直流电机的工作原理

1、第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电动机直流电动机直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流他励电动机的启动、制动直流他励电动机的启动、制动直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.0 3.0 引引 言言电动机包括：电动机包括：直流电动机直流电动机和和交流电动机交流电动机直流电动机：良好的启动性能和调速性能。直流电动机：良好的启动性能和调速性能。虽然直流电机没有交流电机结构简单、制造容虽然直流电机没有交流电机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但是由于长期

2、以来，易、维护方便、运行可靠，但是由于长期以来，交流电机的调速问题没有得到很好的解决，在交流电机的调速问题没有得到很好的解决，在速度调节要求较高，正反转和启、制动频繁或速度调节要求较高，正反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直直流电动机流电动机拖动。拖动。引引 言言 永磁直流电机：具有噪音低、效率高、体积小、永磁直流电机：具有噪音低、效率高、体积小、（耐磨电刷）寿命长的特点。多用于食品加工机、（耐磨电刷）寿命长的特点。多用于食品加工机、潜水泵、医疗器械、广告灯箱、按摩机、汽车、小潜水泵、医疗器械、广告灯箱、按摩机、汽车、小型电动工具、

3、家用电器、办公自动化（自动抽屉、型电动工具、家用电器、办公自动化（自动抽屉、档案柜）眼镜机械、自动门、轨道交通等部门的直档案柜）眼镜机械、自动门、轨道交通等部门的直流电源。流电源。3.13.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理l 直流电机的基本结构直流电机的基本结构l 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 3.1.1 3.1.1 基本结构基本结构旋转电机结构形式旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求的结构必须有满足电磁和机械两方面要求的结构旋转电机必须具备静止和转动两大部分旋转电机必须具备静止和转动两大部分基本结构基本结构 1. 1.直流电机静止部分称作定子直流

4、电机静止部分称作定子 作用作用 - - 产生磁场产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成 2.2.直流电机转动部分称作转子直流电机转动部分称作转子( (通常称作电枢通常称作电枢) ) 作用作用 - - 产生电磁转矩和感应电动势产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成组成 直流电机结构（图直流电机结构（图3-13-1） 直流电机电枢照片（图直流电机电枢照片（图3-23-2） 直流电机结构图（图直流电机结构图（图3-33-3）主主 磁磁 极极（静止部分）（静止部分）1.1.主磁极主磁

5、极 （图（图3-43-4） 主磁极一般是电磁铁主磁极一般是电磁铁 用用 1-1.5 1-1.5 毫米厚的钢板冲片叠压紧固毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心。（励磁绕组套在上面）而成的铁心。（励磁绕组套在上面） 换换 向向 极极（静止部分）（静止部分）2.2.换向极（又称附加极或间极）换向极（又称附加极或间极） 换向极图片（图换向极图片（图3-53-5） 主磁极和换向极示意图（图主磁极和换向极示意图（图3-63-6） 作用为改善直流电机的换向性能，一般作用为改善直流电机的换向性能，一般用整块钢板加工而成，并在其外面套用整块钢板加工而成，并在其外面套上换向极绕组。上换向极绕组。 换换 向向 极极

6、作用作用 - - 改善换向（可抵消交轴磁场对主磁改善换向（可抵消交轴磁场对主磁场的歪扭及换向元件电抗、电势等的影响）场的歪扭及换向元件电抗、电势等的影响） （电枢磁场轴向方向）（电枢磁场轴向方向） 换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成。（在功率小的直流电机中也有不装的）组构成。（在功率小的直流电机中也有不装的） 铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极极绕组与电枢绕组串联。绕组与电枢绕组串联。机机 座座 （静止部分）（静止部分）3.3.机座机座 机座通常由铸铁（钢）或厚铁（钢）板焊成。机座通常由铸铁（钢）或厚铁（钢

7、）板焊成。 有两个作用：有两个作用： 1)1)固定主磁极、换向极和端盖；固定主磁极、换向极和端盖； 2)2)作为磁路的一部分。作为磁路的一部分。 机座中有磁通经过的部分称为磁轭。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。 机机 座座 在电机结构的改进中，目前还有一个重要在电机结构的改进中，目前还有一个重要措施，就是取消机壳，定子铁心直接和外面接措施，就是取消机壳，定子铁心直接和外面接触。这样定子磁路扩大，磁负荷下降，定子槽触。这样定子磁路扩大，磁负荷下降，定子槽面积也可适当加大。面积也可适当加大。电电 刷刷 装装 置置（静止部分）（静止部分）4.4.电刷装置电刷装置 （图（图3-73-7） 作用作用-把

