第3 章直流电动机及其控制线路

1、第第 章章 直流电动机及其控制线路直流电动机及其控制线路 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 . 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 . 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 . 他励直流电动机的启动和调速他励直流电动机的启动和调速 . 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 . 直流电动机控制线路直流电动机控制线路 返回 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 3.1.1 概述概述 直流电机是实现直流电能与机械之间相互转换的电力机械直流电机是实现直流电能与机械之间相互转换的电力机械,按用途可按用途可 分为直流电动机和直流发电机两类。将机械能转变成直

2、流电能的电机分为直流电动机和直流发电机两类。将机械能转变成直流电能的电机 称为直流发电机称为直流发电机,如图如图3.1所示所示;将直流电能转变成机械能的电机称为直将直流电能转变成机械能的电机称为直 流电动机流电动机,如图如图3.2所示。直流电动机是工矿、交通、建筑等行业中的所示。直流电动机是工矿、交通、建筑等行业中的 常见动力机械常见动力机械,是机电行业人员的重要工作对象之一。作为一名电气是机电行业人员的重要工作对象之一。作为一名电气 自动化专业技术人员必须熟悉直流电动机的结构、工作原理和性能特自动化专业技术人员必须熟悉直流电动机的结构、工作原理和性能特 点点,掌握主要参数的分析计算掌握主要参

3、数的分析计算,正确并熟练地操作使用直流电动机。正确并熟练地操作使用直流电动机。 下一页返回 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 1. 直流电动机的特点直流电动机的特点 直流电动机与交流电动机相比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。直具有优良的调速性能和启动性能。直 流电动机有较宽的调速范围流电动机有较宽的调速范围,平滑的无级调速特性平滑的无级调速特性;较高的过载能力较高的过载能力,能能 承受负载的频繁冲击承受负载的频繁冲击;可实现频繁无极快速启动、制动和反转可实现频繁无极快速启动、制动和反转;能满足能满足 生产自动化系统各种不同的特殊运行要求。而直流发电机则

4、能提供无生产自动化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脉动的大功率直流电源,且输出电压可以精确调节和控制。但直流电且输出电压可以精确调节和控制。但直流电 机也有它显著的缺点机也有它显著的缺点:一是制造工艺复杂一是制造工艺复杂,消耗有色金属较多消耗有色金属较多,生产成本生产成本 高高;二是直流电机在运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花二是直流电机在运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花,因而因而 可靠性差可靠性差,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 已被交流调速系统所取代。但是在某些要求调速范

5、围大、快速性高、已被交流调速系统所取代。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直流电动机的应用目前仍占有较大 的比重。的比重。 上一页 下一页返回 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 2. 直流电动机的用途直流电动机的用途 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能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常应用于对启动和调速 有较高要求的场合有较高要求的场合,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、

6、城市电车、地铁列车、电动机梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动机 自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机车和大型起重机等自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机车和大型起重机等 生产机械中。如图生产机械中。如图3.3所示。所示。 上一页 下一页返回 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 3.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 图图3.4是一台最简单的直流电动机的物理模型。图中是一台最简单的直流电动机的物理模型。图中N 和和S是一对固定是一对固定 的磁极的磁极,可以是电磁铁可以是电磁铁,也可以是永久磁铁也可以是永久磁铁,磁极固定不动磁极固

7、定不动,称为定子。两称为定子。两 磁极之间有一个可以旋转的导磁圆柱体磁极之间有一个可以旋转的导磁圆柱体,称为转子称为转子,在其表面的槽内放在其表面的槽内放 置了一个线圈置了一个线圈,线圈连同导磁圆柱体是直流电动机可转动部分线圈连同导磁圆柱体是直流电动机可转动部分,称为电称为电 机转子机转子(或电枢或电枢)。线圈由导体。线圈由导体ab 和和cd构成构成,线圈的两端分别接到相互线圈的两端分别接到相互 绝缘的两个圆弧形铜片绝缘的两个圆弧形铜片E和和F (称为换向片称为换向片)上上,由换向片构成的圆柱体由换向片构成的圆柱体 称为换向器。换向片分别与固定不动的电刷称为换向器。换向片分别与固定不动的电刷A

8、 和和B保持滑动接触保持滑动接触,这样这样 ,线圈线圈abcd可以通过换向片和电刷与外电路接通。可以通过换向片和电刷与外电路接通。 上一页 下一页返回 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 直流电动机工作时接于直流电源上直流电动机工作时接于直流电源上,如如A 刷接电源负极刷接电源负极,B 刷接电源正刷接电源正 极极,则电流从则电流从B 刷流入刷流入,经线圈经线圈abcd,由由A 刷流出。图刷流出。图3.4所示之瞬间所示之瞬间,在在 S极的导体极的导体ab中电流是由中电流是由a到到b;在在N 极的导体极的导体cd中电流方向是由中电流方向是由c到到d 。根据电磁感应定律可知。根据电磁感

9、应定律可知,载流导体磁场中要受到力的作用载流导体磁场中要受到力的作用,其方向可其方向可 由左手定则判定。此瞬间导体由左手定则判定。此瞬间导体ab所受电磁力方向向上所受电磁力方向向上,导体导体cd所受电所受电 磁力方向向下磁力方向向下,这样就在线圈这样就在线圈abcd上产生一个转矩上产生一个转矩,称为电磁转矩称为电磁转矩,该转该转 矩的方向为顺时针方向矩的方向为顺时针方向,使整个电枢顺指针方向旋转。使整个电枢顺指针方向旋转。 当线圈转过当线圈转过180之后之后,换向片换向片E转至与转至与A 刷接触刷接触,换向片换向片F转至与转至与B刷接刷接 触。电流由正极经换向片触。电流由正极经换向片F流入流入

