直流电机的工作原理资料

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1、第三章 直流电机的工作原理及特性,直流电机的基本结构和工作原理 直流电机的铭牌数据 直流电动机 直流电动机的机械特性 直流他励电动机的启动、制动 直流他励电动机的调速特性,3.0 引 言,电动机包括：直流电动机和交流电动机 直流电动机：良好的启动性能和调速性能。 虽然直流电机没有交流电机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但是由于长期以来，交流电机的调速问题没有得到很好的解决，在速度调节要求较高，正反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。,引 言,永磁直流电机：具有噪音低、效率高、体积小、 （耐磨电刷）寿命长的特点。多用于食品加工机、 潜水泵、医疗器械、广

2、告灯箱、按摩机、汽车、小 型电动工具、家用电器、办公自动化（自动抽屉、 档案柜）眼镜机械、自动门、轨道交通等部门的直 流电源。,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构 直流电机的工作原理,3.1.1 基本结构,旋转电机结构形式 必须有满足电磁和机械两方面要求的结构 旋转电机必须具备静止和转动两大部分,基本结构,1.直流电机静止部分称作定子 作用 - 产生磁场 由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成 2.直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢) 作用 - 产生电磁转矩和感应电动势 由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成 直流电机结构（图3-1） 直流电机电枢照片（图3-2

3、） 直流电机结构图（图3-3）,主 磁 极（静止部分）,1.主磁极 （图3-4） 主磁极一般是电磁铁 用 1-1.5 毫米厚的钢板冲片叠压紧固 而成的铁心。（励磁绕组套在上面）,换 向 极（静止部分）,2.换向极（又称附加极或间极） 换向极图片（图3-5） 主磁极和换向极示意图（图3-6） 作用为改善直流电机的换向性能，一般用整块钢板加工而成，并在其外面套上换向极绕组。,换 向 极,作用 - 改善换向（可抵消交轴磁场对主磁 场的歪扭及换向元件电抗、电势等的影响） （电枢磁场轴向方向） 换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕 组构成。（在功率小的直流电机中也有不装的） 铁心一般用整块钢或钢板加工

4、而成；换向 极绕组与电枢绕组串联。,机 座 （静止部分）,3.机座 机座通常由铸铁（钢）或厚铁（钢）板焊成。 有两个作用： 1)固定主磁极、换向极和端盖； 2)作为磁路的一部分。 机座中有磁通经过的部分称为磁轭。,机 座,在电机结构的改进中，目前还有一个重要 措施，就是取消机壳，定子铁心直接和外面接 触。这样定子磁路扩大，磁负荷下降，定子槽 面积也可适当加大。,电 刷 装 置（静止部分）,4.电刷装置 （图3-7） 作用-把直流电压、直流电流引入或引出。 （电刷与换向器滑动接触） 由电刷（图3-8）、 刷握（图3-9）、 弹簧压板、座圈、刷杆座和铜丝辫组成,电 枢 铁 心 （转动部分）,直流电

5、机的转动部分 1.电枢铁心 电枢铁心装配图（图3-10） 电枢铁芯片（图3-11） 通常用.厚的硅钢片冲片叠压而成， 铁心上有轴向通风孔。 两个用处： 1)作为主磁路的主要部分； 2)嵌放电枢绕组（铁心呈圆柱形，表面的冲 槽里嵌放电枢绕组）,电 枢 绕 组（转动部分）,2.电枢绕组 元件及嵌放方法（叠绕组）（图3-12） 直流电机的主要电路部分。 用以通过电流和感应产生电动势以实现机电 能量转换。 由许多按一定规律联接的线圈组成。 包括环形绕组、鼓形绕组（叠式绕组、波式 绕组、蛙型绕组）,电枢绕组,电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流 电机的一个重要部件 。 对电枢绕组的要求是: 在能通过规定

