直流電機(jī)的工作原理及特性

1、機(jī) 電 傳 動(dòng) 控 制第3章 直流電機(jī)的工作原理及特性本章要求l掌握直流電機(jī)的基本工作原理及特性，特別是直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；l掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法以及各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)所。電機(jī) l利用電磁作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝利用電磁作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置置直流電機(jī)直流電機(jī) 1、進(jìn)行直流電能與機(jī)械能 之間的轉(zhuǎn)換2、直流電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用場(chǎng)合： 起動(dòng)性能和調(diào)速性能好，過(guò)載能力大 ；3、直流發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用場(chǎng)合： 供給直流電動(dòng)機(jī)、電解、電鍍等所需的直流電能 4、主要缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用有色金屬多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，運(yùn)行可靠性差 31 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理l結(jié)構(gòu)要

2、點(diǎn)：定子、轉(zhuǎn)子、換向器l原理要點(diǎn)：電磁感應(yīng)定律、電磁力定律、電路定律以及電勢(shì)方程、轉(zhuǎn)矩方程、電壓方程l分類：直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式的不同分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)四種一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的組成1、定子：產(chǎn)生磁場(chǎng)、支撐電機(jī)2、轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（一） 定子部分1主磁極：產(chǎn)生主磁場(chǎng)。l主磁極鐵心l勵(lì)磁繞組2、換向極：改善換向3、機(jī)座 固定 主磁路的一部分4、電刷裝置 引入或引出直流電壓和直流電流 主磁極換向極電刷盒轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖電樞繞組換向器電樞鐵心轉(zhuǎn)軸（二） 轉(zhuǎn)子(電樞)部分1、電樞鐵心l作為主磁通磁路的主要部分l嵌放電樞繞組2、電樞繞組 能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件， 產(chǎn)

3、生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換3、換向器 ：與電刷配合使用 直流電動(dòng)機(jī)中：將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；直流發(fā)電機(jī)中：將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為對(duì)外引出的方向不變的直流電動(dòng)勢(shì)。電樞鐵心鋼片、換向器二直流電機(jī)的基本工作原理l建立在電磁力和電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上 1、電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換l電機(jī)是轉(zhuǎn)換能量形態(tài)的一種機(jī)械。 1、發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。 2、電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 3、變壓器將一種電壓等級(jí)的電能轉(zhuǎn)變成另一種電壓等級(jí)的電能。l電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、電磁力定律、電路定律等基本理論之上。2、法拉第電磁感應(yīng)定律l設(shè)有一個(gè)匝數(shù)為的線

4、圈放在磁場(chǎng)中，不論什么原因，例如線圈的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化等，造成與線圈相交鏈的磁通隨時(shí)間發(fā)生變化，這時(shí)線圈內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出電勢(shì)，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。3、右手定則l如果磁場(chǎng)是恒定的，但線圈與磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起與線圈相交鏈的磁通發(fā)生變化，因而在線圈中感應(yīng)出電勢(shì)，則稱這種電勢(shì)為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)。Blve Bve母指方向四指方向4、電磁力定律l載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到力的作用，由于這種力是由于磁場(chǎng)和電流的相互作用產(chǎn)生的，故稱之為電磁力。若磁場(chǎng)與導(dǎo)體互相垂直，則作用在導(dǎo)體上的電磁力為：Bif四指方向母指方向Blif 左手定則左手定則5、電路定律l在電路里，對(duì)任何一個(gè)回路，若沿某一方向環(huán)繞回路一周，則回路

5、內(nèi)所有電勢(shì)的代數(shù)和等于所有電壓降的代數(shù)和。ue（一）直流發(fā)電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)基本工作原理l原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)l電樞線圈的有效邊切割磁力線l電樞線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) el交變的感應(yīng)電勢(shì)在換向器的作用下變換成電刷之間的直流電勢(shì)El接負(fù)載后，電樞中產(chǎn)生電流 il載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tl原動(dòng)機(jī)克服T的作用將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能（二）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)基本工作原理l電樞線圈通電后在磁場(chǎng)中成為 載流導(dǎo)體l載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力 作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tl電樞在電磁轉(zhuǎn)矩T作用下旋轉(zhuǎn)l旋轉(zhuǎn)的電樞線圈又切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)El由于換向器的作用，感應(yīng)電勢(shì)E總是與外加

