第6章 直流电机工作原理

1、第第6章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重点掌握：重点掌握： 了解直流电机的基本结构及工作原理；了解直流电机的基本结构及工作原理； 掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关 的计算方法。的计算方法。61 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 一、直流电机的基本结构一、直流电机的基本结构 直流电机的组成可分为直流电机的组成可分为定子定子、转子转子和和换向器换向器三大

2、部分。三大部分。主磁极：主磁极：包括主磁极铁芯和励磁绕组，其主要作用是产生主磁场。磁极下面扩大的部分称为极靴，其作用是使通过空气气隙中的磁通分布最为合适，并使励磁绕组能牢固第固定在铁芯上。换向极：换向极：用于改善电枢电流的换向性能。它由铁芯和绕组组成，用螺杆固定在定子的两个主磁极的中间。电枢铁芯：电枢铁芯：主磁通磁路的一部分，用硅钢片叠成，成圆柱形，表面冲了槽，槽内嵌放电枢绕组。电枢绕组：电枢绕组：直流电机产生感应电动势及电磁转矩以实现能量转换的关键部分。机座：机座：用于固定主磁极、换向极和端盖等，同时也是电机磁路的一部分。换向器：换向器：对发电机而言，其作用是将电枢绕组内感应的交流电动势转换

3、成电刷间的直流电动势；对电动机而言，其作用是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流电流，并保证每一磁极下电枢导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转矩。电刷装置：电刷装置：包括电刷及电刷座，固定在定子上，电刷与换向器保持滑动接触，以便将电枢绕组和外电路接通。直流电动机的结构二、直流电机的基本工作原理二、直流电机的基本工作原理发电机电动机 直流电机简化为具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷A和电刷B 直流电机作为发电机时，电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两个有效边中便感应除电动势e，每一个有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，转到S

4、极下是另一个方向。由于电刷A总是与N极下的有效边的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相连的换向片接触，因此，在电刷间出现一个极性不变的电动势或电压。此时，换向片的作用在于将发电机电枢绕组内的交流电动势变成电刷之间的极性不变的电动势。当电刷之间有负载时，在电动势的作用下，电路中就产生一定方向的电流。 直流电机作为电动机运行时，将直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向为：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因此而转动。当线圈的有效边从N（S）极转到S（N）极时，其中电流的方向必须同时改变，一是

5、电磁力的方向不变，这是通过换向器实现的。当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势e，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向总是相反的，称之为反电动势。直流电动机的工作原理直流发电机的工作原理电机运行电机运行方式方式E与与I的方的方向向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系关系发电机发电机相同相同电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩T1=T+ T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转矩驱动转矩T= TL+ T0四、直流电动机的分类四、直流电动机的分类 62 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 一、机械特性方程一、机械特性方程 62 他励直流电动机的机械特性他励

6、直流电动机的机械特性 一、机械特性方程一、机械特性方程 aaRIEU 、nKE e nnkTnTKRKUn002eae)(55. 9at IKTe55. 9KKt电压平衡方程电压平衡方程机械特性方程机械特性方程n0称为理想空载转速;n称为转速降落.机械特性的硬度：机械特性的硬度：衡量机械特性平直程度，即转矩变化衡量机械特性平直程度，即转矩变化与所引起速度变化的比值与所引起速度变化的比值 （1）绝对硬特性）绝对硬特性 如交流同步电动机的机械特性 （2）硬特性）硬特性 10如直流他激电动机和异步电动机 的机械特性 （3）软特性）软特性 n0； 2）n与与T反向反向 1电车走下坡路时的反馈制动电车走

7、下坡路时的反馈制动 1)实现条件实现条件:外部作用使外部作用使电动机的转速电动机的转速n大于其大于其理想空载转速理想空载转速no.如如,电电车下坡车下坡,起重机下放重物起重机下放重物.2)机械特性机械特性:正转时正转时,是是第一象限的机械特性在第一象限的机械特性在第二象限内的延伸第二象限内的延伸特点特点:(1)利用位能转矩带动利用位能转矩带动电动机发电电动机发电,将机械能将机械能变成电能变成电能,向电源馈送向电源馈送.(2)重物下放时电动机重物下放时电动机的转速仍高于理想空载的转速仍高于理想空载转速转速,运行不太安全运行不太安全.2电枢电压突然下降时的反馈制动电枢电压突然下降时的反馈制动 在电

8、动机电枢电压突然降低使电动机转速降低的过程中，也会出现反馈制动状态。二、反接制动二、反接制动 特点：特点： 1）U与与E由相反变为相同；由相反变为相同； 2）T与转速与转速n的方向相反。的方向相反。 改变改变U的方向的方向所产生的反接制动称为所产生的反接制动称为电源反接制动电源反接制动； 改变改变E的方向的方向所产生的反接制动称为所产生的反接制动称为倒拉反接制动倒拉反接制动。 1电源反接制动电源反接制动 电动机的机械特性为：电动机的机械特性为： TKRRKUnN2eadae)(55. 9U=-UN串串Rad电阻电阻为了限制制动时比较大的电枢电流为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源实施电源反

9、接制动时反接制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻一定要在电枢电路中串入限流电阻.应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上. 2倒拉反接制动倒拉反接制动 TKRRKUnN2eadae)(55. 9串串Rad电阻电阻电动机的机械特性为：电动机的机械特性为： 倒拉反接制动倒拉反接制动.改改变电枢电势方向所变电枢电势方向所产生的制动产生的制动.如如:起重机的重物起重机的重物下降时下降时,电枢反转电枢反转,电势反向电势反向.此时此时,位位能负载转矩能负载转矩TL使重使重物下放物下放,电动机转电动机转矩矩TM反对重物下反对重物下放放-制动制动.特点特点:适当选择电适当

