直流电机的工作原理及特性课件

概述直流电机的用途:直流电机包括直流发电机和直流电动机，两者具有可逆性。作电源用：直流发电机将机械能转化为直流电能作动力用：直流电动机将直流电能转化为机械能

信号传递：直流测速发电机将机械信号转换为电信号

信号传递：直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号直流电机的优缺点:

①

直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。

②

直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。

③

直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。

④

由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。

⑤

直流电动机存在直流电源问题。

直流电机的铭牌数据额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机:是指输出额定电压；电动机:是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流概述

3.1直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构永磁直流电动机直流电动机

3.1直流电机的基本结构和工作原理主磁极:包括铁心和励磁绕组，产生恒定气隙磁通换向磁极:改善换向电刷装置:与换向片配合，完成直流与交流的互换机座和端盖:起支撑和固定作用定子静止部分转子旋转部分电枢铁心:主磁路的一部分，放置电枢绕组电枢绕组:由导线绕制而成，是电路的一部分换向器:与电刷装置配合，完成直流与交流的互换转轴轴承风扇一、直流电机的基本结构直流电机

3.1直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构直流电机的剖面图换向器电刷装置主磁极换向磁极端盖风扇机座电枢绕组电枢铁心

3.1直流电机的基本结构和工作原理1—电枢绕组2—电枢铁心3—机座4—主磁极铁心5—励磁绕组6—换向极绕组7—换向极铁心8—主磁极极靴9—机座底脚一、直流电机的基本结构直流电机横剖面示意图

3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的电枢示意图1—转轴2—轴承3—换向器4—电枢铁心5—电枢绕组6—风扇7—轴承一、直流电机的基本结构

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理

直流电机的可逆性

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。

发电机——若用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；

电动机——若在电刷端外加直流电压，电机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。

这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理

直流电机的可逆性直流发电机工作原理图直流电动机工作原理图

3.1直流电机的基本结构和工作原理磁极对N、S不动，线圈（绕组）abcd

旋转，换向片1、2旋转，电刷及出线A、B不动。二、直流电机的工作原理直流电机物理模型图

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理右手定则1、直流发电机的工作原理直流发电机工作原理图Bev

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理1、直流发电机的工作原理

①

定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流

If）产生恒定磁场（称为励磁磁场，主磁场）；

②

原动机拖动电枢以转速

n(r/min)旋转；

③

电枢线圈的导体中将产生感应电势e（右手定则），

该电势为交流电；

④

经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势EAB，

从而输出直流电能。

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理2、直流电动机的工作原理电枢绕组开始通电时电枢绕组转动半周后直流电动机工作原理图

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理转子如何旋转？2、直流电动机的工作原理电枢绕组开始通电时电枢绕组转动半周后直流电动机工作原理图左手定则Bfi

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理2、直流电动机的工作原理线圈受力方向直流电动机原理图

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理2、直流电动机的工作原理电枢绕组开始通电时ff电枢绕组转动半周后ff

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理2、直流电动机的工作原理①定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流

If）产生恒定磁场φ（称为励磁磁场，主磁场）；

②将直流电源U、Ia通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流ia

通过。

③载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用（左手定则）；

④所有导体产生的电磁力作用于转子，可产生电磁转矩T，从而拖动机械负载以n（r/min）旋转。

U—外加电枢电压(V)Ia

—电枢电流(A)Ra

—电枢电阻(Ω)Φ—一对磁极的磁通

(Wb)T

—电磁转矩

(N·m)TL—负载转矩(N·m)T0

—空载损耗转矩

(N·m)

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理3、直流电动机的基本方程式方程式中的参数：n

—电枢转速

(r/min)E

—电枢电动势

(V)Uf

—励磁电压(V)If

—励磁电流(V)Rf

—励磁电阻(Ω)Kt、

Ke—与电机结构有关的常数

3.1直流电机的基本结构和工作原理二、直流电机的工作原理3、直流电动机的基本方程式(1)转矩方程式T＝KtΦIa电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相同稳态时的转矩平衡T=TL+T0

(2)

电势方程式E＝KeΦn

电动势E为反电势，它与外加电压产生的电流Ia方向相反。

(3)

电压平衡方程式U＝E＋IaRa外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。

直流电机自励式他励式

3.1直流电机的基本结构和工作原理

直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有四种。直流他励发电机直流他励电动机

直流并励发电机直流并励电动机直流串励发电机直流串励电动机直流复励发电机直流复励电动机三、直流电机的励磁方式

3.1直流电机的基本结构和工作原理(a)他励(b)并励(c)串励(d)复励三、直流电机的励磁方式直流电动机励磁方式示意图

3.3直流电动机的机械特性

电动机最重要的运行特性是机械特性。直流电动机的机械特性：

在电动机电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，转速与电磁转矩之间的关系：n＝f（T）

以直流他励电动机为例，说明：

①直流他励电动机的机械特性表达式

②直流他励电动机的固有机械特性

③直流他励电动机的人为机械特性

3.3直流电动机的机械特性直流他励电动机原理电路图基本电路串接附加电阻电路

3.3直流电动机的机械特性一、直流他励电动机的机械特性表达式直流电动机的基本方程式：(1)转矩方程式T＝KtΦIa(2)

