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n3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.2 直流发电机n3.3 直流电动机的机械特性n3.4 直流他励电动机的启动特性n3.5 直流他励电动机的调速特性n3.6 直流他励电动机的制动特性3.13.1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3.1.13.1.1直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机的基本结构：定子、转子。直流电机的基本结构：定子、转子。定子作用：产生主磁场和在机械上支撑电机。定子作用：产生主磁场和在机械上支撑电机。转子作用：产生感应电势或产生机械转矩以实转子作用：产生感应电势或产生机械转矩以实

2、现能量转换。现能量转换。转子转子电枢：转轴、电枢铁心、绕组、换向器、风扇电枢：转轴、电枢铁心、绕组、换向器、风扇定子：机座、主磁极、换向极、端盖、轴承、电刷定子：机座、主磁极、换向极、端盖、轴承、电刷主磁极的作用是产生恒定、有一定空间分主磁极的作用是产生恒定、有一定空间分布形状的气隙磁通密度。由主磁极铁心和布形状的气隙磁通密度。由主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成放置在铁心上的励磁绕组构成 。铁心由。铁心由极身和极靴组成，极靴使气隙磁通密度分极身和极靴组成，极靴使气隙磁通密度分布均匀。对励磁绕组支撑。布均匀。对励磁绕组支撑。换向极即附加极，改善直流电动机换向，换向极即附加极，改善直流电动机

3、换向，1KW1KW以上电机均按装。以上电机均按装。直流电机机座有整体机座、叠片式机座。直流电机机座有整体机座、叠片式机座。电枢铁心是主磁路的一部分，同时支撑电枢绕组。电枢铁心是主磁路的一部分，同时支撑电枢绕组。电枢绕组是直流电机的重要组成部分。由绝缘导体绕制而成。电枢绕组是直流电机的重要组成部分。由绝缘导体绕制而成。每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接在一起形成每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接在一起形成电枢绕组。槽内直线部分称为元件有效部分，槽两端把有效部电枢绕组。槽内直线部分称为元件有效部分，槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分。分连接起来的部分称为端接部分。换向器

4、又称为整流子，对于发电机其换向器又称为整流子，对于发电机其作用是将电枢绕组的交流电变成外部作用是将电枢绕组的交流电变成外部的直流电。对于电动机是将外部的直的直流电。对于电动机是将外部的直流换成电枢绕组中的交流电。流换成电枢绕组中的交流电。换向片由导电性好换向片由导电性好 、硬度大、耐磨性、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形状，嵌在有换向片的底部做成燕尾形状，嵌在有云母绝缘的云母绝缘的V形钢环内，换向片间以形钢环内，换向片间以0.61.2mm的云母作为绝缘，以螺的云母作为绝缘，以螺栓压紧。栓压紧。电刷装置把电机电枢中的电流电刷装置把电机电枢中的电

5、流与外部静止电路相连或把外部与外部静止电路相连或把外部电源与电机电枢相连。电源与电机电枢相连。3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理直流电机分为直流电动机和直流发电机两大类。直流电机分为直流电动机和直流发电机两大类。一、直流发电机的工作原理一、直流发电机的工作原理右手定则右手定则 当有原动机拖动转子以一定的转当有原动机拖动转子以一定的转速旋转时，根据电磁感应定律，速旋转时，根据电磁感应定律，abcdabcd中将产生感应电动势，每边中将产生感应电动势，每边导体感应电动势大小为导体感应电动势大小为lvBex直流电机做电动机直流电机做电动机运行。左手定则。运行。左手定则。通电导体在

6、磁场中通电导体在磁场中受到电磁力的作用，受到电磁力的作用，形成力矩，旋转，形成力矩，旋转，同时切割磁场产生同时切割磁场产生感生电动势，与外感生电动势，与外加电源方向相反，加电源方向相反，故称为反电势。故称为反电势。nkEeatIkT直流电机电枢绕组中的电流与磁通直流电机电枢绕组中的电流与磁通作用，产生电磁力和电磁转矩。作用，产生电磁力和电磁转矩。电机运行方式电机运行方式E与与Ia的方向的方向E的作用的作用T的性质的性质转矩之间的关系转矩之间的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=T+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T=TL+T03.2 直流发电机

7、直流发电机按励磁方式分为：他励、并励、串励、复励。按励磁方式分为：他励、并励、串励、复励。3.2.1 他励发电机他励发电机EU0EI tonkEURUIIIRU）（EIRIEUeaaa等于空载电压发电机空载时，电动势0/R外特性：当转速外特性：当转速n、励磁、励磁电流电流If为常数时，发电机为常数时，发电机输出电压和负载电流之输出电压和负载电流之间的关系称为外特性。间的关系称为外特性。电压调整率电压调整率%105%1000NNUUUU 发电机端电压随负载发电机端电压随负载电流的增大而减小的程度电流的增大而减小的程度3.2.2 并励发电机并励发电机faLffaaaaIIIRUIRUIRUEIRI

