第8章 直流電動(dòng)機(jī)

第8章直流電動(dòng)機(jī)8.1直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造8.2直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理8.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性8.4并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn)8.5并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一。直流電機(jī)自身有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，但與交流電機(jī)相比自身又有著缺點(diǎn)。直流電機(jī)既可作電動(dòng)機(jī)（電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能）使用，也可作發(fā)電機(jī)（機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能）使用。永磁直流電機(jī)做電源用的直流發(fā)電機(jī)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)。應(yīng)用：軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備；用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等；家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)玩具；直流電動(dòng)機(jī)的用途8.1

直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造定子、轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主磁極：由鐵心和勵(lì)磁線圈組成，用于產(chǎn)生一個(gè)恒定的主磁場；換向磁極：安裝在兩個(gè)相鄰的主磁極之間，它的作用是改善電機(jī)的換向；電刷：是通過與換向器之間的滑動(dòng)接觸，把直流電壓、直流電流引入或引出電樞繞組。機(jī)座：固定主磁極等部件，同時(shí)也是磁路的一部分。1、定子（磁極）：產(chǎn)生磁場定子鐵心和繞組又稱電樞，包括電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等。電樞鐵心上沖有槽孔，槽內(nèi)放電樞繞組，電樞鐵心也是直流電動(dòng)機(jī)磁路的組成部分；（2）轉(zhuǎn)子電樞繞組的—端裝有換向器，換向器由許多銅質(zhì)換向片組成一個(gè)圓柱體，換向片之間用云母絕緣。換向器通過與電刷的摩擦接觸，將兩個(gè)電刷之間固定極性的直流電流變換成為繞組內(nèi)部的交流電流，以便形成固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。

直流電樞繞組AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

5結(jié)論：整個(gè)電樞繞組通過換向片連成一個(gè)閉合回路。２、分類勵(lì)磁線圈轉(zhuǎn)子電樞+Ua－+Uf－他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I（１）他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。他勵(lì)式電動(dòng)機(jī)構(gòu)造比較復(fù)雜，一般用于對調(diào)速范圍要求很寬的重型機(jī)床等設(shè)備中。（２）并勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)在外加電壓一定的情況下，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通將保持恒定不變。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，負(fù)載變動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便，調(diào)速范圍大。（３）串勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)到同一電源上。串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加，呈顯著下降的軟特性，特別適用于起重設(shè)備。（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復(fù)勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化速度較快，負(fù)載變化時(shí)能夠有效克服電樞電流的沖擊，比并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)越，主要用于負(fù)載力矩有突然變化的場合。差復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速幾乎不變的特性，常用于要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的機(jī)械中。8.6.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和機(jī)械特性1．直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理IIFnF電流方向：上半邊向里，下半邊向外。電刷換向片線圈a、b代表電樞繞組，A、B為一對換向片當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)半周后，a邊處于S極之上，而b邊處于N極之下。由于采用了電刷和換向器裝置，此時(shí)電樞中的直流電流方向變?yōu)閺腷邊流入，從a邊流出。電樞仍受到一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩T的作用，繼續(xù)繞軸線方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。注意：線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。FF2．電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平衡方程當(dāng)電樞繞組在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因切割磁力線，線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢E，稱之為電樞電動(dòng)勢。根據(jù)右手定則知，E和原通入的電流方向相反，所以叫反電勢（1）電壓平衡方程EE其大小推導(dǎo)見附錄U是外加電壓，Ra是回路直流電阻，Ia是電樞電流電樞等效電路FFEE以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動(dòng)勢的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變

或n。(2)若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當(dāng)外加電壓一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變

可調(diào)速。和交流電動(dòng)機(jī)一樣，直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也是由于載流轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中受電磁力作用而產(chǎn)生的。電磁轉(zhuǎn)距與定子磁通、電樞電流成正比：Cm：電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流由轉(zhuǎn)矩公式可知：(1)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：必須有勵(lì)磁磁通和電樞電流。(2)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。（2）電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須和外加負(fù)載和空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0

：空載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡過程：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩（TL）發(fā)生變化時(shí)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)新的平衡。由3．機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)速n=n0=U/CeΦ,稱為理想空載轉(zhuǎn)速。（實(shí)際工作時(shí),由于有空載損耗，T不會(huì)為0）轉(zhuǎn)速降低，Ia會(huì)增大，感應(yīng)電動(dòng)勢E減小。負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)？稱為是轉(zhuǎn)速降T=0時(shí),由于電樞電阻Ra很小，所以負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速n的下降并不大，大約為3%~8%，因此直流電動(dòng)機(jī)具有硬機(jī)械特性。1．直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)8.6.3直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制直流電動(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)電流大(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)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。減壓起動(dòng)：是起動(dòng)前將施加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓降低，以減小起動(dòng)電流Ist的起動(dòng)方式。起動(dòng)電流通常限制在1.5～2.5IN內(nèi)，則起動(dòng)電壓為

