1、 电电 机机 学学第一章第一章 导论导论1.电机的定义电机的定义2.电机的分类及作用电机的分类及作用3.电机中的基本电磁关系电机中的基本电磁关系4.电机中的铁磁材料特性电机中的铁磁材料特性5.磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法6.电机的机电能量转换过程电机的机电能量转换过程7.总结总结电机：依据电磁感应定律和电磁力定律实现电机：依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置机电能量转换和信号传递与转换的装置什么是什么是电机？电机？泛指所有实施电能泛指所有实施电能生产、传输、使用生产、传输、使用和电能特性变换的和电能特性变换的机械或装置机械或装置电机的定义电机的定义
2、电机的分类电机的分类电机电机静止的电气设备静止的电气设备变压器变压器旋转电机旋转电机交流电机交流电机直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机同步电机同步电机异步电机异步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电动机异步电动机异步发电机异步发电机使用中的变压器使用中的变压器水轮发电机水轮发电机电动机电动机汽轮发电机组汽轮发电机组电机类型电机类型电能的生产、传输和分配电能的生产、传输和分配返返 回回返返 回回驱动生产装置和机械驱动生产装置和机械控制系统和智能化装置的重要元件控制系统和智能化装置的重要元件返返 回回电机的作用电机的作用 电电 机机电能的生产、传输和分配电能的生
3、产、传输和分配控制系统和智能化装置的重要元件控制系统和智能化装置的重要元件驱动生产机械和装置驱动生产机械和装置发电机、变压器发电机、变压器电电 动动 机机控制电机控制电机电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律1.全电流定律全电流定律电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律2.电磁感应定律电磁感应定律变压器电动势运动电动势电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律 变变 压压 器器 电电 动动 势势 变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断运运 动动 电电 动动 势势eBv电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律3.电磁
4、力定律电磁力定律Bfi铁磁材料的特性铁磁材料的特性铁磁材料包括铁铁磁材料包括铁、钴钴、镍以及它们的合金镍以及它们的合金1.1.铁磁材料的导磁率铁磁材料的导磁率1.1.所有非导磁材料的磁导率所有非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空磁导率均为常数，接近真空磁导率2.2.铁磁材料的磁导率远大于铁磁材料的磁导率远大于非导磁材料的磁导率非导磁材料的磁导率3.3.铁磁材料的磁导率在较大铁磁材料的磁导率在较大范围内变化，铁磁材料是非范围内变化，铁磁材料是非线性的线性的H/m铁磁材料的特性铁磁材料的特性在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重新排列，使得内部磁效应不能抵消，
5、因而在新排列，使得内部磁效应不能抵消，因而在宏观上对外显示磁性。宏观上对外显示磁性。铁磁材料的特性铁磁材料的特性铁磁材料磁化过程铁磁材料磁化过程oaoa段：段：H H较弱，较弱，B B缓慢增加缓慢增加abab段：段：H H较强，较强，B B迅速增加迅速增加bcbc段：段：H H继续加强，继续加强，B B增加增加变慢（饱和段）变慢（饱和段）c c段：段：H H继续加强，继续加强，B B增增加缓慢（深度饱和段）加缓慢（深度饱和段）铁磁材料的特性铁磁材料的特性2.2.磁滞与磁滞损耗磁滞与磁滞损耗磁滞损耗：磁滞损耗：P1819铁磁材料的特性铁磁材料的特性3.3.涡流与涡流损耗涡流与涡流损耗4.4.交流
6、铁心损耗交流铁心损耗铁磁材料的特性铁磁材料的特性公式中各量纲见公式中各量纲见P20磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法磁磁 路路 基基 本本 定定 律律 欧姆定律欧姆定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 A AN Ni i磁阻磁阻磁导磁导磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律A AN Ni i定律内容定律内容:穿出穿出(或进入或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说，或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量)，这就是磁通连续性
7、定律。这就是磁通连续性定律。磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律定律内容定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法磁路与电路的主要区别磁路与电路的主要区别电路电路磁路磁路电阻率恒定电阻率恒定导磁率变化导磁率变化电压、电流线性电压、电流线性磁势、磁通非线性磁势、磁通非线性不存在饱和现象不存在饱和现象有磁路饱和有磁路饱和磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的 类似、而不是物理本质的相似。类似、而不是物理本质的相似。电路电路磁路磁路电流电流
