電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)教案 (一)

學(xué)期授課計(jì)劃說明

課

本己本本學(xué)期課時(shí)分配

課時(shí)

講期本其中

程

學(xué)余

方授教期講實(shí)測考機(jī)小

案

學(xué)學(xué)總嬴

學(xué)學(xué)

時(shí)時(shí)周時(shí)授踐試核動(dòng)計(jì)

120181205630考試2120

教學(xué)大綱名稱《電機(jī)與拖動(dòng)根底》教學(xué)大綱

或版本——自編

選用教材《電機(jī)與拖動(dòng)根底》

主要參考書《電機(jī)及電力拖動(dòng)》（機(jī)工出版社）

名稱及版本

所需實(shí)驗(yàn)（實(shí)習(xí)）器電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置

材及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)（習(xí)）場地電機(jī)實(shí)訓(xùn)室

備注

皖西學(xué)院教案

2010?20n學(xué)年度第二學(xué)期編號001.

機(jī)械與電子工程系電氣教研室任課教師汪良益.

課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)根底

授課章節(jié)緒論第一章直流電機(jī)

§1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

緒論課型：理論

課題:學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)

§1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理課

1.了解電機(jī)及電力拖動(dòng)技術(shù)的開展；

2.明確課程的性質(zhì)、課程所涵蓋的內(nèi)容、學(xué)完本課程后所到達(dá)的要求。

教學(xué)目的及

3.掌握直流電機(jī)的根本工作原理。

要求4.掌握直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，掌握各局部的作用。

5.了解直流電機(jī)的銘牌。

教學(xué)重點(diǎn)直流出機(jī)的根本工作原理及結(jié)構(gòu)

教學(xué)難點(diǎn)直流電機(jī)的根本工作原理

教學(xué)方法講授法

教學(xué)輔助手

段、教具

電氣0803,

電氣0801,0802

授課班級電信07

授課日期9月8日9月10日月日月日

教學(xué)過程主

要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

作業(yè)1.1,1.2

緒論

0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述

一、電機(jī)

《電機(jī)與拖動(dòng)根底》是把電機(jī)學(xué)和電力拖動(dòng)根底兩門課程有機(jī)結(jié)合而成的一門課程。

電機(jī)是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為根本工作原理進(jìn)行電能的傳遞或機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)

械裝置。

電能易于轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和控制，是現(xiàn)代能源的主要形式。發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為

電能。而電能的生產(chǎn)集中在火力、水力、核能和風(fēng)力發(fā)電廠進(jìn)行。

為了減少輸電中的能量損失，遠(yuǎn)距離輸電均采用高電壓形式：電廠發(fā)出的電能經(jīng)變壓

器升壓，然后經(jīng)高壓輸電線路送達(dá)目的地后，再經(jīng)變壓器降壓供應(yīng)用戶。

電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能主要由電動(dòng)機(jī)完成。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的方式稱為電力拖動(dòng)。

由于電動(dòng)機(jī)的效率高、種類和規(guī)格多、具有各種良好的特性，電力拖動(dòng)易于操作和控

制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制，因此，電力拖動(dòng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。例如

各種機(jī)床、軋制生產(chǎn)線、電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵、電開工具乃至家用電器等，數(shù)不勝數(shù)。

為了能建立一個(gè)感性認(rèn)識，對電機(jī)進(jìn)行簡單的分類如下：

在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)是一種在自動(dòng)控制、自動(dòng)

調(diào)節(jié)、隨動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離測量及計(jì)算裝置中作為執(zhí)行元件、檢測元件的小型電機(jī)。這局部

內(nèi)容將在另外的教材中涉及。

在工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)與電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)中，電機(jī)與拖動(dòng)是一門十分重要的專業(yè)根

底課或技術(shù)根底課，它在整個(gè)專業(yè)教學(xué)方案中起著承前啟后的作用，是后續(xù)課程《自動(dòng)控

制原理》、《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》、《電力電子技術(shù)》等課程的重要根底。主要研究電機(jī)

拖動(dòng)系統(tǒng)的根本理論問題，分析研究直流電機(jī)、變壓器、異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的簡單

結(jié)構(gòu)、原理、根本電磁關(guān)系和運(yùn)行特性；并初步聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，從生產(chǎn)機(jī)械工作的要求出

發(fā)，重點(diǎn)介紹交直流拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行特性，為學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)等后續(xù)專業(yè)課打下

堅(jiān)實(shí)根底。因此，課程既具有較強(qiáng)的根底性，又帶有專業(yè)性。

二、電力拖動(dòng)

簡單的電力拖動(dòng)系統(tǒng)由電源、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、負(fù)載和自動(dòng)控制裝置等局部組成，

見圖l.lo電源提供電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)所需的電能；電動(dòng)機(jī)完成電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；傳

動(dòng)機(jī)構(gòu)用于傳遞動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)方式和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)換，以滿足不同負(fù)載的要求；自動(dòng)

控制裝置那么控制電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載按照設(shè)定的工作方式運(yùn)行，完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)。

圖1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成

0.2電氣控制

電氣化、信息化時(shí)代，在性能、可靠性及容量等方面，對電機(jī)提出了更高的要求。交

流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無刷直流電機(jī)、永磁同步無刷電機(jī)等得到了很大開展。

同時(shí)，隨著新興行業(yè)的開展，微電機(jī)亦成為電機(jī)行業(yè)開展的亮點(diǎn)，是我國電工電器行

業(yè)（電機(jī)）開展的重點(diǎn)產(chǎn)品。稀土永磁電機(jī)，無軸承電機(jī)也是電機(jī)技術(shù)開展的新動(dòng)向。

