船舶电机与拖动 第2版 课件 2 直流电机

第二章

直流电机

主要内容2.1直流电机的工作原理2.2直流电机的构造、励磁方式2.3直流电机的运行特性2.4无刷直流电机IU–+SbNacd

直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。一、直流电机的工作原理U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷

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。CE:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速

：磁通1.电枢感应电动势

E=CEnU–+EETnSbNdFFacII换向片电刷

由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。式中：U—外加电压

Ra

—绕组电阻2.电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UMCT:与电机结构有关的常数

:

线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3.电磁转矩单位:

(韦伯)，Ia

(安)，T(牛顿•米)

直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通

相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为4.转矩平衡关系

电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=CT

Ia

当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程T2:机械负载转矩T0:空载转矩例：设外加电枢电压U一定，T=T2

(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia

、P入

)

。T2

n

Ia

T

E

当直流发电机带负载时P1=P2+∑p输入的机械功率P1应与输出的电功率P2和电机内部各种损耗∑p相平衡1．直流电机的构成及作用

基本结构：定子和转子两大部分。定子和转子的主要部件都为铁心和绕组。因为属于旋转电机，因此定子和转子之间有一定的间隙，称为气隙，保证转子可以灵活转动。

定子的主要作用是产生工作磁场。

转子为电的主要通路，称为电枢。所谓“电枢”，可理解为电的主要部件。

电枢回路通过的是大电流，励磁回路的电流相比较，小很多。二、直流电机的构造、励磁方式索引

结构示意图：（1）定子部分

结构说明：

主磁极至少一对，各磁极的绕组串联后组成励磁绕组。工作时励磁绕组通入励磁电流，其作用是产生主磁通Φ，并使磁密按一定形状分布在电枢表面和气隙。

换向极与主磁极相似，也是由铁心和绕组构成，安装在两个主磁之间。换向极一般为成对出现，个数与主磁极数相同，有时为了简化结构，也可采用主磁极个数的一半，换向极用于改善换向，减少因电磁原因而引起的电刷火花。

结构说明：

电刷装置的主要作用是将电枢绕组与外部电路连接起来，电刷与换向器配合，可将转子的交流电变成外部电路的直流电。

电刷一般由碳制成，因此又称碳刷。电刷装置由刷杆座、刷杆、刷握、弹簧压板、电刷和铜丝辫等组成。刷握装在刷杆上，刷杆固定在刷杆座。刷握结构有多种，但电刷都是放在刷握的刷盒内，并用弹簧压板压在换向器上。

（2）转子部分

转子结构说明：

电枢转子主要组成有：电枢（铁心和绕组）、换向器、转轴、风扇（未画出）等。

电枢转子主要作用有：①.作为电机磁路的一部分；②.安放电枢绕组。

换向器和电刷是直流电机典型标志，是普通直流电机在结构上与其它电机最主要的区别。其作用是将电枢绕组交流电与电枢外部直流电进行变换。被电刷短接的元件称为换向元件，就是组成电枢绕组的单个线圈，是电枢绕组最基本的部件。

