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·1·绪论1．电机、电力拖动技术在国民经济中的作用电能是现代能源中应用昀广的二次能源，它的生产、变换、传送、分配、使用和控制都较为方便经济，而要实现电能的生产、变换和使用等都离不开电机。电机是利用电磁感应原理和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。它应用广泛，种类繁多，性能各异，分类方法也很多。常见的分类方法为：按功能用途分，可分为发电机、电动机、变压器和控制电机4大类。按照电机的结构或转速分类，可分为变压器和旋转电机。根据电源的不同，旋转电机又分为直流电机和交流电机两大类。交流电机又分为同步电机和异步电机两类。综合以上分类方法，可归纳如下：在电力工业中，产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。在机械制造、冶金、纺织、石油、煤炭、化工、印刷及其他工业企业中，人们利用电动机把电能转换成机械能，去拖动机床、轧钢机、纺织机、钻探机、电铲机、起重机、传输带等各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求。在交通运输业中，需要大量的牵引电动机和船用、航空电机。随着农业机械化的发展，电力排灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。在伺服传动、机器人传动、航天航空和国防科学等领域的自动控制技术中，各种各样的控制电机作为检测、定位、随动、执行和解算元件。在日益走进百姓家庭的小轿车中，其内装备的各类微特电机一般已超过60台。在医疗仪器、电动工具、家用电器、办公自动化设备和计算机外部设备中，也离不开功能各异的小功率电动机和特种电机……。综上所述，电机在一切工农业生产、交通运输、国防、科技、文教领域以及人们日常生活中，早已成为提高生产效率和科技水平以及提高生活质量的主要载体之一，因此电机在国民经济的各个领域起着重要的作用。同样，以电动机为动力拖动生产机械的拖动方式——电力拖动，具有许多其他拖动方式（如蒸汽机、内燃机、水轮机等）无法比拟的优点。·2·电力拖动具有优良的性能，起动、制动、反转和调速的控制简单方便、快速性好且效率高。电动机的类型很多，具有各种不同的运行特性，可以满足各种类型的生产机械的要求。电力拖动系统各参数的检测、信号的变换与传送方便，易于实现昀优控制。因此，电力拖动已成为现代工农业生产、交通运输等中昀广泛采用的拖动方式。而且随着自动控制理论的不断发展，电力电子器件的普遍应用，以及数控技术和计算机技术的发展与应用，电力拖动装置的性能得以大为提高，极大地提高了劳动生产率和产品质量，提高了生产机械运转的准确性、可靠性和快速性，提高了电力拖动系统的自动化控制程度，所以电力拖动已成为国民经济中现代工农业等领域电气自动化的基础。电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各生产领域，各时期科学技术的发展水平不同，它们所处的地位也有所不同。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式。随着经济实用交流电动机的研制成功，使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用。但是随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在启动、制动、正反转以及调速提出了新的、更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以从20世纪以来，在可逆、可调速与高精度的拖动领域中，在相当长一个时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出优点，但是由于它具有电刷与换向器，这使得它的故障率较高，电动机的使用环境受到限制（如不能在有易燃、易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级、额定转速、单机容量的发展也受到限制，所以在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，交流调速的不断进步和完善，在调速性能方面由落后状态直到可与直流调速相媲美。今天，交流调速在很多场合已取代直流调速。在不远的将来，交流调速将完全取代直流调速，可以说这是一种必然的发展趋势。2．本课程的性质、任务和内容本课程是电气自动化控制、供用电技术和机电一体化等专业的一门专业基础课。它是将《电机学》、《电力拖动》和《控制电机》等课程有机结合而成的一门课。本课程的任务是使学生掌握变压器、交直流电机及控制电机的基本结构和工作原理以及电力拖动系统的运行性能、基本分析计算、电机选择、使用和维护方法，为今后的工作打下必要的基础，同时也培养学生在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力。本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相交流异步电动机、三相交流异步电动机的电力拖动、单相异步电动机、同步电机、电动机的选择、控制电机等。3．本课程的特点及学习方法电机与电力拖动既是一门理论性很强的技术基础课，又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电学、磁学、动力学、热学等学科知识的综合，所以理论性较强。而用理论分析各种电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构、采用工程观点和工程分析方法。在掌握基本理论的同时，还要注意培养学生的实验操作技能·3·和计算能力，因此实践性也较强。鉴于以上原因，为学好电机及电力拖动这门课，学习时应注意以下几点：（1）要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住问题的本质。（2）要抓住重点，即应牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（3）要有良好的学习方法，可运用对比的学习方法，找出各种电机的共性和特点，以加深对各种电机及拖动系统性能和原理的理解。（4）学习时要理论联系实际，重视试验和到工厂实践。（5）要站在应用的角度看电机，把电机视为拖动系统中的一个器件来学习，不宜过多地耗时于电机的内部电磁关系上。·4·第1章直流电机内容提要直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械，按照用途可以分为直流电动机和直流发电机两类。将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机。