电机与电气控制技术 课件 任务3.1 认识直流电动机

项目概述

在电动机的发展历史中，直流电动机（DCMotor）是最早发明将电能转换为机械能的电动机，人类最先得到和推广的是直流电，直流电动机也是先于交流电动机产生。直流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。通过本项目的学习，读者可以掌握直流电动机的结构与工作原理；直流电动机的运行特性；直流电动机的起动、调速和制动方法。学习目标知识目标（1）掌握直流电动机的特点、结构及工作原理。（2）掌握直流电动机的种类和运行特性。能力目标（1）能够理解励磁绕组和电枢绕组的作用。（2）能够读懂他励或永磁式直流电动机正反转控制原理图。（3）能够理解直流电动机铭牌信息并正确选择电机。素质目标（1）通过对直流电动机结构与原理的学习，认识科学与技术之间的辩证关系。（2）通过直流电动机在生产生活中的应用，感悟物理知识源于生活，理解理论与实践的关系。项目3直流电动机及其控制任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.1直流电动机的特点、应用及种类1.直流电动机的特点优点：具有优良的调速性能和起动性能。具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载。缺点：直流电动机一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花（有刷直流电动机），因而可靠性较差，维护比较困难。一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但在起动和调速性能要求高的场合，直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.1直流电动机的特点、应用及种类2.直流电动机的应用

由于直流电动机具有良好的起动和调速性能，常应用于对起动和调速有较高要求的场合。如电力机车、内燃机车、地铁列车、电动自行车等交通运输领域；部分玩具和家电领域；大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械领域。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.1直流电动机的特点、应用及种类3.直流电动机的种类按结构及工作原理分类有刷直流电动机无刷直流电动机电磁直流电动机永磁直流电动机串励直流电动机并励直流电动机他励直流电动机复励直流电动机稀土永磁直流电动机铁氧体永磁直流电动机铝镍钴永磁直流电动机本教材只介绍有刷直流电动机的相关知识和技能。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式1.直流电动机的工作原理

直流电动机也是依据电与磁相互作用原理制造的，即导体切割磁力线产生感应电动势和通电导体在磁场中受到电磁力的作用。

直流电动机工作原理（有刷）如图所示。N和S表示固定的磁极，产生的磁场方向为N极指向S极。abcd为导电线圈，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片上（换向片1和换向片2），它们的组合称为换向器。在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式1.直流电动机的工作原理

将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d，如图(a)所示。导体ab和cd分别处于磁场中，受到电磁力的作用。根据左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力f的作用，导体ab受力方向垂直向上，导体cd受力方向垂直向下，形成电磁转矩，使线圈abcd按逆时针方向旋转。

任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式1.直流电动机的工作原理

当线圈abcd转过30°，其电流流向及受到的电磁力f的情况如图（b）所示。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式1.直流电动机的工作原理

当线圈abcd转过90°时，如图（c）所示，线圈中无电流和电磁力，但在惯性的作用下继续旋转。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式1.直流电动机的工作原理

当线圈abcd转过120°，其电流流向及受到的电磁力f的情况如图（d）所示，线圈中电流流向为d-c-b-a，与图（a）和图（b）相反，但导体ab和cd受到的电磁力f作用，合成的电磁转矩方向与图（a）和图（b）相同，使线圈abcd继续沿着逆时针方向旋转。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式1.直流电动机的工作原理

由此可见：加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机线圈中流过的电流的方向是交变的，使线圈产生的电磁转矩方向是恒定不变，进而保证直流电动机朝确定的方向连续旋转。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构

直流电动机由定子和转子两部分组成。

定子主要用来产生磁场和在机械上支撑电机，是直流电动机的静止部分，主要包括基座，主磁极，换向极，电刷装置等。

转子是直流电动机转动部分，也称电枢，其作用是在定子产生的磁场作用下产生感应电动势和电流，进而产生电磁转矩，实现能量转换。主要包括电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴和风扇等。

在定子和转子（电枢）之间有一定间隙，称为气隙。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构直流电动机纵向剖视图

直流电动机横向剖视图任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（1）定子部分1）主磁极

主磁极由主磁极铁心和套装在主磁极铁心上的励磁绕组组成。主磁极用来产生励磁磁场。

主磁极铁芯由1mm～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。

励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主极励磁绕组的电流相等。

直流电动机“极数”为主磁极个数，但是该“极数”与直流电机转速无关。这一点与交流电机不同。图3-3所示的直流电动机，其极数为4，即p（磁极对数）=2，称之为4极电机。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（1）定子部分2）换向极

直流电动机运行中，电枢绕组元件经过电刷时，从一条支路进人另一条支路，该电枢绕组元件中的电流方向也发生了改变，这个过程称为换向。

换向极的作用是改善换向，其目的是减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花。

换向极一般装在主磁极之间的几何中性线上，由换向极铁心和换向极绕组组成。

换向极绕组与电枢绕组串联，即流过电枢电流，由于电枢电流较大，因此换向极绕组导线截面积较大，匝数较少。换向极铁心通常由整块钢或通过叠压工艺打造的钢板做成，一般容量超过1kW的直流电动机都安装有换向极。1.换向极铁心2.换向极绕组任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（1）定子部分3）电刷装置

