直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù).ppt

,機(jī)電液系統(tǒng)控制 直流電機(jī)控制技術(shù),哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）機(jī)器人研究所,本章內(nèi)容,直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,直流電機(jī)基本原理,直流電機(jī)的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩,他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,一、直流電機(jī)原理,定義,直流電機(jī)是指發(fā)出直流電的發(fā)電機(jī)或通以直流電而轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，是電機(jī)的主要類型之一。,用途,（1）由于直流電動(dòng)機(jī)能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地 調(diào)節(jié)速度，所以它在精密機(jī)床和以蓄電池為電源的小型起 重運(yùn)輸機(jī)械等設(shè)備中應(yīng)用較多； （2）在機(jī)器人領(lǐng)域，小容量直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也很廣 泛。,直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理,一、直流電機(jī)原理,圖3-1 直流電動(dòng)機(jī)物理模型,一、直流電機(jī)原理,圖3-1是最簡單的直流電動(dòng)機(jī)的物理模型，N和S是一對固定的磁極(一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵)。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)圓弧形銅片上。弧形銅片稱為換向片，它們的組合體稱為換向器。在換向器上放置固定不動(dòng)而與換向片滑動(dòng)接觸的電刷A和，線圈abcd通過換向器和電刷接通外電路。電樞鐵心、電樞線圈和換向器構(gòu)成的整體叫作轉(zhuǎn)子或稱為電樞。,一、直流電機(jī)原理,此模型作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源加于電刷A和B。例如將電源正極加于電刷A，電源負(fù)極加于電刷B，則線圈abcd中流過電流，在導(dǎo)體ab中，電流由a流向b，在導(dǎo)體cd中，電流由c流向d。載流導(dǎo)體ab和cd均處于N、S極之間的磁場當(dāng)中，受到電磁力的作用，其方向由左手定則確定，可知這一對電磁力形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，使整個(gè)電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極，如圖3-1所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流方向變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則可判別，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針方向。,一、直流電機(jī)原理,由此可見，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保了直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。 實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞四周上均勻地嵌放許多線圈；相應(yīng)地，換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。,一、直流電機(jī)原理,直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理,直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢。 直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)相同，不同的是電刷上不加直流電壓，而是利用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞朝某一方向（例如逆時(shí)針方向）旋轉(zhuǎn)，如圖3-2所示。,一、直流電機(jī)原理,圖3-2 直流發(fā)電機(jī)物理模型,一、直流電機(jī)原理,這時(shí)導(dǎo)體ab和cd分別切割N極和S極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢，電動(dòng)勢的方向用右手定則確定。圖示情況下，導(dǎo)體ab中電動(dòng)勢的方向由b指向a，導(dǎo)體cd中電動(dòng)勢的方向由d指向c，所以電刷A為正極性，電刷B為負(fù)極性。電樞旋轉(zhuǎn)180時(shí)，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)至N極下，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向由c指向d，電刷A與d所連換向片接觸，仍為正極性；導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)至S極下，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向變?yōu)閍指向b，電刷B與a所連換向片接觸，仍為負(fù)極性?？梢姡绷靼l(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向是交變的，而通過換向器和電刷的作用，在電刷A、B兩端輸出的電動(dòng)勢是方向不變的直流電動(dòng)勢。若在電刷A、B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能，這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。,一、直流電機(jī)原理,從以上分析可見：一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界不同的條件。如果在電刷端外加直流電壓，則電機(jī)把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這種同一臺電機(jī)既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu),由直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)工作原理可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，其主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,圖3-3 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,圖3-4 直流電機(jī)橫剖面示意圖,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,1）主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成，如圖3-5所示。鐵心用0.51.5mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊而成，上面套勵(lì)磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可使氣隙中磁場分布比較理想，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在極身上，再將整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上。,定子部分,圖3-5 主磁極,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,2）換向極 兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極，也叫附加極或間極。換向極的作用是改善電機(jī)換向，減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花。換向極由換向極鐵心和換向極繞組構(gòu)成。換向極鐵心一般用整塊鋼制成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上。整個(gè)換向極用螺釘固定于機(jī)座上。換向極的數(shù)目一般與主磁極相等。