机电设备 第1章

1、第一章第一章直流电动机直流电动机 第一节第一节 直流电动机结构直流电动机结构和分类和分类 第二节第二节直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性 第三节第三节 直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速 本章小结本章小结 第四节第四节 其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机 第一节第一节 直流电动机结构直流电动机结构和分类和分类 一、直流电动机的基本结构一、直流电动机的基本结构二、直流电动机分类二、直流电动机分类直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承等）三直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承等）三大部分所组成。图是一台电磁式直

2、流电动机的结构示意图。大部分所组成。图是一台电磁式直流电动机的结构示意图。一、直流电动机的基本结构一、直流电动机的基本结构第一节第一节 直流电动机结构与励磁方式直流电动机结构与励磁方式1定子定子定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分。定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分。2转子转子(电枢电枢)转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢电枢”。电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。 一、直流电动机的基本结构一、直流电动机的基本结构第一节第一节 直流电动机结构与励磁方

3、式直流电动机结构与励磁方式四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组各四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组各由独立的电源供电，而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组共用一电由独立的电源供电，而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组共用一电源，所以又统称为源，所以又统称为“自励式自励式”。其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕。其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组，一组与电枢绕组串联，一组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组，一组与电枢绕组串联，一组与电枢绕组并联；如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，

4、则称为积复励；组与电枢绕组并联；如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，则称为积复励；如果两个绕组所产生的磁通方向相反，则称为差复励如果两个绕组所产生的磁通方向相反，则称为差复励。二、直流电动机分类二、直流电动机分类第一节第一节 直流电动机结构与励磁方式直流电动机结构与励磁方式 第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性一、直流电动机的运转原理一、直流电动机的运转原理二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程三、直流电动机的机械特性三、直流电动机的机械特性一、直流电动机的运转原理一、直流电动机的运转原理（师生互动，提问绪论介绍的换向式电

5、动机运转过程）（师生互动，提问绪论介绍的换向式电动机运转过程）思考：思考： 电枢电流方向不变，会出现什么情况？电枢电流方向不变，会出现什么情况？第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性1电磁转矩电磁转矩 T二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程CT 转矩常数转矩常数2电枢电动式电枢电动式 ECe 电动式常数电动式常数aICTT nCEe 第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性3电枢回路电压平衡方程式电枢回路电压平衡方程式如图所示如图所示或或aaIREU aaREUI 第二节第二节 直流电动机工作

6、原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程三、直流电动机的机械特性三、直流电动机的机械特性硬机械特性：机械特性曲线的工作段接近于水平。软，反之。硬机械特性：机械特性曲线的工作段接近于水平。软，反之。nnTCCRCUCIRUCEnTeeee 0aaa2第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性1当电动机稳定运行时当电动机稳定运行时此时工作点对应下图此时工作点对应下图 的的 a 点上。点上。)(1a稳稳定定与与负负载载转转矩矩相相平平衡衡时时产产生生产产生生nnTIUT E 稳定稳定平衡平衡(

7、( 2 2 ) ) 三、直流电动机的机械特性三、直流电动机的机械特性第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性2电动机负载增加，转速下降时电动机负载增加，转速下降时此时工作点对应此时工作点对应图中图中 b 点上。点上。)(2)12(a)32()22(稳稳定定负负载载转转矩矩增增加加nnTIEn 平平 衡衡 nCEe 电动机的机械负载变化时，通过电动机的机械负载变化时，通过E的的变的的变化反映到电枢电路，引起电流变化。化反映到电枢电路，引起电流变化。三、直流电动机的机械特性三、直流电动机的机械特性第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性软

8、机械特性：工作磁通软机械特性：工作磁通 随负载变化。负载增加、电流增加，随负载变化。负载增加、电流增加， 与电枢电流与电枢电流成正比，故转矩增加，转速成正比，故转矩增加，转速 n 显著下降。显著下降。适用于电动工具，即负载经常变化，适用于电动工具，即负载经常变化，转速不要求稳定的场合。转速不要求稳定的场合。特点：过载能力强，不允许空载或特点：过载能力强，不允许空载或轻载运行（起动时带上轻载运行（起动时带上 20 % 30 % 的的额定负载），防止额定负载），防止“飞车飞车”。复励式直流电动机的机械特性介于复励式直流电动机的机械特性介于两者之间。两者之间。三、直流电动机的机械特性三、直流电动机的

9、机械特性第二节第二节 直流电动机工作原理与运行特性直流电动机工作原理与运行特性 第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动二、直流电动机的反转二、直流电动机的反转三、直流电动机的调速三、直流电动机的调速直流电动机的起动电流很大，可达额定电流的直流电动机的起动电流很大，可达额定电流的 10 20 倍。这么大倍。这么大的启动电流会烧毁电枢绕组和换向器，所以直流电动机不允许直接启动。的启动电流会烧毁电枢绕组和换向器，所以直流电动机不允许直接启动。一般采用起动时在电枢回路中串联起动电阻的方法，减小起动电流，起一般采用起动时在电枢回路中串

