1、第3章 直流电动机工作原理及特性,机械科学与工程学院 杨 旭,第3章 直流电动机工作原理及特性,3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性,第3章 直流电动机工作原理及特性,本章需要掌握的内容： 直流电机的工作原理； 直流电动机的机械特性； 直流电动机的启动、调速和制动方法；,第3章 直流电动机工作原理及特性,概述：电机的种类,第3章 直流电动机工作原理及特性,常用的电机主要分两大类：,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构： 直流电机由定子和转子两部
2、分组成。,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,3.1.1 直流电机的基本结构,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,定子结构：主磁极，换向极，机座，轴承端盖；,主磁极,换向极,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电动机定子实物：,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,转子结构图,转子,换向片,转轴,电枢线圈,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,转子结构：电枢铁心，电枢绕组，换向器；,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的电枢：,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机整体结构：,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的工作原理（电机中的电磁基本定律）： 感应电
3、势（右手）定则：,导体在磁场中做切割磁力线运动，则在导体的两端将产生感应电动势，其方向可用右手法则判定。,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的工作原理（电机中的电磁基本定律）： 电磁力（左手）定则：,通电导体在磁场中受到力的作用，其受力方向可以用左手法则判定。,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,发电机的工作原理（将机械能转换为电能）：,T1=T+T0,线圈在磁场中转动产生感生电动势：,转矩平衡方程式：,T1原动力产生的转矩；,T0空载转矩；,T 感应电流在磁场的转矩；,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,电动机的工作原理（将电能转换为机械能）：,T=TL+T0,通电线圈在磁场
4、中产生的转矩：,转矩平衡方程式：,T 电磁转矩；,TL负载转矩；,T0空载转矩；,Ke、Kt-为与电机结构有关的常数且Kt=9.55Ke。,3.3 直流电动机的机械特性,直流电动机按励磁方式分他励、并励、串励和复励。,3.3 直流电动机的机械特性,3.3.1 他励电动机的机械特性,电枢回路的电压平衡方程式：,3.3 直流电动机的机械特性,几个重要公式:,3.3 直流电动机的机械特性,此为直流他励发电机的机械特性,它为一条直线。,当T=0时，无负载。,称为理想空载转速。,3.3 直流电动机的机械特性,3.3 直流电动机的机械特性硬度,为了衡量机械特性的平直程度，引入机械特性硬度概念：,可以看到越
5、大，机械特性越直。,绝对硬特性 交流同步电动机； 硬特性 直流他励、交流异步电动机(上半部）； 软特性 直流串励、直流复励电动机。,一、固有机械特性,在额定电压 UN ，额定磁通 N下，并且电枢电路不接任何电阻时的n=f(T)。 此时 它为一直线。可由理想空载点（0,n0）和额定运行点（ TN, nN）两点确定。 电机铭牌上给出PN，UN，IN，nN。只需求n0，TN。,t,一、固有机械特性曲线的绘制,二、人为机械特性,由于供电电压、磁通及电枢电路电阻变化时引起的机械特性n=f(T)的变化称为人为机械特性。 （1）电枢回路中串接电阻时 （2）改变电枢电压时 （3）当改变磁通时,二、人为机械特性
6、,电枢回路中串电阻时的人为机械特性,特点：1、串接电阻后n0不变；2、斜率变大即机械特性变软。,二、人为机械特性,特点：1、U改变时，n0发生变化； 2、斜率不变，即机械特性硬度不变,改变电枢电压U时的人为机械特性,（电机绝缘耐压强度的限制）,二、人为机械特性,特点：1、由于线圈发热和电机磁饱和的限制，只适用于N的场合，即弱磁调速。 2、 减小时，n0及n均增大，斜率增加，特性变软。 3、启动时，E=0，Ist=UN/Ra=常数，当 减小时，启动转矩Tst=Kt Ist将减小。,改变磁通时的人为机械特性,注:1、当磁通量过分削弱后，若负载转矩不变将使电机电流大大增加而严重过载。（稳定时TL=T
