(西南交通大学)电机与拖动

电机与拖动关于本课程课程性质：技术基础课（专业基础课）教材：《电机拖动基础》宋银宾主编实验教材《电机实验与检测》李宗昉主编任课教师：李宗昉教学时间：5×16=80-10（实验）=70学时成绩评定：期末考试70%中期考试10%其他20%（含实验、出勤、课堂听课、纪律）学习电机与拖动的目的：学习《电机与拖动》:不仅实际工作需要，而且对后续课程是一个基础。对于电车专业：电机与拖动——牵引电机电子专业：电机与拖动——微特电机（自控技术）序言一、电机概述1.电机：与电能有关的能量转换的机器比如：电能生产、传输、分配和使用（主要是动力用电）2.重要性：电气化的心脏3.分类：普通电机与特种电机（1）普通电机（按能量转换分）机械能——电能（发电机）（产生电能）直流交流水力、火力、原子能、潮汐、地热、风力电能→机械能（电动机，用于动力机械）65%的总电量被电动机消耗电能之间的转换：改变交流电压—变压器改变电流—变流机（直流→交流）改变频率—变频机改变相数—劈相机或单---三相变压器（2）特种电机特种电机（主要完成信号传递和转换，用于数字计算，是自控系统中的一个重要元件）比如：潜艇导航90多台；自动火炮60多台；导弹控制50多台；雷达20多台；飞机的无人驾驶30多台。电机的分类发电机直流电机电动机电动机旋转电机异步电机普通电机发电机变压器交流电机电机电动机同步电机通用式发电机特种电机控制式二、电力拖动概述拖动——原动机为了完成一定任务而使生产机械运动。电力拖动——电动机作为拖动的动力源或以电动机为动力拖动生产机械运动的拖动方式。电力拖动系统——以电机为核心而向两边扩展形成：机电一体化，控制与被控制对象结合（专业方向）电力拖动系统电力拖动类型1.成组拖动一台电动机拖动几个工作机构。条件：电机容量大（但容量得不到充分利用）。缺点：不安全、效率低。图：成组拖动电机12……天轴2.单电机拖动系统：一台电动机拖动一个工作机构。图：单机拖动优点：电机容量利用充分且控制方便，用于各种机床3.多电机拖动系统—一个生产机械有多个工作机构，每个工作机构用一台电机拖动。比如：龙门铣床图：多电机拖动铣头上升或下降工作台移动铣头旋转4.自动化电力拖动系统—多学科综合应用比如：自动恒定功率、自动调节转矩…电力拖动的优点①电力拖动效率高，因为电动机效率高且与生产机械联接方便。②电机种类多，具有各种运行特性，可满足不同生产机械的要求。③检测方便，易于组成完善的反馈控制系统以实现最佳控制。④可以实现远距离控制和测量，便于集中管理，实现生产过程自动化。三、基本定律（1）全电流定律（电生磁）比如，空间有n=3根导体，其中电流、、，方向如图所示，它们所产生的磁场强度H沿任何闭合路径的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和。1I2I3I123lHdeIIII用途：电机和变压器的磁路计算.×.I1I2I3Hdl(2)电磁感应定律（磁生电）①变压器电势（感应电势）大小（变化引起）方向楞次定则：线圈中感应电动势倾向于阻止线圈中磁链的变化dtdweweiφ②速率电势大小：B-磁通密度-导体有效长度V-导体切割磁力线速度方向：右手定则BlVel（3）电磁力定律（载流导体在磁场中受力）大小：B－磁通密度；－导体的有效长度；－通电电流强度方向：左手定则BlIFlI（4）可逆原理电能机械能电功率（机械功率）（5）磁路的欧姆定律——磁动势相当于E——磁通相当于I——磁阻()相当于vFvBliiBlveiIWFmRmmRR铁RwIφδ-+mRFREI磁路的欧姆定律四、课程的性质和任务性质：技术基础课，承上启下任务：①掌握各种电机的基本结构、工作原理、基本特性及应用。②掌握电力拖动系统的组成、特性及分析计算。③通过试验验证电机的各种性能。