第3章 直流电机

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1、第三讲,如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点b，即拖动系统有一个平衡点。问：b点是否是稳定平衡点？,课前练习,N增加 存在：TM TL,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流发电机 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性,第三章 直流电机的工作原理及特性,在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握 直流电机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式、 电势方程式和电压平衡方程式； 掌握直流电动机的机械特

2、性，特别是人为机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及 各种方法的优缺点和应用场所； 学会用机械特性的四个象限分析直流电动机运行状态； 学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动 机启动等运行特性。,第三章 直流电机的工作原理及特性,由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推 导出来的，而机械特性又是分析启动、调速和制动特 性的依据，所以机械特性是电动机内容的重中之重； 他励直流电动机的启动特性； 他励直流电动机的调压调速特性。,电流、电势的换向过程和电动机的制动过程； 电动机在各种运转状态下电磁转矩 T、负载转矩 TL， 转速 n 、电枢电流 Ia ，和电势 E 等符

3、号的确定。,第三章 直流电机的工作原理及特性,概 述,直流电机的按用途分类: 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 。 直流电机的优缺点: 直流电机的机械特性好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，成本较高，维护较复杂。 直流电动机存在需提供直流电源的问题。,应用场合： 1、需要无级调速的地方和对电动机启动力矩有特殊要求的地方。 2、在大功率调速和调速要求比较高的地方应用（例如大型轧钢设备、大型

4、精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等）。 3、常在低电压要求的电路中，直流电源可以方便携带如电动自行车就是用直流电动机，又如电脑风扇、电动工具等。 4、在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。 5、供电系统也因为电力电子系统的发展，由直流发电机供电改为晶闸管等开关电路来供电了。（以前是由交流电动机带动直流发电机发电给直流电动机供电，结构十分复杂，并且故障率高，价格贵，难保养）。,现在有一种“无刷永磁直流电机”能保持原“直流电机”的优点，省去碳刷和整流子铜头但增加了大量电子电路，失去成本优势但不存在整流子拉弧问题；所以功率可以做成传统“直流电

5、机”的数倍甚至数十倍，是未来电机的主流方向。 工作原理和直流电机的原理一样的，但是在换向时，用电子控制的换向器替代直流电机的机械换向器，电子换向主要是通过霍尔感应转子的位置，来决定电子开关的导通和关闭，从而决定绕组中电流的大小和电磁力的大小，促使转子转动。,把普通的直流电机的定子作为无刷电机的转子，而普通电机的转子成为了无刷电机的定子。所以就产生了无刷电机的转子是永磁体，而转子可以通过PWM波来使相应的桥臂导通。使定子绕组中的流过电流产生电磁力顺序推动转子旋转。,目前所有军舰和潜艇上使用的核动力系统都是由压水堆产生的核能转变成高温高压蒸汽最终驱动蒸汽轮机，通过减速机构来带动螺旋桨的。 常规动力

6、潜艇在水面航行的时候可以由柴油机驱动直流电机发电，电能储存在蓄电池里。水下航行的时候柴油机关闭，电池的电力驱动直流电机反转就成了电动机，带动螺旋桨。所以常规动力潜艇的主直流电机是两用的，水面上是发电机，水下是电动机。直流电机和传动轴之间的连接当然是有离合器的，不充电的时候柴油机直接驱动螺旋桨，充电时既驱动螺旋桨同时通过闭合离合器带动直流电机充电。,AIP潜艇(Air Independent Propulsion)，指的是使用不依赖空气推进发动机作为动力。特点是可以更长时间的潜伏水下，隐蔽性较普通常规潜艇更优秀。 燃料电池和闭式循环柴油机等设备都不需要空气，就可以推动潜艇前进，加装燃料电池AIP

7、系统后，常规潜艇可以在水中连续潜航2到3周，而过去它们只能呆3到4天。如果用闭式循环柴油机等AIP系统，倒是也能憋那么久，不过发动机的排气，还有机械设备会产生噪音，不如燃料电池安静。 自2004年起，中国已建造了12艘041型潜艇。有美国专家认为，该型潜艇的建造总量将达到20艘。这种新装备上已安装了“不依赖空气推进系统“(AIP系统)。与此同时，中国还在国际市场推销041型的出口型号-S20，后者的排水量约为2300吨。,美国俄亥俄级核潜艇 1974年，美国开工建造第四代，也是最先进的一代战略核潜艇，首艇“俄亥俄”号于1981年11月正式服役，到1997年9月，该级艇完成了全部18艘的建造计划

8、。“俄亥俄”级长170.7米，宽12.8米，水下排水量18750吨，最大潜深300米，最大航速25节，装1座S8G压水反应堆，2台蒸汽轮机，功率约60000马力； 该级前8艘携带24枚“三叉戟”弹道导弹，从第9艘“田纳西”号开始装载24枚“三叉戟”弹道导弹。该弹射程12000公里，携带12枚分导弹头。,俄罗斯第四代弹道导弹“台风”级于1978年开始建造，1984年9月正式服役，共建2艘。长171.5米、宽24.6米、吃水15米，排水量18500吨（水面）/26500吨（水下），动力装置采用2座PW330360MW型核反应堆及2台蒸气涡轮机，双轴，功率8万马力，最大航速27节（水面），最大潜深1

9、000米，采用综合声呐，卫星GPS导航和无线电导航系统，静电陀螺惯导系统等。武器有533、650鱼雷发射管各2具外，还携带20枚SS-N-20型潜地弹道导弹（固体火箭。射程4500海里。偏差大约为650米，7至9枚分导式热核弹头，每枚20万吨级）。是世界最大的潜艇。,中国潜艇 a、091型攻击核潜艇（“汉”级），是中国第一代攻击型核潜艇（SSN），共五艘，舷号：401、402、403、404、405 . b、092型弹道导弹核潜艇（“夏”级），中国推出的第一种核动力弹道导弹潜艇092，1978年动工，1981年4月下水，1983年8月交付海军使用，共4艘。 c、093型攻击核潜艇 （“商”级）

10、，水面排水量约6000吨，采用双壳体结构，一台改进型压水堆，功率10兆瓦。该艇水面航速18节，水下航速25节。 d、094型弹道导弹核潜艇（“晋”级）。潜艇是在093型的基础上放大改进而来的，它水面排水量9000吨，水上航速是 15.5节，最大水下航速是23节。,第三章 直流电机的工作原理及特性,直流电机的铭牌数据,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。,概 述,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,主磁极:包括铁心

11、和励磁绕组，产生恒定气隙磁通 换向磁极:抵消交轴磁场，改善换向性能 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,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料。铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场

12、作用下能被强烈磁化，故磁导率很高。另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态,图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线,当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS。 -磁化现象。,图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线,当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，当HO时，B不为零，而保留剩磁Br -磁滞现象,图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线,当

13、磁场按HSOHD -HSOHDHS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线变化，这闭合曲线称为磁滞回线。,图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线,当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放-磁滞损耗,图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线,常见的两种典型的磁滞回线。 软磁材料：磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和交流磁铁的主要材料。 硬磁材料：磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.1 直流电机的基本结构和工作原理

14、,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。,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.1 直流电机

15、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,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,动画演示：直流发电机工作过程。,第三章 直流电机的工作原理及特性,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, 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）； 原动机拖动电枢以转速 n ( r/m

16、in )旋转； 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； 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。,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,第三章 直流电机的工作原理及特性,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,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.1 直流电机的基本结