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1、机 电 传 动 控 制第3章 直流电机的工作原理及特性本章要求l掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电动机的机械特性；l掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所。电机 l利用电磁作用原理进行能量转换的机械装利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置置直流电机直流电机 1、进行直流电能与机械能 之间的转换2、直流电动机主要应用场合： 起动性能和调速性能好，过载能力大 ；3、直流发电机主要应用场合： 供给直流电动机、电解、电镀等所需的直流电能 4、主要缺点： 结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差 31 直流电机的基本结构和工作原理l结构要
2、点：定子、转子、换向器l原理要点：电磁感应定律、电磁力定律、电路定律以及电势方程、转矩方程、电压方程l分类：直流电机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励、复励四种一、直流电机的基本结构 直流电机的组成1、定子：产生磁场、支撑电机2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进行能量转换（一） 定子部分1主磁极：产生主磁场。l主磁极铁心l励磁绕组2、换向极：改善换向3、机座 固定 主磁路的一部分4、电刷装置 引入或引出直流电压和直流电流 主磁极换向极电刷盒转子结构图电枢绕组换向器电枢铁心转轴（二） 转子(电枢)部分1、电枢铁心l作为主磁通磁路的主要部分l嵌放电枢绕组2、电枢绕组 能量转换的关键部件， 产
3、生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为对外引出的方向不变的直流电动势。电枢铁心钢片、换向器二直流电机的基本工作原理l建立在电磁力和电磁感应的基础上 1、电机的能量转换l电机是转换能量形态的一种机械。 1、发电机将机械能转换成电能。 2、电动机将电能转换成机械能。 3、变压器将一种电压等级的电能转变成另一种电压等级的电能。l电机的工作原理是建立在电磁感应定律、电磁力定律、电路定律等基本理论之上。2、法拉第电磁感应定律l设有一个匝数为的线
4、圈放在磁场中，不论什么原因，例如线圈的移动、转动或磁场强度发生变化等，造成与线圈相交链的磁通随时间发生变化，这时线圈内部会感应出电势，这种现象叫电磁感应。3、右手定则l如果磁场是恒定的，但线圈与磁场之间有相对运动，引起与线圈相交链的磁通发生变化，因而在线圈中感应出电势，则称这种电势为运动电势。Blve Bve母指方向四指方向4、电磁力定律l载流导体在磁场中受到力的作用，由于这种力是由于磁场和电流的相互作用产生的，故称之为电磁力。若磁场与导体互相垂直，则作用在导体上的电磁力为：Bif四指方向母指方向Blif 左手定则左手定则5、电路定律l在电路里，对任何一个回路，若沿某一方向环绕回路一周，则回路
5、内所有电势的代数和等于所有电压降的代数和。ue（一）直流发电机的工作原理直流发电机基本工作原理l原动机驱动电枢在磁场中旋转l电枢线圈的有效边切割磁力线l电枢线圈中产生感应电势 el交变的感应电势在换向器的作用下变换成电刷之间的直流电势El接负载后，电枢中产生电流 il载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩Tl原动机克服T的作用将机械能转变成电能（二）直流电动机的工作原理直流电动机基本工作原理l电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体l载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩Tl电枢在电磁转矩T作用下旋转l旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感应电势El由于换向器的作用，感应电势E总是与外加
6、电压的方向相反，称为反电势反电势三、电动势和电磁转矩三、电动势和电磁转矩1.电动势电动势E 根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。nKE e 式中：式中：E 感应电动势（感应电动势（V）；）； 一对磁极的磁通（一对磁极的磁通（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方向方向: : 直流发电机直流发电机总是与电流的方向相同，常称为总是与电流的方向相同，常称为电源电动势电源电动势。 直流电动机直流电动机总是与电流的方向相反，常称为总是与电流的方向相反，常称为反电动势。反电动势。 2电磁转矩电磁转矩
7、TM 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。at IKT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 Ke大小：大小：作用作用l发电机：发电机：阻转矩，它与电枢转动的方向或原动阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。机的驱动转矩的方向相反。 在等速转动时，原动机的转矩在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机必须与发电机的电磁转矩的电磁转矩T及空载损耗转矩及空载损耗
8、转矩T0相平衡。相平衡。l电动机：电动机：驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，使电枢转动。使电枢转动。l 在等速转动时，电动机的电磁转矩在等速转动时，电动机的电磁转矩T必须与机必须与机械负载转矩械负载转矩TL及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但作用正好相反。，但作用正好相反。电机运行电机运行方式方式E与与I的方的方向向E的作用的作用T的性质的性质转矩之间的转矩之间的关系关系发电机发电机相同相同电源电动电源电动势势阻转
9、矩阻转矩T1=T+ T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转驱动转矩矩T= TL+ T0aaUERI发电机aaEURI电动机电路方程32 直流发电机一直流发电机的分类 1、他励直流发电机：励磁绕组由外电源提供电流2、自励发电机：励磁电流为电枢电流或为电枢电流的一部分，可分为：l并励直流发电机l串励直流发电机l复励直流发电机直流发电机的分类直流发电机的分类他励并励串励复励二、他励发电机nKEURUIIIRUEIRIUEeaaaaa0/ )(空载特性 )(fIfE 外特性U=f(I) 6 . 3%1000NNUUUU大约为5%10%三、并励发电机 ， aaRIEUaaRUEI/ )( ffR
10、UI/RUI/IIIIfa并励发电机的工作原理并励发电机的电压建立的条件1、发电机的磁极要有剩磁。2、起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同，这样，磁场才能加强。3、合适的电阻Rf，当Rf过大时，电压就建立不起来。并励发电机的外特性四、复励发电机l优点：在正常运行范围内，其端电压变化不端电压变化不大。大。33 直流电动机的机械特性l机械特性是直流电动机最重要的运行特性。l机械特性反映了电机转速与转矩之间的关系。l机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的重要依据。l机械特性分固有机械特性和人为机械特性。nnTKKRKUnteae02一、他励电动机的机械特性11. 3aaRIEU12.