8、EU/)(并励直流发电机自励的三个条件并励直流发电机自励的三个条件1电机必须有剩磁电机必须有剩磁2励磁绕组并联到电枢的极性必须励磁绕组并联到电枢的极性必须正确正确(加强原来的剩磁）加强原来的剩磁）3励磁回路中的总电阻必须小于该励磁回路中的总电阻必须小于该转速下的临界电阻转速下的临界电阻3.2.3复励发电机复励发电机RRf如右图所示为复励发电机原理图如右图所示为复励发电机原理图复励发电机的端电压随负载电流增大，复励发电机的端电压随负载电流增大，下降趋势比并励发电机弱，原因是复下降趋势比并励发电机弱，原因是复励发电机随负载电流增大时，由于串励发电机随负载电流增大时，由于串励绕组产生的磁通也将增大，

9、补偿了励绕组产生的磁通也将增大，补偿了并励绕组由于端电压下降而导致的磁并励绕组由于端电压下降而导致的磁通的下降。通的下降。3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性按励磁方式：他励、并励、串励和复励。按励磁方式：他励、并励、串励和复励。3.3.1 他励直流电动机的机械特性ememmeeamemeaaaTnTCCRCUnICTnCERIEU02代入上式得：和电磁转矩，将电枢电动势程：电枢回路的电压平衡方aeaeIKRKUn代入，将电枢电动势程：电枢回路的电压平衡方nKEIREUeaa）代入上式，则得（再将taKTI/nnTKKRKUnteae02为空载转矩。，载转速的存在，所以实际的空由于

10、有，称为理想空载转速。时，0020000TTKKRKUnTKUnTteaee直流积复励电动机。）：直流串励电动机和软特性（交流电动机。）：他励直流电动机、硬特性（。）：如交流同步电动机绝对硬特性（为三类：可将电动机机械特性分根据机械值的大小，机械特性硬度：1010100nTdndTemNTeaNeNNsaNTKKRKUnRRRUU2)0(械特性：的机械特性称为固有机时、当1. 固有机械特性分钟）（转（瓦）额定转矩的求取：，：计算额定工作点数据，：计算理想空载点数据；，、计算。铜耗是总损耗的机额定运行时，该式的意义是在电动可用下式进行估算：可用实测方法获得，也电枢电阻估算/55.9055.943

11、21432102NnPPTnnIKTKUnTKKnRIUKKKIPIURRRNNNNNNtNNeNemNeNtNaNNNeNtNeNNNaaa一、固有特性的求取一、固有特性的求取2.人为机械特性人为机械特性ataeNemteaeNemNteaNeemNtesaNeNIKRKUnTKKRKUnTKKRKUnTKKRRKUn对应的转速特性为：为特性：减弱励磁磁通时的人为特性：降低电枢电压时的人特性电枢串电阻人为机械222n3.3.2 串励电动机的机械特性串励电动机的显著特点是励磁电流即是电枢电流。其机械特性与他励电动机有差别。分两段考虑：第一段：电动机负载较轻，因此电枢电流较小，可以近似认为每极磁

12、通与电枢电流Ia成正比。即=CIa。为两常数。，代入机械特性公式：CKCKCKCCRTCUCKRKCTKUnKCTCKIKTeteaNeateNttat21212/第二段：当电动机负载较大时，磁路趋于饱和，可以近似认为=常数，此时机械特性曲线近似于一条直线。串励电动机负载大小对转速影响较大，启动电流很大从而导致起动转矩大。适合于起重运输机械等。不允许空载运行。不可以简单改变电枢电压极性方法来改变转速反向，只单独改变电枢或者励磁电压极性可以改变转速反向。3.3.3 复励电动机的机械特性具有他励和串励两个励磁绕组。积复励电动机，即串励和他励绕组所产生的磁通方向是相同的。因为具有串励和他励两个绕组，

13、所以复励电动机机械特性介于串励电动机和他励电动机之间。3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性倍电流的为额定伤。一般规定启动电流造成设备、电源等的损倍。定电流的，导致启动电流达到额流：可知，启动瞬间电枢电由，所以感生电动势，之前，转速他励直流电动机在启动25 . 12010/00aNstaaeRUIRIEUnKEn直流电动机启动的方法：直流电动机启动的方法：降压启动。降压启动。电枢回路串电阻启动。电枢回路串电阻启动。3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性速度变化：是在某条机械特性上，由于负载变化而导致的电速度变化：是在某条机械特性上，由于负载变化而导致的电动机

