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1、主编 宫迎新制作 高英霞2006年7月,电工电子技术基础,直流电动机的工作原理直流电动机的机械特性直流电动机使用方法,学习要点,第8章 电动机,第8章 直流电动机,8.1 直流电动机的结构和工作原理8.2 直流电动机的机械特性8.3 直流电动机的使用,8.1 直流电动机,8.1.1 直流电动机的结构,直流电动机与交流三相异步电动机相比较，结构复杂，价格较高，使用与维护的技术要求高。但它的优点突出：有无级调速特性，起动转矩大。,直流电动机的外形和结构示意如图8-1所示。直流电动机和三相异步电动机一样也是由定子和转子两个基本部分构成。,1、定子定子是直流电动机的静止部分，如图8-2所示。它包括主磁
2、极、换向磁极、机座、电刷装置和端盖等。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成。励磁绕组通入励磁电流时产生主磁通，它可以有一对或者多对。换向磁极由换向极铁心和绕组组成，位于两主磁极之间，体积比较小，换向极与电枢串联，通过电枢电流，产生附加磁场，以改善换向条件，减小换向器上的火花。一般小功率的电动机没有换向磁极。,机座由铸钢制成，用来安装主磁极和换向磁极等部件，这是电动机的外壳，也是磁路的一部分。端盖既是转轴的支架，又用来固定刷架。在刷架内由弹簧把电刷压在转子的换向器上。,2、转子 直流电动机的转子也称为电枢。如图8-3所示。包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。,电枢铁心由硅钢片叠成，其表
3、面有均匀分布的槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心是直流电动机的磁路的一部分。电枢绕组由许多相同结构的线圈组成，按一定规律嵌放在电枢铁心的槽内并与换向器相连，通入电枢电流时在主磁通的作用下产生电磁转矩。换向器也称为整流子，俗称铜头，是直流电动机的特有装置。它由许多楔形铜片组成，片间用云母或其它垫片绝缘，外表呈圆柱形，装在转轴上。每一个换向片按一定规律与电枢绕组的线圈连接。在换向器的表面用弹簧压有电刷，由电刷引出线外接直流电源，形成电枢电流，从而实现旋转的电枢绕组与静止的外电路相通。,3、励磁方式 直流电动机的主磁通是由励磁绕组中的励磁电流产生的，产生主磁通的过程称为励磁。由于励磁方式的不同，使得直流
4、电动机的有不同的特性。直流电动机按励磁方式的 不同可分为四种，如图8-4所示。,他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的重型机床等设备中。并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转速调节方便，调速范围大。串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特别适用于起重设备。积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械中。,8.1.2 直流电动机的工作原理,
5、接通直流电压U时，直流电流为从a边流入，b边流出，由于a边处于N极之下，b边处于S极之下，则线圈受到电磁力而形成一个逆时针方向的电磁转矩T，使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动。,1直流电动机的转动原理,当电枢转动半周后，a边处于S极之下，而b边处于N极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从b边流入，从a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。,2电磁转矩与电压平衡方程,为转矩常数，它与电动机的结构有关。为电动势常数，它与电动机的结构有关。,8.2 直流电动机的机械特性,称之为直流直流电动机的机械特性。式中的每极磁通 是由磁绕组中励磁电
6、流产生的，励磁方式决定了 与负载的关系，因此，不同励磁方式的直流电动机，其机械特性也不同。,8.2.1他励和并励电动机的机械特性,他励和并励直流电动机的励磁电流是不受负载影响的，也就是当励磁电压一定时 为一常数。于是,可写成,式中：称为理想空载转速 是一个很小的常数,这表明他励和并励直流电动机的机械特性是一条稍微向下倾斜的直线，机械特性比较硬，如图8-8所示。常用于转速基本不受负载影响，又可在大范围内调速的生产机械，如龙门刨床、大型车床和冶金机械等。,8.2.2 串励电动机的机械特性,串励电动机的机械特性如图8-9所示。这是一条比较软的机械特性。,可见，串励电动机没有固定的理想空载转速。,串励
