第8章 直流电动机 8.1 直流电机的构造 8.2 直流电机的基本工作原理 8.3 直流电动机的机械特性 8.4 并励电动机的起动与反转

Presentation on theme: "第8章 直流电动机 8.1 直流电机的构造 8.2 直流电机的基本工作原理 8.3 直流电动机的机械特性 8.4 并励电动机的起动与反转"— Presentation transcript:

1 第8章 直流电动机 8.1 直流电机的构造 8.2 直流电机的基本工作原理 8.3 直流电动机的机械特性 8.4 并励电动机的起动与反转
第8章 直流电动机 直流电机的构造 直流电机的基本工作原理 直流电动机的机械特性 并励电动机的起动与反转 并励(他励)电动机的调速 并励(他励)电动机的制动

2 第8章 直流电动机 本章要求 1. 了解直流电动机的基本构造和工作原理。 2. 掌握他励（并励）和串励直流电动机的电
第8章 直流电动机 本章要求 1. 了解直流电动机的基本构造和工作原理。 2. 掌握他励（并励）和串励直流电动机的电 压与电流的关系式，接线图、机械特性。 3.掌握他励（并励）和串励直流电动机的起 动、反转和调速、制动的基本原理和基本方法。

3 8.1 直流电机的构造 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起
8.1 直流电机的构造 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起 动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或 者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动 机驱动。 直流电机的优点： (1) 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。 (3) 易于控制。 应用: 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。

4 8.1.1 直流电动机的构造 · 极心 励磁绕组 直流电机由定 极掌 N 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。 机座 S 转子
直流电动机的磁极和磁路

5 1. 磁极 用来在电机中产生磁场。 永磁式: 由永久磁铁做成。 励磁式: 磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。 励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。 2. 转子(电枢) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。 电枢铁心：由硅钢片叠装而成。 电枢绕组：由结构、形状相同的线圈组成

6 8.1.2 直流电机的分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机 1. 他励电动机
直流电机的分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机 1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。 Ia U M + _ If I E 并励 U Uf Ia M + _ If 他励 2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。

7 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。
3. 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 串励 U Ia + _ If M 复励 U + _ I M Ia 4. 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。

8 8.2 直流电机的基本工作原理

9 8.2 直流电机的基本工作原理 n S b N a c d 换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。 电刷
8.2 直流电机的基本工作原理 S b N a c d 换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。 电刷 n F I T F I 换向片 U – + U – + U – + U – + 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。

10 b n d a T c S N F I 换向片 电刷 E E U – +
线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。 1. 电枢感应电动势 KE: 与电机结构有关的常数 n: 电动机转速  ：磁通 E=EK n

11 E T n S b N d F a c I 换向片 电刷 U – + 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。 – Ra Ia E + U M 2. 电枢回路电压平衡式 式中：U — 外加电压 Ra — 绕组电阻

12 3. 电磁转矩 直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为 T=KT Ia KT: 与电机结构有关的常数  : 线圈所处位置的磁通 Ia：电枢绕组中的电流 单位:  (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿•米) 4. 转矩平衡关系 电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。 在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空 载损耗转矩相平衡，即

13 T2: 机械负载转矩 T0: 空载转矩 转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 例： 设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时， 若T2突然增加，则调整过程为 T2  n E T  Ia  达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。

14 8.3 直流电动机的运行特性 直流电动机在正常运行时，虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。 Ia U M + _ If I E 一、并励电动机 1. 转矩特性 由图可求得

15 n 由上分析可知： 当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时, 励 磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则
T=KT Ia = KT Ia T 即：并励电动机的磁通  = 常数，转矩与电枢电流 成正比。 2. 转速特性 Ia

16 8.3 直流电动机的运行特性 n T 由以下公式 n0 Ia 求得 式中：

17 8.3 直流电动机的机械特性 Ia U M + _ If I E 3. 机械特性 求得

18 式中： n n= f (T) 特性曲线 nN n0 并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大—硬机械特性（自然特性）。 TN T
T n0  n n= f (T) 特性曲线 动画 nN TN 并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大—硬机械特性（自然特性）。 nN很小，大约为3%~8%

19 8.3 直流电动机的运行特性 当Ia较小时，铁心不饱和 当Ia较大时，铁心饱和 与并励类似 二、串励电动机 If Ia 特点：
U Ia + _ If M 特点： 1. 转矩特性 当Ia较小时，铁心不饱和 当Ia较大时，铁心饱和 与并励类似

20 n 当Ia较小时， 当Ia较大时，铁心饱和 与并励类似
2. 转速特性 n T Ia 当Ia较小时， 根据 可得 从上式可见，当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30% 当Ia较大时，铁心饱和 与并励类似

21 8.3 直流电动机的机械特性 3. 机械特性 串励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化大—软机械特性（自然特性）。 求得
适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。 当负载增加时，转速快速下降，当负载减小时，转速快速上升，这样不仅可以确保安全，而且可以提高生产效率。

