第3章直流电机

1、 第三讲 机电传动控制 如图所示，曲线如图所示，曲线1 1为异步电动机的机械特性，曲线为异步电动机的机械特性，曲线2 2为异步电动为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点b b，即拖动系统有一，即拖动系统有一个平衡点。问：个平衡点。问：b b点是否是稳定平衡点？点是否是稳定平衡点？N N增加增加 存在：存在：T TMM T T TL L机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.1 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和工作原理3.2 3.2 直流发电机直流发电机3.3 3.3 直流电动机的

2、机械特性直流电动机的机械特性3.4 3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性3.5 3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.6 3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握 直流电机的基本工作原理，特别应掌握直流电机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式转矩方程式、 电势方程式电势方程式和和电压平衡方程式电压平衡方程式；掌握直流电动机的机械特性，特别是掌握直流电动机的机械特性，特别是人为

3、机械特性人为机械特性； 掌握直流电动机掌握直流电动机启动、调速启动、调速和和制动制动的各种方法以及的各种方法以及 各种方法的优缺点和应用场所；各种方法的优缺点和应用场所； 学会用机械特性的四个象限分析直流电动机学会用机械特性的四个象限分析直流电动机运行状态运行状态； 学会根据他励直流电动机的学会根据他励直流电动机的铭牌铭牌技术数据，确定电动技术数据，确定电动 机启动等运行特性。机启动等运行特性。 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推 导出来的，而机械特性又是分析启

4、动、调速和制动特导出来的，而机械特性又是分析启动、调速和制动特 性的依据，所以性的依据，所以机械特性机械特性是电动机内容的重中之重；是电动机内容的重中之重； 他励直流电动机的他励直流电动机的启动启动特性；特性；他励直流电动机的他励直流电动机的调压调速调压调速特性。特性。 电流、电势的换向过程和电动机的电流、电势的换向过程和电动机的制动制动过程；过程； 电动机在各种运转状态下电磁转矩电动机在各种运转状态下电磁转矩 T、负载转矩、负载转矩 TL， 转速转速 n 、电枢电流、电枢电流 Ia ，和电势，和电势 E 等符号的确定。等符号的确定。 机电传动控制机电传动控制机电传动控制机电传动控制第三章第三

5、章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 概概 述述直流电机的按用途分类直流电机的按用途分类: : 包括直流发电机和直流电动机，两者具有可逆性。包括直流发电机和直流电动机，两者具有可逆性。 作电源用：直流发电机将机械能转化为直流电能作电源用：直流发电机将机械能转化为直流电能 。 作动力用：直流电动机将直流电能转化为机械能作动力用：直流电动机将直流电能转化为机械能 。直流电机的优缺点直流电机的优缺点: : 直流电机的机械特性好，受电磁干扰的影响小。直流电机的机械特性好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过

6、载能力较强，起动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，成本较高，维护较复杂。由于存在换向器，其制造复杂，成本较高，维护较复杂。 直流电动机存在需提供直流电源的问题。直流电动机存在需提供直流电源的问题。机电传动控制应用场合应用场合：1 1、需要无级调速的地方和对电动机启动力矩有特殊要求的地方。、需要无级调速的地方和对电动机启动力矩有特殊要求的地方。2 2、在大功率调速和调速要求比较高的地方应用（例如大型轧钢、在大功率调速和调速要求比较高的地方应用（例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市

7、内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等）。求严格线速度一致的地方等）。3 3、常在低电压要求的电路中，直流电源可以方便携带如电动自、常在低电压要求的电路中，直流电源可以方便携带如电动自行车就是用直流电动机，又如电脑风扇、电动工具等。行车就是用直流电动机，又如电脑风扇、电动工具等。4 4、在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。伺服电机等。5 5、供电系统也因为电力电子系统的发展，由直流发电机供电改、供电系统也因为电力电子系统的发展，由直流发电机供电改为晶闸管等开关电路来供电了。（以前是由交流电动机带动为晶闸管等开关

