《机电控制技术》课件-第二章

机电控制技术第二章直流电动机12/19/2022机电控制技术机电控制技术第二章直流电动机12/16/2022机电控制1目录2.1直流电动机的基本结构及工作原理2.2直流电动机的分类及铭牌参数2.3直流电动机的基本公式2.4直流电动机的运行特性2.5直流电动机的启动2.6直流电动机的制动2.7直流电动机的调速2.8直流电动机的使用12/19/2022机电控制技术目录2.1直流电动机的基本结构及工作原理2.22直流电动机因其良好的启动性能和调速性能而得到广泛应用。本章将详细介绍直流电动机的基本结构、工作原理、工作特性以及他励直流电动机的启动、制动、调速等实用技术。2.1直流电动机的基本结构及工作原理2.1.1直流电动机的基本结构

各种型号的直流电动机的基本结构都是一样的，都可以分为定子部分（即静止部分）和转子部分（即旋转部分）。定子部分包括机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组和换向器等。定子部分与转子部分之间存在一定的间隙，这个间隙称为空气隙。直流电动机的基本结构如图2-1所示。12/19/2022机电控制技术直流电动机因其良好的启动性能和调速性能而得到广泛应用。本章将312/19/2022机电控制技术12/16/2022机电控制技术4

1.定子部分换向极可用来改善直流电动机的换向性能。它主要由换向极铁芯和换向极绕组构成。换向极铁芯一般用整块钢制成，如换向要求较高，则用1～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压而成。换向极绕组中流过的是电枢电流。换向极装在相邻两个主磁极之间，且用螺钉固定在机座上。1）机座3）换向极2）主磁极机座既可以固定主磁极、换向极、端盖等部件，又是直流电动机磁路的一部分（磁轭）。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。主磁极的作用是产生气隙磁场。它一般由主磁极铁芯和主磁极绕组（励磁绕组）构成。主磁极铁芯一般由1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成。主磁极绕组中通入直流电流。整个磁极用螺钉固定在机座上。12/19/2022机电控制技术1.定子部分换向极可用来改善直流电动机的换向性能。它主要由5电刷装置与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转变为电刷端的直流电。电刷的个数一般等于主磁极的个数。如图2-2所示为直流电动机的电刷装置。4）电刷装置12/19/2022机电控制技术电刷装置与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把62.转子部分换向器是由多个挤压在一起的梯形铜片构成的，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接。如图2-3所示为换向器的组成结构。1）电枢铁芯3）换向器2）电枢绕组电枢铁芯是直流电动机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯一般用两边涂有0.5mm厚的绝缘漆的硅钢板冲片叠压而成。电枢铁芯固定在转轴或转子支架上。当电枢铁芯较长时，为加强冷却，可将其沿轴向分成数段，且段与段之间应留有通风孔。用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放在电枢铁芯的槽中，各线圈元件按一定的规律连接到相应的换向片上，这些元件就组成了电枢绕组。12/19/2022机电控制技术2.转子部分换向器是由多个挤压在一起的梯形铜片构成的，片与片712/19/2022机电控制技术12/16/2022机电控制技术82.1.2直流电动机的工作原理

为了更好理解直流电动机的工作原理，下面以直流电动机的简化模型来进行说明，如图2-4所示为直流电动机工作原理的模型示意图。

12/19/2022机电控制技术2.1.2直流电动机的工作原理

为了更好理92.2直流电动机的分类及铭牌参数2.2.1直流电动机的分类

直流电动机按连接方式可分为他励直流电动机和自励直流电动机。

1.他励直流电动机

他励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，这类直流电动机是由其他直流电源对励磁绕组进行供电的，其接线方式如图2-5所示。12/19/2022机电控制技术2.2直流电动机的分类及铭牌参数2.2.1直流电动机102.自励直流电动机

自励直流电动机可分为并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机。1）并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，其接线方式如图2-6所示。12/19/2022机电控制技术2.自励直流电动机

自励直流电动机可分为并励112）串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，接在直流电源上，其接线方式如图2-7所示。3）复励直流电动机复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，其接线方式如图2-8所示。12/19/2022机电控制技术2）串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，122.2.2直流电动机的铭牌参数

直流电动机的铭牌参数主要包含以下几项：（1）额定功率（2）额定电压（3）额定电流（4）额定转速（5）额定转矩（6）额定效率（7）绝缘等级是指直流电动机在额定状态下工作时所能输出的功率。指直流电动机在额定状态下工作时出线端的电压值。是指对应额定功率和额定电压时的电流值。是指功率、电压和电流都为额定值时的转速。反映了输出额定功率和额定转速之间的关系是直流电动机在额定状态下工作时，输出功率与输入功率之比指直流电动机各绝缘部分所用绝缘材料的等级12/19/2022机电控制技术2.2.2直流电动机的铭牌参数

