直流电机的工作原理及特性

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重点掌握：重点掌握：了解直流电机的基本结构及工作原理；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。它们的使用场所。电机分交流和直流两种。电机分交流和直流两种。直流电机直流电机工作电压或输出的电压为直流；工作电压或输出的电压为直流；交流电机交流电机工作电压为交流。工作电压为交流。直流电机分直流电动机和直

2、流发电机两种。直流电机分直流电动机和直流发电机两种。直流电动机直流电动机将电能转换为机械能；将电能转换为机械能；直流发电机直流发电机将机械能转换为电能。将机械能转换为电能。直流电动机与交流电动机相比，具有优良的调速性能和启直流电动机与交流电动机相比，具有优良的调速性能和启动性能：动性能： 直流发电机直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑，可实现频繁的直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转无级快速启动、制动和反转； 直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大；直流电动机过载能

3、力较强，启动和制动转矩较大； 易于控制，可靠性较高。易于控制，可靠性较高。 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高；运行时由于电刷由于存在换向器，其制造复杂，价格较高；运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。难。 所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍占有度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前

4、仍占有较大的比重。较大的比重。直流电机的特点：直流电机的特点： 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，图床和大型起重机等生产机械中，图3-13-1所示是其应用的几种实

5、例。所示是其应用的几种实例。 直流电机的用途：直流电机的用途：（a）地铁列车）地铁列车(b)城市电车城市电车（c）电动自行车）电动自行车（d）造纸机）造纸机图图3-1直流电动机的用途直流电动机的用途直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源，直电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源，直流电焊机电源等，如图流电焊机电源等，如图3-2所示。所示。（a）电解铝车间）电解铝车间(b)电镀车间电镀车间图图3-2直流发电机的用途直流发电机的用途3.1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一、直

6、流电机的基本结构一、直流电机的基本结构直流电机的结构图如图所示：直流电机的结构图如图所示：根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子定子、转子转子和和换换向器向器三大部分。三大部分。定子部分定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。它的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机。它的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机。转子部分转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。它的作用是主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。它的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换。产生感应电势或产生机械转矩以实现能量

7、的转换。换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。对电动机而言，其枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。对电动机而言，其作作用用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，并保是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转证每一磁极下，电枢导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转矩；对直流发电机而言，是将绕组内的交变电动势转换为电刷端矩；对直流发电机而言，是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。上的直流电动势。主要

8、由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成直流电机直流电机定子定子转子转子机座机座换向极换向极主磁极主磁极电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴电枢绕组电枢绕组直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结二、基本的工作原理二、基本的工作原理为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的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，换向片上压着电刷在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。如图所示：如图所示：1主

9、磁极主磁极：励磁绕组上加上直：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。即定子的主要作用是产生主磁场。2电枢绕组电枢绕组：在固定的磁场中：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的势或产生机械转矩，实现能量的转换。转换。3、4换向器换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电

10、势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。向不变，以产生恒定的电磁转矩。3电刷电刷4换向片换向片1发电机原理：发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图图如图所示如图所示：c3-1.swf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和和cd（切割磁力线的导体部分

11、）中便感应出电动势（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。（电磁感。（电磁感应），电势方程式：应），电势方程式：显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方极下是一个方向，当它转到向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与总是同与S极下的有效边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

12、电动势的作用下就在电路中产或电压，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。生一定方向的电流。nKEe 2电动机原理电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图所示：如图所示：C3-2.swf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：是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效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边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受

13、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）极下转到到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）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不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。的转速旋转。U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。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

14、的电流向里，下半边的电流向外。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。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIFFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，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产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。三、电动势和电磁转矩三、电动势和电磁转矩1.电动势电动势E根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为根据电磁学原理，两电刷间的感应

15、电动势为:nKEe 式中：式中：E感应电动势（感应电动势（V）；）；对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）；n电枢转速（电枢转速（r/min）；）；Ke与电机结构有关的常数。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。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。反电动势。2电磁转矩电磁转矩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，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

16、公式表示：其大小可用如下公式表示：amMIKT 式中：式中：TM电磁转矩（电磁转矩（Nm）；）；对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）；Ia电枢电流（电枢电流（A）；）；Km与电机结构有关的常数，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。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必须必须与发电机的电磁转矩与发电机的电磁转矩TM及

17、空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩的电磁转矩TM必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。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，虽然都产生电动势时，虽然都产生电动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，但二者的作用正好相反，见下表见下表：电机运行电机运行方式方式E与与I的方的方向向E的作用的作用TM的性质的性质转矩之间的转矩之间的关系关系发电机发

18、电机相同相同电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩T1=TM+T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转矩驱动转矩TM=TL+T03.电压平衡方程式：电压平衡方程式：aaRIEUaaRIUEaaRIEUaaRIEU四、直流电动机的分类四、直流电动机的分类励磁方式：是指励磁绕组如何供电，以产生励磁磁场。励磁方式：是指励磁绕组如何供电，以产生励磁磁场。直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：1他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的他励电动机：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。如表所示。大小与电枢两端电压或电