10、,导体导体cd中电流由中电流由d流向流向c,导体导体ab中电中电 流由流由b流向流向a,由换向片由换向片E经经A 刷流回负极。用左手定则判定刷流回负极。用左手定则判定,电磁转矩电磁转矩 仍为顺时针方向仍为顺时针方向,这样电动机就沿着一个方向连续选择下去。这样电动机就沿着一个方向连续选择下去。 上一页 下一页返回 . 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 由此可知由此可知,加在直流电动机上的直流电源通过换向器和电刷在电枢线加在直流电动机上的直流电源通过换向器和电刷在电枢线 圈中流过的电流方向是交变的圈中流过的电流方向是交变的,而每一极性下的导体中的电流方向始而每一极性下的导体中的电流方向

11、始 终不变终不变,因而产生单方向的电磁转矩因而产生单方向的电磁转矩,使电枢向一个方向旋转。这就是使电枢向一个方向旋转。这就是 直流电动机的基本工作原理。直流电动机的基本工作原理。 一台直流电机既可以作为电动机运行一台直流电机既可以作为电动机运行,又可以作为发电机运行又可以作为发电机运行,这主要这主要 取决于不同的外部条件。若将直流电源加在电刷两端取决于不同的外部条件。若将直流电源加在电刷两端,电机就能将直电机就能将直 流电能转换为机械能流电能转换为机械能,作为电动机运行作为电动机运行;若用原动机拖动电枢旋转若用原动机拖动电枢旋转,输入输入 机械能机械能,电机就将机械能转换为直流电能电机就将机械

12、能转换为直流电能,作为发电机运行。这种运行作为发电机运行。这种运行 状态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。实际的直流发电机和直状态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。实际的直流发电机和直 流电动机流电动机,因为设计制造时考虑了长期作为发电机或电动机运行时性因为设计制造时考虑了长期作为发电机或电动机运行时性 能方面的不同要求能方面的不同要求,在结构上要有区别。在结构上要有区别。 上一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 3.2.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电机在结构上主要有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转直流电机在结构上主要有可旋转部分和静止

13、部分。可旋转部分称为转 子或电枢子或电枢,静止部分称为定子。定子与转子之间有间隙静止部分称为定子。定子与转子之间有间隙,称为气隙。定称为气隙。定 子部分包括主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖和轴承等部件子部分包括主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖和轴承等部件; 转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部 件。件。 直流电机的结构如图直流电机的结构如图3.5所示。直流电机组成部件如图所示。直流电机组成部件如图3.6所示。所示。 1. 定子部分定子部分 定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支架。定子的作用是产生磁场和

14、作为电机的机械支架。 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 1)主磁极主磁极 主磁极的作用是产生一个恒定的主磁场。主磁极由铁芯和励磁绕组两主磁极的作用是产生一个恒定的主磁场。主磁极由铁芯和励磁绕组两 部分组成部分组成,整个磁极用螺钉固定在机座上整个磁极用螺钉固定在机座上,如图如图3.7所示。主磁极铁芯通所示。主磁极铁芯通 常采用常采用1.01.5mm 厚的低碳钢板冲片叠压而成厚的低碳钢板冲片叠压而成,包括极身和极靴包括极身和极靴(或极或极 掌掌)两部分。极靴做成圆弧形两部分。极靴做成圆弧形,以使磁极下气隙磁通较均匀。极身外边以使磁极下气隙磁通较均匀。极身外边 套

15、着励磁绕组套着励磁绕组,励磁绕组用铜线励磁绕组用铜线(或铝线或铝线)绕制而成。当绕组中通入直流绕制而成。当绕组中通入直流 电流时电流时,铁芯就成为一个固定极性的磁极。主磁极可为一对、两对或铁芯就成为一个固定极性的磁极。主磁极可为一对、两对或 更多对数。为了保证各极励磁电流严格相等更多对数。为了保证各极励磁电流严格相等,励磁绕组相互间一般采励磁绕组相互间一般采 用串联用串联,而且在连接时要保证而且在连接时要保证N、S极间隔排列。极间隔排列。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 2)换向极换向极 换向极由铁芯和套在铁芯上的绕组构成换向极由铁芯和套在铁芯上的

16、绕组构成,如图如图3.8所示。其铁芯多用整所示。其铁芯多用整 块钢板加工而成块钢板加工而成,大容量电机也采用薄钢片叠压而成。换向极绕组的大容量电机也采用薄钢片叠压而成。换向极绕组的 匝数较少匝数较少,并与电枢绕组串联并与电枢绕组串联,一般采用较粗的矩形截面导线绕制而成一般采用较粗的矩形截面导线绕制而成 。换向极通常安装在两个相邻主磁极的中心线处。换向极通常安装在两个相邻主磁极的中心线处,所以又称间极所以又称间极,其极其极 数一般与主磁极极数相等数一般与主磁极极数相等(小功率直流电机可不装设换向极小功率直流电机可不装设换向极,或只装设或只装设 主磁极极数一半的换向极主磁极极数一半的换向极),也用