11、 3aeaeeIKRKUnnKEtaatKTIIKT/13. 3002nnKTnTKKRKUnteaen=f(T)T0n0-理想空载转速（T=0）n速度降机械特性方程的推导（一）他励电动机的机械特性表达式l直流电动机的机械特性的一般表达式 nnTKKRKUnteae02机械特性曲线及其方程nnTKKRKUnteae02（二）机械特性硬度1、定义 2、分类 (1)绝对硬特性( ) (2)硬特性( 10) (3)软特性( U，T与与n反方向，发电机运行状态反方向，发电机运行状态当当Ennn0 0实例：实例：1 1）电车下坡；）电车下坡；2 2）突降）突降U U；3 3）卷扬机下放重物。卷扬机下放重
12、物。特性：特性：E=KE=Ke e n n；U=E+IRU=E+IR当当n n n n0 0时，时，EUEU，导致，导致I Ia a反向，反向，从而从而T T反向，电动机转为发电机运反向，电动机转为发电机运行状态，将行状态，将机械能转变成电能，向机械能转变成电能，向电网反馈电网反馈，故称之为反馈制动。，故称之为反馈制动。电车下坡的反馈制动特点：特点：nn0 Ia0 TMn01反馈制动只在调磁反馈制动只在调磁降速降速过程中产生过程中产生-TTL下放重物时的反馈制动过程制动矩反向电动状态a点b点nEIa-TM 反馈制动状态b点 C点nn0Ia0、TM T与n反方向 制动改变Rad改变下降的nRad
13、太大n很高不安全(二）反接制动l电枢电压U和电枢电势E在外部条件的作用下，方向由相反变为一致，由此使得T与n的方向相反，故称之为反接制动。l将改变电枢电压U所产生的反接制动称为电源反接制动。l将改变电枢电势E所产生的反接制动称为倒拉反接制动。电源反接时的反接制动过程adaaRRIUETKKRRKUnteadae2正向电动反接制动反接电动位能负载时反馈制动注意：注意：反接时反接时U与与E相加，电流很大相加，电流很大,用用Rad限流限流应用：快停、经常正反转应用：快停、经常正反转倒拉反接制动状态下的机械特性注意注意：T没有反向没有反向选用不同的选用不同的Rad可可改变下放速度但改变下放速度但不不能
14、太小能太小，交叉点必，交叉点必须在须在四象限四象限（三）能耗制动状态下的机械特性反抗负载制动反抗负载制动优点优点：不会出现反向起：不会出现反向起动的危险动的危险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adaaRRIETKKRRnteada2为使为使IIIImaxmax，R Radad不能太小不能太小直流他励电动机各种运行状态下的机械特性正常接线正常接线可有三种运转状态可有三种运转状态正转正转正正转转状状态态本章小结一、重点一、重点1、机械特性机械特性：分析启动、调速和制动特性的依据，是电动机内：分析启动、调速和制动特性的依据，是电动机内容的重中之重容的重中之重 2、他励直流电动机的启动特性、他励直流电动机的启动特性 3、他励直流电动机的调压调速特性、他励直流电动机的调压调速特性 4、他励直流电动机的制动特性、他励直流电动机的制动特性 5、直流电机的工作原理、直流电机的工作原理二、难点二、难点1、电流、电势的、电流、电势的换向换向过程和电动机的过程和电动机的制动制动过程；过程；2、电动机在各种运转状态下电磁转矩、电动机在各种运转状态下电磁转矩 TM、负载转矩、负载转矩TL、转速、转速n、电枢电流电枢电流Ia和电势和电势E等等符号的确定符号的确定。