高中物理-直流電機的基本原理與結(jié)構(gòu)課件

第三章直流電機

直流電機是通以直流電流的旋轉(zhuǎn)電機，是電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。將機械能轉(zhuǎn)換為電能的是直流發(fā)電機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能的是直流電動機。

一、直流電機的工作原理〔一〕直流發(fā)電機工作原理兩極直流發(fā)電機原理如圖3-l所示。第一節(jié)直流電機的根本原理與結(jié)構(gòu)TSKJ第一頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第二頁，編輯于星期五：十一點十五分。

工作原理：電樞由原動機拖動，以恒定轉(zhuǎn)速按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈有效邊ab和cd切割磁力線時，便在其中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過換向器和電刷的作用，使線圈產(chǎn)生的交變電動勢變?yōu)殡娝啥朔较蚝愣ǖ碾妱觿?，保持外電路的電流按一定方向流動。TSKJ第三頁，編輯于星期五：十一點十五分?！捕持绷麟妱訖C工作原理圖3－5所示為直流電動機工作原理圖

工作原理：當(dāng)直流電動機電樞繞組接至電源上時，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體在磁場中受電磁力的作用，產(chǎn)生了一個轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩的作用下，電樞便按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。TSKJ第四頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第五頁，編輯于星期五：十一點十五分。二、直流電機的根本結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-6所示。它由定子和轉(zhuǎn)子兩個根本局部組成。TSKJ第六頁，編輯于星期五：十一點十五分?！惨弧扯ㄗ佣ㄗ又饕伞?〕主磁極；〔2〕換向磁極；〔3〕機座、端蓋和電刷裝置等組成。1．主磁極主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成?！?〕磁極鐵心：由l~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成。是磁路局部?！?〕勵磁線圈：是磁路局部。產(chǎn)生主磁場。TSKJ第七頁，編輯于星期五：十一點十五分。換向磁極也是由鐵心和換向磁極繞組組成，位于兩主磁極之間，是比較小的磁極。作用：是產(chǎn)生附加磁場，以改善電機的換向條件，減小電刷與換向片之間的火花。3．機座機座由鑄鋼或厚鋼板制成。作用：來安裝主磁極和換向磁極等部件和保護電機，它既是電機的固定局部，又是電機磁路的一局部。4．端蓋與電刷作用：支持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸，固定電刷架。

2．換向磁極

TSKJ第八頁，編輯于星期五：十一點十五分。〔二〕轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子〔電樞〕的組成：主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。1．鐵心：由0.5㎜厚硅鋼片疊壓而成。作用：來嵌放電樞繞組，是直流電機磁路的一局部。2．電樞繞組：其作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。3．換向器：換向器又稱整流子，其作用是將直流電動機輸人的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，進而產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，或是將直流發(fā)電機電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)換成輸出的直流電壓。TSKJ第九頁，編輯于星期五：十一點十五分?！踩硽庀稓庀妒请姍C磁路的重要局部。轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)，定子與轉(zhuǎn)子之間必須要有氣隙，稱為工作氣隙。氣隙大小對電機性能有很大影響。三、直流電機的勵磁方式1．勵磁方式：直流電機的勵磁繞組的供電方式。2．直流電機種類：按勵磁方式分為有〔1〕他勵直流電機；〔2〕并勵直流電機；〔3〕串勵直流電機；〔4〕復(fù)勵直流電機等四種，如圖3－7所示。TSKJ第十頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第十一頁，編輯于星期五：十一點十五分。四、直流電機的銘牌數(shù)據(jù)和主要系列〔一〕直流電機的銘牌數(shù)據(jù)每臺直流電機的機座上都有一個銘牌，其上標(biāo)有電機型號和各項額定值，用以表示電機的主要性能和使用條件，圖3-8為某臺直流電動機的銘牌。TSKJ第十二頁，編輯于星期五：十一點十五分。1.電機型號：型號說明電機的系列及主要特點。知道了電機的型號，便可從相關(guān)手冊及資料中查出該電機的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。2.額定功率PN：指電機在額定運行時的輸出功率。對發(fā)電機是指明輸出電功率PN＝UNIN對電動機是指明輸出的機械功率PN＝UNINηN3.額定電壓UN：指額定運行狀況下，直流發(fā)電機的輸出電壓或直流電動機的輸入電壓。4.額定電流IN：指額定電壓和額定負載時允許電機長期輸人〔電動機〕或輸出〔發(fā)電機〕的電流。5.額定轉(zhuǎn)速nN：指電動機在額定電壓和額定負載時的旋轉(zhuǎn)速度。6.電動機額定效率ηN：指直流電動機額定輸出功率PN與電動機額定輸人功率P1＝UNIN比值的百分?jǐn)?shù)。TSKJ第十三頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第十四頁，編輯于星期五：十一點十五分。第二節(jié)直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動勢一、電磁轉(zhuǎn)矩1．直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T的大小可表示為T=CTφIa〔3－1〕式中CT—與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；φ一每極磁通〔Wb〕Ia一電樞電流〔A〕；T一電磁轉(zhuǎn)矩〔N·m〕。2.直流電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n及軸上輸出功率P的關(guān)系式為：T=9550〔3－2〕式中n一電動機轉(zhuǎn)速〔r／min〕；T—電動機電磁轉(zhuǎn)矩〔N·m〕。式中P一電動機軸上輸出功率〔kw〕；TSKJ第十五頁，編輯于星期五：十一點十五分。二、電樞電動勢直流電動機電樞電動勢的大小為Ea=Ceφn〔3－3〕式中Ce一與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的另一常數(shù)；φ一每極磁通〔Wb〕；n一電動機轉(zhuǎn)速〔r／min〕；Ea一電樞電動勢〔V〕。如圖3－9所示，直流電動機在旋轉(zhuǎn)時，電樞電動勢Ea的大小與每極磁通φ和電動機轉(zhuǎn)速n的乘積成正比，它的方向與電樞電流方向相反，在電路中起著限制電流的作用。TSKJ第十六頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第十七頁，編輯于星期五：十一點十五分。第三節(jié)他勵直流電動機的運行原理與機械特性