6、電壓的方向相反，稱為反電勢(shì)反電勢(shì)三、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩三、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1.電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E 根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。nKE e 式中：式中：E 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；）； 一對(duì)磁極的磁通（一對(duì)磁極的磁通（Wb）；）； n 電樞轉(zhuǎn)速（電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；）； 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)方向方向: : 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)總是與電流的方向相同，常稱為總是與電流的方向相同，常稱為電源電動(dòng)勢(shì)電源電動(dòng)勢(shì)。 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)總是與電流的方向相反，常稱為總是與電流的方向相反，常稱為反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)。 2電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩

7、TM 電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。at IKT式中：式中：T 電磁轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）；）； 對(duì)磁極的磁通（對(duì)磁極的磁通（Wb）；）； Ia電樞電流（電樞電流（A）；）； Kt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)，Kt=9.55 Ke大?。捍笮。鹤饔米饔胠發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)：阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。 在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機(jī)必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩T及空載損耗轉(zhuǎn)矩及空載損耗

8、轉(zhuǎn)矩T0相平衡。相平衡。l電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。l 在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T必須與機(jī)必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。相平衡。直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)E和電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩T，但作用正好相反。，但作用正好相反。電機(jī)運(yùn)行電機(jī)運(yùn)行方式方式E與與I的方的方向向E的作用的作用T的性質(zhì)的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系關(guān)系發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)相同相同電源電動(dòng)電源電動(dòng)勢(shì)勢(shì)阻轉(zhuǎn)

9、矩阻轉(zhuǎn)矩T1=T+ T0電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)相反相反反電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩矩T= TL+ T0aaUERI發(fā)電機(jī)aaEURI電動(dòng)機(jī)電路方程32 直流發(fā)電機(jī)一直流發(fā)電機(jī)的分類 1、他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)：勵(lì)磁繞組由外電源提供電流2、自勵(lì)發(fā)電機(jī)：勵(lì)磁電流為電樞電流或?yàn)殡姌须娏鞯囊徊糠?，可分為：l并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)l串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)l復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)的分類直流發(fā)電機(jī)的分類他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)二、他勵(lì)發(fā)電機(jī)nKEURUIIIRUEIRIUEeaaaaa0/ )(空載特性 )(fIfE 外特性U=f(I) 6 . 3%1000NNUUUU大約為5%10%三、并勵(lì)發(fā)電機(jī) ， aaRIEUaaRUEI/ )( ffR

10、UI/RUI/IIIIfa并勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作原理并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓建立的條件1、發(fā)電機(jī)的磁極要有剩磁。2、起始勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向與剩磁磁場(chǎng)的方向相同，這樣，磁場(chǎng)才能加強(qiáng)。3、合適的電阻Rf，當(dāng)Rf過(guò)大時(shí)，電壓就建立不起來(lái)。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性四、復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)l優(yōu)點(diǎn)：在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，其端電壓變化不端電壓變化不大。大。33 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性l機(jī)械特性是直流電動(dòng)機(jī)最重要的運(yùn)行特性。l機(jī)械特性反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。l機(jī)械特性是分析研究電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的重要依據(jù)。l機(jī)械特性分固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。nnTKKRKUnteae02一、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性11. 3aaRIEU12.