电势方程式E＝KeΦn

(3)

电压平衡方程式U＝E＋IaRa——机械特性的一般表达式他励电动机的机械特性

3.3直流电动机的机械特性一、直流他励电动机的机械特性表达式其中：n0为理想空载转速

n0′为实际空载转速

△n为转速降

为机械特性的硬度，表示机械特性的平直程度。

大的为硬特性，倾斜程度小，

小的为软特性，倾斜程度大。定义：

3.3直流电动机的机械特性一、直流他励电动机的机械特性表达式注意：在一些教材中

表示如下

为机械特性的斜率，表示机械特性的平直程度。

小的为硬特性，倾斜程度小，

大的为软特性，倾斜程度大。

3.3直流电动机的机械特性二、直流他励电动机的固有机械特性

电枢电路的电阻R＝Ra，(附加电阻Rad＝0)

电枢电压U＝UN，

磁通Φ＝ΦN时的机械特性称为固有机械特性；

由于Ra很小，转矩T增大时，n下降很小，所以他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线（即属硬特性）。

3.3直流电动机的机械特性三、直流他励电动机的人为机械特性人为地改变三个量U、Φ、Ra之一而其他量不变时，可以改变特性曲线形状，得到的机械特性称人为机械特性。

①电枢串电阻时的人为机械特性

②降低电枢电压时的人为机械特性

③减弱励磁磁通时的人为机械特性电动机启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向。根据机械特性表达式:

3.3直流电动机的机械特性①电枢串电阻时的人为机械特性保持U＝UN、Φ＝ΦN不变，只在电枢回路中串入电阻Rad的人为特性：特点：（1）n0不变，β变小；（2）Rad

越大，特性越软。三、直流他励电动机的人为机械特性(Rad1＜Rad2)固有机械特性

3.3直流电动机的机械特性②

降低电枢电压时的人为机械特性特点：（1）n0

随

U

变化；（2）U

不同，曲线是一组平行线。保持R＝Ra、Φ＝ΦN不变，只改变电枢电压U的人为特性：

三、直流他励电动机的人为机械特性(UN＞U1＞U2)固有机械特性(ΦN＞Φ1＞Φ2)

3.3直流电动机的机械特性③减弱励磁磁通时的人为机械特性保持R＝Ra、U＝UN不变，只改变励磁回路调节电阻Rf′的人为特性。

增大励磁电阻,

即减少励磁电流时，使磁通Φ减少。

Φ减少称为弱磁。

特点：（1）弱磁，n0增大；（2）弱磁，β减小。三、直流他励电动机的人为机械特性固有机械特性

3.3直流电动机的机械特性三、直流他励电动机的人为机械特性

三种人为机械特性的比较Rad1＜Rad2①电枢串电阻UN＞U1＞U2②降低电枢电压ΦN＞Φ1＞Φ2③减弱励磁磁通固有机械特性

3.3直流电动机的机械特性三、直流他励电动机的人为机械特性

三种人为机械特性电枢串电阻时降低电枢电压时减弱励磁磁通时直流他励电动机的启动特性⑴降压启动⑵电枢电路串电阻启动直流他励电动机的调速特性⑴改变电枢电压调速⑵改变励磁磁通调速

⑶电枢电路串电阻调速直流他励电动机的制动特性⑴反馈制动①正向反馈制动②反向反馈制动⑵反接制动①电源反接制动②倒拉反接制动⑶能耗制动①反抗性恒转矩负载②位能性恒转矩负载

