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1、第6章 直流电机和交流发电机,6.1 直流电机,6.2 三相交流发电机,电机又称马达，有交流电机和直流电机。 日常生活电器用的电机大部分都是交流电机。冰箱空调电机主要功能是带动空气压缩机。而电脑机箱风机则是直流电机。,直流电机是实现直流电能与机械能之间转换的电力机械，按照用途可以分为直流电动机和直流发电机两类。将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机。,交流电机是实现交流电能与机械能之间转换的电力机械，按照用途可以分为交流电动机和交流发电机两类。将交流电能转换成机械能的电机称为交流电动机（eg:三相异步交流电动机），将机械能转换成交流电能的电机称为
2、交流发电机。,直流电机的用途及基本工作原理,励磁机,测速,伺服,直流电机的用途,直流电机的特点：,直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 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，启动和制动转矩较大。 易于控制，可靠性较高 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高,6.1 直流电机,6.1.1 直流电机的工作原理,1电磁感应与右手定则,在一个均匀磁场B中，当放置一根有效长度为l的导体，作垂直切割磁力线运动时，则在导体l上产生感应电动势。这种由于导体切割磁力线而在导体上感应电动势的现象称为电磁感应。,电动势e的方向按右手定则确定，即将右手掌伸开，让磁力线垂直指向掌心，大
3、拇指指向导体运动方向，则与大拇指成90的其余四指所指方向便是导体中感应电动势的方向，如图所示。,2交流电动势到直流电动势的变换,直流发电机中线圈的感应电动势是交流的，借助于换向器和电刷配合作用，才把交流电动势“换向”成为直流电动势。由于这个原因，则把上述这种发电机称为换向器式直流电机。,3、直流发电机的工作原理,电刷,换向片,直流发电机运行时的几点结论：,1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电； 2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致； 3）从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场； 4）产生的电磁转矩T与转子转向相反， 是制动性质。,4直流电动机的工作原理,直流电动机
4、的工作原理是基于电磁力定律，若磁场 与导体l互相垂直，且导体l中通以电流i，则作用于载流导体l上的电磁力为,5、直流电动机的工作原理,如图所示，电刷A、B两端恒加直流电压U，在此瞬间位置，导体lab处于N极下，电流从a到b，导体lab受到电磁力作用而向左运动，导体lcd处于S极下，电流是从c到d，所受到电磁力作用方向向右，从而形成一转矩，使线圈逆时针方向旋转；当转过90时，电刷不与换向片接触，而与换向片间绝缘接触，此时线圈无电流，转矩消失，但由于惯性作用，转子仍向前转，这时导体lab与lcd交换位置，即lcd处于N极下，与A刷连接，lab处于S极下，与B电刷连接，电流从d进从a出，导体lcd受
5、电磁力作用，电磁力方向向左，导体lab受到向右的电磁力，保持原来转矩方向不变，从而使电动机继续沿着逆时针方向旋转。,直流电动机工作原理：,直流电动机运行时的几点结论：,1）外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流； 2）线圈中感应电势与电流方向相反； 3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的； 4）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质。,结 论,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，也可以作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。 在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机； 如用原动机拖
6、动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。 同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为可逆原理。,6.1.2 直流电机的主要结构与型号,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,直流电机,主要结构,1、定子部分,（1）主磁极,1主磁极铁心,2励磁绕组,3机座,主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压而成。,（2）换向极,1换向极铁心,2换向极绕组,换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。,换向极绕组与电枢绕组串联。,作用：改善换向。,（3）机座
7、,作用： 一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用； 二是作为电机磁路的一部分。,机座通常由铸钢或厚钢板焊成。,（4）电刷装置,电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。,1刷握,2电刷,3压紧弹簧,4铜丝辫,2、转子部分,（1）电枢铁心,作用： 一是作为电机主磁路的主要部分； 二是嵌放电枢绕组。,为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。,（2）电枢绕组,电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以
8、实现机电能量转换的关键部件。,线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。,（3）换向器,作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。,换向器由许多换向片组成。换向片之间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在两个换向片上。,直流电机的基本结构总结,主要由定子、转子两部分组成,直流电机,3铭牌数据及主要系列,铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流及励
