1、,第三章 直流电机工作原理及特性,1、掌握直流电机的基本工作原理及特性； 2、掌握直流电机的机械特性； 3、掌握直流电机的启动、调速、制动的方法及其优缺点。,本章要求：,1、直流电机的工作原理及励磁方式； 2、电枢、主磁极、换向器的作用； 3、自然机械特性； 4、人为机械特性； 5、启动、制动特性； 6、调速特性。,本章知识点,第三章 直流电机,电机的分类,电机,变压器,直流电机,直流发电机,直流电动机,交流电机,控制电机,同步电机,同步发电机,同步电动机,异步电机,异步发电机,异步电动机,脉流电机 （步进电机）,在交流变频调速出现以前，几乎 所有高性能的调速都是由直流调速实现。 尽管今天交流
2、变频调速技术已经很成熟， 正在取代直流调速，但仍有大量的老设备、 大设备目前仍采用直流调速。特别是在矿 山、冶炼等行业。另外，在要求频繁起 停的场合，直流调速仍有他的优势。,首先回顾一下相关电学的基本理论。,1、电磁感应定律 (楞次定律)（感应电动势总是阻碍原磁场的变化） e=N d/dt （右手定则） e 感应电动势； N 线圈匝数； d/dt通过线圈的磁通变化率； “”表示感应电动势总是阻碍磁通 变化的。 (变压器是依据这一原理设计的）,2、运动电动势：e=BLv B磁感应强度（高斯）； L导线长度； v导线长度在垂直磁感 应强度方向的移动速度； (发电机是依据这一原理设计的）,3、电磁力
3、定律： F=BLI； T=BLRI； T=NBLRI（N匝）（左手定则） I通电导体流过的电流； R导体到旋转中心的半径； T力矩； (电动机是依据这一原理设计的）,3.1 概述,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。,3.2 工作 原理,一、 工作原理,电刷,换向片,*电源电压不是直接加在线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈上。导体的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向。,注意：电刷和电源固定联接（不转动），换向片随线圈一起转动。线圈上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时
4、针旋转。,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方向相反。(可用导体在磁场中运动或闭合线圈中的磁通变化率确定感应电势的方向）,直流电动机的工作原理动画,由于一个线圈产生的力矩波动很大，因此转子通常由多个在空间均匀分布的线圈组成。同时又若干个线圈同时工作。,结论：直流电动机工作过程的实质，是通电的转子线圈在定子磁场作用下受力旋转的过程。,当线圈处于水平位置时作用在两线圈边 上的力互相平衡，线圈静止不动，当线 圈转到与磁力线平行时两线圈边所受的 力形成一个旋转的力矩，这时线圈所受 到的力与线圈平面垂直，力矩最大。,直流发电机 （利用运动电势原理）,用右手定
5、则判别 感应电动势Ea的方向,电枢绕组 电阻Ra,感应电动势,输出电压,直流发电机的工作原理动画,电势方向和电流方向的规定： 电源内：电流由低电位流向高电位； 电源外：电流由高电位流向低电位。,结论：发电机的发电过程是线圈在外力作用下，绕轴旋转切割定子磁力线而产生感应电势的过程。,直流电机的可逆原理,直流发电机和直流电动机的结构是完全相同的，每一台电机既可作为发电机运行，也可作为电动机运行,电机的实际运行方式由外部条件决定，如在电机轴上施加机械功率使电枢转动，电机作为发电机运行，通过电机把机械功率转换为电功率；如果在电枢线圈中输入电功率，产生线圈电流，通过电机可以把电功率转换为机械功率，作为电
6、动机运行。,二、 直流电机的构成,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁 绕组,转子,励磁式直流电动机结构,结构细说,电枢转子,压紧环,换向器,换向片,转轴,电刷,磁极,风叶,电枢绕组,绕组端部,换向器,静止部分（称为定子） 产生磁场和构成磁路 ,电机机械支撑 旋转部分（称为转子） 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换 定子和转子之间间隙 （称为空气隙） 气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重要组成部分,1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,2. 定子,定子的分类：,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 通过直流电，形成电磁铁
7、。,定子的作用：产生固定的磁场。定子可以是永磁体，也可以是电磁铁，产生电励磁的绕组叫励磁线圈。 励磁的定义：在磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。,转子的作用：实现能量转换： 1、作发电机：在外力作用下旋转，切割定子磁力线，产生感应电势向外供电； 2、作电动机：通过流进电枢的电流，在定子磁场的作用下，产生驱动力矩。,换向器的作用：与电刷配合，改变流进（电动机）、流出（发电机）电枢绕组的电流的方向。,电刷的作用：通过换向器使转动的电枢与固定的外部电路保持接触。向执行机构提供（电动机）或收集（发电机）电荷。,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：,他励电动机：励磁
8、线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,三、空载时直流电机的磁场分布： 空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。那么 ，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。 1、主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路的磁力线。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通 0，,2、漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁
9、心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通 .,空载时每极主磁通为：,电枢反应,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,3、电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。 而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电枢反应，,四 、负载时的电枢反应对主磁极的影响,电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。,1、交轴电枢反应 1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等零的位置 （物理中性线）偏离几何中性线。 2）、不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、亦无 去磁作用；