3.3直流电动机的机械特性三、直流他励电动机的人为机械特性电枢串电阻时直流他励电动机电路原理图降低电枢电压时减弱励磁磁通时①②③③

3.4直流他励电动机的启动特性

起动过程：电动机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行的过程。起动要求：①起动转矩Tst

要足够大因Tst足够大，使Tst＞TL，加速度(dn/dt)＞0，保证电动机能起动，且使起动过程时间较短，从而提高生产效率；②

起动电流Ist

不要太大因Ist

太大，会造成换向困难，产生强烈火花，而且与此电流成正比的转矩还会产生较强的转矩冲击，可能损坏拖动系统的传动机构。也就是起动转矩Tst

不能太大。

3.4直流他励电动机的启动特性

起动方法：直流他励电动机起动时，必须先建立起磁场，即先加励磁电压、通励磁电流，再加电枢电压。由转矩方程式T＝KtΦIa可知，起动转矩Tst=KtΦIst。

为了使Tst较大而Ist又不致太大，起动时应将励磁回路的调节电阻Rf′调至最小，使磁通为最大。由电压平衡方程式U＝E＋(IaRa)可知，Ia＝(U－E)/Ra

在启动瞬间，因n＝0，E＝0，U＝UN，故Ist＝UN／Ra，可见直接起动的起动电流Ist很大。

3.4直流他励电动机的启动特性

起动方法：

直接起动

因为直接加额定电压起动的起动电流很大，除了小容量的电动机可采用直接起动的方法外，一般直流电动机都不采用这种方法。

限流起动由启动电流Ist＝U／Ra可知，常用的启动方法有两种：

①降压启动使电枢电压由Ust逐渐升至UN。起动效果好但需专用设备。

②电枢电路串接外加电阻启动

使外电阻由最大逐步减至零。起动设备简单但效果一般。n0nUNU2U10TstIstTLILTIUst

起动方法：限流起动

①降压启动

3.4直流他励电动机的启动特性分析启动过程依据特性图方程式启动工作点额定工作点调压设备n0nUNU2U10TstIstTLILTIUst启动工作点E＝KeΦnT＝KtΦIaU＝E＋IaRa

起动方法：限流起动

①降压启动

3.4直流他励电动机的启动特性⑵⑴

⑶⑷机械特性转矩电势电压平衡依据特性图方程式额定工作点调压设备Ust

U1

Ia

T

T＝Tst

，到C点。在B点，

起动方法：限流起动

①降压启动

3.4直流他励电动机的启动特性到B点，T＝TL←T

←Ia

←E

←←n←←T＝Tst＞TL

、U＝Ust

在A点，ABCB点←A点B点→C点升压提速过程分析E＝KeΦnT＝KtΦIaU＝E＋IaRa⑵⑴

⑶⑴⑴⑵⑶⑶⑵⑶式中：U-外加电枢电压E-电枢的反电势IaRa

-电阻压降转矩电势电压平衡C点↑额定工作点：依次重复下述步骤⑵

起动方法：限流起动

①降压启动

3.4直流他励电动机的启动特性可以参考教材第31、32页的内容，详细说明使电枢电压由Ust逐渐升至UN的过程。注意思考如何分析使电枢电压由UN

逐渐降至Ust的过程？QPN升压提速过程分析ABCE＝KeΦnT＝KtΦIaU＝E＋IaRa⑵⑴

⑶式中：U-外加电枢电压E-电枢的反电势IaRa

-电阻压降

3.4直流他励电动机的启动特性

起动方法：

限流起动②电枢电路串接外加电阻启动当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动；此时E≠0，则Ia＝(U－E)／（Ra＋Rst）,起动电流较小；随着转速的升高，反电动势E不断增大，起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小。所以，为了在整个起动过程中，保持一定的起动转矩，加速电动机的起动过程，可以采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行时，起动电阻应被完全切除。

3.4直流他励电动机的启动特性电路图特性图②电枢电路串接外加电阻启动如何控制电阻？

3.5直流他励电动机的调速特性

调速：根据生产机械要求，人为地改变电动机的转速。直流电动机具有良好的调速性能。根据直流电动机转速方程：直流他励电动机的调速方法有三种：

调压调速：改变电枢外加电压U

调磁调速：改变励磁磁通Φ

调阻调速：在电枢电路中外串附加电阻Rad

E＝KeΦn⑵⑴

T＝KtΦIa⑶U＝E＋IaRa直流电动机基本方程式

3.5直流他励电动机的调速特性这种调速方法的主要特点是：

①可以在额定转速nN以下平滑无级调速；

②由于调压时机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围D＝nmax／nmin较大；

③可以与电动机启动时共用一套调压设备；

④为了充分利用电动机，希望在调速过程中维持电枢电流Ia不变，即电动机转矩T＝KtΦNIa不变，所以调压调速适合于恒转矩调速。

⑤这种调速方法用得最多。

一、改变电枢外加电压U调速调压设备（UN＞U1＞U2）

3.5直流他励电动机的调速特性

工作条件：保持励磁

=

N

保持电阻R=Ra

调节过程：改变电压UN

U

U

n

，n0

调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移一、改变电枢外加电压U调速调压调速用于nN以下恒转矩调速

