电工电子技术（第5版）课件 电子 徐淑华 15- 机电转换15.2 15.3

15.2.1直流电动机的构造及工作原理15.2.2并励（他励）电动机的机械特性15.2.3并励（他励）电动机的使用15.2直流电动机1学习目标

了解直流电动机的基本构造和工作原理；理解并励（他励）电动机的机械特性；理解并励（他励）电动机的启动、反转与制动、调速的基本方法；了解伺服电动机和步进电动机的结构及工作原理。2直流电机的应用：轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备、蓄电池的充电、同步电动机励磁、电镀和电解等。直流电机的特点：优点：调速性好，启动转矩大。缺点：结构复杂，维修不便。直流电机概述直流电机：直流发电机：将机械能转换为直流电能；直流电动机：将直流电能转换为机械能；315.2.1直流电动机的构造及工作原理1.直流电动机的组成2.直流电动机的工作原理4组成：磁极、电枢、换向器。1.直流电动机的组成5（1）

磁极（定子）:产生固定磁场极心：放置励磁绕组，通入直流励磁电流，产生固定磁场。极掌：使空气隙中磁感应强度的分布最合适。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成磁场。6（2）

电枢（转子）:产生感应电动势铁心：表面有冲槽，放置电枢绕组。电枢绕组7（3）

换向器:使电枢绕组与外电路连接

换向器与电枢转轴紧固在一起，电枢绕组按一定规则与换向片连接。

换向器表面用弹簧压着固定电刷，使转动的电枢绕组与外电路相连。U+–NS电刷换向片II注意：换向片和电枢固定联接，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。8在电刷之间加入直流电iinFFee将直流电源接在两电刷之间，电流通过电枢线圈

N、S极下的有效边的电流方向固定

产生的磁场力方向一致

电枢转动

产生与外加电压方向相反的感应电动势：反电动势驱动转矩NSU+_abcdAB2.直流电动机的工作原理（1）

直流电动机的转动原理9直流电动机基本工作原理小结：●

电枢绕组内的电势、电流是交变的，而电刷间的电势、电流是直流的；

●由于换向器的作用，使得N极和S极下导体的电势、电流方向不变；

●

在直流电动机中，换向器的作用是使得N极和S极下导体电流方向不变，产生单方向的电磁转矩。10线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。1)电枢中的感应电动势电枢反电动势E的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变

或niiNSU+_nFFeeKE：与电机结构有关n：电动机转速

：磁通的常数（2）

直流电动机的运行方程式11

2)电枢回路电压平衡方程E与通入的电流方向相反，所以称反电势。式中：U—外加电压

Ra—电枢绕组电阻MRaIaE+–+–U12KT：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）

:线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3)电磁转矩由转矩公式可知：a)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。b)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。驱动转矩134)转矩平衡关系电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须与外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即T2：负载转矩T0

：空载转矩

当负载转矩T2发生变化时，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。如：当负载增加时：

T2↑

T<T2

n↓

E↓

Ia↑

T↑

T=T2转矩平衡过程：1415.2.2并励（他励）电动机的机械特性1.机械特性2.电动机的稳定运行15直流电动机的分类：他励：励磁和电枢绕组的电源独立。并励：励磁和电枢绕组并联。串励：励磁和电枢绕组串联。复励：励磁和电枢绕组一部分串联、一部分并联。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U16——理想空载转速

n——转速降T

n

Ra

n

n=f(T)1.并励（他励）电动机的机械特性17nTn0nNTN

noRa很小时，负载变化，转速变化不大。并励电动机的机械特性比较硬。一般要求电动机按额定值运行。18nTn0nNTN

noT2

T<T2

减速

n

T

T=T2

稳定T2

T>T2

加速

n

T

T=T2

稳定2.电动机的稳定运行19直流电机的铭牌数据根据国家标准，直流电机的额定数据有：额定容量（功率）PN（kW）；额定电压UN（V）；额定电流IN（A）；额定转速nN（r／min）；励磁方式和额定励磁电流IfN（A）

有些额定值如额定效率

N、额定转矩TN等则不一定标在铭牌上。除了上述额定值外，铭牌数据还包括电机的型号、绝缘等级、电机重量等。20(1)额定电压UN(V):

在额定工作条件下，电枢出线端的平均电压。

对电动机是指输入额定电压，

对发电机是指输出额定电压。(2)额定电流IN(A):

电机在额定电压条件下，运行于额定功率时的电流。

对电动机而言，是指带额定负载时的输入电流；

对发电机而言，是指带额定负载时的输出电流。(3)额定容量PN

(kW或W):

在额定电压条件下，电机所能供给的功率。

对电动机而言，是指电动机轴上输出的额定机械功率:

PN=UNIN

N

对发电机而言是指向负载端输出的电功率:

PN=UNIN21(4)额定转速nN:

电机在额定电压、额定电流条件下，且电机运行于额定功率时电机的转速。单位为r／min。(5)额定效率

N:

电机在额定条件下，输出功率与输入功率的百分比:ηN=

100%P2NP1N(6)额定转矩TN:

电动机轴上输出的额定转矩，即：

TN=9550P2NnN其中：PN的单位为kW，TN的单位是N·m;2215.2.3并励（他励）电动机的使用1.启动2.制动3.调速231.启动电机正常运行：Ra很小，但由于U和E十分接近，

Ia不很大。电机启动：n=0

E=0

Iast

（10~20）IN同时：T

Ia，T很大。T很大会产生强烈的机械冲击而破坏传动机构。电机启动时，必须减小启动电流。24（1）

电枢回路串联启动电阻（他励和并励电动机）MIaIfR'f+_E+_URst并励电动机MIa+_E+_URstR'fIf+_Uf他励电动机

在电枢回路中串联启动电阻Rst，启动时，将Rst调到最大，随着n

Rst

，当n达到稳定时，Rst全部切除。

要求：Iast不超过IN的1.5~2.5倍。25（2）降低电枢电压（他励电动机）根据，U

Ia

起动时，使U小于UN，随着n

，U

，n稳定时：U=UN。思考：降低电枢电压起动是否适合并励电动机？MIaIfR'f+_E+_URst并励电动机不适合。U=Uf

U

直流电动机在起动或正常工作时，必须保证励磁回路接通。（起动时要满励磁）26磁通太小，会产生：1）电机起动时：T=KT

Ia

、E=KE

n

Tst

电机不能起动。

E

Ia

烧坏电枢绕组。2）电机有载运行时：

E

Ia

T

（

减小超过了Ia增大的影响）T<T2

电机迅速减速到n=0Ia

烧坏电机。3）电机空载运行时：

n

（n上升到很高的值，称为“飞车”）27反转

要改变直流电动机的转动方向，必须改变电磁转矩的方向：磁场方向固定：改变电枢电流方向。电枢电流方向固定：改变磁场方向。思考：并励电动机能否改变电源的方向使其反转？不能！

并励电动机改变电源方向时：磁场和电枢电流的方向同时发生改变，电磁转矩的方向不变，转速n方向不变。

他励电动机的反转可以改变励磁电源的方向或者电枢电压的方向。282.制动（他励电机）直流电动机的制动，产生反向的电磁转矩。（1）能耗制动M+_E+_UR'fIf+_UfRQ运行时，Q接通电源：E和Ia反向。制动时，Q接电阻R：E和Ia同向。产生制动的电磁转矩。29（2）反接制动MIa+_E_+URstR'fIf+_Uf反接制动

制动时，电枢电压反接，使电枢电流反向，产生反向的电磁转矩。当n

0，断开电源。采用反接制动时：E和U同向。E+U=IaRa因此：制动电流很大，需串联制动电阻。30直流电动机的调速范围宽，调速性能好。（1）改变电枢电压调速(调压调速)条件：保证If（

）、Ra

为额定值。调整U：n0发生变化，

n不变。

机械特性是一组平行线。n0nToU降低U变化n变化3.调速31n0nToU降低T2调速过程：调速时，当T2不变，T=T2不变；

、Ra不变

Ia不变。U

n

E

变压调速适合恒转矩负载。T=KT

IaE=KE

nU=IaRa+E32

改变电压调速方法必须有连续可调的大功率直流电源，这种方法投资大，目前广泛使用的方法是可控硅整流电路调节电枢电压。改变电枢电压调速的特点:2)工作时电枢电压不允许超过UN，而n

U，所以调速只能向下调。4）均匀改变电枢电压，可得到平滑无级调速。5）调速幅度较大。1)条件：

、Ra、Ia不变。3)硬度不变，调速范围宽，适用于恒转矩负载.33例：他励电动机：UN=220V、IaN=53.8A、nN=1500r/minRa=0.7

，电枢电压降低到0.5UN时，T2、

不变，求：降压后的电机转速。解：降压调速时，T2不变：

、Ia不变。E=KE

n34（2）

改变磁通调速（弱磁调速）条件：U、Ra不变，调节Rf改变

。

n0

n

nTo

降低T2在弱磁调速过程中，机械特性变软。在励磁回路串上电阻Rf，改变Rf大小可调节励磁电流，从而改变

的大小。35

Rf

If

n

，但在额定情况下，

已接近饱和，If再加大，对

影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。改变磁通调速的方法:一般只采用减少励磁电流的方法调速。If的调节有两种情况：（

