第6章直流電機(jī)工作原理

第6章

直流電機(jī)的工作原理及特性

重點(diǎn)掌握：

?了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；?掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；

?掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等各種特性；

?掌握直流電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程、機(jī)械特性方程及其相關(guān)的計(jì)算方法。6．1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的組成可分為定子、轉(zhuǎn)子和換向器三大部分。主磁極：包括主磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組，其主要作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)。磁極下面擴(kuò)大的部分稱(chēng)為極靴，其作用是使通過(guò)空氣氣隙中的磁通分布最為合適，并使勵(lì)磁繞組能牢固第固定在鐵芯上。換向極：用于改善電樞電流的換向性能。它由鐵芯和繞組組成，用螺桿固定在定子的兩個(gè)主磁極的中間。電樞鐵芯：主磁通磁路的一部分，用硅鋼片疊成，成圓柱形，表面沖了槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。電樞繞組：直流電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。機(jī)座：用于固定主磁極、換向極和端蓋等，同時(shí)也是電機(jī)磁路的一部分。換向器：對(duì)發(fā)電機(jī)而言，其作用是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動(dòng)勢(shì)；對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，其作用是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交流電流，并保證每一磁極下電樞導(dǎo)體的電流方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。電刷裝置：包括電刷及電刷座，固定在定子上，電刷與換向器保持滑動(dòng)接觸，以便將電樞繞組和外電路接通。直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)二、直流電機(jī)的基本工作原理發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)簡(jiǎn)化為具有一對(duì)磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別連在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和電刷B直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩個(gè)有效邊中便感應(yīng)除電動(dòng)勢(shì)e，每一個(gè)有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的，即在N極下是一個(gè)方向，轉(zhuǎn)到S極下是另一個(gè)方向。由于電刷A總是與N極下的有效邊的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的有效邊相連的換向片接觸，因此，在電刷間出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)或電壓。此時(shí)，換向片的作用在于將發(fā)電機(jī)電樞繞組內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì)變成電刷之間的極性不變的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電刷之間有負(fù)載時(shí)，在電動(dòng)勢(shì)的作用下，電路中就產(chǎn)生一定方向的電流。

直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向?yàn)椋篘極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向，這樣才能使兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因此而轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈的有效邊從N（S）極轉(zhuǎn)到S（N）極時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，一是電磁力的方向不變，這是通過(guò)換向器實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電樞在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流或外加電壓的方向總是相反的，稱(chēng)之為反電動(dòng)勢(shì)。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理電機(jī)運(yùn)行方式E與I的方向E的作用T的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機(jī)相同電源電動(dòng)勢(shì)阻轉(zhuǎn)矩T1=T+T0電動(dòng)機(jī)相反反電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=TL+T0四、直流電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)

6．2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

一、機(jī)械特性方程

6．2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

一、機(jī)械特性方程

電壓平衡方程機(jī)械特性方程n0稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)速;△n稱(chēng)為轉(zhuǎn)速降落.機(jī)械特性的硬度：衡量機(jī)械特性平直程度，即轉(zhuǎn)矩變化與所引起速度變化的比值（1）絕對(duì)硬特性

如交流同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（2）硬特性>10

如直流他激電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（3）軟特性<10

如直流串激電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性二、固有機(jī)械特性在額定條件（額定電壓UN和額定磁通N

)下和電樞電路內(nèi)不外接任何電阻時(shí)的n=f(T)即:(1)估算電樞電阻Ra

固有特性的計(jì)算方法：

(2)求

還可以根據(jù)要求進(jìn)一步求出以下變量(1)求理想空載轉(zhuǎn)速:(2)求額定轉(zhuǎn)矩:固有機(jī)械特性曲線的作法已知電動(dòng)機(jī)的PN,UN,IN,nN,由公式可計(jì)算出Ra,Ke,(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計(jì)算:(3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計(jì)算:no,TN,找出兩個(gè)點(diǎn),即理想空載點(diǎn)(0,n0)和額定運(yùn)行點(diǎn)(TN,nN),通過(guò)這兩點(diǎn)作出自然機(jī)械特性.3)舉例(1)一臺(tái)Z2-51型直流他激電動(dòng)機(jī),已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉(zhuǎn)速1500r/min,忽略損耗,求自然機(jī)械特性.解:分析只要求出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn),就可繪出機(jī)械特性.