3.5直流他励电动机的调速特性这种调速方法的主要特点是：

①通过弱磁在额定转速以上平滑无级调速；

②调速范围不大，普通他励电动机：nmax≤1.2nN③为了充分利用电动机，希望在调速过程中维持电枢电流Ia不变，即功率P＝UIa不变，

所以调磁调速适合于恒功率调速。此情况下电动机转矩T＝KtΦIa随主磁通Φ的减小而减小。

④基于弱磁调速范围不大，所以很少单独用它，有时为了扩大调速范围，将它和调压调速配合使用，即：

在nN以下，用降压调速；在nN以上，则用弱磁调速。

二、改变励磁磁通Φ调速调磁设备调压设备ΦN＞Φ1＞Φ2

3.5直流他励电动机的调速特性

工作条件：保持电压U=UN

；

保持电阻R=Ra；

调节过程：减小励磁

N

n

，n0

调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。二、改变励磁磁通Φ调速调磁调速用于nN以上恒功率调速

3.5直流他励电动机的调速特性

工作条件：

保持励磁

=

N

；

保持电压U=UN

；

调节过程：

增加电阻Ra

R

R

n

，n0不变；

调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。三、在电枢电路中外串附加电阻Rad调速（Rad1＜Rad2）

此法缺点多已很少采用

三、调阻调速二、调磁调速一、调压调速比较3.5直流他励电动机的调速特性改变电枢外加电压U用于nN以下恒转矩调速改变励磁磁通Φ用于nN以上恒功率调速电枢电路串接外加电阻Rad此法缺点多已很少采用

3.6

直流他励电动机的制动特性

实现制动有两类方法，即机械制动和电磁制动。

电磁制动：在制动时使电动机产生与其旋转方向相反的电磁转矩。

其特点是制动转矩大，操作控制方便。

直流电动机的电磁制动中，常用的制动方法有三种：

⑴

反馈制动；⑵

反接制动；⑶

能耗制动。在生产过程中，经常需要采取一些措施，

使电动机尽快停转

或从某高速降到某低速运转

或限制位能性负载在某一转速下稳定运转

电动机制动问题

3.6直流他励电动机的制动特性

反馈制动，也称回馈制动、再生制动或发电制动：电动机在负载的拖动下，使电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0

(即n＞n0)，

E＞U，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成发电机，把机械能转变成电能，向电源馈送。

反馈制动典型情况：一、反馈制动正向反馈制动电车下坡重物下放降压调速弱磁调速反向反馈制动瞬态过程稳态运行FE

3.6直流他励电动机的制动特性一、反馈制动正向反馈制动电车下坡重物下放反向反馈制动稳态运行稳态运行分析电路连接方式反馈制动过程

3.6直流他励电动机的制动特性一、反馈制动正向反馈制动电车下坡分析电路连接方式反馈制动过程电车下坡行驶电车平路行驶正向反馈制动正向电动运行FEn0RaRa＋RΩ反向反馈制动

3.6直流他励电动机的制动特性一、反馈制动重物下放分析电路连接方式反馈制动过程正向电动运行反向电动运行FE反向反馈制动

3.6直流他励电动机的制动特性一、反馈制动重物下放分析电路连接方式反馈制动过程正向电动运行反向反馈制动运行反接制动过程反向电动过程重物下放重物提升

3.6直流他励电动机的制动特性一、反馈制动ΦN＞Φ1＞Φ2U1＜UN正向反馈制动降压调速弱磁调速瞬态过程b1

3.6直流他励电动机的制动特性

当他励电动机的电枢电压U或电枢电势E中的任一个，在外部条件作用下改变了方向，即两者由方向相反变为方向一致时，电动机即运行于反接制动状态。它有两种：

①电源反接制动即改变电枢电压U的方向所产生的反接制动。

用于生产机械要求迅速地减速、停车和反向的场合，或用于要求经常正反转的机械上。

②倒拉反接制动即改变电枢电势E的方向所产生的反接制动。

用于重物下放时的限速，改变Rad可以调节重物下降速度。二、反接制动

3.6直流他励电动机的制动特性二、反接制动

分析电路连接方式反接制动过程①电源反接制动反抗性恒转矩负载

正向电动运行反向反馈制动运行反接制动过程反向电动过程注意：电源反接制动与反向反馈制动的特性图相似

3.6直流他励电动机的制动特性二、反接制动②倒拉反接制动

分析电路连接方式反接制动过程位能性恒转矩负载

正向电动运行倒拉反接制动运行

3.6直流他励电动机的制动特性二、反接制动②倒拉反接制动

分析电路连接方式反接制动过程①电源反接制动位能性恒转矩负载

反抗性恒转矩负载

正向电动运行反接制动过程正向电动运行倒拉反接制动运行

3.6直流他励电动机的制动特性

把电动机电枢电路从电源脱开而串接一个附加电阻RΩ，

电枢电流Ia＝－