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1、本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调速和制动。,第三章 直流电机,3.3 直流电机电枢绕组,3.2 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场,3.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,3.6 直流动电机,3.7 直流电动机的起动、调速和制动,3.1 直流电机的基本工作原理与结构,3.5 直流发电机,直流发电机的作用：直流电源。,直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。,直流电动机优点：（1）调速范围广，且易于平滑调节；（2）过载、启动、制动转矩大；（3）易于控制，可靠性高；（4）调速时的能量损耗较小。,直流电机缺
2、点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。,3.1.1直流电机的主要结构,3.1 直流电机的基本工作原理和结构,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,定子,转子,电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,1.主磁极建立主磁场（N、S交替排列）,a.主极铁心磁路，由1.01.5mm厚钢板构成,b.励磁绕组电路 由电磁线绕制,2.机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚,3.电枢铁心磁路，0.5mm厚低硅硅钢片而成或冷扎硅钢片叠压（外圆冲槽，以便嵌放电枢绕组）,4.电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）,5.换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料）,6.电刷装置,7.换向极改善换
3、向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）,a.电刷石墨或金属石墨 b.刷握、刷杆、连线（铜丝辨）,一、直流发电机工作原理,右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。（动画）,3.1.2 直流电机的工作原理,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电
4、位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,二、直流电动机工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右
5、向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。（动画）,当电枢旋转到右图所示位置时,同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,3.1.3 直流电机的铭牌数据,额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良
6、的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌数据。,1、额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时，则用 kW 或 MW 表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。即：PNUNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以：PNUNINN,额定励磁电流 If指电机在额定状态时的励磁电流值。,额定电压 UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。,额定电流 IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为单位。,额定转速
7、 nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。,3.3.1 直流电机的电枢电动势,3.3 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。,性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).,可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。,3.3.2 直流电机的电磁转矩,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。,可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。,3.4 直流电动
8、机,直流电动机能把直流电能转换为机械能。(原理),直流电机按励磁方式分为他励电机;自励电机（并励电机、串励电机和复励电动机三种方式）。,主要内容:直流电动机的运行原理、工作特性、机械特性及起动、调速和制动运行,直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。,1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。,他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：,一、直流电机的励磁方式,供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。,2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足。,3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足。,4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕
9、组并联。,二、直流电动机的基本方程,如图规定各物理量的参考方向,电机稳态时的基本方程如下：,功率关系,电枢回路的铜损耗,从电源输入的电功率,电枢吸收的电磁功率,若考虑附加损耗和励磁回路消耗的功率，则,三、直流电动机的工作特性,（1）转速特性,1、他励（并励）直流电动机的工作特性,定义：当、时，,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。,（2）转矩特性,定义：当 时，,转矩表达式,考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。,（3）、效率特性,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增
10、大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。,定义：当、时，,2.他励直流电动机的机械特性,定义:当电动机加上一定的电压 和一定的励磁电流 时,转速 与电动机电磁转矩 的关系,即,理想空载转速,机械特性的斜率,3、串励直流电动机的工作特性,当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：,转速特性,因转矩特性,当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。,3.5 直流电动机的起动、调速和制动,一、直流电动机的起动,起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这就是电动机的起动
11、过程。,1、起动转矩要足够大;,2、起动电流不要太大（小于允许值）;,3、起动过程消耗的能量要小;,4、起动设备简单,便于控制。,对起动性能的要求：,降压起动起动时降低电枢绕组电压。,2、起动方法,直接起动直接将电机接到额定电压的电源，进行起动。,电枢回路串电阻起动起动时在电枢回路串入起动电阻,问题：为什么说直流电动机直接起动的起初起动电流很大？它会对电机产生什么影响？,问题：起动直流电动机时，在电枢回路中串电阻的目的是什么？为什么要在起动过程切除电阻？,注意：并励直流电动机，由于励磁绕组与电枢绕组并联，电枢电压降低，励磁电压即降低，从而主磁通降低，影响到反电动势的建立和起动转矩的减少，所以并
12、励直流电动机如用降压起动，励磁绕组须采用他励，使励磁电压不受电枢电压的影响。,1对调速性能的要求：（1）调速范围大（2）调速平滑（3）经济性好（4）方法简便可靠,二、直流电动机的调速,2调速方法,因为,所以（1）改变电枢回路的串联电阻；（2）改变励磁电流（励磁回路串电阻），即改变气隙磁通；（3）改变电枢电压。,3.他励直流电动机的调速,（1）改变电枢回路的串联电阻,特点：a.转速只能在对应电枢绕组电阻的基本转速往下调；,b.电枢回路串入较大电阻后机械特性变软，负载变化对转速的影响较大，工作不稳定；,c.难以实现平滑调速；,d.损耗大，经济性差,e.属于恒转矩调速。,（2）减小气隙磁通,特点：a
13、.转速只能在对应额定励磁电流的基本转速往上调,电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制；,b.可以实现平滑调速；,c.损耗小，设备简单，控制方便,d.属于恒功率调速。,(3)降压调速,特点：a.转速只能在对应额定电压的基本转速往下调；,b.稳定性好；,c.调速范围大,可以实现平滑调速；,e.属于恒转矩调速。,一般保持原磁场大小，方向不变。,制动的方法：回馈制动 能耗制动 反接制动,1.回馈制动,电机将系统具有的动能回馈电网，这种制动称之为回馈制动。,特点：比较经济；只能发生在 期间。,将转动部分的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。,2.能耗制动,三、直流电动机的
14、制动（电磁制动）,这种制动方法在转速较高时制动作用较大，随着转速下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制动装置，使系统迅速停转。可以准确停车。,3.反接制动,（1）电压反接的反接制动,电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩。,常用于反转拖动系统中，制动特性陡峭，制动效果好，能耗比较大。,他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路串入电阻，使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第四象限，转速反向，这种制动运行状态，称为转速反向制动运行。,（2）转速反向的反接制动,常用于起重设备低速下放重物的场合。,
