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1、第13章 直流电机,定义：直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。直流电机用作发电机时，它将机械能转换为电能；用作电动机时，它将电能转换为机械能。 由于直流发电机的构造复杂，价格昂贵，工作可靠性也较差，因此随着近代工业电子技术的迅速发展，它逐渐被半导体整流电源取代。 直流电动机虽然比三相异步电动机的结构复杂，维护也不方便，但是由于它具有良好的调速性能和较大的起动转矩，因此，在调速要求较高或一些特殊的场合，仍得到广泛使用。,本章主要介绍直流电机的结构和工作原理、直流电机的机械特性、直流电动机的起动、调速和制动。,结构 直流电机都是由定子和转子两大部分组成 。,1. 定子 定子是直流电机
2、的静止部分，由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。,主磁极：由主磁极铁心和励磁绕组组成，励磁绕组通以励磁电流产生主磁场。,换向磁极：换向磁极铁心和绕组组成，位于两主磁极中间，是比较小的磁极。 改善电动机的换向条件，减小换向器上的火花。在小功率的直流电机中则不装换向极。,13.1.1直流电机的结构,13.1 直流电机的结构和工作原理,机座：铸钢或厚钢板制成，用来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的外壳，又是电机磁路的一部分。 在机座的两边各有一个端盖，端盖的中心处装有轴承，用来支持转子的转轴，端盖上还固定有电刷架，用以安装电刷，并利用弹簧把电刷压在转子的换向器上。,2.
3、 转子 直流电机的转子通称为电枢，它包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件。,电枢铁心由硅钢片叠压而成，其表面有许多均匀分布的槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心也是直流电机磁路的一部分。,电枢绕组有许多相同的线圈组成，按一定的规律嵌放在电枢铁心的槽内并与换向器相连，通以电流，在主磁场作用下产生电磁转矩。,换向器又称整流子，是直流电机的特有装置。它由许多楔形铜片组成，片间用云母或其它垫片绝缘，外表呈圆柱形，装在转轴上。每一换向铜片按一定规律与电枢绕组的线圈连接。在换向器的表面压着电刷，使旋转的电枢绕组与静止的外电路相通，以引入直流电。,3. 励磁方式 直流电机的主磁场是由励磁绕组中的励磁电
4、流产生的。由于励磁方式的不同，使得各种直流电机具有不同的特性。,分类,他励电动机,并励电动机,串励电动机,复励电动机,他励励磁绕组与电枢绕组分别由两个不同的直流电源供电；永磁式电动机，可视为他励电动机的一种。 并励励磁绕组与电枢绕组并联后由同一个直流电源供电； 串励励磁绕组与电枢绕组串联后由同一直流电源供电； 复励既有并励绕组，也有串励绕组。直流电动机的并励绕组一般电流较小，导线较细，匝数较多；串励绕组的电流较大，导线较粗，匝数较少，因而不难判别。,直流发电机的电动势是因电枢线圈的有效边切割磁力线而产生，故两电刷间电动势E的大小，就与发电机的转速n和磁极磁通的乘积成正比，即,式中CE为电动势常
5、数，它与电机的结构有关，为每极磁通，n为电枢转速。,13.1.2 直流电机的工作原理,直流电机的工作原理与所有电机一样，也是建立在电磁力和电磁感应的基础,N和S是直流电机的一对固定的主磁极。磁轭、励磁绕组均未画出，电枢绕组只有一个线圈，因而对应的换向片也只需两个半圆形的铜环1和2。换向片上压着两个与外电路接通的电刷A和B。,当电枢被原动机驱动按逆时针方向旋转后，电枢线圈的两根有效边便切割磁力线产生感应电动势，其方向如图所示，形成感应电流，通过电刷流过负载，实现机械能转换成电能。当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是
