武汉理工第三章直流电机

1、Page No.1 联系人: 尹海斌 Email: *第三章 直流电机的工作原理及特性重点掌握： 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； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。Page No.2 联系人: 尹海斌 Email: *电机分交流和直流两种。 直流电机工作电压的电压为直流； 启动特性、调速特性好，多用于速度调节要求高，启动特性、调速特性好，多用于速度调节要求高， 正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转情况。正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转情况。交流电机交流电机工作电压为交流。工

2、作电压为交流。 结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠。直流电机既可以作既可以作直流电动机也可以作直流发电机。 直流电动机将电能转换为机械能； 直流发电机将机械能转换为电能。由于晶闸管出现， 直流发电机已经逐步被取代。 电机的分类的分类 Page No.3 联系人: 尹海斌 Email: * 将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图c3-1.swfc3-1.swf 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。 1 1发电机原理：发电机原理：Page No.4 联系人: 尹海斌 Email: *显然，每

3、一有效边中的电动势是交显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在变的，即在N N极下是一个方向，当极下是一个方向，当它转到它转到S S极下时是另一个方向。但极下时是另一个方向。但是，由于电刷是，由于电刷A A总是同与总是同与N N极下的有极下的有效边相联的换向片接触，而电刷效边相联的换向片接触，而电刷B B总是同与总是同与S S极下的有效边相极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。在电路中

4、产生一定方向的电流。Page No.5 联系人: 尹海斌 Email: * 2 2电动机原理电动机原理：将电能转换为机械能将电能转换为机械能 直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：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，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。Page No.6 联系人: 尹海斌 Email: *31 直流电机的基本结构和工作原理 一、直流电机的基本结构 直

5、流电机的结构图如图所示： Page No.7 联系人: 尹海斌 Email: * 根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。转子部分转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电 枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。 直流电机的组成Page No.8 联系人: 尹海斌 Email: *主要部件介绍主要部件介绍1 主磁极：励磁绕组上加上直

6、流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。 Page No.9 联系人: 尹海斌 Email: *2电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。 3、4换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。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变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。3电刷4换向片Page No.10 联系人: 尹海斌 Email: *二、电动势和电磁转矩 1. 电动势E 根据电

7、磁学原理，两电刷间的感应电动势为:nKE e 式中：E感应电动势（V）； 对磁极的磁通（Wb）； n电枢转速（r/min）； Ke与电机结构有关的常数。 直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。 Page No.11 联系人: 尹海斌 Email: *2电磁转矩TM 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示： amM IKT 式中：TM电磁转矩（Nm）； 对磁极的磁通（Wb）； Ia电枢电流（A）； Km与电机结构有关的常数，Km=9.55 KePage No.12 联

8、系人: 尹海斌 Email: * 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同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，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，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0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 TM M必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩T TL L及空载损耗转矩及空载损耗转矩T T0 0相平衡。相平衡。2电磁转矩TM Page No.13 联系人: 尹海斌 Em

9、ail: * 从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ：电机运行方式E与I的方向E的作用TM的性质转矩之间的关系发电机相同电源电动势阻转矩T1=TM+ T0电动机相反反电动势驱动转矩TM= TL+ T0Page No.14 联系人: 尹海斌 Email: *三、直流电动机的分类 直流电动机按直流电动机按定子励磁绕组定子励磁绕组的励磁方式不的励磁方式不同可分为四类：同可分为四类： 后三种的励磁电流为电枢电流或者电枢电流的一部分也称为自励后三种的励磁电流为电枢电流或者电枢电流的一部分也称为自励Page No.15 联系人:

10、尹海斌 Email: *励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。1 1他励电动机他励电动机Page No.16 联系人: 尹海斌 Email: *电压与电流之间的关系电压与电流之间的关系Page No.17 联系人: 尹海斌 Email: *他励发电机的空载特性他励发电机的空载特性在发电机：在发电机：1 1）空载）空载2 2）转速为常数）转速为常数表示电动势与励磁电流之间表示电动势与励磁电流之间的关系的曲线的关系的曲线称为空载特性称为空载特性曲线曲线u空载曲线不是坐标原点开始的，因为有剩磁空载曲线不是坐标原点开始的，因为有剩磁u空载特性是发