10、计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。,2、直轴电枢反应 发电机： 电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁； 电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。 电动机：与发电机的情况相反。, 3.3 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E表示）。,一、 电枢中的感应电动势,根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：,单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）,二、 电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。,U：外加电压 Ra:绕组电阻, 3.4 电磁转矩,一、电磁
11、转矩,单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）,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。 (2)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。,二、 转矩平衡关系,电磁转矩T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,转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 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。,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入,机械特性指的是电机的电磁转矩T和转速n间的关系
12、，下边以他励和串励电机为例说明。,他励电动机和并励电动机的特性一样。, 3.5 机械特性,一、 他励电动机的机械特性,n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）,当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械 特性。,根据 n-T 公式 画出特性曲线,串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。,二、 串励电动机的机械特性,设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则,据此公式做出 T-n 曲线,(1) T=0时，在理想情况下，n。但实际上负 载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，
13、但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。,串励特性：,(2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。,2、人为机械特性,人为机械特性是指人为改变（313）中的相关参数得到的机械特性。人为改变电机的机械特性是为了满足启动、停止、调速等使用要求。 在（313）中可改变的有电压U、励磁和电阻R。,A、电枢绕组串接电阻,空载转速不变，但特性变软。（图318）,B、改变电枢电压,空载转速变化，但特性不变。（图319）,C、改变磁通,随着磁通增加，空载转速降低，但特性变 硬。,(2) 对于恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机
14、车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1) 对于恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机械等。,一、直流电动机的启动： 启动：是指电机接上电源从静止状态开始转动 到达稳态运行，这就是电动机的启动程。 启动条件：1、启动转矩要足够大； 2、启动电流不要太大； 3、启动要平稳。 注意：因为在启动时，n=0,反电动势E=0, 3.6 直流电动机的启动特性,限制Iast的措施： （1）启动时在电枢回路串电阻。 （2）启动时降低电枢电压。,启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则,Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2
15、-2.5)IaN 内。,启动电流为：,1、直流电动机的起动方法： 1）电枢回路串电阻起动： 由相关公式可知：,可见直接启动电流很大，因此，除了小容量的电动机可采用直接加电压启动的方法外，一般直流电动机都不能采用这种方法。,随着转速的升高，反电动势E不断增大，启动电流继续减小，但是，同时启动转矩也在减小，在整个启动过程中保持一定的起动转矩 ，加速电动机的起动过程，要将启动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行，此时，启动电阻应被完全切除。,在电枢回路中串入电阻 RST ，可减小启动电流，当启动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，此时 E 0 ，则,串励与复励直流电动机的启动方法基本上与并励直
16、流电动机一样，也可采用串电阻的方法以减小启动电流。,2）他励直流电动机降低电枢电压起动：,从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电阻外，还可以通过减小电枢电压来减小启动电流：,这种方法在启动过程中不会有大量的能量消耗。,（3）、弱磁启动 因为特性差，较少使用。,（1）、电枢串电阻启动 启动不平稳，有能耗，但设备简单。,（2）、降压启动 降压启动是最合理的启动方法，完全符合上述启动要求。 启动电流小是显而易见的，由于不改变机械特性的刚性，因此有足够的力矩，电压可连续调整，因此启动平稳。但设备复杂。, 3.7 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 格高，维护不方便，但它的最大
17、优点是调速性能好。,下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。,（1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上 （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：,改变电机的人为机械特性的方式均可用于调速,这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。 串励电机也可用类似的方法调速。,一、改变转子电阻调速,在电枢中串入电阻， 使 n 、 n0不变，即 电机的特性曲线变陡 （斜率变大），在相 同力矩下，n；,二、改变电枢电压调速,1.原理,通过各种调压装置：如调压器、可控斩波器、可控硅调速回路等，改变电枢电压。,由转速特性方程知： 改变电枢