17、螺钉固定在机座上。也用螺钉固定在机座上。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 3)电刷装置电刷装置 电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组和外电路连接电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组和外电路连接,并把电枢绕并把电枢绕 组中的交流电转变成电刷端的直流电。电刷装置主要由电刷、刷握、组中的交流电转变成电刷端的直流电。电刷装置主要由电刷、刷握、 刷杆、刷杆座及铜丝瓣等零件构成刷杆、刷杆座及铜丝瓣等零件构成,如图如图3.9所示。电刷一般由导电耐所示。电刷一般由导电耐 磨的石墨材料制成磨的石墨材料制成,放在刷握内放在刷握内,用弹簧压紧在换向器表面上用弹簧压紧在换

18、向器表面上,刷握固定刷握固定 在刷杆上在刷杆上,刷杆固定在圆环形的刷杆座上刷杆固定在圆环形的刷杆座上,借铜丝辫将电流从电刷引入借铜丝辫将电流从电刷引入 或引出。在换向器表面上或引出。在换向器表面上,各电刷之间的距离应该是相等的。刷杆座各电刷之间的距离应该是相等的。刷杆座 装在端盖或轴承内盖上装在端盖或轴承内盖上,是可以转动的是可以转动的,以便于调整电刷在换向器表面以便于调整电刷在换向器表面 上的位置。电刷组的个数一般等于主磁极的个数。上的位置。电刷组的个数一般等于主磁极的个数。 4)机座机座 机座既可以固定主磁极、换向极、端盖等机座既可以固定主磁极、换向极、端盖等,又是电机磁路的一部分又是电机

19、磁路的一部分(称称 为磁轭为磁轭)。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成,它具有良好的导磁性能它具有良好的导磁性能 和机械强度。和机械强度。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 在机座上还装有接线盒在机座上还装有接线盒,电枢绕组和励磁绕组通过接线盒与外部连接电枢绕组和励磁绕组通过接线盒与外部连接 。普通直流电机电枢回路的电阻比励磁回路的电阻小得多。普通直流电机电枢回路的电阻比励磁回路的电阻小得多。 5)端盖端盖 机座的两边各有一个端盖机座的两边各有一个端盖,它的中心部分装有轴承它的中心部分装有轴承,用来支持转子的轴用来支持转子

20、的轴 承承,电刷架也固定在端盖上。电刷架也固定在端盖上。 2. 转子部分转子部分 转子是直流电机的重要部件。由于在转子绕组中产生感应电动势和电转子是直流电机的重要部件。由于在转子绕组中产生感应电动势和电 磁转矩磁转矩,因此转子是机械能与电能相互转换的枢纽因此转子是机械能与电能相互转换的枢纽,也称其为电枢。也称其为电枢。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 1)电枢铁芯电枢铁芯 电枢铁芯是电机磁路的一部分电枢铁芯是电机磁路的一部分,其外圆周开槽其外圆周开槽,用来嵌放电枢绕组。为用来嵌放电枢绕组。为 了减少涡流损失了减少涡流损失,电枢铁芯一般用电枢铁芯一般

21、用0.5mm 厚、两边涂有绝缘漆的硅钢厚、两边涂有绝缘漆的硅钢 片冲片叠压而成片冲片叠压而成,电枢铁芯固定在转轴或电枢支架上电枢铁芯固定在转轴或电枢支架上,与轴一起旋转。与轴一起旋转。 电枢铁芯及冲片形状如图电枢铁芯及冲片形状如图3.10所示。当铁芯较长时所示。当铁芯较长时,为加强冷却为加强冷却,可把可把 电枢铁芯沿轴向分成数段电枢铁芯沿轴向分成数段,段与段之间留有通风孔。段与段之间留有通风孔。 2)电枢绕组电枢绕组 电枢绕组是直流电机的主要组成部分电枢绕组是直流电机的主要组成部分,其作用是产生感应电动势和电其作用是产生感应电动势和电 磁转矩磁转矩,使电机实现机电能量的转换。使电机实现机电能量

22、的转换。 电枢绕组通常由绝缘导线绕成的多个线圈电枢绕组通常由绝缘导线绕成的多个线圈(或称元件或称元件)按一定规律连接按一定规律连接 而成。组成线圈的各个导体嵌放在电枢铁芯槽内而成。组成线圈的各个导体嵌放在电枢铁芯槽内,而线圈的端部固定而线圈的端部固定 连接在对应的换向片上。连接在对应的换向片上。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 3)换向器换向器 换向器在电动机中的作用是将电刷两端的直流电流转换为绕组内的交换向器在电动机中的作用是将电刷两端的直流电流转换为绕组内的交 流电流流电流;在发电机中的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷两端在发电机中的作用是

23、将绕组内的交变电动势转换为电刷两端 的直流电动势。换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆的直流电动势。换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆 筒筒,片与片之间用一层薄云母绝缘片与片之间用一层薄云母绝缘,电枢绕组的每个线圈两端分别接至电枢绕组的每个线圈两端分别接至 两个换向片上。如图两个换向片上。如图3.11所示。换向器是直流电动机的重要部件所示。换向器是直流电动机的重要部件,它通它通 过与电刷的摩擦接触过与电刷的摩擦接触,将加于两个电刷之间的直流电流变换成为绕组将加于两个电刷之间的直流电流变换成为绕组 内部的交流电流内部的交流电流,以便形成固定方向的电磁转矩。以便形成固定方向的