第一章直流电机基础§1-1概述直流电机:一种转换与直流电能有关的机器直流电能→机械能（直流电动机）机械能→直流电能（直流发电机）可逆性：同一直流电机即可用作电动机也可用作发电机优点：范围广①调速性能好方便平滑②起动性能好，起动力矩大缺点：结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠—环火问题。电力机车用途：①电动机主要用于广泛调速的地方地铁电力机车牵引电机电车卷扬机快速可逆电机拖动系统轧钢机②发电机可作独立直流电源，也可组成发电机——电动机拖动系统（F--D），比如冶金、化工、采矿中使用。优点：发电机提供的直流电质量好，可靠（比整流）。将来会被可控硅整流取代，但直流电动机目前还在继续使用。§1-2直流电机的工作原理一、直流发电机的原理原理：导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势大小：方向：右手定则下面以二极环形绕组（原理结构）为例：BlVe图：二极环形绕组（原理结构）.....×××××456789101112123+-123456789101112NSnφ定子：两个主磁极（永久磁铁）在空间固定——产生恒定磁场转子：环形铁心上绕有12个线圈（闭合绕组在原动机拖动下旋转）N极下：2、3、4、5、6切割磁力线感应电势方向S极下：8、9、10、11、12切割磁力线感应电势方向1、7处于几何中性线处不感应电势特点：①同一极下的导体是在变化的，但同一极下导体电势方向是一致的。②对于某一元件而言，其元件电势是交变的。（元件依次切割不同极性的磁力线）。③转子绕组闭合回路中=0（对称），无环流。引出直流电的办法：1、7导体处加固定电刷，并把电刷接触处的导线剥开，从而形成了两个并联支路且同一支路内电势方向一致——直流电势电刷存在的问题及改进方法问题：①寿命不长（经不起长期磨损）②安放电刷有困难改进办法：用换向器代替电刷与导体直接摩擦，换向器由相互绝缘铜片组成，装在电枢端部与电枢一起旋转。特点：①电刷位置——应与中性线处导体相连，从而保证支路内电势不互相抵消，以获取刷间最大电势。②换向片数K=S(元件数)③环形绕组并联之路数2a=极数2p=电刷数a——并联支路对数（两条支路时a=1）p——极对数（两个极时p=1）二、直流电动机工作原理结构：同直流发电机特点：在电刷间加直流电源（电刷极性不变）图：直流电动机原理......×××××NSFF+-n通过换向器的作用，将电流直流电转换为元件中的交流电，但在同一极下导体的电流方向一致，根据左手定则，确定导体受力方向。注意：转子旋转后，元件中的电流方向在改变。换向器的作用：元件中的交流电电刷间的直流电。§1-3直流电机的基本结构、分类及额定值一、主要结构部件1、定子部分①主磁极——产生主磁场铁心：0.5－1.0mm厚硅钢片冲迭而成。励磁绕组：由绝缘导线绕成，通以直流电产生主极磁场。②换向极（附加极）——改善换向，减小电刷下的火花。铁心：整块矩形铸钢（形状不复杂，易于加工）线圈：绝缘导线绕成与电枢绕组串联③机座（磁轭）由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢作用：提供磁路，支撑，防护作用④电刷装置和其它电刷装置的作用：引出（引进）电流组成：电刷——石墨制品，耐磨，导电刷握——刷盒，放电刷，用弹簧压紧电刷，在空间固定刷架——安放刷盒用，本身固定在机座或端盖上.注意,刷盒与刷架之间要绝缘其它：端盖、轴承（支持、防护）2、转子部分——电枢（感应电势，通过电流）①电枢铁心——0.5mm厚低硅钢片外圆冲上齿、槽装迭而成，目的在于减少铁心在磁场中旋转时被反复磁化而产生过多铁耗齿、槽——安放电枢绕组通风孔——散热内圆——轴孔②电枢绕组——绝缘导线型绕加工而成，嵌放在铁心槽中导线截面：矩形（大电机）圆形（小电机）槽内有绝缘（对地）槽楔封口固定，绕组元件的两头与换向片相联图：电枢绕组③换向器（由许多彼此绝缘的换向片构成）侧视图（沿径向剖开）沿圆周方向剖开作用：基体——与电刷接触竖板（升高片）——连接电枢绕组元件燕尾——夹紧、固定二、分类（按励磁方式分）他励自励他励式：独立直流电源单独供