电机与拖动 本章小结 (1)直流电动机是根据电磁力定律而工作的,电刷两端引入外加直流电源,与换向器 共同作用,变换成交流电供给电枢元件,从而产生方向不变的电磁转矩,拖动转子旋转。 (2)直流发电机是根据电磁感应定律而工作的,电枢元件产生的电动势交流的,通过 换向器与电刷的共同作用,变换成直流电,由电刷两端向外引出直流电压。 (3)直流电动机中,电流i与电动势的Ea方向相反,Ea称为反电动势;电磁转矩T与 转速n方向相同,T称为拖动转矩。直流发电机中电流ia与电动势的Ea方向相同,Ea为电 源电动势;电磁转矩T与转速n方向相反,T称为制动转矩。 (4)直流电机的结构由定子与转子两部分组成,定子由主磁极、换向极、机座与电刷 组成。主要作用使产生主磁场。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器与转轴组成,主要作 用是产生感应电动势Ea和电磁转矩T,是直流电机机电能量转换的主要部件一电枢。 形(s)直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式,单叠绕组是将同一个主磁极下 上层边的元件串联成一条支路;所以支路对数a=P。它适用于低电压、大电流电机。 单波绕组是将同一极性下所有上层边的元件串联成一条支路:所以支路对数a=1,它适用 于高电压、小电流电机。 (6)直流电机的励磁方式一般有四种,即他励、并励、串励、复励。 (7)磁场是机电能量转换不可缺少的因数。当直流电机空载时,气隙磁场仅由主磁场 磁动势Fr单独建立,特点为:首先是对称于主磁极轴线的平顶波,其次是物理中性线与几 何中性线重合。当直流电机负载时,气隙磁场是由主磁场磁动势F与电枢磁动势F2共同建 立,Fa对主磁场的影响称为电枢反应。电枢的结果为1它是气隙磁场发生畸变;2物理中 性线偏离几何中性线(电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度,发电机时顺着旋转方 向偏离一角度):3当磁路不饱和时,总磁通量不变;当磁路饱和时,总磁通量减少 (8)无论是直流电动机还是直流发电机,只要电枢绕组切割磁力线,都将在电枢绕组 中产生感应电动势E=C1咖n;另外,只要电枢绕组中有电流,在磁场的作用下就会产生电 磁转矩T=Crla (9)影响直流电机换向的主要因素是电磁因素,即换向元件内产生的电抗电动势ex和 电枢反应电动势ev,进而产生附加电流ⅸ。改善换向的目的是消除或降低ⅸk的影响,常用 的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安装换向极 (10)为了防止电位差火花和环火,在大容量和工作繁重的直流电机中,可在主磁极上 安装补偿绕组。 思考题与习题 1-1换向器和电刷在直流电动机和直流发电机中分别起什么作用? 1-2单叠绕组和单波绕组的联接规律有什么不同?为什么单叠绕组的并联支路对数
·30· 电机与拖动 ·30· 本 章 小 结 (1) 直流电动机是根据电磁力定律而工作的，电刷两端引入外加直流电源，与换向器 共同作用，变换成交流电供给电枢元件，从而产生方向不变的电磁转矩，拖动转子旋转。 (2) 直流发电机是根据电磁感应定律而工作的，电枢元件产生的电动势交流的，通过 换向器与电刷的共同作用，变换成直流电，由电刷两端向外引出直流电压。 (3) 直流电动机中，电流 ia与电动势的 Ea方向相反，Ea称为反电动势；电磁转矩 T 与 转速 n 方向相同，T 称为拖动转矩。直流发电机中电流 ia与电动势的 Ea方向相同，Ea为电 源电动势；电磁转矩 T 与转速 n 方向相反，T 称为制动转矩。 (4) 直流电机的结构由定子与转子两部分组成，定子由主磁极、换向极、机座与电刷 组成。主要作用使产生主磁场。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器与转轴组成，主要作 用是产生感应电动势 Ea和电磁转矩 T，是直流电机机电能量转换的主要部件—电枢。 (5) 直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式，单叠绕组是将同一个主磁极下 所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数 a=P。它适用于低电压、大电流电机。 单波绕组是将同一极性下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数 a=1，它适用 于高电压、小电流电机。 (6) 直流电机的励磁方式一般有四种，即他励、并励、串励、复励。 (7) 磁场是机电能量转换不可缺少的因数。当直流电机空载时，气隙磁场仅由主磁场 磁动势 Ff单独建立，特点为：首先是对称于主磁极轴线的平顶波，其次是物理中性线与几 何中性线重合。当直流电机负载时，气隙磁场是由主磁场磁动势 Ff 与电枢磁动势 Fa共同建 立，Fa 对主磁场的影响称为电枢反应。电枢的结果为 1 它是气隙磁场发生畸变；2 物理中 性线偏离几何中性线(电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，发电机时顺着旋转方 向偏离一角度)；3 当磁路不饱和时，总磁通量不变；当磁路饱和时，总磁通量减少。 (8) 无论是直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组切割磁力线，都将在电枢绕组 中产生感应电动势 Ea =CT Φn；另外，只要电枢绕组中有电流，在磁场的作用下就会产生电 磁转矩 T= CTΦIa。 (9) 影响直流电机换向的主要因素是电磁因素，即换向元件内产生的电抗电动势 eX 和 电枢反应电动势 eV，进而产生附加电流 iK。改善换向的目的是消除或降低 iK的影响，常用 的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安装换向极。 (10) 为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，可在主磁极上 安装补偿绕组。 思考题与习题 1-1 换向器和电刷在直流电动机和直流发电机中分别起什么作用？ 1-2 单叠绕组和单波绕组的联接规律有什么不同？为什么单叠绕组的并联支路对数
第1章直流电机的原理与结构 aF→p,而单波绕组的并联支路对数a=1? 1-3一台四极单叠绕组的直流发电机,若因故取去一组电刷,对电机运行有什么影响? 如果电机采用的是单波绕组,若取去一组电刷,对其运行有什么影响? 1-4何谓电枢反应?电枢反应对气隙磁场有什么影响? 1-5如何改变他励、并励、串励、复励直流电动机的转向 1-6何谓直流电机的可逆原理?如何判别直流电机运行于电动机状态还是发电机状态? 用什么方法能改变他励直流发电机正负电刷的极性? 1-7一台直流电动机的数据为:额定功率P=2kW,额定电压UN=220V,额定转速 =1500min,额定效率=86%,试求 (1)额定电流l (2)额定负载时的输入功率PN 1-8一台直流发电机的数据为:额定功率PN=10kW,额定电压UN=230V,额定转速 N=1450min,额定效率小=85%,85%,试求 (1)额定电流I (2)额定负载时的输入功率P1N 1-9一台直流电机,已知极对数p=2,槽数z和换向片数k均等于2,采用单叠绕组 (1)计算绕组各节距 (2)画出绕组展开图、主磁极和电刷的位置 (3)求并联支路数 1-10已知一台直流电机的极对数p=2,元件数S=z=K=21,元件的匝数W=10, 单波绕组,试求当每极磁通￠=142×10-2,转速n=1000min时的电枢电动势为多少伏?
第 1 章 直流电机的原理与结构 ·31· ·31· a=p，而单波绕组的并联支路对数 a=1？ 1-3 一台四极单叠绕组的直流发电机，若因故取去一组电刷，对电机运行有什么影响？ 如果电机采用的是单波绕组，若取去一组电刷，对其运行有什么影响？ 1-4 何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有什么影响？ 1-5 如何改变他励、并励、串励、复励直流电动机的转向？ 1-6 何谓直流电机的可逆原理？如何判别直流电机运行于电动机状态还是发电机状态？ 用什么方法能改变他励直流发电机正负电刷的极性？ 1-7 一台直流电动机的数据为：额定功率 PN=22kW，额定电压 UN=220V，额定转速 nN＝1500r/min，额定效率 ηN＝86%，试求： (1) 额定电流 IN； (2) 额定负载时的输入功率 P1N。 1-8 一台直流发电机的数据为：额定功率 PN=10kW，额定电压 UN=230V，额定转速 nN＝1450r/min，额定效率 ηN＝85%，85%，试求： (1) 额定电流 IN； (2) 额定负载时的输入功率 P1N。 1-9 一台直流电机，已知极对数 p＝2，槽数 Z 和换向片数 k 均等于 22，采用单叠绕组。 (1) 计算绕组各节距； (2) 画出绕组展开图、主磁极和电刷的位置； (3) 求并联支路数。 1-10 已知一台直流电机的极对数 p＝2，元件数 S＝Z＝K＝21，元件的匝数 Wc＝10， 单波绕组，试求当每极磁通Φ ＝I.42× 2 10− ，转速 n＝1000r/min 时的电枢电动势为多少伏？