7、M，TLw=UNI, 当 减小时，w增大导致n增大，而UN不变，故I增大） 2、当磁通为0时，理论上将产生飞车。 因此，直流电机启动前必须先加励磁（否则空载启动产生飞车，重载时启动不起来而过载）运行中，决不允许将励磁电路断开或使励磁电流为零。故直流它励电机使用时要有失磁保护。,零励磁保护：防止直流电动机在没有加上励磁电压时，就加上电枢电压而造成机械“飞车”或电动机电枢绕组烧坏的一种保护。,零励磁保护：,3.4 直流他励电动机的启动特性,直流电动机电枢回路方程式为： 由于启动时n=0，故感生电动势E=0，故U=IaRa，由于转子内阻Ra很小，则启动电流 Ist=U/ Ra，达到额定电流的1020
8、倍。 启动转矩 也很大，对负载产生冲击。因此启动时要采取控制措施,使,通常采用两种启动方式： 1、降压启动 2、电枢回路中串电阻启动 Ist=U/(Ra+Rst),3.4 直流他励电动机的启动特性,（1）降压启动。,由于启动时n=0，故感生电动势E=0,在启动瞬间，降低供电电压。随着转速n的升高，反电动势E增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压UN时，电机达到所要求的转速。,3.4 直流他励电动机的启动特性,（2）电枢回路中串电阻启动 Ist=U/(Ra+Rst),冲击电流仍然很大，一般采用逐级切除启动电阻的方法来启动。,3.4 直流他励电动机的启动特性,（2）具有三段启动电阻的他励电机启
9、动,启动时最大转矩T1=(1.62)TN ,最小转矩T2=(1.11.2)TN,3.5 直流他励电动机的调速特性,一、调速：指在负载一定的条件下，改变电动机电路参数来改变电动机的稳定转速。(人为的) 二、速度变化：指电动机的电路参数不变，由负载引起的电机转速的变化。(负载的变化引起的),3.5 直流他励电动机的调速特性,改变Ra,U,，可进行调速。,3.5 直流他励电动机的调速特性,1、改变电枢外串电阻,缺点: (1)特性变软 (2)空载或轻载时调速范围不大 (3)实现无级调速困难 (4)在调速电阻上有能量损耗,适用于起重机、卷扬机,3.5 直流他励电动机的调速特性,2、改变电枢电压,特点 (
10、1) 机械特性硬度不变,稳定性高,调速范围大。 (2) 可实现无级调速,只能在额定转速以下调节。 (3) 稳定后,转矩（T=KtNIa)不变，属恒转矩调速。 (4) 可以用来实现降压启动。,3.5 直流他励电动机的调速特性,3、改变主磁通调速,特点： (1)只能弱磁调速，特性变软； (2)可实现无级调速； (3)可实现额定转速以上调速； (4)属于恒功率调速，P=UIa不变，而T=KtIa减小。,注意产生飞车事故！,3.6 直流他励电动机的制动特性,区别几个概念： 、制动和自然停车 制动：电动机转速由某一稳态迅速减速到停止，或使位能负载匀速下降。 自然停车：电动机脱离电网，靠较小的摩擦转矩消耗
11、机械能使转速下降直至为零。 、电动和制动状态 电动状态：T与n同向，将电能转化为机械能，工作于一、三象限。 制动状态：T与n反向，将机械能转化为电能，工作于二、四象限。 、制动状态的两种形式： 稳定的制动状态：限制位能负载的运动速度，n不变。 过渡的制动状态：降速或停车，n减小。,电动状态和制动状态,电动状态：电动机发出的转矩T和n方向相同； 制动状态：电动机发出的转矩T与转速n方向相反。,电动机的制动种类,一、反馈制动 1、电枢电压突然降低时 2、卷扬机下放重物时 3、增大磁通量时 二、反接制动 1、电源反接制动 2、倒拉反接制动 三、能耗制动,划分依据：他励直流电动机处于制动状态的外部条件
12、和能量传递情况,1、反馈制动,反馈制动是电机实际转速n大于理想空载转速时，产生的电机输出转矩与n方向相反，而制动的情况。,特点：nn0,电动机变成发电机，机械能转化成电能向电源馈送，称为反馈,产生反馈制动的几种情况：,（1）当电枢电压U下降时,U1,U2,产生反馈制动的几种情况：,（2）TL为位能负载（ TL 为负）,在ab段:nn0,在bc段:nn0,特点：改变电枢电路电阻Rad可以改变重物的下放速度，Rad越小，下放速度越慢，但下放时nn0，故下放重物较重时不安全。,产生反馈制动的几种情况：,（3）当调磁调速时,当 增加时，可使UE，而使Ia反向。,（1）电源反接制动（电枢电压U反接） 当
13、U反接时，Ia变为负值，则 反向，实现制动,2、反接制动 电源反接制动、倒拉反接制动,2、反接制动 电源反接制动、倒拉反接制动,（1）电源反接制动（电枢电压U反接）,有反向启动的危险,反接电动,正向电动,反接制动,位能负载时反馈制动,注意：反接时U与E串联相加，电流很大，应用Rad进行限流。 应用：快停、经常正反转,（2）倒拉反接制动（由于n的方向发生变化，使TM与n反向，而实现制动）,倒拉反接制动是电动状态曲线的延伸，改变Rad， 则可以调节重物下放速度，但对TL大小估计不足， 则本应下放的重物可能反向提升。,3、能耗制动（去除电枢电压使U=0，并且电枢通过附加电阻Rad 组成回路，使电流方
