直流电机的工作原理课件

直流电机的工作原理及特性n3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.3 直流电动机的机械特性n3.4 直流他励电动机的启动特性n3.5 直流他励电动机的调速特性n3.6 直流他励电动机的制动特性1与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好，调速范围广，易于平滑调节。）调速性能好，调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方。）用蓄电池做电源的地方。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具定义：定义：机械能机械能直流电能直流电能直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机2第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.1.1 直流电机的基本结构 根根据据电电机机的的工工作作原原理理，直直流流电电机机的的组组成成可可分分为为定定子子、转转子子和和换换向器向器三大部分。三大部分。定子部分定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。转子部分转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。3第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.1.1 直流电机的基本结构换向器定子转子4第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.1.1 直流电机的基本结构 (定子剖面图)主磁极换向极磁极数主磁极的个数磁极对数=磁极数/25第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图）转子换向片转轴电枢线圈6第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.1.1 直流电机的基本结构 (换向器图）电刷换向片7把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。1 主磁极主磁极：励磁绕组上加上直：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。即定子的主要作用是产生主磁场。82电电枢枢绕绕组组：在在固固定定的的磁磁场场中中旋旋转转，主主要要作作用用是是产产生生感感应应电电动动势势或或产产生生机机械械转转矩矩，实实现现能能量量的的转换。转换。3、4换换向向器器：电电刷刷固固定定不不动动，换换向向片片与与电电枢枢绕绕组组一一起起旋旋转转，主主要要作作用用对对发发电电机机而而言言是是将将电电枢枢绕绕组组内内感感应应的的交交流流电电势势转转换换成成电电刷刷间间的的直直流流电电势势。对对电电动动机机而而言言，则则是是将将外外加加的的直直流流电电流流转转换换为为电电枢枢绕绕组组的的交交变变电电流流，并并保保证证每每一一磁磁极极下下，电电枢枢导导体体的的电电流流的的方方向不变，以产生恒定的电磁转矩。向不变，以产生恒定的电磁转矩。3电刷电刷4换向片换向片9第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 3.1.2 3.1.2 直流电机的工作原理有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量 右手定则右手定则 左手定则左手定则 B-磁感应强度磁感应强度v-速度方向速度方向e-感应电势感应电势I-电流方向电流方向f-电磁力方向电磁力方向电磁感应定理电磁感应定理电磁力定理电磁力定理11直流发电机直流发电机用右手定则判用右手定则判感应电动势感应电动势E的方向的方向感应电动势感应电动势输出电压输出电压U+NSEEIa第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.1.2 直流电机的工作原理电枢绕组电枢绕组电阻电阻Ra12直流电动机直流电动机U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II13注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片II电磁转矩电磁转矩14FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。感应电动势感应电动势15电动势和电磁转矩电动势和电磁转矩 1.电动势电动势E 根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:式中：式中：E感应电动势（感应电动势（V）；）；对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）；n电枢转速（电枢转速（r/min）；）；Ke与电机结构有关的常数。与电机结构有关的常数。