《电机与电动》课件-任务2直流电动机的检修

任务二直流电动机的检修

复习旧课1、变压器的作用？2、变压器的结构和工作原理？变压器？22-1电机的种类和用途引入新课

电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)，电动机都起着不可缺少的作用。一、电动机的分类方法、特点和主要用途1、按防护型式分类:开启式。防护式、封闭式和隔爆式等;滚筒洗衣机用开启式单相电容运转双速电机定子两侧与端盖上都有很大的通风口，其散热条件好，价格便宜，但灰尘、水滴、铁屑等杂物容易从通风口进入电动机内部.适用于清洁、干燥的工作环境.4防护式电动机

在机座下面有通风口，散热较好，可防止水滴、铁屑等杂物从与垂直方向成小于45‘角的方向落入电动机内部，但不能防止潮气和灰尘的侵凡适用于比较干操、少尘、无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。5

潜水泵用封闭式电动机

机座和端盖上均无通风孔，是完全封闭的，仅靠机座表面散热，散热条件不好，能防止外部的气体或液体进入其内部.多用于灰尘多、潮湿、易受风雨、有腐蚀性气体、易引起火灾等各种较恶劣的工作环境.6

防爆式电动机在封闭式结构的基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度适用于有易然、易爆气体工作环境，如有瓦斯的煤矿井下、油库、煤气站7

2、按电能种类分类:直流电动机和交流电动机;8

交流电动机9

3、按功能分类:驱动电动机和控制电动机;4、按电动机的转速与电网电源频率之间的关系分类:同步电动机与异步电动机;5、按电源相数分类:单相电动机和三相电动机;6、按安装结构型式分类:卧式、立式、带底脚、带凸缘等;7、按绝缘等级分类:E级、B级、「级、H级等。1011二、直流电动机的特点

直流电动机是将直流电能转变为机械能的电机。常用于轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纷织机械等对调速要求较高的生产机械上。12直流电机的特点

直流电动机的调速性能好（范围广、特性平滑），起动转矩大，过载能力较强；直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小；由于存在换向器的问题，制造复杂，价格较高。直流电机的用途直流电动机：信号传递——直流伺服电动机。动力用——直流电动机；直流发电机：电源；励磁机；信号传递——测速发电机。优点：（1）

调速特性好，调速方便、平滑，调速范围广；（2）启动、制动和过载转矩大；（3）易于控制，能实现频繁快速启、制动以及正反转。缺点：电枢电流换向问题。在换向时产生的火花最终将造成电刷与换向片间接触不良，它限制了直流电动机的极限容量，又增加了维护的工作量。直流电机结构

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2-2直流电动机的结构

直流电动机主要由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间有很小的气隙。其结构示意图如图所示。图2-1直流电动机的结构示意图

(a)外形；(b)结构示意图

1.定子定子由机座、主磁极、换向磁极、端盖和电刷装置等部分构成，如图2-2所示。图2-2直流电动机的定子16

机座用来放置主磁极和换向磁极，同时它也是磁路的一部分，起导磁作用，用铸铁或铸钢制成。机座的两边各有一个端盖，端盖的中心是空的，用以装转轴。

主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成，可以是一对、两对、三对等。当励磁绕组通以直流电时，产生恒定的磁场，改变电源电流的极性即可改变磁场的方向。主磁极铁心一般都采用电磁铁，由直流电流来励磁。只有小直流电机的主磁极才用永久磁铁，这种电机称为永磁直流电机。17

换向磁极由换向磁极铁心和绕组构成，与主磁极交替放置。它的作用是产生附加磁场，改善换向性能。1kW以下的直流电机一般换向磁极的个数较少或不装换向磁极，超过1kW的直流电动机都装换向磁极。电刷装置的作用是把转子电路与外电路连接起来，由电刷、刷盒、铜丝辫、压紧弹簧等构成。电刷架装在端盖上，可以移动用以调整电刷的位置。182.转子直流电动机的转子习惯上称为电枢，如图2-3所示，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图2-3直流电动机的转子19

