《他励式直流电动机》PPT课件.ppt

第第8章章 直流电动机直流电动机 8.1.1 概述概述8.2.2 工作原理工作原理8.3.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系8.4.4 电磁转矩电磁转矩8.5.5 机械特性机械特性8.6.6 直流电动机的调速直流电动机的调速8.7.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值8.1.1 概述概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使与异步电动机相比，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。用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速 范围大的大型设备。范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。8.2.2 工作原理工作原理 8.2.1 工作原理工作原理 U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II电流方向：电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。上半边向里，下半边向外。如图所示。注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转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。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。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIFFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，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产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。8.2.2 直流电机的构成直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构1.转子转子（又称电枢）（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。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：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U8.3.3 电枢电动势及电压平衡关系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（用感应电动势（用E表示）。表示）。8.3.1 电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE根据右手定则知，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，和原通入的电流方向相反，其大小为：其大小为：KE：与电机结构有关的常数：与电机结构有关的常数n：电动机转速：电动机转速 ：磁通：磁通单位：单位：（韦伯），（韦伯），n（转（转/每分），每分），E（伏）（伏）FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE8.3.2 电枢绕组中电压的平衡关系：电枢绕组中电压的平衡关系：因为因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压：外加电压Ra:绕组电阻绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变改变E，只能改变，只能改变 或或 n。(2)若忽略绕组中的电阻若忽略绕组中的电阻Ra，则，则 ，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变比，通过改变 可调速。可调速。8.4.4 电磁转矩电磁转矩KT：与线圈的结构有关的常数：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流：电枢绕组中的电流8.4.1 电磁转矩电磁转矩单位：单位：（韦伯），（韦伯），Ia（安培），（安培），T（牛顿（牛顿 米）米）由转矩公式可知：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。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。改变磁通的方向。8.4.2 转矩平衡关系转矩平衡关系电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，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，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL：负载转矩负载转矩T0：空载转矩：空载转矩 转矩平衡过程：转矩平衡过程：当负载转矩（当负载转矩（TL）发生变化时，）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁通过电机转速、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。转矩自动调整，以实现新的平衡。例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=TL(平衡平衡)，这时，这时，若若TL突然增加，则调整过程为：突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、P入入 TL n E Ia T 最后达到新的平衡点。最后达到新的平衡点。机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，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。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。他励电动机和并励电动机的特性一样。8.5.5 机械特性机械特性8.5.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性即：即：其中其中，n0：理想空载转速理想空载转速,即即T=0时的转速。