1、电机与控制第一章第一章 直流电动机直流电动机 第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类 第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 第四节第四节 其他类型的直流电动机其他类型的直流电动机 第五节第五节 直流电动机常见故障的检修直流电动机常见故障的检修返回第一章第一章 直流电动机直流电动机 本章概述本章概述 直流电动机使用直流电源，与交流异步电动机直流电动机使用直流电源，与交流异步电动机相比，直流电动机具有更好的启动和运行性能，相比，直流电动机具有更好的启动和运行性能，因此直流电动机应用
2、在要求携带方便、在特殊因此直流电动机应用在要求携带方便、在特殊场合使用或对电动机的性能要求较高的日用电场合使用或对电动机的性能要求较高的日用电器中，例如电子音像设备、办公设备、清洁、器中，例如电子音像设备、办公设备、清洁、美容保健、医疗用的器械、仪器仪表、电动玩美容保健、医疗用的器械、仪器仪表、电动玩具等。具等。教学目标教学目标 1.了解直流电动机的结构和分类了解直流电动机的结构和分类;2.掌握直流电动机的基本原理与结构掌握直流电动机的基本原理与结构;3.掌握直流电动机的常见故障及检修。掌握直流电动机的常见故障及检修。返回第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类 一、直流电动
3、机的基本结构一、直流电动机的基本结构 直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件构件(端盖、轴承等端盖、轴承等)三大部分所组成。三大部分所组成。图图1-1是是一台电磁式直流电动机的结构示意图。一台电磁式直流电动机的结构示意图。1.定子定子 定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分。盖和电刷装置等几个部分。(1)主磁极主磁极的作用是产生主磁场，由主磁主磁极主磁极的作用是产生主磁场，由主磁极铁芯和主磁极绕组两部分组成，主磁极安装极铁芯和主磁极绕组两部分组成，主磁极安装在机座上。直流电动机的机座也
4、是磁路的一个在机座上。直流电动机的机座也是磁路的一个构成部分，因此由铁磁性材料制成。日用电器构成部分，因此由铁磁性材料制成。日用电器使用的直流电动机多为永磁式直流电动机，其使用的直流电动机多为永磁式直流电动机，其主磁极用永久磁铁制成。主磁极用永久磁铁制成。下一页返回第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类(2)换向磁极直流电动机的换向是一个比较复杂换向磁极直流电动机的换向是一个比较复杂的过程。在换向时，会在电刷与换向器的接触的过程。在换向时，会在电刷与换向器的接触面上产生火花，不利于电动机的运行，因此一面上产生火花，不利于电动机的运行，因此一般的直流电动机上都装有换向磁极来减
5、小火花，般的直流电动机上都装有换向磁极来减小火花，以改善电动机的换向性能。换向磁极也由铁芯以改善电动机的换向性能。换向磁极也由铁芯和绕组构成，安装在两个相邻的主磁极间的中和绕组构成，安装在两个相邻的主磁极间的中性线上性线上(如图如图1-1(b)所示所示)。换向磁极的绕组一般。换向磁极的绕组一般与电枢绕组串联。在日用电器中使用的永磁式与电枢绕组串联。在日用电器中使用的永磁式直流电动机的功率较小，由于结构限制一般不直流电动机的功率较小，由于结构限制一般不装换向磁极。装换向磁极。(3)端盖和电刷装置在前、后端盖内装有轴承，端盖和电刷装置在前、后端盖内装有轴承，用以支撑电枢。后端盖上还固定有电刷装置。
6、用以支撑电枢。后端盖上还固定有电刷装置。上一页 下一页返回第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座、弹簧电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座、弹簧等组成，电刷等组成，电刷(碳刷碳刷)放在刷握内，由弹簧对电刷放在刷握内，由弹簧对电刷产生径向压力以和换向器保持紧密接触。刷握产生径向压力以和换向器保持紧密接触。刷握固定在刷杆上，刷杆则固定在刷杆座上，从而固定在刷杆上，刷杆则固定在刷杆座上，从而构成一个部件整体构成一个部件整体(如如图图1-1(a)所示所示)。2.转子转子(电枢电枢)根据对直流电动机运转原理的分析，可见转子根据对直流电动机运转原理的分
