華理電機第4章

本章主要討論直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、直流電機的磁場分布、感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、電樞反應(yīng)及影響、直流電機的機械特性、起動、調(diào)速等方法。直流電機分為兩種：

直流電動機（直流電能轉(zhuǎn)化為機械能）直流發(fā)電機（機械能轉(zhuǎn)化為直流電能）最早的電源：電池，提供直流電能

第四章直流電機直流電機的缺點：換向困難；容量受限；換向器造價高；壽命短。直流電機的優(yōu)點：1、調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)；2、過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩大，能實現(xiàn)快速起動并可經(jīng)受頻繁的沖擊負載；3、易于控制，可靠性高；4、調(diào)速時的能量損失小。4.3直流電機的分類和主要系列4.1直流電機的工作原理4.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)4.1.1直流發(fā)電機工作原理4.1.2直流電動機工作原理4.1.3

直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩4.1.4直流電機的銘牌數(shù)據(jù)4.4直流電動機4.4.1直流電動機的機械特性4.4.2直流電動機速度的調(diào)節(jié)4.4.3直流電動機的功率關(guān)系4.4.4直流電動機的起動、調(diào)速和制動

4.5并勵發(fā)電機4.6.1并勵發(fā)電機的自勵4.6.2并勵發(fā)電機的外特性4.1.1直流發(fā)電機工作原理

右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。4.1直流電機的工作原理F運動導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與感應(yīng)電流用右手定則；通電導(dǎo)線在磁場中的受力用左手定則。

當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)后，如右圖。

可見，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。

導(dǎo)體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。F

實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機的電樞繞組。4.1.2直流電動機工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。如右圖。

直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。

在磁場作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時

同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。一直流電機的電樞電動勢4.1.3

直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時,主磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢簡稱為電樞電動勢。大小:性質(zhì):發(fā)電機——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機——反電勢(與電樞電流反方向).)(電動勢常數(shù)為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中可見，直流電機的感應(yīng)電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。二直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:性質(zhì):發(fā)電機——制動(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動機——驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同)?？梢姡圃旌玫闹绷麟姍C其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中4.1.4直流電機的銘牌數(shù)據(jù)

額定值是制造廠對各種電氣設(shè)備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產(chǎn)品設(shè)計或試驗的依據(jù)。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。

⒈額定功率PN

指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以"W"為量綱單位。若大于1kW或1MW時,則用kW或MW表示。

⒉額定電壓UN：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以“V”為量綱單位。

⒊額定電流IN：指電機在額定電壓、額定功率時的電源輸入電流值，以“A”為量綱單位。

⒋額定轉(zhuǎn)速nN：指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。

⒌額定勵磁電流If：指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。

對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PN＝UNIN

對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應(yīng)有效率ηN存在。PN＝UNINηN4.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承主磁極電刷裝置機座端蓋換向極鐵心電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承端蓋磁軛勵磁繞組主磁極換向極繞組風扇機座（磁軛）主磁極鐵心勵磁繞組極尖極弧換向極鐵心換向極繞組電樞鐵心轉(zhuǎn)軸電樞繞組氣隙極身極靴一直流電機的分類4.3

直流電機的分類和主要系列

（1）按工作性能：發(fā)電機和電動機（2）按主磁極構(gòu)成材料不同：

永磁直流電機，永磁磁鋼產(chǎn)生磁場電磁式直流電機，鐵芯和繞組產(chǎn)生磁場。（3）電磁式直流電機一般按勵磁方式分類：它勵自勵：并勵，串勵，復(fù)勵1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。二直流電機的勵磁方式

供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復(fù)勵三種方式。Ea2、并勵：直流電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且兩者共用一端電壓。3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足EaEa4、復(fù)勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結(jié)合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。aIRfRfRf4.4直流電動機4.4.1直流電動機的機械特性定義：當端電壓一定，主磁通不變時，電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即。Ea一、并勵直流電動機的機械特性機械特性曲線特點：（1）該曲線在電源電壓、磁通為額定值，且電樞回路不串電阻時得到固有機械特性。（2）M=0時，n=n0為理想空載轉(zhuǎn)速。（3）M=MN時，n=nN為額定轉(zhuǎn)速。（4）從空載到額定負載轉(zhuǎn)速下降僅為額定轉(zhuǎn)速的5%~10%，表明機械特性較硬。例、一臺并勵直流電動機額定電壓UN=220v，電樞電流IaN=75A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.26歐姆，勵磁回路總電阻Rf=91歐姆，鐵損耗PFe=600w，機械損耗Pm=198w，求：

（1）電動機額定負載運行時輸出轉(zhuǎn)矩M2

（2）電動機額定負載時的效率。Ea例：并勵電動機UN=220V，PN=10KW，nN=1000r/min，

ηN=0.8，Ra=0.3歐姆，Rf=150歐姆。

求：(1)If,Ia,IN;

(2)Ea,MN;

(3)當負載轉(zhuǎn)矩下降為額定轉(zhuǎn)矩的一半時的轉(zhuǎn)

速。

二、串勵直流電動機的機械特性Ea上述方程反映了如圖所示的機械特性：（1）當M開始增大時，n下降快速；當M大于MN時，n下降緩慢，機械特性較軟。（2）當M=0時，n為無窮大即理想空載轉(zhuǎn)速，所以串勵電動機不允許空載或輕載運行。（3）適用于負載轉(zhuǎn)矩變化較大的場合。三、幾種不同勵磁方式的機械特性它勵、并勵機械特性較硬，兩者較相似，適用于轉(zhuǎn)速變化較小的場合。串勵機械特性較軟，且不能空載運行，適用于負載轉(zhuǎn)矩變化較大的場合。復(fù)勵介于兩者中間，具有并勵和串勵的一些優(yōu)點。串勵復(fù)勵并勵它勵