电枢铁心与交流电动机一样，也是用硅钢冲压成片叠成的，冲片之间要相互绝缘，表面有许多均匀分布的槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心是整个磁路的一部分。

电枢绕组由多个线圈按一定的规律连接起来，嵌放在电枢铁心的槽内，线圈的两端与换向器按规律连接。电枢绕组是直流电机的电路部分，用来产生感应电动势、感应电流和电磁转矩。

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换向器是直流电机一个比较重要的部件，装在转轴的一端，它与电刷一起将外加的直流电变换成交流电，提供给转子电路。换向器由许多铜质换向片叠成圆柱体，每个换向片套在云母绝缘套筒中，所有套有云母绝缘套的换向片嵌放在金属套筒中，固定成一个整体后浇铸成型。212-3直流电机的工作原理

直流电动机与交流电动机原理大致相似，也是基于电磁感应的原理，使得转轴受到一个力矩的作用旋转起来。我们以最简单的电动机模型来说明电动机的转动原理。如图2-4所示，22N、S为一对主磁极，通过直流电源励磁产生恒定磁场，励磁绕组未画出。电枢绕组只画了一个线圈，1、2为两个换向片，与电枢绕组相连，A、B两个电刷与外电路相连。

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图2-4直流电动机的转动原理图(a)初始位置；(b)转过180°后的位置

直流电动机接通直流电源之后，电刷两端加了一个直流电压，A刷为正，B刷为负，换向片1与A刷相接触，直流电流Ia从A刷流入，经换向片1、线圈abcd、换向片2和电刷B流出，形成一个回路。利用左手定则，可以判断电枢绕组的ab边和cd边都受到电磁力的作用，如图2-4所示，ab边受到的力向左，cd边受到的力向右，这一对力对电枢产生电磁力矩，使得电枢沿逆时针方向转动起来。24

电枢转了180°之后，ab边在下，cd边在上，因为电刷不动，换向片与电枢一起转动，所以此时换向片1转到下方与B刷相接触，换向片2转到上方与A刷相接触，电源电流Ia从正极性端到A刷，经换向片2、线圈dcba、换向片1，从电刷B流出，形成一个回路，此时，电枢绕组中的电流已经反向，根据左手定则可以判断，电枢的电磁转矩不变，仍然是逆时针方向，所以转轴旋转方向不变。以上分析表明，电刷和换向器的作用是将电源的直流电及时转换成交流电送给电枢绕组，以保证电枢的电磁转矩方向不变，电动机按一定方向旋转。（课件）直流电机原理演示2526原理归纳：

1、电磁力定律（安培定律）——载流导体在磁场中受到的力B—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i—导体中的电流(A)l—导体的有效长度(m)27

2、载流导体在磁场中受到的力能形成方向不变转矩的条件相同极性磁极下的导体所受电磁力的方向保持不变，即相同极性磁极下的导体中电流方向不变——连续旋转；所需的外部条件——换向器配合电刷对电流进行换向。(b)每个线圈边输出方向一致但大小变化的脉振转矩，多个线圈边的合成转矩——稳定旋转283、直流电动机工作的几点结论：

外施电压、电流是直流电，电枢线圈内电流是交流电；线圈中感应电动势与电流方向相反；线圈是旋转的，电枢电流是交变的，但电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩与转子转动方向相同，是驱动性质。

2.电磁转矩直流电动机的电磁转矩T是由电枢绕组通入直流电后，在主磁场的作用下使得电枢绕组的导体受到力F的作用而形成的。根据电磁力定律，电枢绕组通入直流电后，每根有效导体受到的力可以表示为

F=BIL

式中，B为电磁感应强度，与每极磁通Φ成正比；L为每根有效导体的长度，取决于电动机的结构，是个定值；I为每根导体中的电流，与电枢电流Ia成正比。29

直流电动机受到的电磁转矩T是由所有有效的导体所受电磁力F共同产生的，正比于电磁力F，可以用下式来表示:

T=CTΦIa

（2-1）式中，CT为电磁转矩系数，与电机结构有关，是个常数；Φ为每极磁通，单位是Wb；Ia为电枢电流，单位为A；T为电磁转矩，单位为N·m。

303.电枢电动势和电枢电流当电枢旋转时，电枢绕组切割磁力线作运动，在每根导体两端将产生感应电动势，其有效值为

E=Blv

式中v为导体运动的线速度，单位是m/s。直流电动机的电枢绕组由许多导体按一定规律连接，保证所有导体的感应电动势都是叠加的，即电枢电动势与每根导体中的感应电动势成正比。31

导体运动的线速度v与电枢绕组的转速n成正比。由于习惯上用磁通来表示各个电量，所以电动机的电枢电动势为

Ea=CeΦn

（2-2）式中，Ce为电枢电动势系数，与电动机的结构有关，是个常数；n为电动机的转速。

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由式（2-2）可以看出，电枢电动势与每极磁通Φ和转速n成正比，其方向与电枢电流的方向相反，所以电枢电动势也称为反电势，它总是限制电枢电流的变化，如图2-5所示。根据基尔霍夫电压定律，由图2-5可以得出外加电压U与电枢电动势Ea和电枢电流Ia的关系为

U=Ea+IaRa

（2-3）33图2-5

上式称为直流电机的电压平衡关系式，Ra为电枢回路总电阻。由上式变化后得出电枢电流的关系式为

（8-4）34

2-4、直流电动机的分类

直流电动机在工作时，电枢绕组通过电刷外接直流电枢电源，用以产生电枢电流；励磁绕组也要通入直流励磁电源，用以产生主磁场，这两个方面协调工作，使得电枢获得一个电磁转矩转动起来。

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电枢绕组和励磁绕组可以共用一个电源，也可以采用两个电源单独供电。即使是采用一个电源供电，也有不同的连接方式。励磁绕组与电源的连接方式被称为励磁方式。按照不同的励磁方式，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励四种。361.他励直流电动机励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有各的电源开关，没有直接的电联系，如图8-6（a）所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流If由励磁绕组端电压U1决定。372.并励直流电动机励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图8-6（b）所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流If之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%;为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。38

3.串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图8-6（c）所示。其特点是励磁电流If与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。

4.复励直流电动机这种电动机中既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图8-6（d）所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共同产生。39

图2-6直流电动机的励磁方式(a)他励；(b)并励；(c)串励；(d)复励40直流电动机的铭牌数据

每台直流电动机的外壳上都有一个铭牌，上面标有该电机的技术数据，主要包括其型号和额定值。

1.型号直流电动机的型号如Z2—41，

Z表示直流电动机，2表示第二次统一设计，41中的4表示机座号，1表示电枢铁心的长度序号。直流电动机还有其他的型号表示方法，如ZF2—151—1B、ZD2—121—1B等，具体可查阅电工手册。

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2.额定电压对于电动机，额定电压是指电动机额定工作状态下电动机的输入电压；对于发电机，额定电压是指电动机额定工作状态下电动机的输出电压。

3.额定电流对于电动机，额定电流是指电动机长期连续运行时从电源输入的电流；对于发电机，额定电流是指长期连续运行时供给负载的电流。

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4.额定转速电动机在额定运行时，转轴的转速称为额定转速。

5.额定功率电动机额定运行状态下，电动机轴上输出的机械功率称为额定功率；发电机的额定功率是指供给负载的电功率。

6.额定励磁电流电动机在额定运行的情况下，通过励磁绕组的电流称为额定励磁电流。43

7.励磁直流电动机铭牌上的励磁指直流电机的励磁方式。直流电动机铭牌上还有额定转矩、额定励磁电压、额定温升、工作方式等数据。其中，直流电动机的额定转矩计算公式与交流电动机的额定转矩计算公式相同，为（2-5）44［例2-1］

一台Z2—41的直流电动机，技术数据PN=5.5kW，UN=220V，nN=3000r/min，IN=30.3A，求额定转矩和额定效率。

［解］

额定转矩为

电动机的额定效率等于额定输出功率与额定输入功率之比，即452-5、

直流电动机的性能分析直流电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，用n=f(T)来描述。由前面所学可知，直流电动机电枢绕组两端的感应电动势为