在直流电机中，为了使电枢绕组和外电路连接起来，必须装设固定的电刷装置，它是由电刷、刷握和刷杆座组成。

电刷是一般是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，压紧弹簧将电刷压紧与换向器表面紧密接触，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，用铜绞线将电刷和刷杆连接，刷杆装在刷座上，彼此绝缘，刷杆座装在端盖上。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（1）定子部分4）机座

直流电动机的机座用来固定主磁极、换向极、端盖等，并借助底脚将电机固定在基础上。同时，直流电动机的机座也是磁极间的磁通路径（称为磁轭），所以用导磁性好、机械强度较高的铸钢或厚钢板制成，不能采用铸铁。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（2）转子部分

转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转化的关键部件，主要有电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴组成。

由图3-1可知，线圈旋转位置不同，所受到电磁转矩的大小也不相同，这样会造成线圈转动不均匀。实际的直流电动机，转子铁心圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使线圈所产生的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（2）转子部分1）电枢铁心

电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，被安装在转轴上，是主磁路的一部分。由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场内旋转，因此电枢铁芯内的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面涂绝缘漆的0.5mm或0.35mm硅钢片叠压而成。硅钢片外圆有均匀分布的槽，使得电枢铁心能够嵌放电枢绕组。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（2）转子部分2）电枢绕组

电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的关键部件。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要可靠绝缘，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式2.直流电动机的基本结构（2）转子部分3）换向器

换向器由许多带有鸽尾形的换向片叠成一个圆筒，片与片之间用云母片绝缘，借V形套筒和螺纹压圈拧紧成一个整体。每个换向片的一端有高出部分，上面铣有焊线槽，供电枢绕组的线圈（称为元件）引出线与换向片焊接在一起。

换向器的作用是将输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，使电动机连续运转。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式3.直流电动机的励磁方式

直流电动机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式，除永磁式直流电动机外，直流电动机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。

按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.2直流电动机工作原理、基本结构及励磁方式3.直流电动机的励磁方式

不同励磁方式的直流电动机其运行特性有很大差异，可满足不同生产机械的要求。直流电动机出线端一般标有明确的标志，以备接线。

A1A2D1D2任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性1.他励直流电动机的固有机械特性

他励直流电动机的固有机械特性，是指当电枢电路中没有串入附加电阻，工作电压和磁通均为额定值时的机械特性。他励直流电动机的电路原理图如图所示，其中U所在的电路为电枢回路，Uf所在的电路为励磁回路。

T=KEΦIa

Ea=KTΦn

U=Ea+IaRa

U为电枢电压（V）；Ea为电枢电动势（V）；Ia为电枢电流（A）；Ra

为电枢内阻（Ω）。Ea为电枢电动势，KT为与电动机结构有关的另一常数；Φ为每极磁通（Wb）；n为电动机转速（r/min）；Ea为电枢电动势（V）。T为电磁转矩，KE为电动机结构有关的常数；Φ为每极磁通（Wb）；Ia为电枢电流（A）；T为电磁转矩（N·m）。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性1.他励直流电动机的固有机械特性为理想空载转速（r/min）,为机械特性斜率他励直流电动机的机械特性方程：他励直流电动机固有机械特性曲线实际的直流电动机电枢内阻Ra很小，其固有机械特性曲线的斜率很小，即转速降∆n很小，所以他励直流电动机的固有机械特性为硬特性。

他励直流电动机的固有机械特性，是指当电枢电路中没有串入附加电阻，工作电压和磁通均为额定值时的机械特性。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性2.他励直流电动机的人为机械特性

将U、Φ、Ra

三个参数中，保持两个参数不变，人为地改变另一个参数，而获得的机械特性，称为人为机械特性。因此他励直流电动机的人为机械特性有三种：电枢回路串电阻（改变Ra）、降低电枢电压（降低U）和减小励磁磁通（减小Φ）。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性2.他励直流电动机的人为机械特性(1)电枢回路串电阻人为机械特性

保持U=UN和Φ=ΦN不变，在电枢回路中串接不同阻值Rad时获得的人为特性，称为电枢回路串电阻人为机械特性。

电枢回路串电阻人为机械特性特点：理想空载转速n0

未变，与固有机械特性相同；由于电枢回路串入电阻，斜率k变大，机械特性变软。

在一定范围内改变电枢回路的电阻，能够实现电动机的调速，因此，电枢回路串接电阻主要用于电动机的调速和起动。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性2.他励直流电动机的人为机械特性(2)降低电枢电压人为机械特性

保持Φ=ΦN不变，电枢回路不串接电阻，通过改变电枢电压U，获得其人为机械特性。由于电枢电压U只能基于额定供电电压UN向下调节，否则会烧毁电机，因此称之为降低电枢电压人为机械特性。