8、直流电压、直流电流引入或引出。把直流电压、直流电流引入或引出。（电刷与换向器滑动接触）（电刷与换向器滑动接触） 由电刷（图由电刷（图3-83-8）、）、 刷握（图刷握（图3-93-9）、）、 弹簧压板、座圈、刷杆座和铜丝辫组成弹簧压板、座圈、刷杆座和铜丝辫组成电电 枢枢 铁铁 心心 （转动部分）（转动部分）直流电机的直流电机的转动部分转动部分 1.1.电枢铁心电枢铁心 电枢铁心装配图（图电枢铁心装配图（图3-103-10） 电枢铁芯片（图电枢铁芯片（图3-113-11） 通常用通常用. .厚的硅钢片冲片叠压而成，厚的硅钢片冲片叠压而成，铁心上有轴向通风孔。铁心上有轴向通风孔。 两个用处：两个用

9、处： 1)1)作为主磁路的主要部分；作为主磁路的主要部分； 2)2)嵌放电枢绕组（铁心呈圆柱形，表面的冲嵌放电枢绕组（铁心呈圆柱形，表面的冲槽里嵌放电枢绕组）槽里嵌放电枢绕组）电电 枢枢 绕绕 组组（转动部分）（转动部分）2.2.电枢绕组电枢绕组 元件及嵌放方法元件及嵌放方法（叠绕组）（叠绕组）（图（图3-123-12） 直流电机的主要电路部分。直流电机的主要电路部分。 用以通过电流和感应产生电动势以实现机电用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换。能量转换。 由许多按一定规律联接的线圈组成。由许多按一定规律联接的线圈组成。 包括环形绕组、鼓形绕组（叠式绕组、波式包括环形绕组、鼓形绕组（

10、叠式绕组、波式绕组、蛙型绕组）绕组、蛙型绕组）电枢绕组电枢绕组 电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机的一个重要部件电机的一个重要部件 。 对电枢绕组的要求是对电枢绕组的要求是: : 在能通过规定的电流和产生足够的电动势在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下尽可能节省有色金属和绝缘材料并且前提下尽可能节省有色金属和绝缘材料并且要结构简单、运行可靠等。要结构简单、运行可靠等。 换换 向向 器器（转动部分）（转动部分）3.3.换向器换向器 换向器的构造（图换向器的构造（图3 31313） 直流电机的重要部件直流电机的重要部件 作用作用-将电刷上所通过的直流

11、电流转换为绕将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势换为电刷端上的直流电动势3.1.2 3.1.2 工作原理工作原理直流电机中能量转换的方向是可逆的直流电机中能量转换的方向是可逆的同一台电机既可作发电机运行；同一台电机既可作发电机运行；（将机械能转换为电能）（将机械能转换为电能）也可作电动机运行。也可作电动机运行。（将电能转换为机械能）（将电能转换为机械能）电磁感应定理电磁感应定理 1. 1.电磁感应定理电磁感应定理 ( (图图3-143-14) ) 在磁场中运动的导体将会感应电势在磁场中运动的导体将会

12、感应电势 若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直，则作用导体中感应的电势大小为：直，则作用导体中感应的电势大小为：e = Blve:e:感应电势感应电势 V ; B:V ; B:磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度 Wb/mWb/m2 2 l:l:导体有效长度导体有效长度 m ; v: m ; v: 导体运动速度导体运动速度 米米/ /秒秒 电势的方向用右手定则电势的方向用右手定则 ( (图图3-153-15) ) 确定确定电磁力定律电磁力定律2.2.电磁力定律电磁力定律 ( (图图3-163-16) ) 载流导体在磁场中将会受到力的作用载流导体在磁场中将会

13、受到力的作用 若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：磁力大小为：f = Bli f:f:电磁力电磁力 N B:N B:磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度 Wb/mWb/m2 2 l:l:导体有效长度导体有效长度 m i:m i:导体中的电流导体中的电流 A A 力的方向用左手定则力的方向用左手定则( (图图3-173-17) )确定确定 1.1.直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理( (一一) ) 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 1.1.直流发电机的原理模型直流发电机的原理模型 ( (图图3-18)3-18) 1) 1)交变

14、电势产生交变电势产生 ( (图图3-19) 3-19) ( (一一) ) 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 1.1.直流发电机的原理模型直流发电机的原理模型 ( (图图3-18)3-18) 1) 1)交变电势产生交变电势产生 ( (图图3-19) 3-19) 交变电势产生交变电势产生 直流电机作发电机运行时，电枢受力在磁直流电机作发电机运行时，电枢受力在磁场中旋转，电枢线圈的两根有效边每一边在场中旋转，电枢线圈的两根有效边每一边在N N极下是一个方向，在极下是一个方向，在S S极下是另一方向。极下是另一方向。 下面这段动画可以帮助理解一般发电机是下面这段动画可以帮助理解一般发电机是如何

15、产生交变电势的。如何产生交变电势的。交变电势的产生交变电势的产生直流电势产生直流电势产生 2) 2)直流电势产生直流电势产生 ( (图图3-20) 3-20) 电刷静止不变，因此从换向片上引出的电流电刷静止不变，因此从换向片上引出的电流方向不变，电刷间会出现极性不变的电动势或方向不变，电刷间会出现极性不变的电动势或电压。（方向不变但大小变化的脉振电动势）电压。（方向不变但大小变化的脉振电动势） 下面这段动画可以帮助理解引入换向器后发下面这段动画可以帮助理解引入换向器后发电机是如何产生直流电势的。电机是如何产生直流电势的。直流直流电势的产生电势的产生发电机工作原理发电机工作原理 3) 3)发电机