Ea=CeΦn

或

Ea=U-IaRa

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又由于T=CTΦIa，故由以上两式得（2-7）

将式（2-7）代入式（2-6）得转速公式(2-8)47

上式中第一部分U/（CeΦ）在电源电压和主磁通不变时是个常数，称为理想空载转速，用n0表示。主磁通是由励磁电源产生的，因此励磁方式不同，电动机的机械特性不同。48

一、

他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的励磁绕组单独使用一个电源，其磁通不受负载的影响，当励磁电压一定时，Φ是个定值，则

可以表示为n=n0-CT

（2-9）式中,

为一常数，反映电动机的机械特性曲线斜率。图2-7中的曲线1为他励直流电动机的机械特性曲线，是一条略微下斜的直线。49图2-7直流电动机的机械特性说明当负载T增加时，由于电枢电流Ia与T成正比，Ia增大，电枢电阻的压降IaRa增大，造成转速下降。由式可以看出，机械特性曲线斜率较小且较平滑，和三相异步电动机的稳定区的机械特性基本相同，属于硬特性。501、并励（他励）2、复励3、串励

并励直流电动机的机械特性与他励直流电动机的基本相同，因为并励直流电动机的励磁电流很小，不受负载的影响，对电枢电流的影响也不大,因而一般适用于负载变化大而转速要求基本不变的场合。51二、串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢电流相同。因此，串励直流电动机的励磁电流较大，且负载变化时，励磁电流随电枢电流的变化而变化，主磁通若不考虑饱和，则有

Φ=KΦIf=KIa

式中K为比例系数。将上式代入电磁转矩公式，有

T=CTΦIa=CTKΦI

2a

（2-10）52

再将上式代入式(2-8)，得（2-11）53

上式给出了串励直流电机的转速与转矩间的关系，据此可以作出串励直流电动机的机械特性曲线，如图2-7中曲线3所示。该曲线表明，当轻载或空载时，转速很高，容易发生飞车事故；负载增加时，转速下降很快，特性很软，因此串励直流电动机不允许轻载或空载运行。由于串励直流电动机的电磁转矩与电枢电流的平方成正比，因此起动转矩较大，过载能力较强，所以一般用于起重机、电动机车等起动转矩要求较高的提升运输设备中。54

复励直流电动机的机械特性介于并励与串励之间，如图2-7中的曲线2所示。它兼有并励与串励的特点，所以它既可以用于轻载或空载的情况，也可以用于负载变化较大的场合，应用范围较广。

图2-7直流电动机的机械特性551、并厉2、复励3、串励

［例2-2］

Z2—71型并励直流电动机，其铭牌数据如下：PN=30kW，UN=220V，ηN=0.88,Ra=0.1Ω,nN=3000r/min,If=1.765A,求额定电流、电枢电流、励磁回路的电阻和反向电动势。

［解］

(1)额定功率PN=30kW，效率ηN=0.88，则额定电流56

(2)电枢电流

Ia=IN-If=155-1.765=153.235A

(3)励磁回路电阻(4)反电势

Ea=UN-IaRa=220-153.235×0.1=204.68V572-6、直流电动机的运行一、起动直流电动机接通电源之后，转速从零到接近额定转速的过程称为起动。直流电动机的起动要求与交流电动机相同，起动时要求有足够大的起动转矩和较小的起动电流，一般起动电流应为额定电流的(1.5~2.5)倍，而且要求起动设备尽可能简单,经济可靠。58

直流电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。降压起动有两种方法：一是降低电枢端电压，一是在电枢回路串电阻。1.直接起动-----将电动机直接接到额定电压的电源上启动。优点：＊启动转矩大，电动机启动迅速，启动时间短。＊不需其他设备，操作简便缺点：＊启动电流大。直流电动机直接起动时，刚开始转速为零，电枢反电势也为零，起动电流为59电动机启动的瞬间，转速n=0=0