24、电磁转矩。 4)风扇、转轴和支架风扇、转轴和支架 风扇为自冷式电机中冷却气流的主要来源风扇为自冷式电机中冷却气流的主要来源,可防止电机温升过高。转可防止电机温升过高。转 轴是电枢的主要支撑件轴是电枢的主要支撑件,用于传送扭矩、承受重量及各种电磁力用于传送扭矩、承受重量及各种电磁力,应有应有 足够的强度、刚度。支架是大、中型电机电枢组件的支撑件足够的强度、刚度。支架是大、中型电机电枢组件的支撑件,有利于有利于 通风和减轻重量。通风和减轻重量。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 3.2.2 直流电机的铭牌及额定值直流电机的铭牌及额定值 铭牌钉在电机机座的

25、外表面上铭牌钉在电机机座的外表面上,其上标明电机主要额定数据及电机产其上标明电机主要额定数据及电机产 品数据品数据,供用户参考。铭牌数据主要包括供用户参考。铭牌数据主要包括:电机型号、电机额定功率、电机型号、电机额定功率、 额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等,此外此外 还有电机的出厂数据还有电机的出厂数据,如出厂编号、出厂日期等。如出厂编号、出厂日期等。 电机制造厂按一定标准及技术要求电机制造厂按一定标准及技术要求,规定了电机高效长期稳定运行的规定了电机高效长期稳定运行的 经济技术参数经济技术参数,称为电机的额定值。额定

26、值是使用和选择电机的依据称为电机的额定值。额定值是使用和选择电机的依据, 因此使用前一定要详细了解这些铭牌数据。表因此使用前一定要详细了解这些铭牌数据。表3.1为某台直流电动机为某台直流电动机 的铭牌。的铭牌。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 1. 型号型号 型号表明该电机所属的系列及主要特点型号表明该电机所属的系列及主要特点,采用大写汉语拼音字母和阿采用大写汉语拼音字母和阿 拉伯数字表示拉伯数字表示,通常由三部分构成通常由三部分构成:第一部分为产品代号第一部分为产品代号;第二部分为规第二部分为规 格代号格代号;第三部分为特殊环境代号。例如第三部分

27、为特殊环境代号。例如,型号型号Z3-95中的中的“Z”表示普表示普 通用途直流电机通用途直流电机;脚注脚注“3”表示第三次改型设计表示第三次改型设计;第一个数字第一个数字“9”是机是机 座直径尺寸序号座直径尺寸序号;第二个数字第二个数字“5”是铁芯长度序号。是铁芯长度序号。 2. 额定值额定值 1)额定电压额定电压UN 额定电压是指在额定运行条件下额定电压是指在额定运行条件下,电机出线端的电压。对于电动机是电机出线端的电压。对于电动机是 指输入额定电压指输入额定电压,对于发电机是指输出额定电压。电压的单位为对于发电机是指输出额定电压。电压的单位为V。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本

28、结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 2)额定电流额定电流IN 额定电流是指电机在额定电压条件下额定电流是指电机在额定电压条件下,运行于额定功率时的电流。对运行于额定功率时的电流。对 电动机而言电动机而言,是指带额定负载时的输入电流是指带额定负载时的输入电流;对发电机而言对发电机而言,是指带额定是指带额定 负载时的输出电流。电流的单位为负载时的输出电流。电流的单位为A。 3)额定功率额定功率PN 额定功率是指在额定电压条件下电机所能供给的功率。对于电动机额定功率是指在额定电压条件下电机所能供给的功率。对于电动机, 额定功率是指电动机轴上输出的额定机械功率。额定功率是指电动机轴上输出的额定机械功率

29、。 对于发电机对于发电机,额定功率是指向负载端输出的电功率。额定功率的单位额定功率是指向负载端输出的电功率。额定功率的单位 为为W 或或kW。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 4)额定转速额定转速nN 额定转速是指电机在额定电压、额定电流条件下额定转速是指电机在额定电压、额定电流条件下,且电机运行于额定且电机运行于额定 功率时电机的转速。转速的单位为功率时电机的转速。转速的单位为r/min。 此外此外,铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重量等参数。铭牌上还标有励磁方式、工作方式、绝缘等级、重量等参数。 还有一些额定值还有一些额定值,如额定效

30、率如额定效率N、额定转矩、额定转矩TN、额定温升、额定温升N,一般不一般不 标注在铭牌上。标注在铭牌上。 电机在实际运行时电机在实际运行时,不可能总工作在额定状态不可能总工作在额定状态,其运行情况由负载大小其运行情况由负载大小 来决定。如果负载电流等于额定电流来决定。如果负载电流等于额定电流,称为满载运行称为满载运行;负载电流大于额负载电流大于额 定电流定电流,称为过载运行称为过载运行;负载电流小于额定电流负载电流小于额定电流,称为欠载运行。长期过称为欠载运行。长期过 载运行将使电机因过热而缩短寿命载运行将使电机因过热而缩短寿命,长期欠载运行则电机不能充分利长期欠载运行则电机不能充分利 用用,

31、效率低。选择电机时效率低。选择电机时,应根据负载要求应根据负载要求,尽可能使其接近于额定情况尽可能使其接近于额定情况 下运行。下运行。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 3.2.3 直流电机的类型直流电机的类型 主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为励磁磁动势。主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为励磁磁动势。 励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场,又称为励磁磁场。又称为励磁磁场。 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式的不同可以励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按

