聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)電傳動(dòng)第3章1

1、第三章第三章 直流電機(jī)的工作原理及特性直流電機(jī)的工作原理及特性v掌握直流電機(jī)的電勢(shì)方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和掌握直流電機(jī)的電勢(shì)方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和電壓平衡方程式；電壓平衡方程式； v掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，特別是人為機(jī)掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，特別是人為機(jī)械特性；械特性； v掌握直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)，調(diào)速的各種方掌握直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)，調(diào)速的各種方法和應(yīng)用場(chǎng)所；法和應(yīng)用場(chǎng)所； v了解用機(jī)械特性來(lái)分析直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)了解用機(jī)械特性來(lái)分析直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法。的方法。 電機(jī)電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式可分為：按能量轉(zhuǎn)換方式可分為：電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換為機(jī)

2、械能發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能直流電機(jī)：直流電機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)，直流發(fā)電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)，直流發(fā)電機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能；不良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能；不及交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可及交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠?？?。 用途：用途：速度調(diào)節(jié)要求較高、正反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁速度調(diào)節(jié)要求較高、正反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。3.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子：產(chǎn)生主磁場(chǎng)并在機(jī)械上支

3、撐電機(jī)。定子：產(chǎn)生主磁場(chǎng)并在機(jī)械上支撐電機(jī)。轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或機(jī)械轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或機(jī)械轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量的 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)1換向器換向器2電刷裝置電刷裝置3機(jī)座機(jī)座4主磁極主磁極5換向極換向極6端蓋端蓋7風(fēng)扇風(fēng)扇8電樞繞組電樞繞組9電樞鐵心電樞鐵心直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖電刷電刷電樞繞組電樞繞組主磁極主磁極換向器換向器轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風(fēng)扇組成。由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風(fēng)扇組成。作用：作用：產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或機(jī)械轉(zhuǎn)矩。產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或機(jī)械轉(zhuǎn)矩?？諝庀叮嚎諝庀叮憾ā⑥D(zhuǎn)子之間的氣隙。定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙。 定子：定子：由

4、主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、軸承、電刷座組成。由主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、軸承、電刷座組成。作用：作用：產(chǎn)生主磁場(chǎng)，支撐電機(jī)。產(chǎn)生主磁場(chǎng)，支撐電機(jī)。主磁極主磁極：鐵心鐵心(11.5mm鋼片疊壓，鋼片疊壓，極掌極掌使氣隙磁使氣隙磁通分布最為合適通分布最為合適)，勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組(絕緣銅線絕緣銅線) 換向極換向極： 改善電樞電流改善電樞電流的換向性能的換向性能(鐵心，繞組，鐵心，繞組， 兩主兩主磁極中間磁極中間)。機(jī)座：機(jī)座： 固定主磁極、固定主磁極、換向極、端蓋，磁路一部分換向極、端蓋，磁路一部分( 鑄鋼或鋼板壓成鑄鋼或鋼板壓成)。 電樞鐵心電樞鐵心： 主磁通磁路一部分，硅鋼片疊成，主磁通磁

5、路一部分，硅鋼片疊成，圓柱形，通風(fēng)孔，表面沖槽，槽圓柱形，通風(fēng)孔，表面沖槽，槽內(nèi)裝電樞繞組。內(nèi)裝電樞繞組。電樞繞組：電樞繞組： 銅線繞成，包上銅線繞成，包上絕緣嵌入電樞鐵心槽中，槽楔。絕緣嵌入電樞鐵心槽中，槽楔。 換向器換向器：彼此絕緣銅片、電刷彼此絕緣銅片、電刷發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)：將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢(shì)的交流電勢(shì)直流電勢(shì)。直流電勢(shì)。電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)：外加直流電流外加直流電流電樞繞組交變電流，保證每電樞繞組交變電流，保證每一磁極下電樞導(dǎo)體的電流方一磁極下電樞導(dǎo)體的電流方向不變向不變產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩。產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩。 換向器作用：換向器作用：.電磁力定律電磁力定律 載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)

6、中將會(huì)受到力的作載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，若磁場(chǎng)與載流導(dǎo)體互相垂直用，若磁場(chǎng)與載流導(dǎo)體互相垂直 作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為：作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為：v = B3.1.2 直流電機(jī)的基本工作原理直流電機(jī)的基本工作原理、電磁感應(yīng)定理、電磁感應(yīng)定理v 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)感應(yīng)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)感應(yīng)電勢(shì)，若磁場(chǎng)、導(dǎo)體和導(dǎo)體的電勢(shì)，若磁場(chǎng)、導(dǎo)體和導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向三者互相垂直則作用運(yùn)動(dòng)方向三者互相垂直則作用導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)大小為：導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)大小為： v = Bv 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)每一導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：每一導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：交變交變; 方向：方向：右手定則右手定則； 電刷間電動(dòng)勢(shì)或電壓：電刷間