第2章直流电动机的电力拖动 本章重点介绍直流电动机的相关基本特性,如工作特性和机械特性,生产机械的负载 转矩特性等。对电动机基本的平衡方程式进行推导,对直流发电动机的相关特性进行介绍 21直流电动机基本的平衡方程式 直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时,电路系统的电压平衡方程 式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式 2.1.1电压平衡方程式 图21(a)是直流电动机工作原理的示意图 (a)电动机 (b)发电动机 图21直流电动机中电势、电流和电磁转矩的方向 直流电动机并联在电网上工作,由外接电源向电动机供电。设S极下的导体电枢电流 为流出纸面,根据左手定则可知,电磁转矩为逆时针方向。在电磁转矩作用下,电枢将逆 时针方向旋转。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势,根据右手定则可知,S极下的感 应电动势方向为流入纸面,与电枢电流方向相反。由于电动机中的感应电动势有阻止电流 流入电枢绕组的作用,因此称它为反电动势。 为了使电流能够从电网流入电枢绕组,电动机的端电压应该大于反电动势E2,即 U>E。根据基尔霍夫第二定律,可以写出电枢回路的电势平衡方程式为 U=E2+lr+2△a (2.1) 式中电枢电流 r——电枢回路的电阻 2△a——正负电刷的接触电压降落。在额定负载时,一般情况下取2△、=2V。 在电动机运行状态下,由于U>E,电流从电网流入电枢绕组,成为电动机运行的电
第 2 章 直流电动机的电力拖动 本章重点介绍直流电动机的相关基本特性，如工作特性和机械特性，生产机械的负载 转矩特性等。对电动机基本的平衡方程式进行推导，对直流发电动机的相关特性进行介绍。 2.1 直流电动机基本的平衡方程式 直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时，电路系统的电压平衡方程 式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式。 2.1.1 电压平衡方程式 图 2.1(a)是直流电动机工作原理的示意图。 (a) 电动机 (b) 发电动机 图 2.1 直流电动机中电势、电流和电磁转矩的方向 直流电动机并联在电网上工作，由外接电源向电动机供电。设S 极下的导体电枢电流 为流出纸面，根据左手定则可知，电磁转矩为逆时针方向。在电磁转矩作用下，电枢将逆 时针方向旋转。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势，根据右手定则可知，S 极下的感 应电动势方向为流入纸面，与电枢电流方向相反。由于电动机中的感应电动势有阻止电流 流入电枢绕组的作用，因此称它为反电动势。 为了使电流能够从电网流入电枢绕组，电动机的端电压应该大于反电动势 Ea ，即 U > Ea 。根据基尔霍夫第二定律，可以写出电枢回路的电势平衡方程式为 a aa s U = + +Δ E Ir 2 u (2.1) 式中 a I ——电枢电流； ar ——电枢回路的电阻； s 2Δu ——正负电刷的接触电压降落。在额定负载时，一般情况下取 s 2 2V Δ = u 。 在电动机运行状态下，由于U > Ea ，电流从电网流入电枢绕组，成为电动机运行的电
第2章直流电动机的电力拖动 能。同样,在电动机运行状态下,电枢会产生电磁转矩,电磁转矩的方向与转向相同,成 为驱动转矩。 若电动机在原动机拖动下工作,电枢逆时针旋转,则电枢导体切割主磁通而产生感应 电动势。根据右手定则可知,S极下的导体电动势方向为流出纸面。在感应电动势的作用 下,电枢导体中会有电流产生,此时的电枢电流应该与感应电动势同方向。电枢电流与主 磁极磁场相作用而产生与电枢旋转方向相反的电磁转矩,为制动转矩。如图2.1(b)所示。 电动机在原动机拖动转矩作用下,克服电磁转矩的制动作用向外输送电流,此时电动机为 发电动机运行,具体工作原理及电动势平衡关系请读者自行分析 由此可见,同一台电动机既可作为电动机运行,又可作为发电动机运行,只是各有异 同。