3直流电机解析

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。以及它们的使用场所。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。31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、转子转子和和换向器换向器三大部分。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。转子部分转子部分主要由电枢铁心

3、和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。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。电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。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

4、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

5、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：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）中便感应出电动

6、势（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

7、下就在电路中产生一定方向的电流。生一定方向的电流。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：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

8、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。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

9、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

10、 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

11、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时，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，见表，但二者的作用正好相反，见表：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+T0四、直流电动机的分类四、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：直流电动机按定子

12、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。如图大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图a所示。所示。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。如图起供电。如图b所示。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。如图一起供电。如图c所示：所示：4复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并复励电动机：励磁绕组

13、分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图d所示所示:abcd32直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式电动机的机械特性指的是电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩转速与电磁转矩之间的关系。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，下面主要介不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。如图所示为直流他励电动机的原理电

14、路图。aaRIEU 式中式中:U外加电枢电压（外加电枢电压（V）；）；E感应电势（感应电势（V）；）；aI电枢电流（电枢电流（A）；）；aR电枢回路内阻（电枢回路内阻（）电枢回路部分电枢回路部分励磁回路部分励磁回路部分、nKEe amIKT aaeRInKU 即：即：aeaeIKRKUn 转速特性转速特性TKKRKUn2meae 机械特性机械特性由他励电动机的特性可知：由他励电动机的特性可知：励磁电流励磁电流If的大小与电枢电流的大小与电枢电流Ia的的大小无关，它的大小只取决于大小无关，它的大小只取决于Rf、 Uf的大小，当的大小，当Rf、 Uf的大小一定时的大小一定时,If为定值，即磁通为定

15、值，即磁通 为定值。为定值。对应的机械特性如图所示：对应的机械特性如图所示：1.理想空载转速：理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想空载转速，用速，用n0表示。表示。根据机械特性可知：根据机械特性可知： e0KUn 2.转速降落转速降落TKKRnn2mea0 3.机械特性硬度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，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：其定义为：%100dd nTnT 理想空载点理想空载点即转矩变化与所引起的转速即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬变化的比值，称为机械特性的硬度。度。根

16、据根据 值的不同，可将电值的不同，可将电动机机械特性分为三类。动机机械特性分为三类。（1）绝对硬特性）绝对硬特性 （2）硬特性）硬特性 10（3）软特性）软特性 0，Tm0反接制动状态。反接制动状态。n0，Tm0电动电动注意注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。接足够大的限流电阻。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

17、要求经常正反转的机械上。的场合以及要求经常正反转的机械上。2倒拉反接制动倒拉反接制动电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。所示。现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线）中的曲线3所所示。示。a点点：重物匀速上升。：重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态。cd段段：Tm0，n0，电动机工作在，电动机工作在电动状态电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。下降。db段段：当转速下降到：当转速下降

18、到0时，由于电动机的输出转矩时，由于电动机的输出转矩TM仍然小仍然小于负载转矩于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点到平衡点d而稳定运行。电动机匀速下放重物。而稳定运行。电动机匀速下放重物。电动机在电动机在cd段：段：Tm0，nTr，前进时速度，前进时速度n 为正。为正。电车由直流电动机拖动，电车由直流电动机拖动，机械特性如图所示：机械特性如图所示：匀速走平路时（匀速走平路时（a点）：点）：输出转矩输出转矩TM用来克服负载转用来克服负载转矩矩Tr。在在an0段：段：TM与与n的方向相同，故为电动状态。的方向相同，故为电动状态。在在n0b段：段：TM与与n的方向相反，且工作速度大于理想空载转速，的方向相反，且工作速度大于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。故电动机工作在反馈制动状态。2电枢电压突然下降时的反馈制动电枢电压突然下降时的反馈制动设当电动机的电枢外加电压为设当电动机的电枢外加电压为U1和和U2，且，且U1U2时的机械特性时的机械特性如图所示：如图所示：若电动机工作在若电动机工作在A点时将点时将电枢电压突然降低为电枢电压突然降低为U2，电动，电动机的机械特性变为曲线机的机械特性变为曲线2，由，由于机