直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理及啟動(dòng)

關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理及啟動(dòng)12第2章直流電動(dòng)機(jī)2.1概述2.2工作原理2.3電樞電動(dòng)勢(shì)及電壓平衡關(guān)系2.4電磁轉(zhuǎn)矩2.5機(jī)械特性2.6直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2.7直流電動(dòng)機(jī)的使用和額定值第2頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天32.1概述與異步電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便，而且要使用直流電源。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動(dòng)、停車。（3）易于控制。應(yīng)用：（1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。（3）家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)玩具第3頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天42.2工作原理

一、工作原理U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II第4頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天5注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，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(chǎng)的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。FFU+–NS電刷換向片II第5頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天6FFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反。第6頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天7直流發(fā)電機(jī)用右手定則判感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea的方向U+–NSEEIa電樞繞組電阻Ra感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出電壓第7頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天8二、直流電機(jī)的構(gòu)成直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成。機(jī)座磁極勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)第8頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天91.轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。2.定子定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵(lì)磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。第9頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天10根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M他勵(lì)UfIfIaUM并勵(lì)UIfM串勵(lì)UM復(fù)勵(lì)U第10頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天112.3電樞電動(dòng)勢(shì)及電壓平衡關(guān)系電樞通入電流后，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)起來。通電線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，又會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（用E表示）。一、電樞中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)FFU+–NS電刷換向片IIEE第11頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天12根據(jù)右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為：KE：與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

：磁通單位：

（韋伯），n（轉(zhuǎn)/每分），E（伏）FFU+–NS電刷換向片IIEE第12頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天13二、電樞繞組中電壓的平衡關(guān)系因?yàn)镋與通入的電流方向相反，所以叫反電勢(shì)。U：外加電壓Ra:繞組電阻MRaIaE+–+–U以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動(dòng)勢(shì)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(dāng)外加電壓一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變

可調(diào)速。第13頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天142.4電磁轉(zhuǎn)矩KT：與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對(duì)數(shù)等有關(guān)）

：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流一、電磁轉(zhuǎn)矩單位：

（韋伯），Ia（安培），T（牛頓米）由轉(zhuǎn)矩公式可知：(1)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：必須有勵(lì)磁磁通和電樞電流。(2)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。第14頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天15二、轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須和外加負(fù)載和空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0

：空載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡過程：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩（TL）發(fā)生變化時(shí)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢(shì)、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)新的平衡。第15頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天16例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=TL+T0(平衡)，這時(shí)，若TL突然增加，則調(diào)整過程為：與原平衡點(diǎn)相比，新的平衡點(diǎn)：Ia

、P入

TL

n

E

Ia

T

最后達(dá)到新的平衡點(diǎn)。第16頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天17電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系以他勵(lì)和串勵(lì)電機(jī)為例說明。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性一樣。2.5機(jī)械特性一、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性即：其中，M他勵(lì)UfIfIaU第17頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天18n0：

理想空載轉(zhuǎn)速,即T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速。（實(shí)際工作時(shí),由于有空載損耗，電機(jī)的T不會(huì)為0。）當(dāng)T

時(shí)n

，但由于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電阻Ra很小，所以在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n的變化不大，屬硬機(jī)械特性。根據(jù)n-T公式畫出特性曲線n0nNTNTnn其中，第18頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天19串勵(lì)的特點(diǎn)：勵(lì)磁線圈的電流和電樞線圈的電流相同。二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性設(shè)磁通和電流成正比，即

=K

Ia,則據(jù)此公式做出T-n曲線nTM串勵(lì)UIa第19頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天20(1)T=0時(shí)，在理想情況下，n

。但實(shí)際上負(fù)載轉(zhuǎn)矩不會(huì)為0，不會(huì)工作在T=0的狀態(tài)，但空載時(shí)T很小，n很高。串勵(lì)不允許空載運(yùn)行，以防轉(zhuǎn)速過高。串勵(lì)特性：(2)隨轉(zhuǎn)矩的增大，n下降得很快，這種特性屬軟機(jī)械特性。nT第20頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天21(2)恒功率負(fù)載（P一定時(shí)，T和n成反比），要選軟特性電機(jī)拖動(dòng)。如：電氣機(jī)車等。直流電動(dòng)機(jī)特性類型的選擇:(1)恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械(負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不隨轉(zhuǎn)速而變要選硬特性的電動(dòng)機(jī)，如：金屬加工、起重機(jī)械等。TLTnnT第21頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天222.6直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

與異步電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維護(hù)不方便，但它的最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速性能好。（1）調(diào)速均勻平滑，可以無級(jí)調(diào)速。（2）調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)200（他勵(lì)式）以上（調(diào)速比等于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：第22頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天23

