第8章 直流電動機

第8章直流電動機8.1直流電動機的構(gòu)造8.2直流電動機的基本工作原理8.3直流電動機的機械特性8.4并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn)8.5并勵電動機的調(diào)速直流電機是電機的主要類型之一。直流電機自身有著顯著的優(yōu)點，但與交流電機相比自身又有著缺點。直流電機既可作電動機（電能轉(zhuǎn)換為機械能）使用，也可作發(fā)電機（機械能轉(zhuǎn)換為電能）使用。永磁直流電機做電源用的直流發(fā)電機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。應用：軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設備；用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等；家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具；直流電動機的用途8.1

直流電動機的構(gòu)造定子、轉(zhuǎn)子直流電動機的結(jié)構(gòu)主磁極：由鐵心和勵磁線圈組成，用于產(chǎn)生一個恒定的主磁場；換向磁極：安裝在兩個相鄰的主磁極之間，它的作用是改善電機的換向；電刷：是通過與換向器之間的滑動接觸，把直流電壓、直流電流引入或引出電樞繞組。機座：固定主磁極等部件，同時也是磁路的一部分。1、定子（磁極）：產(chǎn)生磁場定子鐵心和繞組又稱電樞，包括電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風扇等。電樞鐵心上沖有槽孔，槽內(nèi)放電樞繞組，電樞鐵心也是直流電動機磁路的組成部分；（2）轉(zhuǎn)子電樞繞組的—端裝有換向器，換向器由許多銅質(zhì)換向片組成一個圓柱體，換向片之間用云母絕緣。換向器通過與電刷的摩擦接觸，將兩個電刷之間固定極性的直流電流變換成為繞組內(nèi)部的交流電流，以便形成固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。

直流電樞繞組AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

5結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。２、分類勵磁線圈轉(zhuǎn)子電樞+Ua－+Uf－他勵并勵串勵復勵MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I（１）他勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。他勵式電動機構(gòu)造比較復雜，一般用于對調(diào)速范圍要求很寬的重型機床等設備中。（２）并勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。并勵式電動機在外加電壓一定的情況下，勵磁電流產(chǎn)生的磁通將保持恒定不變。起動轉(zhuǎn)矩大，負載變動時轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便，調(diào)速范圍大。（３）串勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)到同一電源上。串勵式電動機的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加，呈顯著下降的軟特性，特別適用于起重設備。（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復勵式電動機的電磁轉(zhuǎn)矩變化速度較快，負載變化時能夠有效克服電樞電流的沖擊，比并勵式電動機的性能優(yōu)越，主要用于負載力矩有突然變化的場合。差復勵電動機具有負載變化時轉(zhuǎn)速幾乎不變的特性，常用于要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的機械中。8.6.2直流電動機的工作原理和機械特性1．直流電動機的轉(zhuǎn)動原理IIFnF電流方向：上半邊向里，下半邊向外。電刷換向片線圈a、b代表電樞繞組，A、B為一對換向片當電樞轉(zhuǎn)動半周后，a邊處于S極之上，而b邊處于N極之下。由于采用了電刷和換向器裝置，此時電樞中的直流電流方向變?yōu)閺腷邊流入，從a邊流出。電樞仍受到一個逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩T的作用，繼續(xù)繞軸線方向逆時針轉(zhuǎn)動。注意：線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時針旋轉(zhuǎn)。FF2．電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平衡方程當電樞繞組在磁場中轉(zhuǎn)動時，因切割磁力線，線圈中也要產(chǎn)生感應電動勢E，稱之為電樞電動勢。根據(jù)右手定則知，E和原通入的電流方向相反，所以叫反電勢（1）電壓平衡方程EE其大小推導見附錄U是外加電壓，Ra是回路直流電阻，Ia是電樞電流電樞等效電路FFEE以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動勢的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變

或n。(2)若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當外加電壓一定時，電機轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變

可調(diào)速。和交流電動機一樣，直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也是由于載流轉(zhuǎn)子導體在磁場中受電磁力作用而產(chǎn)生的。電磁轉(zhuǎn)距與定子磁通、電樞電流成正比：Cm：電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流由轉(zhuǎn)矩公式可知：(1)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：必須有勵磁磁通和電樞電流。(2)改變電機旋轉(zhuǎn)的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。（2）電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，在電機運行時，必須和外加負載和空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即TL：負載轉(zhuǎn)矩T0

：空載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡過程：當負載轉(zhuǎn)矩（TL）發(fā)生變化時，通過電機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩自動調(diào)整，以實現(xiàn)新的平衡。由3．機械特性穩(wěn)定運行時電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)速n=n0=U/CeΦ,稱為理想空載轉(zhuǎn)速。（實際工作時,由于有空載損耗，T不會為0）轉(zhuǎn)速降低，Ia會增大，感應電動勢E減小。負載增加時，轉(zhuǎn)速會？稱為是轉(zhuǎn)速降T=0時,由于電樞電阻Ra很小，所以負載增加時轉(zhuǎn)速n的下降并不大，大約為3%~8%，因此直流電動機具有硬機械特性。1．直流電動機的起動8.6.3直流電動機的運行與控制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=0