所以

（1）電樞回路串電阻RΩ

（2）改變勵磁磁通

（3）改變電源電壓U4.4.2直流電動機速度的調(diào)節(jié)

根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)速時必須的，直流電動機比交流電動機調(diào)速性能好。1．對調(diào)速性能的要求：

（1）調(diào)速范圍大，調(diào)速比

（2）調(diào)速平滑性

（3）經(jīng)濟性好

（4）方法簡便可靠

2．調(diào)速方法因為1、改變Ra調(diào)速（以并勵為例）原機械特性:EaRTnMMNn0RT1RTRT2n1n2nnMMNn0RT1RTRT2n1n2n特點：1）在nN以下調(diào)速，n0不變（接入RT對n0沒有影響）2）機械特性較軟，穩(wěn)定性下降3）當RT均勻變化時可實現(xiàn)平滑調(diào)速4）方法簡單，能耗大，經(jīng)濟性差5）在調(diào)速范圍不大、穩(wěn)定性要求不高的范圍使用。2、改變勵磁磁通調(diào)速（弱磁升速）以并勵為例EaRr1）通過串入電阻Rr改變If，進而改變磁通。2）由于電動機在額定勵磁電流時磁路接近飽

和，再增加磁通有困難，所以一般減小磁

通來調(diào)速，即弱磁升速通過勵磁繞組串入

電阻實現(xiàn)。3）理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比。磁通減小，n0上升。nMMNn0Φ減小1）調(diào)速只能在大于額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)

節(jié)。2）斜率變大，機械特性上移，但硬度

變化不大，因此穩(wěn)定性比較高。3）調(diào)速受換向器機械強度、發(fā)熱等限

制調(diào)速范圍不大。4）可實現(xiàn)無級調(diào)速，If較小控制方便，

能耗小。5）輸入功率增加的同時，電磁功率輸

出功率也增加因此效率并不降低。6）該方法也適合它勵、串勵、復(fù)勵電

動機。3、改變端電壓調(diào)速

改變端電壓調(diào)速是在保持磁通為額定值，且電樞電流不串電阻的條件下進行調(diào)節(jié)，以它勵為例。Ea專用直流電源nMMNn0nNUNU1U2減小特點：1）為安全運行，一般采用降低端電壓，故轉(zhuǎn)速在低于額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2）曲線向下平移，端電壓下降，轉(zhuǎn)速下降。3）可實現(xiàn)均勻無級調(diào)速。4）調(diào)速范圍廣，機械特性硬度不變，穩(wěn)定性好。5）需用專用的調(diào)壓電源。4、串勵電動機的調(diào)速三種方法：1)電樞回路串聯(lián)電阻

2)改變U3)改變If與Ia的比值?改變?有兩種方法：a）電樞分流

b）串勵繞組分流R2K2K1R1a）電樞分流

b）串勵繞組分流K1閉合，K2打開，If>Ia,所以?>1,R1較大，R1中有功率損耗，較少采用，曲線1向曲線2變化，轉(zhuǎn)速下降。K1打開，K2閉合，If<Ia,所以?<1,R2較大，能耗損失較少，曲線1向曲線3變化，轉(zhuǎn)速增加。123nM串勵電機作牽引電機時常用的兩種調(diào)速方法作牽引時需要較大的牽引力，較低的速度（如起動，爬坡時）方法1：串勵繞組串、并聯(lián)變速起動時串聯(lián)，串入起動電阻Rp，n減小，M增大。起動后并聯(lián)，切除起動電阻Rp，n增大，M減小。方法2：串聯(lián)繞組中間抽頭變速ABC起動時A、B段輸入電源，Rf增加，n減小，M增大起動后A、C端輸入電源，Rf減小，n增加，M減小4.4.3直流電動機的功率關(guān)系Rf可忽略輸入功率電磁功率電樞回路總的銅損耗電磁功率輸出機械功率空載損耗鐵損機械損耗附加損耗

總損耗勵磁回路損耗銅損

4.4.4直流電動機的起動、調(diào)速和制動

一、直流電動機的起動

1、對起動性能的要求：

Mst足夠大

Ist盡量?。ㄐ∮谠试S值）

2、起動方法

直接起動——直接將電樞投入UN起動操作簡單，不需附加設(shè)備，但起動電流大最大可達起動電流的15~20倍，只適用于功率小于4kw，起動電流為額定電流6~8倍的電動機。

電樞回路串變阻器起動——起動時在電樞回路串入起動電阻Rst，能量消耗較大不適用于經(jīng)常起動的大、中型直流電機。適用于中小型直流電機。例、已知一并勵電動機PN=10kw，UN=220v，IN=53.8A，nN=1500r/min，Ra=0.3歐姆。Rf忽略。求①直接起動時的電流；②若Ist<2IN電樞電路應(yīng)串多大的電阻？③在額定負載下，若在電樞中串0.7歐姆的電阻，轉(zhuǎn)速為多少？降壓起動——起動降低電樞繞組電壓U<UN

，能量消耗小，起動平滑但需專用設(shè)備適用于經(jīng)常要求起動的大、中型直流電機。4.5直流電動機的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動方向由磁場方向和電樞電流方向決定。方法：改變勵磁繞組兩端接線——磁場方向改變電樞繞組兩端接線——電流方向例一臺串勵直流電動機，UN=110V，Ra=0.1歐姆（忽略Rf）已知電動機在某負載下運行時，電樞電流Ia=40A，n=1000r/min，現(xiàn)使負載轉(zhuǎn)矩增加到4倍，問電動機電樞