电机拖动试验一.docx

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电机拖动试验一

第一篇  直流电机

一.直流电机（DCMachines）概述

直流电机是电机的主要类型之一。

直流电机可作为发电机使用，也可作为电动机使用。

用作发电机可以获得直流电源，用作电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。

直流电机的用途:

作电源用:

发电机；作动力用:

电动机；信号的传递:

测速发电机,伺服电机

作电源用:

直流发电机将机械能转化为直流电能

作动力用:

直流电动机将直流电能转化为机械能

信号传递:

直流测速发电机将机械信号转换为电信号

信号传递-直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号

二.直流电机的优缺点

1.直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。

2.直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。

3.直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。

4.由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。

第一章 直流电机的工作原理和结构

1-1  直流电机工作原理

一、原理图（物理模型图）

磁极对N、S不动,线圈（绕组）abcd旋转,换向片1、2旋转,电刷及出线A、B不动

二、直流发电机原理（机械能--->直流电能）（Principlesof DCGenerator）

1.原动机拖动电枢以转速n（r/min）旋转；

2.电机内部有磁场存在；或定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流If）时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）（magneticfield,fieldpole）

3.电枢线圈的导体中将产生感应电势  e=Blv，但导体电势为交流电，而经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势EAB，以便输出直流电能。

（看原理图1，看原理图2）（commutatorandbrush）

问题1-1：

直流电机电枢单个导体中感应电势的性质？

问题1-2：

直流电机通过电刷引出的感应电势的性质？

问题1-3：

直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流电势？

1.为了得到稳定的直流电势，直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置，并通过多个换向片联接成电枢绕组。

以前曾使用环形绕组.

问题1-4：

环形绕组的缺点是什么？

三.直流电动机的原理 （Principiesof DCMotor）

1.将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流ia通过。

2.电机内部有磁场存在。

3.载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）

4.所有导体产生的电磁力作用于转子可产生电磁转矩，以便拖动机械负载以n（r/min）旋转。

5.结论：

直流电机的可逆性原理：

同一台电机，结构上不作任何改变，可以作发电机运行，也可以作电动机运行。

问题1-5：

讨论电刷的位置。

结论：

为了得到最大的直流电势，电刷的位置必须与位于几何中线上的导体相接触。

1-2  直流电机的结构（Structure）

主磁极---主磁极的作用是建立主磁场。

绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。

主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。

为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。

主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。

主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。

机座——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。

机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。

机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。

机座的两端装有端盖。

换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。

换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。

换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。

换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

端盖——端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。

同时端盖对电机内部还起防护作用。

电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。

刷握用螺钉夹紧在刷杆上。

每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。

刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

电枢铁心——电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。

为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。

小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。

为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。

线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。

大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

换向器—-在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。

换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。

每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。

小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。

1-3  电枢绕组

电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。

电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。

此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。

一.主要分类

   宏观分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。

鼓形绕组又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。

环形电枢绕组（展开图）

鼓形电枢绕组（展开图）

1.鼓形绕组有许多个形状相同的线圈组成，每个线圈有两个有效边，分别位于电枢圆周相距约一个极距的两个槽中。

2.一个边在上层时，另一个边一般在下层。

1.每个换向片接两个不同的线圈端头。

2.将所有的电枢线圈按照一定的规律联接起来，就构成电枢绕组。

3.在实际电机中，电枢绕组有多种形式。

4.每个换向片接两个不同的线圈端头。

5.将所有的电枢线圈按照一定的规律联接起来，就构成电枢绕组。

6.在实际电机中，电枢绕组有多种形式。

叠绕组示意图

波绕组示意图

二、单叠绕组的联接方法

1.强调概念：

极数2p，极对数p，极距，绕组元件，元件边，上层边，下层边,第1节距，第2节距，合成节距等。

2.单叠绕组的展开图举例 

3.一台4极16槽直流电机，已知换向片数K=16；电枢绕组的线圈数S=16；试画出整距右行单叠绕组展开图。

4.【析】每槽两个边，每个线圈两个边，所以槽数z=线圈数S=16,极距τ＝z/2p＝4槽。

5.因为要求整距线圈即第一节距y1＝τ＝4（槽）,又因为单叠右行，则合成节距y＝1；

6.则第二节距y2＝y1-y＝3（槽）,也就是说一个线圈的一个有效边若放在1号槽内，另一个有效边必须放在5号槽内。

即一个线圈跨过4个槽的位置。

元件联接图如图绕组展开图。

其等效电路图如下图所示：

【画出展开图的具体部骤】

1.画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽的元件边，下层边用虚线，上层用实线画；

2.标出槽号：

画出第一个元件，跨1~5。

展开图中可以把一个元件画成一匝。

〖注意元件的端部要画对称。

〗

3.在第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标出换向片号；换向片号与所连的上层边槽号要相同。