8、电路来供电了。（以前是由交流电动机带动直流发电机发电给直流电动机供电，结构十分复杂，并且故直流发电机发电给直流电动机供电，结构十分复杂，并且故障率高，价格贵，难保养）。障率高，价格贵，难保养）。机电传动控制n现在有一种现在有一种“无刷永磁直流电机无刷永磁直流电机”能保持原能保持原“直流电直流电机机”的优点，省去碳刷和整流子铜头但增加了大量电的优点，省去碳刷和整流子铜头但增加了大量电子电路，失去成本优势但不存在整流子拉弧问题；所子电路，失去成本优势但不存在整流子拉弧问题；所以功率可以做成传统以功率可以做成传统“直流电机直流电机”的数倍甚至数十倍，的数倍甚至数十倍，是未来电机的主流方向。是未来电机

9、的主流方向。n工作原理和直流电机的原理一样的，但是在换向时，工作原理和直流电机的原理一样的，但是在换向时，用电子控制的换向器替代直流电机的机械换向器，电用电子控制的换向器替代直流电机的机械换向器，电子换向主要是通过霍尔感应转子的位置，来决定电子子换向主要是通过霍尔感应转子的位置，来决定电子开关的导通和关闭，从而决定绕组中电流的大小和电开关的导通和关闭，从而决定绕组中电流的大小和电磁力的大小，促使转子转动。磁力的大小，促使转子转动。n把普通的直流电机的定子作为无刷把普通的直流电机的定子作为无刷电机的转子，而普通电机的转子成电机的转子，而普通电机的转子成为了无刷电机的定子。所以就产生为了无刷电机的

10、定子。所以就产生了无刷电机的转子是永磁体，而转了无刷电机的转子是永磁体，而转子可以通过子可以通过PWMPWM波来使相应的桥波来使相应的桥臂导通。使定子绕组中的流过电流臂导通。使定子绕组中的流过电流产生电磁力顺序推动转子旋转。产生电磁力顺序推动转子旋转。 机电传动控制n目前所有军舰和潜艇上使用的核动力系统都是由目前所有军舰和潜艇上使用的核动力系统都是由压水堆产生的核能转变成高温高压蒸汽最终驱动压水堆产生的核能转变成高温高压蒸汽最终驱动蒸汽轮机，通过减速机构来带动螺旋桨的。蒸汽轮机，通过减速机构来带动螺旋桨的。n常规动力潜艇在水面航行的时候可以由柴油机驱常规动力潜艇在水面航行的时候可以由柴油机驱动

11、直流电机发电，电能储存在蓄电池里。水下航动直流电机发电，电能储存在蓄电池里。水下航行的时候柴油机关闭，电池的电力驱动直流电机行的时候柴油机关闭，电池的电力驱动直流电机反转就成了电动机，带动螺旋桨。所以常规动力反转就成了电动机，带动螺旋桨。所以常规动力潜艇的主直流电机是两用的，水面上是发电机，潜艇的主直流电机是两用的，水面上是发电机，水下是电动机。直流电机和传动轴之间的连接当水下是电动机。直流电机和传动轴之间的连接当然是有离合器的，不充电的时候柴油机直接驱动然是有离合器的，不充电的时候柴油机直接驱动螺旋桨，充电时既驱动螺旋桨同时通过闭合离合螺旋桨，充电时既驱动螺旋桨同时通过闭合离合器带动直流电机

12、充电。器带动直流电机充电。 机电传动控制nAIPAIP潜艇潜艇(Air Independent Propulsion)(Air Independent Propulsion)，指的是使用不依赖空，指的是使用不依赖空气推进发动机作为动力。特点是可以更长时间的潜伏水下气推进发动机作为动力。特点是可以更长时间的潜伏水下，隐蔽性较普通常规潜艇更优秀。，隐蔽性较普通常规潜艇更优秀。n燃料电池和闭式循环柴油机等设备都不需要空气，就可以燃料电池和闭式循环柴油机等设备都不需要空气，就可以推动潜艇前进，加装燃料电池推动潜艇前进，加装燃料电池AIPAIP系统后，常规潜艇可以系统后，常规潜艇可以在水中连续潜航在水中

