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文档简介
1、第3章 直流电动机工作原理及特性,机械科学与工程学院 杨 旭,第3章 直流电动机工作原理及特性,3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性,第3章 直流电动机工作原理及特性,本章需要掌握的内容: 直流电机的工作原理; 直流电动机的机械特性; 直流电动机的启动、调速和制动方法,第3章 直流电动机工作原理及特性,概述:电机的种类,第3章 直流电动机工作原理及特性,常用的电机主要分两大类,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构: 直流电机由定子和转子两部分组
2、成,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,3.1.1 直流电机的基本结构,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,定子结构:主磁极,换向极,机座,轴承端盖,主磁极,换向极,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电动机定子实物,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,转子结构图,转子,换向片,转轴,电枢线圈,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,转子结构:电枢铁心,电枢绕组,换向器,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的电枢,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机整体结构,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的工作原理(电机中的电磁基本定律): 感应电势(右手)定则,
3、导体在磁场中做切割磁力线运动,则在导体的两端将产生感应电动势,其方向可用右手法则判定,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的工作原理(电机中的电磁基本定律): 电磁力(左手)定则,通电导体在磁场中受到力的作用,其受力方向可以用左手法则判定,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,发电机的工作原理(将机械能转换为电能,T1=T+T0,线圈在磁场中转动产生感生电动势,转矩平衡方程式,T1原动力产生的转矩,T0空载转矩,T 感应电流在磁场的转矩,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,电动机的工作原理(将电能转换为机械能,T=TL+T0,通电线圈在磁场中产生的转矩,转矩平衡方程式,T 电磁转矩
4、,TL负载转矩,T0空载转矩,Ke、Kt-为与电机结构有关的常数且Kt=9.55Ke,3.3 直流电动机的机械特性,直流电动机按励磁方式分他励、并励、串励和复励,3.3 直流电动机的机械特性,3.3.1 他励电动机的机械特性,电枢回路的电压平衡方程式,3.3 直流电动机的机械特性,几个重要公式,3.3 直流电动机的机械特性,此为直流他励发电机的机械特性,它为一条直线,当T=0时,无负载,称为理想空载转速,3.3 直流电动机的机械特性,3.3 直流电动机的机械特性硬度,为了衡量机械特性的平直程度,引入机械特性硬度概念,可以看到越大,机械特性越直,绝对硬特性 交流同步电动机; 硬特性 直流他励、交
5、流异步电动机(上半部); 软特性 直流串励、直流复励电动机,一、固有机械特性,在额定电压 UN ,额定磁通 N下,并且电枢电路不接任何电阻时的n=f(T)。 此时 它为一直线。可由理想空载点(0,n0)和额定运行点( TN, nN)两点确定。 电机铭牌上给出PN,UN,IN,nN。只需求n0,TN,t,一、固有机械特性曲线的绘制,二、人为机械特性,由于供电电压、磁通及电枢电路电阻变化时引起的机械特性n=f(T)的变化称为人为机械特性。 (1)电枢回路中串接电阻时 (2)改变电枢电压时 (3)当改变磁通时,二、人为机械特性,电枢回路中串电阻时的人为机械特性,特点:1、串接电阻后n0不变;2、斜率
6、变大即机械特性变软,二、人为机械特性,特点:1、U改变时,n0发生变化; 2、斜率不变,即机械特性硬度不变,改变电枢电压U时的人为机械特性,电机绝缘耐压强度的限制,二、人为机械特性,特点:1、由于线圈发热和电机磁饱和的限制,只适用于N的场合,即弱磁调速。 2、 减小时,n0及n均增大,斜率增加,特性变软。 3、启动时,E=0,Ist=UN/Ra=常数,当 减小时,启动转矩Tst=Kt Ist将减小,改变磁通时的人为机械特性,注:1、当磁通量过分削弱后,若负载转矩不变将使电机电流大大增加而严重过载。(稳定时TL=TM,TLw=UNI, 当 减小时,w增大导致n增大,而UN不变,故I增大) 2、当