,圖3-6 換向極,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,3）機(jī)座 電機(jī)定子部分的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起到整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用；另一方面也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,4）電刷裝置 電刷裝置用以引入或引出直流電壓和直流電流。電刷裝置由電刷、刷握桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)接觸，如圖3-7所示，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。,圖3-7 電刷裝置,轉(zhuǎn)子（電樞）部分,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,1）電樞鐵心 是主磁通磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。為了降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗，電樞鐵心用0.5mm厚的硅鋼片沖制的沖片疊壓而成，沖片形狀如圖3-8所示。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。,圖3-8 電樞鐵心沖片,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,2) 電樞繞組 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，線圈用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成。不同線圈邊分上、下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖3-9所示。線圈邊的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,圖3-9 電樞繞組在槽中的絕緣情況,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,3) 換向器 在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。換向片的緊固通常如圖3-10所示，換向片的下部做成鴿尾形，兩端用鋼制形套筒和形云母環(huán)固定， 再加螺母鎖緊。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,圖3-10 換向器,4) 轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸起支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,直流電機(jī)的額定值及銘牌,電機(jī)制造廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)所規(guī)定的每臺電機(jī)的主要數(shù)據(jù)稱為電機(jī)的額定值。額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌或產(chǎn)品說明書上。 直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)： (1) 額定功率PN：是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。對電動(dòng)機(jī)來說，額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率；對發(fā)電機(jī)來說，額定功率是指電樞輸出的電功率，單位為KW(千瓦)。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,(2) 額定電壓UN：是指電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。 (3)額定電流IN：是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A(安)。 (4)額定轉(zhuǎn)速nN ：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為rmin(轉(zhuǎn)/分)。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，故又稱為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩TN、額定效率N和額定溫升N等， 不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品說明書或由銘牌上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。 額定功率與額定電壓和額定電流的關(guān)系： 直流電動(dòng)機(jī) ： 直流發(fā)電機(jī)：,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果各個(gè)物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱為滿載運(yùn)行。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電流小于額定電流，稱為欠載運(yùn)行；電機(jī)的電流大于額定電流，稱為過載運(yùn)行。欠載運(yùn)行，電機(jī)利用不充分，效率低；過載運(yùn)行，易引起電機(jī)過熱損壞。根據(jù)負(fù)載選擇電機(jī)時(shí)，最好使電機(jī)接近于滿載運(yùn)行。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,例3-1 某臺直流電動(dòng)機(jī)的額定值為：PN12KW，UN220V，nN 1500rmin，892，試求該電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的輸入功率P1及電流IN。,解：額定輸入功率： 額定電流：,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,例3-2 某臺直流發(fā)電機(jī)額定值為：PN95KW，UN230V，nN1450rmin，N91.8，試求該發(fā)電機(jī)的額定電流IN。,解：額定電流：,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,為了滿足各行各業(yè)對產(chǎn)品的不同要求，生產(chǎn)廠將產(chǎn)品制成不同型號系列。所謂系列就是指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形狀基本相似，而某種性能參數(shù)例如容量則按一定等級遞增的一系列產(chǎn)品。對于電機(jī)來說，系列產(chǎn)品的電壓、轉(zhuǎn)速、機(jī)座號和鐵心長度都有一定的等級。 型號 它表示電機(jī)的類別。例如：Z212 的含義為 Z：直流；2：設(shè)計(jì)序號；1：鐵心長度；2：機(jī)座號,直流電機(jī)主要系列介紹,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,國產(chǎn)直流電機(jī)主要系列簡介 (1) Z型系列。Z為直流電機(jī)的漢語拼音第一個(gè)字母。這種系列是通風(fēng)防護(hù)式的。適用于調(diào)速范圍不大的機(jī)械拖動(dòng)，少灰塵，少腐蝕及溫度低的場所。 (2) Z2型系列。是Z型系列的改進(jìn)型，也是防護(hù)式。調(diào)速范圍可達(dá)2：1，即可超過額定轉(zhuǎn)速的一倍。 (3) ZO型系列。這種電機(jī)是封閉式的，用于多灰塵但無腐蝕性氣體的場所。,二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌,(4) ZD型系列電機(jī)主要用于需要廣泛調(diào)速并具有較大過載能力的場所，如大型機(jī)床、卷揚(yáng)機(jī)、起重設(shè)備等。 (5) ZQD型系列是直流牽引電動(dòng)機(jī)， 用于牽引車輛。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,直流電機(jī)的電樞繞組,電樞繞組元件 電樞繞組元件由絕緣銅線繞制而成，每個(gè)元件有兩個(gè)嵌放在電樞槽中，能與磁場作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或電動(dòng)勢的有效邊，稱為元件邊。元件的槽外部分亦即元件邊以外的部分稱為端接部分，如圖3-11所示。,直流電樞繞組的基本知識,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-11 直流電樞繞組元件 (a)、 (b) 疊繞組元件； (c)、 (d) 波繞組元件,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,每個(gè)元件有兩個(gè)出線端，稱首端和末端，與換向片相連的一端為前端接，另一端叫后端接。