6、的电流和产生足够的电动势 前提下尽可能节省有色金属和绝缘材料并且 要结构简单、运行可靠等。,换 向 器（转动部分）,3.换向器 换向器的构造（图313） 直流电机的重要部件 作用-将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势,3.1.2 工作原理,直流电机中能量转换的方向是可逆的 同一台电机既可作发电机运行； （将机械能转换为电能） 也可作电动机运行。 （将电能转换为机械能）,电磁感应定理,1.电磁感应定理 (图3-14) 在磁场中运动的导体将会感应电势 若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂 直，则作用导体中感应的电势大小为： e = Blv

7、 e:感应电势 V ; B:磁场的磁感应强度 Wb/m2 l:导体有效长度 m ; v: 导体运动速度 米/秒 电势的方向用右手定则 (图3-15) 确定,电磁力定律,2.电磁力定律 (图3-16) 载流导体在磁场中将会受到力的作用 若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电 磁力大小为： f = Bli f:电磁力 N B:磁场的磁感应强度 Wb/m2 l:导体有效长度 m i:导体中的电流 A 力的方向用左手定则(图3-17)确定,1.直流发电机的工作原理,(一) 直流发电机的工作原理 1.直流发电机的原理模型 (图3-18) 1)交变电势产生 (图3-19),(一) 直流发电机的工作原理

8、 1.直流发电机的原理模型 (图3-18) 1)交变电势产生 (图3-19),交变电势产生,直流电机作发电机运行时，电枢受力在磁 场中旋转，电枢线圈的两根有效边每一边在N 极下是一个方向，在S极下是另一方向。 下面这段动画可以帮助理解一般发电机是 如何产生交变电势的。,交变电势的产生,直流电势产生,2)直流电势产生 (图3-20) 电刷静止不变，因此从换向片上引出的电流 方向不变，电刷间会出现极性不变的电动势或 电压。（方向不变但大小变化的脉振电动势） 下面这段动画可以帮助理解引入换向器后发 电机是如何产生直流电势的。,直流电势的产生,发电机工作原理,3)发电机工作原理 用原动机拖动电枢使之逆

9、时针方向恒速转动， 线圈边 a b 和 c d 分别切割不同极性磁极下的 磁力线，感应产生电动势。 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应 产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作 用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。,换向器和电刷配合的换向作用,4)换向器和电刷配合的换向作用 因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是 切割 N 极磁力线的线圈边中的电动势,所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷B 始终有负 极性，所以电刷端能引出方向不变但大小变化的 脉振电动势。,结 论,5)结论 线圈内的感应电动势是一种交变电动势 而在电刷 A B 端的电动势却是直流电动势,2. 直流电动机的工作

10、原理,(二) 直流电动机的工作原理 1.直流电动机的原理模型（图3-21） 下面这段动画可以帮助理解直流电动机 的工作原理。,Here,直流电动机的工作原理,要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键 在于： 当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线 圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换 向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向 器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是 一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是 直流电动机的工作原理。,电机的可逆运行原理,(三) 电机的可逆运行原理 从上述基本电磁情况来看： 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这种原理在电

11、机理 论中称为可逆原理。,相关的计算公式,(四) 相关的计算公式 电势方程式（电刷间的电动势）： EKen (3.1) E：电动势； ：一对磁极的磁通； n：电枢转速； Ke：与电机结构有关的常数 在发电机中电动势E为输出电功率的电源电动势， E与Ia方向相同。（图3-22） 在电动机中电动势E为反电动势，它与外加电压产 生的电流Ia方向相反。（图3-23）,相关的计算公式（续）,相关的计算公式,直流电机的电磁转矩： TKtIa (3.2) T：电磁转矩 Nm； Ia ：电枢电流 A； Kt：与电机结构有关的常数(Kt=9.55Ke)； ：一对磁极的磁通 Wb； 发电机中电磁转矩T为阻转矩，方