22 8.3 直流电动机的运行特性 三、复励电动机 U I Ia
+ _ I M Ia 他的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。

23 例: 有一并励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,
UN=110V, nN=1000r/min,  = 0.84, 并已知 　　Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定 电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PaCu , 　 及PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。 解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为 额定电流 额定励磁电流 额定电枢电流

24 （2）电枢电路铜损 励磁电路铜损 总损失功率 空载损耗功率 （3）额定转矩 （4）反电动势

25 8.4 并励电动机的人为机械特性 n n n 根据 n0 1.电枢回路串联电阻R 2.降低电枢电压U 3.减弱磁通 T （ 减小） n0
电阻增大 1.电枢回路串联电阻R 2.降低电枢电压U 3.减弱磁通 n0 n T U T n （ 减小） Rf 增 加  O

26 例: 有一他励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,
UN=220V, nN=1500r/min, IN=115A Ra= 0.125 , 　　试求: (1) 电枢回路串联电阻R=0.75  (2) 电枢电压降低为U=150V (3) 磁通减弱为=0.8 的人为机械特性 解：根据额定数据可得

27 例: 有一他励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,
UN=220V, nN=1500r/min, IN=115A Ra= 0.125 , 　　试求: (1) 电枢回路串联电阻R=0.75  (2) 电枢电压降低为U=150V (3) 磁通减弱为=0.8 的人为机械特性 解：根据额定数据可得 (1) 当R=0.75 ，T=TN时，

28 (2) 电枢电压降低为U=150V (3) 磁通减弱为=0.8 的人为机械特性 (2) 当电枢电压降低为U=150V ，T=TN时

29 (3) 磁通减弱为=0.8 ， T=TN时

30 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。
8.5 并励电动机的起动与反转 起动 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。 1. 起动问题： (1) 起动电流大 起动时,n =0  Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器； (2) 起动转矩大 起动时，起动转矩为(10~20)TN , 造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。 一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。

31 n 2.起动方法 (1) 电枢串电阻起动法 在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。 n0
电阻增大 此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。 T1 TL T T2

32 TL T2 n T1 (2) 降压起动法： n0 目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。 T
T1 目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。 3.注意事项 直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：

33 (1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT Ia) ,
电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流 　很大，电枢绕组有被烧坏的危险。 (2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势 　　E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的　　转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转， 　　更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换 　　向器。 (3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭 　　受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组 　　烧坏。

34 2.反转 　　电磁转矩：　　T=KT Ia　 改变直流电机转向的方法有两种： (1) 改变励磁电流的方向。 (2) 改变电枢电流的方向。 注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。

35 8.6 并励(他励)电动机的调速 并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结 构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上 由其独特的优点。
　　并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结 构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上 由其独特的优点。 主要优点： 1. 调速均匀平滑，可以无级调速 2. 调速范围大，调速比可达D=8~10 以上 3.调速静差率小。 由转速公式: 可见直流电机调速方法有三种。

36 8.6.1 弱磁调速 由式 n 保持电枢电压U不变，减小励磁电流If (调Rf)以减小磁通 。 调速过程: Rf    E 
Ia  E T  n 动画 直至T=TC达到新的平衡。 在高于n的转速下运行 O T TL

37 弱磁调速时，减小，但Ia保持不变，所以转矩随调速的升高而下降，而允许输出的功率恒定。所以属于恒功率调速，且转速n 只能上调。
减小 调速的特点： (1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 　 机械本身强度所限，n不能太高。 (2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其D可达３~４, 一般D=2

38 8.6.2 降压调速 n Tc n0 由转速公式知： n0' 调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。 n0"
n0 电压降低 由转速公式知： 调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。 n0' Tc n0" 改变电压调速的特点: 特性曲线 (1)工作时电压不允许超过UN ，而n  U, 所以调速 只能向下调。 (2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。

39 (3)属于恒转矩调速。 (4)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。 (5)调速范围较大。一般D=8~10 调速过程: 保持If 为额定,减小电枢电压。　 U  Ia  T  T = TC稳定 n  E  Ia  T  改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。 近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。

40 8.6.3 电枢回路串电阻调速 n n0 T 电枢回路串电阻调速时，和Ia保持不变，所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速下降。且转速n 只能下调。 TL 特点：(1) 设备简单，操作方便。 (2)机械特性软，稳定性差。 (3)调速范围较小，一般D=2~2.5 (4)能量损耗大，只用于小型直流机。

41 例: 有一他励电动机， 已知U=220V , Ia=53.8A, n=1500r/min Ra=0.7  。今将电枢电压降低一 半，而负载转矩不变，问转速降低多少？ 解: 由T=KT  Ia可知，在保持负载转矩和励磁电 流不变的条件下，电流也保持不变。 电压降低后的转速n′对原来的转速n之比为