7、磁通为0时,理论上将产生飞车。 因此,直流电机启动前必须先加励磁(否则空载启动产生飞车,重载时启动不起来而过载)运行中,决不允许将励磁电路断开或使励磁电流为零。故直流它励电机使用时要有失磁保护,零励磁保护:防止直流电动机在没有加上励磁电压时,就加上电枢电压而造成机械“飞车”或电动机电枢绕组烧坏的一种保护,零励磁保护,3.4 直流他励电动机的启动特性,直流电动机电枢回路方程式为: 由于启动时n=0,故感生电动势E=0,故U=IaRa,由于转子内阻Ra很小,则启动电流 Ist=U/ Ra,达到额定电流的1020倍。 启动转矩 也很大,对负载产生冲击。因此启动时要采取控制措施,使,通常采用两种启动方
8、式: 1、降压启动 2、电枢回路中串电阻启动 Ist=U/(Ra+Rst,3.4 直流他励电动机的启动特性,1)降压启动,由于启动时n=0,故感生电动势E=0,在启动瞬间,降低供电电压。随着转速n的升高,反电动势E增大,再逐步提高供电电压,最后达到额定电压UN时,电机达到所要求的转速,3.4 直流他励电动机的启动特性,2)电枢回路中串电阻启动 Ist=U/(Ra+Rst,冲击电流仍然很大,一般采用逐级切除启动电阻的方法来启动,3.4 直流他励电动机的启动特性,2)具有三段启动电阻的他励电机启动,启动时最大转矩T1=(1.62)TN ,最小转矩T2=(1.11.2)TN,3.5 直流他励电动机的
9、调速特性,一、调速:指在负载一定的条件下,改变电动机电路参数来改变电动机的稳定转速。(人为的) 二、速度变化:指电动机的电路参数不变,由负载引起的电机转速的变化。(负载的变化引起的,3.5 直流他励电动机的调速特性,改变Ra,U,,可进行调速,3.5 直流他励电动机的调速特性,1、改变电枢外串电阻,缺点: (1)特性变软 (2)空载或轻载时调速范围不大 (3)实现无级调速困难 (4)在调速电阻上有能量损耗,适用于起重机、卷扬机,3.5 直流他励电动机的调速特性,2、改变电枢电压,特点 (1) 机械特性硬度不变,稳定性高,调速范围大。 (2) 可实现无级调速,只能在额定转速以下调节。 (3) 稳
10、定后,转矩(T=KtNIa)不变,属恒转矩调速。 (4) 可以用来实现降压启动,3.5 直流他励电动机的调速特性,3、改变主磁通调速,特点: (1)只能弱磁调速,特性变软; (2)可实现无级调速; (3)可实现额定转速以上调速; (4)属于恒功率调速,P=UIa不变,而T=KtIa减小,注意产生飞车事故,3.6 直流他励电动机的制动特性,区别几个概念: 、制动和自然停车 制动:电动机转速由某一稳态迅速减速到停止,或使位能负载匀速下降。 自然停车:电动机脱离电网,靠较小的摩擦转矩消耗机械能使转速下降直至为零。 、电动和制动状态 电动状态:T与n同向,将电能转化为机械能,工作于一、三象限。 制动状
11、态:T与n反向,将机械能转化为电能,工作于二、四象限。 、制动状态的两种形式: 稳定的制动状态:限制位能负载的运动速度,n不变。 过渡的制动状态:降速或停车,n减小,电动状态和制动状态,电动状态:电动机发出的转矩T和n方向相同; 制动状态:电动机发出的转矩T与转速n方向相反,电动机的制动种类,一、反馈制动 1、电枢电压突然降低时 2、卷扬机下放重物时 3、增大磁通量时 二、反接制动 1、电源反接制动 2、倒拉反接制动 三、能耗制动,划分依据:他励直流电动机处于制动状态的外部条件和能量传递情况,1、反馈制动,反馈制动是电机实际转速n大于理想空载转速时,产生的电机输出转矩与n方向相反,而制动的情况
12、,特点:nn0,电动机变成发电机,机械能转化成电能向电源馈送,称为反馈,产生反馈制动的几种情况,1)当电枢电压U下降时,U1,U2,产生反馈制动的几种情况,2)TL为位能负载( TL 为负,在ab段:nn0,在bc段:nn0,特点:改变电枢电路电阻Rad可以改变重物的下放速度,Rad越小,下放速度越慢,但下放时nn0,故下放重物较重时不安全,产生反馈制动的几种情况,3)当调磁调速时,当 增加时,可使UE,而使Ia反向,1)电源反接制动(电枢电压U反接) 当U反接时,Ia变为负值,则 反向,实现制动,2、反接制动 电源反接制动、倒拉反接制动,2、反接制动 电源反接制动、倒拉反接制动,1)电源反接
13、制动(电枢电压U反接,有反向启动的危险,反接电动,正向电动,反接制动,位能负载时反馈制动,注意:反接时U与E串联相加,电流很大,应用Rad进行限流。 应用:快停、经常正反转,2)倒拉反接制动(由于n的方向发生变化,使TM与n反向,而实现制动,倒拉反接制动是电动状态曲线的延伸,改变Rad, 则可以调节重物下放速度,但对TL大小估计不足, 则本应下放的重物可能反向提升,3、能耗制动(去除电枢电压使U=0,并且电枢通过附加电阻Rad 组成回路,使电流方向与电动时相反,使 反向,无反向启动的危险,特性曲线过原点,并位于二,四象限,适用于准确快速停车和匀速下放重物的场合,电机制动的总结,1 电机可工作于