16、工作原理发电机工作原理 用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边线圈边 a b a b 和和 c d c d 分别切割不同极性磁极下的分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势。磁力线，感应产生电动势。 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。换向器和电刷配合的换向作用换向器和电刷配合的换向作用 4) 4)换向器和电刷配合的换向作用换向器和电刷配合

17、的换向作用 因为电刷因为电刷A A通过换向片所引出的电动势始终是通过换向片所引出的电动势始终是切割切割 N N 极磁力线的线圈边中的电动势极磁力线的线圈边中的电动势, ,所以电刷所以电刷 A A 始终有正极性，同样道理，电刷始终有正极性，同样道理，电刷B B 始终有负始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变但大小变化的极性，所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉振电动势。脉振电动势。结结 论论5)5)结论结论 线圈内的感应电动势是一种交变电动势线圈内的感应电动势是一种交变电动势 而在电刷而在电刷 A B A B 端的电动势却是直流电动势端的电动势却是直流电动势2. 2. 直流电动机的工作原理直流

18、电动机的工作原理( (二二) ) 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 1.1.直流电动机的原理模型（图直流电动机的原理模型（图3-213-21） 下面这段动画可以帮助理解直流电动机下面这段动画可以帮助理解直流电动机的工作原理。的工作原理。HereHere直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：在于： 当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换换向向”。为此必须增添一个叫做换向器的装

19、置，换。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是直流电动机的工作原理。直流电动机的工作原理。电机的可逆运行原理电机的可逆运行原理( (三三) ) 电机的可逆运行原理电机的可逆运行原理 从上述基本电磁情况来看：从上述基本电磁情况来看： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运一台直流电机原则上既可以作为电动机运行也可以作为发电机运行这种原理在电机理行也可以作为发电机运行这种原理在电机理论中称为可逆原理。论中称为可逆原理。相关的计算公式

20、相关的计算公式( (四四) ) 相关的计算公式相关的计算公式 电势方程式（电刷间的电动势）：电势方程式（电刷间的电动势）： E EK Ke en (3.1)n (3.1) E E：电动势；：电动势； ：一对磁极的磁通；：一对磁极的磁通； n n：电枢转速；：电枢转速； K Ke e：与电机结构有关的常数：与电机结构有关的常数 在在发电机发电机中电动势中电动势E E为输出电功率的电源电动势，为输出电功率的电源电动势，E E与与I Ia a方向相同。（图方向相同。（图3-223-22） 在在电动机电动机中电动势中电动势E E为反电动势，它与外加电压产为反电动势，它与外加电压产生的电流生的电流I I

21、a a方向相反。（图方向相反。（图3-233-23）相关的计算公式相关的计算公式直流电机的电磁转矩：直流电机的电磁转矩： T TK Kt tIIa a (3.2) (3.2) T T：电磁转矩：电磁转矩 NmNm； I Ia a ：电枢电流：电枢电流 A A； K Kt t：与电机结构有关的常数：与电机结构有关的常数(K(Kt t=9.55K=9.55Ke e) )； ：一对磁极的磁通：一对磁极的磁通 WbWb； 发电机中电磁转矩发电机中电磁转矩T T为阻转矩，方向与为阻转矩，方向与n n相反，相反，原动机的转矩原动机的转矩T T1 1T TT T0 0，（，（T TO O为空载损耗转矩）为空

22、载损耗转矩） 在电动机中电磁转矩在电动机中电磁转矩T T为拖动转矩，方向与为拖动转矩，方向与n n相相同，同，T TT TL LT T0 0，（，（T TL L为负载转矩）为负载转矩）续上页的公式可参照表上页的公式可参照表3.13.1，P19P19第第1919页第四行中，电枢电流页第四行中，电枢电流I Ia a(U-E)/R(U-E)/Ra a, ,这是个很有用的公式：电压平衡方程式。这是个很有用的公式：电压平衡方程式。发电机与电动机电磁转矩作用的不同发电机与电动机电磁转矩作用的不同n发电机：阻转矩，原动机的转矩必须与电磁转矩及空载损耗转矩相平衡；n电动机：驱动转矩，电磁转矩必须与机械负载转矩

23、和空载损耗转矩相平衡。负载增加（阻转矩增加）电磁转矩暂时小于阻转矩转速下降磁通不变，反电动势减小电枢电流增加电磁转矩增加电磁转矩与阻转矩平衡，但转速下降3.2 3.2 直流电动机直流电动机 直流电机可作为发电机运行，直流电机可作为发电机运行，又可作为电动机运行。又可作为电动机运行。3.2.1 3.2.1 直流电动机的分类直流电动机的分类 1. 1.他励直流电机他励直流电机 ( (图图3-24) 3-24) 2. 2.并励直流电机并励直流电机 ( (图图3-25) 3-25) 3. 3.串励直流电机串励直流电机 ( (图图3-26) 3-26) 4. 4.复励直流电机复励直流电机 ( (图图3-