=0.71=0.132=1667r/min=35Nm三、人為機(jī)械特性人為地改變U和Φ的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機(jī)械特性。1.電樞回路中串接附加電阻時(shí)的人為特性電壓平衡方程式為：人為機(jī)械特性方程式為：2.改變電樞電壓U時(shí)的人為特性1）特性曲線平行，k不變；2）轉(zhuǎn)速降落不變，硬度不變；3）由于U≤UN，所以n≤nN3．改變磁通時(shí)的人為特性2）Φ≤ΦN，n≥nN1）隨著Φ的減小，n0增加，k變大，特性變軟；從機(jī)械特性方程可知,改變磁通時(shí),電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié),理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大-------弱磁增速.使用中,要防止電動(dòng)機(jī)過(guò)載,更要防止飛車(chē),因此,直流他激電動(dòng)機(jī)設(shè)有失磁保護(hù).例3.1：一臺(tái)Z2系列他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=22KW,UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min，試計(jì)算：1.固有機(jī)械特性2.電樞回路串Rad=0.4Ω電阻的人為特性3.電源電壓降為100V時(shí)的人為特性4.弱磁至Φ=0.8ΦN時(shí)的人為特性2.串激直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1)特點(diǎn):電樞電流就是激磁電流.2)機(jī)械特性分析:第一段,電動(dòng)機(jī)輕載時(shí),機(jī)械特性具有雙曲線的形狀,理想空載轉(zhuǎn)速趨近無(wú)窮大.第二段,電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí),磁路趨于飽和,機(jī)械特性近似一條直線.3)注意事項(xiàng):直流串激電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行----飛車(chē)事故.

6．3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性

一、啟動(dòng)特性在未啟動(dòng)之前n=0,E=0這個(gè)電流很大，一般情況下能達(dá)到其額定電流的（10～20）倍以上。直流電動(dòng)機(jī)不允許直接啟動(dòng)

λst為過(guò)載能力系數(shù)，通常為1.5到2.5二、啟動(dòng)方法

1.降壓?jiǎn)?dòng)：2.電樞回路串電阻啟動(dòng)1)串一段電阻啟動(dòng)2)串多段電阻逐級(jí)切除的啟動(dòng)方法6．4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性

一、速度調(diào)節(jié)和速度變化

速度調(diào)節(jié)：在負(fù)載不變的條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。速度變化：在電動(dòng)機(jī)參數(shù)不變的條件下，由于負(fù)載波動(dòng)引起的速度的改變。二、調(diào)速方法從直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有以下三種：改變串入電樞回路的電阻Rad；改變電樞供電電壓U改變主磁通1、改變電樞電路外串電阻調(diào)速

特點(diǎn)：1）R增加，k增加，特性變軟2）有級(jí)調(diào)速3）R越大，耗能越大1)應(yīng)用:起重機(jī),卷?yè)P(yáng)機(jī);2)缺點(diǎn):機(jī)械特性軟,實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速困難;3)注意:串電阻調(diào)速與起動(dòng)特性相似,但起動(dòng)電阻與調(diào)速電阻不同.

2．改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓U3）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速1）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)2）特性曲線互相平行，機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速范圍較大；4）U≤UN，n≤nN1)特點(diǎn):容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;機(jī)械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動(dòng)設(shè)備.2)應(yīng)用;適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,組成SCR-M系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用.3．改變電動(dòng)機(jī)主磁通

1）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)2）隨著Φ的減小，n0增加，k變大，特性變軟；3）恒功率調(diào)速4）Φ≤ΦN，n≥nN1)特點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;機(jī)械特性軟;調(diào)速范圍不大.2)應(yīng)用:適用于恒功率負(fù)載.一般與調(diào)壓配合使用.3)注意:在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)--------弱磁增速.例題例:一臺(tái)直流他激電機(jī)的額定數(shù)據(jù)為;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐;如果電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行,求(1)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓降到180V時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通為額定值的0.8時(shí))時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?(3)電樞電路串入2歐的附加電阻時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?解:

(1)此時(shí),U=180V,Ra=1.7歐=14例題求解(2)此時(shí),U=UN=220V,Ra=1.7歐(3)此時(shí),U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7(以上轉(zhuǎn)速單位為r/min)6．5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性

1．制動(dòng)與啟動(dòng)啟動(dòng)：電動(dòng)機(jī)速度從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)速度是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開(kāi)始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。2.制動(dòng)與自然停車(chē)1）自然停車(chē)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機(jī)械能使轉(zhuǎn)速慢慢下降，直到轉(zhuǎn)速為零而停車(chē)。2）制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，外加阻力轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)迅速停車(chē)。3.電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)1)電動(dòng)狀態(tài)：n與T同向2）制動(dòng)狀態(tài)：n與T反向4.電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)下的兩種情況1）使轉(zhuǎn)速迅速減速到停止；2）限制位能負(fù)載的下降速度。一、反饋制動(dòng)