11、电机的基本运行特性之一，它表明可以利空载特性是发电机的基本运行特性之一，它表明可以利用改变励磁电流的方法来获得所需的电压用改变励磁电流的方法来获得所需的电压Page No.18 联系人: 尹海斌 Email: *他励发电机的外特性他励发电机的外特性在发电机：在发电机：1 1）励磁电流）励磁电流2 2）转速为常数时）转速为常数时表示端电压与负载电流之间的表示端电压与负载电流之间的关系的曲线关系的曲线称为外特性曲线称为外特性曲线Page No.19 联系人: 尹海斌 Email: *励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（b b）

12、所示。所示。2. 2. 并励电动机并励电动机Page No.20 联系人: 尹海斌 Email: *电压与电流之间的关系电压与电流之间的关系Page No.21 联系人: 尹海斌 Email: *励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（c c）所示：所示：3.3.串励电动机串励电动机Page No.22 联系人: 尹海斌 Email: *33 直流他励电动机的机械特性 一、机械特性的一般形式 电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励

13、电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。 Page No.23 联系人: 尹海斌 Email: *aaRIEU 式中: U外加电枢电压（V）； E感应电势（V）；aI电枢电流（A）；aR电枢回路内阻（） 电枢回路部分励磁回路部分Page No.24 联系人: 尹海斌 Email: *、nKE e am IKT aae RInKU 即： aeaeIKRKUn 转速特性TKKRKUn2meae 机械特性对应的机械特性如图所示： 由他励电动机的特性可知：励磁电流If的大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定时, If为定值，即

14、磁通为定值。Page No.25 联系人: 尹海斌 Email: *1. 理想空载转速： T T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。 根据机械特性可知： e0KUn 2. 转速降落 TKKRnn2mea0 3. 机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为： %100dd nTnT 理想空载点Page No.26 联系人: 尹海斌 Email: * 即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。 根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。 （1）绝对硬特性 （2）硬特性10 （3）软特性0，Tm0反接制动状态。到达c点反接制动过程结束。若电枢还

15、不从电源拉开电机将会反相启动，并在c-f段建立平衡点段建立平衡点。n0，Tm0电动Page No.69 联系人: 尹海斌 Email: * 注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流 ，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。 电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。 Page No.70 联系人: 尹海斌 Email: * 2倒拉反接制动（改变电枢电动势的方向） 电动机固有机械特性如曲线1所示和电枢回路串接电阻的人为机械特性如曲线2 现电动机驱动位能负载转矩特性如如曲线3所示。 Page No.7

16、1 联系人: 尹海斌 Email: * a点：重物匀速上升。 Tm0，n0，电动机工作在电动状态。 cd段：Tm0，n0，电动机工作在电动状态。 由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。Page No.72 联系人: 尹海斌 Email: * db段：当转速下降到0时，由于电动机的输出转矩TM仍然小于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点d而稳定运行。电动机匀速下放重物。 电动机在cd段： Tm0，nTr ，前进时速度n 为正。 电车由直流电动机拖动，机械特性如图所示：Page No.74 联系人: 尹海斌 Email: * 匀速走平路时（a点）：输出

17、转矩TM用来克服负载转矩Tr 。 在an0段：TM与n的方向相同，故为电动状态。 在n0b段：TM与n的方向相反，且工作速度大于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。Page No.75 联系人: 尹海斌 Email: *2电枢电压突然下降时的反馈制动 设当电动机的电枢外加电压为U1和U2，且 U1U2时的机械特性如图所示： 若电动机工作在A点时将电枢电压突然降低为U2，电动机的机械特性变为曲线2，由于机械惯性，工作点由A转换到B点。此时-TM-TL0 ，电动机的转速在TM、TL的共同的作用下沿着曲线2下降直到新的平衡点D。 在BC段，转速n与转矩TM的方向相反，运行速度大于空载转速n02，故为反馈制动状态。Page No.76 联系人: 尹海斌 Email: *三、能耗制动 电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。 当切断电源接入电阻后，工作点由a点转到b点。 bo段：Tm0，能耗制动。Page No.77 联系人: 尹海斌 Email: *各种制动方式的特点及其应用场所各种制动方式的特点及其应用场所各种制动方式的特点及其适用场所各种制动方式的特点及其适用场所: :电源反接制动电源反接制动: :适用于生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合适用于生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合 以及要求经常正反转的机械上；可能反向启