為便于嵌線，每個(gè)元件的一個(gè)元件邊嵌放在某一槽的上層，稱為上元件邊，畫圖時(shí)以實(shí)線表示；另一個(gè)元件邊則嵌放在另一槽的下層，稱為下元件邊，畫圖時(shí)以虛線表示，圖3-12所示。,圖3-12 電樞繞組在槽內(nèi)的放置,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,每一個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，每片換向片又總是接一個(gè)元件的上層邊和另一元件的下層邊，所以元件數(shù) S 總等于換向片數(shù) K，即,每個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，而每個(gè)電樞槽分上下兩層嵌放兩個(gè)元件邊，所以元件數(shù) S 又等于槽數(shù) Z ，即,對于小容量電機(jī)，電樞直徑小，電樞鐵心外圓不宜開太多槽時(shí)，往往在一個(gè)槽的上層和下層各放兩個(gè)元件邊，即把一個(gè)實(shí)槽當(dāng)成u個(gè)虛槽使用。虛槽數(shù)與實(shí)槽數(shù)Z之間的關(guān)系為 為分析方便起見，本書中均設(shè)u=1。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,節(jié)距 表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)為節(jié)距，直流電機(jī)電樞繞組的節(jié)距有第一節(jié)距yl、第二節(jié)距y2、合成節(jié)距 y 和換向器節(jié)距 yk 四種。 （1）第一節(jié)距 同一元件的兩個(gè)元件邊在電樞周圍上所跨的距離，稱為第一節(jié)距 yl，用槽數(shù)來表示。一個(gè)磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距，當(dāng)用槽數(shù)表示時(shí)，極距的表達(dá)式為 式中：p 為磁極對數(shù)。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,為使每個(gè)元件的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，第一節(jié)距應(yīng)等于一個(gè)極距，但不一定是整數(shù)，而 yl 必須是整數(shù)，為此，一般取第一節(jié)距 式中：為小于1的數(shù)。 y1=的元件為整距元件，繞組稱為整距繞組；y1的元件，其電磁效果與y1的元件相近，但端接部分較長，耗銅多，一般不用。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,（2）第二節(jié)距y2：第一個(gè)元件的下層邊與直接相連的第二個(gè)元件的上層邊之間在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為第二節(jié)距 y2 。 （3）合成節(jié)距y：直接相連的兩個(gè)元件的對應(yīng)邊在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為合成節(jié)距 y，有 單疊繞組取“-”號， 單波繞組取“+”號。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,（4）換向器節(jié)距 yk : 每個(gè)元件的首、末兩端所接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換向片數(shù)表示，稱為換向器節(jié)距 yk 。換向器節(jié)距 yk 與合成節(jié)距 y 總是相等的， 即,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,單疊繞組,電樞繞組中任何兩個(gè)串聯(lián)元件，后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分，稱為疊繞組。疊繞組的換向器節(jié)距yk=1時(shí)稱為單疊繞組，如圖3-11（a）所示?，F(xiàn)舉例說明單疊繞組的連接方法和特點(diǎn)。 【例3-3】一臺直流電機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)為ZSK16，2p=4， 試?yán)@制其單疊整距繞組。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,解：首先進(jìn)行節(jié)距計(jì)算。第一節(jié)距 換向器節(jié)距與合成節(jié)距 第二節(jié)距，由式（3-8）可見，對于單疊繞組,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,繪制繞組展開圖,假想把電樞從某一齒的中間沿軸向切開展成平面，所得繞組連接圖形稱為繞組展開圖，如圖3-13所示。 繪制直流電機(jī)單疊繞組展開圖的步驟如下： （1）畫16根等長、等距的平行實(shí)線代表16個(gè)槽的上層，在實(shí)線旁畫16根平行虛線代表16個(gè)槽的下層。一根實(shí)線和一根虛線代表一個(gè)槽，編上槽號，如圖3-13所示。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,A,B,圖3-13 單疊繞組的展開圖,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,（2）按節(jié)距 y1 連接一個(gè)元件。例如將1號元件的上層邊放在1號槽的上層，其下層邊應(yīng)放在1+ y1 =1+45號槽的下層。由于一般情況下，元件是左右對稱的，為此，可把1號槽的上層（實(shí)線）和5號槽的下層（虛線）用左右對稱的端接部分連成1號元件。注意首端和末端之間相隔一片換向片寬度( yk 1)，為使圖形規(guī)整起見，取換向片寬度等于一個(gè)槽距，從而畫出與1號元件首端相連的1號換向片，末端和相鄰的2號換向片相連，可以依次畫出2至16號元件，從而將16個(gè)元件通過16片換向片連成一個(gè)閉合的回路。顯然，元件號、上層邊所在槽號和該元件首端所連換向片的編號相同。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,本例單疊繞組的聯(lián)接順序表如圖3-14所示。表中上排數(shù)字同時(shí)代表上層元件邊的元件號、槽號和換向片號，下排帶“”的數(shù)字代表下層元件邊所在的槽號。,圖3-14 單疊繞組連接順序圖,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,單疊繞組的展開圖已經(jīng)畫成，但為了幫助理解繞組的工作原理和確定電刷的位置，一般在展開圖上還應(yīng)畫出磁極和電刷。 本例有4個(gè)主磁極，在圓周上應(yīng)該均勻分布，即相鄰磁極中心之間應(yīng)間隔4個(gè)槽。設(shè)某一瞬間，4個(gè)磁極中心分別對準(zhǔn)3、7、11、15槽，并讓磁極寬度約為極距的60%70%，畫出4個(gè)磁極，如圖3-13所示，依次標(biāo)上極性N、S，一般假設(shè)磁極在電樞繞組的上面。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,電刷組數(shù)（也就是刷桿數(shù)）等于極數(shù)，本例中為4。電刷必須均勻分布在換向器表面圓周上，相互間隔1644片換向片。為使被電刷短路的元件中感應(yīng)電動(dòng)勢最小，正、負(fù)電刷之間引出的電動(dòng)勢最大，由圖3-13分析可以看出，當(dāng)元件左右對稱時(shí)，電刷中心線應(yīng)對準(zhǔn)磁極中心線。圖中設(shè)電刷寬度等于一片換向片的寬度。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,設(shè)此電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并欲使電樞繞組向左移動(dòng)，根據(jù)左手定則可知電樞繞組各元件中電流的方向應(yīng)如圖3-13所示。為此應(yīng)將電刷A1、A2連起來作為電樞繞組的“”端，接電源正極；將電刷B1、B2連起來作為“”端，接電源負(fù)極。如果工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，設(shè)電樞繞組的轉(zhuǎn)向不變，則電樞繞組各元件中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向用右手定則確定，與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)的電流方向相反，因此電刷的正負(fù)極性不變。,（3）保持圖3-13中各元件的連接順序不變，將此瞬間不與電刷接觸的換向片省去不畫，可以得到如圖3-15所示的并聯(lián)電路。