7、析，可见转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，所以又称是直流电动机实现能量转换的枢纽，所以又称之为之为“电枢电枢”。电枢包括电枢铁芯、电枢绕组。电枢包括电枢铁芯、电枢绕组及换向器。及换向器。(1)电枢铁芯和电枢绕组电枢绕组由嵌放在电枢电枢铁芯和电枢绕组电枢绕组由嵌放在电枢铁芯槽内的线圈按一定规律连接而成，线圈嵌铁芯槽内的线圈按一定规律连接而成，线圈嵌入铁芯槽后用槽楔压紧。铁芯槽有直槽和斜槽入铁芯槽后用槽楔压紧。铁芯槽有直槽和斜槽之分。之分。上一页 下一页返回第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类(2)换向器换向器也是直流电动机的一个关键部换向器换向器也是直流电动机的一个关键部
8、件，电枢绕组的线头接到换向器的铜片上，换件，电枢绕组的线头接到换向器的铜片上，换向器与电刷保持滑动接触，使电枢电路与外电向器与电刷保持滑动接触，使电枢电路与外电路保持接通，并将外电路的直流电流转换成电路保持接通，并将外电路的直流电流转换成电枢电路的交流电流。换向器由铜片和云母片一枢电路的交流电流。换向器由铜片和云母片一片隔一片均匀地排列成圆形，再经过压装而成。片隔一片均匀地排列成圆形，再经过压装而成。二、直流电动机的分类二、直流电动机的分类 根据定子磁场的不同，直流电动机主要可分为根据定子磁场的不同，直流电动机主要可分为永磁式和励磁永磁式和励磁(电磁电磁)式两大类，永磁式可分为有式两大类，永磁
9、式可分为有(电电)刷和无刷和无(电电)刷两类，而励磁式根据励磁绕组刷两类，而励磁式根据励磁绕组通电方式的不同，又可分成串励、并励、复励通电方式的不同，又可分成串励、并励、复励和他励四类。和他励四类。上一页 下一页返回第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类 在四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动在四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组各由独立的电源供电，机的励磁绕组与电枢绕组各由独立的电源供电，而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组共用一个电源，所以又统称为共用一个电源，所以又统称为“自励式自励式”。上一页 下
10、一页返回第一节第一节 直流电动机的结构和分类直流电动机的结构和分类 其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组，一组与电枢绕组串联，一组与电枢绕组并组，一组与电枢绕组串联，一组与电枢绕组并联联;如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，则如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，则称为积复励称为积复励;如果两个绕组所产生的磁通方向相如果两个绕组所产生的磁通方向相反，则称为差复励。励磁式直流电动机的绕组反，则称为差复励。励磁式直流电动机的绕组连接方式如连接方式如图图1-2所示。所示。上一页
11、返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 直流电机是根据导体切割磁力线产生感应电动直流电机是根据导体切割磁力线产生感应电动势和载流导体在磁场中受电磁力的作用这两条势和载流导体在磁场中受电磁力的作用这两条基本原理制造的。因此，从结构上看，任何电基本原理制造的。因此，从结构上看，任何电机都包括磁路和电路两部分机都包括磁路和电路两部分;从原理上讲，任何从原理上讲，任何电机都体现了电和磁的相互作用。电机都体现了电和磁的相互作用。一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理 1.直流发电机工作原理直流发电机工作原理 两极直流发电机原理如两极直流发电机原理如图图1-3所示。图中所
12、示。图中N,S是是一对在空间固定不动的磁极，磁极可以由永久一对在空间固定不动的磁极，磁极可以由永久磁铁制成，也可以在磁极铁芯上绕以通有直流磁铁制成，也可以在磁极铁芯上绕以通有直流电流的励磁绕组来产生电流的励磁绕组来产生N,S极。在极。在N、S磁极之磁极之间装有铁磁性物质构成的圆柱体，圆柱体外表间装有铁磁性物质构成的圆柱体，圆柱体外表面开槽并在其中嵌放线圈面开槽并在其中嵌放线圈abcd，整个圆柱体可，整个圆柱体可在磁极内部旋转，能够转动的部分称为转子或在磁极内部旋转，能够转动的部分称为转子或电枢。电枢。下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 电枢线圈电枢线圈ab