24、27) 3-27) 直流电机的主要励磁方式是他励式、直流电机的主要励磁方式是他励式、并励式、串励式和复励式并励式、串励式和复励式 。3.2.2 3.2.2 电压平衡方程式电压平衡方程式（电枢回路）（电枢回路）U UE EI Ia aR Ra a （3.33.3） （3.13.13.33.3为三个基本公式）为三个基本公式） U:U:电动机外加电枢电压；电动机外加电枢电压； E:E:电枢的反电压；电枢的反电压； I Ia aR Ra a: :电动机电阻压降。电动机电阻压降。注意：电动机在运行时，它的转速、电动势、注意：电动机在运行时，它的转速、电动势、电枢电流、电磁转矩能自动调整，以适应负电枢电流

25、、电磁转矩能自动调整，以适应负载的变化，保持新的转矩平衡。载的变化，保持新的转矩平衡。例题分析例题分析课本题课本题3.43.4：一台他励直流电动机在稳态下运行时，电一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势枢反电势E EE E1 1，如负载转矩，如负载转矩T TL L常数，外常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减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、小于还是等反电势将如何变化？是大于、小于还是等于于E E1 1？题题 解解解：两个已知条件：解：两个已知条件：负载转矩负载转矩T TL L常数；

26、常数；减弱励磁时系统是一个从稳态到另一个稳态（不涉减弱励磁时系统是一个从稳态到另一个稳态（不涉及瞬态过程），电枢反电势是稳态值。及瞬态过程），电枢反电势是稳态值。 稳态运行时稳态运行时T TL LT TK Kt tI Ia a常数，当减弱励磁时常数，当减弱励磁时减少，减少， I Ia a增加；增加；又又 E EU-IU-Ia aR Ra a ，U U与与R Ra a不变，则电枢反电势不变，则电枢反电势E E减少减少 到新的稳态值后，电枢反电势到新的稳态值后，电枢反电势EEE10）：如直流他励电动机的机械特）：如直流他励电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性的上半部。性，交流异步电动机机械特性

27、的上半部。软特性（软特性（ 10）：如直流串励电动机和直流积）：如直流串励电动机和直流积复励电动机的机械特性。复励电动机的机械特性。3.4.4 3.4.4 固有机械特性固有机械特性固有机械特性：固有机械特性：当他励电动机电压当他励电动机电压U UU UN N，磁，磁通通N N，电枢没有串联电阻，电枢没有串联电阻R Radad0 0时，这一时，这一机械特性称为固有机械特性机械特性称为固有机械特性: :人为机械特性：可用改变电动机参数的方法人为机械特性：可用改变电动机参数的方法获得，即机械特性三个变量中任有一个或一个获得，即机械特性三个变量中任有一个或一个以上值非额定时得到的机械特性即为人为机械以

28、上值非额定时得到的机械特性即为人为机械特性。特性。TKKRKUn2NteaNeN 根据固有机械特性估算数据根据固有机械特性估算数据根据固有机械特性可估算以下数据：根据固有机械特性可估算以下数据：电枢电阻电枢电阻R Ra a：通常电机在额定负载下的铜耗：通常电机在额定负载下的铜耗I I2 2a aR Ra a占总损耗占总损耗P PN N的的50507575。因。因 P PN N输入功率输出功率输入功率输出功率 U UN NI IN NP PN N U UN NI IN NN U UN NI IN N （1 1N ）U UN NI IN N即即 P P铜铜 I I2 2a aR Ra a(0.5(

29、0.50.75)(1-0.75)(1-N )U)UN NI IN N式中，式中， N P PN N/(U/(UN NI IN N) ) 是额定运行条件下电是额定运行条件下电动机的效率，且此时动机的效率，且此时I Ia aI IN N根据固有机械特性估算数据根据固有机械特性估算数据 故得故得求求K Ke eN N：额定运行条件下的反电势：额定运行条件下的反电势 E EN NK Ke eN Nn nN N=U=UN N-I-IN NR Ra a， 故故 K Ke eN N(U(UN N-I-IN NR Ra a)/n)/nN N求理想空载转速：求理想空载转速：n n0 0U UN N/(/(K K

30、e eN N) () (认为认为R Ra a=0)=0)求额定转矩：求额定转矩：T TN N是电动机轴上的输出转矩，是电动机轴上的输出转矩，电磁转矩电磁转矩 T TK Kt tI IN NTTN NNNNNNaIU)IUP1)(75.05.0(R NNNNnP55.9PT 正反转时的固有机械特性正反转时的固有机械特性根据（根据（0 0，n n0 0）和）和(T(TN N，n nN N) )两点，就可以两点，就可以作出他励电动机近似的作出他励电动机近似的机械特性曲线机械特性曲线n=f(T)n=f(T)。电动机即可正转又可电动机即可正转又可反转，反转时，反转，反转时，n n与与T T均均为负。为负

