第3章 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。电机是电动机和发电机之总称，分交流和直流两种。电机是电动机和发电机之总称，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；交流电动机交流电动机工作

2、电压为交流。工作电压为交流。直流电机分直流电动机和直流发电机两种。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。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3.2直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性3.3直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性3.4直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.5直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性章节内容：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

3、流电机的基本结构根据电机的工作原理，直流电机的组成可分三个部分：根据电机的工作原理，直流电机的组成可分三个部分：主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。部分组成。主要由电枢铁心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。由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片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。与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。定定子：子：转转子：子：换向器：换向器：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

4、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。主磁极主磁极(1)：励磁绕组上加上：励磁绕组上加上直流电压，就有励磁电流通过，直流电压，就有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定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。子的主要作用是产生主磁场。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

5、，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。电枢绕组电枢绕组(2)：在固定的磁场：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量动势或产生机械转矩，实现能量的转换。的转换。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

6、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。换向器换向器(3、4)：电刷固定不动，换：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转。作用：向片与电枢绕组一起旋转。作用：发电机：发电机：将电枢绕组内感应的交将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。流电势转换成电刷间的直流电势。电动机：电动机：将外加的直流电流转换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向不变，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。以产生恒定的电磁转矩。1发电机原理：发电机原理：将机械能转换为电能。将机械

7、能转换为电能。电枢由原动机驱动电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边中枢线圈的两根有效边中便感应出电动势便感应出电动势e。每一有效边中的电动势是交变的，即在每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，极下是一个方向，当它转到当它转到S极下时是另一个方向。极下时是另一个方向。由于电刷由于电刷A总是同与总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电极下的有效边相联的换向片接触，而电刷刷B总是同与总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间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或电压，当电刷之间接有负载时，就出现一个

8、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生一定方向的电流。在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。c3-1.swf2电动机原理电动机原理：将电能转换为机械能。将电能转换为机械能。直流电源接在电直流电源接在电刷之间而使电流通入刷之间而使电流通入电枢线圈。电枢线圈。当线圈的有效边从当线圈的有效边从N（S）极下转到）极下转到S（N）极下时，其中电）极下时，其中电流的方向必须同时改变。流的方向必须同时改变。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极下的有效边极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样使两个边上受到的电磁力的方中的

9、电流总是另一个方向。这样使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。向一致，电枢因而转动。C3-2.swf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，两电刷间的有感应电动势。根据电磁学原理，两电刷间的有感应电动势。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。方向方向:直流发电机直流发电机总是与电流的方向相同，常称为总是与电流的方向相同，常称为电源电动势电源电动势。直流电动机直流电动机总是与电流的方向相反，常称为

10、总是与电流的方向相反，常称为反电动势反电动势。大小大小: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。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大小：大小：发电机：发电机：阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。方向相反。在等速转动时，原动机的转矩在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的

11、电磁转矩必须与发电机的电磁转矩TM及及空载损耗转矩空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。电动机：电动机：驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，使电枢转动。驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，使电枢转动。在等速转动时，电动机的电磁转矩在等速转动时，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及及空载损耗转矩空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。作用：作用：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。，但二者的作用正好相反。电机运行方电机运行方式式E与与I的

12、方向的方向E的作用的作用TM的性质的性质转矩之间的关转矩之间的关系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、直流电动机的分类按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：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：励磁他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。电压或电枢电流的大小无关。2.并励电动机：励磁绕组并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部与电枢绕组并联连接，由外

13、部电源一起供电。电源一起供电。3串励电动机：励磁绕串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。外部电源一起供电。4复励电动机：励磁绕复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。枢绕组并联连接。32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

14、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。直流他励电动机原理电路图。直流他励电动机原理电路图。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（）电枢回路励磁回路aaRIEU 电压平衡方程式：、nKEe amIKT aaeRInKU 即：即：aeaeIKRKUn 转速特性转速特性TKKRKUn2meae 机械特性机械特性他励电动机的励磁电流他励电动机的励磁电流If的大的大小与电枢电流小与电枢电流Ia的大小无关，它的大小无关，它的大小

15、只取决于的大小只取决于Rf、 Uf的大小，的大小，当当Rf、 Uf的大小一定时的大小一定时,If为定值，为定值，即磁通即磁通 为定值。为定值。aaRIEU 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。 e0KUn 2.转速降落转速降落TKKRnnn2mea0 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TKKRKUn2meae 即转矩变化与所引起的转速变即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。化的比值，称为机械特性的硬度。根据根据 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 Tr，前进时速度，前进时速度n 为正。为正。匀速走平路时（匀速走平路时（a点）：输出转矩点）：输出转矩TM用来克服负载转矩用来克服负载转矩Tr电动状态电动状态。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bn0段，段，TM