第三章-直流电机工作原理及特性

1、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一体化系统设计机电一体化系统设计内容提要内容提要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换向器定子转子3.1 3.1 直流电机的基本结构和工作原理

2、直流电机的基本结构和工作原理 3.1.1 3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构( (定子剖面图定子剖面图) )主磁极主磁极换向极换向极磁极数磁极数主主磁极的个数磁极的个数磁极对数磁极对数=磁磁极数极数/23.1 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 3.1.1 3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构( (转子结构图转子结构图）转子转子换向片换向片转轴转轴电枢线圈电枢线圈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电枢铁芯硅钢电枢铁芯硅钢冲片冲片 3.1.1 3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构( (转子硅

3、钢冲片图转子硅钢冲片图）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 3.1.1 3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构( (换向器图换向器图）电刷电刷换向片换向片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有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量 1. 1. 磁感应强度磁感应强度B B( (磁场强弱和方向磁场强弱和方向) )NS电流方向电流方向NS右手螺旋法则右手螺旋法则 3.1.2 3.1.2 直流电机直流电机的工作原理的工作原理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 3.1.2 3.1.2

4、 直流电机直流电机的工作原理的工作原理非铁磁材料非铁磁材料铁磁材料铁磁材料 00)60002000(FFHB磁感应强度磁感应强度磁场强度磁场强度铁磁材料导磁系数铁磁材料导磁系数真空中的导磁系数真空中的导磁系数铁磁材料有磁滞现象、铁磁材料有磁滞现象、磁滞损耗、涡流损耗。磁滞损耗、涡流损耗。有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量2 2. .铁磁材料的磁化曲线铁磁材料的磁化曲线（铁、镍、钴及它们的合金）（铁、镍、钴及它们的合金）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 3.1.2 3.1.2 直流电机直流电机的工作原理的工作原理有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理

5、量3. 右手定则右手定则 左手定则左手定则 B-磁感磁感应强度应强度v-速度速度方向方向e-感应感应电势电势I-电流电流 方向方向f-电磁电磁 力方向力方向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 3.1.2 3.1.2 直流电机直流电机的工作原理的工作原理 有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量 4.4. 电路电路 磁路磁路 电流电流 I 磁通磁通 电动势电动势 E 磁通势磁通势 F 电压降电压降 U=IR 磁压降磁压降 电阻电阻 R 磁阻磁阻 Rm 欧姆定律欧姆定律 磁路欧姆定律磁路欧姆定律RU(E)I mRNIF)(mRFHl3.1 3.1 直流电机的基

6、本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理Ke电势常数电势常数(pN/60a) Kt-转矩常数转矩常数(pN/2a)=9.55KeNSne,i) 1 . 3(nKEe2 . 3atIKT3.2 3.2 直流发电机直流发电机他励他励并励并励串励串励复励复励励磁方式励磁方式3.2 3.2 直流发电机直流发电机5 . 3/3 . 3/3 . 3RUIIIRUEIRIEUaaaaa当发电机空载时当发电机空载时，Ia=0nKEUe0fIfE 空载特性空载特性 3.2.1 3.2.1 他励发电机他励发电机3.2 3.2 直流发电机直流发电机 3.2.1 3.2.1 他励发电机他励发电机他励发电机的外特性

7、他励发电机的外特性 IfU 电压变化率电压变化率6 . 3%1000NNUUUU大约为大约为5%10%3.2 3.2 直流发电机直流发电机 3.2.2 3.2.2 并励发电机并励发电机电压平衡方程电压平衡方程并励发电机工作的条件并励发电机工作的条件1.1.要有剩磁；要有剩磁；2.2.励磁电流产生的磁场励磁电流产生的磁场方向方向和剩磁方向和剩磁方向相同；相同；3.R3.Rf f不能太大。不能太大。10. 3/7 . 3IIIIRUIRUIRIEUfaffaa+3.2 3.2 直流发电机直流发电机 3.2.2 3.2.2 并励发电机并励发电机U0ffRIUtg0 IfU 并励发电机自励和外特性并励