9、磁方式等，此外还有电动机的出厂数据、出厂编号、出厂日期等。,额定功率：是指额定条件下电机所能供给的功率。,额定电压：是指在额定工况条件下，电机出线端的平均电压。,额定电流：是指电机在额定电压情况下，运行于额定功率，此时的电 流值为电机的额定电流。,额定转速：是指对应于额定电压、额定电流，电机运行于额定功率时所对应的转速。,额定励磁电流：是指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。,直流电动机的铭牌数据,6.1.3 直流电机的电枢电势与电磁转矩,直流电机的电枢，就是指电刷间的电势，可用下式表示；,式中，E电枢电势（V）；,Ce电势常数，取决于电机结构；,每个磁极的磁通（Wb）；
10、,n电枢转速（r/min）。,不论电机作为发电机或作为电动机运行，电枢电势都是存在的，不过发电机的电枢电势是电源电势，在电势的作用下产生电流，电势与电流的方向一致，如图（a）所示，此时发电机输出电功率；而电动机的电枢电势是反电势，它与外加电压（电流）的方向相反，如图（b）所示，此时电动机消耗电功率。,在直流电机中当电枢绕组内有电流通过时，此电流将与磁场相互作用，使电枢上每根导体受到电磁力F的作用，此电磁力F在电机转轴上产生电磁转矩。 直流电机的电磁转矩可用下式表示：,式中，T电磁转矩（Nm）；,每个磁极的磁通（Wb）；,Ia电枢电流（A）；,CT转矩常数，取决于电机结构。,1、直流电动机的励磁
11、方式 （1）. 他励直流电动机 图5-24（a）所示为他励电动机原理图。他励电动机的励磁电流If和电枢绕组电流Ia分别由两个不同的直流电源供电，因此调节电枢绕组电流，不会影响励磁绕组电流。但是由于采用单独的励磁电源，所以设备比较复杂。,（2）. 并励直流电动机 图5-24（b）所示为并励电动机原理图。并励电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一个直流电源供电。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为额定电枢电流的1%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。这种励磁方式在直流电动机中应用广泛。,（3）. 串励直流电动机 图5-24（c）所示为串励电动机原理图。串励
12、电动机的励磁绕组和电枢绕组串联，因此，励磁电流等于电枢电流，电机中主磁极磁通将随着电枢电流的变化而变化。为使励磁绕组不致引起过大的电阻损耗和电压降，串励电动机的励磁绕组都由粗导线绕制，而且匝数很少，这与并励电动机的励磁绕组正好相反。,（4）. 复励直流电动机 图5-24（d）所示为复励电动机原理图。复励电动机的主磁极上绕有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。当这两个励磁绕组的电流产生的磁通方向相同时称为和复励，否则称为差复励。复励电动机兼有并励电动机和串励电动机的特点。,2、直流电动机的起动、调速和制动 （1）. 直流电动机的起动 直流电动机接通
13、电源以后，电动机的转速从零达到稳定转速的过程称为起动过程。对于电动机而言，总希望它的起动转矩要大，起动电流要小，起动设备简单、经济、可靠。 直流电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。降压起动又分电枢回路串电阻起动和降低电枢电压起动。,直流电动机直接起动时，刚开始转速n = 0，此时直流电动机的反电动势还没有建立起来。由于电枢电阻Ra阻值很小，一般小于1，所以电枢电流Iast很大，这样大的起动电流一方面将会在换向器上产生火花，甚至烧坏换向器；另一方面将会产生过大的起动转矩，产生较大机械冲击，使传动机构（齿轮等）与生产机械遭受破坏。因此，必须限制起动电流，一般规定起动电流不应超过额定电流的1.
14、52.5倍。 降压起动时，先降低加在电动机电枢上的端电压，起动电流随之降低。随着转速的上升，逐步增大电枢电压，并使电枢电流限制在一定的范围内。为使励磁不受电枢电压的影响，电动机应采用他励方式。采用将压起动时，需要一套专用电源作为电动机的电源。现在一般采用脉宽可调制的由大功率电子器件构成的开关直流电源。降压起动的优点是起动电流小，起动过程平滑，能量损耗小，因此，这种起动方法应用日益广泛，尤其应用于大容量直流电动机和各类直流电力电子传动系统中。,（2）. 直流电动机的调速 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
15、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。 常用的调速方法有：电枢回路串电阻调速、改变励磁磁通调速、改变电枢电压U调速。各种调速方法具有不同的特点。,电枢回路串电阻调速方法只能向转速方向调速，机械特性变软，当轻载时得不到低速，同时调速电阻通过电枢电流要消耗电功率，不经济。但由于该调速方法比较简单，在调速范围不大和调速时间不长的中小容量直流电动机中常被采用。 改变励磁磁通调速方法调速平滑，可以实现无级调速；调速经济，控制方便；调速后机械特性仍比较硬，运行稳定性较好，但只能向升速方
16、向调速。 改变电枢电压U调速方法保持电动机机械特性的硬度不变，使电动机在较低转速下仍能稳定运行，调速范围较大，可达到（68）：1，且可实现无级调速，控制也较灵活方便。但是，这种调速方法需要专用的可调直流电源设备（目前多采用可控硅整流电源），故投资费用较高。 直流电动机能够实现较宽范围的平滑调速是交流电动机无法比拟的。,（3）. 直流电动机的制动 1能耗制动 以并励直流电动机为例，在能耗制动时保持励磁电流不变，在电枢两端从电源断开的同时，将其立即接到一个制动电阻上。这时，电动机内主磁场保持不变，电枢因机械惯性继续旋转，并且感应出电动势，在电枢回路产生电流，电机由电动机状态立即转至发电机状态，此时电枢电流反向，从而产生的电磁转矩与原来相反（称为制动转矩），于是转速迅速下降，直到停转。 能耗制动利用机组动能来取得制动转矩，制动线路比较简单，制动过程中不需吸收电功率，比较经济，安全可靠，操作简便，但制动时间较长，通常与电磁抱闸配合使用。,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