18、电压U，n0 变化，斜率不变， 所以调速特性是一 组平行曲线。,2.特性曲线,改变电枢供电电压U是最常用的调速方式。有如下特点：,5、可兼作启动。,4、调速只能向下调。（U不允许超过UN）,3、 恒转矩调速；（转矩与速度无关），调速幅度较大。,2、 机械特性硬度不变；,1、连续无级调速；,由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情 况下，改变 可改变 n 。在励磁回路中串 上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而 改变 的大小。,三、改变磁通（调磁）,1.原理,其中： =K If,Rf If n ，但在额定情况下， 已接 近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。
19、 Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方 法。,If的调节有两种情况：,2.特性的变化,调速过程: U一定,则,暂时 T TL,3.改变主磁通调速特点：,1、恒功率调速，即越小转速n越高，电机力矩T越小； 因为： P=UI a，U、I a不变越小则T= KtI a ，T也越小；,4、一般用于额定转速以上的调速，即弱磁调速。,3、调速范围不大；,2、机械特性变软；,目前一般的直流调速系统，都采用额定转速以下调压调速；额定转速以上弱磁调速。,（1）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，n不能太高（即调速范围不大）。 （2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多）， 调节控制
20、方便。,优点：,Uf=110V 固定,U=0110V 可调,改变电枢电压调速方案举例：,例：已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。,求：（1）TL=0.5TN 时, n=? （2） =0.8 N 时, n=?,解：（1） TL=0.5TN 时,（2） =0.8 N 时,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 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：,(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很
21、大，电枢绕组有被烧毁 的危险。,（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开， 则 E ，Ia ，T 和 ，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。,措施： 他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。,失磁保护,Uf,If,Ia,U,KM,KM,1.反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。, 3.8 直流电动机的反转与制动,2、电动与制动的概念：,2、电磁制动。在电磁制动过程中，电机工作于发电运行状态，电动机吸收或消耗机械能（位能或动能），并将能量转化为电能回馈回电网或消耗在电枢电路的电阻中。,电动
22、：电机从电网吸收电能转化为机械能，克服负载机械阻力带动负载与电机同向运动（忽略中间机构）作功的过程。（T与n同向）,制动：是指在电机轴上施加一个与电机旋转方向相反的力矩，使电机强行减速。（T与n反向）,制动又分为：,1、机械制动（如利用摩擦片、制动抱闸等）,制动的目的：,1、 在自动化生产线上为了使执行机构准确 停止到指定位置；例如数控机床的送料机械手。,2、为了缩短停车过程，提高生产率。例如车床主轴转动。,（1）反接制动,3.制动,常用的电磁制动的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动,电阻 R 的作用 是限制电源反 接制动时电枢 的电流过大。,反接制动的优点：制动快；,缺点： （1）制动
23、电流大（是启动的两倍， 额定的30倍）必须加以限制； （2）速度为零时必须及时撤掉电源， 否则电动机会反转。,（2）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。,1、 能耗制动利用电动机动能来取得制动转矩，操作简便，容易实现，但制动时间较长（低速时制动转矩很小），必要时可加机械制动闸。另外耗电，不合算。 2、制动电阻越大制动效果越差，但电流越小 。,注意：,特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时， 在重力的作用下 nn0（ n0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，从而限制电机转速过分升高。,(3) 发电回馈制动,直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组 各两个，可通过标出的
24、字符和绕组电阻的大小 区别。,4.连接,（1）绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,（2）绕组的符号,1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。,2. 额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）,3. 额定电流IN ： 额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN （ ：效率）,为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机的主要技术参数规定了
25、保证值，这些保证值称为电机的额定值。主要有：, 3.9 直流电动机的额定值,注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过 1.2nN 。,4.额定转速nN ：在PN，UN，IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。 5励磁方式和额定励磁电流 INF （A）.,直流电机的主要缺点： 直流电机有电刷和换向器，所以故障率比较高,直流电动机的使用环境也受到一定的限制（如不能在有易燃、易爆气体及尘埃多的场合使用等），而且直流电动机的电压等级、转速、单机容量等也受到一定的限制。,作业,310、311、312 （第五版）,310、311、312 （第四版）,