直流电动132.3直流电动机的基本公式2.3.1直流电动机的感应电动势和电磁转矩

对直流电动机的电枢绕组电路进行分析，可得直流电动机电枢绕组感应电动势的表达式为式中，

Ce为直流电动机的感应电动势常数，是一个与直流电动机的结构有关的常数；为直流电动机的磁通(Wb)；n为直流电动机的转速(r/min)。

由式(2-4)可知，若要改变Ea的大小，可以改变（由直流电动机的励磁电流If决定）或n的大小。若要改变Ea的方向，可以改变的方向或直流电动机的旋转方向。(2-4)12/19/2022机电控制技术2.3直流电动机的基本公式2.3.1直流电动机的感应电142.3.2直流电动机感应电动势平衡方程

如图2-9所示为一台直流电动机转子的等效电路图，外加直流电枢电压为Ua，在电枢回路中产生的电枢电流为Ia，励磁绕组由外加励磁电源供给，根据直流电动机的工作原理可知，载流导体在磁场中受到电磁力的作用而使电枢旋转，这时在电枢绕组中产生感应电动势Ea，由于Ea方向和Ua的方向相反，所以将Ea称为反电动势。这时感应电动势平衡方程的表达式为12/19/2022机电控制技术2.3.2直流电动机感应电动势平衡方程

如图152.3.3直流电动机的功率平衡方程

直流电动机在带动负载旋转的过程中将对负载做功，输出一定的机械功率P2。电动机的输入功率为直流电源提供的功率P1。由于在定子和转子电路和磁路中存在一定的功率损耗，此外，空气阻力和磨擦力等的阻力转矩也要损失一定的功率，因而输入功率P1并不能完全转换为输出功率P2。若用表示总的损耗功率，根据能量守恒定律，输入功率P1应该等于输出功率P2和总的损耗功率之和，即12/19/2022机电控制技术2.3.3直流电动机的功率平衡方程

直流电162.3.4直流电动机的转矩平衡方程12/19/2022机电控制技术2.3.4直流电动机的转矩平衡方程12/16/2022机电172.4直流电动机的运动特性

2.4.1直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性是指直流电动机的转速特性、电磁转矩特性和效率特性，即在保持额定电压UN、额定励磁电流IfN或励磁调节不变的情况下，直流电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率η随输出功率变化的特性，可以用曲线n=f(P2)、Tem=f(P2)和η=f(P2)来表示。但在实际应用中，由于电枢电流Ia较易测量，且Ia的变化趋势与P2相近，并随P2的增大而增大，变化趋势相近，故也可将工作特性用曲线n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、η=f(Ia)来表示。

直流电动机的工作特性一般可通过负载试验来测取，也可通过电磁计算求出。求取工作特性的目的在于检验直流电动机在额定运行情况下的主要技术性能是否满足有关技术标准所规定的保证值的要求，同时也可以了解直流电动机的主要技术性能随负载变化的情况，以便用户合理选用直流电动机。

12/19/2022机电控制技术2.4直流电动机的运动特性2.4.1直流电动机的工作特18

1.他励(并励)直流电动机的工作特性曲线2.串励直流电动机的工作特性曲线12/19/2022机电控制技术1.他励(并励)直流电动机的工作特性曲线2.19

2.4.2直流电动机的机械特性1.他励（并励）直流电动机的机械特性1）固有机械特性通常将大的机械特性称为软特性，将小的机械特性称为硬特性。他励（并励）直流电动机固有机械特性曲线如图2-12所示，此时R=Ra，且Ra较小，因而相应也较小，故他励（并励）直流电动机固有机械特性较硬。12/19/2022机电控制技术2.4.2直流电动机的机械特性12/16/2022机电20

2）人为机械特性他励（并励）直流电动机包含以下3种人为机械特性：（1）电枢回路中串入电阻时的人为机械特性。当电枢回路中串入电阻Rs时，U=UN、Φ=ΦN、R=Ra+Rs，此时的人为机械特性与固有特性机械相比，理想空载转速n0不变，但相应增大，如图2-13所示。可见，电枢回路串入电阻后，在同样大小的负载下，直流电动机的转速将下降，在低速稳定运行。12/19/2022机电控制技术2）人为机械特性12/16/2022机电控制技术21（2）降低电源电压时的人为机械特性。当降低电源电压时，Rs=0、Φ=ΦN，由于直流电动机的电源电压一般以额定电压UN为上限，因此，电源电压通常只能在低于额定电压UN的范围内变化。此时的人为机械特性与固有机械特性相比，不变，但理想空载转速n0随电源电压的降低成正比降低，因此，降低电源电压时的人为机械特性曲线是低于固有机械特性曲线的一组平行直线，如图2-14所示。12/19/2022机电控制技术（2）降低电源电压时的人为机械特性。当降低电源电压时，Rs22