8、发电机自励和外特性Ifn=Rf=c3.2 3.2 直流发电机直流发电机 3.2.3 3.2.3 复励发电机复励发电机U0主主励励磁磁补偿绕组补偿绕组IUIN复励发电机外特性复励发电机外特性过复励过复励平复励平复励欠复励欠复励3.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性电压平衡方程电压平衡方程11. 3aaRIEU+aaREUIfNaIII3.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性n=f(T)11. 3aaRIEU+12. 3aeaeeIK

9、RKUnnKEtaatKTIIKT/13. 3002nnKTnTKKRKUnteaen0-理想空载转速（理想空载转速（T=0）n速度降速度降T03.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性NadatdeteaIRUIRUKKnTKUTKKR/02堵转矩堵转矩堵转电流堵转电流机械特性机械特性硬度硬度14. 3%100nTdndTnn0Td T他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性硬特性硬特性10软特性软特性10绝对硬特性绝对硬特性 当当n=0时，（时，（3.13）式为）式为3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动

10、机的机械特性 3.3.1 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性1.固有机械特性固有机械特性 n=f(T)由由求求（1 1）估算电枢电阻）估算电枢电阻R Ra aNNNNPIUPNNNNNNNNIUIUIU1NNeaNNNNTnKRnIUP,0U=UN,=nRad=03.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性1.固有机械特性固有机械特性 n=f(T)15. 3175. 050. 0175. 050. 02NNNNNaNNNaaIUIUPRIURI（2 2）计算）计算额定条件下反电势额定条件下反电势16

11、. 3/NaNNNeaNNNNeNNenRIUKRIUnKEK3.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性17. 355. 9NNNNnPPT（3 3）求理想空载转速）求理想空载转速NeNKUn/0（4 4）求额定转矩）求额定转矩aNNtdRUKKnT01.固有机械特性固有机械特性 n=f(T)3.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性2. 2. 人为机械特性人为机械特性（改变（改变U U、R Radad）1)1)串接电阻串接电阻R Ra

12、dad3.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性2. 2. 人为机械特性人为机械特性（改变（改变U U、R Radad）1)1)串接电阻串接电阻R Radad18. 302KTnTKKRRKUnteadae+串接电阻后串接电阻后1.1.n n0 0不变不变；2.2.K K斜斜率变大即机械特性变软率变大即机械特性变软。3.3 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 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性2. 2. 人为机械特性人为机械特性 2)2)改变改变U U、1.1.改变改变n

13、 n0 0( (减小减小) )2.2.斜率斜率k k不不变变机械特性机械特性硬度不变硬度不变1.1.n n0 0增加增加2.2.斜率变斜率变大，特性大，特性变软变软3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 3.3.2 3.3.2 串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性19. 3/2ttataKCTCKIKTCI软特性软特性代入（代入（3.133.13）得）得3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 3.3.3 3.3.3 复励电动机的机械特性复励电动机的机械特性 具有他励和串励电动机的性质具有他励和串励电动机的性质他励磁通他励磁通eses=70%=70%总磁通

14、总磁通 串励磁通串励磁通s s=30%=30%总磁通总磁通他励复励串励3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电动机的机械特性例题电动机的机械特性例题 例例3-1 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势反电势EE1，如负载转矩，如负载转矩TL=常数，外加电压和电常数，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枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小是大于、小于还是等于于还是等于E1?3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特

15、性 电动机的机械特性例题电动机的机械特性例题 例例3-1 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势反电势EE1，如负载转矩，如负载转矩TL=常数，外加电压和电常数，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枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小是大于、小于还是等于于还是等于E1?解解 两个已知条件，一个是负载转矩两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个常数；一个是从一个稳态到另一个稳态是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程而不涉及瞬态过程)，电，电

16、枢反电势是稳态值。枢反电势是稳态值。 aatLICIKTT1EEEICRURIUEaaaa注意注意：从：从 不能判断不能判断E是如何变化的是如何变化的nKEe3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电动机的机械特性例题电动机的机械特性例题 例例3-2 一台他励直流电动机，一台他励直流电动机， 功率功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。矩，试绘制电机近似的固有机械特性。3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电