直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。反电动势。16 2电磁转矩电磁转矩T 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：其大小可用如下公式表示：式中：式中：T 电磁转矩（电磁转矩（Nm）；）；对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）；Ia电枢电流（电枢电流（A）；）；Kt与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke17 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。发电机的电磁转矩发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须必须与发电机的电磁转矩与发电机的电磁转矩T及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩的电磁转矩T必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。18第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性他励并励串励复励按励磁方式分类按励磁方式分类1933 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电动机的机械特性指的是电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩转速与电磁转矩之间的关系。之间的关系。不不同同励励磁磁方方式式的的电电动动机机，其其运运行行特特性性也也不不尽尽相相同同，下下面面主主要要介介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。直流他励电动机的原理电路图。直流他励电动机的原理电路图。3.3.1 他励电动机的机械特性20 式中式中:外加电枢电压（外加电枢电压（V）；）；感应电势（感应电势（V）；）；电枢电流（电枢电流（A）；）；电枢回路内阻（电枢回路内阻（）电枢回路部分电枢回路部分励磁回路部分励磁回路部分21 即：即：转速特性转速特性 机械特性机械特性221.理想空载转速：理想空载转速：T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想空载转速，用速，用n0表示。表示。2.转速降落转速降落 3.机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引入机械特性硬度的概念，其为了衡量机械特性的平直程度，引入机械特性硬度的概念，其定义为：定义为：理想空载点理想空载点23 即转矩变化与所引起的转速即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬变化的比值，称为机械特性的硬度。度。根据根据 值的不同，可将电值的不同，可将电动机机械特性分为三类。动机机械特性分为三类。（1）绝对硬特性）绝对硬特性 （2）硬特性）硬特性 10 （3）软特性）软特性 Tr 。匀速走平路时（匀速走平路时（a点）：输出转矩点）：输出转矩TM用来克服负载转矩用来克服负载转矩Tr。在在an0段：段：TM与与n的方向相同，故为电动状态。的方向相同，故为电动状态。在在n0b段段：TM与与n的的方方向向相相反反，且且工工作作速速度度大大于于理理想想空空载载转转速速，故电动机工作在反馈制动状态。故电动机工作在反馈制动状态。642电枢电压突然下降时的反馈制动电枢电压突然下降时的反馈制动 若若电电动动机机工工作作在在A点点时时将将电电枢枢电电压压突突然然降降低低为为U2，电电动动机机的的机机械械特特性性变变为为曲曲线线2，由由于于机机械械惯惯性性，工工作作点点由由A转转换换到到B点点。此此时时-TM-TLn0 Ia=-Ia-TMTM与与n反方向制动反方向制动改变改变Rad改变下降的改变下降的nRad太大太大n很高不安全很高不安全67制动简便可靠，不需改变接线制动简便可靠，不需改变接线能量回馈电网比较经济能量回馈电网比较经济制动只能在制动只能在nnnn0 0时，应用范围较窄时，应用范围较窄适用于位能负载稳定地下放的场合适用于位能负载稳定地下放的场合反馈制动特点反馈制动特点68 反接制动具有如下特点：反接制动具有如下特点：1）电动机的外加电枢电压）电动机的外加电枢电压U与感应电动势与感应电动势E的方向在外界的作的方向在外界的作用下由相反变为相同；用下由相反变为相同；2）电动机的输出转矩）电动机的输出转矩TM与转速与转速n的方向相反。的方向相反。在反接制动中，把在反接制动中，把改变电枢电压改变电枢电压U的方向的方向所产生的反接制动称所产生的反接制动称为为电源反接制动电源反接制动；而把；而把改变电枢电动势改变电枢电动势E的方向的方向所产生的反接制动所产生的反接制动称为称为倒拉反接制动倒拉反接制动。