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-15 單疊繞組展開的并聯(lián)電路,圖3-13 單疊繞組的展開圖,對照圖3-15和圖3-14可以看出，從電刷外面看繞組時(shí)，電樞繞組由4條并聯(lián)支路組成，上層邊處在同一極下的元件中感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同，串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路；被電刷短路的元件中電動(dòng)勢等于0，此時(shí)這些元件不參加組成支路，因此，單疊繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a總等于極對數(shù)p， 即：,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,（4）單疊繞組有以下特點(diǎn)： 位于同一磁極下的各元素串聯(lián)起來組成一條支路， 并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)。 當(dāng)元件形狀左右對稱，電刷在換向器表面的位置對準(zhǔn)磁極中心線時(shí)，正、負(fù)電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，被電刷短路元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢最小。 電刷組數(shù)等于極數(shù)。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,單波繞組,單波繞組是直流電機(jī)電樞繞組的另一種基本形式，其元件如圖3-11所示，首尾端分別接到相距約兩個(gè)極距的換向片上，yk=2，串聯(lián)起來形成波浪形，故稱為波繞組。若將所有同極下的元件串聯(lián)后回到原來出發(fā)的那個(gè)換向片的相鄰換向片上，則該繞組稱之為單波繞組。為此，換向器節(jié)距必須滿足以下關(guān)系：,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,則換向器節(jié)距 合成節(jié)距 第一節(jié)距的確定原則與單疊繞組相同， 則第二節(jié)距,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,【例3-5】直流電機(jī)極數(shù)2p=4，且Z=S=K=15，試接成單波繞組。 解： (1) 節(jié)距計(jì)算。 單波繞組的合成節(jié)距為 第一節(jié)距,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,第二節(jié)距 虛槽數(shù),單波繞組的展開圖,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,繪制單波繞組展開圖的步驟與單疊繞組相同，本例的展開圖如圖3-16所示。,圖3-16 單波繞組的展開圖,由于波繞組的端接通常是對稱的，這就意味著與每一元件所接的兩片換向片自然會(huì)對稱位于該元件軸線的兩邊，因此電刷均位于與主磁極軸線對準(zhǔn)的換向片上。要注意的是由于本例的極距不是整數(shù)，所以相鄰主磁極中心線之間的距離不是整數(shù)，相鄰電刷中，用換向片數(shù)表示時(shí)也不是整數(shù)。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,繞組順序連接表,采用與單疊繞組相同的方法，即可得到單波繞組的連接順序表，如圖3-17所示。所有元件依次串聯(lián)，最終構(gòu)成一個(gè)閉合回路，故單波繞組又稱為串聯(lián)繞組。,圖3-17 單波繞組元件連接順序表,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,繞組并聯(lián)支路,按圖3-17中各元件的連接順序，將此刻不與電刷接觸的換向片略去不畫，可以得出此單波繞組的并聯(lián)支路如圖3-18所示?？梢钥闯?，單波繞組將上層邊在N極下的所有繞組元件串聯(lián)起來組成一條支路，將上層邊在S極下的所有繞組元件串聯(lián)起來組成另一條支路，因此單波繞組的并聯(lián)支路數(shù)總是2，并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-18 單波繞組并聯(lián)支路,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,單波繞組的特點(diǎn),上層邊位于同一極性磁極下的所有繞組元件串聯(lián)組成一條支路，不論極數(shù)為多少，單波繞組的并聯(lián)支路數(shù)總等于2；當(dāng)元件形狀左右對稱，電刷在換向器表面的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，支路電勢最大；單從支路對數(shù)來看，單波繞組可以只要兩根刷桿，然而在實(shí)際電機(jī)中，為縮短換向器長度以降低成本，仍使電刷桿數(shù)等于極數(shù)，即采用全額電刷。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,單疊繞組和單波繞組的主要差別在于并聯(lián)支路對數(shù)的多少。 由于在同樣元件數(shù)的情況下，單疊繞組的并聯(lián)支路多，但各支路的元件數(shù)較少，因而單疊繞組的電壓低于單波繞組，而允許通過的電樞電流卻大于單波繞組。因此，單疊繞組適用于低電壓、大電流的電機(jī)，單波繞組適用于高電壓、小電流的電機(jī)。,設(shè)繞組的支路電流為ia，電刷電流為Ia，對單疊繞組和單波繞組均有 其中：a 為并聯(lián)支路對數(shù)。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,直流電機(jī)的磁場,直流電機(jī)的勵(lì)磁方式,主磁極上勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢。勵(lì)磁磁動(dòng)勢單獨(dú)產(chǎn)生的磁場是直流電機(jī)的主磁場， 又稱為勵(lì)磁磁場。勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。 直流電機(jī)按勵(lì)磁方式的不同可以分為他勵(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)4類。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-19 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 (a) 他勵(lì)； (b) 并勵(lì)； (c) 串勵(lì)； (d) 復(fù)勵(lì),三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,他勵(lì)直流電機(jī),他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系，如圖3-19(a)所示。永磁直流電機(jī)也屬于他勵(lì)直流電機(jī)，其勵(lì)磁磁場與電樞電流無關(guān)。圖3-19中的電流正方向是以電動(dòng)機(jī)為例設(shè)定的。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,并勵(lì)直流電機(jī) 并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖3-19（b）所示，勵(lì)磁電壓等于電樞繞組端電壓。 他勵(lì)直流電機(jī)和并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁電流只有電機(jī)額定電流的15，因此勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線細(xì)而匝數(shù)多。 串勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖3-19 （c）所示，勵(lì)磁電流等于電樞電流，因此勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線粗而匝數(shù)較少。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 復(fù)勵(lì)直流電機(jī)的每個(gè)主磁極上套有兩個(gè)勵(lì)磁繞組：一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵(lì)繞組；另一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵(lì)繞組，如圖3-19(d)所示。 兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向相同時(shí)稱為積復(fù)勵(lì)，磁動(dòng)勢方向相反時(shí)稱為差復(fù)勵(lì)，通常采用積復(fù)勵(lì)方式。 