單元六 直流電動機

單元六直流電動機6.1

直流電機的構(gòu)造6.2

直流電機的基本工作原理6.4

并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn)6.3

直流電動機的機械特性6.5

并勵(他勵)電動機的調(diào)速

1.了解直流電動機的基本構(gòu)造和工作原理。

2.掌握他勵（并勵）和串勵直流電動機的電壓與電流的關(guān)系式，接線圖、機械特性。

3.搞清他勵（并勵）和串勵直流電動機的起動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的基本原理和基本方法。本章要求1

直流電機的構(gòu)造直流電動機雖然比三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械往往采用直流電動機驅(qū)動。直流電機的優(yōu)點：

(1)調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。

(2)起動、制動轉(zhuǎn)矩大,易于快速起動、停車。

(3)易于控制。應(yīng)用:

1)軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機以及起重設(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、拖拉機等。NS············NS極掌極心勵磁繞組機座轉(zhuǎn)子直流電動機的磁極和磁路直流電機由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機座等部分構(gòu)成。2.轉(zhuǎn)子(電樞)

由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極永磁式:

由永久磁鐵做成。勵磁式:

磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁:

磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。電樞鐵芯：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：單個繞組元件組成。用來在電機中產(chǎn)生磁場。2

直流電機的基本工作原理IU–+SbNacd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連接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動，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。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉(zhuǎn)。U–+U–+電刷換向片U–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。EEU–+TnSbNdFFacII換向片電刷線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反KE:

與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n:

電動機轉(zhuǎn)速：磁通1.電樞感應(yīng)電動勢

E=EKnU–+EETnSbNdFFacII換向片電刷由圖可知，電樞感應(yīng)電動勢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–RaIaE+–+UMKT:與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

:

線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3.電磁轉(zhuǎn)矩單位:(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為4.轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,它使電樞轉(zhuǎn)動。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=KT

Ia當(dāng)電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應(yīng)負載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程T2:機械負載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達到新的平衡點(Ia

、P入)

。T2nIa

T

E1.他勵電動機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。3直流電機的分類直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復(fù)勵電動機2.并勵電動機勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵4.復(fù)勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的連接有串有并，接在同一電源上。3.串勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串連接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復(fù)勵U+_IMIa4

直流電動機的機械特性特點:

勵磁繞組與電樞并聯(lián)由圖可求得由上分析可知：當(dāng)電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時,勵磁電流If和磁通不變，即=常數(shù)。則IaUM+_If+_IE令：T=KT

Ia

=KT

Ia

即：并勵電動機的磁通=常數(shù)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。

由以下公式求得IaUM+_If+_IE式中：n=f(T)

特性曲線n0nNTN并勵電動機在負載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大—硬機械特性（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畫n0T

n例:有一并勵電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22kW,

UN=110V,

nN=1000r/min,

=0.84,并已知

Rf=26.5，Ra=0.04,試求:(1)額定電流I,額定電樞電流Ia及額定勵磁電流If

;(2)損耗功率PaCu

,

及PO

;(3)額定轉(zhuǎn)矩T;(4)反電動勢E。解：(1)P2是輸出功率，額定輸入功率為額定電流額定勵磁電流額定電樞電流（2）電樞電路銅損勵磁電路銅損總損失功率空載損耗功率（3）額定轉(zhuǎn)矩（4）反電動勢5

并勵電動機的起動、調(diào)速與反轉(zhuǎn)（一）起動直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴重的火花,燒壞換向器；起動時,n=01.起動問題：(1)起動電流大(2)起動轉(zhuǎn)矩大起動時，起動轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN,造成機械沖擊，使傳動機構(gòu)遭受損壞。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。2.起動方法

3.注意事項(1)電樞串電阻起動法(2)降壓起動法：直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。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。最大起動電壓Ust為(1)如果電動機是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KTIa),

電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險。

(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉(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)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。（E

IaT>>

T0

n飛車）（二）并勵(他勵)電動機的調(diào)速并勵(他勵)電動機與異步電動機相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維護也不方便，但在調(diào)速性能上由其獨特的優(yōu)點。

1.調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速(注：異步機改變極對數(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）,因此機械變速所用的齒輪箱可大大簡化。主要優(yōu)點：由轉(zhuǎn)速公式:可見直流電機調(diào)速方法有三種。可見：在U一定的情況下，改變可改變轉(zhuǎn)速n。1.

改變磁通調(diào)速保持電樞電壓U不變，改變勵磁電流If(調(diào)Rf)以改變磁通

。由式Rf

Ifn一般只采用減少勵磁電流(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)。改變時的機械特性如圖。TLTn（

減?。㏑f增加O調(diào)速過程:直至T=TC達到新的平衡。電壓U保持一定,減小磁通。

Rf

EIａnIa

E瞬間T

>T２T

(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受機械本身強度所限，n不能太高。(2)調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟，電流小，便于控制。(3)機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4)對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機,其調(diào)速幅度可達３~４,

例如530~2120r/min及310~1240r/min。

減小調(diào)速的特點：(1)若調(diào)速后

Ia

保持不變，電動機在高速運轉(zhuǎn)時其負載轉(zhuǎn)矩必須減小。(2)這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速(如用于切削機床)。使用調(diào)磁調(diào)速時應(yīng)注意：2.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。n0"n0'電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點:(1)工作時電壓不允許超過UN

，而nU,所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機械特性較硬，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。

UIa

T

T

=TC穩(wěn)定n

E

Ia

T

改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。3.

電樞回路串電阻調(diào)速電樞中串入電阻,使

n、

n0不變，即電機的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n。特性曲線如圖。Rann0T

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：(1)設(shè)備簡單，操作方便。(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。(3)能量損耗大，只用于小型直流機。Ra

+

R電阻增大1.額定功率PN:

電機軸上輸出的機械功率。2.額定電壓UN:

額定工作情況下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的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。

三者關(guān)系：PN=UNIN

（：效率）4.額定轉(zhuǎn)速nN:

在PN,UN,IN

時的轉(zhuǎn)速。直流電機的轉(zhuǎn)速一般在500r/min以上。特殊的直流電機轉(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)速時對于沒有調(diào)速要求的電機，最大轉(zhuǎn)速不能超過1.2nN

。

。直流電動機的額定值(3)恒功率