13、连续潜航2 2到到3 3周，而过去它们只能呆周，而过去它们只能呆3 3到到4 4天。如果天。如果用闭式循环柴油机等用闭式循环柴油机等AIPAIP系统，倒是也能憋那么久，不过系统，倒是也能憋那么久，不过发动机的排气，还有机械设备会产生噪音，不如燃料电池发动机的排气，还有机械设备会产生噪音，不如燃料电池安静。安静。n自自20042004年起，中国已建造了年起，中国已建造了1212艘艘041041型潜艇。有美国专家认型潜艇。有美国专家认为，该型潜艇的建造总量将达到为，该型潜艇的建造总量将达到2020艘。这种新装备上已安艘。这种新装备上已安装了装了 不依赖空气推进系统不依赖空气推进系统(AIP(AIP

14、系统系统) )。与此同时，中国还。与此同时，中国还在国际市场推销在国际市场推销041041型的出口型号型的出口型号-S20-S20，后者的排水量约为，后者的排水量约为23002300吨。吨。机电传动控制n美国俄亥俄级核潜艇美国俄亥俄级核潜艇n19741974年，美国开工建造第四代，也是最先进的一代战年，美国开工建造第四代，也是最先进的一代战略核潜艇，首艇略核潜艇，首艇“俄亥俄俄亥俄”号于号于19811981年年1111月正式服役月正式服役，到，到19971997年年9 9月，该级艇完成了全部月，该级艇完成了全部1818艘的建造计划。艘的建造计划。“俄亥俄俄亥俄”级长级长170.7170.7米，

15、宽米，宽12.812.8米，水下排水量米，水下排水量1875018750吨，最大潜深吨，最大潜深300300米，最大航速米，最大航速2525节，装节，装1 1座座S8GS8G压水反压水反应堆应堆，2 2台蒸汽轮机，功率约台蒸汽轮机，功率约6000060000马力；马力；n该级前该级前8 8艘携带艘携带2424枚枚“三叉戟三叉戟”弹道导弹，从第弹道导弹，从第9 9艘艘“田纳西田纳西”号开始装载号开始装载2424枚枚“三叉戟三叉戟”弹道导弹。弹道导弹。该弹射程该弹射程1200012000公里，携带公里，携带1212枚分导弹头。枚分导弹头。机电传动控制n俄罗斯第四代弹道导弹俄罗斯第四代弹道导弹“台风

16、台风”级于级于19781978年开始建造年开始建造，19841984年年9 9月正式服役，共建月正式服役，共建2 2艘。长艘。长171.5171.5米、宽米、宽24.624.6米米、吃水、吃水1515米，米，排水量排水量1850018500吨（水面）吨（水面）/26500/26500吨（水下吨（水下），动力装置采用），动力装置采用2 2座座PW330360MWPW330360MW型核反应堆及型核反应堆及2 2台蒸气涡轮机，双轴，功率台蒸气涡轮机，双轴，功率8 8万马力，最大航速万马力，最大航速2727节（节（水面），最大潜深水面），最大潜深10001000米，采用综合声呐，卫星米，采用综合声呐

17、，卫星GPSGPS导导航和航和无线电导航系统无线电导航系统，静电陀螺惯导系统等。武器有，静电陀螺惯导系统等。武器有533533、650650鱼雷发射管各鱼雷发射管各2 2具外，还携带具外，还携带2020枚枚SS-N-20SS-N-20型潜型潜地弹道导弹（固体火箭。射程地弹道导弹（固体火箭。射程45004500海里。偏差大约为海里。偏差大约为650650米，米，7 7至至9 9枚分导式枚分导式热核弹头热核弹头，每枚，每枚2020万吨级）。是万吨级）。是世界世界最大最大的潜艇。的潜艇。机电传动控制n中国潜艇中国潜艇na a、091091型型攻击核潜艇（攻击核潜艇（“汉汉”级），是中国第一代攻击级）

18、，是中国第一代攻击型核潜艇（型核潜艇（SSNSSN），共五艘，舷号：），共五艘，舷号：401401、402402、403403、404404、405 .405 .nb b、092092型型弹道导弹核潜艇（弹道导弹核潜艇（“夏夏”级），中国推出的第级），中国推出的第一种核动力弹道导弹潜艇一种核动力弹道导弹潜艇092092，19781978年动工，年动工，19811981年年4 4月月下水，下水，19831983年年8 8月交付海军使用，共月交付海军使用，共4 4艘。艘。nc c、093093型型攻击核潜艇攻击核潜艇 （“商商”级），水面排水量约级），水面排水量约60006000吨，采用双壳体结构