降低电枢电压人为机械特性特点：理想空载转速n0减小；与固有机械特性相比，斜率k未变，与固有机械特性曲线平行，属硬特性。

在一定范围内改变电枢电压也能实现电动机的调速，因此，降低电枢电压主要用于电动机的调速和起动，并能保持机械特特性硬度不变。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性2.他励直流电动机的人为机械特性(3)减弱磁通人为机械特性

他励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许断开励磁回路，因断开励磁回路会导致Φ=0，导致电动机转速迅速升高，甚至发生飞车事故。因此他励直流电动机一般配置弱磁保护装置。

保持U=UN，电枢回路不串接电阻，通过减弱磁通量Φ，获得其人为机械特性。由于电动机磁路接近饱和，增加每极磁通量难以做到，所以只能减弱磁通量Φ。

减弱磁通人为机械特性特点：理想空载转速n0

与Φ

成反比，减小磁通后，理想空载转速n0

增大；斜率k变大，机械特性变软。适当弱磁可以提高电动机的转速。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性2.他励直流电动机的人为机械特性电枢回路串电阻降低电枢电压减弱磁通从以上三种人为机械特性曲线分析可知：电枢回路串电阻和减弱磁通，机械特性变软；降低电枢电压，机械特性硬度不变。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性3.自励直流电动机的固有机械特性

他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组是由两套电源独立供电，二者没有电的联系。而串励、并励和复励直流电动机是由一套电源供电，其励磁绕组与电枢绕组电流是有关系的，这三种直流电动机为自励直流电动机。并励和他励直流电动机的机械特性基本相同，这里只介绍串励和复励磁直流电动机的固有机械特性。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性3.自励直流电动机的固有机械特性(1)串励直流电动机固有机械特性

串励直流电动机机械特性为双曲线，与他励直流电动机相比，其机械特性为非线性，呈现为软特性，随着转矩增加，转速下降幅度较大。串励直流电动机的理想空载转速n0趋近于无穷大，因此串励直流电动机一般不允许空载或轻载运行。但是串励直流电动机起动转矩和过载能力强，当负载转矩增大时电机转速会自动下降，但输出功率几乎不变。串励直流电动机固有机械特性

串励直流电动机通交流电时也能正常工作，因为串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组是串联的，不管电源极性怎么变，励磁电流与电枢电流是同时反向的，电枢导体的电动力方向不变，同样可输出转矩。

大部分电动工具都是串励电动机提供动力，原则上交直流电源通用。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.3直流电动机的机械特性3.自励直流电动机的固有机械特性(1)复励直流电动机固有机械特性复励直流电动机固有机械特性

复励直流电动机的机械特性介于他励与串励之间，复励电动机既有较高的起动能力和过载能力，又可允许空载或轻载运行。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.4直流电动机的铭牌数据与主要系列1.铭牌数据

每台直流电动机的机座上都有一个铭牌，其上标有电动机型号和各项额定值，用以表示电动机的主要性能和使用条件。直流电动机型号Z4-112-2-1励磁方式他励功率90kW励磁电压180V电压440V励磁电流166A电流236A绝缘等级F级转速750r/min效率85%工作方式连续重量685Kg产品编号xxxx出场日期XXXX年XX月XXXX公司典型直流电动机铭牌数据任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.4直流电动机的铭牌数据与主要系列1.铭牌数据直流电动机型号Z4-112-2-1励磁方式他励功率90kW励磁电压180V电压440V励磁电流166A电流236A绝缘等级F级转速750r/min效率85%工作方式连续重量685Kg产品编号xxxx出场日期XXXX年XX月XXXX公司（1）型号

直流电动机型号一般用汉语拼音的大写字母和阿拉伯数字的组合来表示。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.4直流电动机的铭牌数据与主要系列1.铭牌数据直流电动机型号Z4-112-2-1励磁方式他励功率90kW励磁电压180V电压440V励磁电流166A电流236A绝缘等级F级转速750r/min效率85%工作方式连续重量685Kg产品编号xxxx出场日期XXXX年XX月XXXX公司（2）电压与电流

他励直流电动机：励磁电源和电枢电源是相互独立的。一般他励直流电动机铭牌上会标识有“励磁电压”和“励磁电流”，如表所示。他励直流电动机铭牌上标识的“电流”和“电压”是额定值，如表的“电流”=236A，表示电动机额定工作状态时，电枢绕组流过的电流值，即额定电流。“电压”=440V，表示电动机额定工作状态时，加在他励直流电动机电枢绕组上规定使用的电压，即额定电压。任务3.1认识直流电动机项目3直流电动机及其控制3.1.4直流电动机的铭牌数据与主要系列1.铭牌数据直流电动机型号Z4-112-2-1励磁方式他励功率90kW励磁电压180V电压440V励磁电流166A电流236A绝缘等级F级转速750r/min效率85%工作方式连续重量685Kg产品编号xxxx出场日期XXXX年XX月XXXX公司（2）电压与电流

自励直流电动机：并励、串励和复励直流电动机