與此相適應(yīng)，電機(jī)拖動(dòng)也有了新的開展，對拖動(dòng)系統(tǒng)又提出更高的要求，如要求提高

加工的精度和工作的速度，要求快速啟動(dòng)、制動(dòng)和逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的調(diào)速及整個(gè)生

產(chǎn)過程的自動(dòng)化等，這就需要有一整套自動(dòng)控制設(shè)備組成自動(dòng)化的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。而這些

高要求的拖動(dòng)系統(tǒng)隨著自動(dòng)控制理論的不斷開展，半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的采用，以

及數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展與采用，正在不斷地完善和提高。

綜上所述，電力拖動(dòng)技術(shù)開展至今，它具有許多其他拖動(dòng)方式無法比較的優(yōu)點(diǎn)。它啟

動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動(dòng)機(jī)的類型多，且具有各種

不同的運(yùn)行特性來滿足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)的檢測和信號的變換與

傳送方便，易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動(dòng)已成為國民經(jīng)濟(jì)電氣自動(dòng)化的根底。

0.3本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容

《電機(jī)與拖動(dòng)根底》是電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)根底課。它的主要任務(wù)是使學(xué)

生掌握常用的交直流電機(jī)、變壓器、控制電機(jī)等的根本結(jié)構(gòu)與工作原理，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的

運(yùn)行性能、分析計(jì)算，電機(jī)容量選擇及試驗(yàn)方法等，為學(xué)習(xí)《工廠電氣控制設(shè)備》、《自

動(dòng)控制原理》、《交直流調(diào)速系統(tǒng)》等課程準(zhǔn)備必要的根底知識。

《電機(jī)與拖動(dòng)根底》是分析和解決電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的根本問題，主要包括直流電

機(jī)及拖動(dòng)、變壓器、異步電機(jī)及拖動(dòng)、同步電動(dòng)機(jī)、控制電機(jī)和電動(dòng)機(jī)容量的選擇等內(nèi)容。

課程學(xué)完后學(xué)生應(yīng)到達(dá)以下要求：

1.掌握常用交、直流電機(jī)及變壓器的根本理論（電磁關(guān)系、能量關(guān)系）。

2.掌握控制電機(jī)的工作原理、主要性能及用途。

3.掌握分析電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的根本理論。

4.掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法的根本原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

5.掌握選擇電動(dòng)機(jī)的原那么和方法。

6.掌握電機(jī)的根本試驗(yàn)方法及技能，并具有熟練的運(yùn)算能力。

7.了解電機(jī)與電力拖動(dòng)今后的開展方向。

0.4課程目標(biāo)

《電機(jī)與拖動(dòng)根底》課程在于通過電機(jī)的理論、應(yīng)用、電氣控制方法、電氣控制系統(tǒng)

的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生成為一名電機(jī)及控制技術(shù)方面的應(yīng)用型技術(shù)人才。

0.5本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法

一、特點(diǎn)：本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、實(shí)踐性也強(qiáng)。分析電機(jī)與電力拖動(dòng)的工作原理

要用電學(xué)、磁學(xué)和動(dòng)力學(xué)的根底理論，既要有時(shí)間概念，又要有空間概念，所以理論性較

強(qiáng)；而用理論分析各種電機(jī)和電力拖動(dòng)的實(shí)際問題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工

程觀點(diǎn)和工程分析方法，除要掌握根本理論以外，還應(yīng)注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作技能和計(jì)算能力,

所以實(shí)踐性也較強(qiáng)。因此，學(xué)習(xí)本門課程應(yīng)該特別注意理論聯(lián)系實(shí)際。

二、學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

1、抓主略次

2、掌握根本概念、根本原理和主要特性

3、比照學(xué)習(xí)，找共性和特點(diǎn)

4、理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)驗(yàn)和下廠實(shí)習(xí)結(jié)合

5、帶著問題學(xué)〔預(yù)習(xí)每節(jié)相關(guān)的思考題）

第一章直流電機(jī)

§1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

一、直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)是由靜止的定子局部和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子局部構(gòu)成的，定、轉(zhuǎn)子之間有一定大小的

間隙(以后稱為氣隙)。

1一換向器；2—電刷裝置；3一機(jī)座；4一主磁極；5一換向極；6一端蓋；

7—風(fēng)扇；8—電樞繞組；9—電樞鐵心

1.定子局部：直流電機(jī)定子局部主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。

(1)主磁極又稱主極。在一般大中型直流電機(jī)中，主磁極是一種電磁鐵。

(2)換向極容量在Ikw以上的直流電機(jī)，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極。換向極又

稱附加極或間極，其作用為了改善直流電機(jī)的換向。

(3)機(jī)座一般直流電機(jī)都用整體機(jī)座。所謂整體機(jī)座，就是一個(gè)機(jī)庫同時(shí)起兩方面的作用：

一方面起導(dǎo)磁的作用，一方面起機(jī)械支撐的作用。

(4)電刷裝置電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。

2、轉(zhuǎn)子局部：直流電機(jī)轉(zhuǎn)子局部主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。

(1)電樞鐵心電樞鐵心作用有二，一個(gè)是作為主磁路的主要局部；另一個(gè)是嵌放電樞繞組。

(2)電樞繞組它是直流電機(jī)的主要電路局部，是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能

量轉(zhuǎn)換。

(3)換向器在直流發(fā)電機(jī)中，它的作用是將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流