6、一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。,由于电刷A总是同与N极下的一边相连接的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的一边相连的换向片接触，因此在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压。 所以，换向器的作用在于将发电机电枢绕组内的交变电动势换成电刷之间的极性不变的电动势。,直流电机作发电机运行,将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。当电流经过电刷流入电枢绕组，由于电枢线圈的有效边在磁场中受到电磁力的作用，故电枢产生电磁转矩（称为驱动转矩）驱动转子旋转，将电能转换成机械能。运用左手定则，可以确定出电枢应按逆时针方向转动。,电枢线圈中的电流方向应该是这样：N、S极下的有效边中的电流总是分别保
7、持一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，以保证电磁力的方向不变。而这也必须通过换向器才得以实现。,当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势。这个电动势的方向（由右手定则确定）与电流或外加电压的方向总是相反，所以称为反电动势。它与发电机的电动势的作用不同，后者是电源电动势，由此产生电流。,直流电机作电动机运行,式中CT为转矩常数，它与电机的结构有关，为每极磁通，Ia为电枢电流。,直流电机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式
8、表示：,由上可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但二者的作用截然相反： 发电机运行 电动机运行 E和Ia方向相同 E和Ia方向相反 E电源电动势 E反电动势 T阻转矩 T驱动转矩,电动机的转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩相平衡。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反；在图13-5中，运用左手定则就可看出。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗转矩T0相平衡。,13.2 直流电动机的机械特性,由基尔霍夫第二定律知，电动机在稳定运行时，加
9、于电枢绕组两端的电压U等于电枢电阻Ra的电压降RaIa与反电动势E之和，即,又因为,直流电动机的转速为：,表明：直流电动机的转速n与电枢电压U、每极磁通以及电枢回路电阻Ra都有关系。,此即直流电动机机械特性的一般表达式。,在式中,当电源电压U和电枢绕组的电阻Ra为常数的条件下，表示直流电动机的转速n和转矩T之间关系的nf（T）曲线，称为机械特性曲线，它是一条向下倾斜的直线。,是T=0时的转速，实际上是不存在的，因为即使电动机轴上没有加机械负载，电动机的转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩，所以，通常n0称为理想空载转速。,是转速降。它表示：当负载增加时，电动机的转速就会下降。转速降是由电枢
10、电阻Ra引起的。由公式可知，当负载增加时，Ia随着增加，于是RaIa增加。由于电电源电压U是一定的，这使反电动势E减小，也就是转速n降低了。,由于Ra很小，在负载变化时，转速的变化不大。因此，他励直流电动机具有较硬的机械特性，这也是它的特点之一。,13.3 直流电动机的起动、调速和制动,13.3.1 起动,定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。,由于起动瞬间直流电动机的转速n0，感应电动势，由式 得，起动时的电枢电流为：,由于Ra很小，起动电流的数值将达到额定电流的十几倍。,危害,对供电电源是一个很大的冲击,损坏电动机本身,产生很大的起动转矩，使被起动的机械遭受