7、電動(dòng)勢(shì)或電壓：極性不變極性不變 電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式式中，式中， E 電動(dòng)勢(shì)；電動(dòng)勢(shì)；Ke 與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù); 每對(duì)磁極的磁通；每對(duì)磁極的磁通；n 電樞轉(zhuǎn)速。電樞轉(zhuǎn)速。 nKEe除了產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)除了產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T（左手定（左手定則），它和空載轉(zhuǎn)矩則），它和空載轉(zhuǎn)矩T0 都是都是 阻轉(zhuǎn)矩，由原動(dòng)機(jī)阻轉(zhuǎn)矩，由原動(dòng)機(jī)T1克服?？朔?。 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T（左手定則）：（左手定則）：克服克服空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩T0和和負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式式中，式中，Kt 與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，與電機(jī)

8、結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt =9.55Ke ; Ia 電樞電流。電樞電流。atIKT除了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)除了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E：由外加電：由外加電壓壓U平衡。平衡。 電機(jī)運(yùn)行方式電機(jī)運(yùn)行方式E與與Ia的方向的方向E的作用的作用T的性質(zhì)的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的關(guān)系發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)相同相同相反相反電源電動(dòng)勢(shì)電源電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)阻轉(zhuǎn)矩阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=T+T0T=TL+T0電機(jī)在不同運(yùn)行方式下，電機(jī)在不同運(yùn)行方式下，E和和T的作用的作用3.2 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)按勵(lì)磁方法分類按勵(lì)磁方法分類 1)他勵(lì)發(fā)電機(jī)：他勵(lì)發(fā)電機(jī)： 發(fā)電機(jī)

9、的勵(lì)磁繞組由外電源供電。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組由外電源供電。 2)自勵(lì)發(fā)電機(jī)：自勵(lì)發(fā)電機(jī)： 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分。又分為：又分為：(1)并勵(lì)發(fā)電機(jī)；并勵(lì)發(fā)電機(jī)； (2)串勵(lì)發(fā)電機(jī)；串勵(lì)發(fā)電機(jī)；(3)復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)。復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)。 直流電發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)與勵(lì)磁方式1.1.他勵(lì)發(fā)電機(jī)他勵(lì)發(fā)電機(jī)電壓與電流間的關(guān)系：電壓與電流間的關(guān)系： U=E-IaRa Ia=(E-U)/Ra Ia=I I=U/R空載特性：空載特性： 空載時(shí)，輸出電壓與勵(lì)磁空載時(shí)，輸出電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系電流的關(guān)系 當(dāng)空載時(shí)，當(dāng)空載時(shí)，Ia=0, U=U0=E=Ken E和和成正比

10、，但成正比，但和和If不不是成正比，而是磁化曲線。是成正比，而是磁化曲線。U0If下降支上升支平均磁化曲線0Es剩他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線%1000NNUUUU實(shí)質(zhì)：空載實(shí)質(zhì)：空載滿載時(shí)電壓的變化滿載時(shí)電壓的變化一般允許一般允許 (5 10)%U2.并勵(lì)發(fā)電機(jī)并勵(lì)發(fā)電機(jī)電壓與電流之間的關(guān)系：電壓與電流之間的關(guān)系：U=E-IaR a Ia= (E-U)/Ra If=U/RfI=U/RIa=I+IfI并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件 自勵(lì)過(guò)程：并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過(guò)程。自勵(lì)過(guò)程：并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過(guò)程。 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由發(fā)電機(jī)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)的

11、特點(diǎn)是勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由發(fā)電機(jī)自已供給勵(lì)磁電流，而不需要另外勵(lì)磁電源。已供給勵(lì)磁電流，而不需要另外勵(lì)磁電源。 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的建壓過(guò)程并勵(lì)發(fā)電機(jī)的建壓過(guò)程 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)的三個(gè)條件并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)的三個(gè)條件: （1）電機(jī)必須有剩磁）電機(jī)必須有剩磁 （2）勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確）勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確 （3）勵(lì)磁回路中電阻小于）勵(lì)磁回路中電阻小于 rfc（稱為臨界值）（稱為臨界值）3. 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線 v電源電源-外特性外特性 v U=f(I) 硬特性硬特性 從空載到滿載電壓變化率從空載到滿載電壓變化率5%-10%3.3.1 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)