14、转速的变化。动机转速的变化。速度调节：在某一特定负载下，靠人为改变机械特性参数而速度调节：在某一特定负载下，靠人为改变机械特性参数而实现的。实现的。TKKRRKUnteadae2从上式可知，调速的方法有三种：从上式可知，调速的方法有三种：改变电动机电枢电压的方法。（额定电压以改变电动机电枢电压的方法。（额定电压以下范围下范围改变电枢回路的电阻。改变电枢回路的电阻。改变励磁磁通的方法。（弱磁）改变励磁磁通的方法。（弱磁）3.5.1 改变电枢电路外串电阻改变电枢电路外串电阻Rad优点：调速方法简单。优点：调速方法简单。缺点：机械特性软，稳定度低。调速范围受负载大小影缺点：机械特性软，稳定度低。调速

15、范围受负载大小影响。实现无级调速困难，能量消耗在电阻上。响。实现无级调速困难，能量消耗在电阻上。3.5.2 改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压UTKKRRKUnteadae2调压调速的特点：调压调速的特点：可以实现无级调速；可以实现无级调速；调速特性与固有特性相平行，机械特性硬度不变，调速的稳调速特性与固有特性相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；定度较高，调速范围较大；调速时，因电枢电流与电压无关，且调速时，因电枢电流与电压无关，且=N，故电动机转，故电动机转矩矩T=KtNIa不变，属于恒转矩调速。不变，属于恒转矩调速。可以通过调节电枢电压来启动电动机，不需其它

16、启动设备。可以通过调节电枢电压来启动电动机，不需其它启动设备。3.5.3 改变电动机主磁通改变电动机主磁通弱磁调速的特点：弱磁调速的特点：可以平滑无级调速，只能弱磁可以平滑无级调速，只能弱磁（？），即在额定转速以上调速。（？），即在额定转速以上调速。调速特性较软，且受电动机换向调速特性较软，且受电动机换向等条件限制。普通他励电动机最高等条件限制。普通他励电动机最高转速不得超过额定转速的转速不得超过额定转速的1.2倍。倍。调速时维持电枢电压调速时维持电枢电压U和电枢电和电枢电流流Ia不变，即功率不变，即功率P=UIa不变，属不变，属于恒功率调速，该方法适合于恒功于恒功率调速，该方法适合于恒功率负

17、载调速。率负载调速。3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性制动：是使电动机从某一稳定转速开始减速制动：是使电动机从某一稳定转速开始减速到停止或者是限制位能负载下降速度的一种到停止或者是限制位能负载下降速度的一种运转状态。运转状态。自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能，使转速慢慢下降到零。阻转矩消耗机械能，使转速慢慢下降到零。电动状态的特点：电动机的电磁转矩与电动电动状态的特点：电动机的电磁转矩与电动机的转速方向相同。机的转速方向相同。电动机的制动状态：电动机的电磁转矩与电电动机的制动状态：电动机的电磁转矩与电动机的转速方

18、向相反。动机的转速方向相反。电动机的两种制动状态：电动机的两种制动状态：卷扬机下放重物时为限制位能性负载的下降速度，电动机的转速不变，卷扬机下放重物时为限制位能性负载的下降速度，电动机的转速不变，保持重物稳速下降，属于稳定的制动状态。保持重物稳速下降，属于稳定的制动状态。降速或者停车制动时，电动机的转速是变化的，属于过渡的制动状态。降速或者停车制动时，电动机的转速是变化的，属于过渡的制动状态。共同点：电磁转矩与电动机转速方向相反。区别：转速是否稳定。共同点：电磁转矩与电动机转速方向相反。区别：转速是否稳定。制动的三种形式：反馈制动、反接制动、能耗制动。制动的三种形式：反馈制动、反接制动、能耗制

19、动。3.6.1 反馈制动反馈制动 电动机原来运行在第一相限，电动机原来运行在第一相限，即正向电动状态，在外部条件作即正向电动状态，在外部条件作用下，实际转速大于理想空载转用下，实际转速大于理想空载转速速n0时，电动机即运行于反馈时，电动机即运行于反馈制动状态。电动机正转时，反馈制动状态。电动机正转时，反馈制动状态多的机械特性是第一相制动状态多的机械特性是第一相限中电动状态多的机械特性在第限中电动状态多的机械特性在第二相限中的延伸。二相限中的延伸。 电动机电枢电压突然降低使电动机电动机电枢电压突然降低使电动机转速降低的过程中，也会出现反馈制动转速降低的过程中，也会出现反馈制动状态。状态。 同理在弱磁状态下，用增加磁通同理在弱磁状态下，用增加磁通在方法降速时，也能产生反馈制动过程。在方法降速时，也能产生反馈制动过程。卷扬机下放重物时所产生的反馈制