13、cd的两端分别与固定在轴上相互绝的两端分别与固定在轴上相互绝缘的两个半圆铜环缘的两个半圆铜环(换向片换向片)相连接，构成了简单相连接，构成了简单的换向器。换向器通过静止不动的电刷的换向器。换向器通过静止不动的电刷A和和B，将电枢线圈与外电路相接。将电枢线圈与外电路相接。电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向旋转。当线圈有效边旋转。当线圈有效边ab和和cd切割磁力线时，便切割磁力线时，便在其中产生感应电动势，其方向用右手定则确在其中产生感应电动势，其方向用右手定则确定。如定。如图图1-3所示瞬间，导体所示瞬间，导体ab中的电动势方向中的电动势方向由由b指
14、向指向a，导体，导体cd中的电动势则由中的电动势则由d指向。，指向。，从整个线圈来看，电动势的方向为从整个线圈来看，电动势的方向为d指向指向c通过通过端部连接线端部连接线cb,再由再由b指向指向a。因此外电路中的因此外电路中的电流自换向片电流自换向片1流至电刷流至电刷A，然后经过负载流至，然后经过负载流至电刷电刷B和换向片和换向片2，进入线圈。，进入线圈。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 此时，电流流出线圈处的电刷此时，电流流出线圈处的电刷A为正电位，用为正电位，用“+”表示表示;而电流流入线圈处的电刷而电流流入线圈处的电刷B则为负电则为负电位，
15、用位，用“-”表示。也就是电刷表示。也就是电刷A相当于电源的正相当于电源的正极，电刷极，电刷B相当于电源的负极。相当于电源的负极。电枢旋转电枢旋转1800后，导体后，导体ab和和cd以及换向片以及换向片1和和2的位置同时互换，电刷的位置同时互换，电刷A通过换向片通过换向片2与导体与导体cd相连接，此时由于导体相连接，此时由于导体cd取代了原来取代了原来ab转到转到N极下，所以电刷极下，所以电刷A的极性仍然为正的极性仍然为正;同时电刷同时电刷B通通过换向片过换向片1与导体与导体ab相连接，而导体相连接，而导体ab此时已此时已转到转到S极下，因此，电刷极下，因此，电刷B的极性仍然为负。可的极性仍然
16、为负。可见，通过换向器和电刷，能够及时地改变线圈见，通过换向器和电刷，能够及时地改变线圈与外电路的连接，可以使线圈产生的交变电动与外电路的连接，可以使线圈产生的交变电动势变为电刷两端方向恒定的电动势，保持外电势变为电刷两端方向恒定的电动势，保持外电路的电流按一定方向流动。路的电流按一定方向流动。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 由电磁感应定律由电磁感应定律(e=Blv)，线圈感应电动势，线圈感应电动势e的的波形与气隙磁感应强度波形与气隙磁感应强度B的波形相同，即线圈感的波形相同，即线圈感应电动势。随时间变化的规律与气隙磁感应强应电动势。随时间变化
17、的规律与气隙磁感应强度度B沿空间的分布不同。在直流电机中，磁极下沿空间的分布不同。在直流电机中，磁极下气隙磁感应强度按梯形波分布，如气隙磁感应强度按梯形波分布，如图图1-4所示。所示。因此，通过电刷和换向器的作用，电刷两端所因此，通过电刷和换向器的作用，电刷两端所得到的电动势的方向是恒定的，但大小却在零得到的电动势的方向是恒定的，但大小却在零与最大值之间脉动，如与最大值之间脉动，如图图1-5所示。由于线圈只所示。由于线圈只有一匝，产生的电动势很小。如果在直流电机有一匝，产生的电动势很小。如果在直流电机电枢上均匀分布很多线圈，并相应增多换向片电枢上均匀分布很多线圈，并相应增多换向片的数目，使每个
18、线圈两端均分别接至换向片上，的数目，使每个线圈两端均分别接至换向片上，这样，电刷两端总的电动势脉动值将显著减小，这样，电刷两端总的电动势脉动值将显著减小，如如图图1-6所示，同时其值也大为增加。由于直流所示，同时其值也大为增加。由于直流电机中线圈、换向片数目很多，因此，可以认电机中线圈、换向片数目很多，因此，可以认为电刷两端的电动势是恒定的直流电动势。为电刷两端的电动势是恒定的直流电动势。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 2.直流电动机工作原理直流电动机工作原理 图图1-7所示为直流电动机原理图。直流电动机基所示为直流电动机原理图。直流电动机基本
