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1、2018/12/10,机械工程学院,第三章 直流电机的工作原理及特性,本章要求掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电动机的机械特性； 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。,2018/12/10,机械工程学院,电机,利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置,2018/12/10,机械工程学院,直流电机,1、进行直流电能与机械能 之间的转换 2、直流电动机主要应用场合： 起动性能和调速性能好，过载能力大 ； 3、直流发电机主要应用场合： 供给直流电动机、电解、电镀等所需的直流电能 4、主要缺点： 结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性
2、差,2018/12/10,机械工程学院,31 直流电机的基本结构和工作原理,结构要点：定子、转子、换向器 原理要点：电磁感应定律、电磁力定律、电路定律以及电势方程、转矩方程、电压方程 分类：直流电机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励、复励四种,2018/12/10,机械工程学院,一、直流电机的基本结构,2018/12/10,机械工程学院,2018/12/10,机械工程学院,直流电机的组成,1、定子：产生磁场、支撑电机 2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进行能量转换,2018/12/10,机械工程学院,（一） 定子部分,1主磁极：产生主磁场。 主磁极铁心 励磁绕组 2、换向极：改善换向 3
3、、机座 固定 主磁路的一部分 4、电刷装置 引入或引出直流电压和直流电流,主磁极,换向极,2018/12/10,机械工程学院,电刷盒,2018/12/10,机械工程学院,转子结构图,电枢绕组,换向器,电枢铁心,转轴,2018/12/10,机械工程学院,2018/12/10,机械工程学院,（二） 转子(电枢)部分,1、电枢铁心 作为主磁通磁路的主要部分 嵌放电枢绕组 2、电枢绕组 能量转换的关键部件， 产生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换 3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变； 直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电
4、动势转换为对外引出的方向不变的直流电动势。,2018/12/10,机械工程学院,电枢铁心钢片、换向器,2018/12/10,机械工程学院,二直流电机的基本工作原理,建立在电磁力和电磁感应的基础上,2018/12/10,机械工程学院,（一）直流发电机的工作原理,2018/12/10,机械工程学院,2018/12/10,机械工程学院,直流发电机基本工作原理,原动机驱动电枢在磁场中旋转 电枢线圈的有效边切割磁力线 电枢线圈中产生感应电势 e 交变的感应电势在换向器的作用下变换成电刷之间的直流电势E 接负载后，电枢中产生电流 i 载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩T 原动机克服T的作用将机械能
5、转变成电能,2018/12/10,机械工程学院,（二）直流电动机的工作原理,2018/12/10,机械工程学院,2018/12/10,机械工程学院,直流电动机基本工作原理,电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体 载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩T 电枢在电磁转矩T作用下旋转 旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感应电势E 由于换向器的作用，感应电势E总是与外加电压的方向相反，称为反电势,2018/12/10,机械工程学院,三、电势方程、转矩方程和电压方程,电势方程,电压平衡方程,发电机,电动机,转矩方程,2018/12/10,机械工程学院,32 直流发电机,2018/12/10,机械
6、工程学院,一直流发电机的分类,1、他励直流发电机：励磁绕组由外电源提供电流 2、自励发电机：励磁电流为电枢电流或为电枢电流的一部分，可分为： 并励直流发电机 串励直流发电机 复励直流发电机,2018/12/10,机械工程学院,直流发电机的四种励磁方式,2018/12/10,机械工程学院,二、他励发电机,2018/12/10,机械工程学院,空载特性,2018/12/10,机械工程学院,外特性U=f(I),2018/12/10,机械工程学院,三、并励发电机,，,2018/12/10,机械工程学院,并励发电机的工作原理,2018/12/10,机械工程学院,并励发电机的电压建立的条件,1、发电机的磁极
7、要有剩磁。 2、起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同，这样，磁场才能加强。 3、合适的电阻Rf，当Rf过大时，电压就建立不起来。,2018/12/10,机械工程学院,并励发电机的外特性,2018/12/10,机械工程学院,四、复励发电机,优点：在正常运行范围内，其端电压变化不大。,2018/12/10,机械工程学院,33 直流电动机的机械特性,机械特性是直流电动机最重要的运行特性。 机械特性反映了电机转速与转矩之间的关系。 机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的重要依据。 机械特性分固有机械特性和人为机械特性。,2018/12/10,机械工程学院,一、他励电动机的机械特性,20
8、18/12/10,机械工程学院,（一）他励电动机的机械特性表达式,直流电动机的机械特性的一般表达式,2018/12/10,机械工程学院,机械特性曲线及其方程,2018/12/10,机械工程学院,（二）机械特性硬度,1定义 2、分类 (1)绝对硬特性( ) (2)硬特性( 10) (3)软特性( 10) 3、机械特性硬度的选择,2018/12/10,机械工程学院,（三）机械特性的分类,固有特性（自然特性）：指在额定条件下的机械特性。 人为特性：指上式中供电电压或磁通不是额定值、 电枢回路内接有外加电阻时的机械特性,2018/12/10,机械工程学院,1、固有机械特性,直流他励电动机的固有特性曲线
