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1、海南风光第2章直流电动机 1第第2章章 直流电动机直流电动机 2.1 概述概述2.2 工作原理工作原理2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系2.4 电磁转矩电磁转矩2.5 机械特性机械特性2.6 直流电动机的调速直流电动机的调速2.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值22.1 概述概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑
2、调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具32.2 工作原理工作原理 一、一、 工作原理工作原理 U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II4注意：注意：换向片和电源
3、固定联接，线圈无论怎样转换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片II5FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。6直流发电机用右手定则判用右手定则判感应电动势感应
4、电动势Ea的方向的方向U+NSEEIa电枢绕组电枢绕组电阻电阻Ra感应电动势感应电动势输出电压输出电压7二、二、 直流电机的构成直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构81. 转子转子（又称电枢）（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2. 定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，
5、形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。产生磁通，称为励磁。9根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与
6、转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U102.3 2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用圈中产生感应电动势（用E表示）。表示）。一、一、 电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE11根据右手定则知，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，和原通入的电流方向相反，其大小为：其
7、大小为：KE：与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n：电动机转速电动机转速 ：磁通：磁通单位：单位： （韦伯），（韦伯），n（转转/每分），每分），E（伏）伏）FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE12二、二、 电枢绕组中电压的平衡关系电枢绕组中电压的平衡关系因为因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压外加电压Ra:绕组电阻绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变改变E，只能改变只能改变 或或 n。(2)若忽略绕组中
8、的电阻若忽略绕组中的电阻Ra，则则 ， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变比，通过改变 可调速。可调速。132.4 电磁转矩电磁转矩KT：与线圈的结构有关的常数与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）（与线圈大小，磁极的对数等有关） ：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流电枢绕组中的电流一、电磁转矩一、电磁转矩单位：单位： （韦伯），（韦伯），Ia（安培），安培），T（牛顿牛顿 米）米）由转矩公式可知：由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。产生转矩的条件：必须有励磁
9、磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。改变磁通的方向。14二、二、 转矩平衡关系转矩平衡关系电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL： 负载转矩负载转矩T0 ：空载转矩空载转矩 转矩平衡过程：转矩平衡过程：当负载转矩（当负载转矩（TL）发生变化时，发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。转矩自动调整，以实现新
10、的平衡。15例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=TL+ T0(平衡平衡)，这时，这时，若若TL突然增加，则调整过程为：突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入入 TL n E Ia T 最后达到新的平衡点。最后达到新的平衡点。16电机的电机的电磁转矩电磁转矩和和转速转速间的关系间的关系 以以他励他励和和串励串励电机为例说明。电机为例说明。他励他励电动机和电动机和并励并励电动机的特性一样。电动机的特性一样。2.5 机械特性机械特性一、一、 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性即：即：其中其中，M他励他励UfIfIaU
11、17n0： 理想空载转速理想空载转速, ,即即T=0时的转速。（实际工作时的转速。（实际工作时时, ,由于有空载损耗，电机的由于有空载损耗，电机的T不会为不会为0 0。）。）当当 T 时时n ，但由于他励电动机的电枢电阻但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，很小，所以在负载变化时，所以在负载变化时， 转速转速 n 的变化不大的变化不大，属硬机械，属硬机械特性。特性。根据根据 n-T 公式公式画出特性曲线画出特性曲线n0nNTNTn n其中其中，18串励的特点：串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、二、 串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性设磁
12、通和电流成正比，即设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则则据此公式做出据此公式做出 T-n 曲线曲线nTM串励串励UIa19(1) (1) T=0时，在理想情况下，时，在理想情况下，n。但但实际上负实际上负 载转矩不会为载转矩不会为 0 0，不会工作在，不会工作在 T=0 的状态，的状态， 但空载时但空载时 T 很小，很小，n 很高。串励不允许空载很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。运行，以防转速过高。串励特性：串励特性：(2) (2) 随转矩的增大，随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属下降得很快，这种特性属 软机械特性。软机械特性。nT20(2) (2) 恒功率负载恒功率负载（P
13、 一定时，一定时，T 和和 n 成反比），成反比）， 要选要选软特性软特性电机拖动。如：电气机车等。电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择直流电动机特性类型的选择: :(1) (1) 恒转矩恒转矩的生产机械的生产机械( (负载转矩负载转矩TL不随转速而变不随转速而变要要选选硬特性硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。的电动机，如：金属加工、起重机械等。TLTnnT212.6 直流电动机的调速直流电动机的调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。
14、（1 1）调速均匀平滑，可以无级调速。）调速均匀平滑，可以无级调速。（2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 200 （他励式）以上（他励式）以上 （调速比等于最大转速和最小转速之比）。（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：直流电动机调速的主要优点是：22 可知，可知，n 和和 有关，在有关，在 U 一定的情况下，改一定的情况下，改变变 可改变可改变 n 。在励磁回路中串上电阻在励磁回路中串上电阻Rf，改变改变Rf大小调节励磁电流，从而改变大小调节励磁电流，从而改变 的大小。的大小。一、改变磁通（调磁）一、改变磁通（调磁）1.原理原理其中其中，