4.依次串联16个元件。

5.再画出各磁极N、S、N、S。

6.鼓形绕组的电刷中心线在每个磁极的中心线上。

〖即保证电刷必须与位于几何中线处的导体相接触。

〗

7.画出电枢转向和电刷连线。

三．结论

1.常用直流电机绕组型式的支路数2a：

2.单叠绕组：

2a=2p，单波绕组：

2a=2

3.双叠绕组：

2a=4p，双波绕组：

2a=4

1-4 直流电机的额定值

额定值---是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。

在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。

并具有优良的性能。

额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。

额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。

直流电机的额定值（Rating）主要有：

1.额定功率PN：

指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以"W"为量纲单位。

若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。

2.额定电压UN：

 指额定状态下电枢出线端的电压，以"V"为量纲单位。

3.额定电流IN：

 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以"A"为量纲单位。

4.额定转速nN：

 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。

5.额定励磁电流If：

 指电机在额定状态时的励磁电流值。

注意:

1.对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即

2.PN＝UNIN

3.对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在,即

4.PN＝UNINηN

第2章  直流电机的基本理论

2-1  直流电机的励磁方式

一、定义

直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。

实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。

二、分类

   除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励式和自励（串励、并励和复励）式。

2-2   空载时直流电机的磁场

一、直流电机的磁通路径

    磁路从主磁极1出发经气隙1－电枢齿1－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭--主磁极1。

二、空载磁通密度波形

∙空载时电枢电流为0，气隙磁场是由励磁电流单独决定。

∙磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。

∙极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处磁密为0。

∙空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数B0（x）表示；分析可知它是平顶波。

2-3 负载时直流电机的磁场――电枢反应

一、电枢磁势的分布

1.电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。

2.电枢电流的方向由电刷来界定。

图中电刷以上电流为流入纸里，电刷以下为流出纸面。

3.这样的电流分布所产的磁力线如图所示。

（右手定则）

4.可见，电枢磁势的轴线总是与和电刷接触的导体的连线重合。

或者说电刷位置决定了电枢磁势的轴线。

5.当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时，电枢磁势的轴线在交轴方向。

并把这一磁势称为交轴电枢反应磁势。

6.设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距0点为x处作一闭合磁力线回路。

该闭路包围的电流数即为总磁势Fa。

7.电枢表面单位长度上的安培导体数称为电机的线负荷A,A=Nia/（πDa）。

8.x处闭路上的总磁势Fa（x）=A*2x,忽略铁心磁阻，则每个气隙消耗的磁势为Fa（x）=Ax  （-t/2

9.上式为一个极距的电枢磁势分布，将一对极的电枢磁势波形画出，（忽略齿槽影响）将得到三角波。

二、电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布：

Ba（x）=μ0Fa（x）/δ

∙该磁密由磁势和气隙共同决定。

