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1、1 直流电机的基本结构直流电动机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定转子之间有一定的间隙，称 为气隙。定子的作用是产生磁场和对电机的支撑，主要由主磁极，换向极，机座，端盖， 电刷装置等部件组成。转子的作用是产生感应电枢感应电动势或者电磁转矩，主要由电枢 铁心，电枢绕组，换向器，转轴和风扇等部件组成，如图 1-1。图 1 1 直流电动机结构图直流电机的额定值一般都标注在铭牌上，铭牌固定在机座的外表面上。额定值是用户 选择和用好电机的重要依据，根据国家标准，直流电机的额定数据有:(1)额定功率P(KW)； (2)额定电压U(V)； (3)额定电流I(A)； (4)额定转速n (r/min)；n
2、nnN(5)励磁方式和额定励磁电流I(A)。还有的额定值比如额定效率，额定转矩T和额定fN N 温度等不一定都在铭牌上标注出来。2 直流电机的工作原理直流电动机的工作原理用一句话来概括：带电导体在磁场中受力，产生电磁转矩，继 而带动负载转动。具体分析如下，如图 1-2。图 2 1 直流电机的工作原理图电流从电源正极流入电刷 A 经过导体 ab 到 cd 从电刷 B 流出回到电源负极。由电磁力 定律可知导体ab, cd受力的大小为f Bli,式中i为导体中流过的电流。由左手定则可判 断瞬间导体ab, cd受力方向相反，力f乘以转子的半径就是电磁转矩，若电磁转矩能够克 服电枢上的阻转矩，电枢便逆时
3、针旋转起来了。当电枢转过180时，cd转到N极下，ab 转到S极下，电流仍然从电刷A流入，经过导体dcba，由电刷B流出，两导体上受力仍 然相反，产生的电磁转矩方向不变仍然为逆时针方向。3 直流电动机的基本理论3.1 直流电动机的参数(1) 电枢感应电动势E = C n ；aE(2) C为电势常数，为每极磁通，n为转速，对于成品直流电机，电枢感应电势与E每极磁通和转速的乘积成正比。(3) 电磁转矩T = C I。e T aC 为转矩常数， 为每极磁通， I 为电枢电流，对成品电机，电磁转矩的大小与每极Ta磁通与电枢电流的乘积成正比。若每极磁通的单位为Wb,电流I的单位为A,侧电磁转矩T单位为“
4、刊电磁转矩 aem口的大小与每级磁通和转速n的乘积成正比。比较电势常数C =匹和电磁转矩常数C =匹可得二者关系为ce =生，e 60at 2兀 aC 60TC = 9.55C。TE3.2 他励直流电动机的基本方程式电枢回路电势平衡方程式为：U = E +1 R式中，R为电枢回路总电阻，它包括电枢a a aa绕组电阻、换向极绕组电阻、补偿绕组电阻、电刷与换向器表面的接触电阻等。励磁回路中，对他励或并励电动机有I =Uf式中，U在他励时为给定值，在并励时 a Rff为U = U ； R为励磁回路总电阻。ff直流电动机以转速n稳定运行时，作用在电枢上的砖具有三个：一个是电磁转矩T，em是拖动性质的
5、；一个是转轴上的输出转矩T，是制动性质的；还有一个是电机的机械摩擦、2铁芯损耗等引起的转矩T，因为转矩T空载时也存在(只是大小略有变化)，因此把它称 00为空载转矩，是制动性质的。由能量守恒原理得转矩平衡方程式为：T = T + T = Tem 20由以上分析可得直流电动机稳定运行的基本方程式如下U = E +1 Ra a aE = C naET = C IemTaT = T + Tem 20UI = faR4 直流电动机的机械特性在他励直流电动机中，当U , R，和I保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩Ta a f之间的关系称为他励直流电动机的机械特性。 他励直流电动机的转速与转矩之间有，如
6、下关系：Ua-C ERa C C 2ETT = n -An = n _YT00式中， n 式电动机的理想空载转速，其值为：0Un =a0 CEAn时转速差，其值为An二n -n0Y是机械特性的斜率，其值为YdndTRaC C 2ET机械特性的硬度为a =dn斜率越小，硬度越大，机械特性越硬。当U和I保持为额定值，而且电枢电路中无外接af 电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。4.1 固有特性由他励直流电动机转速与转矩的关系式得到他励直流电动机的固有特性如图所示。由于 电枢电路电阻R很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。a固有特性上的 N 点对应于电动机的额定状态。
7、这使电动机的电压、电流、功率和转速 都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。固有特性上的 M 点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流 Ia 等于换向所允许的 最大电枢电流I=（1.52.0）/。对应的转矩T是电动机所允许的最大转矩。临界状态a maxaN m说明了电动机的短时过载能力。直流电动机的短时过载能力可用表示。mc4.2 人为特性4.2.1 增加电枢电路电阻时的人为特性若在电枢电路中串入一外接电阻，相当于将式中的电枢电路电阻R增加。这时理想空a载转速N不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图所示。传入的电阻越大，人为特 0性的斜率越大，硬度减小。图 4 1 增加电枢电路电
