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1、直 流 电 机,学 生：张丹 指导老师：范颖晖 导 师：王双喜,Contents,直流电机的运行与控制,直流电机的特性,直流电机的构造与工作原理,1、 直流电机的分类,一、 直流电机的构造与工作原理,直流电动机：将电能转化为机械能,直流发电机：将机械能转化为电能,直流电机,相逆的过程,直流电动机和直流发电机两者的结构是一样的。,2、 直流电机的构造,一、 直流电机的构造与工作原理,定子,转子,机座、端盖、轴承、主磁极、 换向极、 电刷装置等,电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等,作用是产生主磁场和起电机的机械支撑,产生感应电动势及产生机械转矩以实现能量转换。,由空气隙分开,2、 直流电机的构
2、造,一、 直流电机的构造与工作原理,主磁极包括铁芯和励磁绕组，任务是产出主磁场。,换向极是用来改善电枢电流的换向性能。 由铁芯和绕组组成,又称转子，作用是引入电动势。电枢铁芯呈圆柱状，由硅钢片叠装而成，上冲有槽，槽中放电枢绕组。且开有轴向通风孔。,2、 直流电机的构造,一、 直流电机的构造与工作原理,对发电机而言：将电枢绕组感应的交流电动势转 化为电刷间的直流电动势； 对电动机而言：将外加的直流电流转化为电枢绕 组的交流电流；,是直流电机产生感应电动势及电磁转矩以实现 能量转换的关键部分，由铜线制成。,使电枢绕组与外电路相通； 与换向器保持滑动接触,2、 直流电机的物理模型,一、 直流电机的构
3、造与工作原理,其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。 转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组。,2、 直流电机的物理模型,一、 直流电机的构造与工作原理,上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上 ，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一定气隙。在电枢铁心上放置了两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，
4、电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,当原动机驱动转子逆时针旋转时，如图位置，此时ab段和dc段切割磁场线（电磁感应现象），由右手定则，可得ab段的电流由b指向a，cd段的电流方向由d指向c，于是线圈中产生了感应电流。此时，换向片与正极处电刷接触，换向片与负极处电刷接触，外电路线路中电流为逆时针方向； 线圈继续旋转，旋转180时，ab段在下面，cd段在上面，同上可知ab段电流由指向，cd段电流由指向此时，换向片与负极处电刷接触，换向片与正极处电刷接触，回路中的电流方向不变，仍为逆时针方向。 此时，电刷间产生极性不变的感应电动势。实现了
5、机械能向电能的转化。,直流发电机是将机械能转化为电能的装置。,右手定则：磁场线垂直穿过掌心， 大拇指指向线圈的运动方向 四指所指方向就是感应电流的方向。,电磁感应现象：闭合电路的一部分导体 在磁场中做切割磁感线运动， 导体中就会产生电流。,.直流发电机,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,当外电路接入电压时，如右图所示，此时， 电流由换向部分（）进入电枢绕组，线圈中的电流方向是dcba，由左手定则，可得电磁感应力方向如图所示，产生的力矩使得线圈顺时针旋转； 当线圈平面旋转至与磁场方向垂直时，感应力相互抵消；在惯性作用下，线圈继续旋转至下方时， 换向片位置对换，电流由换向部
6、分（）进入电枢绕组，此时，线圈中的电流方向abcd，产生的力矩方向不变，线圈继续沿顺时针方向旋转。 此过程实现了电能向机械能的转化。,直流电动机是将电能转化为机械能的装置。,左手定则：磁场线垂直穿过掌心， 四指指向电流方向， 大拇指指向就是电磁感应力的方向。,.直流电动机,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.电动势与转矩,直流电机中电刷间的电动势常用公式： ,直流电机中电磁转矩常用公式： ,式中：电动势（）； 电磁转矩（）； 电枢电流（）； 一对磁极的磁通（）； 电枢转速（）； 、与电机结构有关的常数,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.电动势与
7、转矩,在直流电动机中，当线圈在磁场中受力转动时，线圈因切割磁场线而产生感应 电动势，这个电动势方向与电流或外加电压的方向总是相反的，称为反电动 势，它与发电机中电动势的作用是不同的。,直流发电机与直流电动机的电磁转矩作用是不用的。 发电机的电磁转矩是阻转矩。在等速转动时，原动机的转矩与发动机的电磁转矩 及空载损耗转矩相平衡；当负载增加时，电磁转矩和输出功率增加，这是原动 的驱动转矩和提供的功率增加，保持转矩之间及功率之间的平衡，转速基本保持不变； 电动机的电磁转矩是驱动转矩，驱使电枢转动。电磁转矩必须与机械负载转矩 及空载损耗转矩相平衡；当负载变动时，电动机的转速、电动势、电流、及电磁 转矩将