8、I I磁通磁通电动势电动势E E磁动势磁动势F F电压降电压降IEIE磁压降磁压降R Rm m电阻电阻R R磁阻磁阻R Rm m电导电导g g1/R1/R磁导磁导m m=1/R=1/Rm m基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律i i0 0基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律0 0基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律U Ue e基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律HlHlNINI欧姆定律欧姆定律I IU/RU/R欧姆定律欧姆定律U Um m/R/Rm m磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法铁心磁路计算铁心磁路计算是电机分析和设计过程中的一项重要工作是电机分析和设计过程中的一项重要工作已知磁通确已知磁通确
9、定磁动势定磁动势已知磁动势已知磁动势确定磁通确定磁通磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法1.串联磁路计算串联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度计算每段磁路的截面积和等效长度根据给定磁通，确定每段磁路磁密根据给定磁通，确定每段磁路磁密由磁密确定每段磁路的磁场强度由磁密确定每段磁路的磁场强度计算每段磁路的磁压降计算每段磁路的磁压降由基尔霍夫第二定律计算磁动势由基尔霍夫第二定律计算磁动势磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法计算实例计算实例已知数据：已知数据：1.硅钢片的磁化曲线硅钢片的磁化曲线2.铁心尺寸：铁心尺寸：
10、3.气隙尺寸：气隙尺寸：4.线圈砸数：线圈砸数：N5005.给定磁通：给定磁通：计算数据：计算数据：1.1.励磁磁动势励磁磁动势F F 2.2.励磁电流励磁电流I I 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法将磁路分为铁心段和气隙段将磁路分为铁心段和气隙段铁心段的磁场强度，由磁化曲线查得：铁心段的磁场强度，由磁化曲线查得：磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法第二类问题求解：给定磁动势大小，求磁通和磁密第二类问题求解：给定磁动势大小，求磁通和磁密假定一个磁通值，计算出相应得磁动势，迭代完成假定一个磁通值，计算出相应得磁动势，迭代完成假定一个磁通假定一个磁通计算出磁动势计算出磁动势F
11、F重新假定重新假定YN磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法2.并联磁路计算并联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度计算每段磁路的截面积和等效长度列出节点方程和电压方程求解列出节点方程和电压方程求解确定每段磁路磁密和磁场强度确定每段磁路磁密和磁场强度计算磁动势计算磁动势 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法计算实例计算实例已知数据：已知数据：求：求：励磁磁动势励磁磁动势F F2 2 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法 磁路分段磁路分段3.交流磁路的特点交流磁路的特点磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算
12、方法1.交流磁路存在磁滞损耗和涡流损耗交流磁路存在磁滞损耗和涡流损耗2.交流磁路中电压平衡关系中比直流磁交流磁路中电压平衡关系中比直流磁路多了感应电动势路多了感应电动势3.交流磁路存在交流磁通，电流的波形交流磁路存在交流磁通，电流的波形和相位问题和相位问题电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程1.理想模型理想模型2.实际机电能量转换系统实际机电能量转换系统电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程发电机发电机电动机电动机电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程P33电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程P34电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程电磁
13、转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要 用，用，而它们都是通过气隙磁场的作用而产生而它们都是通过气隙磁场的作用而产生电磁功率电磁功率电磁转矩电磁转矩总总 结结第一节第一节 磁路的基本定律磁路的基本定律 机电能量转换的媒介是磁场，磁场的路径称机电能量转换的媒介是磁场，磁场的路径称为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。磁路问题。电机是进行机电能量转换的装置电机是进行机电能量转换的装置 一一.磁场的几个常用量磁场的几个常用量磁感应强度（又称磁通密度）磁感应强度（又称磁通密度）B 表征磁场强弱及表征磁场强弱及方向的物
14、理量。单位：方向的物理量。单位：Wb/m2磁通量磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和。垂直穿过某截面积的磁力线总和。单位：单位：Wb 磁场强度磁场强度H 计算磁场时引用的物理量。计算磁场时引用的物理量。B=H，单位：单位：A/m磁通所通过的路径称为磁路磁通所通过的路径称为磁路 二二.磁路的概念磁路的概念三、磁路的基本定律三、磁路的基本定律1 1、安培环路定律、安培环路定律 沿任何一条闭合回线沿任何一条闭合回线L，磁场强度，磁场强度H的线积分等于该闭合回线的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和所包围的电流的代数和 如果在均匀磁场中，沿着回线如果在均匀磁场中，沿着回线 L 磁场强度磁场强度H