19、结构与发电机完全相同，只是将直流电源接本结构与发电机完全相同，只是将直流电源接至电刷两端。当电刷至电刷两端。当电刷A接至电源的正极，电刷接至电源的正极，电刷B接至负极，电流将从电源正极流出，经过电刷接至负极，电流将从电源正极流出，经过电刷A、换向片换向片1、线圈、线圈abcd到换向片到换向片2和电刷和电刷B，最后，最后回到负极。根据电磁力定律，载流导回到负极。根据电磁力定律，载流导 体在磁场中受电磁力的作用，力的方向由左手体在磁场中受电磁力的作用，力的方向由左手定则确定。如定则确定。如图图1-7所示导体所示导体ab所受电磁力方向所受电磁力方向向左，而导体向左，而导体cd所受电磁力的方向向右，这
20、样所受电磁力的方向向右，这样就产生了一个转矩。在此转矩的作用下，电枢就产生了一个转矩。在此转矩的作用下，电枢便按逆时针方向旋转起来。当电枢从便按逆时针方向旋转起来。当电枢从图图1-7所示所示的位置转过的位置转过900时，电刷不与换向片接触时，电刷不与换向片接触 而与换向片间的绝缘物接触，这时线圈中电流而与换向片间的绝缘物接触，这时线圈中电流为零，因而电枢旋转的转矩消失。为零，因而电枢旋转的转矩消失。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 由于机械惯性，电枢仍能转过一个角度，使电由于机械惯性，电枢仍能转过一个角度，使电刷刷A,B分别与换向片分别与换向片2
21、,1接触，于是线圈中又有接触，于是线圈中又有电流流过。此时电流从正极流出，经过电刷电流流过。此时电流从正极流出，经过电刷A、换向片换向片2、线圈到换向片、线圈到换向片1和电刷和电刷B，最后回到，最后回到电源负极，此时导体电源负极，此时导体ab中的电流改变了方向，中的电流改变了方向，同时导体同时导体ab已由已由N极下转到极下转到S极下，其所受电磁极下，其所受电磁力方向向右。同时，处于力方向向右。同时，处于N极下的导体极下的导体cd所受所受的电磁力方向向左。因此，在转矩的作用下，的电磁力方向向左。因此，在转矩的作用下，电枢继续沿着逆时针方向旋转。因此电枢便一电枢继续沿着逆时针方向旋转。因此电枢便一
22、直旋转下去，这就是直流电动机的基本原理。直旋转下去，这就是直流电动机的基本原理。由上可知，直流电动机电刷位置固定，直流电由上可知，直流电动机电刷位置固定，直流电流经电刷和换向片接入处于流经电刷和换向片接入处于N极极(或或S极极)下的线下的线圈，而不是恒接入某个线圈，所以产生的转矩圈，而不是恒接入某个线圈，所以产生的转矩是脉动的。如果每极换向片数增至是脉动的。如果每极换向片数增至8片以上片以上(相相应也增加线圈数应也增加线圈数)，就可得到几乎不变的转矩。，就可得到几乎不变的转矩。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 直流电机可作发电机运行，也可作电动机
23、运行，直流电机可作发电机运行，也可作电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。如果原动机拖动这就是直流电机的可逆原理。如果原动机拖动电枢旋转，通过电磁感应，将机械能转换为电电枢旋转，通过电磁感应，将机械能转换为电能供给负载，这就是发电机能供给负载，这就是发电机;如果由外部电源供如果由外部电源供给电机，由于载流导体在磁场中受到电磁力的给电机，由于载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩拖动负载转动，又成为直作用，产生电磁转矩拖动负载转动，又成为直流电动机。流电动机。二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程 1.电磁转矩电磁转矩 和交流电动机一样，直流电动机的
24、电磁转矩也和交流电动机一样，直流电动机的电磁转矩也是载流的转子导体在磁场中受电磁力作用而产是载流的转子导体在磁场中受电磁力作用而产生的，所以电磁转矩生的，所以电磁转矩T与磁通与磁通及电枢电流及电枢电流Ia成成正比。正比。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 即即 式中式中CT为与电机结构有关的转矩常数。为与电机结构有关的转矩常数。2.电枢电动势电枢电动势 当直流电动机转动时，电枢绕组因切割磁感应当直流电动机转动时，电枢绕组因切割磁感应线而产生的感应电动势称为电枢电动势，电枢线而产生的感应电动势称为电枢电动势，电枢电动势也与磁通电动势也与磁通成正比，而
25、且还与导体切割成正比，而且还与导体切割磁感应线的速度磁感应线的速度(即电动机的转速即电动机的转速n)成正比，即成正比，即 式中式中Ce为电动势常数，也是取决于电机的结构。为电动势常数，也是取决于电机的结构。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 3.电枢回路的电压平衡方程式电枢回路的电压平衡方程式 由直流电动机的电枢回路由直流电动机的电枢回路(如如图图1-8所示所示)，可列，可列出电枢回路的电压平衡方程式出电枢回路的电压平衡方程式 或或 式中的式中的U为电源电压，为电源电压，Ra为电枢回路的电阻，通为电枢回路的电阻，通常常Ra很小，所以很小，所以E与与