转子结构说明：

直流电机电枢绕组主要作用是用来导通电流，感应电势，产生电磁转矩。常采用展开图来说明电枢绕组的连接规律。

展开图是用一个假想平面沿电枢轴向切开，并将其拉成平面。两条展开线在电枢表面原为同一条线。展开图上还可画出磁极并标出极距τ，磁极位置在绕组上面。

直流电机电枢绕组形式主要有：叠绕组、波绕组，大型电机还有蛙形绕组（仅要求了解即可）。2、直流电机的名牌

铭牌参数：

直流电机铭牌上标注的有型号、额定值和有关技术数据等称为铭牌参数或铭牌数据。

主要额定值：

①.额定功率，②.额定电压，③.额定电流，④.额定转速，⑤.额定效率，⑥.额定励磁电压，⑦.额定励磁电流等。

注意：额定功率是指额定输出功率，额定电压和额定电流都是指电机端部的额定电压（与电网或用电器连接处的电压），和通过端部的额定电流。索引3、直流电机的励磁方式

（1）直流发电机

励磁方式，就是指产生磁场的方式，通常可按励磁绕组与电枢绕组连接关系，分为：他励、并励、串励和复励等。

并励匝多线细，串励匝少线粗；复励还有差复励、积复励(过、平、欠)。

发电机无串励。

（2）直流电动机

直流电动机可分为：他励（或称它励）、并励、串励和复励4种。电动机不能用差复励第二节、直流电机的运行特性

直流发电机的运行特性是指其工作时的端电压、负载电流和励磁电流等物理量之间的关系曲线。（一）直流发电机的运行特性1、空载特性

当保持发电机的转速不变，负载电流时（发电机主开关处于断开状态），发电机的电枢电势（或空载电压）与励磁电流之间的关系，即曲线称为空载特性。

2、自励发电机建压条件（1）发电机要有剩磁。若剩磁消失，可用外电源充磁。（2）励磁电流磁场与剩磁场方向相同。这与并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路的连接极性。（3）励磁电路的电阻要小于建压临界电阻。励磁电阻过大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变低，而无法建立起正常的电压。3、外特性

直流发电机的外特性是指在保持额定转速不变和并励总电阻不变的条件下，改变负载大小时，发电机的端电压U随负载电流I而变化的特性，即U=f(I)（二）直流电动机的运行特性特点:

励磁绕组与电枢并联由图可求得由上分析可知：

当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通

不变，即

=常数。则IaUM+_If+_IE（1）机械特性令：T=CT

Ia=CT

Ia

即：并励电动机的磁通

=常数，转矩与电枢电流成正比。

由以下公式求得IaUM+_If+_IE式中：n=f(T)

特性曲线n0nNTN

并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线n0T

n

应该说明的是：不同的励磁方式，机械特性中的参数Ф随负载的变化规律不同，因此机械特性的形状就不一样。特性中的复励是积复励。2、直流电机的电枢反应和换向

（1）电枢反应：电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。

（2）直流电机的换向

随转子转动，电枢绕组元件从一条支路转到另外一条支路，流过其的电流方向发生改变的过程称为换向。通过换向，将电枢绕组元件内部的交流电量变换为外部电路的直流电。换向器与电刷配合，起机械整流器的作用。

换向时，换向元件所连接的两个换向片被电刷短接，为了保证短接时不产生火花，换向元件换向时感应的电势最好为零，因此换向元件的两个边一般处于几中线（最好是物中线）。

电枢绕组结构归纳：

①.直流电机电枢绕组是一个闭合绕组；

②.电刷与换向器滑动接触，电枢绕组被分成若干条并联支路，每条支路由若干个元件串联组成；

③.组成每条并联支路的绕组元件，都位于相同磁极或相同极性磁极下；

④.电机运行，电枢转子转动，绕组元件随转子从一条支路转到另外一条支路；

⑤.不管绕组元件随转子如何移动，在每条支路中元件上层边与磁场之间的相对位置总体不变。②电刷位置：电枢表面对应于两磁极之间的中线，称为几何中性线；通过电枢表面磁通为零的线称为物理中性线。电枢绕组无电流时，几中线和物中线重合。

电刷的正确位置是保证电枢绕组的每个支路感应电势最大，由上面分析可见：应该将两边位于几中线的元件短接，元件端接对称时，电刷中心线与磁极中心线重合。但在示意图中，为表示“将两边位于几中线的元件短接”，直接放在几中线上。③改善换向的方法

不论是发电机还是电动机，带负载运行时，电枢绕组都将有电流流过，产生电枢磁场，对气隙磁场产生影响，称为电枢反应。电枢反应的结果是物中线偏离几中线，引起换向火花。改善换向(减小火花)的方法是：①.将电刷移动到物中线上；②.采用换向极抵消电枢磁场。

移动电刷时，发电机顺转向移动；电动机逆转向移动，但难于适应各种负载。在定子主磁极之间换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联。设置换向极时，换向极与主磁极顺转向的排列顺序是：发电机为NsSn；电动机为NnSs。1、起动直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；起动时,n=0

(1)起动电流大(2)起动转矩大

起动时，起动转矩为(10~20)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。第三节直流电动机的起动、制动及调速（2）起动方法

（3）注意事项①

电枢串电阻起动法②降压起动法：

直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。最大起动电压Ust为(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT

Ia),

电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。

(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势

E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的

转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。

(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。（

E

Ia

T>>

T0

n

飞车）2.

