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DIANJIYUTUODONGJICHU高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材1主编：李庆武刘子林副主编：张之光王宏玉主审：李梅芳电机与拖动基础绪论本课程的主要内容、任务和学习方法3电能是现代能源中应用最广的二次能源，它的生产、变换、传输、分配、使用和控制都比较方便经济，而要实现电能的生产、变换和使用等都离不开电机。电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电机在国民经济的各个领域起着重要作用。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。在工业企业中，人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械，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。在电力排灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。在品种繁多的家用电器中，也离不开功能各异的小功率电动机。0.1电机和电力拖动技术在国民经济中的作用用电动机作为原动机拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。电力拖动是机电设备中的一个重要组成部分。除小部分生产机械采用气动或液压拖动外，绝大多数的生产机械都采用电力拖动，这源于电力拖动有其一系列的优点：（1）电能的远距离输送简便经济，分配简单，检测方便；（2）电力拖动比其他形式的拖动效率高，电动机与被拖动机械的联接简便；（3）电动机的形式和种类很多，具有各种各样的特性，可适应不同生产机械的需要，且电力拖动的起动、制动与调速等控制简便迅速，调节性能好；（4）可实现远距离控制与自动调节，并进而实现生产过程的自动化。0.1电机和电力拖动技术在国民经济中的作用现代能源的主要形式是电能，与电能密切关联的电机广泛应用于社会生产的各个部门和社会生活的各个方面。电机的品种繁多，按其功能用途可分为变压器、直流电机、交流电机和控制电机，如图0.1所示。无论是哪一种电机，都必须以磁场作为其耦合场，通过电磁感应作用来实现能量转换。为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场,电机的磁路均用导磁性能良好的铁磁材料组成。图0.1电机的分类0.2电机的类型及所用的材料本课程是电气自动化、电气技术和机电一体化等专业的一门专业基础课。“电机与拖动基础”是“电机学”和“电力拖动技术基础”两部分内容的有机结合，它是在学习了“电工基础”等课程的基础上，通过讲授直流电机、变压器、交流电机的基本理论和电力拖动的基本原理等知识，以期达到下列要求：（1）熟悉直流电机、变压器、三相异步电动机的基本结构，掌握它们的工作原理。（2）掌握直流电动机、三相异步电动机的机械特性及各种运转状态的基本理论。（3）掌握直流电动机、三相异步电动机起动、制动、调速的电力拖动基本原理和计算方法。（4）掌握电机及电力拖动实验的基本方法和技能。0.3本课程的主要内容、任务和学习方法“电机与拖动基础”既是一门技术基础课，又具有专业课的性质，不仅有理论的分析推导、磁场的抽象叙述，还要用基本理论去分析比较复杂又带有机、电、磁综合性的工程实际问题，这是学习本课程的难点。学习时应注意以下几点：（1）牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（2）可运用类比或比较的学习方法，找出各种电机的共性和个性，以加深对各种电机及拖动系统性能的理解。（3）要理论联系实际，重视实验和实训环节。（4）课前应预习，课后应及时复习,并选择适当的思考题和习题作为课外作业，以巩固理论知识，提高理解和运算能力。0.3本课程的主要内容、任务和学习方法DIANJIYUTUODONGJICHU高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材10主编：李庆武刘子林副主编：张之光王宏玉主审：李梅芳电机与拖动基础1直流电机【知识目标】掌握直流电机的基本结构、直流发电机和直流电动机的基本原理、直流电机的励磁方式和磁场分布、直流电动机的电枢电动势和电磁转矩以及直流电动机的机械特性。【能力目标】学习直流电机的拆卸、接线方法；计算直流电动机的电枢电动势、电磁转矩；掌握直流电动机的运行特性。1.1直流电机的工作原理与结构直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力，一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外，结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。1.1直流电机的工作原理与结构所示为直流发电机的工作原理模型。在图1.1中，N、S为一对固定的磁极，称为直流电机的定子。abcd是固定在可旋转铁质圆柱体上的线圈，线圈连同铁质圆柱体是直流电机可转动的部分，称为直流电机的转子（或电枢）。线圈的末端a、d联结到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。转子线圈与外电路的联结是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。在定子与转子间有间隙存在，称为气隙。图1.1直流发电机的工作原理模型在直流发电机的模型中，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，在线圈abcd中将产生感应电动势。1.1.1电路的组成1.1直流电机的工作原理与结构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，导体ab在N极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位；导体cd则在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°后，导体ab在S极下，导体cd则在N极下，此时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。1.1直流电机的工作原理与结构中可以看出，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的极性总为正，而电刷B的极性总为负，使电刷获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据具体应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢表面的不同位置上，并按照一定的规定联结起来，构成直流电机的电枢绕组。磁极也是根据需要,N、S极交替放置多对。1.1直流电机的工作原理与结构导体受力方向由左手定则确定。在第一种情况下，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受力方向从左到右。导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab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极下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。1.1直流电机的工作原理与结构同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。由以上分析可以看出：任何一台电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定，如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。1.1直流电机的工作原理与结构直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。小型直流电动机结构如图1.3所示，其剖面结构如图1.4所示。（1）定子部分定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成，如图1.3所示。1.1.3直流电机的结构1.1直流电机的工作原理与结构—电枢绕组；2—电枢铁芯；3—机座；4—主磁极铁芯；5—励磁绕组；6—换向绕组；7—换向极铁芯；8—主磁极极靴；9—机座底脚1.1直流电机的工作原理与结构①主磁极主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯上的励磁绕组构成。主磁极铁芯分成极身和极靴两部分，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁芯是用1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。主磁极的结构如图1.5所示。1.1直流电机的工作原理与结构—机座；2—主磁极铁芯；3—励磁绕组1.1直流电机的工作原理与结构②机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁性能较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑的作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，因此，机座起到了支撑的作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专门起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快、调速范围较高的场合。1.1直流电机的工作原理与结构③换向极换向极结构如图1.6所示。换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用来改善直流电机的换向。一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极铁芯可根据要求用整块钢制成，也可用1.0～1.5mm厚的钢板叠成，所有的换向极线圈串联后称为换向极绕组，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组数目一般与主磁极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主磁极数一半的换向极或不装换向极。换向极的极性根据换向要求确定。1.1直流电机的工作原理与结构④电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转