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式不同，運(yùn)行特性和適用場合也不同。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,直流電機(jī)的空載磁場和磁化曲線,直流電機(jī)不帶負(fù)載(即不輸出功率)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時(shí)電樞電流為零或近似等于零，因此空載磁場是指主磁極勵(lì)磁磁動(dòng)勢單獨(dú)產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場，亦稱為主磁場。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-20 直流電機(jī)的空載磁場分布示意圖,一臺四極直流電機(jī)空載磁場的分布示意圖如圖3-20所示，圖中只畫了一半。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,主磁通和漏磁通 圖3-20表明，當(dāng)勵(lì)磁繞組通以勵(lì)磁電流時(shí)，產(chǎn)生的磁通大部分由N極出來，經(jīng)氣隙進(jìn)入電樞齒，通過電樞鐵心的磁軛(電樞磁軛)到S極下的電樞齒，又通過氣隙回到定子的S極，再經(jīng)機(jī)座(定子磁軛)形成閉合回路。這部分同時(shí)與勵(lì)磁繞組和電樞繞組相匝鏈的磁通稱為主磁通，用0表示。主磁通經(jīng)過的路徑稱為主磁路。主磁路由主磁極、氣隙、電樞齒、電樞磁軛和定子磁軛五部分組成。另有一部分磁通不通過氣隙，直接經(jīng)過相鄰磁極或定子磁軛形成閉合回路，這部分磁通不進(jìn)入電樞鐵心，僅與勵(lì)磁繞組匝鏈，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為漏磁通。漏磁通路徑主要為空氣，磁阻很大，所以漏磁通的數(shù)量只有主磁通的20左右。,直流電機(jī)的空載磁化特性 直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要求氣隙磁場每個(gè)極下有一定數(shù)量的主磁通，叫每極磁通，當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)Nf一定時(shí)，每極磁通的大小主要決定于勵(lì)磁電流?？蛰d時(shí)與空載勵(lì)磁電流(或空載勵(lì)磁磁動(dòng)勢FN)的關(guān)系稱為電機(jī)的空載磁化特性。由于構(gòu)成主磁路的五部分當(dāng)中有四部分是鐵磁性材料，鐵磁性材料磁化時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BH（磁場強(qiáng)度）曲線有飽和現(xiàn)象，磁阻是非線性的，所以空載磁化特性在較大時(shí)也出現(xiàn)飽和，如圖3-21所示。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-21 空載磁化特性曲線,由于空載時(shí)的每極磁通是隨磁動(dòng)勢或勵(lì)磁電流的變化而變化。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，從而可以節(jié)省鐵心和勵(lì)磁繞組的材料。所以電機(jī)的工作點(diǎn)一般選在磁化特性開始轉(zhuǎn)彎，亦即磁路開始飽和的部分。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,空載磁場氣隙磁通密度分布曲線 主磁極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢主要消耗在氣隙上，當(dāng)近似地忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁密的分布就取決于氣隙的分布情況。一般情況下，磁極極靴寬度約為極距的75左右，如圖3-22所示。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-22 空載時(shí)氣隙磁通密度分布,磁極中心及其附近，氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數(shù)；靠近兩邊極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；超出極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減?。辉诖艠O之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。因此，空載氣隙磁通密度分布為一禮帽形的平頂波。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,直流電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁磁動(dòng)勢單獨(dú)產(chǎn)生的氣隙磁通密度分布為一平頂波，如圖3-22所示。直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電樞繞組流過電樞電流I，產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢Fa，與勵(lì)磁磁動(dòng)勢Ff共同建立負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁通密度，必然會(huì)使原來的氣隙磁通密度的分布發(fā)生變化。通常把電樞磁動(dòng)勢對氣隙磁通密度分布的影響稱為電樞反應(yīng)（armature reaction）。,直流電機(jī)的負(fù)載磁場與電樞反應(yīng),三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-23 電刷在幾何中性線時(shí)的電樞磁勢與磁場 (a) 電樞磁場 (b) 電樞磁勢與磁場分布,直流電機(jī)的電樞磁場 圖3-23表示一臺兩極直流電機(jī)電樞磁動(dòng)勢單獨(dú)作用產(chǎn)生的電樞磁場分布情況。圖中沒有畫出換向器，所以把電刷直接畫在幾何中性線處，以表示電刷是通過換向器與處在幾何中性線上的元件邊相接觸的。電刷軸線上部所有元件構(gòu)成一條支路，下部所有元件構(gòu)成另一條支路。電樞元件邊中電流的方向以電刷軸線為界，圖例中設(shè)上部元件邊中電流為流出，下部元件邊電流為流進(jìn)。由右手螺旋定則可知，電樞磁動(dòng)勢的方向由左向右，電樞磁場軸線與電刷軸線重合在幾何中性線上，亦即與磁極軸線相垂直，如圖3-23(a)所示。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,下面進(jìn)一步分析電樞磁動(dòng)勢和電樞磁場氣隙磁通密度的分布情況。如果設(shè)元件導(dǎo)體數(shù)為N，元件中電流為ia，將此電機(jī)從幾何中性線處切開展平，如圖所示。圖中磁極軸線上的O為圓點(diǎn)，距圓點(diǎn)x處作一閉合磁路。根據(jù)全電流定律可知，作用在這一閉合磁路的磁動(dòng)勢等于它所包圍的全電流， 即,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,式中：D為電樞直徑；A為沿電樞表面周長方向單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)。忽略鐵磁性材料的磁阻并認(rèn)為電機(jī)的氣隙是均勻的， 則每個(gè)氣隙所消耗的磁動(dòng)勢為Fax=2xA/2=Ax。一般取磁力線自電樞出、進(jìn)入定子時(shí)的磁動(dòng)勢為正，反之為負(fù)，這樣可得整個(gè)繞組元件產(chǎn)生的磁動(dòng)勢的分布情況，如圖3-23(b)中的曲線Fax所示。電樞磁動(dòng)勢空間分布為一三角形波，三角形波磁動(dòng)勢的最大值在幾何中性線位置，磁極中心線處為零。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,如果忽略鐵心中的磁阻，認(rèn)為電樞磁動(dòng)勢全部消耗在氣隙上， 則根據(jù)磁路的歐姆定律，可得電樞磁場磁密的表達(dá)式為： 式中：Fax為氣隙中x處的磁動(dòng)勢；Bax為氣隙中x處的磁密。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,負(fù)載時(shí)氣隙合成磁場 （1）當(dāng)磁路不飽和或不考慮磁路飽和現(xiàn)象時(shí)，可以利用疊加原理，將空載時(shí)氣隙合成磁場的磁通密度分布曲線B0x和電樞磁場的氣隙磁密分布曲線Bax相加，即得負(fù)載氣隙合成磁場的磁通密度分布曲線，如圖3-24(b)中的曲線Bx所示。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,圖3-24 直流電機(jī)的電樞反應(yīng) (a) 電樞磁場 (b) 電樞磁勢與磁場分布,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,對照曲線B0x和Bx可見：電樞反應(yīng)的影響是使氣隙磁場發(fā)生畸變，使半個(gè)磁極下的磁場加強(qiáng)，磁通增加，另半個(gè)磁極下的磁場減弱，磁通減少。