直流电机的工作原理和机械特性

第三章直流电机的工作原理及特性,重点掌握：,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；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,直流电机,交流电机,直流电力拖动系统：启动转矩大，在较大的范围内能进行速度平滑调节，且控制简便。由于直流电机具有换向器和电刷，给运行带来了麻烦。交流电力拖动系统：交流电传输方便，交流电机结构简单，价格便宜且能在高速度恶劣条件下工作。交流电力拖动系统的调速性能（如调速范围，调速精度，平滑性，过载能力等）指标都不及直流电力拖动系统。,第三章直流电机的工作原理及特性,31直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构,轴承及端盖,机座,主磁极,电枢绕组,风扇,换向器,电枢铁芯,励磁绕组,电刷装置,轴,组成:定子、转子、换向器,31直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构,剖面图：1电枢；2主磁极；3励磁绕组；4换向极；5换向极绕组；6机座,电枢铁心及钢片,换向器：1套筒；2云母环3换向片；4连接片,直流电机的基本结构,31直流电机的基本结构和工作原理,基本的工作原理,直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。,1主磁极,31直流电机的基本结构和工作原理,2电枢绕组,4电刷,3换向片,发电机原理：将机械能转换为电能。（右手定理）,电动机原理：将电能转换为机械能。(左手定理),换向器作用：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，将直流电流转换为的交变电流，保持恒定的电磁转矩。,31直流电机的基本结构和工作原理,基本的工作原理,电动势和电磁转矩,电动势E,两电刷间的感应电动势:,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。,31直流电机的基本结构和工作原理,电磁转矩TM,电磁力和电磁转矩：,式中：TM电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Km与电机结构有关的常数，Km=9.55Ke,31直流电机的基本结构和工作原理,电动势和电磁转矩,发电机的电磁转矩是阻转矩，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，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。,电动势和电磁转矩,31直流电机的基本结构和工作原理,直流电动机的分类,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：,31直流电机的基本结构和工作原理,他励,并励,串励,复励,G,G,G,G,电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中,转速调节方便，调节范围大,负载在较大范围内变化的和要求有较大起动转矩的设备中,兼有串励电动机和并励电动机的特点,3.3.1直流他励电动机的机械特性,机械特性的一般形式,电动机的机械特性：转速与电磁转矩之间的关系。,不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同。,如图所示为直流他励电动机的原理电路图。,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（）,电枢回路部分,励磁回路部分,转速特性,机械特性,机械特性的一般形式,3.3.1直流他励电动机的机械特性,1.理想空载转速：,2.转速降落,3.机械特性硬度,理想空载转速,机械特性的一般形式,3.3.1直流他励电动机的机械特性,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(交流同步电机),（2）硬特性10(直流他励和交流),（3）软特性n0；2、机械特性硬度不变；3、回馈电能,电动机正常接法，在外部条件下电动机的实际转速大于理想空载转速，此时电动机运转在反馈制动状态。将机械能变为电能，向电源馈送，故称反馈制动。,电枢电压突然下降时的反馈制动,在BC段，转速n与转矩TM的方向相反，运行速度大于空载转速n02，故为反馈制动状态。,35直流他励电动机的制动特性,反馈制动,卷扬机匀速放下重物时的反馈制动,通过改变串接的电阻值可以改变匀速下载的速度，但因为始终的大于n0，所以不太安全。,35直流他励电动机的制动特性,反馈制动,反接制动具有如下特点：,1）电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同；,2）电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反。,反接制动分为：电源反接制动和倒拉反接制动。,35直流他励电动机的制动特性,反接制动,电源反接制动,35直流他励电动机的制动特性,反接制动,电源正接：,电源反接：,35直流他励电动机的制动特性,反接制动,电源反接制动,注意:在反接制动期间，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。,应用场合：电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。如:牛头刨床。,特点：制动转矩大，不能自动停车，易反转，制动电流大,35直流他励电动机的制动特性,反接制动,倒拉反接制动(电动势反接),电动机在db段：Tm0，n0，电动机工作在制动状态。常称这种制动状态为倒拉制动状态。,特点：通过改变串接电阻的数值，可以控制其匀速下降的速度，且可以使速度较低。比反馈制动有优点。但，机械硬度较低，较小的转矩波动可以引起较大的速度波动。,35直流他励电动机的制动特性,能耗制动,特点：1）对于反抗性负载，可以迅速停车，不会有反向启动的危险。2）对于位能性负载，不会出现因对TL估计错误而使重物上升的情况，速度也较稳定。应用：要求迅速准确停车和重物恒速下放的场合。,将电压U突然降为零，将电枢串接一个附加电阻Rad。,电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。,35直流他励电动机的制动特性,几种制动方法的比较,1）对于位能性负载反馈制动:下放速度高于理想空载转速,不安全。电源反接制动：下放速度高于理想空载转速，不安全。倒拉反接制动：以较小的速度下放，对负载估计不足可能上升，速度稳定性差。能耗制动：可以以较小的速度下放，不会因对负载估计不足而上升，速度稳定性好。,35直流他励电动机的制动特性,几种制动方法的比较,2）对于反抗性负载：反馈制动:转速高于空载转速。电源反接制动：转速下降到零后，反向启动，最后以某一速度匀速运行。能耗制动：可以迅速停车，不会有反向启动的危险。,35直流他励电动机的制动特性