3.6.2 反接制动69 1电源反接制动电源反接制动 设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的机械特性为当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的机械特性为 70 当电压的实际方向与参考方向相相反时，电动机的机械特性为当电压的实际方向与参考方向相相反时，电动机的机械特性为 其特性曲线分别如图（其特性曲线分别如图（b）中的曲线中的曲线1和曲线和曲线2所示。所示。71反向电动正向电动反接制动位能负载反馈制动72 注意注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。接足够大的限流电阻。电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。的场合以及要求经常正反转的机械上。73制动强烈而迅速制动强烈而迅速有自动反转的可能，转速接近零有自动反转的可能，转速接近零时应立即切断电源时应立即切断电源从电网吸取大量电能从电网吸取大量电能适用于要求迅速制动的场合适用于要求迅速制动的场合电源反接制动特点电源反接制动特点74n2.倒拉反接制动(串接Rad改变斜率法)注意注意：这里：这里T没有没有反向反向选用不同的选用不同的Rad可可改变下放速度但不改变下放速度但不能能太小太小，交叉点必，交叉点必须在须在四象限四象限75控制电路简单控制电路简单可实现低速下放重物可实现低速下放重物适用于要求平稳低速下放重物适用于要求平稳低速下放重物地场合地场合倒拉反接制动特点倒拉反接制动特点763.6.3 能耗制动(U=0U=0串接串接R Radad)位能负载制动状态位能负载制动状态优点优点：运行速度稳定不会出：运行速度稳定不会出现倒拉制动那样因计算不准现倒拉制动那样因计算不准而引起不降反而上升的事故而引起不降反而上升的事故反抗负载制动反抗负载制动优点优点：不会出现反向起动：不会出现反向起动的危险的危险Rad不能太小不能太小IImax 电阻越小，产生的反向电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。电流越大，制动越快。77控制电路简单，平稳可靠控制电路简单，平稳可靠可实现准确停车可实现准确停车制动效果随转速成反比制动效果随转速成反比适用于要求减速平稳，没适用于要求减速平稳，没有反向而准确停车地场合有反向而准确停车地场合能耗制动特点能耗制动特点78正常接线可有三种运转状态反转接线方法不同四象限对应反转状态正转状态正常接线可有三种运转状态正转79例例 一台他励直流电动机的额定数据为：一台他励直流电动机的额定数据为：(1)电动机带反抗性负载电动机带反抗性负载 运行时，进行能耗制动，运行时，进行能耗制动，欲使起始制动转矩为欲使起始制动转矩为 ，电枢回路应串多大电阻？，电枢回路应串多大电阻？(2)电动机带位能性额定负载转矩，以电动机带位能性额定负载转矩，以1000rmin的速的速度下放时，可用那些方法，电枢回路分别应串多大电阻？度下放时，可用那些方法，电枢回路分别应串多大电阻？(3)电动机带反抗性额定负载转矩运行时，进行电压反接制动电动机带反抗性额定负载转矩运行时，进行电压反接制动停车，欲使起始制动转矩为停车，欲使起始制动转矩为 ，电枢回路应串多大电阻，电枢回路应串多大电阻?(4)电动机带位能性负载，电动机带位能性负载，欲以，欲以1800rmin的的速度下放时，应采用什么方法，电枢回路应串多大电阻速度下放时，应采用什么方法，电枢回路应串多大电阻?80解解 （1）能耗制动时串入的电阻）能耗制动时串入的电阻计算电动机的计算电动机的 理想空载转速理想空载转速 额定电磁转矩额定电磁转矩(1)电动机带反抗性负载电动机带反抗性负载 运行时，进行能耗制动，运行时，进行能耗制动，欲使起始制动转矩为欲使起始制动转矩为 ，电枢回路应串多大电阻？，电枢回路应串多大电阻？81时的转速时的转速 能耗制动起始时的电枢电动势能耗制动起始时的电枢电动势:能耗制动时电枢回路应串电阻能耗制动时电枢回路应串电阻:82所需下放速度低于理想空载转速，故可用能耗制动或倒拉反所需下放速度低于理想空载转速，故可用能耗制动或倒拉反接制动方法下放该重物。接制动方法下放该重物。用能耗制动方法下放时，电枢回路应串电阻用能耗制动方法下放时，电枢回路应串电阻由由 用倒拉反接制动方法下放时，由其机械特性表达式可得电枢用倒拉反接制动方法下放时，由其机械特性表达式可得电枢回路应串电阻的计算公式，因为回路应串电阻的计算公式，因为 由由(2)电动机带位能性额定负载转矩，以电动机带位能性额定负载转矩，以1000rmin的速的速度下放时，可用那些方法，电枢回路分别应串多大电阻？度下放时，可用那些方法，电枢回路分别应串多大电阻？83运行时的电枢电动势运行时的电枢电动势 反接制动停车时电枢回路应串电阻反接制动停车时电枢回路应串电阻:(3)电动机带反抗性额定负载转矩运行时，进行电压反接制动电动机带反抗性额定负载转矩运行时，进行电压反接制动停车，欲使起始制动转矩为停车，欲使起始制动转矩为 ，电枢回路应串多大电阻，电枢回路应串多大电阻?84所需下放速度大于理想空载转速，应采用反向回馈制动方法所需下放速度大于理想空载转速，应采用反向回馈制动方法电枢回路串电阻时的机械特性方程式为电枢回路串电阻时的机械特性方程式为代入代入 解之得电枢回路应串电阻解之得电枢回路应串电阻(4)电动机带位能性负载，电动机带位能性负载，欲以，欲以1800rmin的的速度下放时，应采用什么方法，电枢回路应串多大电阻速度下放时，应采用什么方法，电枢回路应串多大电阻?585