19、，一台改进型压水堆，功率吨，采用双壳体结构，一台改进型压水堆，功率1010兆瓦兆瓦。该艇水面航速。该艇水面航速1818节，水下航速节，水下航速2525节。节。nd d、094094型型弹道导弹核潜艇（弹道导弹核潜艇（“晋晋”级）。潜艇是在级）。潜艇是在093093型的基础上放大改进而来的，它水面排水量型的基础上放大改进而来的，它水面排水量90009000吨，水吨，水上航速是上航速是 15.515.5节，最大水下航速是节，最大水下航速是2323节。节。机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率NP额定功率指

20、电刷间输出指电刷间输出的额定电功率的额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机发电机发电机:是指输出额定电压；是指输出额定电压；电动机电动机:是指输入额定电压。是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压NU额定电压在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.Nn额定转速fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如

21、励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流NI额定电流概概 述述机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理永磁直流电动机永磁直流电动机直流电动机直流电动机机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理主磁极主磁极: :包括铁心和励磁绕组，产生恒定气隙磁通包括铁心和励磁绕组，产生恒定气隙磁通换向磁极换向磁极: :抵消交轴磁

22、场，改善换向性能抵消交轴磁场，改善换向性能电刷装置电刷装置: :与换向片配合，完成直流与交流的互换与换向片配合，完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖: :起支撑和固定作用起支撑和固定作用定定子子静止静止部分部分转转子子旋转旋转部分部分电枢铁心电枢铁心: :主磁路的一部分，放置电枢绕组主磁路的一部分，放置电枢绕组电枢绕组电枢绕组: :由导线绕制而成，是电路的一部分由导线绕制而成，是电路的一部分换向器换向器: :与电刷装置配合，完成直流与交流的互换与电刷装置配合，完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承风扇风扇直直流流电电机机机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特

23、性 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和工作原理直流电机直流电机的剖面图的剖面图换向器换向器电刷装置电刷装置主磁极主磁极换向磁极换向磁极端盖端盖风扇风扇机座机座电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心机电传动控制机电传动控制机电传动控制 铁磁物质是一种性能铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料。特异，用途广泛的材料。铁、钴、镍及其众多合金铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率强烈磁化，故磁导率很很高。另一特征是磁滞，即高。另一特征是磁滞，即磁化场作用

24、停止后，铁磁磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态质仍保留磁化状态图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线机电传动控制当磁场当磁场H H从零开始增加时，从零开始增加时，磁感应强度磁感应强度B B随之缓慢上随之缓慢上升，如线段升，如线段oaoa所示，继之所示，继之B B随随H H迅速增长，如迅速增长，如abab所示，所示，其后其后B B的增长又趋缓慢，的增长又趋缓慢，并当并当H H增至增至HSHS时，时，B B到达饱到达饱和值和值B BS S。-磁化现象。磁化现象。图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线机电传动控制n当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新

25、的曲线SR下降，比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，当HO时，B不为零，而保留剩磁Br -磁滞现象 图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线机电传动控制n当磁场按HSOHD -HSOHDHS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化，这闭合曲线称为磁滞回线。图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线机电传动控制n当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放-磁滞损耗 图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线机电传动控制n常见的两种典型的磁滞回线。n软磁材料：磁滞回线狭长

26、、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。n硬磁材料：磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。 机电传动控制机电传动控制机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理 直流电机的可逆性直流电机的可逆性 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以 作为发电机运行，只是外界条件不同而已。作为发电机运行，只是外界条件不同而已。 发电机发电机若用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从若用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从 电刷

27、端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电； 电动机电动机若在电刷端外加直流电压，电机就可以带若在电刷端外加直流电压，电机就可以带 动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理， 在电机理论中称为可逆原理。在电机理论中称为可逆原理。机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理 直流电机的可逆性直流电机的可逆性直流直流发

