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1、第三章第三章直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性重点掌握：重点掌握：了解直流电机的基本结构及工作原理；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。以及它们的使用场所。电机分交流和直流两种。电机分交流和直流两种。直流电机直流电机工作电压或输出的电压为直流；工作电压或输出的电压为直流；交流电机交流电机工作电压为交流。工作电压为交流。直流电机分直流电动机和直
2、流发电机两种。直流电机分直流电动机和直流发电机两种。直流电动机直流电动机将电能转换为机械能；将电能转换为机械能；直流发电机直流发电机将机械能转换为电能。将机械能转换为电能。31直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构一、直流电机的基本结构直流电机的结构图如图所示：直流电机的结构图如图所示：根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子定子、转子转子和和换向器换向器三大部分。三大部分。定子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。主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。转子部分转子部分主要由电枢铁心
3、和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与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。电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。二、基本的工作原理二、基本的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，换向片上压着电刷在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。如图所示：如图所示：1主
4、磁极主磁极：励磁绕组上加上直：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，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。即定子的主要作用是产生主磁场。2电电枢枢绕绕组组：在在固固定定的的磁磁场场中中旋旋转转，主主要要作作用用是是产产生生感感应应电电动动势势或或产产生生机机械械转转矩矩，实实现现能能量量的的转换。转换。3、4换换向向器器：电电刷刷固固定定不不动动，换换向向片片与与电电枢枢绕绕组组一一起起旋旋转转，主主要要作作用用对对发发电电机机而而言言是是将将电电枢枢绕绕组组内内感感应应的的交交流流电电势势转转换换成成电电刷
5、刷间间的的直直流流电电势势。对对电电动动机机而而言言，则则是是将将外外加加的的直直流流电电流流转转换换为为电电枢枢绕绕组组的的交交变变电电流流，并并保保证证每每一一磁磁极极下下，电电枢枢导导体体的的电电流流的的方方向不变，以产生恒定的电磁转矩。向不变，以产生恒定的电磁转矩。3电刷电刷4换向片换向片1发发电电机机原原理理：将将机机械械能能转转换换为为电电能能。直直流流发发电电机机工工作作原原理理图图如图所示如图所示：电电枢枢由由原原动动机机驱驱动动而而在在磁磁场场中中旋旋转转，在在电电枢枢线线圈圈的的两两根根有有效效边边ab和和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势切割磁力线的导体部分）中
6、便感应出电动势e。显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方极下是一个方向，当它转到向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与总是同与S极下的有效边极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电
7、流。生一定方向的电流。2电电动动机机原原理理：将将电电能能转转换换为为机机械械能能。直直流流电电动动机机工工作作原原理理图图如图所示：如图所示：直直流流电电源源接接在在电电刷刷之之间间而而使使电电流流通通入入电电枢枢线线圈圈。电电流流方方向向应应该该是是这这样样的的：N极极下下的的有有效效边边中中的的电电流流总总是是一一个个方方向向，而而S极极下下的的有有效效边边中中的的电电流流总总是是另另一一个个方方向向，这这样样才才能能使使两两个个边边上上受受到到的的电电磁磁力力的的方方向向一一致致，电电枢枢因因而而转转动动。因因此此，当当线线圈圈的的有有效效边边从从N（S）极极下下转转到到S（N）极极下
8、下时时，其其中中电电流流的的方方向向必必须须同同时时改改变变，使使电电磁磁力力的的方方向向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。的转速旋转。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，两电刷间的感应电动势为根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:式中：式中：E感应电动势（感应电动势（V）；）；对磁极的磁通（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。直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同
9、，被称为电源电动势。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。反电动势。2电磁转矩电磁转矩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，其大小可用如下公式表示：其大小可用如下公式表示：式中：式中：TM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）；）；Km与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。直流发电机和直流电动机的
10、电磁转矩的作用是不同的。发电机的电磁转矩发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须必须与发电机的电磁转矩与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩的电磁转矩TM必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动
