电机学课件--清华大学

海南风光第七章直流电动机单相异步电动机步进电机清华大学电机系电工学教研室唐庆玉编第七章电动机§7.2直流电动机7.2.1概述7.2.2工作原理7.2.3电枢电动势及电压平衡关系7.2.4电磁转矩7.2.5机械特性7.2.6直流电动机的调速7.2.7直流电动机的使用和额定值§7.3单相异步电动机§7.4步进电机7.2.1概述与异步电动机相比，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。直流电机的优点：（1）调速性能好: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。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调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。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具7.2.2工作原理一、工作原理U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+–NS电刷换向片IIFFU+–NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。直流发电机用右手定则判感应电动势Ea的方向U+–NSEEIa电枢绕组电阻RanKEE感应电动势aaRIEU输出电压二、直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构1.转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U7.2.3电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。一、电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷换向片IIEE根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：nKEEKE：与电机结构有关的常数n：电动机转速：磁通单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+–NS电刷换向片IIEE二、电枢绕组中电压的平衡关系因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。aaRIEUU：外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+–+–U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变或n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变可调速。ΦnKEUEnKEE7.2.4电磁转矩aTΦIKTKT：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流一、电磁转矩单位：（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。二、转矩平衡关系电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即0TTTLTL：负载转矩T0：空载转矩转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。例：设外加电枢电压U一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia、P入TLnEIaT最后达到新的平衡点。aTΦIKTaaRIEU机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。7.2.5机械特性一、他励电动机的机械特性即：TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，aTEaaΦIKTΦnKERIEUTΦKKRΦKUnETaE2M他励UfIfIaUn0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTnnTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即=KIa,则据此公式做出T-n曲线aaaΦTaTaΦEERIEUIKKΦIKTnIKKΦnKE2nTΦEaΦETKKRTKKUKnM串励UIa(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。nT(2)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。7.2.6直流电动机的调速与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，M他励UfIfIaU其中：=KIf•RfIfn，但在额定情况下，已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。•RfIfn，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法—减小磁通，n只能上调。TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：Φn1021Φn（减小）0n''0n'0nTLRf增加TnTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，调速过程:U一定,则RfEIaTnIaE暂时TTLTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，最后达到新的平衡T=TL（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。3.减小调速的特点：二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.特性曲线nn0n0'n0电压降低TTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，2.改变电枢电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，，而nU，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V~整流调压220V~Uf=110V固定U=0~110V可调改变电枢电压调速方案举例：例：已知他励电动机的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN时,n=?（2）=0.8N时,n=?解：（1）TL=0.5TN时aaERIUnKE143.015004.125.0220NaaEnRIUnEΦKNm1415002.295509550NNNnPTaTNΦIKT13.14.1214aNTITΦKTΦKKRΦKUnETaE2min)/r(8.151666.2146.153821413.1143.05.0143.022022TΦKKRΦKUnTEaE（2）=0.8N时min)/r(188984.331923148.013.1143.05.0143.08.02202n这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，使n、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，nnn0RaRa+RTTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，7.2.7直流电动机的使用和额定值限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。一、使用1.启动启动时,n=0Ea=0，若加入额定电压，则aNaNastIRUIIast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN内。(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=KTIa，而0，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则E，Ia，T和，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。EIaTT0n飞车措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。M他励UfIfIaU2.反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1）改变励磁电流的方向。（2）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：（1）反接制动3.制动制动的所采用的方法：反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+–R运行制动电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。（2）能耗制动—电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+–R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，在重力的作用下nn0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。(3)发电回馈制动直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。4.连接（1）绕组的阻值范围•电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。•他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。•串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。自学（2）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组他励绕组并励绕组串励绕组换向极绕组补偿绕组启动绕组始端绕组名称末端二、额定值1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN（：效率）注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN。4.额定转速nN：在PN，UN，IN时的转速。直流电机的转速等级一般在500r/min以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。7.3单相异步电动机一、单相异步电动机的工作原理结构