電動(dòng)勢；在直流電動(dòng)機(jī)中，它將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。

二、直流電機(jī)的根本工作原理

1.直流發(fā)電機(jī)的工作原理

直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)相同，不同的是

電刷上不外加直流電壓，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)，如下圖。這時(shí)導(dǎo)體必

和cd分別切割N極和S極下的磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電

動(dòng)勢，電動(dòng)勢的方向用右手定那么確定。在圖示情況

下，導(dǎo)體ab中電動(dòng)勢的方向由b指向cb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cd所連

換向片接觸，仍為正極性；導(dǎo)體時(shí)轉(zhuǎn)至S極下，感

應(yīng)電動(dòng)勢的方向變?yōu)?。指向b,電刷B與ab所連換向

片接觸，仍為負(fù)極性。可見，直流發(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和B兩端輸出的電動(dòng)勢是方向不變的直流電動(dòng)勢。這種

作用稱為整流作用。假設(shè)在電刷A和B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供應(yīng)直流電能。

這就是直流發(fā)電機(jī)的根本工作原理。

同時(shí)應(yīng)該注意到，帶上負(fù)載以后，電樞導(dǎo)體成為載流導(dǎo)體，導(dǎo)體中的電流方向與電勢

方向相同，利用左手定那么，還可以判斷出由電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動(dòng)方向相反,

起制動(dòng)作用。

根據(jù)上述原理分析，可以看出直流發(fā)電機(jī)有如下特點(diǎn)：

（1）直流發(fā)電機(jī)將輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出；

（2）利用換向器和電刷，直流發(fā)電機(jī)將導(dǎo)體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；

（3）直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢方向相同。

（4）電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用。

從以上分析可以看出：一臺直流電機(jī)原那么上既可以作為電動(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。將直流電源外加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)

換為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，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)，

輸入機(jī)械能，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動(dòng)勢，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

同一臺電機(jī)，既能作為電動(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。

2.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

圖1.1是一臺最簡單的直流電動(dòng)機(jī)的模型，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。鐵心外表固定

一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈abed,線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)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B,線圈岫〃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)成的整體稱為電樞。

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,那么線圈中流過電流。在導(dǎo)體ab中，電流由a流向b,在導(dǎo)體

cd中，電流由c流向乩載流導(dǎo)體必和cd均處于N和S極之間的磁場當(dāng)中，受到電磁力

的作用。電磁力的方向用左手定那么確定，可知這一對電磁力形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)

矩，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極下，如圖1.1（6）所示，由于電流仍從電刷A流入，使4中的電

流變?yōu)橛蒬流向c,而時(shí)中的電流由b流向a,從電刷B流出，用左手定那么判別可知，

電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針方向。

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，變?yōu)殡姌芯€圈

中的交變電流，這種將直流電流變?yōu)榻蛔冸娏鞯淖饔梅Q之為逆變。由于電樞線圈所處的磁

極也是同時(shí)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)的根本工作原理。

同時(shí)可以看到，一旦電樞旋轉(zhuǎn)，電樞導(dǎo)體就會(huì)切割磁力線，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)電勢。在圖1.13）

所示時(shí)刻，可以判斷出他導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)電勢由b指向m而此時(shí)的導(dǎo)體電流由。指向江

因此直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流和電勢方向相反。

圖1.1直流電動(dòng)機(jī)的根本工作原理

實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組

成，使電樞線圈所產(chǎn)生總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也比較均勻。

根據(jù)上述原理，可以看出直流電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：

（1）直流電動(dòng)機(jī)將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出；

（2）電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動(dòng)作用：

（3）利用換向器和電刷，直流電動(dòng)機(jī)將輸入的直流電流逆變成導(dǎo)體中的交變電流；

（4）直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢方向相反。

3、直流電銘牌數(shù)據(jù)及主要系列

型號為Z2-51的直流電機(jī)是一臺機(jī)座號為5、電樞鐵心為短鐵心的第2次改型設(shè)計(jì)的

直流電機(jī)。機(jī)座號表示直流電機(jī)電樞鐵心外直徑的大小，共有1-9個(gè)機(jī)座號，機(jī)座號數(shù)越

大，直徑越大。樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種，1表示短鐵心，2表示長鐵心。

銘牌數(shù)據(jù)

(1)額定功率4/W);

⑵額定電壓4(。

(3)額定電流及(卬；

(4)額定轉(zhuǎn)速為A"mm)；

(5)勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流/卅?),

直流發(fā)電機(jī)的額定功率應(yīng)為

=UlfIN「〃=51爐"

直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為

電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩為TPN

皖西學(xué)院教案同”

2010?2011學(xué)年度第二學(xué)期編號002.

機(jī)械與電子工程系電氣教研室任課教師汪良益.