Ust=IstRa=（1.5～2.5）

INRa（1）減壓起動(dòng)起動(dòng)時(shí)將起動(dòng)電阻調(diào)至最大，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升將起動(dòng)電阻逐漸減小。（2）電樞回路串電阻nn0電阻增大T1TTLT22．直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速改變磁通Φ改變電樞電壓U改變電樞串聯(lián)電阻Ra在由直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量往往要求電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（U、Ra不變）（、Ra不變）（U、

不變）U=0UfIaM+_+_If（1）改變磁通Φ（U、Ra不變）保持電樞電壓U不變，減小勵(lì)磁電流If

(Rf↑)以減小磁通

。所以：磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。，因?yàn)椋浩渲?，TTL（

減?。㏑f增加n

調(diào)速平滑，可做到無級調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；特點(diǎn)：但在額定情況下，

已接近飽和，所以通常只是減小磁通的辦法，n只能上調(diào)。機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好；調(diào)速范圍較小。

E

Iａ

TTLn（2）降壓調(diào)速（、Ra不變）其中，調(diào)電壓U，n0變化，但

n不變，所以斜率不變，調(diào)速特性是一組平行曲線。nn0"n0'n0電壓降低T特點(diǎn):控制靈活、方便，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；不改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，穩(wěn)定性好；調(diào)速范圍較寬；電樞繞組需要一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)直流電源，設(shè)備較復(fù)雜。nn0"n0'n0電壓降低T（3）電樞回路串電阻（U、

不變）其中，在電樞中串入電阻，n0不變，

n

nn0RaRa+

RT電機(jī)的特性曲線變陡（斜率變大）特點(diǎn)：調(diào)速方法簡單、方便；機(jī)械特性變軟；調(diào)速范圍小電動(dòng)機(jī)的損耗增大太多，因此只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速場合。nn0RaRa+

RT3．直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)（1）能耗制動(dòng)（2）反接制動(dòng)（3）發(fā)電反饋制動(dòng)（1）能耗制動(dòng)—電樞斷電后立即接入一個(gè)電阻。停車時(shí)，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時(shí)：由于慣性電樞仍保持原方向運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢方向也不變，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電樞電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。FFEEMUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)K（2）反接制動(dòng)電阻R的作用是限流。在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)相反極性的電源相接，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速至停轉(zhuǎn)。FFEEMUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)發(fā)電反饋制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢將高于外加電壓，使電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高。特殊情況下，例如汽車下坡時(shí)，在重力的作用下n

n0這時(shí)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩成為阻轉(zhuǎn)矩，從而限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高。(3)發(fā)電回饋制動(dòng)近年來，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機(jī)性能的電機(jī)不斷涌現(xiàn)，使直流電機(jī)有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機(jī)仍有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值!例：已知他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時(shí),

n=?（2）

=0.8

N時(shí),

n=?解：（1）TL=0.5TN時(shí)（2）

=0.8

N時(shí)學(xué)習(xí)要求1、掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理和使用方法2、理解三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和控制原理3、理解三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性4、了解單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理5、了解直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理和運(yùn)行特性本章重點(diǎn)：1、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理和使用方法2、三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和控制原理3、三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)及其相關(guān)運(yùn)算本章難點(diǎn)：1、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理2、三相異步電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子的電壓電流關(guān)系3、三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性4、單相異步電動(dòng)機(jī)的磁場分析本章考點(diǎn)1、三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生2、三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子頻率的關(guān)系3、三相異步電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子的電壓電流計(jì)算4、三相異步電動(dòng)機(jī)的Y-Δ降壓起動(dòng)的分析計(jì)算5、三相異步電動(dòng)機(jī)的自藕降壓起動(dòng)的分析計(jì)算6、三相異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算Ist、TN、Tst、Tmax附：電樞電動(dòng)勢公式推導(dǎo)：每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢為式中，—導(dǎo)體所在處的氣隙磁密；—導(dǎo)體的有效長度；—導(dǎo)體相對氣隙磁場的速度。電樞繞組的電動(dòng)勢應(yīng)為一條支