传动课件(PPT)直流电机工作原理及特性

1、1三.基本内容 一.基本要求 二.重点与难点 四.例题分析2第一章节内容第一章节内容第二章节内容第二章节内容第三章节内容第三章节内容第四章节内容第四章节内容第五章节内容第五章节内容第六章节内容第六章节内容3一一. .基本要求基本要求 1.在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握直流电动在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握直流电动机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式、电动方程式和电机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式、电动方程式和电压平衡方程式；压平衡方程式；2.掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；3.掌握直流电动机启动、调

2、速和制动的各种方法以及各种方法掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所；的优缺点和应用场所；4.学会用机械特性的四个象限来分析直流电动机的运行状态；学会用机械特性的四个象限来分析直流电动机的运行状态；5.学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动机启动学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动机启动等运行特性。等运行特性。4二.重点与难点 重点重点 (1).由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推导出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动、调速和制动特性的依据，所来的，而机械特性又是分析启动、调速和制动特性的依

3、据，所以机械特性是电动机内容的重中之重；以机械特性是电动机内容的重中之重； (2).他励直流电动机的启动特性；他励直流电动机的启动特性； (3).他励直流电动机的调压调速特性。他励直流电动机的调压调速特性。 2.难点难点 (1).本章较难理解的内容是电流、电势的换向过程和电动机的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制动过程；电动机在各种运转状态下电磁转矩 、负载转、负载转矩矩 、转速、转速 、电枢电流、电枢电流 和电势和电势 等符号的确定。等符号的确定。TLTnaIE5q 引引 言言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速

4、，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。6 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。7NS

5、NS 直流电机由定直流电机由定子子(磁极磁极)、转子、转子(电枢电枢)和机座等和机座等部分构成。部分构成。8定子定子 :产生主磁场并起支承作用。产生主磁场并起支承作用。由永久磁铁做成。由永久磁铁做成。磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。形成电磁铁。磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁1)1)主磁极：包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，主磁极：包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，其任务是产生主磁场。其任务是产生主磁场。2)2)换向极：它是用来改善电枢电流的换向性能。换向极：它是用来改善电枢电流的换向性能。3)3

6、)机座：它一方面用来固定主磁极、换向极和端盖并作为整个机座：它一方面用来固定主磁极、换向极和端盖并作为整个电机的支架，另一方面也是电机磁路的一部分。电机的支架，另一方面也是电机磁路的一部分。4) 电刷装置：它包括电刷及电刷座，它们固定在定子上。电刷装置：它包括电刷及电刷座，它们固定在定子上。9产生感应电势或产生机械转矩实现能量转换。产生感应电势或产生机械转矩实现能量转换。 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1) 电枢铁心：它是主磁通磁路的一部分。电枢铁心：它是主磁通磁路的一部分。2) 电枢绕组：它是直流电机产生感应电动势及电磁转矩以实现电枢绕组：它是直流电机产

7、生感应电动势及电磁转矩以实现 能量转换的关键部分。能量转换的关键部分。3) 换向器：它的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流换向器：它的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势；对电动机而言则是将外加电动势转换成电刷间的直流电动势；对电动机而言则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流电流。的直流电流转换为电枢绕组的交流电流。10 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IE11UIa+_If

8、M复励复励U+_IMIa12133.1.4 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理IU+SbNacd 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电极有效边的电流方向向外。电动机电枢枢绕组通电绕组通电后中受力后中受力(左手定则左手定则)按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转。U+U+电刷电刷换向片换向片U+IFFTn换向器作用：换向器作用：将外部直流电将外

9、部直流电转换成内部的转换成内部的直流电，以保直流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。14U+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷KE: 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n: 电动机转速电动机转速 ：磁通磁通E= KE n15U+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷aaaaRInKRIEUE RaIaE+UM161702TTT 设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=T2 (平衡平衡)，此时，此时，若若T2突然增加，则调整过程为突然增加，则调整过程为达到新的平衡点达到新的平衡点(Ia 、 P入入 ) 。T2 n Ia T E nKEE aaaREUI