10、选择电枢电路中的附加电枢电路中的附加电阻阻,可以得到低的可以得到低的转速转速,保证安全保证安全;转速稳定性较差转速稳定性较差.制动特性如右图所制动特性如右图所示示.是第一象限在是第一象限在第四象限的延伸或第四象限的延伸或第三象限在第二象第三象限在第二象限的延伸限的延伸.三、能耗制动三、能耗制动 TKRRn2eada)(55. 9U=0电动机的机械特性为：电动机的机械特性为： 1)实现条件实现条件:将电枢电压突然降将电枢电压突然降为零为零,串一外接电阻使电枢短接串一外接电阻使电枢短接.此时电动机继续旋转产生的转此时电动机继续旋转产生的转矩矩T与与n反向反向-制动制动.2)特点特点:制动时的机械能

11、转变为制动时的机械能转变为电能使外接电阻发热而消耗电能使外接电阻发热而消耗,称称之为之为“能耗能耗”;稳定性好稳定性好,电动机不可能反向起电动机不可能反向起动动.3)应用应用:要求迅速准确停车的场要求迅速准确停车的场合合;重物恒速下放重物恒速下放.例例3-2有一台他励电动机，有一台他励电动机，PN5.6kW，UN220V，IN3lA，nN1000rmin，Ra0.4，负载转矩，负载转矩TL49Nm，电动机的过载倍数，电动机的过载倍数2，试计算：，试计算：(1)电动机拖动摩擦性负载，采用能耗制动过程电动机拖动摩擦性负载，采用能耗制动过程停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少停车，电枢回路应串

12、入的制动电阻最小值是多少?若采用反接制动停车，电阻最小值是多少若采用反接制动停车，电阻最小值是多少?(2)电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300rmin速度下放重物，采用倒拉反接制动，电枢回速度下放重物，采用倒拉反接制动，电枢回路应串多大电阻路应串多大电阻?若采用能耗制动，电枢回路应串若采用能耗制动，电枢回路应串多大电阻多大电阻?(3)想使电机以想使电机以n1200rmin速度，在再生速度，在再生发电制动状态下，下放重物，电枢回路应串多大电发电制动状态下，下放重物，电枢回路应串多大电阻阻?若电枢回路不串电阻，在再生发电制动状态下，若电枢回路不串电阻，在再生发

13、电制动状态下，下放重物的转速是多少下放重物的转速是多少?3.8 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的大小的大小?为什么为什么?这时拖动系统中哪些量必然要发生变化这时拖动系统中哪些量必然要发生变化?3.9 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩如负载转矩TL常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使

14、转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化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?是大是大于、小于还是等于于、小于还是等于El?3.12 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：PN6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242, 试计算出此电动机的如下特试计算出此电动机的如下特性：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UN2时的人为机械特性；时的人为机械特性；磁通磁通0.8N时的人为机械特性。时的人为机械特性。并

15、绘出上述特性的图形。并绘出上述特性的图形。3.19 有一台他励电动机：有一台他励电动机：PN=10kW，UN=220V，IN=53.8A，nN=1500rmin，Ra=0.29，试计算：，试计算： (1)直接起动瞬间的堵转电流直接起动瞬间的堵转电流Iu； (2)若限制起动电流不超过若限制起动电流不超过2IN，采用电枢串电阻启动时，应串入，采用电枢串电阻启动时，应串入启动电阻的最小值是多少启动电阻的最小值是多少?若用降压启动，最低电压应为多少若用降压启动，最低电压应为多少?3.20 有一台他励直流电动机：有一台他励直流电动机：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000rmin，

16、在额定负载下，求：，在额定负载下，求： (1)想降至想降至800rmin稳定运行，外串多大电阻稳定运行，外串多大电阻?采用降压方法，电采用降压方法，电源电压应降至多少伏源电压应降至多少伏? (2)想升速到想升速到1100rmin稳定运行，弱磁系数稳定运行，弱磁系数N为多少为多少?3.21有一台他励直流电动机，有一台他励直流电动机，PN7.5kW，UN220V，IN=4lA，nN1500rmin，Ra0.38，拖动恒转矩负载，且，拖动恒转矩负载，且TLTN，现，现将电源电压降到将电源电压降到U=150V，问：，问：(1)降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大?(2)

17、稳定运行转速是多少稳定运行转速是多少?3.22 有一台他励直流电动机，有一台他励直流电动机，PN=21kW，UN220V，IN=115A，nN980rmin，Ra=0.1，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时从从N调到调到0.8N，问：，问： (1)调速瞬间电枢电流是多少调速瞬间电枢电流是多少?(TLTN) (2)若若TLTN和和TL0.5TN，调速前后的稳态转速各是多少，调速前后的稳态转速各是多少?3.23 有一台他励直流电动机，有一台他励直流电动机，PN29kW，UN440V，IN76A，nN1000rmin，Ra0.377，负载转矩，负载转矩TL=0.8TN，最大制动电，最大制动电流为流为1.8IN。求当该电动机拖动位能性负载时，用哪几种方法可使电。求当该电动机拖动位能性负载时，用哪几种方法可使电动机以动机以500rmin的转速下放负载，在每种方法中电枢回路应串电的转速下放负载，在每种方法中电枢回路应串电阻为多少欧阻为多少欧?并画出相应的机械特性，标出从稳态提升重物到以并画出相应的机械特性，标出从稳态提升重物到以500rmin转速下放重物的转换过程。转速下放重物的转换过程。3.24 有一