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1、电机及应用电机及应用 第五章 直流电动机第五章 直流电动机 本章主要内容 5.1 直流电动机的应用 5.2 直流电动机的结构 5.3 直流电动机的工作原理 5.4 直流电动机的励磁方式 5.5 整流电源供电的基本方程 5.6 直流电动机的工作特性 5.7 直流电动机的起动 5.8 直流电动机的调速 6.9 直流电动机的制动 5.1 直流电动机的应用 5.2 直流电动机的结构 直流电动机的定子包括主磁极、换向极、电刷装 置、机座几个部分。 主磁极 换向极 电刷装置 直流电动机的结构 直流电动 机的转子 由电枢铁 芯、电枢 绕组、换 向器、转 轴等组成 。 换向器 5.3直流电动机的工作原理 主磁
2、极 电枢 换向片 电 刷 5.4 直流电动机的励磁方式 励磁方式指直流电动机主磁极产生的方式，通常有 两种类型。 一种是由永久磁铁产生； 另一种是利用给主磁极绕组通过直流电产生，根据 主磁极绕组与电枢绕组连接方式的不同，可分为他 励、并励、串励和复励电动机。 直流电动机的励磁方式 永磁电动机 永磁材料:铝镍钴、铁氧体、及稀土（钕铁硼） 特点:体积小、结构简单、重量轻、效率高，寿命长 应用：电动自行车、电动公交车等 他励电动机 并励电动机 励磁电动机 串励电动机复励电动机 5.5 直流电动机的基本方程 他励直流电动机 电压平衡方程式 电压平衡方程式 并励直流电动机 串励直流电动机 例:一台并励电
3、动机,在某负载时U=220V，I=70A， n=1000 r/min，Ra=0.2， Rf=500，现现把负载负载 减 少，电动电动 机的转转速升到1030 r/min，求此时电动时电动 机取 用的电电流。 解： 220V1000 r/min0.2 70A 求得： 1030 r/min 1、转速特性 转速特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0 时，n=(Ia)关系。 根据电势方程式Ea=Cen和电压方程式U=Ea+IaRa 可得： 2、转矩特性 n转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0 时，T=(Ia)关系。 n根据转矩公式T=CTIa，忽略电枢反应，转
4、矩特性是一条 过原点的直线。 5.6 直流电动机的工作特性 3、效率特性 n效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0 时，=(Ia)关系。 n根据效率的定义可得： n式中总损耗： 并励电动机 并励电动机的工作特性 并励电动机 并励电动机的机械特性 串励电动机 串励电动机的工作特性 串励电动机 串励电动机的机械特性 5.7 直流电动机的起动 一、直接起动 所谓直接起动，是指不采取任何措施，直接将静止 电枢投入额定电压电网的起动过程。如上所述，直 流电机不宜于采用直接起动。因此，这里所讲的直 接起动只限于小容量电机，对电网和自身的冲击都 不太大，但操作简便，毋需添加任何起动设备
5、。 直接起动过程中电枢电流和转速的变化规律如图所 示。考虑电枢回路电感的作用，电流不突变，但很 快上升至最大冲击值Ist，不过，此时转子已开始转 动，并具有一定速度，E0，因此，实际的起动电 流冲击值Ist会略小于U/Ra。 直接起动时电枢电流与转速特性曲线 电枢电路串电阻起动 电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到 限制起动电流的目的，使 串固定电阻起动特性 5.8 直流电动机的调速 一、调速的基本指标 1、调速范围D 不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如： 车床：D= 20 120 ，龙门刨床：D=10 40, 机床进 给机构：D=5 200；轨钢机：D=3 120 ; 造纸机： D
6、=3 20 等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例 如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速 之比计算调速范围D。 3. 平滑性 n在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调速越平 滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性。k接近1 ，平滑性好。通常第 i 级表示较高的转速，第 i-1 级表示 较低的转速，因此系数k1 ，显然，调速的级数越多， k 越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1 时，称为无级调 速，即在调速范围内，转速可得到任意值。 指同一条机械特性上额定负载时转速降落n与 理想空载转速n0之比。定义为： 4、相对稳定性 n电动机的机械特性愈硬，相对稳定性愈高 。 二、他励电
7、动机的调速 1、 电枢回路串电阻调速 由于调速前后负载转矩不变(设为恒转矩负载)，因此 调速前后的电枢电流值亦保持不变，这也是串电阻调 速的特点。但串入电阻后损耗增加，输出功率 P2=T2减小，效率降低，很不经济，因此这种调速 方法只在不得已时才采用。 2、改变励磁电流调速 调节励磁电流，改变主磁通，可以平滑地较大范围地改变 电机的速度，图即为并励电动机改变励磁电流的调速情况。 3、改变端电压调速 改变电枢电压是一种比较灵活的调速方式。转速既可升高也可 降低，配合励磁调节，调速范围还可以更加宽广。因而，它已 发展成为一种普遍应用的调速方式。当然，调压调速需要专用 直流电源，但这在现代电力电子传
8、动系统中已经是最基本的配 置。辅以对整流电源的先进控制策略和调制方案，系统不但可 以获得最为理想的调速性能，而且可以集正反转切换、降压起 动以及后面将要介绍的能量回馈制动等功能于一身，最终实现 传统电力传动系统难以企及的最优化运行性能指标。 5.9 直流电动机的制动 在电力拖动机组中，无论是电机停转，还是由 高速进入低速运行，都需要对电动机进行制动即 强行减速。制动的物理本质就是在电机转轴上施 加一个与旋转方向相反的力矩。这个力矩若以机 械方式产生，如摩擦片、制动闸等，则称之为机 械制动；若以电磁方式产生，就叫做电磁制动。 电机学中所讲的制动主要是指电磁制动，并有能 耗制动、反接制动、回馈制动
9、三种形式。 一、能耗制动 1、能耗制动实现及机械特性 (1)实现方法： a.电动状态 接触器KM1闭合，转矩T与 转速n相同方向，电枢电流 与反电势方向相反，电机运 行在A点。 b.能耗制动 接触器KM2闭合(电机原运行 在A点)，电枢脱离电源经电 阻R将电枢短接。 特性方程及制动电阻 特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性 斜率取决于能耗制动电阻 Rad。 能耗制动特点 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电 机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转 变成电能( EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rad). 制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下
10、降时，T也下降，故 低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad，以增大 制动转矩T ，此即多级能耗制动 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可实现准确 停车。 应用 能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机 械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全 ，对反抗性负载能确保停车。 功率流程图 一、反接制动 1、电压反接的反接制动 (1)方法： 将正在运行的电机电枢串入制动电阻 Rc，且电 枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两 种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动 线 路适合大容量的电动机采用。 反接制动实现 方程式 机械特性曲线 反接制动功率流程图 应用： 转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一 般可在nn0 则 EaU ，Ia与Ea同方向，T 与 n 方向相反，电机工作在发电状态， 回馈能量给电源，经济性能比较好。 2、变电压过程中的回馈制动 3、位能负载下放重物时回馈制动