（实际工作时的转速。（实际工作时时,由于有空载损耗，电机的由于有空载损耗，电机的T不会为不会为0 0。）。）当当 T 时时n ，但由于他励电动机的电枢电阻，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，很小，所以在负载变化时，所以在负载变化时，转速转速 n 的变化不大的变化不大，属硬机械，属硬机械特性。特性。根据根据 n-T 公式公式画出特性曲线画出特性曲线n0nNTNTn n其中其中，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。8.5.2 8.5.2 串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则则据此公式做出据此公式做出 T-n 曲线曲线nT(1)(1)T=0时，在理想情况下，时，在理想情况下，n。但。但实际上负实际上负 载转矩不会为载转矩不会为 0 0，不会工作在，不会工作在 T=0 的状态，的状态，但空载时但空载时 T 很小，很小，n 很高的串励不允许空载很高的串励不允许空载 运行，以防转速过高。运行，以防转速过高。串励特性：串励特性：(2)(2)随转矩的增大，随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属下降得很快，这种特性属 软机械特性。软机械特性。(3)(3)恒功率负载（恒功率负载（P 一定时，一定时，T 和和 n 成反比），成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。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直流电动机特性类型的选择:(1)(1)恒转矩的生产机械恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如：选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机金属加工、起重机 械等。械等。(2)(2)通风机械负载，机械负载通风机械负载，机械负载 TL 和转速和转速 n 的平的平 方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机 拖动。拖动。8.6.6 直流电动机的调速直流电动机的调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1 1）调速均匀平滑，可以无级调速。（注：异步）调速均匀平滑，可以无级调速。（注：异步 机改变极对数调速的方法叫有级调速）。机改变极对数调速的方法叫有级调速）。（2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 200 以上（调速比以上（调速比 等于最大转速和最小转速之比），因此机械等于最大转速和最小转速之比），因此机械 变速所用的齿轮箱可大大简化。变速所用的齿轮箱可大大简化。直流电动机调速的主要优点是：直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，由该式可知，n 和和 有关，在有关，在 U 一定的情一定的情况下，改变况下，改变 可改变可改变 n。在励磁回路中串。在励磁回路中串上电阻上电阻Rf，改变，改变Rf大小调节励磁电流，从而大小调节励磁电流，从而改变改变 的大小。的大小。8.6.1 8.6.1 改变磁通（调磁）改变磁通（调磁）一一.原理原理其中其中，Rf If n ，但在额定情况下，但在额定情况下，已接已接 近饱和，近饱和，If 再加大，对再加大，对 影响不大，所以这种增加影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。磁通的办法一般不用。Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方减弱磁通是常用的调速方 法。法。If的调节有两种情况：的调节有两种情况：概念：概念：改变磁通调速的方法改变磁通调速的方法 减小磁通，减小磁通，n只能上调。只能上调。其中其中，二二.特性的变化特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：因为：（减减小小）TLRf增增加加Tn 其中其中，调速过程调速过程:U一定一定,则则Rf E E Ia T n Ia E 最后达到新的平衡最后达到新的平衡暂时暂时T TL其中其中，（1 1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，）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，受机械本身强度所限，n不能太高。不能太高。（2 2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。调节控制方便。三三.减小减小 调速的特点：调速的特点：（1 1）若调速后）若调速后 Ia保持不变，则高速运转时负载转矩保持不变，则高速运转时负载转矩 必须减小。必须减小。（2 2）这种调速方法只适用于恒功率调速。）这种调速方法只适用于恒功率调速。使用调磁来调速的方法时，应注意：使用调磁来调速的方法时，应注意：8.6.2 8.6.2 改变电枢电压调速改变电枢电压调速由转速特性方程知：由转速特性方程知：调电枢电压调电枢电压U，n0变化，斜率不变，变化，斜率不变，所以调速特性是一所以调速特性是一组平行曲线。组平行曲线。一一.特性曲线特性曲线nn0n0n0电电压压降降低低T其中其中，说明：说明：改变电压的调速方法必须有连续可调的大功改变电压的调速方法必须有连续可调的大功率直流电源，这种调速方法适用率直流电源，这种调速方法适用G-M（发电机（发电机-电电动机）系统。动机）系统。G-M 系统通过改变直流发电机的励磁系统通过改变直流发电机的励磁电流来改变发电机的输出电压，发电机的输出电压电流来改变发电机的输出电压，发电机的输出电压再去控制电动机的电枢电压。这种方法投资大，目再去控制电动机的电枢电压。这种方法投资大，目前广泛使用的方法是可控硅整流电路调节电枢电压。前广泛使用的方法是可控硅整流电路调节电枢电压。二二.改变电枢电压调速的特点改变电枢电压调速的特点（1 1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过过UN，而，而 n U，所以调速只能向下调所以调速只能向下调。（2 2）可得到平滑、无级调速。）可得到平滑、无级调速。（3 3）调速幅度较大。）调速幅度较大。例：例：已知他励电动机的已知他励电动机的 PN=2.2KW,UN=220V,IaN Ra=,nN=1500r/min。求：求：（1）TLTN 时时,n=?（2）=0.8 N 时时,n=?