42 例: 有一他励电动机， 已知 :Ia=68.5A, PN=13KW
nN=1500r/min Ra=0.225  。 UN=220V (1)采用电枢串电阻调速，使n=1000r/min，应串入多大的电阻？ (2)采用降压调速，使n=1000r/min，电源电压应降为多少？ (3)采用弱磁调速，  =0.85N ，电动机的转速为多少？能否长期运行？ (4)如要求静差率30%， 分别采用 (1),(2)种调速方法能达到的调速范围有多大？

43 (1)采用电枢串电阻调速时，当= N,T=TN时Ia=68.5A,
根据

44 (2)降压调速时，当= N,T=TN时Ia=68.5A,
根据

45 (2)弱磁调速时，当= 0.85N,T=TN时, 根据 电动机不能长期运行

46 (4)额定条件下，固有特性 根据 电枢串联电阻调速时，n0不变， 时 额定负载允许的转速降为 允许的最低转速为

47 调速范围为： 降压调速时，nN不变， 允许的最低理想空载转速降为 时 允许的最低转速为 调速范围为：

48 8.7 他励直流电动机的制动 7.7.1 能耗制动 机械制动 电气制动 制动方法 能耗制动 反接制动 发电反馈制动
8.7 他励直流电动机的制动 机械制动 电气制动 制动方法 能耗制动 反接制动 发电反馈制动 7.7.1 能耗制动 能耗制动时，电动机励磁电流不变，电枢电压U=0 U=0 Uf Ia M + _ If 因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。

49 8.7 他励直流电动机的制动 7.7.1 能耗制动 n 此时机械特性方程为
8.7 他励直流电动机的制动 7.7.1 能耗制动 此时机械特性方程为 可见T=0 时，n=0; T>0时，n<0; T<0时，n>0;所以，机械特性应在二、四象限，并通过原点。 n n0 T TL A B -T

50 制动过程: U=0 Ia 反向 T 反向为制动转矩 n=0 n  T  能耗制动特点： （1）设备简单，运行可靠，且不需从电网输入电能。 （2）能准确停车。 （3）低速时制动效果较差。

51 8.7.2 反接制动 1.电枢电压反接制动 此时电枢电流 由 变为 同样因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。
此时机械特性方程为 n0 T TL A B -T C -n0

52 制动过程: T 反向为制动转矩 -U Ia 反向 C点时，n=0 T  n  反接制动特点： （1）设备简单，制动转矩大，常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行。 （2）能量损耗大

53 8.7.2 反接制动 2. 倒拉反转反接制动：只能适用于电动机拖动位能性负载，实现匀速下放重物。 此时机械特性方程为 U Uf Ia If
M + _ If K n=0 n0 T TL A C B D -n 当K闭合时，电动机为正向电动运行（提升重物）为使重物下放，断开K，

54 在电枢串入较大的电阻，使（n=0时的电磁转矩T)小于负载转矩TL，这样在位能负载转矩TL的作用下，时电动机反转（n为负，下放重物）。一直到D点稳定运行
A C B D -n 此时n反向为负值，E也为负值 电枢电流 所以电枢电流方向不变，所以电磁转矩方向也不变，但与n的方向相反，为制动转矩。

55 8.7.3 回馈制动 当位能性负载快速下放物体时，当n>n0时，使E>U，由原来的电动状态转为发电状态。 电枢电流
同样电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。 mg n -T n0 T -TL B 因为此时P1=UIa<0，将位能转换为电能回馈电网，称回馈制动。

56 8.8 串励电动机的启动、调速及制动 启动 调速 制动 串励电动机的启动方法与他励电动机一样，采用电枢串电阻和降压启动。 但 启动转矩较大
8.8 串励电动机的启动、调速及制动 启动 串励电动机的启动方法与他励电动机一样，采用电枢串电阻和降压启动。 但 启动转矩较大 调速 串励电动机的调速方法与他励电动机一样，采用电枢串电阻和降压启动和弱磁调速。其原理与他励电动机相同。 制动 串励电动机由于理想空载转速无穷大，所以没有回馈制动运行状态，只能进行能耗和反接制动。

57 直流电动机的额定值 1.额定功率PN: 电机轴上输出的机械功率。 2.额定电压UN : 额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：110V，220V，440V） 3.额定电流IN : 额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。 三者关系：PN=UNIN （ ：效率） 4.额定转速nN: 在PN , UN , IN 时的转速。 直流电机的转速一般在500r/min 以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。 注意: 调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过1.2nN 。 。

58 8.5.4 电动机的连接 直流电动机特性类型的选择: (1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关)要选
硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。 (2) 通风机械负载，机械负载 TL 和转速 n 的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。 (3) 恒功率负载（P 一定时，T和n 成反比)，要选 软特性电机拖动。如：电气机车等。 电动机的连接 直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组 各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小 区别。 (1) 绕组的阻值范围 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。

59 (1) 绕组的阻值范围 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。 他励(并励)电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。 （2）绕组的符号 S1 T1 B1 C1 H1 BC1 Q1 S2 T2 B2 C2 H2 BC2 Q2 电枢绕组 他励绕组 并励绕组 串励绕组 换向极绕组 补偿绕组 起动绕组 始端 绕组名称 末端