26、U很接近，由图可见很接近，由图可见E为反为反电动势，即与外加电压的方向相反。电动势，即与外加电压的方向相反。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 例例1-1 一台直流电动机在正常运行时外加直流电一台直流电动机在正常运行时外加直流电源电压为源电压为220V，电枢电流为，电枢电流为10 A，电枢电阻为，电枢电阻为0.5，试求反电动势。，试求反电动势。解解:E=U-Ra Ia=(220-0.5 x10)V=215 V 三、直流电动机的机械特性三、直流电动机的机械特性 1.他励他励(并励并励)式电动机的机械特性式电动机的机械特性 直流电动机的机械特性也是指其
27、转矩直流电动机的机械特性也是指其转矩T与转速与转速n之间的关系。在他励之间的关系。在他励(或并励或并励)式直流电动机中，式直流电动机中，如果励磁电压不变，磁通如果励磁电压不变，磁通也就恒定不变。由也就恒定不变。由式式(1-1),(1-2),(1-3)可推出可推出上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 将式将式(1-5)所示的所示的T-n关系用曲线画出，就是直关系用曲线画出，就是直流电动机的机械特性曲线，如图流电动机的机械特性曲线，如图1-9所示。所示。由式由式(1-5)中的第一项中的第一项n0:若若T=0，则，则n=U/(Ce)=n0。n0为曲线与纵坐
28、标轴的交点，为曲线与纵坐标轴的交点，称为称为“理想空载转速理想空载转速”，当，当U,不变时，不变时，n0为为一定值。一定值。由式由式(1-5)中的第二项中的第二项n:因磁通少恒定，因磁通少恒定，C e、CT为常数，为常数，Ra为电枢回路的电阻，也基本为一为电枢回路的电阻，也基本为一定值，所以定值，所以Ra/(C e CT 2)可视为常数，转速降可视为常数，转速降nT,T-n之间为线性关系，由之间为线性关系，由图图1-9可见直流可见直流电动机的机械特性曲线为一条略为下垂的直线。电动机的机械特性曲线为一条略为下垂的直线。这是因为这是因为R。很小，所以。很小，所以n也很小，随着转矩也很小，随着转矩T
29、的增加而转速的增加而转速n略有下降。略有下降。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 一般从空载到满载，电动机的转速降一般从空载到满载，电动机的转速降n仅为额仅为额定转速的定转速的5%10%。由此可见，。由此可见，(他励、并励式他励、并励式)直流电动机具有较直流电动机具有较“硬硬”的机械特性，因而被的机械特性，因而被广泛应用于要求转速较稳定且调速范围较大的广泛应用于要求转速较稳定且调速范围较大的场合。场合。综合式综合式(1-1)式式(1-5)所反映的直流电动机内部各所反映的直流电动机内部各物理量之间的关系，可分析直流电动机在运行物理量之间的关系，可分析
30、直流电动机在运行时内部各物理量的调节和能量平衡的关系。时内部各物理量的调节和能量平衡的关系。(1)当电动机稳定运行时当电动机稳定运行时上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 设此时工作点为设此时工作点为(如如图图1-9所示所示)机械特性曲线上机械特性曲线上的的a点。点。(2)当电动机的负载变化时当电动机的负载变化时(以负载增加造成转速以负载增加造成转速下降为例下降为例)电动机内部的自动调节过程为电动机内部的自动调节过程为 调节后电动机的工作点为调节后电动机的工作点为(如如图图1-9所示所示)机械特机械特性曲线的性曲线的b点。点。由以上分析可见，直流电动
31、机的反电动势由以上分析可见，直流电动机的反电动势E(式式(1-2)的作用是的作用是:当电动机的机械负载变化时，通当电动机的机械负载变化时，通过过E的变化反映到电枢电路，引起电流的变化。的变化反映到电枢电路，引起电流的变化。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 当电动机转轴上输出的机械功率增加时，电动当电动机转轴上输出的机械功率增加时，电动机电枢电路输入的电功率也要相应增加，以实机电枢电路输入的电功率也要相应增加，以实现能量的平衡。电动机的工作磁场是实现机一现能量的平衡。电动机的工作磁场是实现机一电能量转换的电能量转换的“媒介媒介”，而电枢反电动势，而