解：（解：（1）TLTN 时时（2）=0.8 N 时时这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。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。串励电机也可用类似的方法调速。8.6.3 8.6.3 改变转子电阻调速改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，在电枢中串入电阻，使使 n 、n0不变，即不变，即电机的特性曲线变陡电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相（斜率变大），在相同力矩下，同力矩下，n nn0RaRa+RT其中其中，8.7.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值限制限制Iast的措施：的措施：（1 1）启动时在电枢回路串电阻。）启动时在电枢回路串电阻。（2 2）启动时降低电枢电压。）启动时降低电枢电压。8.7.1 8.7.1 使用使用一一.启动启动启动时启动时,n=0 Ea=0，若加入额定电压，则，若加入额定电压，则Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般向器。一般Iast限制在限制在 (2-2 (2-2.5)IaN 内。内。(1)(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩若电动机原本静止，由于励磁转矩 T=KT Ia，而而 0，电机将不能启动，因此，反电动势电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：注意：（2 2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则则 E ，Ia ，T 和和 ，可能不满可能不满 足足TL的要求，电动机必将减速或停转，使的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。更大，也很危险。（3 3）如果电机空载运行，可能造成飞车。）如果电机空载运行，可能造成飞车。E Ia T T0 n 飞车飞车二二.反转反转例：例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢 电流两者的方向同时改变时而转向不变的电流两者的方向同时改变时而转向不变的 原理，采用特别的串励电动机，使手电钻原理，采用特别的串励电动机，使手电钻 用单相交流电源或直流电源供电均可。用单相交流电源或直流电源供电均可。电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1 1）改变励磁电流的方向。）改变励磁电流的方向。（2 2）或改变电枢电流的方向。）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：改变直流电机转向的方法：注意：注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两 者的方向不能同时变。者的方向不能同时变。（1 1）反接制动）反接制动三三.制动制动制动的所采用的方法：制动的所采用的方法：反接制动、能耗制动、发电回馈制动反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+R运行运行制动制动电阻电阻 R 的作用的作用是限制电源反是限制电源反接制动时电枢接制动时电枢的电流过大。的电流过大。（2 2）能耗制动）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+R运行运行制动制动K停车时，电枢从停车时，电枢从电源断开电源断开,接到电接到电阻上，这时：由阻上，这时：由于惯性电枢仍保于惯性电枢仍保持原方向运动，持原方向运动，感应电动势方向感应电动势方向也不变，电动机也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。特殊情况下，例如汽车下坡时，特殊情况下，例如汽车下坡时，在重力的作在重力的作用下用下 n n0（n0理想空载转速），这时电动理想空载转速），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。限制电机转速过分升高。(3)(3)发电回馈制动发电回馈制动直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组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各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。区别。四四.连接连接（1）绕组的阻值范围）绕组的阻值范围 电枢绕组电枢绕组的阻值在的阻值在零点几欧姆到零点几欧姆到12欧姆欧姆。他励他励/并励电机的励磁绕组并励电机的励磁绕组的阻值有的阻值有几百欧姆几百欧姆。串励电机的励磁绕组串励电机的励磁绕组的阻值的阻值与电枢绕组的相当与电枢绕组的相当。（2）绕组的符号）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组电枢绕组他励绕组他励绕组并励绕组并励绕组串励绕组串励绕组换向极绕组换向极绕组补偿绕组补偿绕组启动绕组启动绕组始端始端绕组名称绕组名称末端末端8.7.2 8.7.2 额定值额定值1.1.额定功率额定功率PN:电机轴上输出的机械功率电机轴上输出的机械功率2.2.额定电压额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直额定工作情况下的电枢上加的直 流电压。（例：流电压。（例：18V，220V，440V）3.3.额定电流额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率额定电压下，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）时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：三者关系：PN=UNIN （：效率）：效率）注意：注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过 nN。4.4.额定转速额定转速nN：在在PN，UN，IN 时的转速。直流电时的转速。直流电 机的转速等级一般在机的转速等级一般在 500 500r/min 以上。特殊的直以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟高（每分钟30003000转以上）。转以上）。