28、电机发电机工作原理图工作原理图直流直流电动机电动机工作原理图工作原理图机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理 磁极磁极对对N、S不动，不动， 线圈（绕组）线圈（绕组）abcd 旋转，旋转， 换向片换向片1、2旋转，旋转， 电刷及出线电刷及出线A、B不动。不动。直流电机直流电机物理模型图物理模型图 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理右手定则右手定则1 1、直流发电机的工作原理、直流发电机的工

29、作原理直流发电机工作原理图直流发电机工作原理图Bev机电传动控制n动画演示：直流发电机工作过程。机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理1 1、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理 定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流 If ）产生恒定磁场（）产生恒定磁场（称为称为励磁磁场，主磁场）；励磁磁场，主磁场）； 原动机拖动电枢以转速原动机拖动电枢以转速 n ( ( r/min ) )旋转；旋转； 电枢线圈的导体中将产生感应电势电枢线圈的导体中将产生

30、感应电势e（右手定则）（右手定则）， 该电势为交流电；该电势为交流电； 经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势EAB， 从而输出直流电能。从而输出直流电能。 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理2 2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理电枢绕组开始通电时电枢绕组开始通电时电枢绕组转动半周后电枢绕组转动半周后直流电动机工作原理图直流电动机工作原理图机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.1 直流电机的基本结构

31、和工作原理直流电机的基本结构和工作原理2 2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理电枢绕组开始通电时电枢绕组开始通电时电枢绕组转动半周后电枢绕组转动半周后直流电动机工作原理图直流电动机工作原理图机电传动控制左手定左手定则则Bfi第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理2 2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理线圈受力方向线圈受力方向直流电动机原理图直流电动机原理图机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和

32、工作原理2 2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理电枢绕组电枢绕组开始开始通电时通电时ff电枢绕组电枢绕组转动转动半周后半周后ff机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理2 2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理 定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流 If）产生恒定磁场）产生恒定磁场（称为励磁磁场，主磁场）；（称为励磁磁场，主磁场）； 将直流电源将直流电源U、Ia通过电刷和换向器接入电枢绕组，通过电刷和换向器接入电枢绕组， 使电枢导

33、体有电流使电枢导体有电流 ia 通过。通过。 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用的作用 （左手定则）；（左手定则）； 所有导体产生的电磁力作用于转子，可产生电磁转所有导体产生的电磁力作用于转子，可产生电磁转 矩矩T，从而拖动机械负载以，从而拖动机械负载以 n（r/min）旋转。）旋转。 第四讲 机电传动控制n1、直流电动机和直流发电机是否都有感应电动势？如果有，两者有何区别？n2、直流电动机和直流发电机是否都有电磁力矩？如果有，两者有何区别？机电传动控制 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不

34、同的。发电机的电磁转矩发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗及空载损耗转矩转矩T0相平衡。相平衡。电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及空载损耗及空载损耗转矩转矩T0相平衡。相平衡。 第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性

35、机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 机电传动控制U 外加外加电枢电枢电压电压( (V) )Ia 电枢电枢电流电流( (A) )Ra 电枢电枢电阻电阻( () )一对磁极的磁通一对磁极的磁通 ( (Wb) )T 电磁转矩电磁转矩 ( (Nm) )TL负载转矩负载转矩( (Nm) )T0 空载损耗转矩空载损耗转矩( (Nm) )第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理3 3、直流电动机的基本方程式、直流电动机的基本方程式方程式中的参数：方程式中的参数：n 电枢转速电枢转速

36、 ( (r/ /min) )E 电枢电枢电动势电动势 ( (V) )Uf 励磁电压励磁电压( (V) )If 励磁电流励磁电流( (V) )Rf 励磁励磁电阻电阻( () )Kt 、 Ke与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数B=H =BS 机电传动控制机电传动控制机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 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和工作原理3 3、直流电动机的基本方程式、直流电动机的基本方程式(1) (1) 转矩转矩方程式方程式 T KtIa电磁转矩电磁转矩T 为拖动转矩，方向与为拖动转矩，方向与n 相同相同稳态时的转矩平衡稳态