31、。他励直流电动机正反转他励直流电动机正反转时的固有机械特性时的固有机械特性习习 题题课本课本P40P40，3.63.6题：题： 已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：已知某他励直流电动机的铭牌数据如下： P PN N7.5kW7.5kW，U UN N=220V=220V，n nN N=1500r/min=1500r/min， N N88.5%88.5%。试求该电机的额定电流和额定转矩。试求该电机的额定电流和额定转矩。题题 解解解：解： P PN NU UN NI IN NN N , , I IN NP PN N/(U/(UN NN N) )38.5A38.5A； T TN N9.55P9.55P

32、N N/n/nN N47.74Nm47.74Nm3.4.5 3.4.5 人为机械特性人为机械特性人为机械特性人为机械特性可用改变电动机参数的方可用改变电动机参数的方法获得，即机械特性三个变量中任有一个法获得，即机械特性三个变量中任有一个或一个以上值非额定时得到的机械特性即或一个以上值非额定时得到的机械特性即为人为机械特性。为人为机械特性。 （U U，R Radad）TKKRKUn2NteaNeN 固有机械特性：固有机械特性：1. 1. 串联电阻时的人为机械特性串联电阻时的人为机械特性此时增加了此时增加了R Radad：U UU UN N，N N，R RR Ra aR Radad电枢串联电阻电枢

33、串联电阻R Radad时，人为机械特性的方程式时，人为机械特性的方程式为：为：nnTKKRRKUn02NteadaNeN 特点和机械特性图特点和机械特性图特点特点人为机械特性由交人为机械特性由交纵坐标轴于一点，纵坐标轴于一点，但具有不同斜率的但具有不同斜率的射线族组成。射线族组成。机械特性图机械特性图电枢串联电阻时的电枢串联电阻时的人为机械特性人为机械特性2. 2. 改变电压时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性此时电枢不串联电阻此时电枢不串联电阻 (R(Radad=0), =0), N N ，电枢电压电枢电压 U UU UN N 。改变电压时的人为机械特性方程式为改变电压时的人为机械特性方

34、程式为: :TKKRKUn2NteaNe n n0 0 U U ，n不变。不变。特点和机械特性图特点和机械特性图特点特点人为机械特性是几人为机械特性是几根平行线，它们低根平行线，它们低于固有机械特性于固有机械特性 1 1，但与固有机械特性相但与固有机械特性相平行平行机械特性图机械特性图改变电压时的人为改变电压时的人为机械特性图如右图。机械特性图如右图。3. 3. 减弱磁通时的人为机械特性减弱磁通时的人为机械特性改变磁通实际上是减弱励磁。改变磁通实际上是减弱励磁。此时电枢电压此时电枢电压 U = UU = UN N，电枢不串联电阻，电枢不串联电阻(R(Radad=0),=0),电动机磁通电动机磁

35、通 - 他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流（即先通励磁电流I If f），而后加电枢电压），而后加电枢电压 U U。3.5.13.5.1 不采取措施的启动不采取措施的启动电枢电流电枢电流 I Ia a(U-E)/R(U-E)/Ra a刚起动时，转速刚起动时，转速 n=0 -n=0 - E=0E=0，因为电动机的电枢绕组电阻因为电动机的电枢绕组电阻 R Ra a 很小，所以很小，所以直接加额定电压起动，直接加额定电压起动，I Ia a 可能突增到额定可能突增到额定电流的十多倍！电流的十多倍！ 3.5.2 3.5.2 直接加额定电压起动后果

36、直接加额定电压起动后果(1)(1)换向情况恶化，产生严重的火花，烧毁换向器；换向情况恶化，产生严重的火花，烧毁换向器；(2)(2)过大转矩过大转矩T Tststk kt tI Ist st ( (启动电流增大启动电流增大) )将损坏拖动系统的传动机构。将损坏拖动系统的传动机构。因此在起动时，必须设法限制电枢电流。因此在起动时，必须设法限制电枢电流。3.5.3 3.5.3 限制起动电流的措施限制起动电流的措施(1)1)降压起动降压起动适用于电动机的直流电源是可调的。适用于电动机的直流电源是可调的。方法简单，用得最多。方法简单，用得最多。(2)(2)电枢电路中串联电阻电枢电路中串联电阻当没有可调电

37、源时，可在电枢电路中串联当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻电阻R Rstst以限制起动电流。以限制起动电流。在起动过程中并将起动电阻在起动过程中并将起动电阻R Rstst逐步切除。逐步切除。3.5.4 3.5.4 串联电阻的一级起动串联电阻的一级起动对启动快慢、平稳性等要求的不同决定了启对启动快慢、平稳性等要求的不同决定了启动电阻的段数（级数）。动电阻的段数（级数）。课本课本P29P29，图，图3.233.23，为，为一级起动一级起动。启动后将启。启动后将启动电阻一下全部切除，切除起动电阻的瞬间，动电阻一下全部切除，切除起动电阻的瞬间，工作点工作点a-b,a-b,此时转速不变，但电流突然