課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)根底

授課章節(jié)第一章直流電機(jī)

§1.3直流電機(jī)的繞組

課型?理論

課題：§1.3直流電機(jī)的繞組學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)

課

教學(xué)目的及掌握直流電機(jī)單疊、單波繞組的特點(diǎn)

要求了解電機(jī)的分類和單疊、單波繞組的展開圖、支路圖的畫法

教學(xué)重點(diǎn)單疊繞組的聯(lián)接規(guī)律和特點(diǎn)

教學(xué)難點(diǎn)單疊繞組的聯(lián)接規(guī)律和特點(diǎn)

教學(xué)方法講授法

教學(xué)輔助手

段、教具

電氣0803,

電氣0801,0802

授課班級電信07

授課日期9月12日9月12日月日月日

教學(xué)過程主

要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

作業(yè)

§1.3直流電機(jī)的電樞繞組

電樞繞組是直流電機(jī)的一個(gè)重要局部，電機(jī)中機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換就是通過電樞繞組而實(shí)

現(xiàn)的，所以直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子也稱為電樞。電樞繞組是由許多個(gè)形狀完全一樣的單匝元件(當(dāng)

然也可以是多匝元件)以一定規(guī)律排列和聯(lián)接起來的，用S表示元件數(shù)。

單疊繞組

1.繞組節(jié)距

所謂節(jié)距，是指被聯(lián)接起來的兩個(gè)元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的元件邊數(shù)

或虛槽數(shù)或換向片數(shù)來表示。元件的上層邊用實(shí)線表示，下層邊用虛線表示。

(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，用電樞外表相隔的槽數(shù)來表示，稱

為第一節(jié)距yio一個(gè)磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距T,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)。

為使每個(gè)元件的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，第一節(jié)距yi應(yīng)盡量等于一個(gè)極距匕但1不一定是

整數(shù)，而yi必須是整數(shù)，為此，一般取第一節(jié)距

式中，g為小于1的分?jǐn)?shù)。

的元件為整距元件，繞組稱為整距繞組；的元件稱為短距元件，繞組稱為短距

繞組；乂＞r的元件稱為長距元件，其電磁效果與的元件相近，但端接局部較長，耗

銅多，一般不用。

(2)第二節(jié)距

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

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。

(4)換向器節(jié)距

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。由以下圖可見，換向器節(jié)距yk與合成節(jié)距y總是相等的，即

yk=y

(a)單疊繞組(b)單波繞組

2.單疊繞組的聯(lián)接方法和特點(diǎn)

下面通過一個(gè)實(shí)例來說明。

設(shè)一臺直流發(fā)電機(jī)2P=4,Z=S=K=I6,聯(lián)接成單疊右行繞組。

(1)計(jì)算各節(jié)距

第一節(jié)距月

合成節(jié)距和換向器節(jié)距以

y=九=1

第二節(jié)距為

y?=斗—y=3

(2)繪制繞組展開圖如以下圖所示。

所謂繞組展開圖是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開，并展開成平面的聯(lián)接圖。

作圖步驟如下。

第一步，先畫16根等長等距的實(shí)線，代表各槽.上層元件邊，再畫16根等長等距的虛

線，代表各槽下層元件邊。讓虛線與實(shí)線靠近一些。實(shí)際上一根實(shí)線和一根虛線代表一個(gè)

槽(指虛槽)，依次把槽編上號碼。

第二步，放置主磁極。讓每個(gè)磁極的寬度大約等于0.77，4個(gè)磁極均勻放置在電樞槽

之上，并標(biāo)上％、S極性。假定N極的磁力線進(jìn)入紙面，S極的磁力線從紙面穿出。

第三步，畫16個(gè)小方塊代表換向片，并標(biāo)上號碼，為了作圖方便，使換向片寬度等于

槽馬槽之間的距離。為了能聯(lián)出形狀對稱的元件，換向片的編號應(yīng)與槽的編號有一定對應(yīng)

關(guān)系(由第一節(jié)距當(dāng)來考慮)。

第四步，聯(lián)繞組。為了便于聯(lián)接，將元件、槽和換向片按順序編號。編號時(shí)把元件號

碼、元件上層邊所在槽的號碼以及元件上層邊相聯(lián)接的換向片號碼編得一樣，即1號元件

的上層邊放在1號槽內(nèi)并與1號換向片相聯(lián)接。這樣當(dāng)1號元件的上層邊放在1號槽(實(shí)

線)并與1號換向片相聯(lián)后，因?yàn)椋?4,那么1號元件的下層邊應(yīng)放在第5號槽(1+M=5)

的下層(虛線)：因y="=1,所以1號元件的末端應(yīng)聯(lián)接在2號換向片上(1+弘二2)。

一般應(yīng)使元件左右對稱，這樣1號換向片與2號換向片的分界線正好與元件的中心線相重

合。然后將2號元件的上層邊放入2號槽的上層=2),下層邊放在6號槽的下層

(2+弘=6),2號元件的上層邊聯(lián)在2號換向片上，下層邊聯(lián)在3號換向片上。按此規(guī)

律排列與聯(lián)接下去，一直把16個(gè)元件都聯(lián)起來為止。

校核第2節(jié)距：第1元件放在第5槽的下層邊與放在第2槽第2元件的上層邊，它們之間

滿足乃=3的關(guān)系。其他元件也如此。

第五步，確定每個(gè)元件邊里導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。圖3.13中，所考慮的是發(fā)電機(jī)，

箭頭表示電樞旋轉(zhuǎn)方向，即自右向左運(yùn)動(dòng)，根據(jù)右手定那么就可判定各元件邊的感應(yīng)電動(dòng)