8、阻时的人为特性4.2.2降低电枢电压时的人为特性TlT图 4 2 降低电枢电压时的人为特性U降低时，n减小，Y不变，a不变，人为特性如图所示，机械特性向下平移。a04.2.3 减小励磁电流时的人为特性图 4 3 减小励磁电流时的人为特性减小励磁电流！，侧磁通减小，n增加，增加，减小，人为特性如43图所示。5 他励直流电机的启动直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电 流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。U EU他励电动机在起动瞬间，转速n=0,电动势E=0,由式I = a一a , E =0时I = -a可 a R a s
9、Raa知，起动电流在额定电压下直接起动时，由于R很小，I很大，一般可达电枢电流额定值 as的1020倍。这样大的电流是换向所不允许的。同时有式T二C oI可知，起动转矩也能达Ta 到额定转矩的1020倍。起动转矩过大会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大 冲击，以至损坏传动机构（如齿轮）和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下 的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻R大、转动惯量又比较小、可以直接起a 动外，一般的直流电动机是不允许直接启动的。为此，必须将起动电流限制在允许范围之内。由式I = 可以看出，方法有两个：降 sRa低 和增加 R 。aa5.1 降低电枢电压起动此方
10、法需要有一个可以改变电压的直流电源专供电枢电路之用。例如利用直流发电 机、晶闸管可控整流电源或直流斩波电源等。起动时，加上励磁电压，保持励磁电流Iff 为额定值不变，电枢电压 从零逐渐升高到额定值。a这种起动方法的优点是起动平稳，起动过程中能量损耗小，易于实现自动化，缺点是 初期投资大。5.2 增加电枢电阻起动5.2.1 无级起动额定功率较小的电动机可采用在电枢内串联起动变阻器的无级起动方法起动。起动前 先把起动电阻调到最大值，再加上励磁电压 ，保持励磁电流为额定值不变。在接通点数 f 电源，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动班组气的电阻，直到全部切除。 起动变阻器的最大阻值为，设要
11、求的起动电流值为Is,该值不得超过I，由于这时a maxIs R + Ra ST因此求得 R =-a RST IasR 可以通过实测或者通过铭牌上提供的额定值进行估算，由于在忽略 T 的情况下 a0PP = P = EI ,因此，在额定转态下运行时，由E = -n2 e a IaNsRaUaNoNaN欲与上市是在忽略T的情况下得到的，因此用上式估算出的R值要比实际值略大一0a些。5.2.2 有级起动 额定功率较大的电动机一般采用有级（分级）起动的方法以保证起动过程中既有比较 大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。现以两级起动为例来说明起动步骤和起动 过程。原理电路和机械特性如图所示图 5
12、16 起动过程分析6.1 串联起动电阻 R 和 R 起动。ST1ST 2起动前开关Q1和Q2断开，使得电枢电路中串入电阻R 和R ，加上电枢电路自身ST1ST 2的电阻R，电枢电路的总电阻为R二R +R + Raa2 a ST1 ST 2加上励磁电压U，保持励磁电流I为额定值不变，然后加上电枢电压U，这时电f f a动机的机械特性为图中的人为特性nM。由于起动转矩T远大于负载转矩T，电动机拖 0 a 1 L动生产机械开始动，工作点沿人为特性曲线n M由al点向a2点移动。0a6.2 切除起动电阻 RST2当工作点到达a2点，即电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关Q2,切除起动 电阻R ，电枢
13、电路的总电阻为R二R +RST 2al a STl这时电动机的机械特性变为人为特性nM，切除R 的瞬间，转速来不及改变，工0 bST 2作点由特性n M上的a2点平移到特性n M上的bl点，使这时的电磁转矩T仍为T1，0 a 0 b电动机继续加速，工作点沿特性n M由bl点向b2点移动。0b6.3 切除起动电阻 RSTl当工作点到达b2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2时，合上开关Q1，切除起动电 阻R ，电枢电路的总电阻变为R = R + R机械特性变为固有特性nM，工作点由b2点STlal a ST l0 c平移至cl点，使得这时的电磁转矩T仍正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿固有特
14、性nM由cl点经c2点，最后稳定运行在p点。整个起动过程结束。0c6.4 起动电阻的计算6.4.l 选择启动电流和切换电流为保证与起动转矩 Tl 对应的起动电流不会超过允许的最大电枢电流 I ，选择 a maxI =（l.5 2.0）IlaN对应的起动转矩T =（l.52.0）IlN为保证一定的加速转矩，减少起动时间，一般选择切换转矩为T =（l.ll.2 ）T2L若T未知，可用T代替。对应的切换电流为I =（1.11.2 ）IL N 2 LI是与T对应的稳态电枢电流。若未知，可用I代替L L aN求出起切电流（转矩）比0 =卡26.4.2 确定起动级数m 的计算公式为m=lgamlgaNRIalg卩a-lg卩式中，R为m级起动时的电枢起动总电阻R =匕砂 amam I1该公式的推导过程如下：由于n =n，故E = E，即 b2c1b 2c1U - R I = U - R I aNa1 2 aNa 0 1R I =R I a1 2a 0 1R =0Ra1a 0由于n = n，故E = E，即a 2b1a 2b1U -R I =U -R I aN a 2 2 aNa1 1R I =R I a 2 2a 2
