聊城大學機械與汽車工程學院機電傳動第3章1

第三章直流電機的工作原理及特性掌握直流電機的電勢方程式，轉矩方程式和電壓平衡方程式；掌握直流電動機的機械特性，特別是人為機械特性；掌握直流電動機起動，制動，調速的各種方法和應用場所；了解用機械特性來分析直流電動機運行狀態(tài)的方法。

電機直流電機交流電機按能量轉換方式可分為：電動機—電能轉換為機械能發(fā)電機—機械能轉換為電能直流電機：直流電動機，直流發(fā)電機。

直流電動機特點：良好的啟動性能和調速性能；不及交流電機結構簡單、制造容易、維護方便、運行可靠。

用途：速度調節(jié)要求較高、正反轉和啟、制動頻繁或多單元同步協(xié)調運轉的生產(chǎn)機械。3.1直流電機的基本結構和工作原理3.1.1直流電機的基本結構定子：產(chǎn)生主磁場并在機械上支撐電機。轉子：產(chǎn)生感應電勢或機械轉矩以實現(xiàn)能量的轉換。直流電機結構1—換向器2—電刷裝置3—機座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風扇8—電樞繞組9—電樞鐵心直流電機結構簡圖電刷電樞繞組主磁極換向器轉子：由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風扇組成。作用：產(chǎn)生感應電勢或機械轉矩?？諝庀叮憾?、轉子之間的氣隙。

定子：由主磁極、換向極、機座、端蓋、軸承、電刷座組成。作用：產(chǎn)生主磁場，支撐電機?！裰鞔艠O：鐵心(1～1.5mm鋼片疊壓，極掌──使氣隙磁通分布最為合適)，勵磁繞組(絕緣銅線)

●換向極：改善電樞電流的換向性能(鐵心，繞組，兩主磁極中間)?！駲C座：

固定主磁極、換向極、端蓋，磁路一部分(鑄鋼或鋼板壓成)。

●電樞鐵心：

主磁通磁路一部分，硅鋼片疊成，圓柱形，通風孔，表面沖槽，槽內裝電樞繞組?！耠姌欣@組：

銅線繞成，包上絕緣嵌入電樞鐵心槽中，槽楔。

●換向器：彼此絕緣銅片、電刷發(fā)電機：將電樞繞組內感應的交流電勢→直流電勢。電動機：外加直流電流→電樞繞組交變電流，保證每一磁極下電樞導體的電流方向不變──產(chǎn)生恒定電磁轉矩。換向器作用：１.電磁力定律

載流導體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導體互相垂直作用在導體上的電磁力大小為：Ｆ=B·Ｌ·Ｉ3.1.2直流電機的基本工作原理２、電磁感應定理

在磁場中運動的導體將會感應電勢，若磁場、導體和導體的運動方向三者互相垂直則作用導體中感應的電勢大小為：

Ｅ=B·Ｌ·v

●發(fā)電機每一導體感應電動勢：交變;方向：右手定則；電刷間電動勢或電壓：極性不變

電動勢表達式式中，E──電動勢；Ke──與電機結構有關的常數(shù);

──每對磁極的磁通；n──電樞轉速。除了產(chǎn)生電動勢E以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電磁轉矩T（左手定則），它和空載轉矩T0

──都是

阻轉矩，由原動機T1克服。●電動機電磁轉矩T（左手定則）：克服空載轉矩T0和負載轉矩TL電磁轉矩表達式式中，Kt──與電機結構有關的常數(shù)，Kt=9.55Ke;

Ia

──電樞電流。除了產(chǎn)生電磁轉矩以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電動勢E：由外加電壓U平衡。