勢的方向，即在改極下的導(dǎo)體電動(dòng)勢是向下，在§極下是向上的。在圖示這一瞬間，1、5、

9、13四個(gè)元件正好位于兩個(gè)主磁極的中間，該處氣隙磁密為零，所以不感應(yīng)電動(dòng)勢。

第六步，放電刷。在直流電機(jī)里，電刷組數(shù)也就是刷桿的數(shù)目與主極的個(gè)數(shù)一樣多。

對本例來說，就是四組電刷兒、"、B2f它們均勻地放在換向器外表圓周方向的位

置。每個(gè)電刷的寬度等于每一個(gè)換每個(gè)電刷的寬度等于每一個(gè)換向片的寬度。放電刷的原

那么是，要求正、負(fù)電刷之間得到最大的感應(yīng)電動(dòng)勢，或被電刷所短路的元件中感應(yīng)電動(dòng)

勢最小，這兩個(gè)要求實(shí)際上是一致的。在圖1.3里，由于每個(gè)元件的幾何形狀對稱，如果

把電刷的中心線對準(zhǔn)主極的中心線，就能滿足上述要求。圖1.2中，被電刷所短路的元件

正好是1、5、9、13,這幾個(gè)元件中的電動(dòng)勢恰為零。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷是靜止不動(dòng)的，

電樞在旋轉(zhuǎn)，但是，被電刷所短路的元件，永遠(yuǎn)都是處于兩個(gè)主磁極之間的地方，當(dāng)然感

應(yīng)電動(dòng)勢為零。

(3)繞組元件聯(lián)接順序圖

(4)繞組電路圖

總結(jié)：對電樞繞組中的單疊繞組，有以下特點(diǎn)：

(1)位于同一個(gè)磁極下的各元件串聯(lián)起來組成了一條支路，即支路對數(shù)等于極對數(shù)，0二〃。

(2)當(dāng)元件的幾何形狀對稱，電刷放在換向器外表上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，正、負(fù)

電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢為最大，被電刷所短路的元件里感應(yīng)電動(dòng)勢最小。

(3)電刷桿數(shù)等于極數(shù)。

皖西學(xué)院教案

2010?2011學(xué)年度第二學(xué)期編號003.

機(jī)械與電子工程系電氣教研室任課教師汪良益.

課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)根底

授課章節(jié)第一章直流電機(jī)

§1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩

§1.9直流電機(jī)的換向

§1.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢,a

課型?理論

課題：和電磁轉(zhuǎn)矩學(xué)時(shí)數(shù)二2學(xué)時(shí)

課

§1.9直流電機(jī)的換向

教學(xué)目的及掌握直流電機(jī)的換向方法；

要求熟練掌握直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩兩個(gè)公式。

,感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式及推導(dǎo)方法、換向元件中的電動(dòng)勢

教學(xué)重點(diǎn)及改善換向的方法。

教學(xué)難點(diǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式。

教學(xué)方法講授法

教學(xué)輔助手

段、教具

電氣0803,

電氣0801,0802

授課班級電信07

授課日期9月15日月17日月日月日

教學(xué)過程主

要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

作業(yè)

§1.5直流電機(jī)電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩

一、直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢

電樞繞組的感應(yīng)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

于氣隙磁通密度（尤其是負(fù)載時(shí)氣隙合成磁通密度）在一個(gè)極下的分布不均勻，為分析推

導(dǎo)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為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

式中，Bav為一個(gè)極下氣隙磁通密度的平均值，稱為平均氣隙磁通密度；/為電樞導(dǎo)體的有

效長度（槽內(nèi)局部）；U為電樞外表的線速度。

設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N,那么每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N/2,因

而電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢

二、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中流過電樞電流la時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過支路電流ia，成為載流導(dǎo)體，在磁

場中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定那么確定，如圖3.21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，氣隙磁通密度用平均值Bav表示，那么每根導(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。

由于不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向不同，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

電樞電動(dòng)勢Ea=C小〃和電磁轉(zhuǎn)矩「=CT^a是直流電機(jī)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)Cc和轉(zhuǎn)短常數(shù)CT之間具有確定的關(guān)系

§1.9直流電機(jī)的換向

一、直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組的元件從一條支路經(jīng)過電刷短路后進(jìn)入

另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過程稱為換向過程，簡稱換向。

產(chǎn)生換向火花的原因有多種，最主要的是電磁原因。還有機(jī)械方面和化學(xué)方面的原因。

1.機(jī)械原因

產(chǎn)生換向火花的機(jī)械原因有很多，主要是換向器偏心、換向片間云母絕緣凸出、轉(zhuǎn)子

平衡不良、電刷在刷握中松動(dòng)、電刷壓力過大或過小、電刷與換向器的接觸面研磨得不好

因而接觸不良等等。為使電機(jī)能正常工作，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查、維護(hù)和保養(yǎng)。

2化學(xué)原因

電加運(yùn)行時(shí)，由于空氣中氧氣、水蒸氣以及電流通過時(shí)熱和電化學(xué)的綜合作用，在換

向器外表形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較高的電阻值，能有效地限制換向元件中的

附加換向電流有利于換向。同時(shí)薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤滑作用，使電刷與換

向器之間保持良好而穩(wěn)定的接觸。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電刷的摩擦作用，氧化亞銅薄膜經(jīng)常

遭到破壞。但是在正常使用環(huán)境中，新的氧化亞銅薄膜又能不斷形成，對換向不會(huì)有影響。

如果周圍環(huán)境氧氣稀薄、空氣枯燥或者電刷壓力過大時(shí)，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周

圍環(huán)境中存在化學(xué)腐蝕性氣體能破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。

二、改善換向的方法

改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，其中最

主要的是電磁原因。消除或削弱電磁原因引起的電磁性火花的方法有：

1.適用適宜的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻

2.裝設(shè)換向極

3.裝補(bǔ)償繞組

皖西學(xué)院教案

2010?2011學(xué)年度第二學(xué)期編號004.