15、处处相等，则处处相等，则2 2、磁路的欧姆定律、磁路的欧姆定律 作用在磁路上的磁动势作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量等于磁路内的磁通量 乘以乘以磁阻磁阻 Rm磁通量磁通量等于磁通密度乘以面积等于磁通密度乘以面积 磁场强度等于磁场强度等于磁通密度除以磁导率磁通密度除以磁导率 于是于是3、磁路的基尔霍夫定律、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫电流定律）磁路的基尔霍夫电流定律或或（2）磁路的基尔霍夫电压定律）磁路的基尔霍夫电压定律磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：点差别：1）电路中有电流）电路中有电流I 时，就有功率损耗；而在直流磁路
16、时，就有功率损耗；而在直流磁路 中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总 有一部分漏磁通。有一部分漏磁通。3）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁 路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路 中，中，B和和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以之间的关系为非线性，因此计算时不
17、可以 用叠加原理。用叠加原理。第二节第二节 常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性 一、铁磁物质的磁化一、铁磁物质的磁化 在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。列整齐，显示出磁性。二、磁化曲线和磁滞回线二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线、起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强材料进行磁化，当磁场强度度H由零逐渐增加时，磁由零逐渐增加时，磁通密度通密度B将随之增加。用将随之增加。用B=f(H)描述的曲线就称为描述的曲线就称为起始磁化曲线。起始磁化曲线。2、磁滞回线、磁滞回线剩磁剩磁当当H
18、从零增加到从零增加到Hm时，时，B相应地从零增加到相应地从零增加到Bm；然后再逐渐减小；然后再逐渐减小H，B值将值将沿曲线沿曲线ab下降。当下降。当H=0 时，时，B值并不等于零，而是值并不等于零，而是Br。这。这就是剩磁。就是剩磁。磁滞回线磁滞回线当当H在在Hm和和 Hm之间反复变化之间反复变化时，呈现磁滞现时，呈现磁滞现象的象的BH闭合曲线，称为磁滞闭合曲线，称为磁滞回线。回线。3、基本磁化曲线、基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选择不同的对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所
19、得曲线称为基本磁化曲线。基本磁化曲线。三、铁磁材料三、铁磁材料1、软磁材料、软磁材料2、硬磁材料、硬磁材料四、铁心损耗四、铁心损耗1、磁滞损耗、磁滞损耗材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩 擦而消耗的能量。擦而消耗的能量。2、涡流损耗、涡流损耗铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的 热能损耗。热能损耗。3、铁心损耗、铁心损耗磁滞损耗和涡流损耗之和。磁滞损耗和涡流损耗之和。第三节第三节 直流磁路的计算直流磁路的计算 磁路计算正问题磁路计算正问题给定磁通量，计算所需的励磁磁动势给定磁通量，计算所需的励磁磁动势磁路计算逆问题磁路计算逆问题
20、给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量磁路计算正问题的步骤：磁路计算正问题的步骤：1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；2）计算各段磁路的有效截面积）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度和平均长度lk；3）计算各段磁路的平均磁通密度）计算各段磁路的平均磁通密度Ak，Bk=k/Ak；4）根据）根据Bk求出对应的求出对应的Hk；5）计算各段磁位降）计算各段磁位降Hklk，最后求出，最后求出 F=Hklk。磁路计算逆问题磁路计算逆问题因为磁路为非线性的，用试探法因为磁路为非线性的，用试探法。第四节第四节 交流磁路的特点交流磁路的特点
21、 交流磁路除了会在铁心中产生损耗外，还有以下两交流磁路除了会在铁心中产生损耗外，还有以下两个效应：个效应：1 1）磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电动势。动势。2 2）磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸变。变。本章作业：本章作业：1.11.7 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响，从应用角势、电磁转矩、电枢反应及影响，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机度
