第三章 直流电机的工作原理及特性.ppt

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1、机电传动与控制机电传动与控制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学习要求 了解直流电动机的基本构造和工作原理。掌握他励（并励）和串励直流电动机的电压 与电流的关系式，接线图、机械特性。掌握他励（并励）直流电动机的启动、调速和制动的基本原理和基本方法。直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能调速性能较好和启动转矩启动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大启动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点直流电机的优点l调速性能好,调速范围广,易于平滑调节；l启动、制动转矩大,易于快速启动、停车；l易于控制。直流电机概述

2、直流电机概述3.1直流电机的结构和工作原理直流电机的结构和工作原理Z4直流电动机Z2直流电动机ZZJ-800直流电动机直流电动机 Z中型直流电动机中型直流电动机 直流齿轮电动机直流齿轮电动机 永磁直流电动机永磁直流电动机 一、基本结构一、基本结构n 直流电机由直流电机由静止的部分静止的部分定定子子和旋转的部和旋转的部分分转子转子两大部两大部分构成分构成定子定子定子由主磁极、换向极、机座、电刷主磁极、换向极、机座、电刷等组成。u主磁极主磁极：作用是产生恒定的主极磁场，由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。u换向极换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是消除电机带负载时换向器产生的火花，以改善换

3、向。u电刷电刷：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。u机座机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是起固定机械支承的作用。转子转子转子部分转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴电枢绕组、换向器、风扇、轴等u电枢铁心电枢铁心：有两个作用，一是作为 主磁路的一部分，二是将电枢绕组安 放在铁芯的槽内。u电枢绕组电枢绕组：它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。u换向器：换向器：在直流电动机中，将电刷上的直流电流转换成为绕组内的交流电流，以保证同一磁极下电枢导体

4、的电流方向不变，使产生的电磁转矩恒定；直流发电机中将绕组内的交流感应电动势转换为电刷上的直流电势。是直流电机的关键部件。二二、直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理l任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理IU+SbNacd 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电极有效边的电流方向向

5、外。电动机电枢枢绕组通电后绕组通电后中受力中受力(左手定则左手定则)按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转。U+U+电刷电刷换向片换向片U+IFFTn换向器作用：换向器作用：将外部直流电将外部直流电转换成内部的转换成内部的交流电，以保交流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。U+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷 线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向势。由右手定则，感应电动势

6、的方向与电流的方向势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。相反。相反。相反。Ke:与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n:电动机转速电动机转速 ：磁通磁通1.1.电枢感应电动势电枢感应电动势电枢感应电动势电枢感应电动势 E=Ke nU+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷 由图可知，由图可知，由图可知，由图可知，电枢感应电动势电枢感应电动势电枢感应电动势电枢感应电动势E E与电枢电流或外与电枢电流或外与电枢电流或外与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称加电压方向总是相反，所以称加电压方向总是相反，所以称加电压方向总是相反，所以称反电势反电势反电势反电势。式中：式中：

7、U U 外加电压外加电压 R Ra a 绕组电阻绕组电阻2.2.电枢回路电压平衡式电枢回路电压平衡式电枢回路电压平衡式电枢回路电压平衡式RaIaE+UMK Kt t:与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 :线圈所处位置的磁通线圈所处位置的磁通线圈所处位置的磁通线圈所处位置的磁通I Ia a：电枢绕组中的电流电枢绕组中的电流电枢绕组中的电流电枢绕组中的电流3.3.电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩单位单位单位单位:(韦伯韦伯韦伯韦伯)，I Ia a (安安安安)，T T(牛顿牛顿牛顿牛顿 米米米米)直流电动机电枢绕组中的电流直流电动机电枢绕组中的电流直流

8、电动机电枢绕组中的电流直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流I Ia a)与磁与磁与磁与磁通通通通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为电磁转矩公式为电磁转矩公式为电磁转矩公式为4.4.转矩平衡关系转矩平衡关系转矩平衡关系转矩平衡关系 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩T T为驱动转矩为驱动转矩为驱动转矩为驱动转矩,它使电枢转动。它使电枢转动。它使电枢转动。它使电枢转动。在电机运行时，在电机运行时，