（3）减弱磁通时的人为机械特性12/19/2022机电控制技术（3）减弱磁通时的人为机械特性12/16/223

2.自励直流电动机的机械特性

1）串励直流电动机的机械特性由于串励直流电动机的负载电流、电枢电流和励磁电流三者相同，因而调节电源电压或电枢电阻的同时，励磁电流也将随之变化。对于固有机械特性，当电磁转矩Tem增大时，电枢电流Ia增大，这时电枢电阻引起的压降IaRa和磁通均随之增大。当电源电压保持不变，电枢回路串入的调节电阻RJ逐渐增大时，串励直流电动机的人为机械特性曲线如图2-16所示。当RJ从零开始逐渐增大时，该人为机械特性曲线向下移动，很快增大，其机械特性越发变软。12/19/2022机电控制技术2.自励直流电动机的机械特性12/16/2022机电控制技242）复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性介于并励直流电动机的机械特性和串励直流电动机的机械特性之间，当并励绕组起主要作用时，其机械特性就接近于并励直流电动机的机械特性；当串励绕组起主要作用时，其机械特性就接近于串励直流电动机的机械特性。12/19/2022机电控制技术2）复励直流电动机的机械特性12/16/2022机电控制技术252.5直流电动机的启动一般对直流电动机的启动有如下要求：

（1）启动转矩足够大(Tst>TL)，这样他励直流电动机才能顺利启动。

（2）启动电流Ist要限制在一定的范围内。

（3）启动设备操作方便、启动时间短、运行可靠、成本低廉。

2.5.1他励直流电动机的直接启动

直接启动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的启动方式，启动开始瞬间，由于机械惯性，他励直流电动机的转速n=0，电枢绕组中产生的反电动势Ea=CeΦn=0。由直流电动机感应电动势的平衡方程可知启动电流为由式（2-7）可知，启动转矩为12/19/2022机电控制技术2.5直流电动机的启动一般对直流电动机的启动有如下要求：26

2.5.2他励直流电动机的电枢回路串入电阻启动

电枢回路串入电阻启动，即启动时在电枢回路中串入电阻，以减小启动电流Ist，从而保证足够的启动转矩，待他励直流电动机启动后，再逐渐切除串入电阻。如图2-18所示为他励直流电动机电枢回路串入电阻启动的接线图和机械特性曲线。12/19/2022机电控制技术2.5.2他励直流电动机的电枢回路串入电阻启动

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2.5.3他励直流电动机的降低电源电压启动

降低电源电压启动，即在启动前将电源电压降低，以减小启动电流Ist，待他励直流电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动转矩维持在一定数值，以保证他励直流电动机按加速度升速。他励直流电动机降低电源电压启动的接线图和机械特性曲线如图2-19所示。这种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小、启动平稳、转矩容易控制，而且启动能耗小，是一种较好的启动方法。12/19/2022机电控制技术2.5.3他励直流电动机的降低电源电压启动

282.6直流电动机的制动以他励直流电动机的制动为例进行说明，他励直流电动机的制动是指在他励直流电动机的轴上加一个与旋转方向相反的转矩，以达到快速停车、减速或稳速的目的。他励直流电动机的制动可采用机械方法和电气方法。常用的电气方法包括能耗制动、反接制动和回馈制动。判断他励直流电动机处于制动状态的条件是电磁转矩Tem的方向和转速n的方向相反。2.6.1他励直流电动机的能耗制动

他励直流电动机能耗制动的机械特性曲线如图2-20所示。他励直流电动机原来工作于电动运行状态，能耗制动时应保持励磁电流不变，将电枢回路两端从电网断开，并立即接到一个制动电阻RZ上，图中他励直流电动机工作点从A点切换到B点时，因为U=0，所以Ia=－Ea/(Ra+RZ)，即电枢电流为负值，由此产生的电磁转矩Tem也随之反向，由原来的与n同方向变为与n反方向，使他励直流电动机减速，进入制动状态，工作点沿特性曲线3下降，由B点移至O点。12/19/2022机电控制技术2.6直流电动机的制动以他励直流电动机的制动为例进行说明29当n=0，Tem=0时，若是反抗性负载，则他励直流电动机停转。这个过程中，他励直流电动机由生产机械的惯性作用拖动，输入机械能而发电，发出的能量消耗在电枢回路的电阻Ra和RZ上，直到他励直流电动机停止转动，故称为能耗制动。12/19/2022机电控制技术当n=0，Tem=0时，若是反抗性负载，则他励直流电动机停30

2.6.2他励直流电动机的反接制动反接制动可分为倒拉反接制动和电枢电压反接制动。

1.倒拉反接制动如图2-21所示，他励直流电动机提升重物时，工作于a点，若在他励直流电动机的电枢回路中串联足够大的电阻，使其特性变得很软，转速下降，当n=0时，他励直流电动机的Tst仍然小于TL，在重物负载倒拉的作用下，他励直流电动机继续减速进入反转，最终稳定地运行在d点。此时n<0，Tst的方向不变，即进入制动状态，工作点位于第四象限，Ea方向变为与U相同。12/19/2022机电控制技术2.6.2他励直流电动机的反接制动12/16/202231