32、励磁方式的不同可以 分为他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。分为他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。 各种励磁方式如图各种励磁方式如图3.12所示。所示。 1. 他励直流电机他励直流电机 励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系,励磁电流励磁电流If 由一个独立的直流电由一个独立的直流电 源提供源提供,与电枢电流与电枢电流Ia 无关。图无关。图3.12 (a)中的电流中的电流I,对发电机而言对发电机而言,是指是指 发电机的负载电流发电机的负载电流;对电动机而言对电动机而言,是指电动机的输入电流是指电动机的输入电流,他励电机的他励电

33、机的 电枢电流与电流电枢电流与电流I 相等相等,即即Ia=I。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 2. 并励直流电机并励直流电机 图图3.12 (b)中励磁绕组和电枢绕组并联。对发电机而言中励磁绕组和电枢绕组并联。对发电机而言,励磁电流由发励磁电流由发 电机自身提供电机自身提供,Ia=I+If;对电动机而言对电动机而言,励磁绕组与电枢绕组并接于同一励磁绕组与电枢绕组并接于同一 外加电源外加电源,Ia=I-If。 他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的 1%5%,因此励磁绕组的导线细

34、、匝数多。因此励磁绕组的导线细、匝数多。 3. 串励直流电机串励直流电机 图图3.12 (c)中励磁绕组和电枢绕组串联中励磁绕组和电枢绕组串联,Ia=I=If。对发电机而言。对发电机而言,励磁电励磁电 流由发电机自身提供流由发电机自身提供;对电动机而言对电动机而言,励磁绕组与电枢绕组串接于同一励磁绕组与电枢绕组串接于同一 外加电源。串励直流电机的励磁绕组的导线粗、匝数少。外加电源。串励直流电机的励磁绕组的导线粗、匝数少。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 4. 复励直流电机复励直流电机 图图3.12 (d)中有两套励磁绕组中有两套励磁绕组,一套与电枢

35、绕组并联一套与电枢绕组并联,称为并励绕组称为并励绕组;另另 一套与电枢绕组串联一套与电枢绕组串联,称为串励绕组。两个绕组产生的磁动势方向相称为串励绕组。两个绕组产生的磁动势方向相 同时称为积复励同时称为积复励,磁动势方向相反时称为差复励磁动势方向相反时称为差复励,通常采用积复励方式通常采用积复励方式 。直流电机的励磁方式不同。直流电机的励磁方式不同,运行特性和适用场合也不同。运行特性和适用场合也不同。 3.2.4 直流电机的主要系列简介直流电机的主要系列简介 为了产品的标准化和通用化为了产品的标准化和通用化,电机制造厂生产的产品多是系列电机。电机制造厂生产的产品多是系列电机。 所谓系列电机所谓

36、系列电机,就是指在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺就是指在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺 方面有共同性方面有共同性,功率按一定比例系数递增功率按一定比例系数递增,并成批生产的一系列电机。并成批生产的一系列电机。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 我国常用直流电机的主要系列简介如下。我国常用直流电机的主要系列简介如下。 1)Z系列系列 Z系列电机是通风防护式的系列电机是通风防护式的,适用于调速范围不大的机械拖动适用于调速范围不大的机械拖动,应在少灰应在少灰 尘、少腐蚀及温度低的场所使用。尘、少腐蚀及温度低的场所使用。 2)Z2系列系列 Z

37、2系列是系列是Z系列的改进系列的改进,也是防护式的也是防护式的,调速范围可达调速范围可达2 1,即转速可超即转速可超 过额定转速一倍。过额定转速一倍。 3)ZO 系列系列 ZO 系列电机是封闭式的系列电机是封闭式的,用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。 上一页 下一页返回 3.2 直流电机的基本结构与铭牌直流电机的基本结构与铭牌 4)ZD系列系列 ZD系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所,如大如大 型机床、卷扬机、起重设备等。型机床、卷扬机、起重设备等。 5)ZQD系列系列 ZQD系列是直流牵引电动

38、机系列是直流牵引电动机,用于牵引车辆。用于牵引车辆。 直流电机系列很多直流电机系列很多,使用时可查电机产品目录或有关电工手册。使用时可查电机产品目录或有关电工手册。 上一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 3.3.1 直流电动机的电枢电动势和电磁转矩直流电动机的电枢电动势和电磁转矩 1. 直流电动机的电枢电动势直流电动机的电枢电动势 在直流电机中在直流电机中,感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动,即即 导体切割磁感应线而产生的。电枢绕组的感应电动势是指电机正、负导体切割磁感应线而产生的。电枢绕组的感应电动势是指电机正、负

39、 电刷之间的电动势电刷之间的电动势,也就是一条并联支路电动势也就是一条并联支路电动势,它等于一个支路中所它等于一个支路中所 有串联导体感应电动势之和。有串联导体感应电动势之和。 根据电磁感应定律根据电磁感应定律,每个导体感应电动势的平均值每个导体感应电动势的平均值eav=Bavlv 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 2. 直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩 在直流电机中在直流电机中,电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的 电磁力所形成的。根据电磁力定律电磁力所形成的。根据电磁力定律,载流导体在磁场中受到电磁

