高中物理-直流电机的基本原理与结构课件

第三章直流电机

直流电机是通以直流电流的旋转电机，是电能和机械能相互转换的设备。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。

一、直流电机的工作原理〔一〕直流发电机工作原理两极直流发电机原理如图3-l所示。第一节直流电机的根本原理与结构TSKJ第一页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第二页，编辑于星期五：十一点十五分。

工作原理：电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向旋转，当线圈有效边ab和cd切割磁力线时，便在其中产生感应电动势，通过换向器和电刷的作用，使线圈产生的交变电动势变为电刷两端方向恒定的电动势，保持外电路的电流按一定方向流动。TSKJ第三页，编辑于星期五：十一点十五分。〔二〕直流电动机工作原理图3－5所示为直流电动机工作原理图

工作原理：当直流电动机电枢绕组接至电源上时，根据电磁力定律，载流导体在磁场中受电磁力的作用，产生了一个转矩，在转矩的作用下，电枢便按逆时针方向旋转起来。TSKJ第四页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第五页，编辑于星期五：十一点十五分。二、直流电机的根本结构直流电机的结构示意图如图3-6所示。它由定子和转子两个根本局部组成。TSKJ第六页，编辑于星期五：十一点十五分。〔一〕定子定子主要由〔1〕主磁极；〔2〕换向磁极；〔3〕机座、端盖和电刷装置等组成。1．主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。〔1〕磁极铁心：由l~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。是磁路局部。〔2〕励磁线圈：是磁路局部。产生主磁场。TSKJ第七页，编辑于星期五：十一点十五分。换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。作用：是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的火花。3．机座机座由铸钢或厚钢板制成。作用：来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定局部，又是电机磁路的一局部。4．端盖与电刷作用：支持转子的转轴，固定电刷架。

2．换向磁极

TSKJ第八页，编辑于星期五：十一点十五分。〔二〕转子转子〔电枢〕的组成：主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。1．铁心：由0.5㎜厚硅钢片叠压而成。作用：来嵌放电枢绕组，是直流电机磁路的一局部。2．电枢绕组：其作用是产生感应电动势和电磁转矩。3．换向器：换向器又称整流子，其作用是将直流电动机输人的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。TSKJ第九页，编辑于星期五：十一点十五分。〔三〕气隙气隙是电机磁路的重要局部。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，称为工作气隙。气隙大小对电机性能有很大影响。三、直流电机的励磁方式1．励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。2．直流电机种类：按励磁方式分为有〔1〕他励直流电机；〔2〕并励直流电机；〔3〕串励直流电机；〔4〕复励直流电机等四种，如图3－7所示。TSKJ第十页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第十一页，编辑于星期五：十一点十五分。四、直流电机的铭牌数据和主要系列〔一〕直流电机的铭牌数据每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件，图3-8为某台直流电动机的铭牌。TSKJ第十二页，编辑于星期五：十一点十五分。1.电机型号：型号说明电机的系列及主要特点。知道了电机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。2.额定功率PN：指电机在额定运行时的输出功率。对发电机是指明输出电功率PN＝UNIN对电动机是指明输出的机械功率PN＝UNINηN3.额定电压UN：指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。4.额定电流IN：指额定电压和额定负载时允许电机长期输人〔电动机〕或输出〔发电机〕的电流。5.额定转速nN：指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。6.电动机额定效率ηN：指直流电动机额定输出功率PN与电动机额定输人功率P1＝UNIN比值的百分数。TSKJ第十三页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第十四页，编辑于星期五：十一点十五分。第二节直流电动机的电磁转矩和电枢电动势一、电磁转矩1．直流电动机的电磁转矩T的大小可表示为T=CTφIa〔3－1〕式中CT—与电动机结构有关的常数；φ一每极磁通〔Wb〕Ia一电枢电流〔A〕；T一电磁转矩〔N·m〕。2.直流电动机的转矩T与转速n及轴上输出功率P的关系式为：T=9550〔3－2〕式中n一电动机转速〔r／min〕；T—电动机电磁转矩〔N·m〕。式中P一电动机轴上输出功率〔kw〕；TSKJ第十五页，编辑于星期五：十一点十五分。二、电枢电动势直流电动机电枢电动势的大小为Ea=Ceφn〔3－3〕式中Ce一与电动机结构有关的另一常数；φ一每极磁通〔Wb〕；n一电动机转速〔r／min〕；Ea一电枢电动势〔V〕。如图3－9所示，直流电动机在旋转时，电枢电动势Ea的大小与每极磁通φ和电动机转速n的乘积成正比，它的方向与电枢电流方向相反，在电路中起着限制电流的作用。TSKJ第十六页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第十七页，编辑于星期五：十一点十五分。第三节他励直流电动机的运行原理与机械特性

