第8章 直流电动机

1、第第8章章 直流电动机直流电动机8.1 直流电动机的构造直流电动机的构造8.2 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理8.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性8.4 并励电动机的起动与反转并励电动机的起动与反转8.5 并励电动机的调速并励电动机的调速 直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。 直流电机既可作电动机（电能转换为机械能）使用，直流电机既可作电动机（电能转换为机械能）使用，也可作发电机（机械能转换为电能）使用。也可作发电机（机械

2、能转换为电能）使用。永磁直流电机永磁直流电机做电源用的直流发电机做电源用的直流发电机 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对大，因此，对调速要求较高调速要求较高的生产机械或者需要的生产机械或者需要较大较大起动转矩起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。的生产机械往往采用直流电动机驱动。 应用：应用： 轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备；用蓄电池做电源的地床等调速范围大的大

3、型设备；用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等；家庭：电动缝纫机、电动方，如汽车、拖拉机等；家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具；自行车、电动玩具；直流电动机的用途直流电动机的结构主磁极主磁极：由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的主磁场；的主磁场；换向磁极换向磁极：安装在两个相邻的主磁极之间，它的作用安装在两个相邻的主磁极之间，它的作用是改善电机的换向；是改善电机的换向；电刷电刷：是通过与换向器之间的是通过与换向器之间的滑动接触，把直流电压、直流滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。电流引入或引出电枢绕组。机座机座：固定主磁极等部件，同固

4、定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。时也是磁路的一部分。1、定子（磁极）：产生磁场、定子（磁极）：产生磁场定子铁心和绕组定子铁心和绕组又称电枢，包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、又称电枢，包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。风扇等。电枢铁心电枢铁心上冲有槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也上冲有槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也是直流电动机磁路的组成部分；是直流电动机磁路的组成部分；（2）转子）转子电枢绕组电枢绕组的的端装有换向器，换向器端装有换向器，换向器由许多铜质换向片组成一个圆柱体，由许多铜质换向片组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。换向片之间用云母绝缘。换向器换向器通过与电

5、刷的摩擦接触，将两通过与电刷的摩擦接触，将两个电刷之间固定极性的直流电流变个电刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以便换成为绕组内部的交流电流，以便形成固定方向的电磁转矩。形成固定方向的电磁转矩。 直流电枢绕组直流电枢绕组A B12345678A B1 2 3 48 7 6 5结论：结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。、分类、分类MMMM(a ) 他 励 式 (b ) 并 励 式 (c ) 串 励 式 (d ) 复 励 式MMMM(a ) 他 励 式 (b ) 并 励 式 (c ) 串 励 式 (d ) 复 励 式励磁线圈励磁线

6、圈转子电枢转子电枢+Ua+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI（）他励电动机（）他励电动机励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的重型机床等设备中。要求很宽的重型机床等设备中。MMMM( a ) 他励式 ( b ) 并励式 ( c ) 串励式 ( d ) 复励式MMMM( a ) 他 励 式 ( b ) 并 励 式 ( c ) 串 励 式 ( d ) 复 励 式（）并励电动机（）并励电动机励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。

7、励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通将保持恒定不变。起动转矩大，负载变产生的磁通将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转速调节方便，调速范围大。动时转速比较稳定，转速调节方便，调速范围大。MMMM( a ) 他 励 式 ( b ) 并 励 式 ( c ) 串 励 式 ( d ) 复 励 式（）串励电动机（）串励电动机励磁线圈与转子电枢串联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联到同一电源上。串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特

8、别适用于起重设备。软特性，特别适用于起重设备。MMMM( a ) 他 励 式 ( b ) 并 励 式 ( c ) 串 励 式 ( d ) 复 励 式（）复励电动机（）复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并接在同一电源上励磁线圈与转子电枢的联接有串有并接在同一电源上复励式电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时复励式电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。差复能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用励电动机具

9、有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械中。于要求转速稳定的机械中。 F F (a) 直 流 电 动 机 原 理 图 (b) 线 圈 受 力 方 向 N S A B a b N S + U IIFnFFF ( a ) 直 流 电 动 机 原 理 图 ( b ) 线 圈 受 力 方 向NSABabNS +U 电流方向：电流方向：上半边向里，下半边向外。上半边向里，下半边向外。电刷电刷换向片换向片线圈线圈a、b代表电枢绕组，代表电枢绕组，A、B为一对换向片为一对换向片当电枢转动半周后，当电枢转动半周后，a边处于边处于S极之上，而极之上，而b边处于边处于N极之下。由于采用了电刷和换向

10、器装置，此时电枢中极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从的直流电流方向变为从b边流入，从边流入，从a边流出。电枢仍边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩受到一个逆时针方向的电磁转矩T的作用，继续绕轴的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。线方向逆时针转动。FF (a) 直流电动机原理图 (b) 线圈受力方向NSABbaNS+U注意：注意：线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向线圈无论怎样转动，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。里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时

