第3章 直流電機的工作原理及特性

1、第三章第三章直流電機的工作原理及特性直流電機的工作原理及特性重點掌握：重點掌握：了解直流電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；了解直流電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；掌握直流電動機的機械特性；掌握直流電動機的機械特性；掌握直流電動機啟動、調(diào)速和制動等各種特性；掌握直流電動機啟動、調(diào)速和制動等各種特性；掌握實現(xiàn)直流電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法以及掌握實現(xiàn)直流電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法以及它們的使用場所。它們的使用場所。電機是電動機和發(fā)電機之總稱，分交流和直流兩種。電機是電動機和發(fā)電機之總稱，分交流和直流兩種。直流電機直流電機工作電壓或輸出的電壓為直流；工作電壓或輸出的電壓為直流；交流電動機交流電動機工作

2、電壓為交流。工作電壓為交流。直流電機分直流電動機和直流發(fā)電機兩種。直流電機分直流電動機和直流發(fā)電機兩種。直流電動機直流電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能；將電能轉(zhuǎn)換為機械能；直流發(fā)電機直流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。將機械能轉(zhuǎn)換為電能。3.1直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.2直流他勵電動機的機械特性直流他勵電動機的機械特性3.3直流他勵電動機的啟動特性直流他勵電動機的啟動特性3.4直流他勵電動機的調(diào)速特性直流他勵電動機的調(diào)速特性3.5直流他勵電動機的制動特性直流他勵電動機的制動特性章節(jié)內(nèi)容：31直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)一、直

3、流電機的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)電機的工作原理，直流電機的組成可分三個部分：根據(jù)電機的工作原理，直流電機的組成可分三個部分：主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩部分組成。部分組成。主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。定定子：子：轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子：子：換向器：換向器：二、基本的工作原理二、基本的工作原理為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結(jié)構(gòu)簡化為了討論直流電機的工作

4、原理，可把復雜的直流電機結(jié)構(gòu)簡化為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個換向片上，換向片上壓著電刷在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和和B。主磁極主磁極(1)：勵磁繞組上加上：勵磁繞組上加上直流電壓，就有勵磁電流通過，直流電壓，就有勵磁電流通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場，即定使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場。子的主要作用是產(chǎn)生主磁場。二、基本的工作原理二、基本的工作原理為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結(jié)構(gòu)簡化為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結(jié)構(gòu)簡化為電機具有一對主磁極

5、，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個換向片上，換向片上壓著電刷在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和和B。電樞繞組電樞繞組(2)：在固定的磁場：在固定的磁場中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量動勢或產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。二、基本的工作原理二、基本的工作原理為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結(jié)構(gòu)簡化為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結(jié)構(gòu)簡化為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩

6、端分別聯(lián)在兩個換向片上，換向片上壓著電刷在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和和B。換向器換向器(3、4)：電刷固定不動，換：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)。作用：向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)。作用：發(fā)電機：發(fā)電機：將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。流電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。電動機：電動機：將外加的直流電流轉(zhuǎn)換將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不變，磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。1發(fā)電機原理：發(fā)電機原理：將機械能轉(zhuǎn)換為電能。將機械

7、能轉(zhuǎn)換為電能。電樞由原動機驅(qū)動電樞由原動機驅(qū)動而在磁場中旋轉(zhuǎn)，在電而在磁場中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊中樞線圈的兩根有效邊中便感應(yīng)出電動勢便感應(yīng)出電動勢e。每一有效邊中的電動勢是交變的，即在每一有效邊中的電動勢是交變的，即在N極下是一個方向，極下是一個方向，當它轉(zhuǎn)到當它轉(zhuǎn)到S極下時是另一個方向。極下時是另一個方向。由于電刷由于電刷A總是同與總是同與N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷刷B總是同與總是同與S極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個極性不變的電動勢或電壓，當電刷之間接有負載時，就出現(xiàn)一個

8、極性不變的電動勢或電壓，當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。在電動勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。c3-1.swf2電動機原理電動機原理：將電能轉(zhuǎn)換為機械能。將電能轉(zhuǎn)換為機械能。直流電源接在電直流電源接在電刷之間而使電流通入刷之間而使電流通入電樞線圈。電樞線圈。當線圈的有效邊從當線圈的有效邊從N（S）極下轉(zhuǎn)到）極下轉(zhuǎn)到S（N）極下時，其中電）極下時，其中電流的方向必須同時改變。流的方向必須同時改變。N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極下的有效邊極下的有效邊中的電流總是另一個方向。這樣使兩個邊上受到的電磁力的方中的

9、電流總是另一個方向。這樣使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動。向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動。C3-2.swf三、電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩三、電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.電動勢電動勢E根據(jù)電磁學原理，兩電刷間的有感應(yīng)電動勢。根據(jù)電磁學原理，兩電刷間的有感應(yīng)電動勢。nKEe 式中：式中：E 感應(yīng)電動勢（感應(yīng)電動勢（V）；）； 一對磁極的磁通（一對磁極的磁通（Wb）；）；n 電樞轉(zhuǎn)速（電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；）；Ke與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。方向方向:直流發(fā)電機直流發(fā)電機總是與電流的方向相同，常稱為總是與電流的方向相同，常稱為電源電動勢電源電動勢。直流電動機直流電動機總是與電流的方向相反，常稱為