17、动机的机械特性 电动机的机械特性例题电动机的机械特性例题 例例3-2 一台他励直流电动机，一台他励直流电动机， 功率功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。矩，试绘制电机近似的固有机械特性。 解解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN)NNNNNeNeNnRIUKKUn/0(1)估算估算Ra71. 031220105 . 515 . 015 . 03NNNNN

18、aIUIUPR1min/132. 01500/71. 031220/rVnRIUKNNNNNe3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电动机的机械特性例题电动机的机械特性例题(2)(2)求求n n0 0min/1667132. 0/220/0rKUnNeN(3)(3)求求T TN NmNnPTNNN351500105 . 555. 955. 93atdRUKKnT0也可求也可求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aaaaREUIRIEU/11. 3+启动时启动时n=0 E=0n=0 E=0 启动电流启动电流NNstIRUI2010/启动电流不得大于

19、（启动电流不得大于（1.51.52 2）额定电流）额定电流NstaNstIRRUI25 . 1/+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原则原则:1.T1(I1)2TN 2. T2(I2)基本相同基本相同多段启动电阻启动的他励电动机多段启动电阻启动的他励电动机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速度调节速度调节-在一定的负载下，人为改变参数，在一定的负载下，人为改变参数， 达到改变电动机稳定转速。达到改变电动机稳定转速。速度变化速度变化-由于负载发生变化而引起电动机转速由于负载发生变化而引起电动机转速 改变。改变。3.5 3.5 直流他励电

20、动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.5.1 电枢电路外串电阻电枢电路外串电阻Rad21. 302KTnTKKRRKUnteadae+缺点缺点1.机械特性变软，稳定性机械特性变软，稳定性差；差；2.轻载时调速范围不大；轻载时调速范围不大；3.无级调速困难；电阻上无级调速困难；电阻上消耗大量电能；消耗大量电能；4.启动电阻不能用来调速启动电阻不能用来调速适用于起重机、卷扬机。适用于起重机、卷扬机。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3.5.2 改变电压调速改变电压调速特点特点1.连续平滑调速，连续平滑调速，在在UN以下调速；以下调速；2.机械特性硬度不机械特性硬度

21、不变；变；3.调速时电流不变，调速时电流不变，转矩不变，恒转转矩不变，恒转矩调速。矩调速。4.利用降压启动电利用降压启动电机机,而不用其他设而不用其他设备。备。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T1T2n0 Ia=-Ia +TM-TMaeaaaRnnnKEUIREUI0电动机变成发电机电动机变成发电机机械能变成电能向电源馈送机械能变成电能向电源馈送称为反馈称为反馈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3.6.1 3.6.1 反馈反馈制动制动降压调速过程中的反馈制动降压调速过程中的反馈制动adabadaaRREUIRREUI+213.6.1

22、 3.6.1 反馈反馈制动制动下放下放电动电动状态状态下放制下放制动状态动状态提升电提升电动状态动状态 a点点b点点nEIa-TM 制制动动矩矩B点 C点nn0 Ia=-Ia-TMTM与与n反方向制反方向制动动改变改变Rad改变下降的改变下降的nRad太大太大n很高不安全很高不安全下放重物时的反馈制动过程下放重物时的反馈制动过程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3.6.2 3.6.2 反反接制动接制动 1.1.电源反接制动电源反接制动反接反接电动电动正向电动正向电动反接制动反接制动位能负载时制动位能负载时制动22. 3adaaRRIUE+23. 32TKKRRKUnteadae+注意注意：反接时：反接时U与与E相加，电相加，电流很大用流很大用Rad限流限流应用：快停、应用：快停、经常正反转经常正反转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3.6.2 3.6.2 反反接制动接制动 2.2.倒拉反接制动倒拉反接制动( (串接串接R Radad改变斜率法改变斜率法) )24. 3adaaRRIUE+25. 32TKKRRKUnteadae+注意