10、联起动电阻的方法，减小起动电流，起动结束后将起动电阻从电路中切除。动结束后将起动电阻从电路中切除。一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速例例 题题例例 - 2 直流电动机的额定电压为直流电动机的额定电压为 110 V，额定电流为，额定电流为 13.5 A，电，电枢电阻为枢电阻为 0.4 ，求直接起动电流。若将起动电流限定在额定电流的，求直接起动电流。若将起动电流限定在额定电流的两倍，应串联多大的起动电阻？两倍，应串联多大的起动电阻？解：解： 直接起动电流直接起动电流 可见直流电动机的起动电流很大。为限制启动电流，串联起动电可

11、见直流电动机的起动电流很大。为限制启动电流，串联起动电阻阻 R1，则电枢回路中总电阻为，则电枢回路中总电阻为起动电流设定为适用起动电流设定为适用 27 A，则起动电阻为：，则起动电阻为：A275A4 . 0110ast RUI1stRRRa 7 . 3)4 . 01 . 4(,1 . 427/110ast1stRRRR第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速二、直流电动机的反转二、直流电动机的反转永磁式直流电动机：永磁式直流电动机：通常改变电枢绕组电流方向，来改变的运转方向。通常改变电枢绕组电流方向，来改变的运转方向。串励式直流电动机：串励式直流电动机：改变励磁绕组

12、或者电枢组接线方式来改变转向。改变励磁绕组或者电枢组接线方式来改变转向。第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速从直流电动机的转速方程中可以看出，直流电动机的转速与电源电压从直流电动机的转速方程中可以看出，直流电动机的转速与电源电压 U、磁通磁通 和电枢绕组和电枢绕组 R a有关，可见直流电动机的调速方法有三种。有关，可见直流电动机的调速方法有三种。三、直流电动机的调速三、直流电动机的调速eeCIRUCEnaa 1调压调速：调压调速：n0 U， n 不受不受 U 的影响。调解的影响。调解 U 可以平滑的调解电可以平滑的调解电动机转速，且机械特性硬度不受影响，动机转速

13、，且机械特性硬度不受影响，如图所示如图所示第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速三、直流电动机的调速三、直流电动机的调速2调磁调速：调磁调速：n 1/ 。调解励磁电流改变磁。调解励磁电流改变磁通通 ，从而改变转速，机，从而改变转速，机械特性变软，如图所示。械特性变软，如图所示。第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速3调解电枢电阻调速：调解电枢电阻调速：三、直流电动机的调速三、直流电动机的调速在电枢回路中串联变阻器，增大电枢绕组。调速范围小，机械特性在电枢回路中串联变阻器，增大电枢绕组。调速范围小，机械特性变软，精度低。但简单易行，用于

14、调速比在变软，精度低。但简单易行，用于调速比在 2:1 以下的小功率直流电动以下的小功率直流电动机中使用。永磁式电动机采用调压或调电枢绕组的方式来调速。机中使用。永磁式电动机采用调压或调电枢绕组的方式来调速。第第三三节节直流电动机的起动、反转和调速直流电动机的起动、反转和调速 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机一、永磁式直流电动机一、永磁式直流电动机二、无刷式直流电动机二、无刷式直流电动机三、直流伺服电动机三、直流伺服电动机定子采用永久磁铁制成，其他结构与他励式无区别。定子采用永久磁铁制成，其他结构与他励式无区别。一、永磁式直流电动机一、永磁式直流电动机拆卸一台永磁直流电动机

15、观察其内部结构，如图所示。拆卸一台永磁直流电动机观察其内部结构，如图所示。1定子定子包括永久磁包括永久磁铁（磁钢）和机铁（磁钢）和机壳。壳。( (一一) ) 永磁式直流电动机的结构永磁式直流电动机的结构 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机2转子转子一、永磁式直流电动机一、永磁式直流电动机转子铁心由三翼式的硅钢片转子铁心由三翼式的硅钢片叠压而成，如图所示叠压而成，如图所示 。换向器由三块瓦型换向片换向器由三块瓦型换向片装在衬套上构成圆柱形。装在衬套上构成圆柱形。3 端盖端盖后端盖有塑料制成，内平行安装一对电刷。后端盖有塑料制成，内平行安装一对电刷。三槽电枢绕组的线端与相应的换向

16、片相连，两种连接方法：三槽电枢绕组的线端与相应的换向片相连，两种连接方法：一种是三个线圈的一端分别接换向片，另一端接在一起；另一种方一种是三个线圈的一端分别接换向片，另一端接在一起；另一种方法是三个线圈首尾串联，三个接线点分别接换向片。法是三个线圈首尾串联，三个接线点分别接换向片。 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机一、永磁式直流电动机一、永磁式直流电动机与他励（并励）式直流电动机基本相同。与他励（并励）式直流电动机基本相同。采用直接起动，调压或调解电枢绕组电阻进行调速。采用直接起动，调压或调解电枢绕组电阻进行调速。( (二二) ) 永磁式直流电动机的运转特性永磁式直流电动机

