直流電機(jī)原理

1、第8章 直流電動(dòng)機(jī),8.1 直流電機(jī)的構(gòu)造,8.2 直流電機(jī)的基本工作原理,8.4 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn),8.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,8.5 并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,第8章 直流電動(dòng)機(jī),1. 了解直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理; 2. 掌握他勵(lì)（并勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電 壓與電流的關(guān)系式，接線圖、機(jī)械特性; 3. 搞清他勵(lì)（并勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起

2、 動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的基本原理和基本方法。,本章要求,8.1 直流電機(jī)的構(gòu)造,直流電動(dòng)機(jī)雖然比三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。,直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：,(1) 調(diào)速性能好, 調(diào)速范圍廣, 易于平滑調(diào)節(jié)。 (2) 起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大, 易于快速起動(dòng)、停車。 (3) 易于控制。,應(yīng)用:,(1)

3、 軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井 提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。 (2) 用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等,,8.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造,極掌,極心,勵(lì)磁繞組,機(jī)座,轉(zhuǎn)子,直流電動(dòng)機(jī)的磁極和磁路,直流電機(jī)由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機(jī)座等部分構(gòu)成。,2. 轉(zhuǎn)子(電樞) 由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。,1. 磁極,勵(lì)磁: 磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱

4、 為勵(lì)磁。,用來在電機(jī)中產(chǎn)生磁場。,1. 他勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)直流電源供電。,8.1.2 直流電機(jī)的分類,直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī),2. 并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個(gè)直流電源供電。,4. 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。,3. 串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。

5、,串勵(lì),復(fù)勵(lì),,8.2 直流電機(jī)的基本工作原理,8.2 直流電機(jī)的基本工作原理,,直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是S極有效邊的電流方向向里, N極有效邊的電流方向向外。電動(dòng)機(jī)電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。,電刷,換向片,換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的直流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。,線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由右

6、手定則，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與電流的方向相反。,1. 電樞感應(yīng)電動(dòng)勢,E=KE? n,由圖可知，電樞感應(yīng)電動(dòng)勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。,式中：U — 外加電壓 Ra — 繞組電阻,2. 電樞回路電壓平衡式,3. 電磁轉(zhuǎn)矩,單位: ? (韋伯)，Ia (安) ，T (牛頓?米),直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通? 相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為,4

7、. 轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即,T=KT ? Ia,當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。,轉(zhuǎn)矩平衡過程,例：,設(shè)外加電樞電壓 U 一定，T=T2 (平衡)，此時(shí)，若T2突然增加，則調(diào)整過程為,達(dá)到新的平衡點(diǎn)(Ia ?、 P入?) 。,T2 ?,,

8、n?,Ia ?,T ?,E?,,,8.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,,特點(diǎn): 勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián),由圖可求得,由上分析可知：,當(dāng)電源電壓U和勵(lì)磁回路的電阻Rf一定時(shí), 勵(lì)磁電流If和磁通?不變，即? = 常數(shù)。則,8.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,,令：,,T=KT ?Ia = K Ia,即：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的磁通? = 常數(shù)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。,,由以下公式,求得,式中：,n= f (T) 特性曲線,,,并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)， 轉(zhuǎn)速 n

9、 的變化不大—硬機(jī)械特性（自然特性）。,改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線,動(dòng)畫,P246例: 有一并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, ? = 0.84, 并已知　　Rf= 27.5? ，Ra= 0.04? , 試求: (1) 額定電流I , 額定 電樞電流Ia及額定勵(lì)磁電流If ; (2) 損耗功率?PaCu , 　 及?PO

10、 ; (3) 額定轉(zhuǎn)矩T; (4) 反電動(dòng)勢E。,解：(1) P2是輸出功率，額定輸入功率為,額定電流,額定勵(lì)磁電流,額定電樞電流,（2）電樞電路銅損,勵(lì)磁電路銅損,總損失功率,空載損耗功率,（3）額定轉(zhuǎn)矩,（4）反電動(dòng)勢,8.4 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn),起動(dòng),直流電動(dòng)機(jī)不允許在額定電壓UN下直接起動(dòng)。,Iast太大會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,燒壞換向器；,起動(dòng)時(shí),n =0 ?,1. 起動(dòng)問題：,(1) 起動(dòng)電流大,(2) 起動(dòng)轉(zhuǎn)

11、矩大,起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN , 造成機(jī)械沖擊，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遭受損壞。,一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。,2.起動(dòng)方法,3.注意事項(xiàng),(1) 電樞串電阻起動(dòng)法,(2) 降壓起動(dòng)法：,直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：,在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。,最大起動(dòng)電壓Ust為,(1)如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太

12、小(T=KT? Ia) , 電機(jī)將不能起動(dòng)，這時(shí)反電動(dòng)勢為零，電樞電流　很大，電樞繞組有被燒壞的危險(xiǎn)。,(2)如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開勵(lì)磁回路，反電動(dòng)勢　　E立即減小而使電樞電流增大，同時(shí)由于所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩不滿足負(fù)載的需要，電動(dòng)機(jī)必將減速而停轉(zhuǎn)，　　更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換　　向器。,(3)如果電機(jī)在空載運(yùn)行，可能造成飛車，使電機(jī)遭　　受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組　　燒壞。,（