機(jī)械與電子工程系電氣教研室任課教師汪良益.

課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)根底

授課章節(jié)第一章直流電機(jī)

§1.8直流發(fā)電機(jī)

課型：理論

課題:§1.8直流發(fā)電機(jī)學(xué)時(shí)數(shù)二2學(xué)時(shí)

課

教學(xué)目的及掌握直流電機(jī)的勵(lì)磁方式：

掌握直流發(fā)電機(jī)的空載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性。

要求

教學(xué)重點(diǎn)直流發(fā)電機(jī)的空載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性。

教學(xué)難點(diǎn)直流發(fā)電機(jī)的根本方程式

教學(xué)方法講授法

教學(xué)輔助手

段、教具

電氣0803,

電氣0801,0802

授課班級電信07

授課日期9月19日9月19日月日月日

教學(xué)過程主

要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

作業(yè)1.61.7

§1.8直流發(fā)電機(jī)

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流發(fā)電機(jī)可分為他勵(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)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁方式不同，發(fā)電機(jī)的特性就不同。因?yàn)楸緯噪娏ν蟿?dòng)

為主，重點(diǎn)講述電動(dòng)機(jī)的特性，因此本節(jié)只分析他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理和特性。

一、直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的根本方程式

圖1.15為一臺他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的示意圖。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組切割主磁通，產(chǎn)生電

樞電動(dòng)勢心，如果外電路接有負(fù)載，那么產(chǎn)生電樞電流乙，按發(fā)電機(jī)慣例，/"的正方向與

%相同,如圖1.15所示。

1.電動(dòng)勢平衡方程式

根據(jù)圖1.15中所示電樞回路各量正方向，用基爾霍夫電壓定律，可以列出電動(dòng)勢平衡

方程式為

上式說明，直流發(fā)電機(jī)的端電壓U等于電樞電動(dòng)勢Ea減去電樞回路內(nèi)部的電阻壓降R3,

所以電樞電動(dòng)勢Ea應(yīng)大于端電壓Uo

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

直流發(fā)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)：一個(gè)是原動(dòng)機(jī)的拖

動(dòng)轉(zhuǎn)矩方向與n相同；一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩T,方向與n相反，為制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩；還有

一個(gè)由電機(jī)的機(jī)械損耗及鐵損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩To,也是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。因此，可以寫

出穩(wěn)態(tài)運(yùn)

行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

3.功率平衡方程式

程將上式乘以發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度C,得

|----------7=1----------可以寫成

s\'式中，尸L.q,為原動(dòng)機(jī)輸給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，即輸入功率;

I7,7發(fā)電機(jī)的電磁功率；匕發(fā)電機(jī)的空載損耗功率。

.詼N電磁功率

----------4歸》——和直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)的電磁功率亦是既具有機(jī)械

。功率的性質(zhì)，又具有電功率的性質(zhì)，所以是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的

?——I那一局部功率。直流發(fā)電機(jī)的空載損耗功率也是包括機(jī)械損耗

5i「"叱,和鐵損耗七兩局部。

上式說明：發(fā)電機(jī)輸入功率肩，其中一小局部供應(yīng)空載損耗

「。，大局部為電磁功率，是由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率的。

將式電動(dòng)勢平衡方程式兩邊乘以電樞電流得

即

式中，P?=Ula,為發(fā)電機(jī)輸出的功率；Pcua=,為電樞回路銅損耗。

上式可以寫成如下形式

綜合以上功率關(guān)系，可得功率平衡方程式

為更清楚地表示直流發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系，可用以下圖所示的功率流程圖。

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖

一般情況下，直流發(fā)電機(jī)的總損耗

直流發(fā)電機(jī)的效率

二、他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，有4個(gè)主要物理量，即電樞端電壓U、勵(lì)磁電流負(fù)載電流I

（他勵(lì)時(shí)'=〃）和轉(zhuǎn)速n。其中轉(zhuǎn)速n由原動(dòng)機(jī)確定，一般保持為額定值不變。因此，運(yùn)

行特性就是U、乙、乙三個(gè)物理量保持其中一個(gè)不變時(shí)，另外兩個(gè)物理量之間的關(guān)系。顯

然，運(yùn)行特性應(yīng)有三個(gè)。

1.空載特性

"=〃。，。二0時(shí)，端電壓/與勵(lì)磁電流〃之間的關(guān)系稱為空載特性。

空載時(shí)，他勵(lì)發(fā)電機(jī)的端電壓%=%=Ce①〃，n二常數(shù)時(shí)，/xe,所以空載特性

%=與電機(jī)的空載磁化特性①二八〃）相似，都是一條飽和曲線?！ū容^小時(shí)，鐵心

不飽和，特性近似為直線；。較大時(shí)，鐵心隨。的增大而逐步飽和，空載特性出現(xiàn)飽和段。

一般情況下，電機(jī)的額定電壓處于空載特性曲線開始彎曲的線段上，即圖中A點(diǎn)附近。因

為如果工作于不飽和局部，磁路導(dǎo)磁截面積大，用鐵量多，且較小的磁動(dòng)勢變化會(huì)引起電

動(dòng)勢和端電壓的明顯變化，造成電壓不穩(wěn)定；如果工作在太飽和局部，會(huì)使勵(lì)磁電流太大,

用銅量增加，同時(shí)使電壓的調(diào)節(jié)性能變差。

圖1.16他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性圖1.17他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性