电枢电流

—启动电流

由于电枢绕组的电阻很小，故启动电流必然很大，通常可达到额定电流的10~20倍。这样大的启动电流带来的危害：（1）换向情况恶化，产生强烈的火花，对电刷与换向器有较大的损坏；（2）使供电线路产生很大的压降，影响供电的稳定性；（3）过大的启动电流会产生过大的启动转矩，会对电动机、传动机构以及负载带来很大的冲击。☆因此，除小容量电动机外，直流电动机一般不允许直接启动，必须设法限制电枢启动电流。

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由于起动电流本身很大，所以起动转矩更大，较大的起动转矩对电动机的机械传动部件产生很大的冲击力，造成机械性损伤，这也说明直接起动对稍大容量的直流电动机是不合适的。另外，直接起动的起动转矩为Tst=CTΦIst612.电枢回路串电阻起动定义：启动时将一组启动电阻串入电枢回路，以限制启动电流，待转速上升以后，再逐段将启动电阻切除。■此法启动时的启动电流为：

■只要合理选择就能将启动电流限制在允许的范围内。通常把启动电流限制在（1.5~2.5）的范围内来选择启动电阻大小。一般，

＊150kW以下的直流电动机可取2.5;

＊150kW以上的直流电动机则取1.5。62启动转矩为：为了在限定的电流下，获得较大的启动转矩，应使磁通尽可能大些，因此启动时串联在励磁回路中的电阻要调到最小。有了一定转速n后，反电动势不再为0，电流会逐步减小，转矩也会逐步减小。为了在启动过程中始终保持足够大的启动转矩，一般将变阻器设为多级的，随着转速n的增大，串在电枢回路的启动电阻逐级切除，进入稳态后全部切除。优点：启动电流小。缺点：①变阻器笨重；②启动过程要消耗很多的能量。63

变阻器的外形图3、降低电枢电压起动定义：启动时，通过暂时降低电动机供电电压的方法来限制启动电流。降低电枢电压的起动方法需要专用的可调直流电源，起动时先降低电源电压，起动电流随之降低。随着起动过程的进行，转速逐渐升高，反电势也逐渐增加，再慢慢提高电源电压，直到电源电压的额定值。■降压启动方法一般只适用于大容量且启动频繁的直流电动机，并有一套可变电压的直流电源。注意事项：并励电动机采用降压启动时只降低电枢电压，励磁绕组的外加电压却不能降低，否则启动转矩将变小，电动机将无法启动。65

工程应用中，传统上多采用直流发电机—电动机组对电动机组进行起动控制，即用发电机作为电动机的供电电源，通过控制发电机发电电压由低变高使电动机安全起动，在运行中还可以实现调压调速。但采用电动机组噪声大，能耗多，占地面积大，因此目前则更多采用可控硅整流电源作为直流发电机的起动或调速电源。66

使用直流电动机时，需特别注意磁场问题。直流电动机在起动时，应该保证首先有主磁通，所以在接通电枢电压之前先接通励磁回路。另外，直流电机在工作时，励磁绕组必须可靠连接，不允许磁场突然消失。因为上述两种情况都会产生很大的电枢电流，如果电动机原来处于空载运行，还会造成转速急剧上升，出现“失磁飞车”事故，危及设备和操作人员的安全。其理论根据可利用电流、速度公式进行分析。67总结：三种不同启动方法的比较：①直接启动：不需其他设备，启动转矩大，电动机启动迅速，操作简便，启动电流大，除小容量电动机外，直流电动机一般不允许全压启动。②电枢回路串电阻启动：所需设备简单，价格较低，但启动过程有能量损耗，适用于小功率直流电动机。③降压启动：所需设备较复杂，价格较贵，但启动过程基本不损耗能量，适用于起重机、运输机械等。68

实际生产中，经常要求电动机能够实现反转。直流电机的转向取决于电磁转矩的方向。因此要实现反转，只要设法改变电磁转矩的方向即可。由电磁转矩公式可知，改变电磁转矩方向的方法有两种：一是保持电枢电压不变，改变励磁的方向，用这种方法励磁换向时，感应电动势很大，时间较长，一般很少采用；一是保持励磁方向不变，改变电枢电压的方向，这种方法只要将电枢电源的两条线对调一下即可，比较容易实现，所以常被用来实现电机的反转。69