9、的绘制。 一般就用理想空载点（0，n0）和额定运行点（TN，nN）近似地来作出直线。,2018/12/10,机械工程学院,固有机械特性曲线的绘制步骤,2018/12/10,机械工程学院,人为机械特性,人为机械特性就是指供电电压U或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时的机械特性，亦称人为特性。 电动机有三种人为机械特性。 1）电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 2）改变电枢电压U时的人为特性 3）改变磁通时的人为特性,2018/12/10,机械工程学院,电枢回路串接附加电阻时的人为特性,2018/12/10,机械工程学院,改变电枢电压U时的人为特性,2018/12/10,机械工程学院,
10、改变磁通时的人为特性,应避免的现象 1、过载 2、飞车现象,2018/12/10,机械工程学院,串励电动机的机械特性,软特性,第一段,代入,第二段 C,2018/12/10,机械工程学院,串励电动机的机械特性相关分析,1 硬度 2 优点 1）串励电动机负载的大小对电动机的转速影响较大 2）起动时的励磁电流大 3、注意事项 （1）不容许空载运行。 （2）反转运行不能用改变电源极性的方式。,2018/12/10,机械工程学院,复励电动机的机械特性,具有他励和串励电动机的性质,他励磁通es=70%总磁通 串励磁通s=30%总磁通,他励,复励,串励,2018/12/10,机械工程学院,例题1,例.一台
11、他励直流电动机在稳态下运行时，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?,注意：从 不能判断E是如何变化的,解：两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是稳态值。,2018/12/10,机械工程学院,例题2,例、一台他励直流电动机，其功率 PN=5.5KW、 UN=220V、 IN=31A、nN=1500r/min,忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。,解：n=f(TL)是一条
12、直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN),(1)估算Ra,(2)求n0,2018/12/10,机械工程学院,(3)求TN,2018/12/10,机械工程学院,34 直流他励电动机的启动特性,启动电流,启动时n=0 E=0,2018/12/10,机械工程学院,启动电流过大的危害,1）不利于换向； 2）易损坏可控硅； 3）产生较大的动态冲击，易损坏机械设备； 4）对电网产生危害。 通常规定启动电流IST=（1.52.0）IN,2018/12/10,机械工程学院,限制启动电流常用的两种方法（IST=U/Ra）,降压启动 在电枢回路内串接外加电阻启动,2018/12/10,机械工程学院,
13、具有一段启动电阻的他励电动机,2018/12/10,机械工程学院,具有三段启动电阻的他励电动机,原则 T1(I1)2TN 2. T2(I2)基本相同,2018/12/10,机械工程学院,35 直流他励电动机的调速特性,一、速度调节与速度变化,2018/12/10,机械工程学院,速度调节与速度变化,速度调节-在一定的负载下，人为改变参数，从而改变电动机稳定转速。负载不变 速度变化-由于负载发生变化而引起电动机转速改变。特性不变,2018/12/10,机械工程学院,二、直流电动机调速的方法,(1)改变电枢电路外串电阻; (2)改变电动机电枢供电电压; (3)改变电动机主磁通。,2018/12/10
14、,机械工程学院,（1）一台电动机能否正常地长期运行，取决于它的电枢电流。额定电流是指电机长期工作所能容许的电流值。调速时，无论转速高低，都不允许长期超过额定值。,（2）电机在运行中，电压、磁通的大小都是可以人为控制的，转速虽然和转矩有关，但基本也可以由操作者决定，而转矩和电流完全取决于负载。即电机能否正常工作要看电流，而电流的大小要看负载。,问题的实质就是电动机的不同调速方法，各适用于什么性质的负载，怎样才能使电枢回路中的电流在不同速度下始终接近或等于额定值。,选择电动机调速方法的注意事项,2018/12/10,机械工程学院,串电阻调速,缺点 1.机械特性变软，稳定性差； 2.轻载时调速范围不
15、大； 3.无级调速困难； 4.电阻上消耗大量电能； 5.启动电阻不能用来调速。 适用于起重机、卷扬机。,2018/12/10,机械工程学院,调压调速（恒转矩调速）,特点 (1) 一般只能在额定转速以下调节； (2) 机械特性硬度不变，速度稳定度较高，调速范围较大； (3)恒转矩调速 (4)可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其它启动设备。,2018/12/10,机械工程学院,调磁调速（恒功率调速）,特点 （1）只能在nN以上进行无级调速（弱磁调速）； （2）机械特性变软，调速范围不大； （3）恒功率调速（P=UIa） (4) 在电流较小的励磁回路中进行调节，控制方便，能量损耗小，设备简单，调速
16、平滑性好。 通常同调压调速配合使用（nN以下用调压，nN以上用调磁通的方法）。,注意！轻载时产生飞车事故,2018/12/10,机械工程学院,36 直流他励电动机的制动特性,2018/12/10,机械工程学院,一电动机的制动,1 启动与制动 （1）启动：从静止开始加速到某一稳定转速 （2）制动：从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能负载下降速度的一种运转状态。,2018/12/10,机械工程学院,2、 制动与自然停车,（1）自然停车：脱离电网、靠摩擦阻转矩消耗机械能， 需时较长 （2）制动：联在电网上，电动机运行在发电机状态，快速停止,2018/12/10,机械工程学院,3、电动机的电动状态与制动状态,电动状态：电动机发出的T和n方向相同；,制动状态：（发电状态）转矩T 与转速n方向相反。,稳定的制动状态(n=C) 过渡的制动状态(n是变化的),2018/12/10,机械工程学院,电机的可逆原