2.电枢电压反接制动

他励直流电动机工作于电动状态下时，为使其迅速停车，可维持励磁电流不变，改变电枢两端外加电压U的极性，此时n、Ea的方向还没有变化，电枢电流Ia为负值，由其产生的电磁转矩的方向也随之改变，进入制动状态。由于加在电枢回路的电压为－(U＋Ea)≈－2U，因而在电源反接的同时，必须串接较大的制动电阻RZ，RZ的大小应使反接制动时电枢电流Ia≤2.5IN。他励直流电动机电枢电压反接制动的机械特性曲线如图2-22所示。12/19/2022机电控制技术2.电枢电压反接制动12/16/2022机电控制技术32

2.6.3他励直流电动机的回馈制动

他励直流电动机回馈制动的机械特性曲线如图2-23所示。若在电枢回路中串入电阻，可使他励直流电动机回馈制动的机械特性曲线的斜率增加。12/19/2022机电控制技术2.6.3他励直流电动机的回馈制动12/16/2022332.7直流电动机的调速以他励直流电动机的调速为例进行说明，很多生产机械为适应其工艺过程要求，在不同的情况下，必须具有不同的转速，因此，要求他励直流电动机的转速必须能够调节，这种调节过程简称为调速。所谓调速是指在负载转矩不变的情况下，依靠人为地改变他励直流电动机的机械特性来改变系统的转速。评价调速性能的优劣常用调速范围、静差率、调速平滑性、调速时的容许输出和调速的经济性这些指标。调速范围静差率调速平滑性调速时的容许输出调速的经济性在额定负载下，他励直流电动机的最高转速与最低转速之比称为调速范围在某一机械特性上，他励直流电动机的额定转速降与理想空载转速之比称为静差率。它反映转速的相对稳定性。静差率常用百分数来表示。调速时，相邻两级转速之比称为调速的平滑性。通常用平滑系数K来表示。是指在电流为额定值且保持不变的情况下调速时，他励直流电动机容许输出的最大转矩。主要是调速装置的初投资、电能损耗和运转维修费用等。12/19/2022机电控制技术2.7直流电动机的调速以他励直流电动机的调速为例进行说明34

2.7.1他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速电枢回路串入电阻调速要求U=UN、Φ=ΦN，仅通过改变电枢回路的电阻来调节速度。此时，他励直流电动机的理想空载转速n0不变，额定转速降△nN变大，特性变软。如图2-24所示，设他励直流电动机工作在固有机械特性曲线的a点上，以转速na稳定运行。为了调节速度，将接触器KM的常开触头断开，串入电阻Rcs，此时，他励直流电动机的工作点从固有特性曲线移到人为特性曲线上运行，此时，他励直流电动机所对应的稳态转速为nc。串入不同的电阻，可获得不同的稳态转速。12/19/2022机电控制技术2.7.1他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速12/135

2.7.2他励直流电动机的降低电源电压调速

不同的人为机械特性对应不同的稳定转速，如图2-25中的a、c、d点所示，如将电源电压由UN调至U1，则他励直流电动机的工作点将由a点经b点过渡到c点，进而稳定运行。由此可知，降低电源电压调速具有以下特点(1)由于特性硬度不变，因而具有较大的调速范围和较好的稳定性。(2)可实现无级调速，具有良好的平滑性。(3)电能损耗不大。(4)调压设备比较复杂。目前大多数调压设备采用晶闸管整流装置。12/19/2022机电控制技术2.7.2他励直流电动机的降低电源电压调速12/16/36

2.7.3他励直流电动机的减弱磁通调速

他励直流电动机在额定磁通下工作时，磁路已接近饱和，因此，一般采用减磁调速。在U=UN、电枢回路中不串入附加电阻时，若减弱磁通，则理想空载转速和转速降将均随磁通的减小而升高，因此，他励直流电动机的磁通越弱，其机械特性越软。如图2-26所示为他励直流电动机减弱磁通调速时的机械特性曲线。12/19/2022机电控制技术2.7.3他励直流电动机的减弱磁通调速12/16/20372.8直流电动机的使用直流电动机的使用寿命是有限的，它在运行过程中绝缘材料会逐步老化、失效，轴承将逐渐磨损，电刷使用一定时间后因磨损而必须进行更换，换向器表面有时也会发黑或灼伤。直流电动机在使用过程中由于受到周围环境的影响，如油污、灰尘、潮气、腐蚀性气体的侵蚀等，其使用寿命会缩短。直流电动机若使用不当也会缩短其使用寿命，如，转轴受到不应有的扭力等会将使轴承加速磨损，甚至使轴扭断；直流电动机过载，会使其因过热而造成绝缘老化，甚至烧损。这些损伤都是由外部因素造成的，为避免这些情况的发生，正确使用直流电动机、及时发现直流电动机运行中的故障隐患是十分重要的。