7、电动机有比较软的机械特性，这是它主要特点之一，因此特别适于起重设备。当起重机提升较轻的货物时，电动机的转速较高，以提高生产效率；当提升较重的货物时，电动机的转速较低，以保证安全。串励电动机的另一个特点是起动转矩和过载能力较大。当负载较小时，磁路没有饱和，磁通与电枢电流成正比，故电磁转矩：,这表明电磁转矩与电枢电流的平方成正比。因此，起动转矩较大和过载能力较强。特别适用于电气牵引设备。串励电动机在空载和轻载时，由于电枢电流很小，磁通很小，电动机的转速很高，达额定转速的56倍，将造成换向困难，甚至使电枢因为过大的离心力而甩坏。所以串励电动机不允许空载起动，规定负载不能小于额定值的20%30%。同时
8、，不准用皮带或链条传动，防止皮带或链条的脱落而使电动机的转速过高。,8.2.3 复励电动机的机械特性,复励电动机兼有并励和串励电动机两方面的特点，机械特性介于两者之间，如图8-10所示。当并励绕组的作用大于串励绕组的作用时，机械特性接近于并励电动机；当串励绕组的作用大于并励绕组的作用时，机械特性接近于串励电动机。,适用于负载转矩变化比较大，又需要较大起动转矩的设备中，可以空载或轻载运行。如轮船、城市电车、起重机和采矿设备等。,8.3 直流电动机的使用,8.3.1 直流电动机的起动,在直流电动机接通电源的瞬间n=0，感应电动势，故起动电流为：,由于Ra很小，所以起动电流很大，达额定电流的十几倍。
9、这样大的起动电流对供电电源的冲击很大，很容易造成电源的损坏，同时也可能损坏电动机本身。,为了减小起动电流又保持一定起动转矩，通常限制起动电流在额定电流的1.52.5倍范围内。从式（8-8）可知，限制起动电流的方法有二种：1降低电枢电压降低电枢电压需要有一个可调压的直流电源，随着转速的升高，使电源电压逐渐升高到额定值。这种方法只适用于他励电动机。2电枢电路串联电阻对于并励、串励和复励电动机，采用在电枢电路中串联电阻的方法起动。随着转速的升高逐渐减小起动电阻，直到减小到零。无论采用何种励磁方式的电动机，也无论采用何种起动方式，励磁电路必须可靠的连接，不允许开路。,【例8-2】一台他励电动机，这额定
10、电枢电压为110V，额定电流为81.6A，电枢电阻0.12，求直接起动时的起动电流是多少？若将起动电流限制为额定电流的2倍，应选择多大的起动电阻？【解】：直接起动电流为,若将起动电流限制为额定电流的2倍，则由：,8.3.2直流电动机的反转,改变直流电动机的旋转方向，必须改变电磁转矩的方向。由直流电动机的运行原理可知，电磁转矩的方向是由磁通的方向和电枢的方向决定的。因此，只要改变励磁电流的方向或者改变电枢电流的方向，两者只取其一。一般来说，励磁绕组存在很大的电感，在换向时会产生很高的感应电动势，造成换接困难，因此，一般都改变电枢电流的方向。,8.3.3 直流电动机的调速,根据直流电动机的转速公式
11、,可知直流电动机的调速方法有3种：改变磁通调速、改变电枢电压U调速和电枢串联电阻调速。,在电动机的机械负载不变的条件下改变电动机的转速，串励和复励电动机的调速特性比较复杂。我们以并励电动机为例说明。,特点：（1）机械特性变软，也就说转速只能变低；（2）低转速时，调速电阻上通过较大的电流，消耗电能较多，经济性差；（3）如果负载稍有变化，电动机的转速就会有较大的变化，这对于要求恒速的负载不利。,1、电枢电路串联电阻调速,这种调速方式适于调速范围不大和调速时间不长的小功率电动机。,2、励磁电路串联电阻调速 在励磁电路中串联电阻，或改变励磁电源电压，使电动机的磁通小于原来的额定值，从而使电动机的转速升
12、高。,特点：（1）因磁励电流较小，故调速时消耗电能少，经济性好；（2）调速后的机械特性硬度变化不大；（3）由于励磁电流只能在额定值的基础上减小，所以只能实现升速。,3、改变电枢电压调速 改变电枢电压，使电动机的电枢电压小于额定值，从而使电动机的转速降低。,特点：（1）使电动机的电枢电压下调时，机械特性平行下移；（2）硬度不变，调速比较平稳；（3）转速只能调高不能调低。,8.3.4 直流电动机的制动,直流电动机的制动也有能耗制动、反接制动和发电反馈制动3种。1、能耗制动 能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。,2、反接制动 反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。,