37、时的转矩平衡 T = TL + T0 (2)(2) 电势方程式电势方程式 E Ke n 电动势电动势E为反电势，它与外加电压产生为反电势，它与外加电压产生的电流的电流Ia方向相反。方向相反。 (3)(3) 电压平衡方程式电压平衡方程式 UEIaRa外加电枢电压为电枢的反电势外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。和电阻压降所平衡。 机电传动控制直流电机直流电机自励式自励式他励式他励式第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.2 直流发电机直流发电机 直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。 实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联

38、接。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。 除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有四种。除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有四种。直流他励发电机直流他励发电机 直流他励电动机直流他励电动机 直流并励发电机直流并励发电机 直流并励电动机直流并励电动机直流串励发电机直流串励发电机 直流串励电动机直流串励电动机直流复励发电机直流复励发电机 直流复励电动机直流复励电动机机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.2 直流发电机直流发电机机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.2 直流发电机直流发电机机电传动控制0 neU

39、E K ()ffI neEK发电机空载时：发电机空载时：发电机空载及发电机空载及n=C时：时：()fEf I第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.2 直流发电机直流发电机机电传动控制在保持励磁回路电阻及电枢转速恒定的条件下，发电机端电压U 随负载电流I 的变化而变化的关系曲线称为外特性。 n=C、If=C时，E=C ,U=f(I)aaUER I第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电动机最重要的运行特性是机械特性。

40、电动机最重要的运行特性是机械特性。 直流电动机的机械特性：直流电动机的机械特性： 在电动机电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒在电动机电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，转速与电值的条件下，即电动机处于稳态运行时，转速与电磁转矩之间的关系：磁转矩之间的关系： nf（T） 以直流他励电动机为例，说明：以直流他励电动机为例，说明： 直流他励电动机的直流他励电动机的机械特性表达式机械特性表达式 直流他励电动机的直流他励电动机的固有机械特性固有机械特性 直流他励电动机的直流他励电动机的人为机械特性人为机械特性 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电

41、机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流电动机的基本方程式：直流电动机的基本方程式：(1) (1) 转矩转矩方程式方程式 T KtIa(2)(2) 电势方程式电势方程式 E Ke n (3)(3) 电压平衡方程式电压平衡方程式 UEIaRannTKKRKUnteae02 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性nnTKKRKUnteae02其中：其中：n0 为理想空载转速为理想空载转速 n0为实际空载转速为实际空载转速 n 为转速降为转速降 为机械特性的为机械特性的斜率斜率，表示

42、机械特性的平直程度。，表示机械特性的平直程度。 小小的为的为软软特性，倾斜程度大，特性，倾斜程度大， 10 绝对硬特性绝对硬特性 机电传动控制 在生产实际中，应根据生产机械和工艺过程的具体要求来决定选用何种机械特性的电动机。例如，一般金属切削机床、连续式冷轧机、造纸机等需选用硬特性的电动机；而对起重机、电车等则需选用软特性的电动机。 1010机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电枢电路的电阻电枢电路的电阻RRa ，( (附加电阻附加电阻Rad0) )电枢电压电枢电压UUN，磁通磁通N时的机械特性称为固有机

43、械特性；时的机械特性称为固有机械特性； 由于由于Ra 很小，转矩很小，转矩T 增大时，增大时，n 下降很小，所以他励电动机下降很小，所以他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线（即属硬特性）的固有机械特性是一条比较平的下降曲线（即属硬特性） 。TKKRKUnNteaNeN2 即即: Na2eNetNURnTKK K是一条直线。是一条直线。机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出出(0,n0 )和

44、和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压、额定电压 UN 、额、额定电流定电流IN和额定转速和额定转速 nN。机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 固有机械特性的计算步骤如下。固有机械特性的计算步骤如下。 (1) 估算电枢电阻估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗约占总损耗 PN的的50%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75.