12/19/2022机电控制技术2.8直流电动机的使用直流电动机的使用寿命是有限的，它在381.正确使用直流电动机正确使用直流电动机(1)根据负载大小正确选择直流电动机的功率。一般直流电动机的额定功率要比负载所需的功率稍大一些，以免直流电动机过载，但也不能太大，以免造成浪费。(2)根据负载转速正确选择直流电动机的转速。选择的原则是使直流电动机和被驱动的生产机械都在额定转速下运行。(3)根据负载特点正确选择直流电动机的结构形式。一般要求转速恒定的机械选用并励电动机；起重及运输机械选用串励直流电动机，并需考虑直流电动机的抗振性能及防止风沙、雨水等侵袭的性能；在矿井内使用的直流电动机还需具有防爆性能。(4)直流电动机在使用前的检查项目。对新安装使用的直流电动机或搁置较长时间未使用的直流电动机在通电前必须作检查。①检查直流电动机铭牌、电路接线、启动设备等是否完全符合规定。②清洁直流电动机，检查直流电动机的绝缘电阻。③用手拨动直流电动机的旋转部分，检查其是否灵活。④通电进行空载试验运转，观察直流电动机转速、转向是否正常，是否有异声等。以上检查合格后该直流电动机才可带动负载启动。(5)直流电动机在运行中的监视。对运行中的直流电动机进行监视的目的是为了避免一切不利于直流电动机正常运行的因素，及早发现故障隐患，及时进行处理，以免故障扩大，造成重大损失。(5)直流电动机在运行中的监视。对运行中的直流电动机进行监视的目的是为了避免一切不利于直流电动机正常运行的因素，及早发现故障隐患，及时进行处理，以免故障扩大，造成重大损失。12/19/2022机电控制技术1.正确使用直流电动机正(1)根据负载大小正确选择直流电动392.直流电动机的定期维护

为了保证直流电动机正常工作，除按操作规程正确使用直流电动机，且运行过程中注意正常监视外，还应对直流电动机进行定期维护，其主要内容有：(1)清理擦拭直流电动机外部，及时除去机座外部的灰尘、油污。检查直流电动机的接线端子，观察接线螺钉是否松动、烧伤等。(2)检查传动装置，包括带轮或联轴器等有无破裂、损坏，安装是否牢固等(3)定期检查，并清洗直流电动机的轴承，更换润滑油或润滑脂。12/19/2022机电控制技术2.直流电动机的定期维护12/16/2022机电控制技术40谢谢！12/19/2022机电控制技术谢谢！12/16/2022机电控制技术41机电控制技术第二章直流电动机12/19/2022机电控制技术机电控制技术第二章直流电动机12/16/2022机电控制42目录2.1直流电动机的基本结构及工作原理2.2直流电动机的分类及铭牌参数2.3直流电动机的基本公式2.4直流电动机的运行特性2.5直流电动机的启动2.6直流电动机的制动2.7直流电动机的调速2.8直流电动机的使用12/19/2022机电控制技术目录2.1直流电动机的基本结构及工作原理2.243直流电动机因其良好的启动性能和调速性能而得到广泛应用。本章将详细介绍直流电动机的基本结构、工作原理、工作特性以及他励直流电动机的启动、制动、调速等实用技术。2.1直流电动机的基本结构及工作原理2.1.1直流电动机的基本结构

各种型号的直流电动机的基本结构都是一样的，都可以分为定子部分（即静止部分）和转子部分（即旋转部分）。定子部分包括机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组和换向器等。定子部分与转子部分之间存在一定的间隙，这个间隙称为空气隙。直流电动机的基本结构如图2-1所示。12/19/2022机电控制技术直流电动机因其良好的启动性能和调速性能而得到广泛应用。本章将4412/19/2022机电控制技术12/16/2022机电控制技术45

1.定子部分换向极可用来改善直流电动机的换向性能。它主要由换向极铁芯和换向极绕组构成。换向极铁芯一般用整块钢制成，如换向要求较高，则用1～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压而成。换向极绕组中流过的是电枢电流。换向极装在相邻两个主磁极之间，且用螺钉固定在机座上。1）机座3）换向极2）主磁极机座既可以固定主磁极、换向极、端盖等部件，又是直流电动机磁路的一部分（磁轭）。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。主磁极的作用是产生气隙磁场。它一般由主磁极铁芯和主磁极绕组（励磁绕组）构成。主磁极铁芯一般由1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成。主磁极绕组中通入直流电流。整个磁极用螺钉固定在机座上。12/19/2022机电控制技术1.定子部分换向极可用来改善直流电动机的换向性能。它主要由46电刷装置与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转变为电刷端的直流电。电刷的个数一般等于主磁极的个数。如图2-2所示为直流电动机的电刷装置。4）电刷装置12/19/2022机电控制技术电刷装置与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把472.转子部分换向器是由多个挤压在一起的梯形铜片构成的，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接。如图2-3所示为换向器的组成结构。1）电枢铁芯3）换向器2）电枢绕组电枢铁芯是直流电动机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯一般用两边涂有0.5mm厚的绝缘漆的硅钢板冲片叠压而成。电枢铁芯固定在转轴或转子支架上。当电枢铁芯较长时，为加强冷却，可将其沿轴向分成数段，且段与段之间应留有通风孔。用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放在电枢铁芯的槽中，各线圈元件按一定的规律连接到相应的换向片上，这些元件就组成了电枢绕组。12/19/2022机电控制技术2.转子部分换向器是由多个挤压在一起的梯形铜片构成的，片与片4812/19/2022机电控制技术12/16/2022机电控制技术492.1.2直流电动机的工作原理

