第9章直流电动机

第９章直流电动机（上）电工技术与电子技术返回教师：朱成杰第9章直流电动机9.1直流电机的构造9.2

直流电机的基本工作原理9.4

并励电动机的起动与反转9.6串励直流电动机后一页9.3

直流电动机的机械特性9.5

并励(他励)电动机的调速返回第9章直流电动机

本章要求：1、了解直流电动机的基本构造和工作原理2、掌握他励（并励）和串励直流电动机的电压与电流的关系式，接线图、机械特性。3、搞清他励（并励）和串励直流电动机的起动、反转和调速的基本原理和基本方法。返回前一页后一页9.1直流电机的构造与异步机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，需使用直流电源。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、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。返回前一页后一页一、构造机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机的构造返回前一页后一页2.转子（电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。1.定子永磁式：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。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。返回前一页后一页他励电动机：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。二、直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为：他励电动机、并励电动机、串励电动机、复励电动机M他励UfIfIaUM并励UIf返回前一页后一页跳转二、直流电机的分类串励电动机：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。串励MU复励MU返回前一页后一页9.2直流电机的基本工作原理U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。abcd返回前一页后一页注意：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。通电线圈在磁场的作用下，产生电磁力（左手定则），使线圈逆时针旋转。U+–NS电刷换向片IIadcbFFTn返回前一页后一页EE线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。U+–NS电刷换向片IIadcbFF单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）KE：与电机结构有关的常数n：电动机转速：磁通1.电枢中的感应电动势电枢反电动势E的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变或n返回前一页后一页2.电枢回路电压平衡方程E与通入的电流方向相反，所以称反电势。式中：U—外加电压

Ra—绕组电阻MRaIaE+–+–U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。由公式可知返回前一页后一页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3.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。返回前一页后一页4.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T2：负载转矩T0

：空载转矩

当负载转矩T2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。转矩平衡过程：返回前一页后一页例：设外加电枢电压U一定，T=TC(平衡)，此时，若TC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TC

nIaT

达到新的平衡点。E返回前一页后一页9.3直流电动机的机械特性一、他励电动机的机械特性令：，特点：电枢回路和励磁回路分别由两个电源供电。由前分析知：（他励电动机与并励电动机的机械特性相同）MUfIfIaU++－－返回前一页后一页式中：n=f(T)

特性曲线nNTNn0Tn0他励电动机在负载变化时，转速n的变化不大。—硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线动画动画返回前一页后一页分析：当外加电枢电压U一定，T=TC(平衡)，若TC突然增加，则调整过程为：TC

nIaT

达到新的平衡点。En、Ia

、P入当TC分析可知：稳态下电枢电流及转速决定于负载转矩的大小可见：返回前一页后一页9.4并励电动机的起动与反转一、起动直流电动机不允许在UN下直接起动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。若加入额定电压，则起动时,n=01.原因：返回前一页后一页2.限制Iast的措施：3.注意事项1）起动时在电枢回路串电阻。2）起动时降低电枢电压。直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：返回前一页后一页1)若电动机原本静止，由于励磁转矩

T=KTIa=0，电机将不能起动，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。2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，

则E，Ia，T和，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。E

IaT>>

T0

n飞车返回前一页后一页二、反转例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。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）改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。返回前一页后一页9.5并励(他励)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(注：异步机改变极对数调速的方法叫有级调速)。2.调速范围大，调速比可达200以上（调速比等于最大转速和最小转速之比），因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。直流电动机调速的主要优点：返回前一页后一页1.改变电枢电压调速由转速公式:可见直流电机调速方法有三种。由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n0"n0'电压降低TN特性曲线nn0T0返回前一页后一页说明：改变电压的调速方法必须有连续可调的大功率直流电源，这种调速方法适用G-M（发电机-电动机）系统。G-M系统通过改变直流发电机的励磁电流来改变发电机的输出电压，发电机的输出电压再去控制电动机的电枢电压。这种方法投资大，目前广泛使用的方法是可控硅整流电路调节电枢电压。改变电枢电压调速的特点1)工作时电枢电压不允许超过UN，而nU，

所以调速只能向下调。2）均匀改变电枢电压，可得到平滑无级调速。3）调速幅度较大。返回前一页后一页跳转例：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时返回前一页后一页（2）=0.8

N时返回前一页后一页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。2.电枢回路串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，nRa+

Rnn0RaT返回前一页后一页由公式可知:

n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路串上电阻Rf，改变Rf大小可调节励磁电流，从而改变的大小。3.改变磁通调速（调磁）返回前一页后一页

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。改变磁通调速的方法:一般只采用减少励磁电流的方法调速。If的调节有两种情况：（

减小）TLRf增加Tn返回前一页后一页调速过程:

U一定,则RfEIaTnIaE最后达到新的平衡暂时T

>TL其中，返回前一页后一页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。

减小调速的特点：

1）若调速后Ia保持不变，则高速运转时负载转矩必须减小。2）这种调速方法只适用于恒功率调速。使用调磁调速时应注意：返回前一页后一页1）反接制动四.制动制动的所采用的方法：

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。返回前一页后一页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。返回前一页后一页特殊情况下，例如汽车下坡时，在重力的作用下nn0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。3)发电回馈制动跳转返回前一页后一页９.６串励直流电动机一、串励电动机的机械特性特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。设磁通和电流成正比，即=KIa,则MUnT动画返回前一页后一页二、串励电动机的调速和反转1）串电阻调速2）变励磁电流调速3）两台电动机串联改变电枢电压调速1.调速2.反转与他励电动机改变转向的方法相同。返回前一页后一页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很高的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。返回前一页后一页直流电动机的额定值1.额定功率PN:

电机轴上输出的机械功率2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流IN：

额定电压下轴上输出额定功率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）

三者关系：PN=UNIN