45、 05 . 0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 输输入入功功率率输输出出功功率率式中：式中： NNNNIUP 是额定运行条件下电动机的效率，且此时是额定运行条件下电动机的效率，且此时 故得故得 NNNNNa)1)(75. 05 . 0(IUIUPR NaII 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性(2) 求求 Ne K 额定运行条件下的反电势为：额定运行条件下的反电势为： aNNNe RIUnKEN 故故 NaNNNenRIUK (3) 求理想空载转速求理想空载转速: NeN0 KUn 得得 00 n

46、, (4) 求额定转矩求额定转矩: NNNNN55. 9nPPT 得得 NN,nT根据根据 、00 n, NN,nT两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 。Tfn 机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电枢电路的电阻电枢电路的电阻RRa ，( (附加电阻附加电阻Rad0) )电枢电压电枢电压UUN，磁通磁通N时的机械特性称为固有机械特性；时的机械特性称为固有机械特性； 由于由于Ra 很小，转矩很小，转矩T 增大时，增大时，n 下降很小，所以他励电动机下

47、降很小，所以他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线（即属硬特性）的固有机械特性是一条比较平的下降曲线（即属硬特性） 。TKKRKUnNteaNeN2机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性人为地改变三个量人为地改变三个量U、Ra之一而其他量不变时，之一而其他量不变时，可以改变特性曲线形状，得到的机械特性称人为机械特性。可以改变特性曲线形状，得到的机械特性称人为机械特性。 电枢串电阻时的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性 降低电枢电压时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性 减弱励磁磁通时的人为机

48、械特性减弱励磁磁通时的人为机械特性 电动机启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。电动机启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。 改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向。改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向。TKKRKUnteae2根据机械特性表达式根据机械特性表达式: :机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电枢串电阻时的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性保持保持UUN、N不变，不变，只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻Rad的人为特性：的人为特性：特点：特点：（

49、1）n0 不变，不变，变小；变小；（2）Rad 越大，特性越软。越大，特性越软。TKKRRKUnNteadaNeN2( (Rad1Rad2) )TKKRKUnNteaNeN2机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 降低电枢电压时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性特点：特点：（1）n0 随随 U 变化变化（2）U 不同，曲线是一组平行线不同，曲线是一组平行线（3）机械特性硬度不变）机械特性硬度不变 保持保持RRa、N不变，不变，只改变电枢电压只改变电枢电压U的人为特性：的人为特性： TKKRKUnNte

50、aNe2( (UNU1U2) )TKKRKUnNteaNeN2 由于电动机电枢绕组绝缘由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。在固有特性曲线之下。机电传动控制( (N12) )第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 减弱励磁磁通时的人为机械特性减弱励磁磁通时的人为机械特性保持保持RRa、 UUN不变，不变，只改变励磁回路调节电阻只改变励磁回路调节电阻Rf的人为特性。

51、的人为特性。 增大励磁电阻增大励磁电阻, , 即减少励磁电流时，即减少励磁电流时， 使磁通使磁通减少。减少。 特点：特点：（1）弱磁，）弱磁，n0 增大；增大；（2）弱磁，）弱磁，减小，减小，特性变软特性变软TKKRKUnteaeN2TKKRKUnNteaNeN2机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 三种人为机械特性的比较三种人为机械特性的比较 Rad1Rad2电枢串电阻电枢串电阻 UNU1U2降低电枢电压降低电枢电压 N12减弱励磁磁通减弱励磁磁通TKKRKUnteaeN2TKKRKUnNteaNe2TK

52、KRRKUnNteadaNeN2TKKRKUnNteaNeN2 第五讲 机电传动控制3.1 为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？答答：转子在主磁通中旋转，要产生涡流和磁滞损耗，采用硅钢软：转子在主磁通中旋转，要产生涡流和磁滞损耗，采用硅钢软磁材料，可减少磁滞损耗，而采用磁材料，可减少磁滞损耗，而采用“片片”叠压成，可减少涡流损叠压成，可减少涡流损耗。耗。3.3 一台他励直流电动机所拖动的负载转矩一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL常数，当电枢电常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流压或电枢

53、附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中哪些量必然要发生变化？的大小？为什么？这时拖动系统中哪些量必然要发生变化？答答：因为：因为常数LatTIKT所以，当改变电枢电压或电枢串电阻时，所以，当改变电枢电压或电枢串电阻时，Ia均不变。均不变。由知由知n会变化。会变化。TKKRKUnteae2机电传动控制3.4一台他励直流电动机在稳定运行时，电枢反电势一台他励直流电动机在稳定运行时，电枢反电势E=E1，如，如负载转矩负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何

