1、第五章第五章 直流电机直流电机51直流电机工作原理和结构特点直流电机工作原理和结构特点52直流电机励磁方式和运行特性直流电机励磁方式和运行特性53无刷直流电动机无刷直流电动机直流电机特点直流电机特点直流电机是实现机械能和直流电能互换的重要旋转机械。作为电动机时，他能将电能转换为机械能，调速设备简单调速性能良好，起动制动转矩大以及过载能力强等优点，被广泛应用于电车、轧钢机和起重设备中。作为发电机使用时，能将机械能转变为电能。直流发电机早期在船上作为主电源使用，在交流电制船舶上直流电动机在各类拖动装置中还有应用。直流电机和交流电机相比，其缺点是直流电压不能变换以及结构复杂，造价高和维修工作量大等。
2、5-1.直流电机工作原理和结构特点直流电机工作原理和结构特点 本节的主要内容有三部分本节的主要内容有三部分：l 工作原理工作原理：直流发电机工作原理，直流电动机工作原理，直流发电机工作原理，直流电动机工作原理，电枢绕组和电刷的正确位置。电枢绕组和电刷的正确位置。l 直流电机构造直流电机构造：定子主要部件，转子主要部件。定子主要部件，转子主要部件。l 直流电机额定值直流电机额定值：直流发电机工作原理直流发电机工作原理换向器在直流发电机中起到机械整流作用 电刷电刷A总是与处于正电位的换向片接触，总是与处于正电位的换向片接触，而电刷而电刷B总是与处于负电位的换向片接触。虽总是与处于负电位的换向片接触
3、。虽然然bc和和de感应的电势是交变的，但电刷感应的电势是交变的，但电刷AB两两端的电压却是直流的。端的电压却是直流的。实际直流电机的换向片较多，实际直流电机的换向片较多，电刷和换电刷和换向器配合起机械整流器的作用向器配合起机械整流器的作用。电刷和换向器配合：电刷和换向器配合：每个绕组元件每个绕组元件内部内部感应电势感应电势是交流的是交流的，但，一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和，因但，一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和，因此，此，电刷间的电势电刷间的电势为合成电势，是一个脉动的为合成电势，是一个脉动的直流电势直流电势。直流发电机工作原理直流发电机工作原理直流电动机工作原理
4、直流电动机工作原理直流电机电枢绕组和电刷的正确位置直流电机电枢绕组和电刷的正确位置为了获得平滑恒定的直流电动势和电磁转矩，直流电机的电枢绕组实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构一个闭合回路。电枢线圈越多，相邻线圈的分布间距越小则电枢间的电动势越高，越平滑恒定，电刷间的电动势等于任一支路各线圈电动势之和。直流电机电枢绕组和电刷的正确位置直流电机电枢绕组和电刷的正确位置根据获得支路最大电动势的原则来确定实际电刷的位置，在原理上等效于将电刷放在磁场几何中性线上。直流电机电枢绕组和电刷的正确位置直
5、流电机电枢绕组和电刷的正确位置电刷位置正确与否将影响：1.正负电刷间的电动势，从而影响发电机的电压和电动机的转速2.电刷是否产生火花直流电机电枢绕组和电刷的正确位置直流电机电枢绕组和电刷的正确位置直流电机的主磁场一般由主磁极的励磁绕组产生，空载时的磁场分布取决于磁路的情况。带负载时，电枢绕组中的电枢电流产生电枢磁势，电枢磁势的存在影响主磁场的分布和大小。为保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间设置了正确的装配标记。基本构造：定、转子基本构造：定、转子 。电刷、换向器作用：电刷、换向器作用：起机起机械整流器作用械整流器作用 。后续基本原理中。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷
6、两端进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）。直流）。直流电机构造直流电机构造结构结构细说细说 电枢绕组电枢绕组另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变（微小脉动）。的总电势大小基本不变（微小脉动）。主要铭牌数据主要铭牌数据铭牌数据：铭牌数据：额定容量、电压、电流、转速、励额定容量、电压、电流、转速、励磁（电压、电流）等。磁（电压、电流）等。额定容量：额定容量：都是指输出都是指输出。发电机：电枢绕组输出的电功率；发电机：电枢绕组输出的电功率；电动机：转子轴上输出的机械功率。电