9、在电机运行时，在电机运行时，电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩必须和必须和必须和必须和机械负载转矩机械负载转矩机械负载转矩机械负载转矩及及及及空空空空载损耗转矩载损耗转矩载损耗转矩载损耗转矩相平衡，即相平衡，即相平衡，即相平衡，即T T=K Kt t I Ia aK Kt t9.55K9.55Ke e 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转

10、矩将自动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程转矩平衡过程转矩平衡过程转矩平衡过程T TL L:机械负载转矩机械负载转矩机械负载转矩机械负载转矩T T0 0:空载损耗转矩空载损耗转矩空载损耗转矩空载损耗转矩 例：例：例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=TL(平衡平衡)，此时，此时，若若TL突然增加，则调整过程为突然增加，则调整过程为达到新的平衡点达到新的平衡点(Ia 、P)。TL n Ia T E 电机

11、在不同运行方式下，电机在不同运行方式下，E和和T的作用的作用电机运行方式E与Ia的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发电机电动机相同相反电源电动势反电动势阻转矩驱动转矩TL=T+T0T=TL+T0直流电机的分类类别类别 他励电机他励电机并励电机并励电机串励电机串励电机复励电机复励电机特特点点励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流大小无关励磁绕组与电枢绕组并联，由外部电源一起供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流大小有关励磁绕组与电枢绕组串联，由外部电源一起供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流大小有关励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，一部分串联，

12、励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小有关结构结构原理原理图图直流电机的额定数据直流电机的额定数据 直流电机按照国家标准及电机设计和实验数直流电机按照国家标准及电机设计和实验数据规定的电机运行条件和运行状态运行时，其据规定的电机运行条件和运行状态运行时，其运转工况称为电机的运转工况称为电机的额定运转工况额定运转工况。在额定运行条件下，电机各物理量的保证值在额定运行条件下，电机各物理量的保证值称为电机的额定数据或称为电机的额定数据或额定值额定值。在额定情况下电机的在额定情况下电机的工作性能工作性能、安全性能安全性能都都比较好。比较好。电机的额定数据一般都标在电机铭牌上，有电机的额定数据一般

13、都标在电机铭牌上，有以下几项：以下几项：1.额定功率额定功率额定功率额定功率P PN N:电机轴上输出的机械功率。电机轴上输出的机械功率。2.额定电压额定电压额定电压额定电压U UN N:额定工作情况下的电枢上加额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：的直流电压。（例：24V，110V）3.额定电流额定电流额定电流额定电流I IN N:额定电压下轴上输出额定功额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。三者关系：三者关系：三者关系：三者关系：P PN N=U=UN NI IN N （：效率）效率）直流电动机的额定值直流电动机的额定值

14、直流电动机的额定值直流电动机的额定值5、额定转矩、额定转矩4.额定转速额定转速nN:在在PN,UN,IN 时的转速。时的转速。直流电机的转速一般在直流电机的转速一般在500500r/min 以上。特以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟钟几转）或很高（每分钟30003000转以上）。转以上）。注意注意注意注意:调速时对于没有调速要求的电机，最大转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过1.2nN。3.2直流发电机直流发电机n他励发电机他励发电机磁通的大小决定于励磁电流If，而If是可以通过改变电阻 来调节的。

15、当发电机空载时，Ia0，发电机的电动势等于其空载端电压Uo在发电机的转速n和励磁电流If为常数的条件下，表示发电机端电压u与负载电流I之间关系的曲线称为外特性曲外特性曲线线Uf（I）在发电机空载及转速为常数(额定值)的条件下，表示电动势E与励磁电流If之间关系的曲线称为空载特性曲线空载特性曲线E=f(If)。他励发电机从空载到满载(额定负载)电压的变化率大约为510。n并励发电机并励发电机并励发电机电压能建立的三个条件：发电机的磁极要有剩磁；励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同；直线EIfRf与曲线E=f(If)要有交点。并励发电机的外特性曲线，如图所示。n复励发电机复励发电机在并励