［例8-3］

一台直流并励电动机，PN=10kW，IN=54.8A，UN=220V，电枢电阻Ra=0.4Ω。若直接起动，起动电流为多少？若采用电枢回路串电阻起动，将起动电流降为额定值的1.5倍，则应串多大的起动电阻？

［解］

直接起动时，起动电流为70电枢回路串电阻起动时，起动电流为则启动电阻71

二、制动直流电动机的制动也与交流电动机相似，有机械制动和电气制动两种方式。电气制动是指通过某种方法，让电动机的电磁转矩与电机的转向相反，从而形成制动转矩的一种方法，分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种。电气制动制动转矩大，操作方便，无噪声，所以应用场合较多。电气制动时，一般保持励磁方向不变，改变电枢电流的方向以获得制动转矩。72

1.能耗制动如图8-8所示，制动时，把电枢绕组从电源端切断，迅速打向制动电阻侧，开始能耗制动。电机的励磁电流不变，由于惯性，电机继续旋转，电枢绕组仍然切割磁力线，电动机处于发电状态，仍产生感应电动势，其方向如图示，该感生电动势将削减原来的电枢电流（当然，电流不能突变），使电枢电流迅速减弱到零并反向（反向后的Ia如图标示）。73

由于励磁方向不变，所以磁场对该电流的电磁转矩方向与电机的转向相反，成为制动转矩。制动过程中，电动机的动能转化成电能，全部消耗在制动电阻上，故称为能耗制动。能耗制动的线路比较简单，制动过程中不需吸收电功率，比较经济,安全可靠，但制动时间较长，通常与电磁抱闸配合使用。74

2.反接制动反接制动是指当电动机需要停车时，把电枢电源突然反接，励磁电源方向不变，如图8-9所示。由于电枢电源反向，U与Ea方向相同，则产生一个很大的反向电枢电流，因为电磁转矩与电枢电流成正比，所以同时也产生一个很大的反向电磁转矩，使得转速迅速下降，当转速接近于零时，应切断电源，避免电机反转。75

由于反接制动时，U与Ea方向相同，所以几乎两倍的额定电压加在电枢绕组上，而电枢电阻一般很小，电枢电流接近两倍的堵转电流。这么大的电枢电流将对电网上的其他设备造成影响，因此反接制动时要在制动回路中串入一个大的制动电阻以限流。反接制动需要外接电源，耗能较大，但制动效果好，制动时间短。对于要求快速停车反转的场合，多采用此种方法制动。763.回馈制动与交流电机的原理相同，当电机的转速超过理想空载转速时，电动机处于回馈制动状态。回馈制动只能用于电动机拖动的机车下坡或起重机下放重物的场合。在励磁不变的条件下，设电动机的负载转矩使其加速运行，使得n＞n0，则感应电动势Ea会大于U，Ea与U在回路中共同作用的结果是电枢电流在原方向上迅速减小并反向，故电磁转矩反向，进入制动状态。77三、调速生产机械在运行过程中，经常要求在负载不变的情况下改变运行速度以配合不同的生产需求，比如金属切削机床就经常要改变刀具的运行速度以进行不同的加工工序。这就要求对生产机械的传动机构进行调速，方法有两种：一是机械调速，二是电气调速。机械调速指改变变速箱齿轮传动比的调速方法，这里只涉及电气调速。78

电气调速是指通过改变电动机的电路参数改变电动机的转速，从而改变生产机械的传动速度。根据直流电机的机械特性表达式

可知，负载T不变时，通过改变电源电压U、电枢电阻Ra和励磁磁通Φ三个电路参数可以对直流电动机进行调速。79

1.改变电源电压U调速以他励直流电动机为例，在负载不变的情况下，保持励磁与电枢电阻不变，只能将电源电压从额定值往下调，从UN→U′→U″，理想空载转速减小，机械特性曲线斜率不变，往下平移，稳态速度沿负载线向下平移，如图8-10所示。这种方法调速范围较大，且机械特性曲线硬度不变，电动机的运行特性良好，能在低速下运行，当电源电压平滑调节时，还可实现无级调速，但需要可调电源，多用于他励直流电动机调速。80