22、分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。的工作特性。第二章第二章 直流电机直流电机2.1 概述概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调）轧钢机、电气机车、无轨电车、中
23、大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具2.1.1直流电机的主要结构2.1 直流电机的基本工作原理和结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机具体结构参看P462.1.2 直流电机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电
24、枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。2.1.2 直流电机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后 ，如右图。电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下2.1.2 直流电机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。实际直流发电机的电枢
25、是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。2.1.2 直流电动机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构二、直流电动机工作原理 把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。2.1.2 直流电动机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构二
26、直流电动机工作原理原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。2.1.3 直流电机的铭牌数据2.1 直流电机的基本工作原理和结构额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下
27、运行于额定功率时对应的转速2.1.3 直流电机的铭牌数据2.1 直流电机的基本工作原理和结构 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式空载时直流电机的磁场空载时直流电机的磁场(提前介绍提前介绍)P622.2.
28、1 直流枢绕组基本知识2.2 直流电机的电枢绕组简介元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。2.2.1 直流枢绕组基本知识2.2 直流电机的电枢绕组简介合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距第一
29、节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。个元件的上层边间的距离。单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组ykyk单叠绕组元件的连接单叠绕组元件的连接2.2.2 单叠绕组2.2 直流电机的电枢绕组简介 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：。单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位
30、置关系。2.2.2 单叠绕组2.2 直流电机的电枢绕组简介根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图(下图)。单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。参看参看P592.3 直流电机的磁场 2.3.12.3.2直流电机的空载磁场 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：详细参见详细参见P622.3.2直流电机的空载磁场 直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个
31、作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。无齿电枢表面的
32、气隙磁密分布无齿电枢表面的气隙磁密分布直流电机的化曲线 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。2.3.3 直流电机的电枢磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气
33、隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。2.3.3 直流电机负载时的负载磁场2.3 直流电机的电枢反应 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。2.3.4 直流电机的电枢反应2.3 直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和
34、电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。2.3.4 直流电机的电枢反应2.3 直流电机的电枢反应主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线2.3.4 直流电机的电枢反应2.3 直流电机的电枢反应由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量