電機運行方式E與Ia的方向E的作用T的性質轉矩之間的關系發(fā)電機電動機相同相反電源電動勢反電動勢阻轉矩驅動轉矩T1=T+T0T=TL+T0電機在不同運行方式下，E和T的作用3.2直流發(fā)電機按勵磁方法分類1)他勵發(fā)電機：發(fā)電機的勵磁繞組由外電源供電。2)自勵發(fā)電機：發(fā)電機的勵磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分。又分為：(1)并勵發(fā)電機；(2)串勵發(fā)電機；(3)復勵發(fā)電機。直流電發(fā)機的結構與勵磁方式他勵并勵串勵復勵串勵+并勵1.他勵發(fā)電機電壓與電流間的關系：U=E-IaRa

Ia=(E-U)/RaIa=II=U/R空載特性：空載時，輸出電壓與勵磁電流的關系當空載時，Ia=0,U=U0=E=KenE和成正比，但和If不是成正比，而是磁化曲線。外特性：額定轉速和一定勵磁下，輸出電壓和輸出電流之間的關系他勵發(fā)電機的外特性曲線實質：空載→滿載時電壓的變化一般允許

2.并勵發(fā)電機電壓與電流之間的關系：U=E-IaRaIa=(E-U)/Ra

If=U/RfI=U/RIa=I+If≈I并勵發(fā)電機的自勵條件

自勵過程：并勵發(fā)電機建立電壓的過程。并勵發(fā)電機的特點是勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由發(fā)電機自已供給勵磁電流，而不需要另外勵磁電源。

并勵發(fā)電機的建壓過程

并勵直流發(fā)電機自勵的三個條件:

（1）電機必須有剩磁

（2）勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確

（3）勵磁回路中電阻小于rfc（稱為臨界值）3.并勵發(fā)電機的外特性曲線電源----------外特性

U=f(I)硬特性從空載到滿載電壓變化率5%-10%3.3.1他勵電動機的機械特性3.3直流電動機的機械特性分類：他勵、并勵、串勵、復勵。機械特性方程式為直流電動機機械特性的一般表達式由將Ia值再代入,得由得3)機械特性硬度β在機械特性方程式中，no稱為理想空載轉速；△n稱為轉速降落。機械特性硬度是衡量機械特性平直程度的：

絕對硬特性。如交流同步電動機的機械特性＞10硬特性如直流他勵電動機和異步電動機的機械特性＜10軟特性如直流串勵電動機的機械特性機械特性曲線n=f(T)固有(自然)機械特性和人為機械特性1)他勵直流電動機的固有機械特性在額定電壓，額定磁通，電樞電路內不外接電阻時的機械特性即為固有機械特性。

額定負載時，轉速降落不多，是硬特性；金屬切削機床，冷軋機，造紙機等宜于選用硬特性的電動機。2)固有機械特性曲線的作法已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra,Ke

,(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉速no計算:(3)額定轉矩Nn的計算:no,TN,找出兩個點，即理想空載點(0,n0)和額定運行點(TN,nN)，通過這兩點作出自然機械特性。舉例(1)一臺Z2-51型直流他勵電動機，已知額定功率5.5kW，額定電壓220V，額定電流31A，額定轉速1500r/min，忽略損耗，求固有機械特性。解：分析

只要求出理想空載點和額定運行點，就可繪出機械特性。=0.71=0.132=1667r/min=35Nm人為機械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人為機械特性在固有機械特性方程式中，用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人為機械特性方程式：附加電阻Rad越大，機械特性越軟。（2）改變電樞電壓的人為機械特性

U改變，但轉速降不變因此，變電樞電壓的人為機械特性是一簇與固有機械特性平行的特性曲線。

只允許在額定電壓以下調節(jié)。條件：Φ=ΦN，Rad=0，改變電壓U(U≠UN，U≤UN)(3)改變磁通時的人為特性

從機械特性方程可知，改變磁通時，電動機的理想空載轉速和轉速降落都會隨磁通的變化而變化。磁通只能在額定值以下調節(jié)，理想空載轉速和轉速降落都要增大-------弱磁增速。使用中，要防止電動機過載，更要