直流電動機工作原理

關(guān)于直流電動機工作原理第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日1

直流電機的構(gòu)造

直流電動機雖然比三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)復雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械往往采用直流電動機驅(qū)動。直流電機的優(yōu)點：(1)調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。

(2)起動、制動轉(zhuǎn)矩大,易于快速起動、停車。

(3)易于控制。應(yīng)用:

軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。

第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日NS············NS1.1

直流電動機的構(gòu)造極掌極心勵磁繞組機座轉(zhuǎn)子直流電動機的磁極和磁路

直流電機由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機座等部分構(gòu)成。第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)子(電樞)

由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極永磁式:

由永久磁鐵做成。勵磁式:

磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁:

磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：由結(jié)構(gòu)、形狀相同的線圈組成用來在電機中產(chǎn)生磁場。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.他勵電動機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。1.2直流電機的分類

直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機2.并勵電動機勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日4.復勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。3.串勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復勵U+_IMIa第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2

直流電機的基本工作原理第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日2

直流電機的基本工作原理IU–+SbNacd

直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉(zhuǎn)。U–+U–+電刷換向片U–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日U–+EETnSbNdFFacII換向片電刷

線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。KE:

與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n:

電動機轉(zhuǎn)速：磁通1.電樞感應(yīng)電動勢

E=EKn第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日U–+EETnSbNdFFacII換向片電刷

由圖可知，電樞感應(yīng)電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。式中：U—外加電壓

Ra

—繞組電阻2.電樞回路電壓平衡式–RaIaE+–+UM第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日KT:與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

:

線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3.電磁轉(zhuǎn)矩單位:(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)

直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為4.轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,它使電樞轉(zhuǎn)動。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=KT

Ia第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日

當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應(yīng)負載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程T2:機械負載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達到新的平衡點(Ia

、P入)

。T2nIa

T

E第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3

直流電動機的運行特性直流電動機在正常運行時，雖然電源電壓U和勵磁電阻保持不變，但隨著勵磁方式不同，電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機械特性有很大的區(qū)別。一、并勵電動機1.轉(zhuǎn)矩特性IaUM+_If+_IE由圖可求得第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日由上分析可知：

當電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時,勵磁電流If和磁通不變，即=常數(shù)。則T=KT

Ia=KT

Ia

即：并勵電動機的磁通=常數(shù)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。

n0TIa2.轉(zhuǎn)速特性第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3

直流電動機的運行特性由以下公式求得n0TIa式中：n0第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3

直流電動機的機械特性求得IaUM+_If+_IE3.機械特性第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日式中：n=f(T)

特性曲線n0nNTN

并勵電動機在負載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大—硬機械特性（自然特性）。n0TnnN很小，大約為3%~8%第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日3

直流電動機的運行特性二、串勵電動機1.轉(zhuǎn)矩特性當Ia較小時，鐵心不飽和串勵UIa+_IfM特點：當Ia較大時，鐵心飽和與并勵類似第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)速特性當Ia較小時，可得根據(jù)當Ia較大時，鐵心飽和與并勵類似從上式可見，當輕載時串勵電動機的轉(zhuǎn)速急劇上升，將導致電動機的損壞，所以串勵電動機不允許輕載運行，一般最低負載不小于額定負載的30%n0TIa第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日3

直流電動機的機械特性求得3.機械特性

串勵電動機在負載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化大—軟機械特性（自然特性）。適合于拖動啟動頻繁、負載變化大的負載。

當負載增加時，轉(zhuǎn)速快速下降，當負載減小時，轉(zhuǎn)速快速上升，這樣不僅可以確保安全，而且可以提高生產(chǎn)效率。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日3

直流電動機的運行特性三、復勵電動機復勵U+_IMIa

他的工作特性介于并勵和串勵之間。如果并勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與并勵電動機工作特性接近。如果串勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與串勵電動機工作特性接近。但因為有并勵繞組磁通勢的存在，磁通不會趨近于零，所以空載或輕載時，仍能正常運行。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日

