教学课件PPT直流电机

1、 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、 电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调 速和制动速和制动 。 第三章 直流电机 3 3.3 .3 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组 3.2 3.2 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 3 3.4 .4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩 3 3.6.6 直流动电机直流动电机 3 3.7.7 直流电动机的起动、调速和制动直

2、流电动机的起动、调速和制动 3 3.1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构 3 3.5.5 直流发电机直流发电机 直流发电机的作用：直流电源。直流发电机的作用：直流电源。 直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。 直流电动机优点：（直流电动机优点：（1）调速范围广，且易于平滑调节；）调速范围广，且易于平滑调节； （2）过载、启动、制动转矩大；）过载、启动、制动转矩大； （3）易于控制，可靠性高；）易于控制，可靠性高； （4）调速时的能量损耗较小。）调速时的能量损耗较小。 直流电机缺点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。直流电机

3、缺点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。 3.1.1直流电机的主要结构 3.1 3.1 直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构 主磁极主磁极 换向磁极换向磁极 电刷装置电刷装置 机座机座 端盖端盖 定子定子 转子转子 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 转轴转轴 轴承轴承 1.主磁极主磁极建立主磁场（建立主磁场（n、s交替排列）交替排列） a.主极铁心主极铁心磁路，由磁路，由1.01.5mm厚钢板构成厚钢板构成 b.励磁绕组励磁绕组电路电路 由电磁线绕制由电磁线绕制 2.机座机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚

4、3.电枢铁心电枢铁心磁路，磁路，0.5mm厚低硅硅钢片而成或冷扎硅厚低硅硅钢片而成或冷扎硅 钢片叠压（外圆冲槽，以便嵌放电枢绕组）钢片叠压（外圆冲槽，以便嵌放电枢绕组） 4.电枢绕组电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分 成若干支路）成若干支路） 5.换向器换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料）换向片间相互绝缘（用云母或塑料） 6.电刷装置电刷装置 7.换向极换向极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极 之间或绕组与电枢绕组串联）之间或绕组与电枢绕组串联） a.电刷电刷石墨或金属石墨石墨或金属石墨 b.刷握、刷杆、

5、连线（铜丝辨）刷握、刷杆、连线（铜丝辨） 一、直流发电机工作原理一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，右图为直流发电机的物理模型， n、s为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在是固定在 可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈 连同导磁圆柱体称为电机的转子或连同导磁圆柱体称为电机的转子或 电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连接到连接到 两个相互绝缘并可随线圈一同旋转两个相互绝缘并可随线圈一同旋转 的换向片上。转子线圈与外电路的的换向片上。转子线圈与外电路的 连接是通过放置在换向片上固定不连接是通过放置在换向片上固定不 动的电刷进行的。（动的电刷进行的

6、。（动画动画） 3.1.2 直流电机的工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针 旋转旋转 后后 ，如右图。，如右图。 0 180 可见，和电刷可见，和电刷a接触的导体接触的导体 总是位于总是位于n极下，和电刷极下，和电刷b接触接触 的导体总是位于的导体总是位于s极下。极下。 导体导体ab在在s极下，极下，a点低电点低电 位，位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在n极极 下，下，c点低电位，点低电位，d点高电位；点高电位； 电刷电刷a极性仍为正，电刷极性仍为正，电刷b极极 性仍为负。性仍为负。 可见，和电刷可见，和电刷a接触的导体总是位于接触的导体总是位于n极下，和电刷

7、极下，和电刷b接触接触 的导体总是位于的导体总是位于s极下，因此电刷极下，因此电刷a的极性总是正的，电刷的极性总是正的，电刷b的的 极性总是负的，在电刷极性总是负的，在电刷a、b两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈 分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来， 构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要n、s极交替旋转多对。极交替旋转多对。 二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理 把电刷

8、把电刷a、b接到直流电源接到直流电源 上，电刷上，电刷a接正极，电刷接正极，电刷b接负接负 极。此时电枢线圈中将电流流极。此时电枢线圈中将电流流 过过。 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，在磁场作用下，n极性下导极性下导 体体ab受力方向从右向左，受力方向从右向左，s 极极 下导体下导体cd受力方向从左向右。受力方向从左向右。 该电磁力形成逆时针方向的电该电磁力形成逆时针方向的电 磁转矩。当电磁转矩大于阻转磁转矩。当电磁转矩大于阻转 矩时，电机转子逆时针方向旋矩时，电机转子逆时针方向旋 转。转。 原原n极性下导体极性下导体ab转