11、针旋转。使线圈逆时针旋转。FF (a) 直 流 电 动 机 原 理 图 (b) 线 圈 受 力 方 向NSABabNS +U F F (a) 直流电动机原理图 (b) 线圈受力方向 N S A B a b N S + U FF当电枢绕组在磁场中转动时，因切割磁力线，线圈当电枢绕组在磁场中转动时，因切割磁力线，线圈中也要产生感应电动势中也要产生感应电动势E，称之为电枢电动势。，称之为电枢电动势。根据右手定则知，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，和原通入的电流方向相反，所以所以叫叫反电势反电势EEnCEe其大小其大小推导见附录推导见附录aaRIEU M Ra + U E + Ia U是外加

12、电压，是外加电压，Ra是回路直流电阻，是回路直流电阻，Ia是电枢电流是电枢电流 电枢等效电路电枢等效电路 F F (a) 直 流 电 动 机 原 理 图 (b) 线 圈 受 力 方 向 N S A B a b N S + U FFEEaaRIEUnCEe以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变改变E，只能改变只能改变 或或 n。(2)若忽略绕组中的电阻若忽略绕组中的电阻Ra，则则 ， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变比，通过改变

13、可调速。可调速。nKEUEamICT和交流电动机一样，直流电动机的电磁转矩也是由和交流电动机一样，直流电动机的电磁转矩也是由于载流转子导体在磁场中受电磁力作用而产生的。电于载流转子导体在磁场中受电磁力作用而产生的。电磁转距与定子磁通、电枢电流成正比：磁转距与定子磁通、电枢电流成正比： Cm：电机结构有关的常数：电机结构有关的常数 ：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流：电枢绕组中的电流由转矩公式可知：由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变电机旋转的方向

14、：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。改变磁通的方向。（2）电磁转矩）电磁转矩电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即0TTTLTL： 负载转矩负载转矩T0 ：空载转矩空载转矩 转矩平衡过程：转矩平衡过程：当负载转矩（当负载转矩（TL）发生变化时，发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。转矩自动调整，以实现新的平衡。eCEnaeaeICRCUTCCRCUmeae2nCEe由由aaRIEUamI

15、CT稳定运行时电动机的转速稳定运行时电动机的转速n与电磁转矩与电磁转矩T之间的关系之间的关系。TCCRCUnmeae2转速转速n=n0 =U/Ce, ,称为理想空载转速。称为理想空载转速。（实际工作时（实际工作时, ,由于有空载损耗，由于有空载损耗，T不会为不会为0 0）nn0转速降低，转速降低，Ia会增大，感应电动势会增大，感应电动势E减小。减小。nCEeaaRIEUamICT负载增加时，转速会？负载增加时，转速会？TCCRnmea2称为是转速降称为是转速降T=0时时, ,由于电枢电阻由于电枢电阻Ra很小，所以负载增加时转速很小，所以负载增加时转速n的下降并的下降并不大，不大，因此直流电动机

16、具有因此直流电动机具有硬机械特硬机械特性性。TINnNnn0Onnnn0TCCRCUmeae2太大会使换向器产生严重的火花太大会使换向器产生严重的火花, ,烧坏换向器；烧坏换向器；NaaNast)2010(IRUI 0nCEe(1) 起动电流大起动电流大(2) 起动转矩大起动转矩大起动时，起动转矩为起动时，起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲击，使造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。传动机构遭受损坏。aststIT 减压起动：是起动前将施加在电动机电枢两端的电减压起动：是起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流源电压降低，以减小起动电流Ist的起动方式。的起动方式。起动电

17、流通常限制在起动电流通常限制在1.52.5IN内，则起动电压为内，则起动电压为 Ust=IstRa=（1.52.5） INRa（1）减压起动）减压起动 起动时将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动起动时将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将起动电阻逐渐减小。机转速的上升将起动电阻逐渐减小。MM(a ) 他 励 式 (b ) 并 励 式RstRst（2）电枢回路串电阻）电枢回路串电阻MM(a ) 他 励 式 (b ) 并 励 式RstRstnn0T1TTLT2例例：一直流电动机额定电压V 110U，电枢电流A 10aI，电枢电阻5.0aR，求起动瞬间的电流及正常运转时的反电动势。解

18、解：直接起动时的起动电流：A 2205.0110astRUI正常运转时的反电动势：V 1055.010110aaRIUE例例：一直流电动机额定电压V 110U，电枢电流A 10aI，电枢电阻5.0aR，求起动瞬间的电流及正常运转时的反电动势。解解：直接起动时的起动电流：A 2205.0110astRUI正常运转时的反电动势：V 1055.010110aaRIUE例例：一直流电动机额定电压V 110U，电枢电流A 10aI，电枢电阻5.0aR，求起动瞬间的电流及正常运转时的反电动势。解解：直接起动时的起动电流：A 2205.0110astRUI正常运转时的反电动势：V 1055.010110aa