8、自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.电动势与转矩,电机在不同运行方式下E和T的作用,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.4换向器的工作原理,换向器结构图,换向器与电刷保持滑动接触，电刷上有绕组，绕组接入外回路中,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.4换向器的工作原理,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.4换向器的工作原理,3、 直流电机的工作原理,一、 直流电机的构造与工作原理,.4换向器的工作原理,、 直流电机的分类,二、 直流电机的特性,供给励磁绕
9、组电流的方式成为励磁方式，发电机的励磁方式主要有他励、并励、串励和复励。,（1）他励：直流发电机的励磁电流由其他直流电源单独供给。 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同。 即：I=Ia,、 直流电动机的分类,二、 直流电机的特性,（2）并励：直流发电机的励磁绕组与电枢绕组并联，且满足： 即：Ia=I+If,（1）串励：直流发电机的励磁绕组与电枢绕组串联，且满足： 即：Ia=I=If,、 直流电动机的分类,二、 直流电机的特性,（4）复励：并励和串励两种方式的结合，电机有两个励磁绕组。 一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。,2、 直流电动机的特性,二、 直流电机的特性,1.直流电动机的基本
10、方程,T=Kea (1) U=E+aRa (2) EKt (3) T=TL+T0 (4) C=(pN)/60a (5) Cm=(pN)/2a (6),式中： T-电磁转矩； -电动机每级磁通； a-电枢电流； E-电动机的电动势； Ra -负载等效电阻； n-电动机转速； TL-负载转矩； T0 -空载转矩； p-电枢绕组磁极对数； N-电枢导体总数； a-并联支路对数； Ke、Kt-与电动机结构有关的常数；,2、 直流电动机的特性,二、 直流电机的特性,2.他励直流电动机的工作特性,他励直流电动机原理电路图,电枢回路：U=E+IaRa （7） 将(3)代入： 将（1）代入：,(1)直流电动机
11、机械特性的一般表达式。,理想空载转速,2、 直流电动机的特性,二、 直流电机的特性,1.2直流电动机的工作特性,（2）他励直流电动机的工作特性,1）转速特性：当U=UN、If=IfN时，n=f(Ia).,结论：忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。,2）转矩特性:当U=UN、If=IfN时，T=f(Ia).,T=Kea,结论：考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。,2、 直流电动机的特性,二、 直流电机的工作特性,1.2直流电动机的工作特性,（2）他励直流电动机的工作特性,3）效率特性:当U=UN、If=IfN时，=f(Ia).,结论：空载损耗为不变损耗，不随负载电
12、流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；当负载电流增大到一定程度铜损快速增大此时效率又变小。,、 直流电动机的启动,三、 直流电机的运行和控制,直流电动机启动时，满足：,直流电动机直接启动时，启动电流很大，达到额定电流的1020倍， 因此必须限制启动电流。其方法是在电枢电路中串接启动电阻Rst. 一般规定，启动电流不应超过额定电流的1.52.5倍。启动时，将启 动电阻调至最大，待启动后，随着电动机转速的上升将启动电阻逐 渐减小。,2、 直流电动机的调速,三、 直流电机的运行和控制,直流电动机转速公式：,调速分
13、为三种：,优点：调速平滑，可做到无极调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性好。 缺点：调速范围小,改变磁通,改变电枢电压,优点：不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；控制灵活、方便，可实现无极调速；调速范围宽。 缺点：设备复杂,电枢串联电阻,优点：简单、方便 缺点：只适用于调速范围要求不大的中、小容量直流电机的调速场合。,3、 直流电动机的制动,三、 直流电机的运行和控制,能耗制动,在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势扔存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。,3、 直流电动机的制动,三、 直流电机的运行和控制,反接制动,在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。,3、 直流电动机的制动,三、 直流电机的运行和控制,反馈制动,在电机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。,