9、到转到s极下，受极下，受 力方向从左向右，原力方向从左向右，原s 极下导体极下导体 cd转到转到n极下，受力方向从右向极下，受力方向从右向 左。该电磁力形成逆时针方向的左。该电磁力形成逆时针方向的 电磁转矩。线圈在该电磁力形成电磁转矩。线圈在该电磁力形成 的电磁转矩作用下继续逆时针方的电磁转矩作用下继续逆时针方 向旋转。向旋转。（动画）（动画） 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的同直流发电机相同，实际的 直流电动机的电枢并非单一线直流电动机的电枢并非单一线 圈，磁极也并非一对。圈，磁极也并非一对。 3.1.3 直流电机的铭牌数据 额定值是制造厂对各种

10、电气设备（本章额定值是制造厂对各种电气设备（本章 指直流电机）在指定工作条件下运行时所规指直流电机）在指定工作条件下运行时所规 定的一些量值。在额定状态下运行时，可以定的一些量值。在额定状态下运行时，可以 保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优 良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产 品设计或试验的依据。额定值通常标在各电品设计或试验的依据。额定值通常标在各电 气的铭牌上，故又叫铭牌数据。气的铭牌上，故又叫铭牌数据。 1、额定功率、额定功率 pn 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以指电机在铭牌规定的

11、额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “w” 为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于 1kw 或或 1mw 时，则用时，则用 kw 或或 mw 表示。表示。 对于直流发电机，对于直流发电机，pn是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。 即即 ：pnunin 对于直流电动机，对于直流电动机，pn是指输出的机械功率，所以：是指输出的机械功率，所以：pnuninn 额定励磁电流额定励磁电流 if 指电机在额定状态时的励磁电流值。指电机在额定状态时的励磁电流值。 额定电压额定电压 un 指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电

12、压，以 “v” 为单位。为单位。 额定电流额定电流 in 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “a” 为单位。为单位。 额定转速额定转速 nn 指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单为单 位。位。 3.3.1 3.3.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势 3.3 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢 电动势。 ncn a pz e ea 60 性质性质: : 发电机电源电势(与电枢电流同方向); 电动机反电势(与电枢电流反方向). ，称为电动势常

13、数为电机的结构常数式中： a pz c e 60 可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。 3.3.2 直流电机的电磁转矩 电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, , 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 ata ici a pz t 2 性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢

14、电 流成正比。流成正比。 为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中 a pz c t 2 et cc55.9 3.4 3.4 直流电动机直流电动机 直流电动机能把直流电能转换为机械能。直流电动机能把直流电能转换为机械能。(原理原理) 直流电机按励磁方式直流电机按励磁方式分为他励电机分为他励电机; 自励电机（并自励电机（并励电机、励电机、 串励电机和复励电动机三种串励电机和复励电动机三种方式）。方式）。 主要内容主要内容:直流电动机的运行原理、工作特性、机械特性直流电动机的运行原理、工作特性、机械特性 及起动、调速和制动运行及起动、调速和制动运行 直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。

15、直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。 1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。 a ii g u u f i f a ii 他励直流发电机的电枢电他励直流发电机的电枢电 流和负载电流相同，即：流和负载电流相同，即： 一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。 2 2、并励、并励：发电机的励磁绕发电机的励磁绕 组与电枢绕组并联。且满组与电枢绕组并联。且满 足足 。 fa iii f i f i g u a i 3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组励磁绕

16、组与电枢绕组 串联。满足串联。满足 。 iii fa g i a i f i f u 4 4、复励、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个 励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。 2f if g i a i 1f i f u i g u a i 1f i 2f if 二、二、 直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程 a e m u a i t 0 t 2 t n f i f u 如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向 电机稳态时的基本方程如下：电机稳态时的基本方程如下：

17、 at ict l tttt 02 nce ea aaa rieu f f f r u i ),( fa iif )( 102cufemm ppppppp 功率关系功率关系 a a aaa riieui 2 两边同乘以电枢电流两边同乘以电枢电流 aaa rieu 电压平衡等式电压平衡等式 a a cu rip 2 电枢回路的铜损耗电枢回路的铜损耗 a uip 1 从电源输入的电功率从电源输入的电功率 aam iep 电枢吸收的电磁功率电枢吸收的电磁功率 转矩平衡等式转矩平衡等式 02 ttt两边同乘以机械角速度两边同乘以机械角速度 02 ttt 02 pppm cum ppp 1 若考虑附加损

18、耗和励磁回路消耗的功率，则若考虑附加损耗和励磁回路消耗的功率，则 )( 102facufemm ppppppppp 三、直流电动机的工作特性三、直流电动机的工作特性 （1）转速特性）转速特性 1、他励（并励）直流电动机的工作特性 n uu 定义：当 、 时， fnf ii)( a ifn 由方程式可得 a e a e n i c r c u n 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电 流按线性关系变化。流按线性关系变化。 （2）转矩特性）转矩特性 n uu 定义：当 时， fnf ii)( a ift 转矩表达式 at ict 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速