11、机运行时，从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势虽然都产生电动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表但二者的作用正好相反，见表：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TM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势电源电动势阻转矩阻转矩T1=TM+T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转矩驱动转矩TM=TL+T0四、直流电动机的分类四、直流电动机的分类直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：1他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁
12、电流的他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图a所示。所示。2.并并励励电电动动机机：励励磁磁绕绕组组与与电电枢枢绕绕组组并并联联连连接接，由由外外部部电电源源一一起供电。如图起供电。如图b所示。所示。3串串励励电电动动机机：励励磁磁绕绕组组与与电电枢枢绕绕组组串串联联连连接接，由由外外部部电电源源一起供电。如图一起供电。如图c所示：所示：4复复励励电电动动机机：励励磁磁绕绕组组分分为为两两部部分分，一一部部分分与与电电枢枢绕绕组组并并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图联连接，另一部分与电枢
13、绕组并联连接。如图d所示所示:abcd32直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式电动机的机械特性指的是电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩转速与电磁转矩之间的关系。之间的关系。不不同同励励磁磁方方式式的的电电动动机机，其其运运行行特特性性也也不不尽尽相相同同，下下面面主主要要介介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。式中式中:外加电枢电压（外加电枢电压（V）；）；感应电势（感应电势（V）；）；电枢电流（电
14、枢电流（A）；）；电枢回路内阻（电枢回路内阻（）电枢回路部分电枢回路部分励磁回路部分励磁回路部分即即：转速特性转速特性机械特性机械特性由他励电动机的特性可知：由他励电动机的特性可知：励磁电流励磁电流If的大小与电枢电流的大小与电枢电流Ia的的大小无关，它的大小只取决于大小无关，它的大小只取决于Rf、Uf的大小，当的大小，当Rf、Uf的大小一定时的大小一定时,If为定值，即磁通为定值，即磁通 为定值。为定值。对应的机械特性如图所示：对应的机械特性如图所示：1.理想空载转速：理想空载转速：T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想空载转速，用速，用n0表示。表示。根据机械特性可知：根据机械特性可
15、知：2.转速降落转速降落3.机械特性硬度机械特性硬度为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：其定义为：理想空载点理想空载点即转矩变化与所引起的转速即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬变化的比值，称为机械特性的硬度。度。根据根据 值的不同，可将电值的不同，可将电动机机械特性分为三类。动机机械特性分为三类。（1）绝对硬特性）绝对硬特性（2）硬特性）硬特性 10（3）软特性）软特性 0，Tm0反接制动状态。反接制动状态。n0，Tm0电动电动注意注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串由于在
16、反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。接足够大的限流电阻。电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。的场合以及要求经常正反转的机械上。2倒拉反接制动倒拉反接制动电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。所示。现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线中的曲线3
17、所所示。示。a点点：重物匀速上升。：重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态。cd段段：Tm0，n0，电动机工作在，电动机工作在电动状态电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。下降。db段段：当当转转速速下下降降到到0时时，由由于于电电动动机机的的输输出出转转矩矩TM仍仍然然小小于于负负载载转转矩矩TL，所所以以，在在位位能能负负载载的的作作用用下下，电电动动机机反反向向启启动动，直直到平衡点到平衡点d而稳定运行。电动机匀速下放重物。而稳定运行。电动机匀速下放重物。电动机在电动机在cd段：段：Tm
18、0，nTr，前进时速度前进时速度n 为正。为正。电电车车由由直直流流电电动动机机拖拖动动，机械特性如图所示：机械特性如图所示：匀匀速速走走平平路路时时（a点点）：输输出出转转矩矩TM用用来来克克服服负负载载转转矩矩Tr。在在an0段：段：TM与与n的方向相同，故为电动状态。的方向相同，故为电动状态。在在n0b段段：TM与与n的的方方向向相相反反，且且工工作作速速度度大大于于理理想想空空载载转转速速，故电动机工作在反馈制动状态。故电动机工作在反馈制动状态。2电枢电压突然下降时的反馈制动电枢电压突然下降时的反馈制动设设当当电电动动机机的的电电枢枢外外加加电电压压为为U1和和U2，且且U1U2时时的
19、的机机械械特特性性如图所示：如图所示：若若电电动动机机工工作作在在A点点时时将将电电枢枢电电压压突突然然降降低低为为U2，电电动动机机的的机机械械特特性性变变为为曲曲线线2，由由于于机机械械惯惯性性，工工作作点点由由A转转换换到到B点点。此此时时-TM-TL0，电电动动机机的的转转速速在在TM、TL的的共共同同的的作作用用下下沿沿着着曲曲线线2下下降降直直到到新新的平衡点的平衡点D。在在BC段段，转转速速n与与转转矩矩TM的的方方向向相相反反，运运行行速速度度大大于于空空载载转转速速n02，故为故为反馈制动状态。反馈制动状态。三、能耗制动三、能耗制动 电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。当切断电源接入电阻后，工作点由当切断电源接入电阻后，工作点由a点转到点转到b点。点。bo段：段：Tm0，能耗制动。，能耗制动。