12、的機(jī)械特性他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 分類：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)。分類：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)。 機(jī)械特性方程式機(jī)械特性方程式eEKn02aeetRUnTnnKK K為直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式為直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式taTKI由將將Ia值再代入值再代入,得得由得aRIEUaaeaeIKRKUn3)機(jī)械特性硬度機(jī)械特性硬度在機(jī)械特性方程式中，在機(jī)械特性方程式中， no稱為理想空載轉(zhuǎn)速；稱為理想空載轉(zhuǎn)速； n稱為轉(zhuǎn)速降落。稱為轉(zhuǎn)速降落。機(jī)械特性硬度是衡量機(jī)械特性平直程度的：機(jī)械特性硬度是衡量機(jī)械特性平直程度的： 絕對(duì)硬特性。如交流同步電動(dòng)機(jī)

13、的機(jī)械特性絕對(duì)硬特性。如交流同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性10 10 硬特性硬特性 如直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性10 10 軟特性軟特性 如直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性%100nTdndT機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線n=f(T)02aeetRUnTnnKK Kv固有固有(自然自然)機(jī)械特性和人為機(jī)械特性機(jī)械特性和人為機(jī)械特性 v1)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性v在額定電壓，額定磁通，電樞電路內(nèi)不外接電阻時(shí)的機(jī)械特在額定電壓，額定磁通，電樞電路內(nèi)不外接電阻時(shí)的機(jī)械特性即為固有機(jī)械特性。性即為固有機(jī)械特性。 額定負(fù)

14、載時(shí)，轉(zhuǎn)速降落額定負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速降落不多，是硬特性不多，是硬特性；金屬切削機(jī)床，冷軋機(jī)，金屬切削機(jī)床，冷軋機(jī)，造紙機(jī)等宜于選用硬特造紙機(jī)等宜于選用硬特性的電動(dòng)機(jī)性的電動(dòng)機(jī)。2)固有機(jī)械特性曲線的作法 已知電動(dòng)機(jī)的PN,UN,IN,nN,由公式可計(jì)算出Ra, Ke , N0 500 751NNaNNNpURU II NNaeNNUI RKn0NeNUnK9 55NNNPTn(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計(jì)算:(3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計(jì)算:no,TN,找出兩個(gè)點(diǎn)，即理想空載點(diǎn)(0,n0)和額定運(yùn)行點(diǎn)(TN,nN)，通過(guò)這兩點(diǎn)作出自然機(jī)械特性。舉例v(1)一臺(tái)Z2-51型直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，

15、已知額定功率5.5kW，額定電壓220V，額定電流31A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，忽略損耗，求固有機(jī)械特性。v解：分析 只要求出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn)，就可繪出機(jī)械特性。0 500 751NNaNNNpURU II =0.71NNaeNNUI RKn=0.132NoeNUnK=1667r/min9 55NNNPTn=35Nm人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性(三種三種)v(1)電樞回路串附加電阻Rad的人為機(jī)械特性 v在固有機(jī)械特性方程式中，用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人為機(jī)械特性方程式：附加電阻Rad越大，機(jī)械特性越軟。nnTKKRRKUnteaadeN0202aeetRUnTnnKK

16、 K（2）改變電樞電壓的人為機(jī)械特性 U改變，但轉(zhuǎn)速降不變改變，但轉(zhuǎn)速降不變 因此，變電樞電壓的人為機(jī)械因此，變電樞電壓的人為機(jī)械特性特性是一簇與固有機(jī)械特性平是一簇與固有機(jī)械特性平行的特性曲線行的特性曲線。 只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié)。只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié)。NoeNUnK02aeetRUnTnnKK K條件：條件：=N，Rad=0，改，改變電壓變電壓U(UUN，UUN) (3)改變磁通時(shí)的人為特性v 從機(jī)械特性方程可知，改從機(jī)械特性方程可知，改變磁通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想變磁通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)隨磁通的變化而變化。隨磁通的變化而變化。v 磁通只能在額定值以下調(diào)磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié)，理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速節(jié)，理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大降落都要增大-弱磁增弱磁增速速。v 使用中，要防止電動(dòng)機(jī)過(guò)使用中，要防止電動(dòng)機(jī)過(guò)載，更要防止飛車，因此，載，更要防止飛車，因此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)設(shè)有失磁設(shè)有失磁保護(hù)保護(hù)。02aeet