35、的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。直流电机的电枢电动势2.3.5 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:性质性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).P72)(电动势常数为电机的结构常数其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的电磁转矩2.3.5直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流
36、流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。P73可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中二、直流电机的电磁转矩当直流电机带上负载时，电枢绕组中就有电流流过，载流的电枢绕组在气隙磁场中将受到电磁力作用而产生电磁转矩，电磁力的大小可以利用电磁力定律来计算。假定电刷放在几何中性线上，元件为整距，则一个极下载流导体的电流方向均相同；另外，每个极下的气隙磁场，除极性不同外，其分布情况也相同。因此，只要计算一根导体在一个磁极范围内气隙磁场中所受到的平均电磁力和电
37、磁转矩，然后再乘以总导体数，就可得到作用在整个电枢上的电磁转矩。2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1
38、直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性 2.4.2 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性1.了解直流电动机的励磁方式，掌握其特点2.掌握直流电动机的基本方程式3.掌握直流电动机的工作特性4.掌握直流电动机的机械特性5.掌握直流电动机的起动和调速方法6.了解直流电动机的制动本节主要内容2.5 直流电动机的基本特性l直流电动机具有良好的起动
39、性能和调速性能，广泛应用于对起动和调速性能要求高的场合l直流电动机按励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励四种2.5 直流电动机的基本特性1 直流电机的可逆原理l直流电机l直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。l感应电动势“发电作用”电磁转矩“电动作用”l发电机：主电动势 反转矩 电动机：反电动势 主转矩原动机 EaU 电负载电源 EaU 机械负载发电机电动机2.5 直流电动机的基本特性2.5.1 直流电动机的基本方程式2.5 直流电动机的基本特性一、电压平衡方程式2 直流电动机的基本方程式二、功率平衡方程式2.5 直流电动机的基本特性2 直流电动机的基本方程式三
40、转矩平衡方程式稳态运行转矩方程动态运行转矩方程2.5 直流电动机的基本特性2.5.2 直流电动机的工作特性l定义：UUN，IfIfN（并励）时，转速n、电磁转矩Tem、效率与电枢电流Ia（或输出功率P2）的关系。即 nf(Ia),Tem f(Ia),f(Ia)或nf(P2),Tem f(P2),f(P2)的关系曲线并励电动机并励电动机 试验接线图试验接线图l工作特性因励磁方式而异，可计算求得，但大多用实验方法确定。2.5 直流电动机的基本特性一、并励一、并励电动电动机的工作特性机的工作特性转速调整率 1 1、转转速特性：速特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，nf(Ia)的关系曲线Ian励
41、磁回路励磁回路不允许断开！不允许断开！2.5 直流电动机的基本特性一、并励电动机的工作特性2、转矩特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，Temf(Ia)的关系曲线IaTe考虑去磁，曲线有所下降。2.5 直流电动机的基本特性一、并励一、并励电动电动机的工作特性机的工作特性3 3、效率特性：、效率特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，f(Ia)的关系曲线Ia可变损耗=不变损耗时，效率最高。2.5 直流电动机的基本特性一、并励一、并励电动电动机的工作特性机的工作特性2.5 直流电动机的基本特性二、串励二、串励电动电动机的工作特性机的工作特性1 1、转转速特性：速特性：UUN 常数，nf(Ia),
42、的关系曲线UUN常数时，转速n、电磁转矩Tem、效率与电枢电流Ia（或输出功率P2）的关系曲线串励电动机串励电动机 试验接线图试验接线图 2.5 直流电动机的基本特性二、串励二、串励电动电动机的工作特性机的工作特性1 1、转转速特性：速特性：串励电动机绝对不允许空载运行，以避免发生“飞速”现象。2 2、转转距特性：距特性：Temf(Ia)2.5 直流电动机的基本特性直流发电机与直流电动机的区别转矩平转矩平衡方程衡方程功率平功率平衡方程衡方程特性特性：空载特性空载特性：外特性：外特性：调整特性：调整特性：转速特性转速特性：转矩特性转矩特性：效率特性效率特性：2.5 直流电动机的基本特性2.5.3
43、 2.5.3 直流直流电动电动机的机械特性机的机械特性l定义：UUN常数时，励磁和电枢回路电阻保持不变时，转速n与电磁转矩Tem的关系nf(Tem)Rj为串入串入电枢回路的枢回路的调节电阻，用于改阻，用于改变机械特性的形状。机械特性的形状。Rj=0时为时为自然机械特性自然机械特性，Rj0为为人工机械特性人工机械特性。2.5 直流电动机的基本特性l l并励直流电动机的机械特性并励直流电动机的机械特性机械特性接近于一水平线，机械特性接近于一水平线，称为硬特性。反之特性软称为硬特性。反之特性软2.5 直流电动机的基本特性2.5.3 2.5.3 直流直流电动电动机的机械特性机的机械特性l l串励直流电