10、 aIKTT 18总结总结:电机运电机运行方式行方式E和和I的的方方 向向E的作用的作用T的性质的性质转矩之间的转矩之间的 关关 系系发电机发电机 相相 同同电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩T1=T+ T0电动机电动机 相相 反反反电动势反电动势 驱动转矩驱动转矩 T=TL+T0193.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性aaRIEU 励磁绕组与电枢并联励磁绕组与电枢并联由图可求得由图可求得aaREUI ffRUI aafIIII 由上分析可知：由上分析可知： 当电源电压当电源电压U和励磁回路的电阻和励磁回路的电阻Rf一定时一定时, 励励磁电流磁电流If和磁通和磁通则则IaUM+_If

11、fR stR+_IE203.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性nnn 0TKKRnET2a KUnE 0令：令：TKKRKUnETE2a 即：并励电动机的磁通即：并励电动机的磁通 aaaI IT TTEKnKERIEU 由以下公式由以下公式IaUM+_IffR stR+_IE21转转速速降降:2aTKKRnET 理理想想空空载载转转速速:0KUnE 式中：式中：nnTKKRKUnETE 02an0nNTN动画动画n0T22（1）求）求n0：n0=（2）求）求TN：TN=9.55 根据根据(0，n0)和（和（TN ，nN）两点，就可以绘出）两点，就可以绘出n=(T).2、人为机械特性：

12、人为机械特性： 就是指改变电动机的参数（就是指改变电动机的参数（U，R）值所形成的机械特性。）值所形成的机械特性。1）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性。）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性。2）改变电枢电压）改变电枢电压U时的人为特性（时的人为特性（UUN） n0-nNeNKUNnPNTKKRKunNteaNe2TKKRRKUnNteadaNeN223TKKRRKUnNteadaNeN2243）改变磁通改变磁通时的人为特性（时的人为特性（N） 注意：注意：当磁通过分削弱后，如果负载转矩不变，将使电动机当磁通过分削弱后，如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载。若轻载或空载则

13、电动机的转速又会升电流大大增加而严重过载。若轻载或空载则电动机的转速又会升得过高，造成飞车。得过高，造成飞车。25有一并励电动机，其额定数据如下：有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知并已知Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求试求: (1) 额定电流额定电流I , 额定额定 电枢电流电枢电流Ia及及额定励磁电流额定励磁电流If ; (2) 损耗功率损耗功率 PaCu , 及及 PO ; (3) 额定转矩额定转矩T; (4) 反电动势反电动势E。解：解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为是输出功率，额定输

14、入功率为KW19.2684. 02221PPA2381101019.2631UPI额定电流额定电流额定励磁电流额定励磁电流A45 .27110ffRuI额定电枢电流额定电枢电流A2344238faIII26（2）电枢电路铜损）电枢电路铜损W219023404. 02a2aaCuIRPW44045 .272f2ffCuIRP励磁电路铜损励磁电路铜损总损失功率总损失功率W4190220002619021PPP空载损耗功率空载损耗功率W200021904190aCu0PPPm.N210100022955095502nPT（3）额定转矩）额定转矩（4）反电动势）反电动势V6 .10023404. 01

15、10aaIRUE27二、串励电动机的机械特性二、串励电动机的机械特性第一段，负载轻时，第一段，负载轻时，=C Ia ，T=KtIa= Kt或或C2tKCT21CRTCUCKRKCTKUnaNeateN 上式表明：这时机械特性曲线具有双曲线形状，上式表明：这时机械特性曲线具有双曲线形状，n轴是它的轴是它的一条渐近线，一条渐近线，n0趋于无穷大。趋于无穷大。主要特点：主要特点：Ia=If , 励磁电流就是它的电枢电流。励磁电流就是它的电枢电流。28 第二段，负载较重时，第二段，负载较重时，=常数，机械特性曲线常数，机械特性曲线近似于一条直线。近似于一条直线。 串励电机的两个优点：串励电机的两个优点

