第15讲 第9章 直流电动机 海南风光.

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1 第15讲 第9章 直流电动机 海南风光

2 第9章 直流电动机 9.1 概述 9.2 工作原理 9.3 电枢电动势及电压平衡关系 9.4 电磁转矩 9.5 机械特性
第9章 直流电动机 9.1 概述 9.2 工作原理 9.3 电枢电动势及电压平衡关系 9.4 电磁转矩 9.5 机械特性 9.6 直流电动机的调速 9.7 直流电动机的使用和额定值

3 9.1 概述 直流电机的优点： 应用： 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。
9.1 概述 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。 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： （1）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。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具

4 9.2 工作原理 一、 工作原理 U + – N S 电刷 I 换向片 直流电源 电刷 换向器 线圈

5 注意：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。
U + – N S 电刷 换向片 I F 注意：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。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。

6 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。
F U + – N S 电刷 换向片 I E 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。

7 直流发电机 用右手定则判 感应电动势Ea的方向 U + – N S E Ia 电枢绕组 电阻Ra 感应电动势 输出电压

8 二、 直流电机的构成 直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座 磁极 转子 励磁 绕组 励磁式直流电动机结构

9 1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。 2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。 励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。

10 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 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。 M 他励 Uf If Ia U M 并励 U If M 串励 U M 复励 U

11 9.3 电枢电动势及电压平衡关系 一、 电枢中的感应电动势
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。 F U + – N S 电刷 换向片 I E

12 单位：  （韦伯），n（转/每分），E（伏）
F U + – N S 电刷 换向片 I E 根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为： KE：与电机结构有关的常数 n：电动机转速  ：磁通 单位：  （韦伯），n（转/每分），E（伏）

13 二、 电枢绕组中电压的平衡关系 因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 Ra + Ia E U – 以上两公式反映的概念：
二、 电枢绕组中电压的平衡关系 因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 M Ra Ia E + – U U：外加电压 Ra:绕组电阻 以上两公式反映的概念： (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 ， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。

14 单位：  （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）
9.4 电磁转矩 一、电磁转矩 KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）  ：线圈所处位置的磁通 Ia：电枢绕组中的电流 单位：  （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米） 由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。

15 二、 转矩平衡关系 电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即 TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
二、 转矩平衡关系 电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即 TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩 转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。

16 与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
例： 设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为： TL  n E Ia  T  最后达到新的平衡点。 与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入

17 9.5 机械特性 一、 他励电动机的机械特性 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。
M 他励 Uf If Ia U 一、 他励电动机的机械特性 他励电动机和并励电动机的特性一样。 即： 其中 ，

18 其中 ， n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。） n0 nN TN T n  n 根据 n-T 公式 画出特性曲线 当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械 特性。

19 二、 串励电动机的机械特性 串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。 设磁通和电流成正比，即  =K Ia ,则 Ia n T
M 串励 U Ia 设磁通和电流成正比，即  =K Ia ,则 n T 据此公式做出 T-n 曲线

20 串励特性： (1) T=0时，在理想情况下，n。但实际上负 载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态， 但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。 n T

21 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) 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。

22 下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。
9.6 直流电动机的调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价 格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。 直流电动机调速的主要优点是： （1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上 （调速比等于最大转速和最小转速之比）。 下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。

23 一、改变磁通（调磁） 1.原理 其中： =K If 其中 ， 由该式可知，n 和  有关，在 U 一定的情
M 他励 Uf If Ia U 1.原理 其中 ， 其中： =K If 由该式可知，n 和  有关，在 U 一定的情 况下，改变  可改变 n 。在励磁回路中串 上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而 改变 的大小。

24 其中 ， If的调节有两种情况： Rf If   n ，但在额定情况下，  已接 近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。 Rf If    n ，减弱磁通是常用的调速方 法。 概念：改变磁通调速的方法— 减小磁通，n只能上调。

25 2.特性的变化 其中 ， （ 减小） TL Rf 增 加 T n  所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。 ， 因为：

26 其中 ， 调速过程: U一定,则 Rf    E  Ia T  n Ia  E 最后达到新的平衡 T =TL 暂时 T > TL

27 3.减小 调速的特点： （1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调， 受机械本身强度所限，n不能太高。
（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多）， 调节控制方便。

28 二、改变电枢电压调速 1.特性曲线 其中 ， n 由转速特性方程知： n0 调电枢电压U，n0 n0' 变化，斜率不变， 所以调速特性是一
电压降低 T 由转速特性方程知： 调电枢电压U，n0 变化，斜率不变， 所以调速特性是一 组平行曲线。

29 2.改变电枢电压调速的特点 改变电枢电压调速方案举例：
（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过UN，，而 n U，所以调速只能向下调。 （2）可得到平滑、无级调速。 （3）调速幅度较大。 改变电枢电压调速方案举例： M Uf If Ia U 变压 整流 220V~ 调压 Uf=110V 固定 U=0~110V 可调

30 例：已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A
Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求： （1）TL=0.5TN 时, n=? （2） =0.8  N 时, n=? 解：（1） TL=0.5TN 时

31 （2） =0.8  N 时

32 三、改变转子电阻调速 其中 ， 在电枢中串入电阻， n 使 n 、 n0不变，即 电机的特性曲线变陡 Ra n0 （斜率变大），在相
Ra + R T 这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。 串励电机也可用类似的方法调速。

33 9.7 直流电动机的使用和额定值 一、使用 1.启动 启动时,n= 0  Ea=0，若加入额定电压，则
Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。 限制Iast的措施： （1）启动时在电枢回路串电阻。 （2）启动时降低电枢电压。

34 直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，
不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故： 注意： (1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而   0 ，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。

35 （2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，
则 E   ，Ia   ，T 和   ，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。 （3）如果电机空载运行，可能造成飞车。    E  Ia T >> T0  n飞车

36 他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。
M 他励 Uf If Ia U 措施： 他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。

37 2.反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。 （1）改变励磁电流的方向。 （2）或改变电枢电流的方向。 改变直流电机转向的方法：

38 3.制动 制动的所采用的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动 （1）反接制动 电阻 R 的作用 运行 是限制电源反 接制动时电枢
M U Uf If + – R 运行 制动 电阻 R 的作用 是限制电源反 接制动时电枢 的电流过大。

39 （2）能耗制动 — 电枢断电后立即接入一个电阻。
M U Uf If + – R 运行 制动 K 停车时，电枢从 电源断开,接到电 阻上，这时：由 于惯性电枢仍保 持原方向运动， 感应电动势方向 也不变，电动机 变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相 同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。

40 (3) 发电回馈制动 特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时， 在重力的作用下 nn0（ n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。

41 4.连接 自学 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。 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。

42 （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 启动绕组 始端 绕组名称 末端

43 二、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（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN （ ：效率）

44 4.额定转速nN ：在PN，UN，IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 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 。