可知，n和

有關(guān)，在U一定的情況下，改變

可改變n。在勵(lì)磁回路中串上電阻Rf，改變Rf大小調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而改變

的大小。一、改變磁通（調(diào)磁）1.原理其中，M他勵(lì)UfIfIaU其中：

=K

If以他勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例說明直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。第23頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天24

Rf

If

n

，但在額定情況下，

已接近飽和，If再加大，對(duì)

影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。

Rf

If

n

，減弱磁通是常用的調(diào)速方法。If的調(diào)節(jié)有兩種情況：概念：改變磁通調(diào)速的方法—

減小磁通，n只能上調(diào)。其中，M他勵(lì)UfIfIaU其中：

=K

If第24頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天252.特性的變化所以：磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。？？？，因?yàn)椋海?/p>

減?。㏕LRf增加Tn

其中，第25頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天26調(diào)速過程:

U一定,則Rf

E

Ia

T

n

Ia

E

暫時(shí)T

>TL其中，最后達(dá)到新的平衡T

=TL其中：

=K

If第26頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天27（1）調(diào)速平滑，可做到無級(jí)調(diào)速，但只能向上調(diào)，受機(jī)械本身強(qiáng)度所限，n不能太高。（2）調(diào)的是勵(lì)磁電流（該電流比電樞電流小得多），調(diào)節(jié)控制方便。3.減小

調(diào)速的特點(diǎn)：第27頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天28第28頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天29第29頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天30二、改變電樞電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速特性方程知：調(diào)電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。1.特性曲線nn0"n0'n0電壓降低T其中，第30頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天312.改變電樞電壓調(diào)速的特點(diǎn)（1）工作時(shí)電樞電壓一定，電壓調(diào)節(jié)時(shí)，不允許超過UN，，而n

U，所以調(diào)速只能向下調(diào)。（2）可得到平滑、無級(jí)調(diào)速。（3）調(diào)速幅度較大。MUfIfIaU變壓整流220V~整流調(diào)壓220V~Uf=110V固定U=0~110V可調(diào)改變電樞電壓調(diào)速方案舉例：第31頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天32例：已知他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時(shí),

n=?（2）

=0.8

N時(shí),

n=?解：（1）TL=0.5TN時(shí)第32頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天33（2）

=0.8

N時(shí)第33頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天34這種調(diào)速方法耗能較大，只用于小型直流機(jī)。串勵(lì)電機(jī)也可用類似的方法調(diào)速。三、改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速在電樞中串入電阻，使

n

、

n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡（斜率變大），在相同力矩下，n

nn0RaRa+

RT其中，第34頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天352.7直流電動(dòng)機(jī)的使用和額定值限制Iast的措施：（1）啟動(dòng)時(shí)在電樞回路串電阻。（2）啟動(dòng)時(shí)降低電樞電壓。一、使用1.啟動(dòng)啟動(dòng)時(shí),n=0

Ea=0，若加入額定電壓，則Iast太大會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN內(nèi)。第35頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天36(1)若電動(dòng)機(jī)原本靜止，由于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T=KT

Ia，而

0

，電機(jī)將不能啟動(dòng)，因此，反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流會(huì)很大，電樞繞組有被燒毀的危險(xiǎn)。直流機(jī)在啟動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生以下事故：注意：第36頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天37（2）如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)磁路突然斷開，

則

,則E

，Ia

，T

，可能不滿足TL的要求，電動(dòng)機(jī)必將減速或停轉(zhuǎn)，使

Ia更大，也很危險(xiǎn)。（3）如果電機(jī)空載運(yùn)行，可能造成飛車。

E

Ia

T>>

T0

n

飛車M他勵(lì)UfIfIaU其中：

=K

If第37頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天38措施：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一定要有失磁保護(hù)。一般在勵(lì)磁繞組加失壓繼電器或欠流繼電器。當(dāng)失壓或欠流時(shí)，自動(dòng)切斷電樞電源U。M他勵(lì)UfIfIaU第38頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天392.反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由電磁力矩的方向確定。（1）改變勵(lì)磁電流的方向。（2）或改變電樞電流的方向。改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：第39頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天40（1）反接制動(dòng)3.制動(dòng)制動(dòng)所采用的方法：

反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)、發(fā)電回饋制動(dòng)MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)電阻R的作用是限制電源反接制動(dòng)時(shí)電樞的電流過大。第40頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天41（2）能耗制動(dòng)—電樞斷電后立即接入一個(gè)電阻。MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)K停車時(shí)，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時(shí)：由于慣性電樞仍保持原方向運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向也不變，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電樞電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。第41頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天42