第九章 直流电动机 直流电动机的优点： (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。

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1 第九章 直流电动机 直流电动机的优点： (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。
第九章 直流电动机 是直流电能转化为机械能的旋转机械装置。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。 直流电动机的优点： (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: 1) 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。 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等

2 第一节 直流电动机的结构及分类 一、直流电动机的结构 · 极心 直流电机由定子(磁极)、转子 励磁绕组 (电枢)和换向器等部分构成。 极掌
第一节 直流电动机的结构及分类 一、直流电动机的结构 极心 直流电机由定子(磁极)、转子 (电枢)和换向器等部分构成。 励磁绕组 极掌 N S 机座 转子 直流电动机的磁极和磁路

3 1. 磁极 用来在电动机中产生磁场。 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：单个绕组元件组成。

4 （二） 直流电动机的分类 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。

5 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。

6 第二节 直流电动机的工作原理 n S b N a c d 电刷 F I 换向器作用： 将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。
第二节 直流电动机的工作原理 S b N a c d 电刷 F I n 换向器作用： 将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。 T I F 换向片 U ＋ － 1. 转动原理 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外, N极有效边的电流方向向里。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按逆时针方向旋转。

7 b n d a T c S N F I 换向片 电刷 E 2. 电磁转矩与电压平衡方程 E 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。 U ＋ － Ce: 与电机结构有关的常数 n: 电动机转速  ：磁通 （1）电枢感应电动势 E=Ce n

8 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

9 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=Cm Ia Cm: 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) 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

10 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) 。

11 第三节 直流电动机的机械特性 特点: 励磁绕组与电枢并联 由图可求得 I Ia U If 由上分析可知：
第三节 直流电动机的机械特性 特点: 励磁绕组与电枢并联 由图可求得 Ia U M + _ If I E 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

12 令： I T=Cm Ia = Cm Ia 即：并励电动机的磁通 Ia  = 常数，转矩与电枢电流成正比。 U If 由以下公式 求得 +
_ If I E T=Cm Ia = Cm Ia 即：并励电动机的磁通  = 常数，转矩与电枢电流成正比。 由以下公式 求得 令：

13 改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线
式中： n T n0  n nN TN n= f (T) 特性曲线 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）。 改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线

14 例9-1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

15 （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

16 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。其主原因是：
三、直流电动机的启动、反转、调速和制动 直流电动机的基本运行与控制过程包括起动、正反转、调速和制动等。 1. 起动 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。其主原因是： (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；

17 通常一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。 (2) 起动转矩大
(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。 通常一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。

18 直流电动机的起动方法 (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。 (2) 降压起动法： 最大起动电压Ust为 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：

19 （   E  Ia T >> T0  n飞车）
(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=Cm 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。 （   E  Ia T >> T0  n飞车）

20 2、反转 电磁转矩：T=Cm Ia (1) 改变励磁电流的方向。 改变直流电机转向的方法有两种： (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。 例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。

21 3、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。 主要优点： 1. 调速均匀平滑，可以无级调速(注：异步机改变极对数调速的方法叫有级调速)。 2. 调速范围大，调速比可达200 以上(调速比等于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。 由转速公式: 可见直流电机调速方法有三种。

22 a. 改变磁通调速 由式 n 保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以改变磁通 。 TL T （ 减小） 
（ 减小） Rf 增 加  O 可见：在U 一定的情况下，改变可改变转速n 。 一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即 Rf If    n 改变时的机械特性如图。 改变磁通调速的方法： 减小磁通，n只能上调。

23 调速过程: 电压U保持一定,减小磁通 。 Rf    E  Iａ n Ia  E T > T２ T 
瞬间 T > T２ T  直至T=TC达到新的平衡。

24 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,其调速幅度可达３~４, 例如530~2120 r/min及310~1 240 r/min 。 使用调磁调速时应注意： (1) 若调速后 Ia 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。 (2) 这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。

25 n b. 改变电压调速 Tc n0 n0' n0" 由转速公式可知：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。 T
b. 改变电压调速 n0 n0' 电压降低 Tc n0" 由转速公式可知：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。 特性曲线 改变电压调速的特点: (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。

26 (3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。
(4)调速幅度较大。 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。

27 例9-2: 有一他励电动机， 已知U=220V , Ia=53. 8A, n=1500r/min Ra=0
解: 由T=Cm  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

28 c. 电枢回路串电阻调速 Ra Ra + R n n0 T 电阻增大 电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。 电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降， 因此 n 只能下调。 特点：(1) 设备简单，操作方便。 (2)机械特性软，稳定性差。 (3)能量损耗大，只用于小型直流机。

29 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 。

30 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。

31 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

32 4、制动 能耗制动： 将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接 。 反接制动：在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接。 发电反馈制动：在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。

33 本章结束 2011、07、30

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