电工技术基础（第5版）（微课版）（AR H5交互版）课件 项目6 直流电动机

项目6直流电动机及控制技术任务6.1认识直流电动机任务6.2直流电动机的控制技术无论是直流发电机还是直流电动机，二者具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机拖动旋转而发电，是把机械能变为电能的装置；直流电动机则是通入直流电后拖动各种工作机械运转，是把电能转换为机械能的设备。

直流电动机的最大弱点就是存在电流换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的检修和维护也比较复杂，因此其使用的广泛程度远比不上交流电动机。尽管如此，由于直流电动机的调速性能较好和启动转矩较大，因此仍然广泛应用在对调速要求较高的大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车及汽车拖拉机等电路中，在控制系统中，直流测速电动机、直流伺服电动机的应用也非常广泛。因此，对直流电动机进行必要的讨论和研究，具有现实意义。项目导入知识目标

了解直流电动机的结构组成和工作原理，熟悉直流电动机的铭牌数据，理解和掌握直流电机的特性；理解和掌握直流电动机的控制技术主磁通原理，掌握直流电动机的启动控制、反转控制、调速控制及制动控制的理论与方法，了解直流电动机的常见故障处理方法。技能目标理解和掌握直流电动机的启动、调速、反转的控制方法，掌握相关的实验技能，具有对直流电动机的启动、调速、正反转实验电路进行连线和正确控制的技能和能力。任务6.1

认识直流电动机提出问题

直流电动机的地位如何？你了解直流电动机的结构组成吗？你理解直流电动机的工作原理吗？你对直流电动机的铭牌数据了解多少？直流电动机的运行特性和机械特性你了解多少？

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式的不同可分为永磁式、他励式和自励式3大类，其中自励式又分为并励式、串励式和复励式3种。知识准备6.1.1直流电动机的结构原理近年来，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，使直流电机大有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值。直流电机结构组成图机座主磁极转轴电枢铁心换向磁极电枢绕组换向器电刷

直流电机主要由定子、转子两大部分组成。1.定子定子主要有：机座、主磁极、换向极和电刷装置四部分。机座既可用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁轭。

主磁极是一个电磁铁，由主极铁心和主极线圈两部分组成。

换向极又称为附加极，装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。

直流电机通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。

2.转子转子主要有：转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器四部分。转轴用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。

电枢铁心是电机磁路的一部分，是承受电磁力作用的部件。

电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。

换向器是直流电机的结构特征，其作用是机械整流。

直流电动机的工作原理也是建立在电磁力和电磁感应的基础上。图中N和S为直流电机的一对定子磁极；电枢绕组用一个单匝线圈来表示；线圈的两个引出端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。

6.1.2

直流电动机的转动原理U+_NSAB转动原理

当直流电动机电枢绕组与直流电源连通时，根据左手定则可判断出两个线圈有效边在磁场中所受电磁力的作用，两电磁力对轴形成一个力矩，在电磁力矩的作用下，电枢便按顺时针方向旋转起来。FIiFn直流电动机的工作原理动画

直流电动机中的反电动势

电动机电枢在磁场中受力转动，转动过程中要与定子磁极的磁场相切割而感应电动势，电动势的方向可由右手定则来判断，感应电动势产生的电流显然与电源提供的电枢电流方向总是相反的，因此把这个感应电动势称为反电动势。直流电机的电磁转矩可表示为：

直流电动机的电磁转矩T是驱动转矩，与机械负载的阻转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。当轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。例如当负载增加时，轴上的机械转矩增大，平衡被打破，动力矩小于阻力矩，电动机转速下降，转速下降导致切割速度减小，反电动势减小，则电枢电流增大，电磁转矩增大，直至达到新的平衡，电动机的转速重新稳定。

6.1.3直流电动机的励磁方式

直流电机的励磁方式是指直流电机励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式。不同励磁方式的直流电机，其特性有很大差异。因此，励磁方式是选择直流电机的重要依据。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四种类型。Ia+_EUf+_If+_UMRf他励电动机他励电机的励磁绕组与电枢绕组各自分开，励磁绕组由独立的直流电源供电，励磁电流If的大小只取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压大小及负载无关。用永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电机。MURfIf+_+_IaE并励电动机并励电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数。所以并励绕组匝数多，导线较细。并励发电机电压建立的首要条件就是其磁极必须有剩磁。MUR+_+_Ia=IfE串励电动机串励电动机的励磁绕组与电枢绕组相串联，如图所示。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。

MURfIf+_+_IaE复励电动机复励电机至少有两个励磁绕组，一个是串励绕组，另一个是并励或他励绕组。并励绕组起主要作用，匝数多，导线细；串励绕组起辅助作用。匝数少，导线粗。