图3-10为一台他励直流电动机结构示意图和电路图。

TSKJ第十八页，编辑于星期五：十一点十五分。各物理量正方向的规定如以下图：电枢电动势Ea为反电势，与电枢电流Ia方向相反；电磁转矩T为拖动转矩，方向与电动机转速n的方向一致；TL为负载转矩；T0为空载转矩，方向与n方向相反。TSKJ第十九页，编辑于星期五：十一点十五分。一、直流电动机的根本方程式式中U—电枢电压〔V〕Ia—电枢电流〔A〕Ra—电枢电阻〔Ω〕二、功率平衡方程式1．直流电动机损耗按其性质可分：〔1〕机械损耗Pm、〔2〕铁心损耗PFe〔3〕铜损Pcu〔4〕附加损耗PsU=Ea+IaRa〔3－4〕TSKJ第二十页，编辑于星期五：十一点十五分。空载损耗P0P0=Pm+PFe(3－5)直流电动机总损耗∑P为∑P=Pm+PFe+Pcu+Ps2．直流电动机输人的电功率为P1=UI=UIa=〔Ea+IaRa〕Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+Pcua上式说明：输入的电功率一局部被电枢绕组消耗〔电枢铜损〕一局部转换成机械功率。3．直流电动机输出的机械功率为P2=Pem-PFe-Pm-PS=Pem-P0=P1-∑P〔3-8〕TSKJ第二十一页，编辑于星期五：十一点十五分。4．直流电动机的效率为

一般中小型直流电动机的效率在75％－85％之间，大型直流电动机的效率在85％－94％之间。TSKJ第二十二页，编辑于星期五：十一点十五分。5．他励直流电动机的功率平衡关系可用功率流程图来表示，如图3-1l所示。

TSKJ第二十三页，编辑于星期五：十一点十五分。〔三〕转矩平衡方程式T2=T－T0T=T2＋T0〔3－9〕式中T一电动机电磁转矩〔N·m〕T2一电动机轴上输出的机械转矩〔负载转矩〕〔N·m〕T0一空载转矩〔N·m〕TSKJ第二十四页，编辑于星期五：十一点十五分。一、他励直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。〔一〕他励直流电动机机械特性方程式1．机械特性方程式还可以写成n=n0－βT=n0－Δn〔3-11〕TSKJ第二十五页，编辑于星期五：十一点十五分。2．机械特性曲线如图3－12所示。

TSKJ第二十六页，编辑于星期五：十一点十五分。二〕他励直流电动机的固有机械特性当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻Rpa时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为

由于电枢绕组的电阻Ra阻值很小，而φN值大，因此Δn很小，固有机械特性为硬特性。

TSKJ第二十七页，编辑于星期五：十一点十五分。〔三〕他励直流电动机的人为机械特性为人为机械特性：人为地改变电动机气隙磁通φ、电源电压U和电枢回路串联电阻Rpa等参数，获得的机械特性。〔1〕人为机械特性方程为1．电枢回路串接电阻Rpa时的人为特性〔2〕人为机械特性的特点为1〕理想空载转速n0保持不变；2〕机械特性的斜率β随Rpa的增大而增大，特性曲线变软。TSKJ第二十八页，编辑于星期五：十一点十五分。

图3-l3为不同Rpa时的一组人为机械特性曲线。从图中可以看出改变电阻Rpa大小，可以使电动机的转速发生变化，因此电枢回路串电阻可用于调速。TSKJ第二十九页，编辑于星期五：十一点十五分。2．改变电源电压时的人为机械特性〔1〕人为机械特性方程为〔2〕人为机械特性的特点为1〕理想空载转速n0正比于电压U，U下降时，n0成正比例减小；2〕特性曲线斜率p不变。图3－14为调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线。因此，降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。TSKJ第三十页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第三十一页，编辑于星期五：十一点十五分。3．改变磁通时的人为机械特性〔1〕人为机械特性方程式为〔2〕人为机械特性的特点是1〕理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通φ，n0升高；2〕斜率β与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。图3－l5所示为一组减弱磁通的人为机械特性曲线，随着φ减弱，n0升高，曲线斜率变大。假设用于调速，那么φ越小，转速越高。TSKJ第三十二页，编辑于星期五：十一点十五分。第四节他励直流电动机的起动和反转一、起动方法1．全压起动〔1〕全压起动：是在电动机磁场磁通为φN情况下，在电动机电枢上直接加以额定电压的起动方式。起动电流Ist为：Ist=〔3-16〕起动转矩Tst为：Tst=CTφNIst〔3-17〕TSKJ第三十三页，编辑于星期五：十一点十五分。〔2〕他励直流电动机不允许直接起动因为他励直流电动机电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的10－20倍，起动转矩也很大。过大的起动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。而过大的起动转矩可能会使轴上受到不允许的机械冲击。所以全压起动只限于容量很小的直流电动机。TSKJ第三十四页，编辑于星期五：十一点十五分。2．减压起动减压起动：是起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流Ist的起动方式。起动电流通常限制在(0.5~2)IN内，那么起动电压应为Ust=IstRa=(0.5~2)INRa〔3-18〕3．电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动：是电动机电源电压为额定值且恒定不变时，在电枢回路中串接一个起动电阻Rst的起动方式，此时Ist为〔3－19〕TSKJ第三十五页，编辑于星期五：十一点十五分。图3-l6为他励直流电动机自动起动电路图。起动过程机械特性如图3-l7所示。