13、? ? ? E ? ?Ia? ?T ?>> T0 ? n?飛車）,2.反轉(zhuǎn),例：串勵(lì)的單相手電鉆，利用勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向同時(shí)改變時(shí)而轉(zhuǎn)向不變的原理，采用特別的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。,電磁轉(zhuǎn)矩：　　T=KT? Ia,(1) 改變勵(lì)磁電流的方向。 (2) 改變電樞電流的方向。,注意：改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時(shí)變。,改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：,8.5 并

14、勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維護(hù)也不方便，但在調(diào)速性能上由其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。,1. 調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速(注：異步機(jī)改　 變極對數(shù)調(diào)速的方法叫有級調(diào)速)。 2. 調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)200 以上(調(diào)速比等 于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）,因此機(jī)械變速 所用的齒輪箱可大大簡化。,主要優(yōu)點(diǎn)：,由轉(zhuǎn)速公式:,可見直流電機(jī)調(diào)速方法有三種。,可見：在U 一定的情況下，改變?

15、可改變轉(zhuǎn)速n 。,8.5.1 改變磁通調(diào)速,保持電樞電壓U不變，改變勵(lì)磁電流If (調(diào)R´f)以改變磁通? 。,由式,Rf?? If?? ? ? ? n?,一般只采用減少勵(lì)磁電流(減弱磁通)的方法調(diào)速, 即,?改變磁通調(diào)速的方法：,減小磁通，n只能上調(diào)。,改變?時(shí)的機(jī)械特性如圖。,動(dòng)畫,調(diào)速過程:,直至T=TC達(dá)到新的平衡。,電壓U保持一定,減小磁通? 。,(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受　 機(jī)械本身強(qiáng)度所

16、限，n不能太高。(2) 調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)，電流小，便于控制。(3) 機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4) 對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動(dòng)機(jī),其調(diào)速幅度可達(dá)3 ~ 4, 例如530~2120 r/min及310~1 240 r/min 。,減小? 調(diào)速的特點(diǎn)：,(1) 若調(diào)速后Ia 保持不變，電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。(2) 這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速(如用于切削機(jī)　床)。,使用調(diào)磁調(diào)速時(shí)應(yīng)注意：,,8.5.2

17、改變電壓調(diào)速,由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。,,特性曲線,改變電壓調(diào)速的特點(diǎn):,(1)工作時(shí)電壓不允許超過UN ，而n ? U, 所以調(diào)速 只能向下調(diào)。,(2)機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn) 定性好。,(3)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。,(4)調(diào)速幅度較大。,調(diào)速過程:,保持If 為額定,減小電樞電壓。,改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費(fèi)用較高。

18、 近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。,例: 有一他勵(lì)電動(dòng)機(jī)， 已知U=220V , Ia=53.8A, n=1500r/min Ra=0.7 ? 。今將電樞電壓降低一 半，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，問轉(zhuǎn)矩降低多少？,解: 由T=KT ? Ia可知，在保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電 流不變的條件下，電流也保持不變。,電壓降低后的轉(zhuǎn)速 n? 對原來的轉(zhuǎn)速 n 之比為,8.5

19、.3 電樞回路串電阻調(diào)速,電樞中串入電阻,使? n ?、 n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n?。特性曲線如圖。,Ra,電樞回路串電阻調(diào)速需在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉(zhuǎn)速下降，因此 n 只能下調(diào)。,特點(diǎn)：(1) 設(shè)備簡單，操作方便。,(2)機(jī)械特性軟，穩(wěn)定性差。,(3)能量損耗大，只用于小型直流機(jī)。,,,Ra + R,1.額定功率PN: 電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。,2.額定電壓UN : 額定工作情況下

20、的電樞上加 的直流電壓。（例：110V，220V，440V）,3.額定電流IN : 額定電壓下軸上輸出額定功 率時(shí)的電流（并勵(lì)包括勵(lì)磁和電樞電流）。 三者關(guān)系：PN=UNIN? （ ?：效率）,4.額定轉(zhuǎn)速nN: 在PN , UN , IN 時(shí)的轉(zhuǎn)速。 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在500r/min 以上。特 殊的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以做到很低（如每分 鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。,注意: 調(diào)速時(shí)對于沒

21、有調(diào)速要求的電機(jī)，最大轉(zhuǎn)速 不能超過1.2nN 。 。,直流電動(dòng)機(jī)的額定值,(3) 恒功率負(fù)載（P 一定時(shí)，T和n 成反比)，要選 軟特性電機(jī)拖動(dòng)。如：電氣機(jī)車等。,直流電動(dòng)機(jī)特性類型的選擇:,(1) 恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械(TL一定，和轉(zhuǎn)速無關(guān))要選 硬特性的電動(dòng)機(jī)，如：金屬加工、起重機(jī)械等。,(2) 通風(fēng)機(jī)械負(fù)載，機(jī)械負(fù)載 TL 和轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比。這類機(jī)械也要選硬特性的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。,直流電機(jī)有四個(gè)出線端，電