例:有一并勵電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22KW,

UN=110V,

nN=1000r/min,

=0.84,并已知

Rf=27.5，Ra=0.04,試求:(1)額定電流I,額定電樞電流Ia及額定勵磁電流If

;(2)損耗功率PaCu,及PO

;(3)額定轉(zhuǎn)矩T;(4)反電動勢E。解：(1)P2是輸出功率，額定輸入功率為額定電流額定勵磁電流額定電樞電流第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日（2）電樞電路銅損勵磁電路銅損總損失功率空載損耗功率（3）額定轉(zhuǎn)矩（4）反電動勢第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日4

并勵電動機的人為機械特性1.電樞回路串聯(lián)電阻R根據(jù)nn0T電阻增大2.降低電樞電壓Un0nT0U3.減弱磁通Tn（

減小）Rf增加O第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日5

并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn)起動直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴重的火花,燒壞換向器；起動時,n=01.起動問題：(1)起動電流大(2)起動轉(zhuǎn)矩大

起動時，起動轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN,造成機械沖擊，使傳動機構(gòu)遭受損壞。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.起動方法(1)電樞串電阻起動法在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。nn0T電阻增大TLT2T1此啟動方法，啟動設(shè)備簡單，操作方便，但啟動能耗大。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.注意事項(2)降壓起動法：

直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：目前基本采用可控硅整流電源作為調(diào)壓電源。此啟動方法，啟動電流小，啟動平穩(wěn)，啟動能耗小。TLT2n0nT0T1第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日(1)如果電動機是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KTIa),

電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險。

(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢

E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。

(3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.反轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩：T=KTIa

(1)改變勵磁電流的方向。

(2)改變電樞電流的方向。注意：改變轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日6

并勵(他勵)電動機的調(diào)速并勵(他勵)電動機與異步電動機相比，雖然結(jié)構(gòu)復雜，價格高，維護也不方便，但在調(diào)速性能上由其獨特的優(yōu)點。

1.調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速

2.調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達D=8~10以上

3.調(diào)速靜差率小。主要優(yōu)點：由轉(zhuǎn)速公式:可見直流電機調(diào)速方法有三種。第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日6.1

弱磁調(diào)速

保持電樞電壓U不變，減小勵磁電流If(調(diào)Rf)以減小磁通。由式TLTnO調(diào)速過程:直至T=TC達到新的平衡。Rf

EIａnIa

ET

在高于n的轉(zhuǎn)速下運行第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日

弱磁調(diào)速時，減小，但Ia保持不變，所以轉(zhuǎn)矩隨調(diào)速的升高而下降，而允許輸出的功率恒定。所以屬于恒功率調(diào)速，且轉(zhuǎn)速n只能上調(diào)。(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受機械本身強度所限，n不能太高。(2)調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟，電流小，便于控制。(3)機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4)對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機,其D可達３~４,一般D=2

減小調(diào)速的特點：第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日6.2

降壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。n0"n0'電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點:(1)工作時電壓不允許超過UN

，而nU,所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性好。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日(4)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。(5)調(diào)速范圍較大。一般D=8~10調(diào)速過程:保持If

為額定,減小電樞電壓。

UIa

T

T

=TC穩(wěn)定n

E

Ia

T

改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。(3)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日6.3

電樞回路串電阻調(diào)速nn0T

電樞回路串電阻調(diào)速時，和Ia保持不變，所以屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速而允許輸出的功率隨轉(zhuǎn)速下降。且轉(zhuǎn)速n只能下調(diào)。特點：(1)設(shè)備簡單，操作方便。(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。(4)能量損耗大，只用于小型直流機。TL(3)調(diào)速范圍較小，一般D=2~2.5第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.額定功率PN:

電機軸上輸出的機械功率。2.額定電壓UN:

額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）3.額定電流IN:

額定電壓下軸上輸出額定功率時的電流

（并勵包括勵磁和電樞電流）。

三者關(guān)系：PN=UNIN

（：效率）4.額定轉(zhuǎn)速nN:

在PN,UN,IN

時的轉(zhuǎn)速。直流電機的轉(zhuǎn)速一般在500r/mi