在两种运行状态下,电枢绕组中均产生感应电动势。如果端电压U大于感应电动势E, 即U>E,电流从电网流入电枢绕组,成为电动机运行;反之,如果U<E,则电枢绕组 向外输送电流,成为发电动机运行。同样,在这两种运行状态下,电枢均产生电磁转矩。 在电动机中,电磁转矩与转向同方向,成为驱动转矩;而在发电动机中,电磁转矩与转向 相反,使之成为制动转矩 2.1.2功率平衡方程式 为了更好地理解直流电动机中的功率平衡关系,先简要介绍涉及到的几种电动机损耗。 1.机械损耗 机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗,它们都与转速有关。轴承摩擦损耗 般假定与轴颈圆周线速度的1.5次方成正比。电刷摩擦损耗由电刷牌号以及电刷和换向 器表面的接触情况来决定。通风损耗与风扇外缘直径的平方成正比。在转速变化不大的电 动机里,可认为机械损耗是不变的。机械损耗用pn来表示。 2.铁耗 是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。对直流电动机来说, 铁耗是由电枢铁心在气隙磁场中旋转而切割磁力线引起的。它包括涡流损耗和磁滞损耗两 部分。一般认为铁心损耗和磁通密度B的平方成正比,和铁心中磁通交变频率∫的1.2 1.5次方成正比。由于涡流损耗正比硅钢片厚度的平方,铁心采用的硅钢片越薄,铁心损耗 越小。铁心损耗用p。来表示 3.铜耗 是指电流流过电动机中相关绕组所产生的损耗,包括电枢回路(包括电枢绕组、串励绕 组 、换向极绕组等)的铜耗P、电刷与换向器表面的接触压降损耗P以及励磁回路中的铜 耗P2。其中电枢回路的铜耗P的计算公式为 P (2.2) 在式(22)中,正负电刷的接触电压降落为2△,故由电刷接触压降而引起的损耗Pb为 P=2△u2 (23) 励磁绕组中的输入功率全部为铜损耗,它由下式所决定
第 2 章 直流电动机的电力拖动 ·33· ·33· 能。同样，在电动机运行状态下，电枢会产生电磁转矩，电磁转矩的方向与转向相同，成 为驱动转矩。 若电动机在原动机拖动下工作，电枢逆时针旋转，则电枢导体切割主磁通而产生感应 电动势。根据右手定则可知，S 极下的导体电动势方向为流出纸面。在感应电动势的作用 下，电枢导体中会有电流产生，此时的电枢电流应该与感应电动势同方向。电枢电流与主 磁极磁场相作用而产生与电枢旋转方向相反的电磁转矩，为制动转矩。如图 2.1(b)所示。 电动机在原动机拖动转矩作用下，克服电磁转矩的制动作用向外输送电流，此时电动机为 发电动机运行，具体工作原理及电动势平衡关系请读者自行分析。 由此可见，同一台电动机既可作为电动机运行，又可作为发电动机运行，只是各有异 同。在两种运行状态下，电枢绕组中均产生感应电动势。如果端电压U 大于感应电动势 Ea ， 即U > Ea ，电流从电网流入电枢绕组，成为电动机运行；反之，如果U < Ea ，则电枢绕组 向外输送电流，成为发电动机运行。同样，在这两种运行状态下，电枢均产生电磁转矩。 在电动机中，电磁转矩与转向同方向，成为驱动转矩；而在发电动机中，电磁转矩与转向 相反，使之成为制动转矩。 2.1.2 功率平衡方程式 为了更好地理解直流电动机中的功率平衡关系，先简要介绍涉及到的几种电动机损耗。 1. 机械损耗 机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗，它们都与转速有关。轴承摩擦损耗 一般假定与轴颈圆周线速度的 1.5 次方成正比。电刷摩擦损耗由电刷牌号以及电刷和换向 器表面的接触情况来决定。通风损耗与风扇外缘直径的平方成正比。在转速变化不大的电 动机里，可认为机械损耗是不变的。机械损耗用 mp 来表示。 2. 铁耗 是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。对直流电动机来说， 铁耗是由电枢铁心在气隙磁场中旋转而切割磁力线引起的。它包括涡流损耗和磁滞损耗两 部分。一般认为铁心损耗和磁通密度 B 的平方成正比，和铁心中磁通交变频率 f 的 1.2～ 1.5 次方成正比。由于涡流损耗正比硅钢片厚度的平方，铁心采用的硅钢片越薄，铁心损耗 越小。铁心损耗用 Fe p 来表示。 3. 铜耗 是指电流流过电动机中相关绕组所产生的损耗，包括电枢回路(包括电枢绕组、串励绕 组、换向极绕组等)的铜耗 a p 、电刷与换向器表面的接触压降损耗 b p 以及励磁回路中的铜 耗 f p 。其中电枢回路的铜耗 a p 的计算公式为 2 a aa p Ir = (2.2) 在式(2.2)中，正负电刷的接触电压降落为 s 2Δu ，故由电刷接触压降而引起的损耗 pb 为 b sa p = Δ2 u I (2.3) 励磁绕组中的输入功率全部为铜损耗，它由下式所决定