19、RIUEeaaCRIUn在由直流电动机作为动力的电力拖动系统中，为保证在由直流电动机作为动力的电力拖动系统中，为保证产品质量往往要求电动机在运行中能调节转速。产品质量往往要求电动机在运行中能调节转速。U、Ra不不变）变）不变）不变）（U、 不变）不变）U=0UfIaM+_+_IffRstRU、Ra不不变）变） 保持电枢电压保持电枢电压U不变，减小励磁电流不变，减小励磁电流If (Rf)以减以减小磁通小磁通 。所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：因为：n1021n TCCRnema2CUne0nnn0其中其中，0nTTL（ 减小减小） 0n

20、0nRf增增加加n n调速平滑，可做到无级调速；调速平滑，可做到无级调速；n调速经济，控制方便；调速经济，控制方便；特点：特点：但在额定情况下，但在额定情况下， 已接近饱和，所以通常只是已接近饱和，所以通常只是减小磁通的办法，减小磁通的办法，n只能上调。只能上调。n机械特性较硬，稳定性较好；机械特性较硬，稳定性较好；n调速范围较小。调速范围较小。aaaREUI E I nKEE 0nTTL 0n0nn（2）降压调速）降压调速不变）不变）TCCRnema2CUne0nnn0其中其中，nn0n0n0电电压压降降低低Tn 控制灵活、方便，可实现无级调速；控制灵活、方便，可实现无级调速；n 不改变电动

21、机机械特性的硬度，稳定性好；不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；n 调速范围较宽；调速范围较宽；n 电枢绕组需要一个单独的可调直流电源，设备较电枢绕组需要一个单独的可调直流电源，设备较复杂。复杂。nn0n0n0电电压压降降低低T（3）电枢回路串电阻（）电枢回路串电阻（U、 不变）不变）TCCRnema2CUne0nnn0其中其中，在电枢中串入电阻，在电枢中串入电阻， n0不变，不变， n nn0RaRa + RT电机的特性曲线变陡（斜率变大）电机的特性曲线变陡（斜率变大）特点：特点：n调速方法简单、方便；调速方法简单、方便；n机械特性变软；机械特性变软；n调速范围小调速范围小电动机的损耗增大

22、太多，因此只适用于调速范围要电动机的损耗增大太多，因此只适用于调速范围要求不大的中、小容量直流电动机的调速场合。求不大的中、小容量直流电动机的调速场合。nn0RaRa + RT（1 1）能耗制动）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。电枢断电后立即接入一个电阻。停车时，电枢从停车时，电枢从电源断开电源断开,接到电接到电阻上，这时：由阻上，这时：由于惯性电枢仍保于惯性电枢仍保持原方向运动，持原方向运动，感应电动势方向感应电动势方向也不变，电动机也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。同，从而电磁转矩与转

23、向相反，起制动作用。 F F (a) 直 流 电 动 机 原 理 图 (b) 线 圈 受 力 方 向 N S A B a b N S + U FFEEMUUfIf+R运行运行制动制动K（2 2）反接制动）反接制动电阻电阻 R 的作用是限流。的作用是限流。在停机时将电枢绕在停机时将电枢绕组接线端从电源上组接线端从电源上断开后立即与断开后立即与一个一个相反极性的电源相相反极性的电源相接接，电动机的电磁，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩立即变为制动转矩，使电动机迅转矩，使电动机迅速减速至停转。速减速至停转。 F F (a) 直 流 电 动 机 原 理 图 (b) 线 圈 受 力 方 向 N S A

24、B a b N S + U FFEEMUUfIf+R运行运行制动制动发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。成为制动转矩，限制电机转速过分升高。特殊情况下，例如汽车下坡时，特殊情况下，例如汽车下坡时， 在重力的作用下在重力的作用下 n n0这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机

25、转速过分升高。从而限制电机转速过分升高。(3) (3) 发电回馈制动发电回馈制动近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值价值!例：例：已知他励电动机的已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：求：（1）TL=0.5TN 时时, n=? （2） =0.8 N 时时, n=? 解：（解：（1） TL

26、=0.5TN 时时143. 015004 .125 . 0220NaaNNenRIUnECNm1415002.295509550NNNnPTamNICT13.14 .1214aNNmITCmin)/ r (8 .151666.2146.153821413. 1143. 05 . 0143. 022022NmeaeTCCRCUn（2） =0.8 N 时时min)/ r (188984.331923148 . 013. 1143. 05 . 0143. 08 . 02202n学习要求学习要求1、掌握三相异步电动机的转动原理和使用方法、掌握三相异步电动机的转动原理和使用方法2、理解三相异步电动机的运行特性和控制原理、理解三相异步电动机的运行特性和控制原理3、理解三相异步电动机的机械特性、理解三相异步电动机的机械特性4、了解单相异步电动机的转动原理、了解单相异步电动机的转动原理5、了解直流电动机的转动原理和运行特性、了解直流电动机的转动原理和运行特性本章重点：本章重点：1、三相异步电动机的转动原理和使用方法、三相异步电动机的转动原理和使用方法2、