为了更好理解直流电动机的工作原理，下面以直流电动机的简化模型来进行说明，如图2-4所示为直流电动机工作原理的模型示意图。

12/19/2022机电控制技术2.1.2直流电动机的工作原理

为了更好理502.2直流电动机的分类及铭牌参数2.2.1直流电动机的分类

直流电动机按连接方式可分为他励直流电动机和自励直流电动机。

1.他励直流电动机

他励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，这类直流电动机是由其他直流电源对励磁绕组进行供电的，其接线方式如图2-5所示。12/19/2022机电控制技术2.2直流电动机的分类及铭牌参数2.2.1直流电动机512.自励直流电动机

自励直流电动机可分为并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机。1）并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，其接线方式如图2-6所示。12/19/2022机电控制技术2.自励直流电动机

自励直流电动机可分为并励522）串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，接在直流电源上，其接线方式如图2-7所示。3）复励直流电动机复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，其接线方式如图2-8所示。12/19/2022机电控制技术2）串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，532.2.2直流电动机的铭牌参数

直流电动机的铭牌参数主要包含以下几项：（1）额定功率（2）额定电压（3）额定电流（4）额定转速（5）额定转矩（6）额定效率（7）绝缘等级是指直流电动机在额定状态下工作时所能输出的功率。指直流电动机在额定状态下工作时出线端的电压值。是指对应额定功率和额定电压时的电流值。是指功率、电压和电流都为额定值时的转速。反映了输出额定功率和额定转速之间的关系是直流电动机在额定状态下工作时，输出功率与输入功率之比指直流电动机各绝缘部分所用绝缘材料的等级12/19/2022机电控制技术2.2.2直流电动机的铭牌参数

直流电动542.3直流电动机的基本公式2.3.1直流电动机的感应电动势和电磁转矩

对直流电动机的电枢绕组电路进行分析，可得直流电动机电枢绕组感应电动势的表达式为式中，

Ce为直流电动机的感应电动势常数，是一个与直流电动机的结构有关的常数；为直流电动机的磁通(Wb)；n为直流电动机的转速(r/min)。

由式(2-4)可知，若要改变Ea的大小，可以改变（由直流电动机的励磁电流If决定）或n的大小。若要改变Ea的方向，可以改变的方向或直流电动机的旋转方向。(2-4)12/19/2022机电控制技术2.3直流电动机的基本公式2.3.1直流电动机的感应电552.3.2直流电动机感应电动势平衡方程

如图2-9所示为一台直流电动机转子的等效电路图，外加直流电枢电压为Ua，在电枢回路中产生的电枢电流为Ia，励磁绕组由外加励磁电源供给，根据直流电动机的工作原理可知，载流导体在磁场中受到电磁力的作用而使电枢旋转，这时在电枢绕组中产生感应电动势Ea，由于Ea方向和Ua的方向相反，所以将Ea称为反电动势。这时感应电动势平衡方程的表达式为12/19/2022机电控制技术2.3.2直流电动机感应电动势平衡方程

如图562.3.3直流电动机的功率平衡方程

直流电动机在带动负载旋转的过程中将对负载做功，输出一定的机械功率P2。电动机的输入功率为直流电源提供的功率P1。由于在定子和转子电路和磁路中存在一定的功率损耗，此外，空气阻力和磨擦力等的阻力转矩也要损失一定的功率，因而输入功率P1并不能完全转换为输出功率P2。若用表示总的损耗功率，根据能量守恒定律，输入功率P1应该等于输出功率P2和总的损耗功率之和，即12/19/2022机电控制技术2.3.3直流电动机的功率平衡方程

直流电572.3.4直流电动机的转矩平衡方程12/19/2022机电控制技术2.3.4直流电动机的转矩平衡方程12/16/2022机电582.4直流电动机的运动特性

2.4.1直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性是指直流电动机的转速特性、电磁转矩特性和效率特性，即在保持额定电压UN、额定励磁电流IfN或励磁调节不变的情况下，直流电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率η随输出功率变化的特性，可以用曲线n=f(P2)、Tem=f(P2)和η=f(P2)来表示。但在实际应用中，由于电枢电流Ia较易测量，且Ia的变化趋势与P2相近，并随P2的增大而增大，变化趋势相近，故也可将工作特性用曲线n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、η=f(Ia)来表示。