圖3-10為一臺他勵直流電動機結(jié)構(gòu)示意圖和電路圖。

TSKJ第十八頁，編輯于星期五：十一點十五分。各物理量正方向的規(guī)定如以下圖：電樞電動勢Ea為反電勢，與電樞電流Ia方向相反；電磁轉(zhuǎn)矩T為拖動轉(zhuǎn)矩，方向與電動機轉(zhuǎn)速n的方向一致；TL為負載轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩，方向與n方向相反。TSKJ第十九頁，編輯于星期五：十一點十五分。一、直流電動機的根本方程式式中U—電樞電壓〔V〕Ia—電樞電流〔A〕Ra—電樞電阻〔Ω〕二、功率平衡方程式1．直流電動機損耗按其性質(zhì)可分：〔1〕機械損耗Pm、〔2〕鐵心損耗PFe〔3〕銅損Pcu〔4〕附加損耗PsU=Ea+IaRa〔3－4〕TSKJ第二十頁，編輯于星期五：十一點十五分?？蛰d損耗P0P0=Pm+PFe(3－5)直流電動機總損耗∑P為∑P=Pm+PFe+Pcu+Ps2．直流電動機輸人的電功率為P1=UI=UIa=〔Ea+IaRa〕Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+Pcua上式說明：輸入的電功率一局部被電樞繞組消耗〔電樞銅損〕一局部轉(zhuǎn)換成機械功率。3．直流電動機輸出的機械功率為P2=Pem-PFe-Pm-PS=Pem-P0=P1-∑P〔3-8〕TSKJ第二十一頁，編輯于星期五：十一點十五分。4．直流電動機的效率為

一般中小型直流電動機的效率在75％－85％之間，大型直流電動機的效率在85％－94％之間。TSKJ第二十二頁，編輯于星期五：十一點十五分。5．他勵直流電動機的功率平衡關(guān)系可用功率流程圖來表示，如圖3-1l所示。

TSKJ第二十三頁，編輯于星期五：十一點十五分?！踩侈D(zhuǎn)矩平衡方程式T2=T－T0T=T2＋T0〔3－9〕式中T一電動機電磁轉(zhuǎn)矩〔N·m〕T2一電動機軸上輸出的機械轉(zhuǎn)矩〔負載轉(zhuǎn)矩〕〔N·m〕T0一空載轉(zhuǎn)矩〔N·m〕TSKJ第二十四頁，編輯于星期五：十一點十五分。一、他勵直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性：是在穩(wěn)定運行情況下，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(T)。〔一〕他勵直流電動機機械特性方程式1．機械特性方程式還可以寫成n=n0－βT=n0－Δn〔3-11〕TSKJ第二十五頁，編輯于星期五：十一點十五分。2．機械特性曲線如圖3－12所示。