16、： 1）当负载大时，电动机转速较低，当负载轻时，转速又很快）当负载大时，电动机转速较低，当负载轻时，转速又很快上升。上升。 2）启动时励磁电流大，因为）启动时励磁电流大，因为=CIa，T=KtIa。在电网或电动机容许启动为一定值时，串励电动机的启动转矩较在电网或电动机容许启动为一定值时，串励电动机的启动转矩较他励电动机要大。他励电动机要大。串励电动机绝不允许空载运行。串励电动机绝不允许空载运行。使其反转的两种方法：使其反转的两种方法： A.改变电枢绕组的接线极性改变电枢绕组的接线极性 B.改变励磁绕组的接线极性改变励磁绕组的接线极性293.4 他励电动机的起动与反转他励电动机的起动与反转太大会

17、使换向器产生严重的火花太大会使换向器产生严重的火花, ,烧坏换向器；烧坏换向器；NaaNast)2010(IRUI 0nKEE1. 起动问题：起动问题：(1) 起动电流大起动电流大(2) 起动转矩大起动转矩大 起动时，起动转矩为起动时，起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。击，使传动机构遭受损坏。tasIT 302. .起动方法起动方法NstaNast) 0 . 26 . 1 (IRRUI 直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通接通, ,不能让它断开不能让它断开, ,而且起动时要满励磁。否则，而且起动时要满励磁

18、。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：aastNstRIUR aNastst) 0 . 26 . 1 (RIRIUaaRIKUne31 (3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电受严重的机械损伤，而且因电电流过大而将绕组电流过大而将绕组烧坏。烧坏。（ E Ia T T0 n 飞车）飞车）32例：例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，

19、使手电钻用单相交流电源或直流别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。电源供电均可。因为电磁转矩：因为电磁转矩：3334 最大转矩最大转矩 T1=(1.62.0)TN 切换转矩切换转矩 T2=(1.11.2)TN353.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性一一.调速的概念调速的概念:(1)调速的概念调速的概念:当当TL不变时，改变电动机的参数引起速度的变化。不变时，改变电动机的参数引起速度的变化。(2)调速即速度调节调速即速度调节,它和速度变化的区别它和速度变化的区别(3)调速的方法调速的方法: (4)调速指标调速指标:二二.改变电枢回路改变电枢回路 外串电阻的

20、方法外串电阻的方法原理介绍原理介绍:这种调节方法的特点这种调节方法的特点: 1).设备简单、操作方便。设备简单、操作方便。2).电机在空载时，改变电枢所电机在空载时，改变电枢所串联的电阻基本上没有调速作用。串联的电阻基本上没有调速作用。3).调速方向是从基速向下调速方向是从基速向下调调(指调速结果均比基速低）指调速结果均比基速低）eKIRUn36他励直流电动机的调速v调速指标调速指标：1、调速范围、调速范围D：minmaxnnD 2、静差率（相对稳定性）、静差率（相对稳定性）S：指负载变化时，指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。%100%1

21、00000nnnnnSNNS越小，相对稳定性越好；S与机械特性硬度和n0有关。37他励直流电动机的调速vD与S相互制约：)1 (maxmaxmin0maxminmaxSnSnnSnnnnnnnDNNNN S S越小，越小，D D越小，相对稳定性越好；越小，相对稳定性越好；在保证一定的在保证一定的S S指标的前提下，要扩大指标的前提下，要扩大D D，须减少须减少nn，即提高机械特性的硬度。，即提高机械特性的硬度。38他励直流电动机的调速v3、调速的平滑性、调速的平滑性：v 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数速越平滑。

22、相邻两级转速之比，为平滑系数 ：1iinn 越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。14、调速的经济性、调速的经济性：主要指调速的投资、运行主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。效率及维修费用等。394).低速时特性斜率大，静差率大，稳定性不好。低速时特性斜率大，静差率大，稳定性不好。5).轻载时调速范围不大。轻载时调速范围不大。6).所串电阻只能分档调节，不能连续调节。所串电阻只能分档调节，不能连续调节。7).调速中调速中=N，若，若Ia=IN,则则T=KTIa属恒转矩调速属恒转矩调速.8).低速时电能损耗大低速时电能损耗大.4