减小）T2Rf增加Tn

Rf

If

n

，减弱磁通是常用的调速方法。361）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。

2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。

减小

调速的特点：1）若调速后Ia

保持不变，则高速运转时负载转矩必须减小。

2）这种调速方法只适用于恒功率调速。使用调磁调速时应注意：37思考：弱磁调速是否适用于恒转矩负载？对于恒转矩负载，T一定，U和Ra不变：由T=KTIa知：

Ia

（Ia>IaN

）因此：弱磁调速不适用于恒转矩负载。调速过程中，应使Ia近似不变：

T

。n

T

P2近似不变。弱磁调速适用于恒功率负载。38例：并励电机，P2N=10kW，UN=220V，IN=53.8A，nN=1500r/min，且Ra=0.4

，Rf=193

，采用弱磁调速，在励磁电路中串联Rf'=50

（1）若保持TN不变，求调速后的Ia'、n'、P2'

（2）若保持Ia不变，求调速后的T'、n'、P2'MIaIfR'f+_E+_URstIN解：调速前：39串联Rf'之后：

与If成正比。（1）T不变：由T=KT

Ia知：

T不变时：Ia>IaN

40（2）Ia不变：由U=E+RaIa知：

保持Ia不变，调速后：n

、T

、P基本不变。41第15.2节小结二、直流电动机的三个方程：一、直流电动机的工作原理电磁转矩:反电动势:电枢电压、电流关系：三、直流电动机的机械特性：四、直流电动机的启动与反转启动性能，启动方法，反转方法五、并励（他励）电动机的调速：调压调速：方法，特点，计算调磁调速：方法，特点，计算42电能转换新技术15.3控制电机15.3.1伺服电动机15.3.2步进电动机15.3.3永磁式同步电动机43控制电机的作用：用来转换和传递控制信号。13.3.1伺服电动机作用：把电压信号转换成转矩和转速以驱动控制对象，当信号电压的大小和极性变化时，其输出转矩转速和转向能准确随之变化。特点：（1）灵敏度高（对控制信号反应灵敏）

（2）无“自转”现象，即当控制电压为零时，能迅速挺转。

（3）运行稳定，即在控制电压改变时，电动机能在较宽的范围内稳定运行。44交流伺服电动机：

是两相异步电动机，定子上装有两个绕组：励磁绕组和控制绕组，他们在空间相隔90°，励磁绕组串联电容C，起到分相的作用，产生两相旋转磁场，使转子转动。转速受控制电压控制：T2一定：U

n

U

n

机械特性软。45直流伺服电动机：结构特点：（1）结构与直流电机相似

（2）电枢电阻大控制方式：（1）电枢电压控制（2）磁极磁通控制U

n

U

n

U=0

n=04615.3.2步进电动机作用：把电脉冲信号转换成直线位移或角位移；对应每个输入的脉冲信号，转子转过一个固定角度。脉冲信号：反应式步进电动机的结构：

定子：均匀分布六个磁极，两个相对的磁极组成一相，绕着一相绕组。

转子：均匀分布六个齿没有绕组。齿矩角=90°47单三拍方式：在磁场作用下，转子总力图转到磁阻最小的位置。第1个脉冲：A相通电，转子齿对齐AA'。第2个脉冲：B相通电，转子齿对齐BB‘。顺时针转过30°第3个脉冲：C相通电，转子齿对齐CC‘。顺时针转过60°48

在单三拍工作中，按A-B-C-A的顺序通电，转子按顺时针方向不断一步步转动，每步的转角都是30°，这个角度叫：步距角。电流换接三次，转子转过一个齿距角——单三拍六拍方式：通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A 步距角=15°

六步转过一个齿距角——六拍方式4950双三拍方式：通电顺序：AB-BC-CA 步距角=30°

计算：步距角：Zr——转子齿数m——运行拍数

反应式步进电动机既可以进行角度控制，也可以进行转速控制。515215.3.3永磁式同步电动机同步电动机的转速恒定不变。不会随负载阻转矩或者信号电压的改变而变化。功率从零点几瓦到数百瓦的各种同步电动机，在需要恒速运转的自动控制装置中得到了广泛的应用5315.3.3永磁式同步电动机由永久磁钢做成。不需励磁绕组和励磁电流。1．永磁式同步电动机的基本结构与工作原理三相电流通入三相绕组或两相电流通入两相绕组，产生旋转磁场其转速即同步转速n0定子:转子：54

旋转磁场以同步速n0朝着图示的转向旋转时，根据N极与S极互相吸引的道理，定子旋转磁极就要与转子永久磁极紧紧吸住，并带着转子一起旋转。工作原理55转子转速只决定于电源频率和电机极对数。但是如果轴上负载阻转矩超出一定限度，转子就不再以同步速运行，甚至最后会停转，这就是同步电动机的“失步”现象。