38、增大，此时转速不变，但电流突然增大，导致导致T T突然增大。此种启动方法对生产机械产生突然增大。此种启动方法对生产机械产生有害冲击。有害冲击。3.5.5 3.5.5 多级起动多级起动因此，采取多级（分级）起动，逐级切除启因此，采取多级（分级）起动，逐级切除启动电阻动电阻。我国生产的标准控制柜是按快速启动的。我国生产的标准控制柜是按快速启动的原则设计的，一般启动电阻为原则设计的，一般启动电阻为3 34 4段。段。他励电动机二级起动电路图（图他励电动机二级起动电路图（图3-323-32）他励电动机二级起动的过程他励电动机二级起动的过程他励电动机三级起动电路图（图他励电动机三级起动电路图（图3-33

39、3-33）二级起动多级启动多级启动分级起动时，可将每一级的分级起动时，可将每一级的 I I（或（或 T T）取得大）取得大小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，使电小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，使电流变化不大，流变化不大，从而改善电动机的换向情况，从而改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击。缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击。习习 题题一台直流他励电动机，其额定数据为：一台直流他励电动机，其额定数据为： P PN N17kW17kW，U UN N=220V=220V，I IN N91A91A，n nN N1500r/min1500r/min， R Ra a0.

40、220.22。试求：。试求：n额定转矩额定转矩T TN N；n直接启动时的启动电流直接启动时的启动电流I Istst；n如果要使启动电流不超过额定电流的两倍，求如果要使启动电流不超过额定电流的两倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩为多少？启动电阻为多少？此时启动转矩为多少？如果采用降压启动，启动电流仍限制为额定电如果采用降压启动，启动电流仍限制为额定电流的两倍，电源电压应为多少？流的两倍，电源电压应为多少？题题 解解T TN N9.55P9.55PN N/n/nN N108.2 108.2 NmNmI IststU UN N/R/Ra a 1000 A1000 AIIststU UN N/(R/

41、(Ra a+R+Radad)2I)2IN N 故故 R RadadUUN N/(2I/(2IN N)-R)-Ra a 0.990.99而启动转矩而启动转矩 TTststK Kt tN NIIstst其中其中, K, Kt tN N9.55K9.55Ke eN N9.55(U9.55(UN NI IN NR Ra a)/n)/nN N 1.27 1.27 NmNm/A/A故此时的启动转矩故此时的启动转矩 TTststK Kt tN N2I2IN N 231 231 NmNm题题 解（续）解（续）注意：因为此题中的注意：因为此题中的T TN N不是用公式不是用公式T TN NK Kt tN NI

42、IN N求得的，所以不能用求得的，所以不能用TTstst(I(Istst/I/IN N)T)TN N 来求来求TTstst降压启动时降压启动时 IIststU/RU/Ra a2I2IN N 故电源电压故电源电压 U U 2I2IN NR Ra a 40 V40 V3.6 3.6 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性根据生产机械要求，人为地改变电动机的转根据生产机械要求，人为地改变电动机的转速，称为调速。速，称为调速。直流他励电动机可以采用的调速方法：直流他励电动机可以采用的调速方法：机械方法机械方法电气方法电气方法机械电气配合方法机械电气配合方法与异步电动机相比，虽然结构复杂，与异

43、步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特的优点。的优点。 1. 1. 调速均匀平滑，可以无级调速调速均匀平滑，可以无级调速( (注：异步机改注：异步机改 变极对数调速的方法叫有级调速变极对数调速的方法叫有级调速) )。 2. 2. 调速范围大，调速比可达调速范围大，调速比可达200 200 以上以上( (调速比等调速比等 于最大转速和最小转速之比）。于最大转速和最小转速之比）。电气调速方法电气调速方法电气调速方法：电气调速方法：在一定负载情况下有目的地改变电气参数，在一定负载情况下有目的地改变电气参数，人为地使电机转速

44、发生变化人为地使电机转速发生变化由转速调节特性来看由转速调节特性来看: :欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电压欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电压 U U，或改变励磁磁通，或改变励磁磁通实现。实现。TKKRRKUn2teadae 电气调速方法电气调速方法(1)(1)调压限制：调压限制：因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，所以，根据规定电枢电压只容许耐压的限制，所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高比额定电压提高 30 %30 %，实际上改变，实际上改变 U U应用在应用在降压降压的方向，即从额定转速向下调速的方向，即从额定转速向下调速

45、 。(2)(2)调磁限制：调磁限制：因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和，所以，改变磁通一般应用在弱磁心接近饱和，所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速，一般可以使转速从额的方向，称为弱磁调速，一般可以使转速从额定值向上调节。定值向上调节。3.6.1 3.6.1 降低电枢端电压调速降低电枢端电压调速1. 1. 电枢串联电阻调速电枢串联电阻调速 ( (图图3-34)3-34)调速指标：调速指标： n调速范围不大调速范围不大 n调速的平滑性不高，是有级调速调速的平滑性不高，是有级调速适用场合：适用场合：用于串励或复励直流电动机拖动的电车用