直流电动机有哪些励磁方式？应用得较多的有哪几种？

直流电动机的电枢绕组中通过的电流是直流吗？为什么？

为什么说直流电动机中的感应电动势是反电动势？这个反电动势与发电机中的感应电动势有何不同？

想想练练

每一台直流电机上面都有一块铭牌，上面标注各种额定数据，说明该直流电机的型号、规格、性能，是用户合理选择和正确使用直流电机的依据。

6.1.4直流电动机的铭牌数据

铭牌数据都是生产厂家根据国家标准要求，设计和试验所得的一组反映电机性能的主要数据。

额定功率指直流电机按规定工作方式运行时，能向负载提供的输出功率。直流电动机的额定功率是指电动机转轴上输出的有效机械功率。单位为千瓦（kW）。1.额定功率指额定输出时电机接线端子间的电压。单位为伏【V】。2.额定电压指电机按照规定的工作方式运行时，电机绕组允许流过的最大安全电流。单位为安【A】。

3.额定电流指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时，直流电机的旋转速度。单位为转/分【r/min】。

4.额定转速

此外，直流电机的额定数据还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、额定温升、额定效率等。5.绝缘等级直流电动机的绝缘等级根据其绝缘材料的耐热等级可分为Y、A、E、B、F、H、C7级，其极限工作温度分别为90℃、105℃、120℃、130℃、155℃、180℃及180℃以上。额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望电机按额定值运行。但实际上，电机运行时的各种数据可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期过载运行将使电机过热，降低电机寿命甚至损坏；长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。两种情况都将降低电机的效率，都是不经济的。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。

一台Z252型直流电动机，已知其铭牌数据为：PN=13kW，UN=220V，ηN=0.86，nN=3000r/min。试求该直流电动机的P1N，IN和TN。

解例根据已知铭牌数据，可求得额定输入功率为

额定电流为

额定电磁转矩为

直流电机的定子都包含哪几部分？各部分作用如何？

何谓直流电机的铭牌数据？其中的额定功率，是电功率还是机械功率？

在直流电动机中，电枢所加电压已是直流，为什么还要加装换向器？如果直流电机没有换向器，还能转动吗？想想练练直流电机的转子都包含哪几部分？各部分作用如何？

直流电动机的主要参数有电动机输出功率、电压、电枢电流、转速、电磁转矩、输出转矩和效率等。电动机运行特性即是指这些参数间的变化关系。电动机各参数之间的关系可由电动势平衡方程式和转矩平衡方程式来确定。

6.1.5直流电动机的特性分析

电动机稳定运行时的端电压应满足下面的关系式：1.直流电动机的运行特性

式中ΔU是直流电机的电枢压降。对串励电动机来讲，电流流过电枢时，引起的电压降为：（1）电动势的平衡方程式

式中的Ra是电枢电路的铜耗电阻，Rm是磁系统电路的电阻。对于永磁式直流电动机，则有：

电动机稳定运转情况下，电动机产生的电磁转矩为：

（2）转矩平衡方程式

式中电磁转矩T是由通过电枢电路的电流与电动机总磁通量相互作用而产生的，T0是因电动机上的转承、电刷和整流环间的磨擦，电枢和磁系统的旋转以及铜损耗而形成的空载阻转矩。另外，式中CT为电机结构常数，与电动机结构因素有关。

输出转矩T2是直流电动机轴上的负载阻转矩，其大小取决于直流电动机拖动的负载。

直流电动机的空载损耗P0很小，只是额定输出功率的2%～3%，故空载阻转矩也为输出转矩的2%～3%。2.直流电动机的机械特性

直流电动机的机械特性是指时机的转速n与电磁转矩T之间的关系，以常用的他励电动机为例，说明其机械特性。

他励直流电动机电枢中的反电动势，

电机转速

若将电磁转矩公式代入上式即可得到电机转速另一形式

其中的n0为空载转速，C是一常数，反映了电机特性曲线斜率。TnTL0n0nN图示他励直流电机的机械特性曲线是一条略向下倾斜的直线，这种机械特性称为硬特性。TnTL0n0nN串励机的机械特性较软，因为串励电动机的励磁电流与电枢电流相同，当负载增大时励磁电流随之增大，磁通量与励磁电流成正比增大，电磁转矩变化也较大，其机械特性是一条随负载增大，转速下降很快的软特性。如果串励机轻载，转速将很高，严重时还会造成飞车事故。因此，串励机不允许在空载或轻载下运行。

并励电动机通常和他励机的机械特性差别不大，可以认为其机械特性相同。复励电动机的机械特性介于他励机和串励机之间。

一台并励直流电动机，已知其铭牌数据为：PN=15kW，UN=110V，ηN=0.83，nN=1800r/min，Ra=0.05Ω，Rf=25Ω。试求：该直流电机的额定电流IN，励磁电流If，电枢电流Ia，反电动势Ea及额定电磁转矩TN。