TSKJ第二十六頁，編輯于星期五：十一點十五分。二〕他勵直流電動機的固有機械特性當(dāng)他勵直流電動機的電源電壓、磁通為額定值，電樞回路未接附加電阻Rpa時的機械特性稱為固有機械特性，其特性方程為

由于電樞繞組的電阻Ra阻值很小，而φN值大，因此Δn很小，固有機械特性為硬特性。

TSKJ第二十七頁，編輯于星期五：十一點十五分?！踩乘麆钪绷麟妱訖C的人為機械特性為人為機械特性：人為地改變電動機氣隙磁通φ、電源電壓U和電樞回路串聯(lián)電阻Rpa等參數(shù)，獲得的機械特性?！?〕人為機械特性方程為1．電樞回路串接電阻Rpa時的人為特性〔2〕人為機械特性的特點為1〕理想空載轉(zhuǎn)速n0保持不變；2〕機械特性的斜率β隨Rpa的增大而增大，特性曲線變軟。TSKJ第二十八頁，編輯于星期五：十一點十五分。

圖3-l3為不同Rpa時的一組人為機械特性曲線。從圖中可以看出改變電阻Rpa大小，可以使電動機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，因此電樞回路串電阻可用于調(diào)速。TSKJ第二十九頁，編輯于星期五：十一點十五分。2．改變電源電壓時的人為機械特性〔1〕人為機械特性方程為〔2〕人為機械特性的特點為1〕理想空載轉(zhuǎn)速n0正比于電壓U，U下降時，n0成正比例減小；2〕特性曲線斜率p不變。圖3－14為調(diào)節(jié)電壓的一組人為機械特性曲線，它是一組平行直線。因此，降低電源電壓也可用于調(diào)速，U越低，轉(zhuǎn)速越低。TSKJ第三十頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第三十一頁，編輯于星期五：十一點十五分。3．改變磁通時的人為機械特性〔1〕人為機械特性方程式為〔2〕人為機械特性的特點是1〕理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比，減弱磁通φ，n0升高；2〕斜率β與磁通二次方成反比，減弱磁通使斜率增大。圖3－l5所示為一組減弱磁通的人為機械特性曲線，隨著φ減弱，n0升高，曲線斜率變大。假設(shè)用于調(diào)速，那么φ越小，轉(zhuǎn)速越高。TSKJ第三十二頁，編輯于星期五：十一點十五分。第四節(jié)他勵直流電動機的起動和反轉(zhuǎn)一、起動方法1．全壓起動〔1〕全壓起動：是在電動機磁場磁通為φN情況下，在電動機電樞上直接加以額定電壓的起動方式。起動電流Ist為：Ist=〔3-16〕起動轉(zhuǎn)矩Tst為：Tst=CTφNIst〔3-17〕TSKJ第三十三頁，編輯于星期五：十一點十五分?！?〕他勵直流電動機不允許直接起動因為他勵直流電動機電樞電阻Ra阻值很小，額定電壓下直接起動的起動電流很大，通?？蛇_額定電流的10－20倍，起動轉(zhuǎn)矩也很大。過大的起動電流引起電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常工作，同時電動機自身的換向器產(chǎn)生劇烈的火花。而過大的起動轉(zhuǎn)矩可能會使軸上受到不允許的機械沖擊。所以全壓起動只限于容量很小的直流電動機。TSKJ第三十四頁，編輯于星期五：十一點十五分。2．減壓起動減壓起動：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(0.5~2)IN內(nèi)，那么起動電壓應(yīng)為Ust=IstRa=(0.5~2)INRa〔3-18〕3．電樞回路串電阻起動電樞回路串電阻起動：是電動機電源電壓為額定值且恒定不變時，在電樞回路中串接一個起動電阻Rst的起動方式，此時Ist為〔3－19〕TSKJ第三十五頁，編輯于星期五：十一點十五分。圖3-l6為他勵直流電動機自動起動電路圖。起動過程機械特性如圖3-l7所示。

TSKJ第三十六頁，編輯于星期五：十一點十五分。二、他勵直流電動機反轉(zhuǎn)直流電動機反轉(zhuǎn)的方法有以下兩種：〔1〕改變勵磁電流方向保持電樞兩端電壓極性不變，將電動機勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，從而使磁通中方向改變。〔2〕改變電樞電壓極性保持勵磁繞組電壓極性不變，將電動機電樞繞組反接，電樞電流Ia即改變方向TSKJ第三十七頁，編輯于星期五：十一點十五分。第五節(jié)他勵直流電動機的制動1．他勵直流電動機的電氣制動：是使電動機產(chǎn)生一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，阻礙電動機轉(zhuǎn)動。2．常用的電氣制動方法有：能耗制動、反接制動和發(fā)電回饋制動。TSKJ第三十八頁，編輯于星期五：十一點十五分。一、能耗制動

