直流電動(dòng)機(jī)工作原理

關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)工作原理1

直流電機(jī)的構(gòu)造

直流電動(dòng)機(jī)雖然比三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。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:

軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。

第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天NS············NS1.1

直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造極掌極心勵(lì)磁繞組機(jī)座轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的磁極和磁路

直流電機(jī)由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機(jī)座等部分構(gòu)成。第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.轉(zhuǎn)子(電樞)

由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極永磁式:

由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式:

磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵(lì)磁:

磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：由結(jié)構(gòu)、形狀相同的線圈組成用來在電機(jī)中產(chǎn)生磁場。第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天1.他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)直流電源供電。1.2直流電機(jī)的分類

直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)2.并勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個(gè)直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵(lì)I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵(lì)第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天4.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。3.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。串勵(lì)UIa+_IfM復(fù)勵(lì)U+_IMIa第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2

直流電機(jī)的基本工作原理第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2

直流電機(jī)的基本工作原理IU–+SbNacd

直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。電動(dòng)機(jī)電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。U–+U–+電刷換向片U–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天U–+EETnSbNdFFacII換向片電刷

線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由右手定則，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與電流的方向相反。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1.電樞感應(yīng)電動(dòng)勢

E=EKn第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天U–+EETnSbNdFFacII換向片電刷

由圖可知，電樞感應(yīng)電動(dòng)勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。式中：U—外加電壓

Ra

—繞組電阻2.電樞回路電壓平衡式–RaIaE+–+UM第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天KT:與電機(jī)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3.電磁轉(zhuǎn)矩單位:

(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)

直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為4.轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=KT

Ia第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程T2:機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時(shí)，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達(dá)到新的平衡點(diǎn)(Ia

、P入

)

。T2

n

Ia

T

E

第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，雖然電源電壓U和勵(lì)磁電阻保持不變，但隨著勵(lì)磁方式不同，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機(jī)械特性有很大的區(qū)別。一、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)1.轉(zhuǎn)矩特性IaUM+_If+_IE由圖可求得第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天由上分析可知：

當(dāng)電源電壓U和勵(lì)磁回路的電阻Rf一定時(shí),勵(lì)磁電流If和磁通

不變，即

=常數(shù)。則T=KT

Ia=KT

Ia

即：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的磁通

=常數(shù)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。

n0TIa2.轉(zhuǎn)速特性第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性由以下公式求得n0TIa式中：n0第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性求得IaUM+_If+_IE3.機(jī)械特性第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天式中：n=f(T)

特性曲線n0nNTN

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n的變化不大—硬機(jī)械特性（自然特性）。n0T

nnN很小，大約為3%~8%第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)1.轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)Ia較小時(shí)，鐵心不飽和串勵(lì)UIa+_IfM特點(diǎn)：當(dāng)Ia較大時(shí)，鐵心飽和與并勵(lì)類似第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.轉(zhuǎn)速特性當(dāng)Ia較小時(shí)，可得根據(jù)當(dāng)Ia較大時(shí)，鐵心飽和與并勵(lì)類似從上式可見，當(dāng)輕載時(shí)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速急劇上升，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的損壞，所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許輕載運(yùn)行，一般最低負(fù)載不小于額定負(fù)載的30%n0TIa第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性求得3.機(jī)械特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n的變化大—軟機(jī)械特性（自然特性）。適合于拖動(dòng)啟動(dòng)頻繁、負(fù)載變化大的負(fù)載。

當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速快速下降，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，轉(zhuǎn)速快速上升，這樣不僅可以確保安全，而且可以提高生產(chǎn)效率。第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3

直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)U+_IMIa

他的工作特性介于并勵(lì)和串勵(lì)之間。如果并勵(lì)繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作特性接近。如果串勵(lì)繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與串勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作特性接近。但因?yàn)橛胁?lì)繞組磁通勢的存在，磁通不會(huì)趨近于零，所以空載或輕載時(shí)，仍能正常運(yùn)行。第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

例:有一并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22KW,

UN=110V,

nN=1000r/min,

=0.84,并已知

Rf=27.5

，Ra=0.04,試求:(1)額定電流I,額定電樞電流Ia及額定勵(lì)磁電流If

;(2)損耗功率PaCu,及PO

;(3)額定轉(zhuǎn)矩T;(4)反電動(dòng)勢E。解：(1)P2是輸出功率，額定輸入功率為額定電流額定勵(lì)磁電流額定電樞電流第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天（2）電樞電路銅損勵(lì)磁電路銅損總損失功率空載損耗功率（3）額定轉(zhuǎn)矩（4）反電動(dòng)勢第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天4