图8-10调压调速的机械特性812.电枢回路串电阻调速当负载不变时，保持电源电压与励磁不变，增大电枢电阻，从机械特性表达式可知，理想空载转速n0不变，随着Ra→Ra′→Ra″逐渐增大，机械特性曲线的斜率增大，曲线下斜，如图8-11

所示。82图8-11电枢串电阻调速的机械特性83

从图可以看出，当电枢电阻增大时，电机的转速下降，机械特性曲线变软，运行的稳定性较差。这种调速方法只能从额定转速往下调，调速范围较窄。由于电枢电流较大，所需调速电阻的功率也较大，不易做到电阻值连续调节，因此不能实现无级调速。而且串入电阻后，损耗增大，电机的效率降低。虽然串电阻调速所需设备简单，操作方便，但由于功率损耗大，低速时运行稳定性差，不能连续调速，因此一般用于调速范围要求不大且机械特性硬性要求不高的场合。843.改变励磁磁通调速保持电枢电压及电枢电阻不变，通过改变励磁回路中串联的励磁电阻Rf，来改变励磁电流和励磁磁通，实现调速。从较小的电阻Rf到电阻逐渐增大到Rf′、Rf″，随着所串电阻的增大，励磁电流逐渐减弱，磁通Φ依次变小。按照机械特性表达式，主磁通减小，第一项理想空载转速上升，第二项斜率与磁通的平方成反比，所以曲线的斜率增大也比较显著，曲线位于固有特性曲线上方上移且变陡，如图8-12所示。85

图8-12改变磁通调速86

采用这种调速方法由于励磁电流本身很小，所以机械特性曲线硬度变化不大，运行的稳定性较好。又由于励磁电流较小，励磁电阻的功率很小，因而可以连续调节电阻，获得无级调速。但只能增加励磁电阻，不允许减小励磁电阻（否则会磁通饱和，烧坏电机），也就是说，磁场只能减弱，机械特性就只能从固有特性曲线向上进行调速，受到机械最高转速（1.2～1.5nN

）的限制，调速范围小。这种方法的优点是励磁电流较小，损耗小，比较经济，效率高，由于这种调速方法的磁场只能减小，故常称为弱磁调速。这种方法可与调压调速配合使用，以增大调速

范围。87

［例8-4］

一台他励直流电动机，PN=26kW，UN=230V，IN=113A，nN=

960r/min，RA=0.04Ω，负载不变。（1）若采用调压调速，电枢电压降低为额定电压的50%，求电机的转速和电枢电流；（2）若采用变励磁电流调速，励磁电流减小10%，求电机的转速和电枢电流。

88［解］

（1）电机的额定转速

当电枢电压降为额定电压的50%时，由于励磁电流不变，主磁通也就不变，恒负载调速，所以电枢电流不变，电机的转速89

（2）当励磁电流减小10%，主磁通降为额定值的90%时，电枢电流将上两式相比，得于是，电机的转速为90911、直流发电机的工作原理

eBA为随时间正负交变的电动势

电磁感应定律——运动导体在磁场中产生的感应电动势2-7：直流电动机的逆运行—直流发电机92

换向器配合电刷对电流进行换向，将内部交流电动势变成外部直流电动势——直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机单个线圈边在电刷端输出方向一致但大小变化的脉振电动势，多个线圈边的合成电动势——稳定直流电动势93直流发电机工作的几点结论：

电枢线圈内感应电动势、电流方向是交流电，电刷间是直流电；线圈中感应电动势与电流方向相同；从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩与转子转动方向相反，是制动性质。

942、直流电机的可逆运行

可逆原理——同一台电机，通过改变外界条件，既能作为电动机又能作为发电机运行；作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电能输入电枢，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发电机运行——用原动机拖动直流电机的电枢旋转，机械能输入电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。小结