7、动机：转子轴上输出的机械功率。额定励磁电流：额定励磁电流：额定负载时励磁绕组通过额定负载时励磁绕组通过的励磁电流。通常由励磁回路串联的变阻器调节。的励磁电流。通常由励磁回路串联的变阻器调节。通常还标明励磁电压通常还标明励磁电压以备采用与电枢电压以备采用与电枢电压不同等级时参考。不同等级时参考。励磁方式：励磁方式：他励、并他励、并励、串励和复励种。励、串励和复励种。2 2、直流电机励磁方式和运行特性、直流电机励磁方式和运行特性 直流电机励磁方式直流电机励磁方式对于发电机，分为自励和对于发电机，分为自励和他励，他励发电机励磁电他励，他励发电机励磁电流独立，自励发电机励磁流独立，自励发电机励磁电流是
8、由发电机的电枢电电流是由发电机的电枢电流提供，因而励磁电流受流提供，因而励磁电流受电枢电流和电压的影响。电枢电流和电压的影响。直流电机励磁方式直流电机励磁方式 直流电机基本理论直流电机基本理论感应电势感应电势电磁转矩电磁转矩功率关系功率关系直流发电机运行特性直流发电机运行特性条件：条件：I=0I=0，n=nn=nN N。特性：特性：E=fE=f（I If f）或或 U U0 0=f=f（I If f）实质：实质：磁化曲线。与磁化曲线。与同步发电机相似，也是电同步发电机相似，也是电机磁路的磁化曲线。机磁路的磁化曲线。实验测量时注意：实验测量时注意：也应该单方向调节励磁电流，否也应该单方向调节励磁
9、电流，否则磁滞的影响，将使结果出现偏差。则磁滞的影响，将使结果出现偏差。红色的曲线红色的曲线为空载特性为空载特性 空载特性空载特性过程：过程：发电机转动，依靠剩磁可产生很小的发电机转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁电流产生的磁通方向与剩磁磁通方微小励磁电流产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定
10、的数值上。如果磁通方向相稳定在一个确定的数值上。如果磁通方向相反，磁通反而被削弱，就不能自励起压。必反，磁通反而被削弱，就不能自励起压。必须将励磁绕组和电枢绕组的两个接线头互换须将励磁绕组和电枢绕组的两个接线头互换条件：条件：1.有剩磁有剩磁（若无，应可充磁）；（若无，应可充磁）；2.接线正确接线正确（励磁与剩磁同向）；（励磁与剩磁同向）；3.场阻线与空载特性有一个确定的场阻线与空载特性有一个确定的 交点交点（励磁电路电阻小于建压临界电阻）。（励磁电路电阻小于建压临界电阻）。自励发电机的建压条件自励发电机的建压条件uo=if Rf+Lf dif/dt外特性：外特性：是指保持额定转速不变和并励总
11、电阻不变的条件下，是指保持额定转速不变和并励总电阻不变的条件下，发电机端电压随负载电流的变化特性。发电机端电压随负载电流的变化特性。即即U=f(I)发电机端电压随负载电流变化的程度不仅取决于电枢内电阻发电机端电压随负载电流变化的程度不仅取决于电枢内电阻压降，而且与励磁方式有关。压降，而且与励磁方式有关。外特性外特性外特性：外特性：他励发电机的励磁他励发电机的励磁电流与电枢电流无关，电动电流与电枢电流无关，电动势基本保持不变，因此只有势基本保持不变，因此只有很小的电枢电阻引起端电压很小的电枢电阻引起端电压的下降。的下降。并励发电机电枢电阻将引起并励发电机电枢电阻将引起端电压的下降进一步引起并端电
12、压的下降进一步引起并励电流及感应电动势的减小，励电流及感应电动势的减小，电动势的减小又使电压进一电动势的减小又使电压进一步降低。步降低。外特性外特性U=E-IaRa Ia=I+If直流电动机运行特性直流电动机运行特性他励和并励电动机的励磁电路都接到外电源上，励他励和并励电动机的励磁电路都接到外电源上，励磁电流不受电枢电流变化的影响因此他励和并励电磁电流不受电枢电流变化的影响因此他励和并励电动机的特性基本相同动机的特性基本相同电压平衡方程电压平衡方程电流关系电流关系转矩平衡：转矩平衡：T=T2+T0直流电动机运行特性直流电动机运行特性 机械特性机械特性直流电动机的转速随负载而变。直流电动机的转速
13、随负载而变。R=0空载或轻载起动或运行时，发生并励励磁绕组断路，空载或轻载起动或运行时，发生并励励磁绕组断路，磁通很小，而发生飞车。磁通很小，而发生飞车。机械特性机械特性固有机械特固有机械特性：额定电性：额定电压、额定磁压、额定磁通、通、R=0直流电动机直流电动机的机械特性的机械特性与励磁方式与励磁方式有关有关要改变电动机转向，需改变电动机电磁转矩的要改变电动机转向，需改变电动机电磁转矩的方向，根据左手定则，电动机转向取决于磁场方向，根据左手定则，电动机转向取决于磁场和电枢电流两个的方向，因此改变直流电动机和电枢电流两个的方向，因此改变直流电动机转向的方法：改变励磁电流的方向保持电枢电转向的方
14、法：改变励磁电流的方向保持电枢电流的方向不变；改变电枢电流的方向，励磁电流的方向不变；改变电枢电流的方向，励磁电流的方向不变。即改变励磁绕组的两引出线或流的方向不变。即改变励磁绕组的两引出线或电枢绕组的两引出线。电枢绕组的两引出线。改变直流电动机转向的方法改变直流电动机转向的方法直流电机电枢反应和换向直流电机电枢反应和换向直流电机电枢反应直流电机电枢反应电机接负载电机接负载产生电枢磁场产生电枢磁场当电刷位于几何中性线上，电枢磁场的当电刷位于几何中性线上，电枢磁场的方向与主磁极磁场方向正交，导致主磁方向与主磁极磁场方向正交，导致主磁场畸变和减弱。场畸变和减弱。因为起动时，转速为零，电枢感应的电势