2外特性

〃=時(shí)，端電壓U與負(fù)載電流I之間的關(guān)系U=/（/）稱為外特性。

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流I（亦即電樞電流力）增大時(shí)，端電壓有所下降。從電動(dòng)勢

方程式U=，①〃-凡〃分析可以得知，使端電壓u下降的原因有兩個(gè)：一是當(dāng)

。增大時(shí)，電樞回路電阻上壓降'。也增大，引起端電壓下降；二是增大時(shí)，電樞

磁動(dòng)勢增大，電樞反響的去磁作用使每極磁通①減小，3減小，從而引起端電壓U下降。

△U是衡量發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，一般他勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓變化率約為10%o

3.調(diào)節(jié)特性

“〃=1＞常數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電流與負(fù)載電流I

,之間的關(guān)系0=/（/）稱為調(diào)節(jié)特性。

調(diào)節(jié)特性是隨負(fù)載電流增大而上翹的。這是因?yàn)殡S著

負(fù)載電流的增大，電壓有下降趨，為維持電壓不變,

就必須增大勵(lì)磁電流，以補(bǔ)償電阻壓降和電樞反響去

磁作用的增加，由于電樞反響的去磁作用與負(fù)載電流

的關(guān)系是非線性的，所以調(diào)節(jié)特性也不是直線。

皖西學(xué)院教案

—T2010?2011學(xué)年度第二學(xué)期編號箜.

機(jī)械與電子工程系電氣教研室任課教師汪良益.

課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)根底

授課章節(jié)第一章直流電機(jī)

§1.6直流電動(dòng)機(jī)

課型?理論

課題：§1.6直流電動(dòng)機(jī)學(xué)時(shí)數(shù)二2學(xué)時(shí)

課

教學(xué)目的及

掌握直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

要求

教學(xué)重點(diǎn)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

教學(xué)難點(diǎn)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

教學(xué)方法講授法

教學(xué)輔助手

段、教具

電氣0803,

電氣0801,0802

授課班級電信07

授課日期9月19日9月25日月日月日

教學(xué)過程主

要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

作業(yè)1.91.10

§1.6直流電動(dòng)機(jī)

一、直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的根本關(guān)系式

圖1.20為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的示意圖。接通直流電源時(shí)，勵(lì)磁繞組中流過勵(lì)磁電流,

建立主磁場，電樞繞組流過電樞電流乙，一方面形成電樞磁動(dòng)勢入，通過電樞反響使主磁

場變?yōu)闅庀逗铣纱艌觯硪环矫媸闺姌性?dǎo)體中流過支路電流,，與磁場作用產(chǎn)生電磁

轉(zhuǎn)矩T,使電樞朝T的方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞導(dǎo)體又切割氣隙合成磁場，

產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢反，在電動(dòng)機(jī)中，此電動(dòng)勢的方向與電樞電流4,的方向相反，稱為反電動(dòng)

勢。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有如下平衡關(guān)系，分別用方程式表示。

1.電壓平衡方程式

根據(jù)圖中用電動(dòng)機(jī)慣例所設(shè)各量的正方向，可以列出電壓平衡方程式和電流平衡方程

式

式中，凡為電樞回路電阻，其中包括電刷和換向器之間的接觸電阻。

此式說明，直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的電樞電動(dòng)勢紇總小于端電壓U。

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)。一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩T,方向與轉(zhuǎn)速n相

同，為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩：一個(gè)是電動(dòng)機(jī)空載損耗轉(zhuǎn)矩"，是電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩，方向總

與轉(zhuǎn)速n相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；還有一個(gè)是軸上所帶生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩△,即電動(dòng)機(jī)軸上

的輸出轉(zhuǎn)矩，一般亦為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系式為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于總的制動(dòng)

轉(zhuǎn)矩，即

3.功率平衡方程式

電動(dòng)機(jī)輸入功率4為

式中，為電磁功率；九二凡匕是電樞回路的銅損耗；P3=U1f

為勵(lì)磁繞組的銅損耗。

電磁功率

式中，Q=2^/60,電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度，單位是md/s。

從上式中產(chǎn)股二E”“可知，電磁功率具有電功率性質(zhì)；從尸”=皿可知，電磁功率又具有

機(jī)械功率性質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姶殴β适菍儆陔妱?dòng)機(jī)由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那一局部功率。

將轉(zhuǎn)矩平衡方程式兩邊乘以機(jī)械角速度。，得

可寫成

式中，舄二5。，軸上輸出的機(jī)械功率；6=K）C,空載損耗，包括機(jī)械損耗匕叱和鐵損耗產(chǎn)民。

可以作出并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖，如以下圖（a）所示。圖中不必為勵(lì)磁繞組的銅損

耗，稱為勵(lì)磁損耗。并勵(lì)時(shí)，%由輸入功率《供應(yīng)；他勵(lì)時(shí)，為由其他直流源供應(yīng)，

功率流程圖如圖（b）所示。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式

式中，+P“+P尸e+Enec,為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的總損耗。

（a）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)（b）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖

二、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓"="',勵(lì)磁電流'/=/〃，電樞回路

不串外加電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、效率n分別與電樞電流人之間的關(guān)系。

1.轉(zhuǎn)速特性“二/（,"）

當(dāng)°="八//=//N（0>=RV）時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電樞電流（之間的關(guān)系〃二八〃）稱為轉(zhuǎn)速特