32、电枢反电动势E可视可视为实现这一转换的标志。为实现这一转换的标志。永磁式直流电动机的主磁极用永久磁铁制成，永磁式直流电动机的主磁极用永久磁铁制成，其磁场基本恒定，因此永磁式直流电动机的机其磁场基本恒定，因此永磁式直流电动机的机械特性和他励械特性和他励(并励并励)式直流电动机的机械特性基式直流电动机的机械特性基本一致。本一致。在此需要指出的是在此需要指出的是:他励或并励式直流电动机在他励或并励式直流电动机在运行时，切不可断开其励磁绕组，否则励磁电运行时，切不可断开其励磁绕组，否则励磁电流为零，铁芯中仅剩微弱的剩磁，因磁通流为零，铁芯中仅剩微弱的剩磁，因磁通小，小，反电动势反电动势E也很小，在电源
33、电压也很小，在电源电压U一定时，电枢一定时，电枢电流电流iE=(U-E)/Ra将骤升，转矩将骤升，转矩T也因也因ia的升高而的升高而急剧上升，以致超过安全限度，这种急剧上升，以致超过安全限度，这种 现象称之为现象称之为“飞车飞车”，是很危险的。，是很危险的。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 飞车现象在电动机空载或轻载运行时更容易发飞车现象在电动机空载或轻载运行时更容易发生，而在满载运行时则出现另一种可能生，而在满载运行时则出现另一种可能:因磁通因磁通少减少的程度大于少减少的程度大于ia增加的程度，从而使转矩增加的程度，从而使转矩T反而减小，造成电
34、动机堵转反而减小，造成电动机堵转(所谓所谓“堵转堵转”，是，是指电动机带负载时，若电动机的动力转矩小于指电动机带负载时，若电动机的动力转矩小于负载转矩，导致电动机转动不起来，转速为零负载转矩，导致电动机转动不起来，转速为零)。堵转时因，堵转时因，n=0,E=0，堵转电流，堵转电流ia=U/Ra同样同样很大。无论哪一种情况，都会造成电动机严重很大。无论哪一种情况，都会造成电动机严重损坏甚至引起严重的事故。所以励磁式直流电损坏甚至引起严重的事故。所以励磁式直流电动机一般设有失磁保护，当电动机的工作磁场动机一般设有失磁保护，当电动机的工作磁场消失时能自动切断电源使电动机自动停机。当消失时能自动切断电
35、源使电动机自动停机。当然永磁式直流电动机一般没有这个问题。然永磁式直流电动机一般没有这个问题。2.串励式电动机的机械特性串励式电动机的机械特性 串励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，串励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流就是电枢电流，其特点是工作磁通励磁电流就是电枢电流，其特点是工作磁通随负载变化。随负载变化。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 当负载增加时，电流增加，若磁路未饱和，可当负载增加时，电流增加，若磁路未饱和，可认为磁通少与电枢电流成正比，则电磁转矩大认为磁通少与电枢电流成正比，则电磁转矩大大增大增(因因 )，转，转速速
36、n随之显著下降随之显著下降;反之若负载减小，电流减小，反之若负载减小，电流减小，磁场减弱，转矩下降，转速却急剧上升。可见磁场减弱，转矩下降，转速却急剧上升。可见串励式直流电动机具有软的机械特性，由串励式直流电动机具有软的机械特性，由图图1-10可见，电动机空载时转速很高，满载时转速可见，电动机空载时转速很高，满载时转速很低。这种机械特性对电动工具很适用。串励很低。这种机械特性对电动工具很适用。串励式直流电动机适用于负载经常变化而对转速不式直流电动机适用于负载经常变化而对转速不要求稳定的场合，当负载增加时，转速将自动要求稳定的场合，当负载增加时，转速将自动降低，而其输出功率却变化不大。降低，而其
37、输出功率却变化不大。因串励式直流电动机的电磁转矩与电枢电流的因串励式直流电动机的电磁转矩与电枢电流的平方成正比，因此当转矩增加很多时，电流却平方成正比，因此当转矩增加很多时，电流却增加不多，所以串励式直流电动机具有较强的增加不多，所以串励式直流电动机具有较强的过载能力。过载能力。上一页 下一页返回第二节第二节 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 但是在轻载时转速将很高，空载时将出现但是在轻载时转速将很高，空载时将出现“飞飞车车”，因此绝不允许空载或轻载运行，在启动，因此绝不允许空载或轻载运行，在启动时至少要带上时至少要带上20%30%的额定负载。此外，还的额定负载。此外，还规定这