由于增加和減少的磁通量相等，因而每極總磁通維持不變。磁場發(fā)生畸變，使電樞表面磁通密度等于零的物理中性線偏離了幾何中性線，如圖3-24(a)所示。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,（2）當(dāng)考慮磁路飽和的影響時(shí)，半個(gè)極下磁場相加，由于飽和程度增加，磁阻增大，因而氣隙磁通密度的實(shí)際值低于不考慮飽和時(shí)的直接相加值；另半個(gè)極下磁場減弱，飽和程度降低，磁阻減小，氣隙磁通密度的實(shí)際值略大于不考慮飽和時(shí)的直接相加值。實(shí)際的氣隙合成磁場磁通密度分布曲線如圖3-24(b)中的曲線Bx所示。由于鐵磁性材料的非線性，因而減少的面積（S3）大于增加的面積（S4），即半個(gè)極下減少的磁通大于另半個(gè)極下增加的磁通，使每極總磁通有所減小。,三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場,由以上分析可以得知，電刷放在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)的影響為：使氣隙磁場發(fā)生畸變，半個(gè)極下磁場削弱，半個(gè)極下磁場加強(qiáng)；磁路飽和時(shí)有去磁作用，使每個(gè)極下部總的磁通有所減小。,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,電樞繞組的電動(dòng)勢是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢。電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割氣隙合成磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，由于氣隙合成磁通密度在一個(gè)極下的分布不均勻，如圖3-25所示，因而導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小是變化的。為分析方便起見，可把磁通密度看成均勻分布的，取一個(gè)極下氣隙磁通密度的平均值Bav，從而可得一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁通密度產(chǎn)生的電動(dòng)勢的平均值eav，其表達(dá)式為：,直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,圖3-25 氣隙磁通密度分布與平均磁通密度,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,式中：Bav為一個(gè)極下氣隙磁通密度的平均值，稱平均磁通密度；l為電樞導(dǎo)體的有效長度(槽內(nèi)部分)；v為電樞表面的線速度。 由于,因而一根導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值：,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N，則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N2a， 因此電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢：,式中：Ce=PN/60a，對已經(jīng)制造好的電機(jī)是一常數(shù)，稱為直流電機(jī)的電動(dòng)勢常數(shù)。當(dāng)每極磁通的單位用Wb（韋伯），轉(zhuǎn)速單位用r/min時(shí)，電動(dòng)勢Ea的單位為V 。 式（3-20）表明：對已制成的電機(jī)，電樞電動(dòng)勢Ea與每極磁通和轉(zhuǎn)速n的乘積成正比，式中的一般是指負(fù)載時(shí)氣隙合成磁場的每極磁通。,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,電樞繞組中流過電樞電流Ia時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過支路電流a成為載流導(dǎo)體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力的方向按左手定則確定，如圖3-25所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為： 如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻的，氣隙磁密用平均值Bav表示，成為載流導(dǎo)體，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為：,一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為： 式中：D為電樞外徑。,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向也不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向都是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值Tav乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N，即： 式中：CT=PN/2a，對已制成的電機(jī)是一常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。當(dāng)磁通的單位用Wb，電流的單位用A時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem單位為Nm(牛米)。,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,式(3-25)表明，對已制成的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與每極磁通和電樞電流Ia的乘積成正比。電樞電動(dòng)勢Ea=Cen和電磁轉(zhuǎn)矩Tem=CTn是直流電機(jī)中兩個(gè)重要的公式。對于同一臺直流電機(jī)，電動(dòng)勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT之間具有確定的關(guān)系：,四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程,直流發(fā)電機(jī),正方向如圖 電樞回路方程式：,電機(jī)軸上的軸轉(zhuǎn)矩：,勵(lì)磁電流：,氣隙每極磁通：,直流電動(dòng)機(jī),正方向如圖 電樞回路方程式：,電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩：,機(jī)械軸的輸出轉(zhuǎn)矩； 空載轉(zhuǎn)矩。 勵(lì)磁回路、每極磁通（同發(fā)電機(jī)）,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,與發(fā)電機(jī)不同，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的目的是拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL是已知量，當(dāng)電機(jī)的參數(shù)確定后，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各物理量的大小和方向都取決于負(fù)載。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩一定與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相同，方向相反，即 。,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,機(jī)械特性的一般表達(dá)式,他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)加上一定的電壓 U 和一定的勵(lì)磁電流If 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系， 即 。,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,式中，n0稱為理想空載轉(zhuǎn)速， 是機(jī)械特性的斜率?？蛰d時(shí)T0 0，對應(yīng)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速n0。,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,固有機(jī)械特性,電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。 