直流电动机的工作特性一般可通过负载试验来测取，也可通过电磁计算求出。求取工作特性的目的在于检验直流电动机在额定运行情况下的主要技术性能是否满足有关技术标准所规定的保证值的要求，同时也可以了解直流电动机的主要技术性能随负载变化的情况，以便用户合理选用直流电动机。

12/19/2022机电控制技术2.4直流电动机的运动特性2.4.1直流电动机的工作特59

1.他励(并励)直流电动机的工作特性曲线2.串励直流电动机的工作特性曲线12/19/2022机电控制技术1.他励(并励)直流电动机的工作特性曲线2.60

2.4.2直流电动机的机械特性1.他励（并励）直流电动机的机械特性1）固有机械特性通常将大的机械特性称为软特性，将小的机械特性称为硬特性。他励（并励）直流电动机固有机械特性曲线如图2-12所示，此时R=Ra，且Ra较小，因而相应也较小，故他励（并励）直流电动机固有机械特性较硬。12/19/2022机电控制技术2.4.2直流电动机的机械特性12/16/2022机电61

2）人为机械特性他励（并励）直流电动机包含以下3种人为机械特性：（1）电枢回路中串入电阻时的人为机械特性。当电枢回路中串入电阻Rs时，U=UN、Φ=ΦN、R=Ra+Rs，此时的人为机械特性与固有特性机械相比，理想空载转速n0不变，但相应增大，如图2-13所示。可见，电枢回路串入电阻后，在同样大小的负载下，直流电动机的转速将下降，在低速稳定运行。12/19/2022机电控制技术2）人为机械特性12/16/2022机电控制技术62（2）降低电源电压时的人为机械特性。当降低电源电压时，Rs=0、Φ=ΦN，由于直流电动机的电源电压一般以额定电压UN为上限，因此，电源电压通常只能在低于额定电压UN的范围内变化。此时的人为机械特性与固有机械特性相比，不变，但理想空载转速n0随电源电压的降低成正比降低，因此，降低电源电压时的人为机械特性曲线是低于固有机械特性曲线的一组平行直线，如图2-14所示。12/19/2022机电控制技术（2）降低电源电压时的人为机械特性。当降低电源电压时，Rs63

（3）减弱磁通时的人为机械特性12/19/2022机电控制技术（3）减弱磁通时的人为机械特性12/16/264

2.自励直流电动机的机械特性

1）串励直流电动机的机械特性由于串励直流电动机的负载电流、电枢电流和励磁电流三者相同，因而调节电源电压或电枢电阻的同时，励磁电流也将随之变化。对于固有机械特性，当电磁转矩Tem增大时，电枢电流Ia增大，这时电枢电阻引起的压降IaRa和磁通均随之增大。当电源电压保持不变，电枢回路串入的调节电阻RJ逐渐增大时，串励直流电动机的人为机械特性曲线如图2-16所示。当RJ从零开始逐渐增大时，该人为机械特性曲线向下移动，很快增大，其机械特性越发变软。12/19/2022机电控制技术2.自励直流电动机的机械特性12/16/2022机电控制技652）复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性介于并励直流电动机的机械特性和串励直流电动机的机械特性之间，当并励绕组起主要作用时，其机械特性就接近于并励直流电动机的机械特性；当串励绕组起主要作用时，其机械特性就接近于串励直流电动机的机械特性。12/19/2022机电控制技术2）复励直流电动机的机械特性12/16/2022机电控制技术662.5直流电动机的启动一般对直流电动机的启动有如下要求：

（1）启动转矩足够大(Tst>TL)，这样他励直流电动机才能顺利启动。

（2）启动电流Ist要限制在一定的范围内。

（3）启动设备操作方便、启动时间短、运行可靠、成本低廉。

2.5.1他励直流电动机的直接启动

直接启动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的启动方式，启动开始瞬间，由于机械惯性，他励直流电动机的转速n=0，电枢绕组中产生的反电动势Ea=CeΦn=0。由直流电动机感应电动势的平衡方程可知启动电流为由式（2-7）可知，启动转矩为12/19/2022机电控制技术2.5直流电动机的启动一般对直流电动机的启动有如下要求：67

2.5.2他励直流电动机的电枢回路串入电阻启动

电枢回路串入电阻启动，即启动时在电枢回路中串入电阻，以减小启动电流Ist，从而保证足够的启动转矩，待他励直流电动机启动后，再逐渐切除串入电阻。如图2-18所示为他励直流电动机电枢回路串入电阻启动的接线图和机械特性曲线。12/19/2022机电控制技术2.5.2他励直流电动机的电枢回路串入电阻启动

68

2.5.3他励直流电动机的降低电源电压启动

降低电源电压启动，即在启动前将电源电压降低，以减小启动电流Ist，待他励直流电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动转矩维持在一定数值，以保证他励直流电动机按加速度升速。他励直流电动机降低电源电压启动的接线图和机械特性曲线如图2-19所示。这种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小、启动平稳、转矩容易控制，而且启动能耗小，是一种较好的启动方法。12/19/2022机电控制技术2.5.3他励直流电动机的降低电源电压启动