54、问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于变化？是大于、小于还是等于E1？答答：因为：因为常数LatTIKT当当 时，时， Ia由由U=E+IaRa，EUIaRa，当，当Ia 时，时， E ， 所以：所以：EE1机电传动控制3.5 一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：PN=180kW, UN=230V,nN=1450r/min,N=89.5%，试求：，试求： 该发电机的额定电流；该发电机的额定电流； 电流保持为额定值而电压下降为电流保持为额定值而电压下降为100V时，原动机的时，原动机的输出功率（设此时输出功率（设此时=N

55、）答： PN=UNIN 180KW=230*IN 所以：IN=782.6A 发电机的额定电流为782.6A P= IN100/N P=87.4KW机电传动控制3.6 已知他励直流电动机的铭牌数据如下：已知他励直流电动机的铭牌数据如下：PN=7.5kW，UN=220V，nN=1500r/min，N=88.5%。试求该电机的额定试求该电机的额定电流和额定转矩。电流和额定转矩。答答：NNNNPUIP1)(52.38885. 022010005 . 7AUPINNNN)(75.471550750055. 955. 9mNnPTNNN机电传动控制3.8一台他励直流电动机的铭牌数据为：一台他励直流电动机的

56、铭牌数据为：PN=5.5kW，UN=110V，IN=62A，nN=1000r/min，试绘出它的固有机械特性曲线。，试绘出它的固有机械特性曲线。答答：NNNNNaIUIUPR175. 050. 0)(258. 0172. 0621106211010005 . 5175. 050. 0aRaNNNNNNRIUnUKeUn0min)/(11701107)258. 0172. 0(6211010001100rn)(53.5210005 . 595509550mNnPTNNN机电传动控制3.10一台他励直流电动机的技术数据如下：一台他励直流电动机的技术数据如下：PN=6.5kW，UN=220V，IN=

57、34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242 ，试计算出此试计算出此电动机的如下特性：电动机的如下特性：固有机械特性固有机械特性电枢附加电阻分别为电枢附加电阻分别为3 和和5 时的人为机械特性时的人为机械特性电枢电压为电枢电压为UN/2时的人为机械特性时的人为机械特性磁通磁通0.8 N时的人为机械特性时的人为机械特性答答： aNNNNNNRIUnUKeUn0min)/(1559242. 04 .3422015002200rn)(38.411500650055. 955. 9mNnPTNNN机电传动控制 nTRKKnTKKRNateNtea22，所以nnRRRTKKRRnadaadaN

58、teadaada112111RR13R时，当串入min)/(790590.242311rnmin)/(591500155910rnnnN）中，在（min)/(7697901559101rnnnnnadada222RR15R时，当串入min)/(1278590.242512rnmin)/(28112781559202rnnn机电传动控制 min)/(5 .77921559222/001rnKUKeUnUUeNN时，当min)/(5 .720595 .779101rnnn min)/(19498 . 015598 . 08 . 08 . 0001rnKUKeUnNeNN时，当min)/(2 .92

59、8 . 0598 . 018 . 0222221rnTKKRTKKRnNNteaNteamin)/(8 .18562 .9219491011rnnn机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 三种人为机械特性三种人为机械特性u电枢串电阻时电枢串电阻时v降低电枢电压时降低电枢电压时w减弱励磁磁通时减弱励磁磁通时l直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 降压启动降压启动 电枢电路串电阻启动电枢电路串电阻启动l直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 改变电枢电压调速改变电枢电压调速 改变励磁磁通调速

60、改变励磁磁通调速 电枢电路串电阻调速电枢电路串电阻调速l直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性 反馈制动反馈制动 正向反馈制动正向反馈制动 反向反馈制动反向反馈制动 反接制动反接制动 电源反接制动电源反接制动 倒拉反接制动倒拉反接制动 能耗制动能耗制动 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载机电传动控制第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性TKKRRKUnNteadaNeN2u电枢串电阻时电枢串电阻时直流他励电动机直流他励电动机电路原理图电路原理图TKKRKUnNteaNe2v降低电