44、动机的机械特性串励直流电动机的机械特性软特性：软特性：因为转矩增大，电枢增因为转矩增大，电枢增大，磁通增大，内阻压大，磁通增大，内阻压降均增大，故转速下降降均增大，故转速下降很快很快 2.5 直流电动机的基本特性2.5.3 2.5.3 直流直流电动电动机的机械特性机的机械特性2.6 直流电力传动二、二、电动电动机机组稳组稳定运行的条件定运行的条件l l典型负载的机械特性典型负载的机械特性nf(TL)（1 1）恒转矩负载：）恒转矩负载：T TL L=constconst（2 2）风机类负载：）风机类负载：T T L Ln n2 2（3 3）恒功率负载：）恒功率负载：P P L L=constco
45、nstl下垂的机械特性的机械特性2.6 直流电力传动二、二、电动电动机机组稳组稳定运行的条件定运行的条件l上翘的机械特性的机械特性l稳定条件2.6 直流电力传动二、二、电动电动机机组稳组稳定运行的条件定运行的条件2.6.2 直流电动机的起动l起动的基本要求：起动转矩足够大；起动电流限制在允许范围内；起动时间短，符合生产技术要求；起动设备简单、经济、安全、可靠。l起动过程：直流电动机接电源后，转速从零达到稳定转速的过程l大电流对电网的影响：电网电压下降，影响其他用电设备电机绕组发热，受大电磁力的冲击 2.6 直流电力传动l起动瞬间：l起动的根本原则：足够大的电磁转矩 限制起动电流l起动时的磁场：
46、磁通最大（励磁回路调节电阻为零）l常用起动方法：全压起动；电枢回路串变阻器起动；降压起动。2.6 直流电力传动一、全压起动直接加额定电压起动优点：操作简单，无需另加设备缺点：冲击电流大；电源电压会突然降低，影响其他用电设备；产生很大的冲击电磁力和转矩应用：适用于容量很小的电动机。2.6 直流电力传动2.6.2 直流电动机的起动二、电枢回路串变阻器起动在电枢回路串可变电阻，以限制起动电流，待转速上升后，逐步切除起动电阻损耗增加，不经济2.6 直流电力传动2.6.2 直流电动机的起动三、降压起动开始时，降低端电压，随着转速的升高，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。采用他励优点：起动电
47、流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。实例：发电机电动机组；整流器电动机组2.6 直流电力传动2.6.2 直流电动机的起动2.6.3 直流电动机的调速调速方法：（1）改变励磁电流（主磁通）调速；（2）改变串入电枢回路中的电阻调速（3）改变电枢端电压调速2.6 直流电力传动一、改变励磁电流调速l优点：设备简单，调节方便，能耗小，效率基本不变，经济性好，调速平滑，可实现无级调速l缺点：只能向上单方向调节，转速高时，换向性能差，机械特性的斜率变大，特性变软；l机械特性：理想空载转速增大；斜率增大2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速一、改变励
48、磁电流调速l调速过程：2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速一、改变励磁电流调速l调速过程：A BTMTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作点2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速一、改变励磁电流调速l调速过程：减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=t0n结论结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速l优点：设备简单，操作方便。l缺点：只能向下单方向调节；低速时，机械特性很软，调速范围不大,稳定性差；负载变化时，转速调整率变大；速度调节不平滑，属有级调速；电阻消耗
49、的能量大，调速时效率低，效率与转速成正比。l机械特性：理想空载转速不变；斜率增大二、改变串入电枢回路的电阻调速2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速2.6.3 直流电动机的调速l适用于恒转矩调速l对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。l调速过程：二、改变串入电枢回路的电阻调速2.6 直流电力传动l调速过程：二、改变串入电枢回路的电阻调速nTMTLRan0n1A0ABn2Ra+Rj1未串电阻时的工作点串电阻Rj1后,工作点由AAB2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速l调速过程：二、改变
50、串入电枢回路的电阻调速调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=t0n2n1Ia1ianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速l优点：电源电压能够平滑调节，可实现无级调速；调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好；无论轻载还是负载，调速范围相同；电能损耗较小。l缺点：只能向基速下单方向调节；需要一套电压可连续可调的直流电源，较复杂。l机械特性：理想空载转速减小；斜率不变，是一组平行直线。三、改变电枢端电压调速2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速l适用于恒转矩调速l对恒转矩负载，调速前
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