直流电机原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,直流电机的工作原理及特性,重点掌握：,了解直流电机的基本结构及工作原理；,掌握直流电动机的机械特性；,掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；,掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以,及它们的使用场所。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种。,直流电动机的优点：,1,、便于移动。,2,、调速性能好。,3,、启动转矩大。,直流电动机的缺点：,1,、制造工艺复杂，生产成本高。,2,、维护较困难。,3,、可靠性差。,直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力,机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽车电瓶,充电、电动工具等。,1,直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构,直流电机的结构图如图所示：,机座,磁极极身,励磁,绕组,转子,直流电机结构示意图,磁极极掌,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为,定子,、,转子,和,换向器,三大部分。,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。,转子部分,主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,换向器,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。,主,磁极：,建立主磁场；用,1,1,5mm,钢板冲片叠装而成。,换向磁极：,改善换向；,用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。,励磁绕组：,用电磁线,（漆包线）,绕制，通直流电后产生磁动势。,机座：,由铸钢或钢板焊接而成，,即是结构件又是主磁路的一部分。,电刷装置：,主要有电刷和刷握组成，引入或引出直流电。,电枢铁心：,主磁路，嵌放电枢绕组；,用,0,5mm,硅钢板冲片叠 装而成。,电枢绕组：,通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个元件（独立线圈）按一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。,换向器：,改变电枢绕组的,电流或感应电动势方向；由换向片（铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。,直流电机的基本工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可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,A,和,B,。,1,主磁极,：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2,电枢绕组,：在磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3,、,4,换向器,：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3,电刷,4,换向片,直流发电机的工作原理,右图,为,直流发电机的物理模型，,N,、,S,为定子磁极，,abcd,是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端,a,、,d,连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。,此时，导体,ab,在,N,极下，,a,点高电位，,b,点低电位（右手定则）；导体,cd,在,S,极下，,c,点高电位，,d,点低电位；电刷,A,极性为正，电刷,B,极性为负。,因此电刷,A,的极性总是正的，,电刷,B,的极性总是负的，在电刷,A,、,B,两端可获得直流电动势。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要,N,、,S,极交替多对。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转,180,0,后，如右图。,导体,ab,在,S,极下，,a,点低位，,b,点高电位；导体,cd,在,N,极下，,c,点,低电位，,d,点高电位；电刷,A,极性性仍为正，电刷,B,极性仍为负。,直流发电机工作原理：,励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直流电动势。,直流电动机工作原理,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,把电刷,A,、,B,接到直流电源,上，电刷,A,接正极，电刷,B,接负,极。此时电枢线圈中将电流流,过。如右图。,在磁场作用下，,N,极性下,导体,ab,受力,方向从右向左，,S,极下导体,cd,受力方向从左向右。,该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电机转子逆时针方向旋转。,当电枢旋转到右图所示位置时,原,N,极性下导体,ab,转到,S,极下，受,力,方向从左向右，原,S,极下导体,cd,转到,N,极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩,。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,直流电动机工作原理：,励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场,。电枢绕组通入直流电流，由于换向器的作用将电刷间的直流电流变成元件内的交流电流，保证同一磁极下元件边内的电流方向始终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流电动机旋转。,电动势和电磁转矩：,1.,电动势,E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为,:,式中：,E,感应电动势（,V,）；,对磁极的磁通（,Wb,）；,n,电枢转速（,r/min,）；,K,e,与电机结构有关的常数，,K,e,=,pN,/,60,a,。,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。,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。,2,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，其大小可用如下公式表示：,式中：,T,电磁转矩（,Nm,）；,对磁极的磁通（,Wb,）；,I,a,电枢电流（,A,）；,K,t,与电机结构有关的常数，,K,t,=,pN,/,2,a,K,t,=9.55,K,e,3,直流发电机,直流电机的励磁方式：,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方,式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过,励磁绕组通入电流激励而建立的。,按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复,励。,U,=,E,-,I,a,R,a,I,=,U,/,R,U,0,=,E,=,K,e,n,空载特性曲线、外特性曲线如右图：,a,他励发电机,-,+,U,f,f,I,b,并励发电机,原动机带动发电机旋转时，,如果主磁极有剩磁，则电枢绕组,切割剩余磁通感应电动势，在电,动势作用下励磁回路产生电流。,如果,并联在电枢绕组两端的励磁,绕组极性正确，则,产生的磁动势,与剩磁方向相同，使主磁路的磁,通增加，电动势增大。如此不断,增长，直到励磁绕组两端电压与,电枢回路相等（即,U,=,U,f,=I,f,R,f,）时,，发电机电压达到稳定的平衡工,作点,A,。,-,+,U,I,a,I,G,f,I,如图，曲线,1,为空载特性曲线，曲线,2,为励磁回路总电阻,R,f,特性线，也称场阻线,U,f,=I,f,R,f,。如果增大,R,f,，,场阻线斜率增大，空载电压降低。如果继续,增大,R,f,，,场阻线变为曲线,3,，此时,R,f,称为临界电阻,R,fcr,。,若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励建压。,负载特性：,当,n,=,n,N,，,I,f,=,I,fN,时,，,U,=,f,(,I,),的关系，称为负载特性，如右图。,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。,根据公式,U,=,C,e,n,-,I,a,R,a,可知，,如果转速不变，端电压下降有两个,原因：一是在励磁电流一定情况下，,负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，,使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负,载电流增大而增大，使端电压下降。,解决这一问题可采用积复励绕组。,c,复励发电机,总结：,（,1,）电机的主磁路有剩磁。,（,2,）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确。,（,3,）励磁回路的总电阻小于临界电阻。,