直流电动机结构原理及启动

关于直流电动机结构原理及启动1第1页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五2第2章直流电动机2.1概述2.2工作原理2.3电枢电动势及电压平衡关系2.4电磁转矩2.5机械特性2.6直流电动机的调速2.7直流电动机的使用和额定值第2页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五32.1概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具第3页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五42.2工作原理

一、工作原理U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II第4页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五5注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+–NS电刷换向片II第5页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五6FFU+–NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。第6页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五7直流发电机用右手定则判感应电动势Ea的方向U+–NSEEIa电枢绕组电阻Ra感应电动势输出电压第7页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五8二、直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构第8页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五91.转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。第9页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五10根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U第10页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五112.3电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。一、电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷换向片IIEE第11页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五12根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：KE：与电机结构有关的常数n：电动机转速：磁通单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+–NS电刷换向片IIEE第12页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五13二、电枢绕组中电压的平衡关系因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+–+–U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变

或n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变

可调速。第13页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五142.4电磁转矩KT：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流一、电磁转矩单位：

（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。第14页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五15二、转矩平衡关系电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL：负载转矩T0

：空载转矩转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。第15页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五16例：设外加电枢电压U一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia

、P入TL

nEIaT

最后达到新的平衡点。第16页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五17电机的电磁转矩和转速间的关系以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。2.5机械特性一、他励电动机的机械特性即：其中，M他励UfIfIaU第17页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五18n0：

理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当T时n

，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTnn其中，第18页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五19串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即=KIa,则据此公式做出T-n曲线nTM串励UIa第19页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五20(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。nT第20页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五21(2)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1)恒转矩的生产机械(负载转矩TL不随转速而变要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。TLTnnT第21页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五222.6直流电动机的调速

与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：第22页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五23

可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理其中，M他励UfIfIaU其中：=KIf以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。第23页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五24

Rf

Ifn

，但在额定情况下，已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。

Rf

Ifn，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法—

减小磁通，n只能上调。其中，M他励UfIfIaU其中：=KIf第24页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五252.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。？？？，因为：（

减小）TLRf增加Tn其中，第25页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五26调速过程:

U一定,则RfEIaTnIaE暂时T

>TL其中，最后达到新的平衡T

=TL其中：=KIf第26页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五27（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。3.减小调速的特点：第27页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五28第28页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五29第29页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五30二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.特性曲线nn0"n0'n0电压降低T其中，第30页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五312.改变电枢电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，，而nU，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V~整流调压220V~Uf=110V固定U=0~110V可调改变电枢电压调速方案举例：第31页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五32例：已知他励电动机的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN时,

n=?（2）=0.8

N时,

n=?解：（1）TL=0.5TN时第32页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五33（2）=0.8

N时第33页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五34这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，使n、

n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，nnn0RaRa+

RT其中，第34页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五352.7直流电动机的使用和额定值限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。一、使用1.启动启动时,n=0

Ea=0，若加入额定电压，则Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN内。第35页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五36(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=KTIa，而0

，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：第36页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五37（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，

则

,则E，Ia，T

，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使

Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。EIaT>>

T0

n飞车M他励UfIfIaU其中：=KIf第37页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五38措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。M他励UfIfIaU第38页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五392.反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1）改变励磁电流的方向。（2）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：第39页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五40（1）反接制动3.制动制动所采用的方法：

反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+–R运行制动电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。第40页，共46页，2022年，5月20日，13点17分，星期五41（2）能耗制动—电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+–R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。第41页，共46页，2022年，5月20日