1．制動原理：能耗制動是把正處于電動機運行狀態(tài)的他勵直流電動機的電樞從電網(wǎng)上切除，并接到一個外加的制動電阻Rbk上構(gòu)成閉合回路?？刂齐娐啡鐖D3-18a所示。能耗制動開始瞬間電動機電樞電流為〔3-20〕TSKJ第三十九頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第四十頁，編輯于星期五：十一點十五分。2．機械特性能耗制動的機械特性方程二、反接制動反接制動有〔1〕電樞反接制動〔2〕倒拉反接制動兩種方式。〔一〕電樞反接制動1．制動原理：電樞反接制動是將電樞反接在電源上，同時電樞回路要串接制動電阻RBk?？刂齐娐啡鐖D3-21所示。TSKJ第四十一頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第四十二頁，編輯于星期五：十一點十五分。反接制動開始瞬間電動機電樞電流Ia為2．機械特性〔二〕倒拉反接制動控制電路如圖3-22a所示。TSKJ第四十三頁，編輯于星期五：十一點十五分。1．制動原理：電動機運行在固有機械特性的a點下放重物時，電樞電路串入較大電阻Rbk，電動機轉(zhuǎn)速因慣性不能突變，工作點過渡到對應(yīng)的人為機械特性的b點上，此時電磁轉(zhuǎn)矩T＜TL電動機減速沿特性曲線下降至c點。在負載轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)速n反向，Ea為負值，電樞電流為正值，電磁轉(zhuǎn)矩為正值與轉(zhuǎn)速方向相反，電動機處于制動狀態(tài)。稱為倒拉反接制動。TSKJ第四十四頁，編輯于星期五：十一點十五分。2．機械特性：倒拉反接制動的機械特性方程式為機械特性曲線如圖3－22b所示綜上所述，電動機進人倒拉反接制動狀態(tài)必須有位能負載反拖電動機，同時電樞回路必須串人較大的電阻。此時位能負載轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩，而電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩，它抑制重物下放的速度，使其平安下放。TSKJ第四十五頁，編輯于星期五：十一點十五分。三、發(fā)電回饋制動1．發(fā)電回饋制動：當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速，即n＞no時，電樞電動勢Ea大于電樞電壓U，電樞電流，

電磁轉(zhuǎn)矩T為制動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，電動機向電源回饋電能，此時電機運行狀態(tài)稱為發(fā)電回饋制動。2．應(yīng)用：位能負載高速下放和降低電樞電壓調(diào)速等場合。TSKJ第四十六頁，編輯于星期五：十一點十五分。1．制動原理：由直流電動機拖動的電車在平路行駛，當(dāng)電車下坡時電磁轉(zhuǎn)矩T與負載轉(zhuǎn)矩TL〔包括摩擦轉(zhuǎn)矩Tf〕共同作用，使電動機轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)n＞no時，Ea＞U，Ia反向，T反向成為制動轉(zhuǎn)矩，電動機運行在發(fā)電回饋制動狀態(tài)。2．特點：Ea＞U，Ia反向，電磁轉(zhuǎn)矩T為制動轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩TL拖動轉(zhuǎn)矩，電動機發(fā)電機運行將軸上輸人的機械功率變?yōu)殡姶殴β蔈aIa，其中大局部回饋電網(wǎng)UIa,那么小局部消耗在電樞繞組的銅耗上。如圖3－23C所示TSKJ第四十七頁，編輯于星期五：十一點十五分。TSKJ第四十八頁，編輯于星期五：十一點十五分。3．機械特性

〔二〕降低電樞電壓調(diào)速時的發(fā)電回饋制動如圖3－24所示1．制動原理：將作電動運行狀態(tài)的電動機電樞電壓突然降低時，人為機械特性向下平移，理想空載轉(zhuǎn)速由n0降到n01，但因慣性電動機轉(zhuǎn)速不能突變，使na＞n01，Ea＞Ul，致使電動機電樞電流Ia和電磁轉(zhuǎn)矩T變?yōu)樨撝担妱訖C轉(zhuǎn)速迅速