即：,此時(shí)，變量為Te 。,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,固有機(jī)械特性的特點(diǎn)： 1）特性是一條下斜直線； 2）理想空載轉(zhuǎn)速（ ） 3）斜率 其值很小，特性較平，習(xí)慣上稱為硬特性。,他勵(lì)直流電機(jī)的固有機(jī)械特性,五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,固有機(jī)械特性的特點(diǎn)： 4）轉(zhuǎn)速降落 速降： 5）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流比額定值大很多。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,例：他勵(lì)直流電機(jī)額定功率PN=22kW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=115A，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.1歐姆，忽略空載轉(zhuǎn)矩T0，電機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL=0.85TN（TN為額定電磁轉(zhuǎn)矩）運(yùn)行。求穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、電樞電流Ia和電動(dòng)勢Ea的值。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,人為機(jī)械特性,他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路 電阻大小等改變后，其機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。,1）電樞回路串電阻,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,2）改變電樞電壓,3）減小氣隙磁通量,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,根據(jù)銘牌估算機(jī)械特性,他勵(lì)直流電機(jī)的固有機(jī)械特性是一條斜直線。如果知道這條直線上的兩點(diǎn)，例如空載點(diǎn)（0, n0）和額定工作點(diǎn)（TN , nN），通過這兩點(diǎn)連成的直線，就是固有機(jī)械特性。,他勵(lì)直流電機(jī)的固有機(jī)械特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,他勵(lì)直流電機(jī)的功率關(guān)系,發(fā)電機(jī),原動(dòng)機(jī)輸送給發(fā)電機(jī)的軸機(jī)械功率； 轉(zhuǎn)化為電磁功率的機(jī)械功率， 稱為電磁功率。 是發(fā)電機(jī)空載損耗功率，其中 是發(fā)電機(jī)機(jī)械摩擦損耗， 是鐵損耗，即電樞鐵心在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，鐵心中的磁滯與渦流損耗。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,P1 = PMp0 PM = pCuaP2 p0 = pmpFe,電動(dòng)機(jī),電磁功率轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率； 是轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率； 電動(dòng)機(jī)空載損耗功率； 扣除 為軸上輸出的機(jī)械功率 ； Pcua：電樞回路總銅損耗。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,P1 = PMpCua PM = p0P2 p0 = pmpFe,電機(jī)的效率,無論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，其效率都可用下式計(jì)算。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,例：一臺四極他勵(lì)直流電機(jī)，電樞采用單波繞組，并聯(lián)支路對數(shù)a=1，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=372，電樞回路電阻Ra=0.208歐姆。當(dāng)此電機(jī)運(yùn)行在電源電壓U=220V，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1500r/min，氣隙每極磁通 =0.01Wb，此時(shí)電機(jī)的損耗pFe=362W，機(jī)械摩擦損耗pm=204W。問： （1）該電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，還是電動(dòng)機(jī)狀態(tài)？ （2）電磁轉(zhuǎn)矩、輸入功率和效率各是多少？,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性,五、他勵(lì)直流電機(jī)的運(yùn)行特性,下面將定性分析包括起動(dòng)在內(nèi)的他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速和各種運(yùn)行。分析中如果不作特別說明，則以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為例，同時(shí)，不考慮電樞回路的動(dòng)態(tài)。對于下式表示的由飛輪矩引起的速度變化只作定性分析。即，動(dòng)轉(zhuǎn)矩 不為零時(shí)，轉(zhuǎn)速不發(fā)生突變，但將從原有穩(wěn)態(tài)變化到另一 的穩(wěn)態(tài)。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速,他勵(lì)直流電機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速,他勵(lì)直流電機(jī)的起動(dòng),直流電動(dòng)機(jī)接到電源后，轉(zhuǎn)速從零達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程。 若對靜止的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)加額定電壓 、電樞回路不串電阻即直接起動(dòng)。此時(shí)， ， ，起動(dòng)電流,電流太大，使得電機(jī)不能正常換向并且會(huì)急劇發(fā)熱； 轉(zhuǎn)矩太大，還會(huì)造成機(jī)械撞擊。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速,1）電樞回路串電阻,2）降電壓起動(dòng),電動(dòng)機(jī)是用來拖動(dòng)某種生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)備，所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。比如：在加工毛坯工件時(shí)，為了防止工件表面對生產(chǎn)刀具的磨損，因此加工時(shí)要求電機(jī)低速運(yùn)行；而在對工件進(jìn)行精加工時(shí)，為了要縮短加工時(shí)間，提高產(chǎn)品的成本效益，因此加工時(shí)要求電機(jī)高速運(yùn)行。所以，我們就將調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)生產(chǎn)要求的過程就稱之為調(diào)速；而用于完成這一功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)就被稱為是調(diào)速系統(tǒng)。,他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速：1）機(jī)械調(diào)速，通過改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法；2）電氣調(diào)速，通過改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)速的方法。 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：,電氣調(diào)速方法：1）降壓調(diào)速； 2）電樞回路串電阻調(diào)速； 3）調(diào)磁調(diào)速。,調(diào)速指標(biāo),五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,1、調(diào)速范圍D：,2、靜差率（相對穩(wěn)定性）%：指電動(dòng)機(jī)在一條機(jī)械特性上額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落nN與該機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速n0之比。