机电传动控制_第三章1

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。直流电机发明较早，最早使用的电源是电池，后来出直流电机发明较早，最早使用的电源是电池，后来出现了交流电机，并得到广泛、迅速的应用。现了交流电机，并得到广泛、迅速的应用。直流电机特点：直流电机特点：调速范围广，易于平滑调速；调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性高。易于控制，可靠性高。多用于调速要求高的生产机械上，如：轧钢机、电多用于调速要求高的生产机械上，如：轧钢机、电车、

3、电气铁道牵引车、挖掘机械、纺织机械等。车、电气铁道牵引车、挖掘机械、纺织机械等。主要缺点：换向问题。主要缺点：换向问题。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、转子转子和和换换向器向器三大部分。三大部分。定子部分定子部分主要由机座、定子铁心、励磁绕组、换向级、端盖和主要由机座、定子铁心、励磁绕组、换向级、端盖和轴承组成。轴承组成。转子部分转子部分主要由电枢铁心、电枢绕组、风扇、转轴和轴承组成

4、。主要由电枢铁心、电枢绕组、风扇、转轴和轴承组成。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。枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。（一）定子部分（一）定子部分1、机座、机座整体机座（导磁和机械支撑的作用）整体机座（导磁和机械支撑的作用）材料：铸钢或厚钢板压成材料：铸钢或厚钢板压成2、主磁极、主磁极主磁极铁心：主磁极铁心：11.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，厚的低碳钢板冲成一定形状，叠在一起，并柳接。叠在一起，并柳接。励磁绕组：绝缘铜线励磁绕组：绝缘铜线小直流电机的主磁极用永久磁铁（永磁式电

5、机）小直流电机的主磁极用永久磁铁（永磁式电机）3、换向极、换向极形状较主磁极简单，一般用整块钢板制成，外面套换形状较主磁极简单，一般用整块钢板制成，外面套换向向极绕组，用于改善电枢电流的换向性能。极绕组，用于改善电枢电流的换向性能。（二）转子部分（二）转子部分1、电枢铁心、电枢铁心为减少电枢旋转时在其中产生的涡流和磁滞损耗，常为减少电枢旋转时在其中产生的涡流和磁滞损耗，常用用0.5mm厚的硅钢片冲成一定的形状的冲片，并两面涂漆后叠厚的硅钢片冲成一定的形状的冲片，并两面涂漆后叠状而成。状而成。2、电枢绕组、电枢绕组绝缘铜线绕制成，嵌入电枢铁心槽中。绝缘铜线绕制成，嵌入电枢铁心槽中。（三）换向器（

6、三）换向器安装在转轴上，由许多换向片组成，彼此绝缘。换向安装在转轴上，由许多换向片组成，彼此绝缘。换向片数量与电枢绕组数相同，并与电枢绕组连接。片数量与电枢绕组数相同，并与电枢绕组连接。电刷装置固定在定子上，与换向器保持滑动摩擦，电电刷装置固定在定子上，与换向器保持滑动摩擦，电刷一般用石墨制成，以增加其导电性。刷一般用石墨制成，以增加其导电性。作用作用对发电机：将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电对发电机：将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。刷间的直流电动势。对电动机：将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流对电动机：将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流电流，保证每一磁极下，电枢

7、导体的电流方向不变。电流，保证每一磁极下，电枢导体的电流方向不变。二、电机的铭牌数据二、电机的铭牌数据1、额定容量（功率）、额定容量（功率）直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机2、额定电压（、额定电压（UN）电流（）电流（IN）额定转速（）额定转速（nN）3、励磁方式和额定励磁电流（、励磁方式和额定励磁电流（IfN）4、额定转矩、额定转矩NNNIUP NNNNIUP电刷端的输出电功率电刷端的输出电功率转轴上输出的机械功率转轴上输出的机械功率NNNNNNNnPnPPT55. 9602三、基本的工作原理三、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

8、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。1主磁极主磁极：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

9、，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

10、机工作原理将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图所示：图如图所示：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

11、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

12、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。上图仅是一个简单的物理模型，实际的上图仅是一个简单的物理模型，实际的直流电机电枢绝非仅有一个线圈，而是根据直流电机电枢绝非仅有一

13、个线圈，而是根据需要由许多线圈分布在电枢铁心上，按一定需要由许多线圈分布在电枢铁心上，按一定规律连接的，构成电枢绕组。规律连接的，构成电枢绕组。四、电动势和电磁转矩四、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）；）；一对磁极的磁通（一对磁极的磁通（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

14、。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：atM IKT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）；）；Kt与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Kt=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

15、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

16、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从原理上讲，一台电机无论是直流电机还是从原理上讲，一台电机无论是直流电机还是交流电机，都是在某一种条件下作为发电机，而交流电机，都是在某一种条件下作为发电机，而在另一种条件下作为电动机运行，并且这两种运在另一种条件下作为电动机运行，并且这两种运动状态可以相转换，这是电机的可逆原理。动状态可以相转换，这是电机的可逆原理。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