直流电动机的调速并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特的优点。

1.调速均匀平滑，可以无级调速(注：异步机改变极对数调速的方法叫有级调速)。

2.调速范围大，调速比可达200以上(调速比等于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。主要优点：由转速公式:可见直流电机调速方法有三种。（1）改变电压调速由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n0"n0'电压降低Tc特性曲线n0nT0改变电压调速的特点:(a)工作时电压不允许超过UN

，而n

U,所以调速只能向下调。(b)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。(c)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(d)调速幅度较大。调速过程:保持If

为额定,减小电枢电压。

U

Ia

T

T

=TC稳定n

E

Ia

T

改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。可见：在U一定的情况下，改变

可改变转速n。(2)改变磁通调速

保持电枢电压U不变，改变励磁电流If(调R´f)以改变磁通

。由式Rf

If

n

一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即

改变磁通调速的方法：减小磁通，n只能上调。改变

时的机械特性如图。TLTn（

减小）R

f增加

O调速过程:直至T=TC达到新的平衡。电压U保持一定,减小磁通

。

Rf

E

Iａ

n

Ia

E

瞬间T

>T２T

(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达3~4,

例如530~2120r/min及310~1240r/min。

减小

调速的特点：(1)若调速后Ia

保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。使用调磁调速时应注意：(3)

电枢回路串电阻调速

电枢中串入电阻,使

n

、

n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n

。特性曲线如图。Rann0T

电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此n只能下调。特点：(1)设备简单，操作方便。(2)机械特性软，稳定性差。(3)能量损耗大，只用于小型直流机。Ra

+

R电阻增大3、直流电动机的制动（1）运行状态（2）制动种类

所谓制动，就是指写电动机转子提供一个方向与转速相反的转矩，对电动机转子起阻碍转子转动的作用。电磁制动的目的：①.快速停车；②.快速减速；电动机制动，可分为：①靠摩擦转矩进行的机械制动；②靠电磁转矩进行的电磁(电气)制动。③“匀速下落”(并加速为等速)。电磁制动的方法有①.能耗制动；②.反接制动；③.回馈制动(再生制动、发电制动)。

直流电动机的制动

（1）能耗制动：

能耗制动时，保持电机励磁，转子的动能转换成电能，消耗在转子回路电阻R上。特点：n0=0。

能耗制动后期，T很小，可限时断电。能耗制动可用于快速停车或低速匀速下落。

转子回路所串联的电阻R，其作用是限制电流，调节制动强度。

注意：电动机的U=0，其电枢电流Ia≠0。

直流电动机的制动

（2）回馈制动：

回馈制动又称为再生或发电制动。制动时电动机转子动能转变成电能送给电网，特点是：n＞n0。

回馈制动时，电动机转子动能转换成电能回馈给电网，是三种制动最节能的一种。注意：右图中，电压从U1降为U2时，2～3之间为回馈制动，3～4之间为电动状态。此时虽然电机继续减速，但T、n同向。

直流电动机的制动

（3）反接制动：

反接制动时，转子动能转换成电能与电源提供电能一起，消耗在电枢回路，是耗能最大的制动。有电源反接和倒拉反接两种。特点：n与n0反向。

电源反接制动结束时，应及时切断电源，否则将反向起动。电源反接有2条特性，倒拉反接只有1条。4、直流电动机的反转

反转控制的方法：由转矩公式可见，电枢电流或励磁磁通单独变反，电动机产生的电磁转矩方向也变反，因此反转控制的方法有两个：①