12、向与n相反， 原动机的转矩T1TT0，（TO为空载损耗转矩） 在电动机中电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相 同，TTLT0，（TL为负载转矩）,续,上页的公式可参照表3.1，P19 第19页第四行中，电枢电流Ia(U-E)/Ra, 这是个很有用的公式：电压平衡方程式。,发电机与电动机电磁转矩作用的不同,发电机：阻转矩，原动机的转矩必须与电磁转矩及空载损耗转矩相平衡； 电动机：驱动转矩，电磁转矩必须与机械负载转矩和空载损耗转矩相平衡。 负载增加（阻转矩增加）电磁转矩暂时小于阻转矩转速下降磁通不变，反电动势减小电枢电流增加电磁转矩增加电磁转矩与阻转矩平衡，但转速下降,3.2 直流电动机,直流电机可作

13、为发电机运行，又可作为电动机运行。,3.2.1 直流电动机的分类,1.他励直流电机 (图3-24) 2.并励直流电机 (图3-25) 3.串励直流电机 (图3-26) 4.复励直流电机 (图3-27) 直流电机的主要励磁方式是他励式、 并励式、串励式和复励式 。,3.2.2 电压平衡方程式（电枢回路）,UEIaRa （3.3） （3.13.3为三个基本公式） U:电动机外加电枢电压； E:电枢的反电压； IaRa:电动机电阻压降。 注意：电动机在运行时，它的转速、电动势、电枢电流、电磁转矩能自动调整，以适应负载的变化，保持新的转矩平衡。,例题分析,课本题3.4： 一台他励直流电动机在稳态下运行

14、时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？,题 解,解：两个已知条件： 负载转矩TL常数； 减弱励磁时系统是一个从稳态到另一个稳态（不涉及瞬态过程），电枢反电势是稳态值。 稳态运行时TLTKtIa常数，当减弱励磁时 减少， Ia增加； 又 EU-IaRa ，U与Ra不变，则电枢反电势E减少 到新的稳态值后，电枢反电势EE1。,3.2.3 直流电机的铭牌数据,1.什么是额定值 电机制造厂按国家标准的要求，对电机 的一些电量或机械量所规定的数据 2.额定工况 电机运行时，有关电量和

15、机械量都符合 额定值的运行情况,直流电机的铭牌数据,3.额定值 额定功率 PN (W) 额定电压 UN (V) 额定电流 IN (A) 额定转速 nN (rpm) 额定励磁电压 UfN (V) 额定励磁电流 IfN (A) 额定条件下的电动机效率N 和励磁方式等,直流电机的铭牌数据,4.直流电动机的额定功率 轴上输出机械功率 等于额定电压和额定电流的乘积， 再乘以电动机的效率 PN UN IN N,直流电机的铭牌数据,5.直流发电机的额定功率 电机出线端输出的电功率 等于额定电压和额定电流的乘积 PN UN IN,3.4 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，它是 指 电动机

16、的转速 n 与转矩 T的关系n=f(T)。 机械特性中的转矩 T 是电磁转矩，它与电动 机轴上的输出转矩 Td 差一个空载转矩 T0 电动机运行时，TTdT0,3.4.1 他励直流电动机机械特性方程式,1.他励直流电动机电路原理图 （图3-29） 2.他励直流电动机的参数关系 电磁转矩: TKtIa (1) 感应电动势: EKen (2) 电枢电路电动势平衡方程式:UEIaRa (3) 由(2)(3)得转速特性: n(U-IaRa)/(Ke) 并考虑到 IaT/(Kt) 可获得他励直流电动机机械特性方程式：,3.4.2 机械特性图,3.机械特性图（右图） 引入机械特性硬度： = dT/dn =(T/n)100% = 1/斜率 用来衡量机械特性的平直度 值越大直线越平， 特性越硬 由于电枢电阻较小,一般他励 电动机的机械特性都较硬。,续,根据值的不同，将电