38、种电动机与负载之间只能是齿轮或联轴规定这种电动机与负载之间只能是齿轮或联轴器传动，而不能用皮带传动，以防皮带滑脱而器传动，而不能用皮带传动，以防皮带滑脱而造成造成“飞车飞车”事故。事故。至于复励式直流电动机的机械特性，则介于上至于复励式直流电动机的机械特性，则介于上述两种电动机的机械特性之间，适用于启动转，述两种电动机的机械特性之间，适用于启动转，矩较大而转速变化不大的负载。矩较大而转速变化不大的负载。上一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 一、直流电动机的启动一、直流电动机的启动 直流电动机从接通电源开始，转子转速由静止直流电动机从接通电源开始，转子
39、转速由静止升高到额定值的过程，称为启动过程。启动过升高到额定值的过程，称为启动过程。启动过程中，不但转速在变化，电流、转矩也在变化。程中，不但转速在变化，电流、转矩也在变化。直流电动机有全压启动、变阻器启动和降压启直流电动机有全压启动、变阻器启动和降压启动三种方法。动三种方法。1.全压启动全压启动 全压启动就是将电动机直接接到额定电压的电全压启动就是将电动机直接接到额定电压的电源上启动。如源上启动。如图图1-11所示的并励电动机全压启所示的并励电动机全压启动原理接线图，启动前先合励磁开关动原理接线图，启动前先合励磁开关S1，以建，以建立起磁场，然后合电枢开关立起磁场，然后合电枢开关S2进行启动
40、。进行启动。下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 全压启动过程中，电流全压启动过程中，电流ia和转速和转速n变化情况如变化情况如图图1-12所示。合闸后，电流所示。合闸后，电流i。很快上升，。很快上升，ist=U/R，产生启动转矩，产生启动转矩MQ。在启动转矩作用下，。在启动转矩作用下，电动机开始转动并产生反电动势电动机开始转动并产生反电动势-E，随着转速，随着转速n升高，升高，-E逐渐增大，电流逐渐增大，电流ia开始下降，电磁转矩开始下降，电磁转矩也开始下降，于是转速缓慢上升，直到转矩与也开始下降，于是转速缓慢上升，直到转矩与负载转矩相等时，转速才
41、稳定下来，启动过程负载转矩相等时，转速才稳定下来，启动过程结束。结束。全压启动的优点是不需要其他设备，操作简便。全压启动的优点是不需要其他设备，操作简便。缺点是启动电流大，启动转矩大，工作机械冲缺点是启动电流大，启动转矩大，工作机械冲击较大，对电网影响较大，只适用于小型电动击较大，对电网影响较大，只适用于小型电动机。机。2.变阻器启动变阻器启动上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 变阻器启动就是在启动时，将一组启动变阻器变阻器启动就是在启动时，将一组启动变阻器R串入电枢回路，以限制启动电流，待转速上升串入电枢回路，以限制启动电流，待转速上升以
42、后，再逐段将启动电阻切除，采取此法启动以后，再逐段将启动电阻切除，采取此法启动时的启动电流为时的启动电流为 只要只要RQT数值选择适当，就能将启动电流限制在数值选择适当，就能将启动电流限制在允许范围内，一般限制在额定电流的允许范围内，一般限制在额定电流的2.5倍左右。倍左右。变阻器启动广泛应用于各种中小型直流电动机变阻器启动广泛应用于各种中小型直流电动机中，其缺点是变阻器较笨重，启动过程中消耗中，其缺点是变阻器较笨重，启动过程中消耗很多电能。很多电能。3.降压启动降压启动 降压启动就是在启动时通过暂时降低电动机供降压启动就是在启动时通过暂时降低电动机供电电压的方法，来限制启动电流，降压启动要电
43、电压的方法，来限制启动电流，降压启动要有一套可变电压的直流电源。有一套可变电压的直流电源。上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 目前不少场合已经采用晶闸管电路作为直流电目前不少场合已经采用晶闸管电路作为直流电动机的可调电源。电枢回路不必串联启动变阻动机的可调电源。电枢回路不必串联启动变阻器，直接与可调电源连接，使电压从零升至额器，直接与可调电源连接，使电压从零升至额定值，完成启动过程。但要注意，对励磁绕组定值，完成启动过程。但要注意，对励磁绕组的电压一开始就要加到额定值，否则启动电流的电压一开始就要加到额定值，否则启动电流仍很大，启动转矩却很
44、小，以致不能启动。仍很大，启动转矩却很小，以致不能启动。例例1-2有一台并励直流电动机，它的额定输出功有一台并励直流电动机，它的额定输出功率为率为R2N=25 kW，额定电压，额定电压UN=110 V，额定，额定电流电流IN=263 A，额定转速，额定转速nN=1 000 r/min，电，电枢绕组的电阻枢绕组的电阻Ra=0.04。求。求:(1)直接启动时，直接启动时，启动电流大小启动电流大小;(2)若采用变阻器启动，将启动电若采用变阻器启动，将启动电流限制在额定电流的流限制在额定电流的2.5倍，应串联电阻的阻值倍，应串联电阻的阻值是多少是多少?上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、