46、于串励或复励直流电动机拖动的电车炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上 电枢中串入电阻电枢中串入电阻, ,使使 n n 、 n n0 0不变，即电机的特性曲线不变，即电机的特性曲线变陡变陡( (斜率变大斜率变大) )，在相同力，在相同力矩下矩下, ,n n 。特性曲线如图。特性曲线如图。Rann0TnnTKKRKUn02ete a特点：特点：(1) (1) 设备简单，操作方便。设备简单，操作方便。(2)(2)机械特性软，稳定性差。机械特性软，稳定性差。(3)(3)能量损耗大，只用于小型直流机。能量损耗大，只用于小型直流机。Ra +Rad2.2.降低电源电压降低电源电压2.

47、2.降低电源电压降低电源电压 （调节电枢电源电压）（调节电枢电源电压）使用的可调直流电源使用的可调直流电源n晶闸管整流装置晶闸管整流装置 （控制电源通断，电容）（控制电源通断，电容）n电动机电动机- -发电机机组发电机机组容量较大时用机组作为可调直流电源；容量较大时用机组作为可调直流电源；电枢由晶闸管整流供电的直流调速电枢由晶闸管整流供电的直流调速降低电枢端电压调速（续）降低电枢端电压调速（续）调压调速时的机械特性调压调速时的机械特性 ( (图图3-36)3-36)调压调速特点：调压调速特点：1) 1) 调速范围广；调速范围广； (0(0U UN N) )则（则（0 0n nN N）U Uma

48、xmaxU UN N3030 U UN N2) 2) 调速平滑性高；调速平滑性高；3) 3) 设备投资大；设备投资大；4) 4) 适合于恒转矩调速；适合于恒转矩调速；磁通磁通不变，从而不变，从而T IT Ia a （T TK Kt tI Ia a） 5)5)可与电机启动时共用一套调压设备。可与电机启动时共用一套调压设备。3.6.2 3.6.2 弱磁调速弱磁调速改变励磁磁通改变励磁磁通小容量系统在励磁电路中串接可调电阻小容量系统在励磁电路中串接可调电阻 R Rf f调节调节R Rf f从而改变从而改变I If f，大容量系统用单独的晶闸管整流装置向励磁大容量系统用单独的晶闸管整流装置向励磁电路供

49、电电路供电 。弱磁调速方法弱磁调速方法( (图图3-37)3-37)TKKRKUn2etae 保持电枢电压保持电枢电压U U不变，改变励磁电流不变，改变励磁电流I If f ( (调调R Rf f) )以改变磁通以改变磁通 。由式由式0n 0n0nTnO弱磁调速特点弱磁调速特点对功率较小的励磁电路进行调节，控制方便，能对功率较小的励磁电路进行调节，控制方便，能量损耗小；量损耗小；适合于恒功率调速（维持适合于恒功率调速（维持I Ia a不变从而不变从而PIPIa a）；）；一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱合一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱合所以改变磁通一般可以使转速从额定值向上调

50、节。所以改变磁通一般可以使转速从额定值向上调节。调速的平滑性较高，常和额定转速以下的降压调调速的平滑性较高，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调速范围。速配合应用，以扩大调速范围。（n nN N以下用降压调速，以下用降压调速，n nN N以上用弱磁调速）以上用弱磁调速）直流多单元调速系统直流多单元调速系统( (图图3-383-38) )只能向上调，受机械本身强度所限，只能向上调，受机械本身强度所限，n n不能太高。不能太高。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。机械特性较硬，稳定性较好。机械特性较硬，稳定性较好。对专门生产的调磁电动机对专门生产的调

51、磁电动机, ,其调速幅度可达其调速幅度可达, , 例如例如5305302120 r/min2120 r/min及及3103101240 r/min 1240 r/min 。(1) (1) (2) (2) 3.7 3.7 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性直流电动机的两种运转状态：直流电动机的两种运转状态：(1)(1)电动运转状态电动运转状态电动机转矩电动机转矩 T T 的方向与旋转方向相同的方向与旋转方向相同, ,电网电网向电动机输入电能。向电动机输入电能。(2)(2)制动运转状态制动运转状态电动机转矩电动机转矩 T T 与转速与转速 n n 的方向相反的方向相反, ,电动机电动

52、机吸收机械能并转化为电能。吸收机械能并转化为电能。( (稳定和过渡状态稳定和过渡状态) )电气制动方法电气制动方法电气制动包括以下三种方法：电气制动包括以下三种方法：n能耗制动能耗制动 n反接制动反接制动n回馈制动回馈制动( (或称再生制动或称再生制动).). 应用上述三种电气制动方法，应用上述三种电气制动方法，可使电动机产生一个负的转矩可使电动机产生一个负的转矩( (即制动转矩即制动转矩) )，以增加减速度，使系统较快地停下。以增加减速度，使系统较快地停下。也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度。放速度。3.7.1 3.7.1 能耗制动能耗制动1.