11、 3aeaeeIKRKUnnKEtaatKTIIKT/13. 3002nnKTnTKKRKUnteaen=f(T)T0n0-理想空載轉(zhuǎn)速（T=0）n速度降機(jī)械特性方程的推導(dǎo)（一）他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式l直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的一般表達(dá)式 nnTKKRKUnteae02機(jī)械特性曲線及其方程nnTKKRKUnteae02（二）機(jī)械特性硬度1、定義 2、分類 (1)絕對(duì)硬特性( ) (2)硬特性( 10) (3)軟特性( U，T與與n反方向，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反方向，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)當(dāng)Ennn0 0實(shí)例：實(shí)例：1 1）電車下坡；）電車下坡；2 2）突降）突降U U；3 3）卷?yè)P(yáng)機(jī)下放重物。卷?yè)P(yáng)機(jī)下放重

12、物。特性：特性：E=KE=Ke e n n；U=E+IRU=E+IR當(dāng)當(dāng)n n n n0 0時(shí)，時(shí)，EUEU，導(dǎo)致，導(dǎo)致I Ia a反向，反向，從而從而T T反向，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)運(yùn)反向，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將行狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，向機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，向電網(wǎng)反饋電網(wǎng)反饋，故稱之為反饋制動(dòng)。，故稱之為反饋制動(dòng)。電車下坡的反饋制動(dòng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：nn0 Ia0 TMn01反饋制動(dòng)只在調(diào)磁反饋制動(dòng)只在調(diào)磁降速降速過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)程中產(chǎn)生-TTL下放重物時(shí)的反饋制動(dòng)過(guò)程制動(dòng)矩反向電動(dòng)狀態(tài)a點(diǎn)b點(diǎn)nEIa-TM 反饋制動(dòng)狀態(tài)b點(diǎn) C點(diǎn)nn0Ia0、TM T與n反方向 制動(dòng)改變Rad改變下降的nRad

13、太大n很高不安全(二）反接制動(dòng)l電樞電壓U和電樞電勢(shì)E在外部條件的作用下，方向由相反變?yōu)橐恢拢纱耸沟肨與n的方向相反，故稱之為反接制動(dòng)。l將改變電樞電壓U所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱為電源反接制動(dòng)。l將改變電樞電勢(shì)E所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱為倒拉反接制動(dòng)。電源反接時(shí)的反接制動(dòng)過(guò)程adaaRRIUETKKRRKUnteadae2正向電動(dòng)反接制動(dòng)反接電動(dòng)位能負(fù)載時(shí)反饋制動(dòng)注意：注意：反接時(shí)反接時(shí)U與與E相加，電流很大相加，電流很大,用用Rad限流限流應(yīng)用：快停、經(jīng)常正反轉(zhuǎn)應(yīng)用：快停、經(jīng)常正反轉(zhuǎn)倒拉反接制動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械特性注意注意：T沒(méi)有反向沒(méi)有反向選用不同的選用不同的Rad可可改變下放速度但改變下放速度但不不能

14、太小能太小，交叉點(diǎn)必，交叉點(diǎn)必須在須在四象限四象限（三）能耗制動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械特性反抗負(fù)載制動(dòng)反抗負(fù)載制動(dòng)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)出現(xiàn)反向起：不會(huì)出現(xiàn)反向起動(dòng)的危險(xiǎn)動(dòng)的危險(xiǎn)位能負(fù)載制動(dòng)狀態(tài)位能負(fù)載制動(dòng)狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行速度穩(wěn)定不會(huì)出：運(yùn)行速度穩(wěn)定不會(huì)出現(xiàn)倒拉制動(dòng)那樣因計(jì)算不準(zhǔn)現(xiàn)倒拉制動(dòng)那樣因計(jì)算不準(zhǔn)而引起不降反而上升的事故而引起不降反而上升的事故adaaRRIETKKRRnteada2為使為使IIIImaxmax，R Radad不能太小不能太小直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)械特性正常接線正常接線可有三種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)可有三種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)狀狀態(tài)態(tài)本章小結(jié)一、重點(diǎn)一、重點(diǎn)1、機(jī)械特性機(jī)械特性：分析啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)特性的依據(jù)，是電動(dòng)機(jī)內(nèi)：分析啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)特性的依據(jù)，是電動(dòng)機(jī)內(nèi)容的重中之重容的重中之重 2、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)