14、电动和制动二种状态 2 电动状态过纵轴延伸到二,四象限变为反馈制动 3 电动状态过横轴延伸到二,四象限变为反接制动,可能产生反向启动 4 能耗制动为过原点,穿过二,四象限的直线,第3章 直流电机的工作原理及特性 小 结,重点 机械特性是分析启动、调速和制动特性的依据,所以机械特性是电动机内容的重中之重 他励直流电动机的启动特性 他励直流电动机的调压调速特性 难点 本章较难理解的内容是电流、电势的换向过程和电动机的制动过程;电动机在各种运转状态下电磁转矩 TM、负载转矩TL、转速n、电枢电流Ia和电势E等符号的确定,第3章 直流电机的工作原理及特性,课堂作业,3.10一台他励直流电动机的技术数据
15、如下:PN=6.5kW,UN=220V,IN=34.4A,nN=1500r/min,Ra=0.242 ,试计算出此电动机的如下特性: 固有机械特性 电枢附加电阻分别为3 和5 时的人为机械特性 电枢电压为UN/2时的人为机械特性 磁通0.8 N时的人为机械特性,直流永磁电动机简介,永磁直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机,其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似,可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比,具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点,是小功率直流电动机的主要类型。 根据所用的永磁材料不同,分为铝镍钴、铁氧体和稀土永磁直流电动机。铝镍钴永磁直流电动机需
16、要消耗大量的贵重金属、价格较高,但对高温的适应性好。铁氧体永磁直流电动机以廉价见长,广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域。用稀土永磁材料作磁极制的稀土永磁直流电动机,体积小且性能更好,但价格昂贵,主要用于航天、计算机、井下仪器等。 近些年出现了新一代稀土永磁直流电动机钕铁硼永磁直流电动机,由于我国拥有世界80以上蕴藏量的钕矿资源,因此在价格上具有得天独厚的优势,使质优、价廉的钕铁硼永磁直流电动机性能与结构迅速发展,得到了广泛的应用,永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中,如录音机、VCD机、电唱机、电动按摩器及各种玩具,也广泛应
17、用于汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业,在一些高精尖产品中也有广泛应用,如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。 汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机. 在武器装备中,永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 在工农业方面,永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪
18、表中。 在医用方面,永磁直流电机用处更不小,如医用的各种仪器、手术工具,如开脑手术中的电动锯骨刀,特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。在残疾人用品方面,如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。 在生活方面,用处更多,连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。永磁直流电机的应用真是举不胜举,可以说是无处不在。 随着时代的发展,永磁直流电机的应用会更多,原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后,永磁直流电机的生产数量在不断地上升。我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上,生产永磁直流电机的厂家不计其数,永磁无刷直流电机,一、问题的提出 直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性,但由于存在电刷和换向器,需要经常性维护,并且会产生火花和电磁干扰,限制了它的应用范围。近年发展起来的无刷直流
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