40、力的载流导体在磁场中受到电磁力的 作用。当电枢绕组中有电流通过时作用。当电枢绕组中有电流通过时,构成绕组的每个导体在气隙中将构成绕组的每个导体在气隙中将 受到电磁力的作用受到电磁力的作用,该电磁力乘以电枢旋转半径该电磁力乘以电枢旋转半径,形成电磁转矩。电磁形成电磁转矩。电磁 转矩等于电枢绕组中每个导体所受电磁转矩之和。直流发电机的电磁转矩等于电枢绕组中每个导体所受电磁转矩之和。直流发电机的电磁 转矩是制动性转矩转矩是制动性转矩,其方向与电机旋转方向相反其方向与电机旋转方向相反;直流电动机的电磁转直流电动机的电磁转 矩是拖动性转矩矩是拖动性转矩,其方向与电机旋转方向相同。其方向与电机旋转方向相同

41、。 每个导体所受平均电磁力为每个导体所受平均电磁力为 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 注意注意,无论是直流发电机还是直流电动机无论是直流发电机还是直流电动机,在运行时都同时存在感应电在运行时都同时存在感应电 动势和电磁转矩。但是动势和电磁转矩。但是,对直流发电机而言对直流发电机而言,电枢电动势为电源电动势电枢电动势为电源电动势, 电磁转矩是制动转矩电磁转矩是制动转矩,可分别用右手定则和左手定则来判断电动势和可分别用右手定则和左手定则来判断电动势和 电磁转矩的方向电磁转矩的方向,如图如图3.13所示所示;而对直流电动机而言而对直流电动机而言,电枢电动势为反电

42、枢电动势为反 电动势电动势,电磁转矩是拖动转矩电磁转矩是拖动转矩,用同样的方法分析如图用同样的方法分析如图3.14所示。所示。 3.3.2 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 机械特性是电动机的主要特性机械特性是电动机的主要特性,是分析电动机启动、制动、调速等问是分析电动机启动、制动、调速等问 题的重要工具。题的重要工具。 在电力拖动系统中在电力拖动系统中,实际上是由电动机产生的电磁转矩实际上是由电动机产生的电磁转矩T ,带动拖动系带动拖动系 统以转速统以转速n 旋转。旋转。T 和和n 是生产机械对电动机提出的两项基本要求。是生产机械对电动机提出的两项基本要求。 直流电动机的机械特性是指

43、当电源电压、励磁电流以及电枢回路总电直流电动机的机械特性是指当电源电压、励磁电流以及电枢回路总电 阻为恒定值时阻为恒定值时,电动机的电磁转矩与转速之间的函数关系电动机的电磁转矩与转速之间的函数关系,即即n=f(T)。 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 1. 机械特性方程式机械特性方程式 从数学的角度出发从数学的角度出发,他励直流电动机的机械特性是指当电源电压他励直流电动机的机械特性是指当电源电压U 、 气隙磁通气隙磁通? 以及电枢回路总电阻以及电枢回路总电阻Ra+Rc 均为常数时均为常数时,电动机的电磁转电动机的电磁转 矩与转速之间的函数关系矩与转速之间的函

44、数关系,即即n=f(T )。机械特性有三种表达形式。机械特性有三种表达形式:机械机械 特性的定义特性的定义(如前所述如前所述);机械特性方程式机械特性方程式;机械特性曲线。为了推导机机械特性曲线。为了推导机 械特性方程式械特性方程式,首先给出他励直流电动机拖动系统原理图首先给出他励直流电动机拖动系统原理图,如图如图3.15所所 示。根据图中给出的正方向示。根据图中给出的正方向,可写出电枢回路的电压平衡方程式可写出电枢回路的电压平衡方程式 U =Ea+(Ra+Rc)Ia=Ea+Ria 把电枢电动势公式把电枢电动势公式Ea=Ce?n 及电磁转矩公式及电磁转矩公式T =CT?Ia 代入上式代入上式,

45、整整 理后可得理后可得 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 下面首先讨论机械特性上的两个特殊点。下面首先讨论机械特性上的两个特殊点。 1)理想空载点理想空载点 图图3.16中的中的A 点即为理想空载点。在点即为理想空载点。在A 点点,T =0,Ia=0,电枢压降电枢压降 Ia(Ra+Rc)=0,电枢电动势电枢电动势Ea=U ,电动机的转速电动机的转速n=n0=U/(Ce?)。电动电动 机在实际的空载状态下运行时机在实际的空载状态下运行时,其输出转矩其输出转矩T2=0,但是电动机必须产生但是电动机必须产生 电磁转矩用以克服空载转矩电磁转矩用以克服空载转矩T0,所

46、以实际空载转速所以实际空载转速n0为为 n0=n0-T0 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 2)堵转点堵转点 图图3.16的的B点即为堵转点。在点即为堵转点。在B点点,n=0,因而因而Ea=0。此时。此时,外加电压外加电压U 与电枢压降与电枢压降Ia(Ra+Rc)平衡平衡,电枢电流电枢电流Ia=U/(Ra+Rc)=IK,称为堵转电流称为堵转电流 ,它仅由电动机外加电压它仅由电动机外加电压U 及电枢回路中的总电阻及电枢回路中的总电阻Ra+Rc 决定。与决定。与IK 相对应的电磁转矩相对应的电磁转矩TK=CT?IK 称为堵转转矩。称为堵转转矩。 在在 A 点和点