直流电机最大特点是拖动性能良好，所以它是工矿、交通、建筑等行业中的比较常见动力机械，是机电行业人员的重要工作对象之一。熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点，掌握主要参数的分析计算，正确并熟练地操作使用直流电机是电气技术工作的重要内容。本章主要介绍直流电机的用途、基本结构及工作原理，讨论直流电机的磁场分布，分析影响感应电动势和电磁转矩大小的因素，电枢反应及其对电机的影响，电机的换向及改善换向的方法并从应用的角度分析直流电动机的励磁方式和工作特性，以案例的形式介绍直流电动机典型故障的分析处理。1.1直流电机的基本工作原理与结构1.1.1直流电机的特点和用途1．直流电机的特点直流电动机与交流电动机相比，具有优良的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力强，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统各种不同的特殊运行要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制。直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中已被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。2．直流电机的用途由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。·5·直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源、直流电焊机电源等。1.1.2直流电机的基本工作原理从能量转换的角度可以将直流电机分为直流电动机和直流发电机两大类，其工作原理可通过直流电机的简化模型进行说明。1．直流发电机的工作原理如图1-1所示为直流发电机的简化模型。图1-1中N，S为固定不动的定子磁极，abcd是固定在可旋转的导磁圆柱体上的转子线圈，线圈的首端a，末端d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电换向片上。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来实现的。在定子与转子间有间隙存在，称为气隙。当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在切割磁场的线圈abcd中将产生感应电动势。两条有效边（ab、cd）导体中产生的感应电动势大小应为：图1-1直流发电机模型xeBLv=（1-1）式中，Bx为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m2；L为导体ab或cd的有效长度，单位为m；v为导体ab或cd与Bx间的相对线速度，单位为m/s；e为导体感应电动势，单位为V。导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。在逆时针旋转情况下，如图1-1（a）所示，导体ab在N极下，产生的感应电动势极性为a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位，在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。当线圈旋转180°时，如图1-1（b）所示，导体ab在S极下，感应电动势的极性为a点低电位，b点高电位，而导体cd则在N极下，感应电动势的极性为c点低电位，d点高电位，此时虽然导体中的感应电动势方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片同时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。从图1-1中可看出，导体ab和cd中感应电动势方向是交变的，而与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是在S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势输出。·6·2．直流电动机的工作原理若把电刷A，B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如图1-2（a）所示，设线圈的ab边位于N极下，线圈的cd边位于S极下，则导体每边所受电磁力的大小为：xfBLI=（1-2）式中，Bx为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m2；L为导体ab或cd的有效长度，单位为m；I为导体中流过的电流，单位为A；f为电磁力，单位为N。图1-2直流电动机的模型导体受力方向由左手定则确定。在图1-2（a）的情况下，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径的乘积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻转矩时，线圈按逆时针方向旋转。当电枢旋转到图1-2（b）所示的位置时，原来位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原来位于N极下的导体ab转到S极下，其受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。实际直流电机的电枢根据实际应用情况有多个线圈。线圈分布于电枢铁芯表面的不同位置上，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极N，S也是根据需要交替放置多对。1.1.3直流电机的基本结构直流电机由固定不动的定子与旋转的转子两大部分组成，定子与转子之间有间隙，称为气隙。定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。直流电机主要部件的基本结构与作用，如图1-3所示。1．定子部分（1）机座机座用以固定主磁极、换向极、端盖等，又是电机磁路的一部分（称为磁轭）。·7·机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。（2）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场，由主磁极铁芯和主磁极绕组（励磁绕组）构成，如图1-4所示。主磁极铁芯一般由1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分。极靴做成圆弧形，以使磁极下气隙磁通较均匀。极身上面套有励磁绕组，绕组中通入直流电流。整个磁极用螺钉固定在机座上。1—风扇；2—机座；3—电枢；4—主磁极；5—刷架；6—换向器