15、为零，根据电因为起动时，转速为零，电枢感应的电势为零，根据电压平衡方程，起动时电枢电流压平衡方程，起动时电枢电流Ia=（U-Ea）/Ra=U/Ra。电枢电阻通常很小，所以起动电流很大（电枢电阻通常很小，所以起动电流很大（1020倍的额定倍的额定电流）电流）,0.5kW以上的以上的直流电动机不能直接起动直流电动机不能直接起动，否则，否则Ia、T冲击很大，火花很大。冲击很大，火花很大。起动方法：在保持起动方法：在保持最大励磁电流最大励磁电流情况下，情况下，1.电枢回路串电枢回路串电阻起动；电阻起动；2.降压起动。起动电流控制在降压起动。起动电流控制在1.52.0I In n。注：注：1.起动时，励
16、磁磁场通常应该最大，才能减少起动起动时，励磁磁场通常应该最大，才能减少起动电流，并增加起动转矩；电流，并增加起动转矩；2.电枢绕组串联的起动电阻不能采电枢绕组串联的起动电阻不能采用滑动变阻器，应采用分段切除的变阻器（用滑动变阻器，应采用分段切除的变阻器（大电流）。大电流）。直流电机电枢反应和换向直流电机电枢反应和换向直流电机换向直流电机换向3 3、无刷直流电动机、无刷直流电动机 无刷电动机特点无刷电动机特点 无刷电动机特点无刷电动机特点 无刷电动机的基本结构无刷电动机的基本结构由电子开关电路、永磁式同步电动机和位置传感器三者组成电机系统，直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置
17、经由位置传感器检测，产生信号触发开关线路中的电子元件使之导通或截止。电动机定子各相逐次通电产生电流，并和转子磁极主磁场相互作用产生转矩，从而控制电动机的转动。无刷电动机的基本结构无刷电动机的基本结构一般由三部分组成：电动机本体、转子位置传感器和电子换向开关线路。电动机本体电动机本体 转子位置传感器转子位置传感器电磁式电磁式5-19 转子位置传感器转子位置传感器光电式光电式5-20 转子位置传感器转子位置传感器磁敏式磁敏式5-22 无刷直流电动机基本原理无刷直流电动机基本原理 无刷直流电动机正反转控制方法无刷直流电动机正反转控制方法永磁式有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与电源的极性连接来
18、实现的。由于无刷直流电机的电力电子元件导电具有单向性，不允许反接到电源上，因此不能简单的采用改变电源电压的极性实现电机反转，反转的实现可采用以下几种方法：1、将每相绕组两端接头互换，变换绕组中电流方向2、改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套位置传感器3、逻辑门选通法，即电机传感器设计上有专门的考虑，在控制电 路用一逻辑信号的指令来改变电机各相绕组的导通顺序第五章第五章 各节要点各节要点第一节第一节：基本结构（电刷、换向器的作用）；铭牌数基本结构（电刷、换向器的作用）；铭牌数据；励磁方式。据；励磁方式。第二节第二节：原理（原理（AC/DC转换）；电势、转矩计算；电转换）；电势、转矩计算；
19、电刷位置；换向。刷位置；换向。第三节第三节：空载特性；自励起压过程、条件；外特性空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁曲线）。（各种励磁曲线）。第四节第四节：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。反转（方法）。第五章的主要内容第五章的主要内容n主要内容：知道直流电机的结构原理和励磁方式；主要内容：知道直流电机的结构原理和励磁方式；掌握直流电机电枢电势和电磁转矩的分析方法；掌掌握直流电机电枢电势和电磁转矩的分析方法；掌握直流发电机的特性；掌握直流电动机机械特性；握直流发电机的特性；掌握直流电动机机械特性；能够根据电压平衡方程和有关特性进
20、行相应计能够根据电压平衡方程和有关特性进行相应计算。算。也是也是“计算点计算点”之一。之一。n电枢绕组元件的交流电流、电势是如何转变成电刷电枢绕组元件的交流电流、电势是如何转变成电刷两端的直流电流和电势的？发电机是如何自励起压两端的直流电流和电势的？发电机是如何自励起压的？电动机的起动方法和起动过程分析等概念应该的？电动机的起动方法和起动过程分析等概念应该掌握。掌握。n计算任务主要是：电磁转矩、功率、电动势、转速、计算任务主要是：电磁转矩、功率、电动势、转速、电动机起动电阻等的计算。本章的计算任务也是本电动机起动电阻等的计算。本章的计算任务也是本课程的主要计算任务之一。课程的主要计算任务之一。