16、发电机中，其端电压随着负载电流的增大而下降。但在复励发电机中，当负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所以，复励发电机正常运行时，其端电压变化不大。复励发电机的两个励磁绕组的磁场的方向通常是相同的。3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是指直流电动机在某个一定的电枢电压和励磁电压下，转速转速与轴上轴上输出的转矩输出的转矩之间的函数关系 机械特性曲线的形状基本上决定了电动机应用的范围，同时也是分析传动系统的一个重要因素。他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性特点特点特点特点:励磁绕组与电枢并联励磁绕组与电枢并联他励与并励电动机的励磁电流可以

17、看成与电枢电流无关，其机械特性基本相同。上式称为直流电动机的转速特性上式称为直流电动机的转速特性 。再以再以再以再以 代入上式，即可得到直流代入上式，即可得到直流代入上式，即可得到直流代入上式，即可得到直流电动机机械特性的一般表达式电动机机械特性的一般表达式电动机机械特性的一般表达式电动机机械特性的一般表达式以以以以 代入式代入式 理想空载转速理想空载转速当T0时的转速称为空载转速，用n0表示。根据机械特性可知：实际上，电动机总存在空载制动转矩，靠电动机本身的作用是不可能使其转速上升到 n0的，“理想”的含义就在这里。转速降落转速降落转速降落反映了电枢回路等效电阻在运行时消耗能量的大小及运行过

18、程中相对稳定性的好坏。机械特性硬度转矩变化 与所引起的转速变化 的比值称为机械特性的硬度。为了衡量机械特性的平直程度引入机械特性硬度的概念。n生产实际中，应根据生产机械和工艺过程具体要求来决定选用何种机械特性的电动机。n根据 的不同，可将电动机机械特性分为三类。类别类别值值举例举例绝对硬特性绝对硬特性交流同步电动机的机械特性硬特性硬特性10直流他励电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性的上半部软特性软特性 T TT （1）调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调。）调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调。（2）调速特性较软，受机械本身强度所限，）调速特性较软，受机械本身强度所限，n不能不能 太

19、高。额定转速的太高。额定转速的1.2倍。倍。对专门生产的调磁电动机对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达其调速幅度可达 (3)调速时维持电枢电压调速时维持电枢电压U和电枢电流和电枢电流Ia不变，即功不变，即功率率PUIa不变，属恒功率调速。所以，这种调速不变，属恒功率调速。所以，这种调速适合于对恒功率型负载进行调速。适合于对恒功率型负载进行调速。减小减小 调速的特点：调速的特点：基于弱磁调速范围不大，它往往是和调压调速基于弱磁调速范围不大，它往往是和调压调速配合使用，即配合使用，即l在额定转速以下，用降压调速，在额定转速以下，用降压调速，l在额定转速以上，用弱磁调速。在额定转速以上，用弱磁调速

20、。3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性制动与启动：制动与启动：电动机的制动是与启动相对应的一种工作状态。n启动启动：施电于电动机使电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态；n制动制动：是使电动机速度是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。制动与自然停车：制动与自然停车：电动机有两种停止运转方式：n自然停车：自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。这种停车过程需时较长，不能满足生产机械快速停车的要求制动。n制动：制动：电动机脱离电网，外加阻力转矩，使电动机迅速停车。为了提高生产效率，保证产

21、品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。电动机的两种工作状态：电动机的两种工作状态：电动机的两种工作状态：电动机的两种工作状态：n电动状态电动状态：电动机输出转矩的作用方向与转速n 的方向相同。电动机的作用是将电能转换机械能。故称电动机的这种状态为电动状态。n制动状态：电动机输出转矩的作用方向与转速n的方向相反。电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的这种工作状态为制动状态。n使转速迅速减速到停止；过渡的制动状态n限制位能负载的下降速度。稳定的制动状态电动机工作在制动状态下的两种情况：电动机工作在制动状态下的两种情况：电动机工作在制动