(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。減壓起動：是起動前將施加在電動機電樞兩端的電源電壓降低，以減小起動電流Ist的起動方式。起動電流通常限制在1.5～2.5IN內(nèi)，則起動電壓為

Ust=IstRa=（1.5～2.5）

INRa（1）減壓起動起動時將起動電阻調(diào)至最大，待起動后，隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升將起動電阻逐漸減小。（2）電樞回路串電阻nn0電阻增大T1TTLT22．直流電動機的調(diào)速改變磁通Φ改變電樞電壓U改變電樞串聯(lián)電阻Ra在由直流電動機作為動力的電力拖動系統(tǒng)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量往往要求電動機在運行中能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（U、Ra不變）（、Ra不變）（U、

不變）U=0UfIaM+_+_If（1）改變磁通Φ（U、Ra不變）保持電樞電壓U不變，減小勵磁電流If

(Rf↑)以減小磁通

。所以：磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。，因為：其中，TTL（

減?。㏑f增加n

調(diào)速平滑，可做到無級調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟，控制方便；特點：但在額定情況下，

已接近飽和，所以通常只是減小磁通的辦法，n只能上調(diào)。機械特性較硬，穩(wěn)定性較好；調(diào)速范圍較小。

E

Iａ

TTLn（2）降壓調(diào)速（、Ra不變）其中，調(diào)電壓U，n0變化，但

n不變，所以斜率不變，調(diào)速特性是一組平行曲線。nn0"n0'n0電壓降低T特點:控制靈活、方便，可實現(xiàn)無級調(diào)速；不改變電動機機械特性的硬度，穩(wěn)定性好；調(diào)速范圍較寬；電樞繞組需要一個單獨的可調(diào)直流電源，設備較復雜。nn0"n0'n0電壓降低T（3）電樞回路串電阻（U、

不變）其中，在電樞中串入電阻，n0不變，

n

nn0RaRa+

RT電機的特性曲線變陡（斜率變大）特點：調(diào)速方法簡單、方便；機械特性變軟；調(diào)速范圍小電動機的損耗增大太多，因此只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動機的調(diào)速場合。nn0RaRa+

RT3．直流電動機的制動（1）能耗制動（2）反接制動（3）發(fā)電反饋制動（1）能耗制動—電樞斷電后立即接入一個電阻。停車時，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時：由于慣性電樞仍保持原方向運動，感應電動勢方向也不變，電動機變成發(fā)電機，電樞電流的方向與感應電動勢相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動作用。FFEEMUUfIf+–R運行制動K（2）反接制動電阻R的作用是限流。在停機時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個相反極性的電源相接，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，使電動機迅速減速至停轉(zhuǎn)。FFEEMUUfIf+–R運行制動發(fā)電反饋制動是在電動機轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速時，電樞繞組內(nèi)的感應電動勢將高于外加電壓，使電機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運行，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動轉(zhuǎn)矩，限制電機轉(zhuǎn)速過分升高。特殊情況下，例如汽車下坡時，在重力的作用下n

n0這時電動機變成發(fā)電機，電磁轉(zhuǎn)矩成為阻轉(zhuǎn)矩，從而限制電機轉(zhuǎn)速過分升高。(3)發(fā)電回饋制動近年來，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機性能的電機不斷涌現(xiàn)，使直流電機有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有一定的理論意義和實用價值!例：已知他勵電動機的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時,

n=?（2）

=0.8

N時,

n=?解：（1）TL=0.5TN時（2）

=0.8

N時學習要求1、掌握三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理和使用方法2、理解三相異步電動機的運行特性和控制原理3、理解三相異步電動機的機械特性4、了解單相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理5、了解直流電動機的轉(zhuǎn)動原理和運行特性本章重點：1、三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理和使用方法2、三相異步電動機的運行特性和控制原理3、三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)及其相關(guān)運算本章難點：1、三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理2、三相異步電動機的定轉(zhuǎn)子的電壓電流關(guān)系3、三相異步電動機的機械特性4、單相異步電動機的磁場分析本章考點1、三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生2、三相異步電動機轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子頻率的關(guān)系3、三相異步電動機的定轉(zhuǎn)子的電壓電流計算4、三相異步電動機的Y-Δ降壓起動的分析計算5、三相異步電動機的自藕降壓起動的分析計算6、三相異步電動機的技術(shù)數(shù)據(jù)計算Ist、TN、Tst、Tmax附：電樞電動勢公式推導：每根導體的感應電動勢為式中，—導體所在處的氣隙磁密；—導體的有效長度；—導體相對氣隙磁場的速度。電樞繞組的電動勢應為一條支