψ =− =− 因为自感磁链ψ L L =WΦ ，自感磁通 L m m Wi Φ Wi R = = λ ，故有 LL m 2 m WΦ W Wi ( ) L W ii i ψ λ == = = λ 此式表明，线圈的自感系数与线圈匝纹的平方和磁导的乘积成正比。 (2) 互感电动势 eM。在相邻的两个线圈中，当线圈 1 中的电流 i1交变时，它产生的并 与线圈 2 相交链的磁通Φ21 亦产生变化，由此在线圈 2 产生的感应电动势称为互感电动势， 用 eM 表示，则其公式为 21 21 M2 2 d d d d Φ e W t t ψ =− =− 式中 eM2——线圈 2 中产生的互感电动势； ψ 21 2 21 = W Φ ——线圈 1 产生而与线圈 2 相交链的互感磁链。 如果引入线圈 1 和 2 之间的互感系数 M，则上面互感电动势的公式为 21 1 M2 d d d d i e M t t ψ =− =− 因为互感磁链ψ 21 2 21 = W Φ ，互感磁通 1 1 21 1 1 12 12 W i Φ W i R = = λ ，故有 21 1 2 1 2 12 1 12 WW M WW i R ψ == = λ 式中 R12——互感磁链所经过磁路的磁阻； λ12 ——互感磁通所经过磁路的磁导。 上式表明，两线圈之间的互感系数与两个线圈匝数的乘积 W1W2 和磁导率成正比。 上述两类电动势中，线圈与磁通之间没有切割关系，仅是由于线圈交链的磁通发生变 化而引起，故可统称为为变压器电动势。 (3) 切割电动势 e。如果磁场恒定不变，导体或线圈与磁场的磁力线之间有相对切割运 动时，在线圈中产生的感应电动势称为切割电动势，又称为速度电动势。若磁力线、导体 与切割运动三者方向相互垂直，则由电磁感应定律可知：切割电动势的公式为 e＝Blv 式中 B——磁场的磁感应强度； l——导体切割磁力线部分的有效长度； v——导体切割磁力线的线速度。 切割电动势的方向可用右手定则确定，即将右手掌摊平， 四指并拢，大拇指与四指垂直，让磁力线指向手掌心，大拇指 指向导体切割磁力线的运动方向，则 4 个手指的指向就是导体 中感应电动势的方向，如图 0.5 所示。 4) 电磁力定律 载流导体在磁场中会受到电磁力的作用。当磁场力和导体 图 0.5 切割电动势的右手定则
电机与拖动 方向相互垂直时,载流导体所受的电磁力的公式为 F=Bll 式中F—载流导体所受的电磁力 B——一载流导体所在处的磁感应强度 -载流导体处在磁场中的有效长度: 载流导体中流过的电流 电磁力的方向可以由左手定则判定。 综上所述,电磁作用原理基本上包括以下3个方面 (1)有电流必定产生磁场,即电生磁。方向由右手螺旋定则确定,大小关系符合全电 流定律的公式9Hd=∑1 (2)磁场变化会在导体或线圈中产生感应电动势,即“磁变生电”。变压器电动势的 方向由愣次定律确定,大小关系符合电磁感应定律的基本公式=甲①=出,切电 动势的方向用右手定则确定,计算其大小的公式为e=B/。 (3)载流导体在磁场中要受到电磁力的作用,即“电磁生力”,电磁力的方向由左手 定则确定,计算其大小的公式为F=BHl以上3个方面可以简单地概括为“电生磁,磁变 生电,电磁生力”,这11个字是分析各种电机工作原理的共同的理论基础
·8· 电机与拖动 ·8· 方向相互垂直时，载流导体所受的电磁力的公式为 F=BlI 式中 F——载流导体所受的电磁力； B——载流导体所在处的磁感应强度； l——载流导体处在磁场中的有效长度； I——载流导体中流过的电流。 电磁力的方向可以由左手定则判定。 综上所述，电磁作用原理基本上包括以下 3 个方面： (1) 有电流必定产生磁场，即电生磁。方向由右手螺旋定则确定，大小关系符合全电 流定律的公式 d ∫l Hl I = ∑ 。 (2) 磁场变化会在导体或线圈中产生感应电动势，即“磁变生电”。变压器电动势的 方向由愣次定律确定，大小关系符合电磁感应定律的基本公式 d d d d Φ e W t t ψ =− =− ；切割电 动势的方向用右手定则确定，计算其大小的公式为e = Blv 。 (3) 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，即“电磁生力”，电磁力的方向由左手 定则确定，计算其大小的公式为 F＝BlI。以上 3 个方面可以简单地概括为“电生磁，磁变 生电，电磁生力”，这 11 个字是分析各种电机工作原理的共同的理论基础。