解例根据已知铭牌数据，可求得额定输入功率为

额定电流为

额定电磁转矩为

励磁电流为

电枢电流为

反电动势为

何谓直流电动机的运行特性？何谓直流电机的机械特性？

各种励磁方式不同的直流电动机，哪些属于硬特性？哪些属于软特性？

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中国电机之父，后世楷模拓展阅读

钟兆琳，著名的电机学家、教育家，中国电机工程学会创始人之一，中国电机工程学会终身荣誉会员，中国电工技术学会荣誉会员，也是中国第一台交流发电机与电动机的研制者。钟先生为中国的电机事业服务了60余年，培养了一大批杰出的电机学、信息学方面的人才，被誉为“中国电机之父”。

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科技兴则民族兴，科技强则国家强，核心科技是国之重器。核心技术并不是那么容易引进的，也不可能一蹴而就，需要国人不忘初心，砥砺前行。任务6.2

直流电动机的控制技术提出问题

你了解直流电动机的启动采用的方法有哪些？直流电动机如何从正转改为反转？直流电动机的调速控制有哪些方法和技术？直流电动机的制动技术包括哪些？你了解和熟悉直流电动机的常见故障处理方法吗？直流电动机中，他励直流电动机和并励直流电动机在拖动中应用得最为广泛，因此我们以他励直流电动机或并励直流电动机为例介绍直流电动机的控制技术。知识准备6.2.1直流电动机的启动控制1.直接启动

直接启动是在不采取任何限流措施的情况下，电枢绕组直流直接接额定电压的启动方法。直接启动瞬间，由于电机电枢转速n=0，所以把电动势Ea=0，则此时加额定电压时电枢的启动电流为：

由于电枢电阻的数值通常很小，此时启动电流可达额定电流的10~20倍，超出额定电流这么多的启动电流可能在换向器上产生火花而损坏换向器，因此是不允许的。2.电枢回路串电阻启动为了限制启动电流，可在电枢回路中串入适当的限流电阻Rst。这时刚一启动瞬间的电流为：

在启动过程中，随着电动机转速的不断升高，可逐渐切除启动电阻，直到正常运行状态时全部切除。

启动转矩正比于启动电流，所以直接启动时其启动转矩也很大，电动机的转轴在直接启动时会受到较大的机械冲击作用，可能造成机械性损伤。因此，直接启动方法只允许用于容量很小的直流电动机中。

3.降压启动

直流电动机在有可调电源的情况下，也可以采用降压启动，以限制启动电流。随着转速的升高，电压也随之调高，直到额定电压下稳定运行。这种方法大多用于直流发电机—电动机组。其优点是启动电流小，可平滑启动，能耗低。

要改变直流电动机的旋转方向，必须改变电磁转矩的方向，由可知，电磁转矩的方向由主磁通和电枢电流共同决定，只要其中任意一项改变方向，都能使电磁转矩反向，电动机反转。6.2.2直流电动机的反转控制由于直流电动机的励磁绕组电感较大，换接时会产生很高的自感电压，造成操作的极不安全。因此在实际使用中通常采用的方法是改变电枢电流达到反转目的。

根据公式U＝E+IaRa

Ea＝Ce

nT＝CT

Ia

6.2.3直流电动机的调速降低电枢电压调速调速过程U↘Ia↘T↘n↘E↘Ia↗T↗，

调速幅度大、性能好，应用较广的调速方法。2.减弱磁通调速调速过程↘E↘Ia↗T(Ia的影响大于

)↗n↗E↗，

只能升速，适合恒功率负载，需用调磁电动机。3.电枢回路串电阻调速调速原理：假定电枢回路未串接电阻时，直流电动机在负载转矩TN状态下稳定运行在机械特性曲线的A点。需要调速时，在电枢回路中串接调速电阻RΩ1，电动机由于机械惯性，转速并不马上发生改变，工作点从A点过渡到人为特性的b点，显然电动机的电磁转矩减小，T=TL的平衡被打破，电动机转速沿人为特性下降，下降过程中，反电动势Ea减小，电枢电流增大，电磁转矩随之增大，当电磁转矩重新与负载阻转矩平衡时，电动机稳定在人为特性的B点运行。若进一步串入调速电阻RΩ2，电动机会以类似过程调速，最后稳定在更低的转速C点运行。6.2.4直流电动机的制动1.能耗制动

所谓能耗制动，就是在制动时让电枢绕组从电网中断开，并立即接到一个制动电阻上。此时电动机励磁不变，电动机因惯性继续旋转，并在电枢绕组中感应电动势，感应电动势的电流向制动电阻反向供电，产生反向的电磁转矩为制动转矩。在整个制动过程中，电动机储存的动能转换成电能全部消耗在电枢电阻和制动电阻上，故称为能耗制动。

2.

反接制动

所谓反接制动，就是在电动机制动时，电枢电压反向接在电枢两端，使其与反电动势同向，在电枢中就