电机与拖动 p=Ul=FR 式中U——励磁绕组两端的电压 l1—励磁绕组中的电流 R一励磁回路的总电阻 4.杂散损耗 上述四种损耗是直流电动机中的基本损耗,此外还有少量难于准确测定及计算的损耗。 这种损耗是由于电枢铁心上有齿槽存在,是气隙磁通大小脉振和左右摇摆在铁心中引起的 损耗,电枢反应使磁场畸变引起的额外电枢铁损耗和换向电流产生的铜损耗等。这些损耗 难以精确计算和测量,一般认为取为输出功率P的0.5%~1%,即 P4=P2(05~1) 下面以并励电动机为例来进一步论述电动机内部的功率平衡关系 并励电动机的负载电流/为电枢电流l与励磁电流l之和,见图21(a),即 1=1+I 由电网输入的电功率为 P=UI=UI +Ul=Ula+pr (2.7) 式中U 电枢回路的输入功率 将式(21)两端同时乘以J得 UIA=EL+Ia+2Au =P+P+P (28) 式中R称为电磁功率,是电枢电流l与电枢电动势E的乘积,是电枢绕组因切割主磁通 而产生的电功率。 由式(28)可见,输入至电枢回路中的功率除了一小部分化作电枢回路的铜损P和电刷 接触电损耗B外,大部分为电磁功率R。在直流电动机情况下,电磁功率就是转变为机 械功率的功率。这一转变而来的机械功率尚不能全部被利用,还需克服铁心损耗P、机械 损耗Pn和杂散损耗p,后,才是电动机轴上的输出功率P,即有 P=P+p+p +p 把式(27)、式(2.8)、式(29)合并,便得电动机的功率平衡方程式为 P=P+Pr+Pa+p+pm+pre+Pa=p+p 式中∑P是总损耗:在电动机的情况下,P是输入电功率,P是输出机械功率;在发电动 机的情况下,P是输入机械功率,P输出是电功率 根据式(29)和式(2.10)可画出直流并励电动机的功率流程如图22所示。 输出机械功率 输入电功率 电磁功率 图22直流电动机的功率流程图
·34· 电机与拖动 ·34· 2 f ff f f p = = UI IR (2.4) 式中 Uf ——励磁绕组两端的电压； f I ——励磁绕组中的电流； Rf ——励磁回路的总电阻。 4. 杂散损耗 上述四种损耗是直流电动机中的基本损耗，此外还有少量难于准确测定及计算的损耗。 这种损耗是由于电枢铁心上有齿槽存在，是气隙磁通大小脉振和左右摇摆在铁心中引起的 损耗，电枢反应使磁场畸变引起的额外电枢铁损耗和换向电流产生的铜损耗等。这些损耗 难以精确计算和测量，一般认为取为输出功率 P2 的 0.5%～1%，即 2 p P (0.5 Δ = ～1)% (2.5) 下面以并励电动机为例来进一步论述电动机内部的功率平衡关系。 并励电动机的负载电流 I 为电枢电流 a I 与励磁电流 f I 之和，见图 2.1(a)，即 a f II I = + (2.6) 由电网输入的电功率为 P1 UI UI UI UI af a f == + = + p (2.7) 式中 UIa ——电枢回路的输入功率。 将式(2.1)两端同时乘以 a I 得 2 a aa aa sa M a b UI EI I r uI P p = + +Δ = + + 2 p (2.8) 式中 PM 称为电磁功率，是电枢电流 a I 与电枢电动势 Ea 的乘积，是电枢绕组因切割主磁通 而产生的电功率。 由式(2.8)可见，输入至电枢回路中的功率除了一小部分化作电枢回路的铜损 a p 和电刷 接触电损耗 b p 外，大部分为电磁功率 PM 。在直流电动机情况下，电磁功率就是转变为机 械功率的功率。这一转变而来的机械功率尚不能全部被利用，还需克服铁心损耗 Fe p 、机械 损耗 mp 和杂散损耗 pΔ 后，才是电动机轴上的输出功率 P2 ，即有 M2 m Fe P Pp p pΔ =+ + + (2.9) 把式(2.7)、式(2.8)、式(2.9)合并，便得电动机的功率平衡方程式为 P1 2 f a b m Fe A 2 =++++ + + =+ Pp p p p p p P ∑ p (2.10) 式中 ∑ p 是总损耗；在电动机的情况下，P1是输入电功率，P2 是输出机械功率；在发电动 机的情况下， P1是输入机械功率， P2 输出是电功率。 根据式(2.9)和式(2.10)可画出直流并励电动机的功率流程如图 2.2 所示。 图 2.2 直流电动机的功率流程图