TSKJ第三十六页，编辑于星期五：十一点十五分。二、他励直流电动机反转直流电动机反转的方法有以下两种：〔1〕改变励磁电流方向保持电枢两端电压极性不变，将电动机励磁绕组反接，使励磁电流反向，从而使磁通中方向改变。〔2〕改变电枢电压极性保持励磁绕组电压极性不变，将电动机电枢绕组反接，电枢电流Ia即改变方向TSKJ第三十七页，编辑于星期五：十一点十五分。第五节他励直流电动机的制动1．他励直流电动机的电气制动：是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动。2．常用的电气制动方法有：能耗制动、反接制动和发电回馈制动。TSKJ第三十八页，编辑于星期五：十一点十五分。一、能耗制动

1．制动原理：能耗制动是把正处于电动机运行状态的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻Rbk上构成闭合回路。控制电路如图3-18a所示。能耗制动开始瞬间电动机电枢电流为〔3-20〕TSKJ第三十九页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第四十页，编辑于星期五：十一点十五分。2．机械特性能耗制动的机械特性方程二、反接制动反接制动有〔1〕电枢反接制动〔2〕倒拉反接制动两种方式。〔一〕电枢反接制动1．制动原理：电枢反接制动是将电枢反接在电源上，同时电枢回路要串接制动电阻RBk。控制电路如图3-21所示。TSKJ第四十一页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第四十二页，编辑于星期五：十一点十五分。反接制动开始瞬间电动机电枢电流Ia为2．机械特性〔二〕倒拉反接制动控制电路如图3-22a所示。TSKJ第四十三页，编辑于星期五：十一点十五分。1．制动原理：电动机运行在固有机械特性的a点下放重物时，电枢电路串入较大电阻Rbk，电动机转速因惯性不能突变，工作点过渡到对应的人为机械特性的b点上，此时电磁转矩T＜TL电动机减速沿特性曲线下降至c点。在负载转矩的作用下转速n反向，Ea为负值，电枢电流为正值，电磁转矩为正值与转速方向相反，电动机处于制动状态。称为倒拉反接制动。TSKJ第四十四页，编辑于星期五：十一点十五分。2．机械特性：倒拉反接制动的机械特性方程式为机械特性曲线如图3－22b所示综上所述，电动机进人倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路必须串人较大的电阻。此时位能负载转矩为拖动转矩，而电动机的电磁转矩是制动转矩，它抑制重物下放的速度，使其平安下放。TSKJ第四十五页，编辑于星期五：十一点十五分。三、发电回馈制动1．发电回馈制动：当电动机转速高于理想空载转速，即n＞no时，电枢电动势Ea大于电枢电压U，电枢电流，

电磁转矩T为制动性质转矩，电动机向电源回馈电能，此时电机运行状态称为发电回馈制动。2．应用：位能负载高速下放和降低电枢电压调速等场合。TSKJ第四十六页，编辑于星期五：十一点十五分。1．制动原理：由直流电动机拖动的电车在平路行驶，当电车下坡时电磁转矩T与负载转矩TL〔包括摩擦转矩Tf〕共同作用，使电动机转速上升，当n＞no时，Ea＞U，Ia反向，T反向成为制动转矩，电动机运行在发电回馈制动状态。2．特点：Ea＞U，Ia反向，电磁转矩T为制动转矩，负载转矩TL拖动转矩，电动机发电机运行将轴上输人的机械功率变为电磁功率EaIa，其中大局部回馈电网UIa,那么小局部消耗在电枢绕组的铜耗上。如图3－23C所示TSKJ第四十七页，编辑于星期五：十一点十五分。TSKJ第四十八页，编辑于星期五：十一点十五分。3．机械特性

〔二〕降低电枢电压调速时的发电回馈制动如图3－24所示1．制动原理：将作电动运行状态的电动机电枢电压突然降低时，人为机械特性向下平移，理想空载转速由n0降到n01，但因惯性电动机转速不能突变，使na＞n01，Ea＞Ul，致使电动机电枢电流Ia和电磁转矩T变为负值，电动机转速迅速