17、的运转特性 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机无刷直流电动机属于永磁式直流电动机。是有换向片和电刷的直流电无刷直流电动机属于永磁式直流电动机。是有换向片和电刷的直流电动机的改进。动机的改进。组成：电动机本体、转子位置传感器、电子换向控制电路三部分组成。组成：电动机本体、转子位置传感器、电子换向控制电路三部分组成。如图所示如图所示二、无刷直流电动机二、无刷直流电动机 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机1电动机本体电动机本体组成：组成：主定子主定子相当于电枢相当于电枢主转子主转子永久磁钢制成永久磁钢制成2转子位置传感器转子位置传感器起转子位置跟踪作用。起转子位置

18、跟踪作用。二、无刷直流电动机二、无刷直流电动机 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机（1）电磁式：转子上有一扇型导磁片，发送相应电信号。）电磁式：转子上有一扇型导磁片，发送相应电信号。特点：输出信号大、工作可靠、寿命长、结构较简单但体积大、制造特点：输出信号大、工作可靠、寿命长、结构较简单但体积大、制造工艺复杂。工艺复杂。（2）光电式：由一个旋转的遮光罩和固定不动的光源和光电管组成。）光电式：由一个旋转的遮光罩和固定不动的光源和光电管组成。当光线射到光电管上时，有电流输出。三个光电管依次接受光线照射，使当光线射到光电管上时，有电流输出。三个光电管依次接受光线照射，使绕组轮流通电

19、，电动机持续旋转。绕组轮流通电，电动机持续旋转。特点：传感器性能稳定、结构简单、抗震能力差、光源寿命短，对环特点：传感器性能稳定、结构简单、抗震能力差、光源寿命短，对环境要求较高。境要求较高。（3）磁敏式：利用磁敏感的半导体材料制成，常有霍尔元件、磁敏）磁敏式：利用磁敏感的半导体材料制成，常有霍尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻。磁敏元件感应转子位置信号处理后，可控制电动机的二极管和磁敏电阻。磁敏元件感应转子位置信号处理后，可控制电动机的定子绕组按顺序通电。定子绕组按顺序通电。二、无刷直流电动机二、无刷直流电动机 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机3电子换向控制电路电子换向控制电路

20、电路由位置信号处理单元和功率逻辑开关单元组成，如图所示电路由位置信号处理单元和功率逻辑开关单元组成，如图所示二、无刷直流电动机二、无刷直流电动机 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机能够将输入的电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输出的电动机，能够将输入的电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输出的电动机，也称执行电动机。也称执行电动机。基本要求是：在输入信号到来之前，转子静止不动；当信号到来时，基本要求是：在输入信号到来之前，转子静止不动；当信号到来时，转子立即转动，而且其转速与信号电压能保持线性关系；当信号消失时，转子立即转动，而且其转速与信号电压能保持线性关系；当信号消失时

21、，转子立即停转，无自转现象。工作原理与他励直流电动机基本相同。转子立即停转，无自转现象。工作原理与他励直流电动机基本相同。三、直流伺服电动机三、直流伺服电动机 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机（一）印制绕组永磁式直流伺服电动机（一）印制绕组永磁式直流伺服电动机三、直流伺服电动机三、直流伺服电动机又称盘状转子直流伺服电动机，因其转子如盘状而得名，由于转子的又称盘状转子直流伺服电动机，因其转子如盘状而得名，由于转子的铁心很小，因而这种电动机惯性很小，可以快速起动和制动。铁心很小，因而这种电动机惯性很小，可以快速起动和制动。印制绕组永磁式直流伺服电动机的结构如图所示。印制绕组永磁

22、式直流伺服电动机的结构如图所示。 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机优点：机械和电优点：机械和电磁的惯性小；换向性磁的惯性小；换向性能好，较精确的转子能好，较精确的转子定位；转子导体散热定位；转子导体散热条件好；电动机轴向条件好；电动机轴向尺寸小。尺寸小。（二）空心杯电枢直流伺服电动机（二）空心杯电枢直流伺服电动机三、直流伺服电动机三、直流伺服电动机特点：电枢没有铁心只有绕组，绕组按一定形式编织成薄壁圆筒形，用环特点：电枢没有铁心只有绕组，绕组按一定形式编织成薄壁圆筒形，用环氧树脂粘结成型，并与电枢支架粘结在一起成杯子形状，称为氧树脂粘结成型，并与电枢支架粘结在一起成杯子形状，称为“空心杯电枢空心杯电枢”，如图所示。如图所示。 第第四四节节其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机三、直流伺服电动机三、直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机的磁路如图所示，主磁极由永久磁钢制成，空心杯电枢直流伺服电动机的磁路如图所示，主磁极由永久磁钢制成，外加直流电源通过正负电刷加给杯