14、向与电动时相反，使 反向）,无反向启动的危险，特性曲线过原点，并位于二，四象限，适用于准确快速停车和匀速下放重物的场合,电机制动的总结,1 电机可工作于电动和制动二种状态 2 电动状态过纵轴延伸到二，四象限变为反馈制动 3 电动状态过横轴延伸到二，四象限变为反接制动，可能产生反向启动 4 能耗制动为过原点，穿过二，四象限的直线,第3章 直流电机的工作原理及特性 小 结,重点 机械特性是分析启动、调速和制动特性的依据，所以机械特性是电动机内容的重中之重 他励直流电动机的启动特性 他励直流电动机的调压调速特性 难点 本章较难理解的内容是电流、电势的换向过程和电动机的制动过程；电动机在各种运转状态下
15、电磁转矩 TM、负载转矩TL、转速n、电枢电流Ia和电势E等符号的确定。,第3章 直流电机的工作原理及特性,课堂作业,3.10 一台他励直流电动机的技术数据如下：PN=6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242 ，试计算出此电动机的如下特性： 固有机械特性 电枢附加电阻分别为3 和5 时的人为机械特性 电枢电压为UN/2时的人为机械特性 磁通0.8 N时的人为机械特性,直流永磁电动机简介,永磁直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比，具有体积
16、小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。 根据所用的永磁材料不同，分为铝镍钴、铁氧体和稀土永磁直流电动机。铝镍钴永磁直流电动机需要消耗大量的贵重金属、价格较高，但对高温的适应性好。铁氧体永磁直流电动机以廉价见长，广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域。用稀土永磁材料作磁极制的稀土永磁直流电动机，体积小且性能更好，但价格昂贵，主要用于航天、计算机、井下仪器等。 近些年出现了新一代稀土永磁直流电动机钕铁硼永磁直流电动机，由于我国拥有世界80以上蕴藏量的钕矿资源，因此在价格上具有得天独厚的优势，使质优、价廉的钕铁硼永磁直流电动机性能与结构迅速发展，得到了广泛的应用。
17、,永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如录音机、VCD机、电唱机、电动按摩器及各种玩具，也广泛应用于汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用，如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。 汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机. 在武器装备中，
18、永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 在工农业方面，永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪表中。 在医用方面，永磁直流电机用处更不小，如医用的各种仪器、手术工具，如开脑手术中的电动锯骨刀，特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。在残疾人用品方面，如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。 在生活方面，用处更多，连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。永磁直流电机的应用真是举不胜举，可以说是无处不在。 随着时代的发展，永磁直流电机的应用会更多，原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后，永磁
19、直流电机的生产数量在不断地上升。我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上，生产永磁直流电机的厂家不计其数。,永磁无刷直流电机,一、问题的提出 直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。,二、无刷直流电动机的工作原理 磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的，所以，无刷直流电动机一般都是由电动机、位置传感器和电子开关线路三部分组成。 与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。 位置传感器的三个信号元件（a、b、c）与电机定子三相绕组（AX，BY，CZ）之间位置相对应，转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。,无刷直流电动机本质上是一种控制电机,