19、度比电流考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流 上升的慢。上升的慢。 )( a ifn )( a ift a i n 0 t 0 t )( 2a ift （3）、效率特性）、效率特性 由方程式可得由方程式可得 pp p p pp 21 1 1 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电 流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上； 负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机 械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大械负载

20、上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大 此时效率又变小。此时效率又变小。 a i 0 n uu 定义：当定义：当 、 时，时，)( a if fnf ii 2.他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 定义定义:当电动机加上一定的电压当电动机加上一定的电压 和一定的励磁电流和一定的励磁电流 时时, 转速转速 与电动机电磁转矩与电动机电磁转矩 的关系的关系,即即)(tfn n u f i t tn t cc r c u c ir c u n et a e n e aa e n 0 2 e c u n 0理想空载转速理想空载转速 2 et a cc r 机械特性的斜率机械特性的斜率

21、3 3、串励、串励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励 磁电流呈线性关系。即：磁电流呈线性关系。即： af ikik 转速特性转速特性 e a aee aa e ck r ick u c ir c u n 因转矩特性因转矩特性 2 atat ickict t 0 n 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动 机不宜轻载或空载运行。机不宜轻载或空载运行。 e a e t kc r t u kc c n 3.53.5 直流电动机的起动

22、、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动 一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动 起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这 就是电动机的起动过程。就是电动机的起动过程。 1、起动转矩要足够大、起动转矩要足够大; 2、起动电流不要太大、起动电流不要太大（小于允许值）（小于允许值）; 3、起动过程消耗的能量要小、起动过程消耗的能量要小; 4、起动设备简单、起动设备简单,便于控制。便于控制。 对起动性能的要求：对起动性能的要求： 降压起动降压起动起动时降低电枢绕组电压起动时降低电枢绕组电压 。 2、起动方法、起动方法 直接起动直接起动

23、直接将电机接到额定电压的电源，进行起动。直接将电机接到额定电压的电源，进行起动。 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动起动时在电枢回路串入起动电阻起动时在电枢回路串入起动电阻 s r 问题：问题：为什么说直流电动机直接起动的起初起动电流很为什么说直流电动机直接起动的起初起动电流很 大？它会对电机产生什么影响大？它会对电机产生什么影响？ 问题：问题：起动直流电动机时，在电枢回路中串电阻的目的是什起动直流电动机时，在电枢回路中串电阻的目的是什 么？为什么要在起动过程切除电阻？么？为什么要在起动过程切除电阻？ 注意：注意：并励直流电动机，由于励磁绕组与电枢绕组并联，电并励直流电动机，由于励磁绕组与电

24、枢绕组并联，电 枢电压降低，励磁电压即降低，从而主磁通降低，影响到反枢电压降低，励磁电压即降低，从而主磁通降低，影响到反 电动势的建立和起动转矩的减少，所以并励直流电动机如用电动势的建立和起动转矩的减少，所以并励直流电动机如用 降压起动，励磁绕组须采用他励，使励磁电压不受电枢电压降压起动，励磁绕组须采用他励，使励磁电压不受电枢电压 的影响。的影响。 1对调速性能的要求：对调速性能的要求： （1） 调速范围大（调速范围大（2） 调速平滑（调速平滑（3） 经济性好经济性好 （4） 方法简便可靠方法简便可靠 二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速 2调速方法调速方法 因为因为 t cc rr c

25、u n et sa e 2 所以所以 （1）改变电枢回路的串联电阻）改变电枢回路的串联电阻 ； （2）改变励磁电流）改变励磁电流 （励磁回路串电阻），即改变气（励磁回路串电阻），即改变气 隙磁通隙磁通 ； （3）改变电枢电压）改变电枢电压 。 s r u f i 3.他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 （1）改变电枢回路的串联电阻改变电枢回路的串联电阻 特点：特点：a.转速只能在对应电枢绕组电阻的基本转速往下调；转速只能在对应电枢绕组电阻的基本转速往下调； b.电枢回路串入较大电阻后机械特性变软，负载变化电枢回路串入较大电阻后机械特性变软，负载变化 对转速的影响较大，工作不稳定；对转速的

26、影响较大，工作不稳定； c.难以实现平滑调速；难以实现平滑调速； d.损耗大，经济性差损耗大，经济性差 e.属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。 （2）减小气隙磁通）减小气隙磁通 特点：特点：a.转速只能在对应额定励磁电流的基本转速往上调转速只能在对应额定励磁电流的基本转速往上调,电电 动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制；动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制； b.可以实现平滑调速；可以实现平滑调速； c.损耗小，设备简单，控制方便损耗小，设备简单，控制方便 d.属于恒功率调速。属于恒功率调速。 (3) 降压调速降压调速 特点：特点：a.转速只能在对应额定电压的基本转速往下调；转速只能在对应额定电压的基本转速往下调； b.稳定性好；稳定性好； c.调速范围大调速范围大,可以实现平滑调速；可以实现平滑调速； e.属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。 一般