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1、,海南风光,第7章7.2 直流电动机,清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编,第7章 电动机,7.1三相异步电动机 三相异步电动机的结构和转动原理 三相异步电动机的转矩与机械特性 三相异步电动机的铭牌与技术数据 三相异步电动机的使用7.2 单相异步电动机 7.2.1 分相式单相异步电动机 7.2.2 罩极式单相异步电动机7.3 直流电机 7.3.1 直流电机的结构及工作原理 7.3.2 直流电动机的机械特性 7.3.3 直流电动机的调速 7.3.4 直流电动机的使用7.4 控制电机 步进电机 伺服电机,概述,异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。,7
2、.3.1 工作原理,一、工作原理,电刷,换向片,直流发电机,用右手定则判感应电动势E的方向,Ra电枢绕组电阻,感应电动势,输出电压,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。,N,S,直流电动机,由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。,二、直流电动机的构成,直流电动机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,定子,直流电动机结构,定子绕组,小型永磁式直流电机转子,换向环,铁心,转子绕组,1.转子（又称电枢）由
3、铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,2.定子,定子的分类：,励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,电枢电动势及电压平衡关系,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,一、电枢中的感应电动势,根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反
4、，其大小为：,单位：（韦伯），n（转/分），E（伏）,二、电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。,U：外加电压Ra:绕组电阻,7.3.2 直流电动机的电磁转矩,一、电磁转矩,单位：（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）,由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,二、转矩平衡关系,电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即,转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。,例：
5、,设外加电枢电压 U 一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：Ia、P入,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,直流电动机的机械特性,一、他励电动机的机械特性,n0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）,当 T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速 n 的变化不大，属硬机械特性。,根据 n-T 公式画出特性曲线,串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。,二、串励电动机的机械特性,设磁通和
6、电流成正比，即=K Ia,据此公式做出 T-n 曲线,(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负 载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态，但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。,串励特性：,(2)随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。,(2)恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机 械等。,例1：已知他励电动机的 PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5,nN
7、=1500r/min。求：,（1）TL=0.5TN 时,n=?（2）=0.8 N 时,n=?,解：,（2）=0.8 N 时,7.3.3 直流电动机的调速,下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。,（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。,直流电动机调速的主要优点是：,由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情况下，改变 可改变 n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变 的大小。或调节Uf。,一、改变磁通调速,1.原理,其中：=K If,Rf If n，但在额定情况下，已接 近饱和，If
8、 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。,If的调节有两种情况：,概念：改变磁通调速的方法 减小磁通，n只能上调。,=K If,Rf If n，减弱磁通是常用的调速方法。,2.机械特性的变化,（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。,3.减小 调速的特点：,二、改变电枢电压调速,由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,1.特性曲线,2.改变电枢电压调速的特点,（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过UN，而 n U。（2）可得
9、到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大,调速范围：0nN。,例2 直流电动机调速方法调节电枢电压Ua调速,解：由例1计算可知,已知:他励电动机的 PN=2.2KW,UaN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5,nN=1500r/min。求：在电枢电压Ua为180V、100V、50V时的转速。,答案：1215、656、306 r/min,例2 直流电动机调速调节电枢电压Ua调速方案,这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。,三、改变转子电阻调速,在电枢中串入电阻，使 n、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，n,例3 直流电动机调速方法电枢线
10、圈串电阻调速,解：由例1计算可知,已知:他励电动机的 PN=2.2KW,UaN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5,nN=1500r/min。求：在电枢线圈串入R为1、5、10时的转速。,答案：1408、1062、628 r/min,+R,例3 直流电动机调速电枢线圈串电阻调速方案,7.3.4 直流电动机的使用和额定值,限制Iast的措施：（1）起动时在电枢回路串电阻。（2）起动时降低电枢电压。,一、使用,1.起 动,起动时,n=0 Ea=0，若加入额定电压，则,Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN 内。,(1)若电动机原本静止，由于
11、励磁转矩 T=KT Ia，而 0，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。,（2）如果电动机运行时磁路突然断开（称为“失磁”），会发生什么问题？,(b)在电机空载运行情况下,n,(a)在有载运行情况下,，E，Ia，T，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大。,结果：烧坏电机,结果：可能造成“飞车”,在直流电机控制时，一定要设计“失磁报警及自动处理控制”,措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。,2.反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,（1）反接制动,3.制
12、动,制动的所采用的方法：反接制动、能耗制动、发电回馈制动,电阻 R 的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。,（2）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。,特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，在重力的作用下 nn0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。,(3)发电回馈制动,直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,4.连接,（1）绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,（2）绕组的符号,二、额定值,1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。,2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）,3.额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN（：效率）,注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过 1.2nN。,4.额定转速nN：在PN，UN，IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,