692.6直流电动机的制动以他励直流电动机的制动为例进行说明，他励直流电动机的制动是指在他励直流电动机的轴上加一个与旋转方向相反的转矩，以达到快速停车、减速或稳速的目的。他励直流电动机的制动可采用机械方法和电气方法。常用的电气方法包括能耗制动、反接制动和回馈制动。判断他励直流电动机处于制动状态的条件是电磁转矩Tem的方向和转速n的方向相反。2.6.1他励直流电动机的能耗制动

他励直流电动机能耗制动的机械特性曲线如图2-20所示。他励直流电动机原来工作于电动运行状态，能耗制动时应保持励磁电流不变，将电枢回路两端从电网断开，并立即接到一个制动电阻RZ上，图中他励直流电动机工作点从A点切换到B点时，因为U=0，所以Ia=－Ea/(Ra+RZ)，即电枢电流为负值，由此产生的电磁转矩Tem也随之反向，由原来的与n同方向变为与n反方向，使他励直流电动机减速，进入制动状态，工作点沿特性曲线3下降，由B点移至O点。12/19/2022机电控制技术2.6直流电动机的制动以他励直流电动机的制动为例进行说明70当n=0，Tem=0时，若是反抗性负载，则他励直流电动机停转。这个过程中，他励直流电动机由生产机械的惯性作用拖动，输入机械能而发电，发出的能量消耗在电枢回路的电阻Ra和RZ上，直到他励直流电动机停止转动，故称为能耗制动。12/19/2022机电控制技术当n=0，Tem=0时，若是反抗性负载，则他励直流电动机停71

2.6.2他励直流电动机的反接制动反接制动可分为倒拉反接制动和电枢电压反接制动。

1.倒拉反接制动如图2-21所示，他励直流电动机提升重物时，工作于a点，若在他励直流电动机的电枢回路中串联足够大的电阻，使其特性变得很软，转速下降，当n=0时，他励直流电动机的Tst仍然小于TL，在重物负载倒拉的作用下，他励直流电动机继续减速进入反转，最终稳定地运行在d点。此时n<0，Tst的方向不变，即进入制动状态，工作点位于第四象限，Ea方向变为与U相同。12/19/2022机电控制技术2.6.2他励直流电动机的反接制动12/16/202272

2.电枢电压反接制动

他励直流电动机工作于电动状态下时，为使其迅速停车，可维持励磁电流不变，改变电枢两端外加电压U的极性，此时n、Ea的方向还没有变化，电枢电流Ia为负值，由其产生的电磁转矩的方向也随之改变，进入制动状态。由于加在电枢回路的电压为－(U＋Ea)≈－2U，因而在电源反接的同时，必须串接较大的制动电阻RZ，RZ的大小应使反接制动时电枢电流Ia≤2.5IN。他励直流电动机电枢电压反接制动的机械特性曲线如图2-22所示。12/19/2022机电控制技术2.电枢电压反接制动12/16/2022机电控制技术73

2.6.3他励直流电动机的回馈制动

他励直流电动机回馈制动的机械特性曲线如图2-23所示。若在电枢回路中串入电阻，可使他励直流电动机回馈制动的机械特性曲线的斜率增加。12/19/2022机电控制技术2.6.3他励直流电动机的回馈制动12/16/2022742.7直流电动机的调速以他励直流电动机的调速为例进行说明，很多生产机械为适应其工艺过程要求，在不同的情况下，必须具有不同的转速，因此，要求他励直流电动机的转速必须能够调节，这种调节过程简称为调速。所谓调速是指在负载转矩不变的情况下，依靠人为地改变他励直流电动机的机械特性来改变系统的转速。评价调速性能的优劣常用调速范围、静差率、调速平滑性、调速时的容许输出和调速的经济性这些指标。调速范围静差率调速平滑性调速时的容许输出调速的经济性在额定负载下，他励直流电动机的最高转速与最低转速之比称为调速范围在某一机械特性上，他励直流电动机的额定转速降与理想空载转速之比称为静差率。它反映转速的相对稳定性。静差率常用百分数来表示。调速时，相邻两级转速之比称为调速的平滑性。通常用平滑系数K来表示。是指在电流为额定值且保持不变的情况下调速时，他励直流电动机容许输出的最大转矩。主要是调速装置的初投资、电能损耗和运转维修费用等。12/19/2022机电控制技术2.7直流电动机的调速以他励直流电动机的调速为例进行说明75

2.7.1他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速电枢回路串入电阻调速要求U=UN、Φ=ΦN，仅通过改变电枢回路的电阻来调节速度。此时，他励直流电动机的理想空载转速n0不变，额定转速降△nN变大，特性变软。如图2-24所示，设他励直流电动机工作在固有机械特性曲线的a点上，以