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性1.電樞回路串聯(lián)電阻R根據(jù)nn0T電阻增大2.降低電樞電壓Un0nT0U3.減弱磁通

Tn（

減?。㏑f增加

O第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天5

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn)起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)不允許在額定電壓UN下直接起動(dòng)。Iast太大會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,燒壞換向器；起動(dòng)時(shí),n=0

1.起動(dòng)問題：(1)起動(dòng)電流大(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN,造成機(jī)械沖擊，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遭受損壞。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.起動(dòng)方法(1)電樞串電阻起動(dòng)法在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。nn0T電阻增大TLT2T1此啟動(dòng)方法，啟動(dòng)設(shè)備簡單，操作方便，但啟動(dòng)能耗大。第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.注意事項(xiàng)(2)降壓起動(dòng)法：

直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：目前基本采用可控硅整流電源作為調(diào)壓電源。此啟動(dòng)方法，啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)能耗小。TLT2n0nT0T1第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(1)如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KT

Ia),

電機(jī)將不能起動(dòng)，這時(shí)反電動(dòng)勢為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險(xiǎn)。

(2)如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開勵(lì)磁回路，反電動(dòng)勢

E立即減小而使電樞電流增大，同時(shí)由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負(fù)載的需要，電動(dòng)機(jī)必將減速而停轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。

(3)如果電機(jī)在空載運(yùn)行，可能造成飛車，使電機(jī)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.反轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩：T=KT

Ia

(1)改變勵(lì)磁電流的方向。

(2)改變電樞電流的方向。注意：改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時(shí)變。改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天6

并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)的調(diào)速并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維護(hù)也不方便，但在調(diào)速性能上由其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1.調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速

2.調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)D=8~10以上

3.調(diào)速靜差率小。主要優(yōu)點(diǎn)：由轉(zhuǎn)速公式:可見直流電機(jī)調(diào)速方法有三種。第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天6.1

弱磁調(diào)速

保持電樞電壓U不變，減小勵(lì)磁電流If(調(diào)Rf)以減小磁通

。由式TLTnO調(diào)速過程:直至T=TC達(dá)到新的平衡。Rf

E

Iａ

n

Ia

E

T

在高于n的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

弱磁調(diào)速時(shí)，減小，但I(xiàn)a保持不變，所以轉(zhuǎn)矩隨調(diào)速的升高而下降，而允許輸出的功率恒定。所以屬于恒功率調(diào)速，且轉(zhuǎn)速n只能上調(diào)。(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(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)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)，電流小，便于控制。(3)機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4)對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動(dòng)機(jī),其D可達(dá)３~４,一般D=2

減小

調(diào)速的特點(diǎn)：第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天6.2

降壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。n0"n0'電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點(diǎn):(1)工作時(shí)電壓不允許超過UN

，而n

U,所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性好。第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(4)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。(5)調(diào)速范圍較大。一般D=8~10調(diào)速過程:保持If

為額定,減小電樞電壓。

U

Ia

T

T

=TC穩(wěn)定n

E

Ia

T

改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費(fèi)用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。(3)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天6.3

電樞回路串電阻調(diào)速nn0T

電樞回路串電阻調(diào)速時(shí)，和Ia保持不變，所以屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速而允許輸出的功率隨轉(zhuǎn)速下降。且轉(zhuǎn)速n只能下調(diào)。特點(diǎn)：(1)設(shè)備簡單，操作方便。(2)機(jī)械特性軟，穩(wěn)定性差。(4)能量損耗大，只用于小型直流機(jī)。TL(3)調(diào)速范圍較小，一般D=2~2.5第35頁,共39頁，2024年2月25日，星期天1.額定功率PN:

電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。2.額定電壓UN:

額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）3.額定電流IN:

額定電壓下軸上輸出額定功率時(shí)的電流

（并勵(lì)包括勵(lì)磁和電樞電流）。

三者關(guān)系：PN=UNIN

（

：效率）4.額定轉(zhuǎn)速nN:

在PN,UN,IN

時(shí)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在500r/min以上。特殊