45、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 解解(1)全压直接启动时全压直接启动时E2=0 故故(2)采用串电阻器启动采用串电阻器启动 二、直流电动机的反转二、直流电动机的反转 使用直流电动机的许多设备，常常要求电动机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，如龙门刨床工作台的往既能正转，又能反转，如龙门刨床工作台的往复运动，电车的前进和后退等。直流电动机的复运动，电车的前进和后退等。直流电动机的电磁转矩是由主磁通和电枢电流相互作用而产电磁转矩是由主磁通和电枢电流相互作用而产生的，任意改变二者之尸的方向，就可以改变生的，任意改变二者之尸的方向，就可以改变电磁转矩方向。电磁转矩方向
46、。上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 所以使直流电动机反转的方法有两种所以使直流电动机反转的方法有两种:保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，使通过励磁的电流方向改变。使通过励磁的电流方向改变。保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，使通过它的电流反向。使通过它的电流反向。如果两电流方向同时改变，则电动机旋转方向如果两电流方向同时改变，则电动机旋转方向不变。不变。由于并励电动机的励磁绕组匝数很多，电感比由于并励电动机的励磁绕组匝数很多，电感比较大，励磁
47、电流方向改变时，会在绕组中产生较大，励磁电流方向改变时，会在绕组中产生很大的自感电动势，在开关处产生火花，损坏很大的自感电动势，在开关处产生火花，损坏开关。实际上，一般都采用改变电枢电流方向开关。实际上，一般都采用改变电枢电流方向的办法来改变电动机的转向。的办法来改变电动机的转向。上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 三、直流电动机的调速三、直流电动机的调速 电动机在机械负载不变的情况下，改变电动机电动机在机械负载不变的情况下，改变电动机的转速叫做调速。如电车和电力机车的速度调的转速叫做调速。如电车和电力机车的速度调节需要改变电动机的转速。直
48、流电动机具有良节需要改变电动机的转速。直流电动机具有良好的调速性能，能在广泛的范围内平滑而经济好的调速性能，能在广泛的范围内平滑而经济的调速。的调速。调速方法可以由电动机的机械特性方调速方法可以由电动机的机械特性方程程 )看出，当转矩看出，当转矩M不变不变(即负载不变即负载不变)时，影响电动机转速的有电时，影响电动机转速的有电源电压、电枢电阻源电压、电枢电阻Ra和主磁通和主磁通三个因素，只三个因素，只要改变三个因素中的任意一个，电动机的转速要改变三个因素中的任意一个，电动机的转速就可以得到调整。就可以得到调整。上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和
49、调速 1.改变电枢回路的电阻调速改变电枢回路的电阻调速 对已经出厂的电动机，它的电枢电阻对已经出厂的电动机，它的电枢电阻Ra是一定是一定的，但是可以在电枢回路中串联一个可变电阻的，但是可以在电枢回路中串联一个可变电阻来调速。原理接线图如来调速。原理接线图如图图1-13所示，与电枢回所示，与电枢回路串联电阻器启动原理接线图相同。但有一点路串联电阻器启动原理接线图相同。但有一点要注意，调速变阻器可以作为启动变阻器用要注意，调速变阻器可以作为启动变阻器用;相相反，启动变阻器却不能作为调速变阻器用。原反，启动变阻器却不能作为调速变阻器用。原因是启动变阻器按短接时工作设计的，不能够因是启动变阻器按短接时
50、工作设计的，不能够长时间通电使用。根据并励和串励电动机的自长时间通电使用。根据并励和串励电动机的自然和人工特性曲线可知，当负载一定时，在电然和人工特性曲线可知，当负载一定时，在电枢回路串联电阻能使转速下降。但此法只能分枢回路串联电阻能使转速下降。但此法只能分挡将转速调低，是有级调速。如采取滑动变阻挡将转速调低，是有级调速。如采取滑动变阻器，可做到无级调速。器，可做到无级调速。上一页 下一页返回第三节第三节 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速 这种调速方法的特点是这种调速方法的特点是:电动机只能得到比自然机械特性更陡的机械特电动机只能得到比自然机械特性更陡的机械特性，即转速