特點(diǎn)：1）在外部條件的作用下，n>n0；2）n與T反向1．電車(chē)走下坡路時(shí)的反饋制動(dòng)1)實(shí)現(xiàn)條件:外部作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n大于其理想空載轉(zhuǎn)速no.如,電車(chē)下坡,起重機(jī)下放重物.2)機(jī)械特性:正轉(zhuǎn)時(shí),是第一象限的機(jī)械特性在第二象限內(nèi)的延伸特點(diǎn):(1)利用位能轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電,將機(jī)械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仍高于理想空載轉(zhuǎn)速,運(yùn)行不太安全.2．電樞電壓突然下降時(shí)的反饋制動(dòng)在電動(dòng)機(jī)電樞電壓突然降低使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)反饋制動(dòng)狀態(tài)。二、反接制動(dòng)

特點(diǎn)：1）U與E由相反變?yōu)橄嗤?）T與轉(zhuǎn)速n的方向相反。

改變U的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱(chēng)為電源反接制動(dòng)；

改變E的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱(chēng)為倒拉反接制動(dòng)。1．電源反接制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：U=-UN串Rad電阻

為了限制制動(dòng)時(shí)比較大的電樞電流,實(shí)施電源反接制動(dòng)時(shí),一定要在電樞電路中串入限流電阻.應(yīng)用在需要迅速減速或頻繁正反轉(zhuǎn)的機(jī)械上.2．倒拉反接制動(dòng)串Rad電阻電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：倒拉反接制動(dòng).改變電樞電勢(shì)方向所產(chǎn)生的制動(dòng).如:起重機(jī)的重物下降時(shí),電樞反轉(zhuǎn),電勢(shì)反向.此時(shí),位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL使重物下放,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TM反對(duì)重物下放-----制動(dòng).特點(diǎn):適當(dāng)選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉(zhuǎn)速,保證安全;轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差.制動(dòng)特性如右圖所示.是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸.三、能耗制動(dòng)U=0電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：1)實(shí)現(xiàn)條件:將電樞電壓突然降為零,串一外接電阻使電樞短接.此時(shí)電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T與n反向-----制動(dòng).2)特點(diǎn):制動(dòng)時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁雇饨与娮璋l(fā)熱而消耗,稱(chēng)之為“能耗”;穩(wěn)定性好,電動(dòng)機(jī)不可能反向起動(dòng).3)應(yīng)用:要求迅速準(zhǔn)確停車(chē)的場(chǎng)合;重物恒速下放.例3-2有一臺(tái)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，PN＝5.6kW，UN＝220V，IN＝3lA，nN＝1000r／min，Ra＝0.4Ω，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＝49N·m，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)λ＝2，試計(jì)算：(1)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)摩擦性負(fù)載，采用能耗制動(dòng)過(guò)程停車(chē)，電樞回路應(yīng)串入的制動(dòng)電阻最小值是多少?若采用反接制動(dòng)停車(chē)，電阻最小值是多少?(2)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要求以300r／min速度下放重物，采用倒拉反接制動(dòng)，電樞回路應(yīng)串多大電阻?若采用能耗制動(dòng)，電樞回路應(yīng)串多大電阻?(3)想使電機(jī)以n＝－1200r／min速度，在再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下，下放重物，電樞回路應(yīng)串多大電阻?若電樞回路不串電阻，在再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下，下放重物的轉(zhuǎn)速是多少?3.8 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)所拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＝常數(shù)，當(dāng)電樞電壓或電樞附加電阻改變時(shí)，能否改變其穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下電樞電流的大小?為什么?這時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)中哪些量必然要發(fā)生變化?3.9 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電樞反電勢(shì)E=E1，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＝常數(shù)，外加電壓和電樞電路中的電阻均不變，問(wèn)減弱勵(lì)磁使轉(zhuǎn)速上升到新的穩(wěn)態(tài)值后，電樞反電勢(shì)將如何變化?是大于、小于還是等于El?3.12一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：PN＝6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242Ω,試計(jì)算出此電動(dòng)機(jī)的如下特性：①固有機(jī)械特性；②電樞附加電阻分別為3Ω和5Ω時(shí)的人為機(jī)械特性；③電樞電壓為UN／2時(shí)的人為機(jī)械特性；④磁通Φ＝0.8ΦN時(shí)的人為機(jī)械特性。并繪出上述特性的圖形。3.19有一臺(tái)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：PN=10kW，UN=220V，IN=53.8A，nN=1500r／min，Ra=0.29Ω，試計(jì)算：(1)直接起動(dòng)瞬間的堵轉(zhuǎn)電流Iu；(2)若限制起動(dòng)電流不超過(guò)2IN，采用電樞串電阻啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)串入啟動(dòng)電阻的最小值是多少?若用降壓?jiǎn)?dòng)，最低電壓應(yīng)為多少?3.20有一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000r／min，在額定負(fù)載下，求：(1)想降至800r／min穩(wěn)定運(yùn)行，外串多大電阻?采用降壓方法，電源電壓應(yīng)降至多少伏?(2)想升速到1100r／min穩(wěn)定運(yùn)行，弱磁系數(shù)Φ／ΦN為多少?3.21有一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN＝7.5kW，U