53、1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点他励电动机能耗制动电路图及电路特点他励电动机能耗制动电路原理他励电动机能耗制动电路原理( (图图3-39)3-39)电路特点电路特点 U = 0U = 0，电枢回路电阻，电枢回路电阻 R Ra a + R + Radad制动过程中，电动机靠系统的动能发电，转化制动过程中，电动机靠系统的动能发电，转化成发电机工作状态，把动能变成电能，消耗在成发电机工作状态，把动能变成电能，消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动。电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动。能耗制动机械特性方程式能耗制动机械特性方程式2.2.能耗制动机械特性方程式能耗制动机械特性方程式: :制动电阻

54、制动电阻 R Radad 愈小，则机械特性愈平，愈小，则机械特性愈平，T1 T1 绝对值愈大，制动愈快绝对值愈大，制动愈快TKKRRn2teada 能耗制动的用途能耗制动的用途4.4.能耗制动的用途能耗制动的用途除利用制动实现降速外，电动机带动位能负除利用制动实现降速外，电动机带动位能负载载时，可利用能耗制动实现等速下放。时，可利用能耗制动实现等速下放。能耗制动实现稳速下放。（图能耗制动实现稳速下放。（图3-413-41）3.7.2 3.7.2 反接制动反接制动转速反向反接制动可用于位能负载稳速下放。转速反向反接制动可用于位能负载稳速下放。电枢电压反向反接制动一般用于反作用负载刹车。电枢电压反

55、向反接制动一般用于反作用负载刹车。 反接制动包括：反接制动包括：n转速反向的反接制动转速反向的反接制动电枢反接的反接制动电枢反接的反接制动一、转速反向的反接制动一、转速反向的反接制动1.1.转速反向的反接制动的电路及特点转速反向的反接制动的电路及特点这种制动方法可用起重机重物下放的电路图来这种制动方法可用起重机重物下放的电路图来说明。说明。反接制动方法（图反接制动方法（图3-423-42）转速反向反接制动的动态过程可见如下转速反向反接制动的动态过程可见如下动画动画 位能负载倒拉电动机，转速位能负载倒拉电动机，转速n n逆转矩逆转矩T T的方向旋的方向旋转，和正常电动状态时相比，转，和正常电动状

56、态时相比，E E 的方向变反。的方向变反。机械特性机械特性2.2.机械特性机械特性转速反向的反接制动特性方程式为：转速反向的反接制动特性方程式为：与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式上是相同的。上是相同的。反接制动机械特性反接制动机械特性( (图图3-43)3-43)TKKRRnn2teada0 制动过程中的功率平衡问题制动过程中的功率平衡问题3.3.制动过程中的功率平衡问题制动过程中的功率平衡问题对电枢电路电势平衡方程式两边同乘以对电枢电路电势平衡方程式两边同乘以 I Ia a，得得: : I I2 2a a(R(Ra a+R+Radad)=UI)

57、=UIa a+EI+EIa a表示由电网输入的功率和输入的机械功率之表示由电网输入的功率和输入的机械功率之和消耗在电枢的电阻和消耗在电枢的电阻 R Ra a + R + Radad 上。上。二、电枢反接的反接制动二、电枢反接的反接制动1.1.反接制动电路及特点反接制动电路及特点 为了使工作机械迅速停车或反向，突然把电为了使工作机械迅速停车或反向，突然把电枢电源反接。枢电源反接。电枢电路中要串入电阻电枢电路中要串入电阻 R Radad电枢反接的反接制动（图电枢反接的反接制动（图3-443-44）电枢反接制动电路的特点：电枢反接制动电路的特点：U U 为负。为负。机械特性机械特性2.2.机械特性机

58、械特性机械特性的方程式为：机械特性的方程式为：制动过程中制动过程中 n n 为正，在第二象限。机械特性曲线为正，在第二象限。机械特性曲线第二象限的一段第二象限的一段 BCBC，即为反接制动特性。，即为反接制动特性。电枢反接的反接制动特性图电枢反接的反接制动特性图( (图图3-45)3-45)TKKRRnn2teada0 制动过程中的功率平衡问题制动过程中的功率平衡问题这时机械特性比能耗制动陡得多这时机械特性比能耗制动陡得多, ,在整在整个降速范围制动转矩始终存在并保持为一个降速范围制动转矩始终存在并保持为一较大值较大值, ,因此比能耗制动作用更强烈，制动因此比能耗制动作用更强烈，制动更快。更快。3. 3. 制动过程中的功率平衡问题制动过程中的功率平衡问题功率平衡问题同转速反向反接制动类似功率平衡问题同转速反向反接制动类似三、反馈制动三、反馈制动反馈制动特点：反馈制动特点：转速高于理想空载转速。转速高