22、状态下的两种情况：电动机工作在制动状态下的两种情况：n反馈制动n反接制动n能耗制动 根据直流他励电动机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况，制动状态有以下三种：一、一、反馈制动反馈制动特点：特点：特点：特点：n电动机的接法正常；n在外部条件的作用下，电动机的实际转速大于理想空载转速；如电车走平路时，电动机工作在电动状态，电磁转矩T克服摩擦性负载转矩Tr并以na转速稳定在a点工作，如图所示。1、电车走下坡时的反馈、电车走下坡时的反馈制动制动当电车下坡时，电车位能负载转矩Tp，使电车加速，转速n增加。越过n0继续加速，使nn0，感应电势E大于电源电压U，故电枢中电流Ia的方向便与电动状态相反，转

23、矩的方向也由于电流方向的改变而变得与电动运转状态相反，直到Tp=T+Tr时，电动机以nb的稳定转速控制电车下坡。实际上这时是电车的位能转矩带动电动机发电。把机械能转变成电能，向电源馈送，故称反馈制动，也称再生制动或发电制动。2、电枢电压突然下降时的反馈制动、电枢电压突然下降时的反馈制动在电动机电枢电压突然降低使电动机转速降低的过程中，也会出现反馈制动状态。例如，原来电压为U1，相应的机械特性为图中的直线1，在某一负载下以n1运行在电动状态，当电枢电压由U1突降为U2时，对应的理想空载转速为n02，机械特性变为直线2。但由于电动机转速和由它所决定的电抠电势不能突变，若不考虑电枢电感的作用，则电枢

24、电流方向则改变。3、位能负载引起的反馈制动、位能负载引起的反馈制动卷扬机构下放重物时，也能产生反馈制动过程，以保持至物匀速下降。改变电枢电路中的附加电阻改变电枢电路中的附加电阻Rad的大小，也可以调节反馈制动状态下电的大小，也可以调节反馈制动状态下电动机的转速。为使重物下降速度不致过高，串接的附加电阻不宜过大。动机的转速。为使重物下降速度不致过高，串接的附加电阻不宜过大。n电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同；n电动机输出转矩T的作用方向与n的方向相 反。特点：特点：特点：特点：在反接制动中，把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动电源反接制动；

25、而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制倒拉反接制动动。二、二、反接制动反接制动1、电源反接制动、电源反接制动 由于在反接制动期间、电枢电势E和电源电压U是串联相加的，因此、为了限制电枢电流Ia电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻Rad 电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车相反向的场合以及要求经常正反转的机械上。注意：注意：2、倒拉反接制动、倒拉反接制动 适当选择电枢电路中附加电阻Rad的大小，即可得到不同的下降速度，附加电阻越小，下降速度越低。这种下放重物的制动方式弥补了反馈制动的不足，它可以得到极低的下降速度，保证了生产的安全。故倒拉反接制动常用在控制位能

26、负载的下降速度，使之不致在重物作用下有愈来愈大的加速。缺点是，若对TL的大小估计不准，则本应下降的重物可能向上升的方向运动。另外，其机械持性硬度小，因而较小的转矩波动就可能引起较大的转速波动。即速度的稳定性较差。注意：注意：三、三、能耗制动能耗制动电动机在电动状态运行时，若把外施电枢电压U突然降为零、而将电枢串接一个附加电阻Rad短接起来，便能得到能耗制动状态。如果电动机带动的是反抗性负载，它只具有惯性能量(动能)，能耗制动的作用是消耗掉传动系统储存的动能，使电动机迅速停车。如果是位能负载，则在制动到n0时，重物还将拖着电动机反转，使电动机向下降的方向加速，即电动机进入第四象限的能耗制动状态。能耗制动下放重物的主要优点能耗制动下放重物的主要优点不会出现像倒拉反接制动那样因对TL的大小估计错误而引起重物上升的事故。运行速度也较反接制动时稳定。能耗制动通常应用于拖动系统需要迅速而准确地停车及卷扬机重物的恒速下放的场合。制动总结制动总结作业：完成3.4 3.10 3.15自习3.11 至 3.14 3.16 至 3.20