∙极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势；

∙两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小。

一个周期的磁密波形呈马鞍形。

三、电枢磁场与励磁磁场（主磁场）的合成及电枢反应

∙主磁场为平顶波，电枢磁场为马鞍形波。

∙在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内磁密减弱。

∙如果电机的磁场不饱和，则半个极距内增加的磁通量与另半个极距内减少的磁通量相等。

即每极总磁通Φ与空载时一样。

∙实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。

∙由图可知，原来的磁场发生了畸变，0点发生了位移。

∙（交轴）电枢反应：

气隙磁场发生畸变（对发电机而言

∙前极端去磁、后极端增磁；而对电动机而言则为前极端增磁、后极端去磁）；每极磁通减少。

此反应会对电机性能产生不良影响。

四、直轴电枢反应

∙电枢磁势的轴线总是与和电刷接触的导体的连线相一致。

∙当电刷与几何中性线上的导体相接触时，电枢磁势的轴线也处于几何中性线上，即与主极轴线正交，称其为交轴电枢磁势。

∙以上讨论的实际上是交轴电枢反应。

∙如果将电刷位置逆时针移动β角，则电枢磁势可分为两部分。

∙2β范围内的磁势为直轴电枢磁势Fad。

∙（π-2β）角度内的磁势为交轴电枢磁势Faq。

直轴电枢磁势的作用为：

1.对发电机来说，电刷顺转向偏移时为去磁，逆转向偏移时为增磁；

2.对电动机来说，电刷顺转向偏移时为增磁，逆转向偏移时为去磁。

2-4   电枢绕组中的感应电势

∙当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。

∙由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之和。

∙本节将推导感应电势的计算公式。

∙公式推导

∙Ce为电势的结构常数，由绕组结构决定。

可见感应电势正比于每极磁通量和转子转速。

∙这一感应电势公式把电量Ea、机械量n、磁场量Φ联系起来了。

2-5 直流电机的电势平衡方程式

o直流电机的电路包括电枢支路和励磁支路。

o在分析直流电机时，最好先根据励磁方式画出电机的电路连线。

o发电机按照发电机惯例标注电势，电流和电压。

电动机则按照电动机惯例标注。

一、直流发电机的电势平衡方程

∙以他励发电机为例。

∙注意图中电枢和励磁的图符。

∙作为发电机运行时，电势Ea和电枢电流Ia同方向。

∙除了电阻压降IaRa外，还要考虑电刷压降△Us 

∙电势平衡方程为Ea=U+IaRa+2△Us

∙如有串励绕组，则Ra中应为串励、补偿和换向极绕组电阻。

二、直流电动机的电势平衡方程

∙以并励电动机为例。

∙电枢接通直流电源。

∙流的转子导体在磁场中受力产生转矩

∙子一旦旋转，就有电势产生。

∙势与电流方向相反。

故电动机的感应电势又叫反电势。

U=Ea+IaRa+2△Us

2-6  电磁转矩 （Magnetic-electricTorque）

∙在直流电机中，当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩T。

∙在电动机中，电磁转矩属于拖动转矩；而在发电机中则为阻力转矩。

一、公式推导

∙CT为转矩常数，由电机结构决定。

可见电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。

∙这一电磁转矩公式把机械量T，磁场量Φ和电量Ia联系起来了。

二、稳态时的转矩平衡

∙对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩T1。

T1克服各种阻力转矩（如摩擦，铁耗，风阻等）T0后与负载后电枢电流Ia产生的电磁转矩T相平衡:

 T1=T+T0  

∙对于电动机来说，从电枢端输入电流并产生电磁转矩T,T克服各种阻力转矩T0后与机械负载转矩T2相平衡:

            T=T0+T2

2-7  直流电机的损耗和功率平衡方程

一、损耗

∙机械损耗pm：

轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。

这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。

∙铁心损耗pFe:

电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。

铁耗近似与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。

∙励磁损耗pf:

pf=UfIf=If2Rf

∙pm+pFe+pf统称为空载损耗（不变损耗）。

∙负载损耗：

电枢回路电阻损耗pa=Ia2Ra;电刷接触压降损耗 Pb=2ΔUsIa（可变损耗）

∙杂散损耗pΔ:

齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等pΔ=（0.5~1）%P2。

二、发电机功率平衡方程

∙功率流程图（永磁式时）

∙功率平衡方程

P1=PM+pm+pFe+pΔ=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+pΔ=P2+Σp

∙电磁功率PM：

从机械功率转化为电功率的那一部分功率,它是能量形态变化的基础。

       PM=TΩ=CTΦIaΩ=pN/（2πa）ΦIa*（2πn/60）

   =pN/（60a）ΦnIa=EaIa

∙效率 η=P2/P1 =（1-Σp）/P1

三、电动机功率平衡方程

∙功率流程图（永磁式时）

∙功率平衡方程

∙P1=PM+pa+pb=P2+pm+pFe+pΔ+pa+pb+pf=P2+Σp

∙电磁功率PM：

从电功率转化为机械功率的那一部分功率。

PM=EaIa

∙效率        η=P2/P1 =（1-Σp）/P1

本章小结

∙直流电机的主磁场一般由套在主极铁心上的励磁绕组通过电流产生。

励磁绕组与电枢回路之间的连接方式有：

他励、并励、串励、复励。

不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响。

∙直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁路的情况。

一般情况下，直流电机的空载磁通密度分布呈平顶波。

∙当直流电机负载时，电枢绕组绕组中的电枢电流将产生电枢磁势，电枢磁势对主磁场的分布和主磁通的大小将产生一定的影响，这种影响称为电枢反应。

∙交轴电枢反应将使主磁场发生畸变，当磁路饱和时会对主磁场产生去磁作用。

当电刷偏离几何中性线时，还将产生去磁或者增磁的直轴电枢反应。

∙发电机和电动机是直流电机的两种运行状态。

在两种状态下，电枢绕组中均产生感应电势。

感应电势的公式Ea=CeΦn表明感应电势的大小正比于转速及每极磁通。

在发电机中Ea>U，在电动机中U>Ea。

∙同样，直流发电机和电动机中均存在电磁转矩。

其公式T=CTΦIa表明电磁转矩的大小正比于电枢电流和每极磁通。

在发电机中，电磁转矩是阻力转矩，在电动机中电磁转矩是拖动转矩。

∙直流电机的电势平衡方程反映了电机电路中各种量之间的关系。

功率平衡方程表明了输入功率、输出功率和各种损耗之间的关系。

电磁功率PM=TΩ=EaIa显示了机械功率和电磁功率之间的转换关系。

第三章直流发电机

§3.1他励直流发电机的运行特性

本章介绍直流发电机的特性，先分析比较简单的他励式开路特性，又叫空载特性。

一、开路特性Uo=f（If）

1．定义：

当n=常数，I＝0时，开路电压U0随励磁电流If变化的关系称之为开路特性。

当转速等于常数，一般为额定转速，负载电流等于0,即完全开路时，电枢端电压随励磁电流变化的关系即为直流发电机的开路特性，对应的曲线称之为开路特性曲线。

2．分析

因空载时，Uo＝Ea=Cenφ即Uo∝φ；If∝Ff故空载特性曲线与电机的磁化曲线形状完全相同。

此图的虚线即为开路特性曲线。

第一象限图

这就是，直流发电机的开路特性曲线。

它可以通过实验求取。

3．试验接线图

    这个实验接线图只做第Ⅰ象限，试验时，原动机使转速保持n=nN，发电机电枢开路，调节励磁电流If，使空载电压Uo=UN，然后使If逐步减少到0，注意只能单方向调节，并记录7～9组下降分支的数据。

注意到If=0时，Uo不等于0，Uo＝Usc即为剩磁电压。

    然后不要停机，再逐步增加励磁电流If，直到Uo约到1.25UN，此过程中再记录7－9组上升分支的数据。

    最后取平均值，这条平均值的曲线即为使用的开路特性曲线。

由空载特性曲线可以求取出电机在额定电压下磁路的饱和程度，即饱和系数

Kc=（ac）/（ab）

二、外特性U=f（I）

1．定义，当n=nN，励磁电流If=IfN时，改变端电压U随负载电流I变化的关系。

2．分析

    将此图接入可调的负载电阻，则为外特性试验时的接线图。

记录，曲线上的第一组值，并且记录直流发电机的额定励磁电流IfN和额定转速nN。

然后逐步增加负载电阻值（即减少负荷）到负载电流为0，记录5～7组值画出对应的曲线。

如下图。

    从此曲线图知，电压随电流增加是减小的。

原因只有两个，即电枢电阻的压降和电枢反应的去磁作用使得负载电流增大时，端电压有减少的趋势。

这种端电压变化的多少用电压调整率来表示。

调节RL使负载电流达IN值，同时调节Rf（分压器）使端电压达UN此时的Rf不能再改变。

曲线随电流增加下降的原因：

（1）电枢电阻压降的存在；

（2）电枢反应去磁作用。

3．电压调整率ValtofeRegulation

（1）定义：

发电机（或变压器）的输出端电压从空载过渡到负载时的变化程度。

用△U表示。

（2）表达式

Uo-U

△U＝----------100%

UN

额定时的电压调整率

Uo-UN

△UN＝----------100%

UN

他励直流发电机的△UN一般为

△UN＝（5～10）％

§3.2并励直流发电机的特性

一、并励直流发电机的电压建立

    并励式直流发电机就是要将励磁绕组和电枢绕组并联。

为了测量的需要，再串入电流表和可调电阻。

    我们讨论空载时的建压过程：

原动机拖动转子使转速开始上升，转子导体切割剩磁磁通φsc→感应一个不大的电势→这个电势加在励磁回路上产生不大的励磁电流If→励磁电流产生磁通φf→设励磁通和剩磁通同方向→则气隙中合成磁通增加→则ea→励磁电流又增加→增加到两曲线的交点A即为建立的电压稳定点了。

    此图中的A点为开路特性曲线和磁场电阻线的交点。

1．建压过程

→导体切割剩磁→感应电势→（设与同向）→反复以上过程到交点A即为稳定点开路特性曲线场阻线

2．建压条件

（1）电机中要有剩磁；

（2）励磁电流所产生的磁通与剩磁同方向；

（3）励磁回睡的总电阻要小于临界电阻值。

3．说明

磁场电阻线Uf=if（Rf+rf）

Rf+rf=Uf/if=tgα

式中

Rf-----励磁回路外串可调电阻；

rf