23、0三、改变电动机电枢供三、改变电动机电枢供电电压电电压U调速调速 原理介绍：只能向原理介绍：只能向下调速，（从下调速，（从UN向下）向下）特点：特点： 1）电源可以连续调节，）电源可以连续调节，可实现无级调速可实现无级调速 2）调速中各曲线的硬）调速中各曲线的硬度相同。度相同。 3）调速范围大；）调速范围大； 4）转速属于下调；）转速属于下调； 5）低速时电能损失不）低速时电能损失不大。大。 6）恒转矩调速，）恒转矩调速，T=KTNIN=TN 7）需要专门供电的调）需要专门供电的调压电源。压电源。41四、改变电动机的主磁通四、改变电动机的主磁通原理介绍：原理介绍：注意：磁通不能调得太低注意：磁

24、通不能调得太低42TKKRKUnETE2a aaaREUI Rf E I n Ia E T nKEE aIKTT 43(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，机械本身强度所限，n不能太高。不能太高。(2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3) 机械特性较硬，稳定性较好。机械特性较硬，稳定性较好。(4) 对专门生产的调磁电动机对专门生产的调磁电动机, ,其调速幅度可达其调速幅度可达, 例如例如5302120 r/min及及3101 240 r/min 。(1) (2) 443.6直

25、流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性 制动：制动：T与与n方向相反方向相反 电动：电动：T与与n方向相同方向相同 制动状态所处的外部条件和能量传递情况分为：反制动状态所处的外部条件和能量传递情况分为：反馈制动、反接制动和能耗制动三种。馈制动、反接制动和能耗制动三种。45一、反馈制动一、反馈制动特点：特点： 1、nn0 2、T与与n的方向相反的方向相反4647二、反接制动二、反接制动改变改变U或或E的方向电机运行于反接制动状态。的方向电机运行于反接制动状态。改变改变U: 电源反接制动电源反接制动48改变改变E: 倒拉反接制动倒拉反接制动491、电源反接制动、电源反接制动2、倒拉反接制动

26、、倒拉反接制动缺点是：缺点是：1）若对）若对TL大小估计不足，本应下降的重物向上升方大小估计不足，本应下降的重物向上升方向运动。向运动。 2）特性硬度小，较小的转矩波动引起较大的转速波动。）特性硬度小，较小的转矩波动引起较大的转速波动。3)损耗比较大。损耗比较大。三、三、能耗制动能耗制动 能耗制动的优点：能耗制动的优点： 1）不像电源反接制动那样存在着电动机反向启动的危险。）不像电源反接制动那样存在着电动机反向启动的危险。 2）下放重物时不会出现倒拉反接制动那样因对）下放重物时不会出现倒拉反接制动那样因对TL的大小估的大小估计错误而引起重物上升的事故，运行速度也较反接制动稳定。计错误而引起重物

27、上升的事故，运行速度也较反接制动稳定。505152四四. .例题分析例题分析例例3-2 Z2-22型并励电动机，额定功率型并励电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压，额定电压UN=220V，额定电流，额定电流IN=12.2A，额定转速，额定转速nN=3000r/min，最，最大励磁功率大励磁功率PfN=68.2W。试求：试求：（1）最大励磁电流）最大励磁电流IaN；（2）额定运行时的电枢电流）额定运行时的电枢电流IaN；（3）额定转矩）额定转矩TN；（4）额定运行时的效率）额定运行时的效率N。53（2）额定运行时的电枢电流）额定运行时的电枢电流 （3）额定转矩）额定转矩 （4）额定运行时的效率）额定运行时的效率 AAIIIfNNaN89.11)31. 02 .12(mNmNnPTNNN730001022.255.955.93%82%1002 .12220102 . 2%100%100)()(31NNNNNIUPPPN从电源输入的电功率额定输入功率轴上输出的机械功率额定输出功率AAUPINfNfN31.02202.68解：（解：（1）最大励磁电流）最大励磁电流54例例3-5 一台直流他励电动机，其额定数据如下：一台直流他励电动机，其额定数据如下：PN=2.2KW，U