10、總是與電流的方向相反，常稱為反電動勢反電動勢。大小大小:2電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩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。amMIKT 式中：式中：TM電磁轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）；）；對磁極的磁通（對磁極的磁通（Wb）；）；Ia電樞電流（電樞電流（A）；）；Km與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Km=9.55 Ke大?。捍笮。喊l(fā)電機：發(fā)電機：阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向或原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向或原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的方向相反。方向相反。在等速轉(zhuǎn)動時，原動機的轉(zhuǎn)矩在等速轉(zhuǎn)動時，原動機的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機的

11、電磁轉(zhuǎn)矩必須與發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩TM及及空載損耗轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。相平衡。電動機：電動機：驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向相同，使電樞轉(zhuǎn)動。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向相同，使電樞轉(zhuǎn)動。在等速轉(zhuǎn)動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩在等速轉(zhuǎn)動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TM必須與機械負載轉(zhuǎn)矩必須與機械負載轉(zhuǎn)矩TL及及空載損耗轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。相平衡。作用：作用：從以上分析可知，直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，從以上分析可知，直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，雖然都產(chǎn)生電動勢雖然都產(chǎn)生電動勢E和電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩T，但二者的作用正好相反。，但二者的作用正好相反。電機運行方電機運行方式式E與與I的

12、方向的方向E的作用的作用TM的性質(zhì)的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系系發(fā)電機發(fā)電機相同相同電源電動勢電源電動勢阻轉(zhuǎn)矩阻轉(zhuǎn)矩T1=TM+T0電動機電動機相反相反反電動勢反電動勢驅(qū)動轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)矩TM=TL+T0四、直流電動機的分類四、直流電動機的分類按定子勵磁繞組的勵磁方式不同可分為四類：按定子勵磁繞組的勵磁方式不同可分為四類：1他勵電動機：勵磁他勵電動機：勵磁繞組由外加電源單獨供電，繞組由外加電源單獨供電，勵磁電流的大小與電樞兩端勵磁電流的大小與電樞兩端電壓或電樞電流的大小無關(guān)。電壓或電樞電流的大小無關(guān)。2.并勵電動機：勵磁繞組并勵電動機：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接，由外部與電樞繞組并聯(lián)連接，由外

13、部電源一起供電。電源一起供電。3串勵電動機：勵磁繞串勵電動機：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接，由組與電樞繞組并聯(lián)連接，由外部電源一起供電。外部電源一起供電。4復勵電動機：勵磁繞復勵電動機：勵磁繞組分為兩部分，一部分與電樞組分為兩部分，一部分與電樞繞組并聯(lián)連接，另一部分與電繞組并聯(lián)連接，另一部分與電樞繞組并聯(lián)連接。樞繞組并聯(lián)連接。32直流他勵電動機的機械特性直流他勵電動機的機械特性一、機械特性的一般形式一、機械特性的一般形式電動機的機械特性指的是電動機的機械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。不同勵磁方式的電動機，其運行特性也不盡相同，下面主要介不同勵磁方式的電動機，其運行

14、特性也不盡相同，下面主要介紹在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的較廣泛的他勵電動機的機械特性。紹在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的較廣泛的他勵電動機的機械特性。直流他勵電動機原理電路圖。直流他勵電動機原理電路圖。式中式中:U外加電樞電壓（外加電樞電壓（V）E感應(yīng)電勢（感應(yīng)電勢（V）aI電樞電流（電樞電流（A）aR電樞回路內(nèi)阻（電樞回路內(nèi)阻（）電樞回路勵磁回路aaRIEU 電壓平衡方程式：、nKEe amIKT aaeRInKU 即：即：aeaeIKRKUn 轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性TKKRKUn2meae 機械特性機械特性他勵電動機的勵磁電流他勵電動機的勵磁電流If的大的大小與電樞電流小與電樞電流Ia的大小無關(guān)，它的大小無關(guān)，它的大小

15、只取決于的大小只取決于Rf、 Uf的大小，的大小，當當Rf、 Uf的大小一定時的大小一定時,If為定值，為定值，即磁通即磁通 為定值。為定值。aaRIEU 1.理想空載轉(zhuǎn)速：理想空載轉(zhuǎn)速： T=0時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速，用速，用n0表示。表示。 e0KUn 2.轉(zhuǎn)速降落轉(zhuǎn)速降落TKKRnnn2mea0 3.機械特性硬度機械特性硬度為了衡量機械特性的平直程度，引進一個機械特性硬度的概念，為了衡量機械特性的平直程度，引進一個機械特性硬度的概念，其定義為：其定義為：%100dd nTnT 理想空載點理想空載點TKKRKUn2meae 即轉(zhuǎn)矩變化與所引起的轉(zhuǎn)速變即轉(zhuǎn)矩變化與所引起的轉(zhuǎn)速變化的比值，稱為機械特性的硬度。化的比值，稱為機械特性的硬度。根據(jù)根據(jù) 值的不同，可將電值的不同，可將電動機機械特性分為三類。動機機械特性分為三類。（1）絕對硬特性）絕對硬特性 （2）硬特性）硬特性 10（3）軟特性）軟特性 Tr，前進時速度，前進時速度n 為正。為正。勻速走平路時（勻速走平路時（a點）：輸出轉(zhuǎn)矩點）：輸出轉(zhuǎn)矩TM用來克服負載轉(zhuǎn)矩用來克服負載轉(zhuǎn)矩Tr電動狀態(tài)電動狀態(tài)。在在an0段，段，TM與與n的方向相同，故為電動狀態(tài)。的方向相同，故為電動狀態(tài)。在在bn0段，段，TM