给励磁绕组励磁，励磁绕组与电枢绕组不连接－励磁电流sIFII－电枢电流－负载电流EsIsnIfF1F2UfIIIfsIIIfs图：并励图：串励EsIff1f2UIsInEsIsIIfC1C2Un一部分与电枢绕组串联复励：励磁绕组分两部份另一部分与电枢绕组并联短分接法（先并后串）长分接法（先串后并）EsnRC1f1f2C2EsnRC1f1f2C2差复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相反积复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相同由于联接方式不一样，将直接影响电机的特性。无论是发电机还是电动机都可采用上述联接方式三、额定值1、额定功率（容量）——指输出功率，单位：瓦（千瓦）发电机=（输出电功率）电动机（轴上输出机械功率）=式中：－电动机的额定电压；－电动机的额定电流；－电动机的额定效率2、额定电压——允许加在电机两端的电压限定值小型发电机小型电动机大型电机115V230V460V110V220V440V1000VePeUeIfeIeneePePeUeIeeUeUeIePeIePeU3、额定电流——电机额定输出功率时的电流值发电机过载满载电动机欠载4、额定转速——额定负载时电机的限定转速5、额定励磁电流6、额定效率eIenUPIeeeeeeUPI/eIIeIIeIIfeIe§1-4直流电机的空载磁场空载磁场：直流电通入励磁绕组产生的磁场特点：负载电流=0，不考虑电枢通过电流产生磁场的影响（只有主磁极产生的磁场）I一、直流电机空载时的磁通分布1、直流电机空载时的磁通分布（以四极电机为例）主磁通（每极）——经过气隙进入电枢的磁通磁通路径..φσNSφφ路径：N极出发→N极下的气隙→N极下的电枢齿槽→电枢铁心→S极下的电枢齿槽→S极下气隙→S极下铁心→磁轭→回到N极下的铁心主磁通又称有效磁通——能感应电势的磁通或能产生力矩的磁通漏磁通——未进入电枢铁心的磁通特点——不感应电势也不产生力矩，无效的缺点——不可避免它增加了铁心和磁轭的饱和程度总磁通：(1)pK1()K主极的漏磁系数1.15~1.25K2、产生主磁通的磁动势产生每极主磁通所需要的磁势（激磁安匝）基本定律：全电流定律（分段计算法）注意：这里把“场”的问题简化为“路”来计算W―总激磁匝数2―表示两个极——磁路某段的场强——1个磁极上的激磁绕组匝数——该段磁路的平均长度——激磁电流HdlI2xxffHlWIWIxHfWxlfI利用磁回路的基尔霍夫第二定律可得：总磁势：气隙长度（2）电枢齿长（2）电枢轭一段长（1）主极铁心长（2）定子磁轭一段长（1）ss222ttppeeFHHlHlHlHlHtltHslsHplpHeleH计算总磁势的基本方法设计一台电机首先要确定：每极磁通量（已知）→（S为不同段的磁路截面积）→每段磁场强度H气隙（—气隙磁导）铁磁材料只有通过查该材料的磁化曲线求HBS0BH0图：磁化曲线→计算分段磁势→总磁势（一对极的总安匝）→决定I-决定导线截面3、主磁通磁势产生的气隙磁密的分布曲线（1）气隙磁密——电枢表面的磁通密度（它与电机的感应电势，力矩大小和形状有关）特点：与气隙大小有关且分布不均匀（2）气隙特点：①极中心处气隙最小②极尖（极掌）处气隙最大xxxFHlxFFFWI00(1.5~2.5)p比如：城市电车用直流电机ZQ-8009/4.5，即=4.5mm=9mm结果：在气隙中的磁密形成帽形0p图：帽形磁密帽形磁密的证明：一个极的磁势令（不变）——为帽形——极距，代表电枢表面的圆周一个极所占的范围——电枢外径，p——极对数——气隙磁密的最大值10千瓦以下电机=4000~6500高斯大容量电机=10000~10500高斯0ffBWIHfffWIK0fKKB0fKKB2aDpaDBBB计算中常用——气隙平均磁密，——电枢轴向有效长度pjBpjBll4、电机的磁化曲线（1）定义：代表每极主磁通与励磁电流的关系曲线（2）形状及