1、1第三章第三章直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性重点掌握：重点掌握：了解直流电机的基本结构及工作原理；了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性和方法；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性和方法；2 电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机是利用电磁感应原理工作的机械。发 电 机电 动 机变 压 器控 制 电 机就 能 量 转 换 的 功 能 来 看静 止 电 机（变 压 器）旋 转 电 机按 学 科 的 不 同直 流 电 机 交 流 电 机根 据 应 用 场 合 的 要 求 和 电 源 的 不
2、 同电 机 的 分 类直流电机分直流电动机和直流发电机两种。直流电机分直流电动机和直流发电机两种。直流电动机直流电动机将电能转换为机械能；将电能转换为机械能；直流发电机直流发电机将机械能转换为电能，将机械能转换为电能，主要作为直流电源。主要作为直流电源。331直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构一、直流电机的基本结构4直流电机的分直流电机的分定子定子、转子转子两大部分两大部分:剖面图：电枢剖面图：电枢1；主磁极主磁极2；励磁绕组；励磁绕组3；换向；换向极极4；换向极绕组；换向极绕组5；机座；机座61、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极等。、定子部分
3、：定子包括机座、主磁极、换向极等。1）主磁极主磁极：为：为减小减小涡流和磁滞损耗涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用，主磁极铁心用11.2mm厚的低碳钢板厚的低碳钢板叠压而成。叠压而成。主磁极的作用主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩作用下感应电动势和产生电磁转矩.2）换向极换向极：作用是用以改善换向。：作用是用以改善换向。3）机座机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。要二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起
4、机械支承的作用。要求机座有好的求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度导磁性能及足够的机械强度与刚度。5当铁磁质达到当铁磁质达到磁饱和状态磁饱和状态后后:磁滞磁滞:如减小磁场强度如减小磁场强度H，介质的，介质的磁化强度磁化强度M（或磁感应强度（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，并不沿着起始磁化曲线减小，M（或（或B）的变化滞后）的变化滞后H的变化。的变化。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。62、转子部分转子部分：转子又称为电枢，包括：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、电枢铁心、电枢绕
5、组、换向器、风扇、轴和轴承轴和轴承等。等。1）电枢铁心电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的.为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。73）换向器：换向器：由由换向片和电刷换向片和电刷组成，组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触换向片与电刷保持滑动接触。换向器：换向片换向器：换向片3；连
6、接片连接片4；云母环；云母环22）电枢绕组电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，产生：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，产生转矩转矩和感应电动势和感应电动势，实现机电能量转换的关键性部件。，实现机电能量转换的关键性部件。89二、基本的工作原理二、基本的工作原理把复杂的直流电机结构简化为把复杂的直流电机结构简化为电枢绕组只是一个线圈，线电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。1主磁极主磁极：励磁绕组上加上直流电：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使压，励磁绕组上有励磁电流通过，
7、使定子铁心产生固定磁场。定子铁心产生固定磁场。2电枢绕组电枢绕组：在固定的磁场中旋：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。产生机械转矩，实现能量的转换。101发电机原理发电机原理111发电机原理：发电机原理：将机械能转换为电能将机械能转换为电能。电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和和cd（切割磁力线切割磁力线）中便感应出电动势）中便感应出电动势e。有效边中的电动势是交变的。有效边中的电动势是交变的。在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压在电刷间就出
8、现一个极性不变的电动势或电压。122电动机原理电动机原理132电动机原理电动机原理：将电能转换为机械能。：将电能转换为机械能。直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向电流方向使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。14三、电动势和电磁转矩三、电动势和电磁转矩1.电动势电动势E根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:nKE eE感应电动势（感应电动势（V）；）；一对磁极的磁通（一对磁极的磁通（Wb）；）；n电枢转速（电枢转速（r/min）；）；Ke与电