11、很大的冲击力,可能损坏传动机构和生产机械,结论：大容量直流电动机是不允许直接起动的。,起动要求：减小起动电流又保持一定的起动转矩，通常限制起动电流在额定电流的1.52.5倍的范围内。,限制起动电流的方法,注意： 1、直流电动机在起动时，励磁电路必须可靠连接，不允许开路。否则，励磁电流为零，磁路中只有很小的剩磁，即0，则起动转矩0，电动机将不能起动，这时电流很大，可能会烧坏电机。 2、直流电动机在工作时也不允许励磁绕组开路，如果是有载运行，会使它堵转，同样产生很大电流；如果是空载运行，则由转速公式可知，电动机的转速将上升到很高，会出现“飞车”现象，危及设备和操作人员的安全。,降低电枢端电压,增大
12、电枢电路的电阻Ra,需要有一个可调压的直流电源专供电枢电路之用。随着转速的升高使电源电压逐渐升高到额定值，这种方法只适用于他励电动机,对于并励、串励和复励电动机，一般都采用在电枢电路内串联起动电阻的方法进行起动，随着转速的升高将起动电阻逐段切除。,13.3.2 反转,使用直流电动机的许多设备，常常要求电动机既能正转，又能反转。要改变直流电动机的旋转方向，必须改变电磁转矩的方向。直流电动机电磁转矩的方向是由磁通的方向和电枢电流Ia的方向决定的。,使直流电动机反转的方法有两种： （1）保持电枢电流方向不变，改变励磁绕组电流的方向； （2）保持励磁绕组电流方向不变，改变电枢电流方向。 如果两个电流方
13、向同时改变，则电动机旋转方向不变。实际上，一般都采用改变电枢电流的方向，即把电枢电路的两条端线互换一下即可。,13.3.3 调速,定义：调速是指在负载转矩不变的条件下，通过人为的方法改变电动机的有关参数（即改变直流电动机的机械特性），使之在一定的负载下获得不同的转速。直流电动机具有良好的调速性能，能在较大的范围内平滑而经济地调速。,从 中可以看出，调速方法有三种：电枢回路串电阻Ra调速、弱磁（减小）调速和降压（改变U）调速。,1、电枢回路串电阻调速,特点： （1）电动机的理想空载转速不变，随着所串电阻的增大，机械特性越来越软。 （2）只能将转速往下调，平滑性差。低速时，电动机的效率较低。 （3
14、）如果负载稍有变动，电动机的转速就会有较大变化，这对于恒转矩负载不利。,（保持U、大小不变）,2. 弱磁调速,特点： （1）可得到无级平滑调速。 （2）励磁电流小，能量消耗少，调速范围大。 （3）速度只能向上调，调速后的机械特性较硬，速度较稳定。,3. 降压调速,特点： （1）可以得到平滑调速。 （2）机械特性是一组平行曲线，机械特性较硬，转速稳定。 （3）转速只能调低，不能调高。,（保持Ra、大小不变，降低电枢的端电压U ）,（保持U、Ra大小不变，调节励磁电流使之减小，亦即减弱磁通 ）,13.3.4 制动,定义：制动就是采取一定的措施使直流电动机快速停车或降低转速的运行状态。常用的电气制动
15、方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。,1. 能耗制动,此时的电动机相当于一台发电机。 由于转动部分的惯性，电枢继续按原方向旋转，电枢导体切割磁力线产生的感应电动势E的方向不变，但原来是阻碍电流的反电动势，变为在电枢绕组和制动电阻RP上产生电流Ia的电动势。 电动机处于发电状态时，电枢电流与磁通互相作用产生的电磁转矩与电枢旋转的方向相反，是制动转矩。 此制动过程中，转动部分的动能变为电能，在电阻中消耗掉，故称这种制动方法为能耗制动。 能耗制动线路简单，制动可靠、平稳、经济，故常被采用。,制动时将开关S由左边扳向右边，使电动机的电枢回路与电源切断，再与一制动电阻RP相串联，但励磁绕组的电源必须
16、保留。,制动转矩的大小与电枢电流Ia的大小有关，可通过调节制动电阻RP来控制制动转矩。RP小，则Ia大，制动转矩大，制动时间短；反之，制动时间长。但在改变制动电阻RP时，应注意电枢电流不能太大，一般选制动时的电流为额定电流的1.52.5倍。,2. 反接制动,电枢反接后，电枢电流反向，电磁转矩随着反向，电磁转矩成为制动转矩，使电动机迅速停止。当电动机的转速接近零时，应及时切断电源，否则电动机会反转。 由于反接制动时电枢电压与反电动势E的方向相同，故电枢电流Ia很大。为了限制电流，必须串接较大的制动电阻RP，以保证电枢电流不超过额定电流的1.52.5倍。 反接制动制动迅速，但要消耗一定能量，并有自动反转的可能性。,反接制动就是把电源电压反接到电枢绕组或励磁绕组上 。,3. 回馈制动,并励电动机在运行时，由于某种客观原因，使实际转速超过原来的空载转速，电枢中的反电动势E大于电源
