直流电动机简介

直流电动机简介第十一章直流电动机§11.1

概述§11.2工作原理§11.3电枢电动势及电压平衡关系§11.4电磁转矩§11.5机械特性§11.6直流电动机的调速§11.7直流电动机的使用和额定值§11.1

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、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。§11.2工作原理11.2.1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。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IIFFU+–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。11.2.2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1.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。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§11.3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）。11.3.1电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷换向片IIEE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IIEE11.3.2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。§11.4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11.4.1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。11.4.2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。例：设外加电枢电压U一定，T=TL(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。

机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边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。§11.5机械特性11.5.1他励电动机的机械特性即：其中，n0：

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，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。11.5.2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nT(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。(3)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(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。(2)通风机械负载，机械负载TL和转速n

的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。§11.6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。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（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是：由该式可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。11.6.1改变磁通（调磁）一.原理其中，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，二.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，调速过程:U一定,则RfEIaTnIaE最后达到新的平衡暂时T

>TL其中，（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。三.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。使用调磁来调速的方法时，应注意：11.6.2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。一.特性曲线nn0"n0'n0电压降低T其中，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。二.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。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（2）=0.8

N时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。11.6.3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，§11.7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。11.7.1使用一.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。(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：（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）或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。（1）反接制动三.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。（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