,從前面公式可看出，在n0相同時(shí)，機(jī)械特性越“硬”，額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降nN越小，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速變化也越小。圖中機(jī)械特性1比機(jī)械特性2“硬”，所以12。靜差率除與機(jī)械特性硬度有關(guān)外，還與理想空載轉(zhuǎn)速n0成反比。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,對于同樣“硬度”的特性，如圖中特性1和特性3，雖然轉(zhuǎn)速降相同n1=n3 ，但其靜差率卻不同：13 。為了保證轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性，常要求靜差率應(yīng)不大于某一允許值。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,D與%相互制約：,越小，D越小，相對穩(wěn)定性越好；在保證一定的指標(biāo)的前提下，要擴(kuò)大D，須減少n，即提高機(jī)械特性的硬度。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,3、調(diào)速的平滑性： 在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比，為平滑系數(shù) ：,越接近1，平滑性越好，當(dāng)=1時(shí)，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時(shí)，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。 4、調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性： 主要指調(diào)速的投資、運(yùn)行效率及維修費(fèi)用等。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)調(diào)速,調(diào)速方法,1、電樞回路串電阻調(diào)速,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,優(yōu)點(diǎn)：電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡單，操作方便。 缺點(diǎn)： 1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差； 2）低速時(shí)特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差； 3）輕載時(shí)調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍一般為D2； 4）損耗大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前、后因轉(zhuǎn)矩不變而使Tem和Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了；,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,5）通常把電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速稱為基速，電樞回路串電阻調(diào)速的方法的調(diào)速范圍只能在基速與零轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。,2、降電壓調(diào)速,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程相似，調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時(shí)間變化的曲線也相似。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,優(yōu)點(diǎn)： 1）電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。 2）調(diào)速前后的機(jī)械特性的斜率不變，硬度較高，負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定性好。 3）無論輕載還是負(fù)載，調(diào)速范圍相同，一般可達(dá) D=2.512。 4）電能損耗較小。 缺點(diǎn)：需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,3、減弱磁通調(diào)速,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,優(yōu)點(diǎn)：由于在電流較小的勵(lì)磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，調(diào)速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動(dòng)機(jī)的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動(dòng)機(jī)的效率基本不變，因此經(jīng)濟(jì)性是比較好。 缺點(diǎn)：機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟；轉(zhuǎn)速的升高受到電動(dòng)機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，升速范圍不可能很大，一般 D2； 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓調(diào)速。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,4、調(diào)速性能比較,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,例：一臺他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定功率PN=75KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=385A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電樞回路總電阻=0.01824，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)額定負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行。若要求轉(zhuǎn)速調(diào)到400r/min，假設(shè)T0不變。求： （1）采用電樞串電阻調(diào)速時(shí)，電樞回路需串入多大的電阻？該轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)的效率？ （2）采用改變電樞電源電壓調(diào)速時(shí)，電樞電源電壓應(yīng)調(diào)到多少伏？電動(dòng)機(jī)的效率？,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,解：（1）電樞回路串入電阻值及效率的計(jì)算,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,解：（2）電樞電源電壓及效率的計(jì)算,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,例：一臺他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定功率PN=90KW，額定電壓UN=440V，額定電流IN=224A，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0938歐姆。求電動(dòng)機(jī)在以下各種不同靜差率要求、不同調(diào)速方式時(shí)的調(diào)速范圍。 （1）靜差率25%、電樞串電阻調(diào)速時(shí)； （2）靜差率25%、改變電樞電源電壓調(diào)速時(shí)； （3）靜差率40%、電樞串電阻調(diào)速時(shí)。,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,解：（1）靜差率25%、電樞串電阻調(diào)速時(shí)的調(diào)速范圍：,五、他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速,解：（2）靜差率25%、改變電樞電源電壓調(diào)速時(shí)的調(diào)速范圍：,五、