47、和B点点,由于电动机的电磁功率都为零由于电动机的电磁功率都为零,所以不能实现机电能量所以不能实现机电能量 转换。转换。 2. 固有机械特性固有机械特性 当电动机外加电压为额定电压当电动机外加电压为额定电压UN,气隙磁通为额定磁通气隙磁通为额定磁通?N,且电枢回且电枢回 路不外串电阻时路不外串电阻时,电动机的机械特性称为固有机械特性。固有机械特电动机的机械特性称为固有机械特性。固有机械特 性方程式为性方程式为 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 图图3.17为他励直流电动机的固有机械特性为他励直流电动机的固有机械特性,它是一条向下倾斜的直线它是一条向下倾斜的直线

48、 。固有机械特性的理想空载转速及斜率分别为。固有机械特性的理想空载转速及斜率分别为n0=UN/(Ce?N)及及N =Ra/(Ce?NCT?N),所以固有机械特性也可表示为所以固有机械特性也可表示为 n=n0-NT 在固有机械特性上在固有机械特性上,当电磁转矩为额定转矩时当电磁转矩为额定转矩时,转速也为额定转速转速也为额定转速,即即 nN=n0-NTN=n0-nN 3. 人为机械特性人为机械特性 在机械特性方程式中在机械特性方程式中,电源电压电源电压U 、磁通、磁通? 以及电枢回路中外串电阻以及电枢回路中外串电阻 Rc 等参数都可以人为地加以改变。当改变上述任意一个参数时等参数都可以人为地加以改

49、变。当改变上述任意一个参数时,电动电动 机的机械特性也将随之发生变化。他励直流电动机的人为机械特性就机的机械特性也将随之发生变化。他励直流电动机的人为机械特性就 是通过改变这些参数得到的机械特性。人为机械特性共有三种是通过改变这些参数得到的机械特性。人为机械特性共有三种,现分现分 述如下。述如下。 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 1)电枢串电阻的人为机械特性电枢串电阻的人为机械特性 当保持电动机电枢电压当保持电动机电枢电压U =UN、磁通、磁通?=?N、而在电枢回路串接电阻、而在电枢回路串接电阻 Rc 时时,电动机的机械特性称为电枢串电阻的人为机械特性。其

50、机械特电动机的机械特性称为电枢串电阻的人为机械特性。其机械特 性方程式为性方程式为 电枢串电阻时的接线图如图电枢串电阻时的接线图如图3.18所示所示,机械特性如图机械特性如图3.19所示。由图所示。由图 3.19可见可见,由于想空载转速由于想空载转速n0 与电枢外串电阻无关与电枢外串电阻无关,所以该人为机械特所以该人为机械特 性上性上,理想空载转速理想空载转速n0 不变不变,而机械特性的斜率而机械特性的斜率 则随电枢外串电阻则随电枢外串电阻Rc 的增加而增大的增加而增大,使机械特性变软使机械特性变软,当当R 为不同值时为不同值时,可以得到一簇放射性可以得到一簇放射性 人为机械特性曲线。人为机械

51、特性曲线。 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 2)改变电源电压的人为机械特性改变电源电压的人为机械特性 改变电动机的供电电压时改变电动机的供电电压时,其机械特性方程式为其机械特性方程式为 可见可见,改变电源电压的人为机械特性是在改变电源电压的人为机械特性是在?=?N 以及电枢回路不串电以及电枢回路不串电 阻的条件下阻的条件下,对于不同电枢电压的机械特性对于不同电枢电压的机械特性,由于受直流电动机绕组绝由于受直流电动机绕组绝 缘及换向器的限制缘及换向器的限制,电动机电枢电压不能超过额定值电动机电枢电压不能超过额定值,只能在额定电压只能在额定电压 以下改变电源电

52、压以下改变电源电压U 。因此。因此,改变电源电压的人为机械特性在固有机改变电源电压的人为机械特性在固有机 械特性的下方械特性的下方,如图如图3.20所示。在该机械特性上所示。在该机械特性上,理想空载转速理想空载转速n0 与电与电 源电压源电压U 成正比成正比,但是机械特性的斜率不变但是机械特性的斜率不变,与固有机械特性的斜率相与固有机械特性的斜率相 等。所以当电源电压为不同值时等。所以当电源电压为不同值时,人为机械特性曲线是一组与固有机人为机械特性曲线是一组与固有机 械特性相平行的曲线。械特性相平行的曲线。 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 3)改变磁通的人

53、为机械特性改变磁通的人为机械特性 一般情况下一般情况下,他励直流电动机在额定磁通下运行时他励直流电动机在额定磁通下运行时,电机磁路已接近饱电机磁路已接近饱 和。因此和。因此,改变磁通实际上只能是减弱磁通。改变磁通实际上只能是减弱磁通。 减弱磁通的人为机械特性是指减弱磁通的人为机械特性是指U =UN、Rc=0,只调节磁通只调节磁通? 的机械特的机械特 性。其机械特性方程式变为性。其机械特性方程式变为 上一页 下一页返回 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 其特点如下其特点如下: (1)理想空载转速理想空载转速n0 与磁通与磁通? 成反比成反比,因此减弱磁通会使因此减弱磁通会使n0