第1篇直流电机 直流电动机和直流发电机通称为直流电机,二者是可逆的,若把直流电能转换为机械 能量称为电动机,反之称为发电机。直流电动机与交流异步电动机相比,具有较好的启动 性能、在较宽的范围内达到平滑无级地调速,同时又比较经济:所以广泛地应用于轧钢机、 电力机车、大型机床拖动系统以及玩具行业中。直流发电机主要是采用交流电机拖动用做 直流电源,但随着电力电子技术的发展,晶闸管变流装置将逐步取代用做直流电源的直流 发电机。本篇主要分析直流电机的结构、原理、运行特性以及起、制动、调速性能。 第1章直流电机的原理与结构 电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机能将直流电能转换为机 械能,或将机械能换转为直流电能。将直流电能转换成机械能的装置称为直流电动机,将 机械能转换为直流电能的装置称为直流发电机。 直流电机的结构复杂、使用有色金属多、生产工艺复杂、价格昂贵、运行可靠性差等 缺点,限制了直流电机的广泛应用。随着近年电力电子学和微电子学的迅速发展,在很多 领域内,直流电动机将逐步为交流调速电动机所取代,直流发电机则正在被电力电子器件 整流装置所取代 但是直流电机的主要优点——良好的起动性能和调速性能、较大的过载能力等,使得 直流电机在许多场合仍继续发挥重要作用。如直流电动机常应用于那些对起动和调速性能 要求较高的生产机械,如大型机床、电力机车、轧钢机、矿井卷扬机、船舶机械、造纸机和 纺织机等。直流发电机作为直流电源,供给需要直流电能的场合,如化工中的电解、电镀等。 本章主要分析直流电动机的原理、结构、磁场、感应电动势、电磁转矩等问题。 1.1直流电机基本工作原理 图1.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极,可以是电磁铁,也 可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体,称为电枢铁心。铁心表面固定 个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd,线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换 向片)上,它们的组合在一起称为换向器,在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与 之滑动接触的电刷A和B,线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。 11.1直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上,则线圈abcd中流过电流,在导体ab
第 1 篇 直 流 电 机 直流电动机和直流发电机通称为直流电机，二者是可逆的，若把直流电能转换为机械 能量称为电动机，反之称为发电机。直流电动机与交流异步电动机相比，具有较好的启动 性能、在较宽的范围内达到平滑无级地调速，同时又比较经济；所以广泛地应用于轧钢机、 电力机车、大型机床拖动系统以及玩具行业中。直流发电机主要是采用交流电机拖动用做 直流电源，但随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置将逐步取代用做直流电源的直流 发电机。本篇主要分析直流电机的结构、原理、运行特性以及起、制动、调速性能。 第 1 章 直流电机的原理与结构 电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。直流电机能将直流电能转换为机 械能，或将机械能换转为直流电能。将直流电能转换成机械能的装置称为直流电动机，将 机械能转换为直流电能的装置称为直流发电机。 直流电机的结构复杂、使用有色金属多、生产工艺复杂、价格昂贵、运行可靠性差等 缺点，限制了直流电机的广泛应用。随着近年电力电子学和微电子学的迅速发展，在很多 领域内，直流电动机将逐步为交流调速电动机所取代，直流发电机则正在被电力电子器件 整流装置所取代。 但是直流电机的主要优点——良好的起动性能和调速性能、较大的过载能力等，使得 直流电机在许多场合仍继续发挥重要作用。如直流电动机常应用于那些对起动和调速性能 要求较高的生产机械，如大型机床、电力机车、轧钢机、矿井卷扬机、船舶机械、造纸机和 纺织机等。直流发电机作为直流电源，供给需要直流电能的场合，如化工中的电解、电镀等。 本章主要分析直流电动机的原理、结构、磁场、感应电动势、电磁转矩等问题。 1.1 直流电机基本工作原理 图 1.1 是一台直流电机的最简单模型。N 和 S 是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也 可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定 一个用绝缘导体构成的电枢线圈 abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换 向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与 之滑动接触的电刷 A 和 B，线圈 abcd 通过换向器和电刷接通外电路。 1.1.1 直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷 A(正极)和 B(负极)上，则线圈 abcd 中流过电流，在导体 ab