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第三章 直流电机的工作原理及特性,本章基本要求 了解直流电机的基本结构及工作原理； 掌握直流电动机的机械特性； 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法优缺点以及它们的使用场所。,电机理论中常用的基本电磁定律,定义：电机就是一种将机电能量进行转换的电磁 装置。 包括机械能电能；电能机械能；电能电能。 特点： （1）它依赖于电磁感应定律和电磁力定律。,（2）导磁材料构成磁路；导电材料构成电路,电磁感应定律：变化的磁场产生感应电动势，即磁生电,(1) 称为变压器电动势；（2）运动电动势 假设,，则感应电动势有效值为：,（=2f）,*判断方向：右手定则,电磁力定律：载流导体在磁场中受力，,电机中，通电导体（转子上）在磁场中会受到切向方向的力，当转子半径为R时，就会在转子上产生转矩，即电磁转矩 Tem=F*R,*判断方向：左手定则（主要用于分析旋转电机的电磁转矩）,变压器 单相变压器 三相变压器 直流发电机 电机 直流电机 直流电动机 感应电动机 旋转电机 感应电机 感应发电机 交流电机 同步电机 同步发电机 同步电动机 同步补偿机 直线同步（永磁）电动机 直线电机 直线异步电动机,电机按功能用途分类:,导磁材料：亦称铁磁材料，它是指电机专用的高磁导率材料-硅钢片，亦称电工钢片。 导电材料：采用电阻率小的紫铜线（棒） 此外，还有结构材料：机座、机壳采用的铸铁、铸钢或钢板（大电机）以及电气绝缘材料。,电机的材料,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,3.1.1 直流电机的基本结构,直流电机的结构包括定子和转子两部分 定子：产生主磁场和在机械上支撑电机 主磁极、换向极、机座、端盖和轴承，电刷固定在定子上 转子：产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换 电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇,直流电机的工作原理图,3.1.2 直流电机的基本工作原理,n,图3.5 直流发电机的工作原理图,+,1发电机原理：将机械能转换为电能。,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,2电动机原理：将电能转换为机械能。,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,3.电动势和电磁转矩,1). 电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）； 对磁极的磁通（Wb）； n电枢转速（r/min）； Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。 直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2)电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：TM电磁转矩（Nm）； 对磁极的磁通（Wb）； Ia电枢电流（A）； Kt与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ：,相反,3.2 直流电动机的机械特性,直流电动机按励磁方法分为四类：,1他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图3.15（a）所示。,图3.15 a直流他励电动机原理图,2. 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图3.15（b）所示。,3串励电动机：励磁绕组与电枢绕组串联连接，由外部电源一起供电。如图3.15（c）所示,4复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组串联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图3.15（d）所示,图3.15,3.2.1 直流他励电动机的机械特性,电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。,电枢回路中的电压平衡方程式为：,式中:,外加电枢电压（V）；,感应电势（V）；,电枢电流（A）；,电枢回路内阻（）,即：,转速特性,机械特性,注:由于电动机的励磁方式不同,磁通随Ia和T变化的规律也不同,所以在不同的励磁方式下,机械特性的形状有差异.,图3.16 他励电动机的机械特性,1. 理想空载转速：,T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。,根据机械特性可知：,2. 转速降落,3. 机械特性硬度,为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：,即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。,根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。,（1）绝对硬特性,（2）硬特性10,（3）软特性10,二、固有机械特性,直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T),即:,是一条直线。,直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。,通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额定电流IN和额定转速 nN。,固有机械特性的计算步骤如下。,直流电机的给定参数,(1) 估算电枢电阻Ra,依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的50%75%。,(2) 求,额定运行条件下的反电势为：,故,(3) 求理想空载转速:,得,得,根据,两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线,(4) 求额定转矩:,三、人为机械特性,人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁通的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。,1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性,电压平衡方程式为：,得到的人为机械特性方程式为：,特性变软,空载速度不变；,随着电阻的增加，转速降落增加；,2. 改变电枢电压U时的人为特性,由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。,空载速度随着U的减小而减小；,转速降落不变；,特性硬度不变,3改变磁通 时的人为特性,转速降随磁通的改变而变化。,理想空载转速随磁通的改变而变化；,特性变软,由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；,当磁通过分削弱后：,（2）当0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常称为“飞车”；,当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。,因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。,（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；,3.3.2 串励电动机的机械特性,代入（3.13）得,软特性,3.2.3 复励电动机的机械特性,具有他励和串励电动机的性质,他励磁通es=70%总磁通 串励磁通s=30%总磁通,他励,复励,串励,电动机的机械特性例题,例3-1 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小于还是等于E1?,解 两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电