15、M他励他励UfIfIaU其中：其中： =K If以以他励电动机他励电动机为例说明直为例说明直流电动机的调速方法。流电动机的调速方法。23 Rf If n ，但在额定情况下，但在额定情况下， 已接已接 近饱和，近饱和，If 再加大，对再加大，对 影响不大，所以这种增加影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。磁通的办法一般不用。 Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方减弱磁通是常用的调速方 法。法。If的调节有两种情况：的调节有两种情况：概念：概念：改变磁通调速的方法改变磁通调速的方法 减小磁通，减小磁通，n只能上调。只能上调。其中其中，M他励他励UfIfIaU其中：其中： =K If242
16、.2.特性的变化特性的变化所以：磁通减小以后所以：磁通减小以后特性上移特性上移，而且，而且斜率增加斜率增加。？。？，因为：因为：（ 减减小小）TLRf增增加加Tn 其中其中，25调速过程调速过程: : U一定一定, ,则则Rf E E Ia T n Ia E 暂时暂时T TL其中其中，最后达到新的平衡最后达到新的平衡T =TL其中：其中： =K If26（1 1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调， 受机械本身强度所限，受机械本身强度所限，n不能太高。不能太高。（2 2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小
17、得多）， 调节控制方便。调节控制方便。3.减小减小 调速的特点：调速的特点：272829二、改变电枢电压调速二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：由转速特性方程知：调电枢电压调电枢电压U，n0变化，斜率不变，变化，斜率不变，所以调速特性是一所以调速特性是一组平行曲线。组平行曲线。1.特性曲线特性曲线nn0n0n0电电压压降降低低T其中其中，302.2.改变电枢电压调速的特点改变电枢电压调速的特点（1 1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过过UN，而而 n U，所以调速只能向下调所以调速只能向下调。（2 2）可得到平滑、无级调速。可得到平滑、无
18、级调速。（3 3）调速幅度较大。）调速幅度较大。MUfIfIaU变变压压整整流流220V整整流流调调压压220VUf=110V固定固定U=0110V可调可调改变电枢电压调速方案举例：改变电枢电压调速方案举例：31例：例：已知已知他励电动机他励电动机的的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：求：（1）TL=0.5TN 时时, n=? （2） =0.8 N 时时, n=? 解：（解：（1） TL=0.5TN 时时32（2） =0.8 N 时时33这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串
19、励电机也可用类似的方法调速。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，在电枢中串入电阻，使使 n 、 n0不变，即不变，即电机的特性曲线变陡电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相（斜率变大），在相同力矩下，同力矩下，n nn0RaRa + RT其中其中，342.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值限制限制Iast的措施：的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。）启动时降低电枢电压。一、使用一、使用1.启动启动启动时启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则若加入额定电压，则Iast
20、太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般向器。一般Iast限制在限制在 (2-2.5)IaN 内。内。35(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产
21、生以下事故：路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：注意：36（2）如果电动机在）如果电动机在有载有载运行时运行时磁路突然断开磁路突然断开， 则则 ,则则E ，Ia ，T ，可能不满可能不满 足足TL的要求，电动机必将减速或停转，使的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。更大，也很危险。（3）如果电机）如果电机空载空载运行，可能造成飞车。运行，可能造成飞车。 E Ia T T0 n 飞车飞车M他励他励UfIfIaU其中：其中： =K If37措施：措施：他励直流电动机一定要有他励直流电动机一定要有失磁保护失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠一般在励磁绕组加失压继电器或欠流
22、继电器。当失压或欠流时，自动流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源切断电枢电源U U。M他励他励UfIfIaU382.2.反转反转电动机的转动方向由电动机的转动方向由电磁力矩的方向电磁力矩的方向确定。确定。（1 1）改变）改变励磁电流励磁电流的方向。的方向。（2 2）或改变）或改变电枢电流电枢电流的方向。的方向。改变直流电机转向的方法：改变直流电机转向的方法：39（1 1）反接制动）反接制动3.3.制动制动制动所采用的方法：制动所采用的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+R运行运行制动制动电阻电阻 R 的作用的作用是限制电源反是限制电源反接
23、制动时电枢接制动时电枢的电流过大。的电流过大。40（2 2）能耗制动）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+R运行运行制动制动K停车时，电枢从停车时，电枢从电源断开电源断开,接到电接到电阻上，这时：由阻上，这时：由于惯性电枢仍保于惯性电枢仍保持原方向运动，持原方向运动，感应电动势方向感应电动势方向也不变，电动机也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。41特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，特殊情况下，例如汽车下坡
24、时、吊车重物下降时， 在重力的作用下在重力的作用下 n n0（ n0理想空载转速），这理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。而限制电机转速过分升高。(3) (3) 发电回馈制动发电回馈制动其中其中，42直流电机有四个出线端，直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组电枢绕组、励磁绕组各两个各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。区别。4.4.连接连接（1）绕组的阻值范围）绕组的阻值范围 电枢绕组电枢绕组的阻值在的阻值在零点几欧姆到零点几欧姆到12欧姆欧姆。 他励他励/并
25、励电机的励磁绕组并励电机的励磁绕组的阻值有的阻值有几百欧姆几百欧姆。 串励电机的励磁绕组串励电机的励磁绕组的阻值的阻值与电枢绕组的相当与电枢绕组的相当。自学自学43（2）绕组的符号）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组电枢绕组他励绕组他励绕组并励绕组并励绕组串励绕组串励绕组换向极绕组换向极绕组补偿绕组补偿绕组启动绕组启动绕组始端始端绕组名称绕组名称末端末端44直流电机的铭牌数据额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是
26、指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流45 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂编号等。 电机运行时，电机运行时，所有物理量与额定值相同所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流电机的运行电流小于额定电流欠载运行；欠载运行；运行电流大于额定电流运行电流大于额定电流过载运行。过载运行。 长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。此时电机的运行效率、工作性能等比较好。46