性。

將電動(dòng)勢公式瓦=G①〃代入電壓平衡方程式

巴_-一-1U=Ef可得轉(zhuǎn)速特性公式

---------可見，如果忽略電樞反響的影響，①二①N保持不變,

/^2那么/〃增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降。但因此一般很小，所以

/轉(zhuǎn)速n下降不多，〃=為一條稍稍向下傾斜的直

線，如圖中的曲線1所示。如果考慮負(fù)載較重，/“較

大時(shí)電樞反響去磁作用的影響，那么隨著,"的增大，

—4①將減小，因而使轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，如圖中的

虛線所示。

2,轉(zhuǎn)矩特性7="。）

當(dāng)U=UN、O=OV（3="N）時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流/。之間的關(guān)系T=稱為轉(zhuǎn)矩

特性。

由'=G■①?？芍豢紤]電樞反響影響時(shí)，①=中"不變，T與/〃成正比，轉(zhuǎn)矩特性為過

原點(diǎn)的直線。如果考慮電樞反響的去磁作用，那么當(dāng)增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩特性略為向下彎曲，

如圖中的曲線2所示。

3.效率特性〃=/（'?

當(dāng)〃=〃、〃（①=6）時(shí)，效率n與電樞電流L的關(guān)系〃=,《）稱為效率特

性。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率

式中，鐵損耗尸脫，是電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵心切割氣隙磁場而引起的渦流損耗與磁滯損耗之和,

其大小決定于氣隙磁通密度與轉(zhuǎn)速；機(jī)械損耗2-包括軸承及電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗，

其大小主要決定于轉(zhuǎn)速；勵(lì)磁繞組的銅損耗&V,M=U、,。不變，々W也不變。

由此可看出，以上三種損耗都不隨電樞電流變化，亦即不隨負(fù)載變化的，通常將這三種損耗

之和稱為不變損耗。電樞回路的銅損耗以與電樞電流的平方成正比，亦即隨負(fù)載的

變化明顯變化，故稱為可變損耗。

當(dāng)電樞電流開始由零增大時(shí)，可變損耗增加緩慢，總損耗變化小，效率n明顯上升;

當(dāng)忽略式分母中的時(shí)，可以由d以。二°求得當(dāng)乙增大到電動(dòng)機(jī)的不變損耗等

于可變損耗，即

時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率到達(dá)最高；,"再進(jìn)一步增大時(shí)，可變損耗在總損耗中所占的比例變大了，

可變損耗和總損耗都將明顯上升，使效率n反而略為下降。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率特性如

圖中的曲線3所示，一般電動(dòng)機(jī)在負(fù)載為額定值的75%左右時(shí)效率最高。

皖西學(xué)院教案

2010~20n學(xué)年度第二學(xué)期編號邈.

機(jī)械與電子工程系電氣教研室任課教師汪良益.

課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)根底

授課章節(jié)第六章直流電機(jī)的電力拖動(dòng)

§6.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

教學(xué)目的及了解電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，

要求掌握負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

教學(xué)重點(diǎn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)根底

教學(xué)難點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

教學(xué)方法講授法

教學(xué)輔助手

段、教具

電氣0803,

電氣0801,0802

授課班級電信07

授課日期9月26日9月26日月日月日

教學(xué)過程主

要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

作業(yè)6.16.2

小結(jié)

第六章直流電機(jī)的電力拖動(dòng)

§6.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程

1.運(yùn)動(dòng)方程式

圖2—1為一單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須遵循以

下根本的運(yùn)動(dòng)方程式。

圖6—1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方程式為

聾（6—1）

dt

式中，&為電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N”〃）；7；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nw）：A/Q/曲為慣性轉(zhuǎn)矩（或

稱動(dòng)轉(zhuǎn)矩），J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可用下式表示

J=mp2=°。（6—2）

4g

式中，m、G分別為旋轉(zhuǎn)局部的質(zhì)量（依）與重量（N）：p、。分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑與直

徑（m）；g為重力加速度，g=9.18〃2//；J的單位為kg.加。

在實(shí)際計(jì)算中常用式（6-1）的另一種形式。即將角速度。=2%〃/60（。的單位為

rad/s,〃的單位為r/min）代入式（6-1）得運(yùn)動(dòng)方程式實(shí)用形式：

Tem-TL=——（6—3）

L375dt

2

式中，GD?為飛輪矩（N./）,GD=4SJ；系數(shù)375是具有加速度量綱的系數(shù)。

電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)可由運(yùn)動(dòng)方程式表示出來。分析式（6-3）可見

（1）當(dāng)n=o,-=0,那么〃=常值，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

at

（2）當(dāng)^>0,電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于加速過渡過程狀態(tài)中；

（3）當(dāng)/陽-7；<（）,^<0,電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于減速過渡過程狀態(tài)中。

2.運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩的符號分析

（1）拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩看“與規(guī)定正向相同取正，相反取負(fù)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩7；與規(guī)定正向相同取負(fù),

相反取正。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩7；的方向與設(shè)定的旋轉(zhuǎn)正方向相同時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩乙前取負(fù)號，相反時(shí)

那么取正號。

二、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

在運(yùn)動(dòng)方程式中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速〃的關(guān)系7；二八〃）稱為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。負(fù)載轉(zhuǎn)

矩乙的大小和多種因素有關(guān)。以車床主軸為例，當(dāng)車床切削工件時(shí)切削速度、切削量大小、

工件直徑、工件材料及刀具類型等都有密切關(guān)系。大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)