9、机结构有关的常数。与电机结构有关的常数。电源电动势电源电动势:直流发电机中，电动势的直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同。方向总是与电流的方向相同。反电动势反电动势:直流电动机中，电动势的方直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反。向总是与电流的方向相反。(方向由右手定则确定方向由右手定则确定)152电压平衡方程式：电压平衡方程式：发电机：发电机：aaRIUE发电机电势发电机电势-负载电压和电枢电阻压降负载电压和电枢电阻压降电动机：电动机：aaRIEU电动机外加电枢电压电动机外加电枢电压-电枢的反电势和电枢电枢的反电势和电枢电阻压降电阻压降直流发电机直流发电机直流电动机直流电动
10、机163电磁转矩电磁转矩TM电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩：电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩：amMIKT TM电磁转矩（电磁转矩（Nm）；）；对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）；Ia电枢电流（电枢电流（A）；）；Km与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke(方向由左手定则确定方向由左手定则确定)直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机17直流发电机和直流电动机直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。的电磁转矩的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩发电机的电磁转矩是阻转矩，与电枢转动的方向或原动机的驱，与电枢转动的
11、方向或原动机的驱动转矩的方向相反。动转矩的方向相反。等速转动时原动机的转矩等速转动时原动机的转矩T1发电机的电磁转矩发电机的电磁转矩TM摩擦转矩摩擦转矩T0。amMIKT aaRIUE nKEe 18机械负载增大机械负载增大电机转速下降电机转速下降反电动势减小反电动势减小电枢电流增大电枢电流增大电磁转矩增大电磁转矩增大转矩平衡（转速恒定）转矩平衡（转速恒定）nKEe amMIKT dtdn602JTTLM电动机的电磁转矩是驱动转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩TM机械负载转矩机械负载转矩TL摩擦转矩摩擦转矩T0 直流电动机的机械特性分析：直流电动机的机械特性分析：a
12、mMIKT 直流电动机直流电动机aaRIEU19四四.直流电机的铭牌数据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N N额定功率P额定功率P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：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：指输入额定电压。电动机：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N N额额定定电电压压U U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NI额定电流在额定电压、额定电流下，运在
13、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N N额额定定转转速速n n20电机运行时所有物理量与额定值相同电机运行时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，长期欠载运行将造成电机浪费，长期过载运行会缩短电机的使用寿命。长期过载运行会缩短电机的使用寿命。额额定定励励磁磁电电流流 对应于额定电压、额定电流、对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁额定转速及额定功率时的励磁电流电流指直
14、流电机的励磁线圈指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式与电枢线圈的连接方式励磁方式励磁方式213.2直流发电机直流发电机1.按励磁方法分类按励磁方法分类1)他励发电机他励发电机:发电机的励磁绕组由发电机的励磁绕组由外电源外电源供电供电.2)自励发电机自励发电机:发电机的励磁电流为发电机的励磁电流为电枢电流或电枢电流的一部分电枢电流或电枢电流的一部分.它又分为它又分为:(1)并励发电机并励发电机;(2)串励发电机串励发电机;永磁式发电机永磁式发电机22一一.他励发电机他励发电机aaRIEUaaRUEI/IIaRUI/0aI1.发电机空载特性曲线（转速为额定值时）发电机空载特性曲线（转速为额定值
15、时）：nKEUe0 磁化曲线-fIf2.发电机外特性发电机外特性（转速为额定值和励磁电流为常数）：（转速为额定值和励磁电流为常数）：%10%5%1000NNUUUU空载到满载的电压变化率：空载到满载的电压变化率：外特性曲线外特性曲线EfI磁极剩磁产生磁极剩磁产生值为值为25额定电压额定电压电流和电压电流和电压额定值额定值发电机的工发电机的工作点作点23二二.并励发电机并励发电机aaRIEUaaRUEI/ffRUI/RUI/并励发电机输出电压建立过程：并励发电机输出电压建立过程：磁极具有剩磁磁极具有剩磁产生小电势产生小电势E起始励磁电流起始励磁电流加强磁场加强磁场电势增大电势增大磁饱和磁饱和(稳定稳定)磁化和电路曲线相交磁化和电路曲线相交发电机稳定运行发电机稳定运行励磁电流磁场和剩励磁电流磁场和剩磁磁场方向相同磁磁场方向相同faRR