54、升高升高; (2)减弱磁通人为机械特性的斜率减弱磁通人为机械特性的斜率 与与?2 成反比成反比,因此减弱磁通会使斜因此减弱磁通会使斜 率率 加大加大; (3)减弱磁通的人为机械特性是一簇直线减弱磁通的人为机械特性是一簇直线,但即不平行但即不平行,又非放射。磁通又非放射。磁通 减弱时减弱时,特性上移而且变软。特性上移而且变软。 图图3.21是他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性。减弱磁通可以是他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性。减弱磁通可以 用于平滑调速用于平滑调速,由于磁通只能减弱由于磁通只能减弱,所以只能从额定转速向上调速。所以只能从额定转速向上调速。 上一页返回 3.4 他励直流电动

55、机的启动和调速他励直流电动机的启动和调速 电动机接通电源后电动机接通电源后,转子转速从静止状态开始加速转子转速从静止状态开始加速,转速逐渐升高转速逐渐升高,直到直到 转速稳定转速稳定,这一过程为电动机的启动过程这一过程为电动机的启动过程,简称启动。电动机启动时简称启动。电动机启动时,首首 先应在电动机的励磁绕组中通入励磁电流建立磁场先应在电动机的励磁绕组中通入励磁电流建立磁场,然后在电枢绕组然后在电枢绕组 通入电枢电流通入电枢电流,带电的电枢绕组在磁场中受力产生转矩带电的电枢绕组在磁场中受力产生转矩,电动机转子受电动机转子受 到电磁转矩而转动起来。到电磁转矩而转动起来。 在启动瞬间在启动瞬间,

56、电动机的转速电动机的转速n 为零为零,反电势反电势Ea 也为零也为零,启动瞬间启动电启动瞬间启动电 流为流为 下一页返回 3.4 他励直流电动机的启动和调速他励直流电动机的启动和调速 由于电枢电阻由于电枢电阻Ra 很小很小,在在Ra 上加上额定电压上加上额定电压UN,必然产生过大的电枢必然产生过大的电枢 电流电流,通常可达到电动机额定电流的通常可达到电动机额定电流的1020倍。由此产生的后果是倍。由此产生的后果是: (1)大电流将使电动机换向困难大电流将使电动机换向困难,主要是在换向器表面产生强烈的火花主要是在换向器表面产生强烈的火花, 甚至产生环火甚至产生环火; (2)大电流在电枢绕组中产生

57、过大的电动应力大电流在电枢绕组中产生过大的电动应力,损坏电动机的绕组损坏电动机的绕组; (3)大电流使电动机产生过大的电磁转矩大电流使电动机产生过大的电磁转矩,因为电动机的电磁转矩与电因为电动机的电磁转矩与电 枢电流成正比枢电流成正比,因此电磁转矩也与之成正比地增长因此电磁转矩也与之成正比地增长1020倍倍,这样大的这样大的 转矩突然加到传动机构上转矩突然加到传动机构上,将损坏机械部件的薄弱环节将损坏机械部件的薄弱环节,例如传动机构例如传动机构 的轮齿等的轮齿等; (4)大电流将使供电电网的电压上下波动大电流将使供电电网的电压上下波动,特别是电机容量较大时特别是电机容量较大时,会使会使 电网电

58、压波动较大电网电压波动较大,将影响在同一电网上运行的其他设备的正常运行将影响在同一电网上运行的其他设备的正常运行 。 上一页 下一页返回 3.4 他励直流电动机的启动和调速他励直流电动机的启动和调速 因此因此,除了个别容量很小的电动机外除了个别容量很小的电动机外,一般不允许电动机在额定电压下一般不允许电动机在额定电压下 直接启动。直接启动。 对直流电动机启动的要求是对直流电动机启动的要求是: (1)启动时的启动转矩要足够大启动时的启动转矩要足够大,启动转矩应大于负载转矩启动转矩应大于负载转矩,使电动机能使电动机能 够在负载情况下顺利启动够在负载情况下顺利启动,且启动过程的时间尽量短一些。且启动

59、过程的时间尽量短一些。 (2)启动电流不能太大启动电流不能太大,要限制在一定的范围之内。否则会使电动机换要限制在一定的范围之内。否则会使电动机换 向困难向困难,产生较强的火花产生较强的火花,损坏电动机。损坏电动机。 (3)启动控制设备简单启动控制设备简单,经济可靠经济可靠,操作方便。操作方便。 上一页 下一页返回 3.4 他励直流电动机的启动和调速他励直流电动机的启动和调速 3.4.1 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动 限制启动电流的措施有两个限制启动电流的措施有两个:一是降低电源电压一是降低电源电压U ;二是加大电枢回路二是加大电枢回路 电阻。因此直流电动机启动方法主要有降低电源电压

60、启动和电枢串电电阻。因此直流电动机启动方法主要有降低电源电压启动和电枢串电 阻启动两种。阻启动两种。 1. 降低电源电压启动降低电源电压启动 图图3.22 (a)是降低电源电压启动时的接线图。电动机的电枢由可调直是降低电源电压启动时的接线图。电动机的电枢由可调直 流电源流电源(直流发电机或可控整流器直流发电机或可控整流器)供电。启动时供电。启动时,先将励磁绕组接通电先将励磁绕组接通电 源源,并将励磁电流调到额定值并将励磁电流调到额定值,然后从低向高调节电枢回路的电压。启然后从低向高调节电枢回路的电压。启 动瞬间加到电枢两端的电压动瞬间加到电枢两端的电压U ,在电枢回路中产生的电流不应超过在电枢