直流电动机由定子与转子（电枢）构成。定子绕组通入直流电在主磁极中产生恒定磁场，转子的电枢绕组通过换向器和电刷与电源相接，电枢绕组切割磁力线产生电磁转矩，使得电枢转动起来。电枢的转向由电磁转矩的方向决定，电磁转矩的方向由电枢外加电源的极性和励磁绕组所产生的磁场方向决定。95

电磁转矩可以通过公式T=CTΦIa求得，电枢反电势Ea=CeΦn,电枢回路电压方程为U=IaRa+Ea。直流电动机按其励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四种。励磁方式不同，机械特性不同。负载变化时，他励与并励直流电动机的励磁基本不变，其机械特性曲线基本相同，特性较硬。串励直流电动机的励磁受负载变化影响较大，其机械特性属于软特性，因此一般不采用串励方式。复励直流电动机的机械特性介于并励与串励之间。96

直流电动机通常采用降低电枢端电压和电枢串电阻两种起动方式。直流电动机要求在起动时先加励磁电压，后加电枢电源，且不允许在起动和运行中失去励磁，否则将出现“飞车”事故。直流电动机有机械制动和电气制动两种制动方式。电气制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方法。97

直流电动机的调速有调压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速三种方法。调压调速机械特性硬度不变，且可以实现无极调速，应用范围较广；串电枢电阻调速时机械特性变软，调速范围较窄，电枢损耗增大，工作效率降低，只能实现有级调速；弱磁调速靠增加励磁电阻实现，可以实现无级调速，但只能往上调速，调速范围小，电枢电流大，效率较低，一般与调压调速配合使用。98思考题与习题1、直流电动机由哪几部分构成？各有什么作用？2、并励直流电动机在负载及外加电源电压均不变的情况下，改变其励磁电流，电枢电流将如何变化？3、试分析直流电动机起动时为什么要限制起动电流，原因是否与交流电动机

相同？99

4、并励直流电动机能不能采用改变电源电压的方向来改变电机的转向?能不能采用降低电源电压的方法进行调速？为什么？5、直流电动机的制动方法有哪几种？有何异同点?6、一台并励直流电动机，电源电压UN=230V时，电枢电流IN=60A，电枢电组Ra=0.1Ω，Φ=0.08Wb，Ce=2.5，求电枢反电势及此时的转速。1007、Z3—51型直流电动机的技术数据分别为

PN=10kW，UN=220V，IN=

54.8A

，nN=3000r/min，试求电动机在额定运行情况下电动机的电磁转矩、输入功率和

效率。8、Z2—52型并励直流电动机的技术数据分别为PN=7.5kW，UN=220V，IN=41.1A，nN=1500r/min，Ra=0.6Ω。（1）求额定转矩；（2）绘制机械特性曲线；（3）若电机的负载转矩为35N·m，求此时电机的转速。1019、一台他励直流电动机，PN=4.2kW，UN=230V，IN=18.25A，nN=

1450r/min

。（1）求该电动机的机械特性；（2）若电枢电流为额定电流的一半，求电机的转速；（3）当转速为1500r/min时，求电机的电枢电流。10210、一台并励直流电动机，PN=40kW，

UN=220V，IN=205.6A，nN=

3000r/min，Ra=0.06Ω,Rf=96Ω。（1）求直接起动时的起动电流；（2）若采用降压起动，当电枢电压降为额定值的80%时，求电机的电枢电流；（3）若采用电枢回路串电阻起动，当起动电流为额定电流的1.5倍时，求应串入的

电阻。10311、一台他励直流电动机，其技术数据为PN=96kW，UN=440V，IN=250A，nN=500r/min，Ra=0.078Ω，在额定负载情况下起动，起动电流为额定值的2倍。（1）若采用电枢回路串电阻起动，应串入多大的电阻？（2）若采用降低电枢电压起动，电压应降为多少？起动转矩为多少？10412、一台并励直流电动机，PN=13kW，

UN=220V，IN=70.7A，nN=

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