电工第7章直流电动机.ppt

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1、海南风光第第7 7章章7.2 7.2 直流电动机直流电动机清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编第第7章章 电动机电动机7.1三相异步电动机三相异步电动机 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铭牌与技术数据 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用7.2 单相异步电动机单相异步电动机 7.2.1 分相式单相异步电动机分相式单相异步电动机 7.2.2 罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机7.3 直流电机直流电机 7.3.1 直流电机的结构及工作原理直流电机的结构

2、及工作原理 7.3.2 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 7.3.3 直流电动机的调速直流电动机的调速 7.3.4 直流电动机的使用直流电动机的使用7.4 控制电机控制电机 步进电机步进电机 伺服电机伺服电机概述概述 异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使异步电动机相比，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

3、于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。（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。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具7.3.1 工作原理工作原理 一、一、工作原理工作原理 电枢线圈电枢线圈NS永久磁铁永久磁铁或电磁铁或电磁铁电刷电刷换向片换向片直流发电机用右手定则判用右手定则判感应电动势感应电动势E的方向的方向U+NSEEIaRa电枢电枢绕组电阻绕组电阻感应电动势感应电

4、动势输出电压输出电压注意：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。由由左手定则左手定则，通电线圈在磁场的作用下，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+NSII直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈直流电动机FFU+NSIIEE由由右手定则右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中，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

5、反。二、二、直流电动机的构成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。直流电动机由定子、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定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换向环铁心铁心转子绕组转子绕组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

6、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

7、他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U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（用产生感应电动势（用E表示）。表示）。一、一、电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势FFU+NSIIEE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：

8、单位：（韦伯），（韦伯），n（转（转/分），分），E（伏）（伏）FFU+NSIIEE二、二、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

9、反 比，通过改变比，通过改变 可调速。可调速。7.3.2 直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩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：电枢绕组中的电流一、电磁转矩一、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

10、流的方向或者 改变磁通的方向。改变磁通的方向。二、二、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+T0(平衡平衡)，这时，这时

11、，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。直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性一、一、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，M他励他励UfIfIaUn0：理想空载转速理想空载转速,即即T=0时的转速。（实际工

12、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。二、二、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 据此公式做出据此公式做出

13、T-n 曲线曲线nTM串励串励UIa(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。串励不允许空载很高。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。nT(2)(2)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

14、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。例例1：已知他励电动机的已知他励电动机的 PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5 ,nN=1500r/min。求：求：（1）TL=0.5TN 时时,n=?（2）=0.8 N 时时,n=?解：解：（2）=0.8 N 时时7.3.3 直流电动机的调速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。下面以他励电

15、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。）调速均匀平滑，可以无级调速。（2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 200（他励式）以上（他励式）以上 （调速比等于最大转速和最小转速之比）。（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：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。在励磁回路中串上电阻在励磁回路中串上电阻Rf，改变，改变Rf大小调节励大小调节励磁电流，从而改变磁电流，从而改变 的大小。或调节的大小。或调节Uf。一、改

16、变磁通调速一、改变磁通调速1.原理原理M他励他励UfIfIaU其中：其中：=K If 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。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。=K IfRf If n ，减弱磁通是常用的调速方法。减弱磁通是常用的调速方法。2.2.机械特性的变化机械特性的变化所以：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

17、率增加。，因为：因为：（减减小小）TLRf增增加加Tn（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。3.减小减小 调速的特点：调速的特点：二、改变电枢电压调速二、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。1.特性曲线特性曲线nn0n0n0电电

18、压压降降低低T其中其中，2.2.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。（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,调速范围：调速范围：0nN。例例2 2 直流电动机调速方法直流电动机调速方法调节电枢电压调节电枢电压U Ua a调速调速解：由例解：由例1计算可知计算可知已知已知:他励电动机的他励电动机的 PN=2.2KW,UaN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5 ,nN=1500r/min。求求：在电枢电压：在电

19、枢电压Ua为为180V、100V、50V时的转速。时的转速。答案：答案：1215、656、306 r/min例例2 2 直流电动机调速直流电动机调速调节电枢电压调节电枢电压U Ua a调速调速方案方案MUfIfIaU变变压压整整流流220V整整流流调调压压220VUfUaM+-220V直流电机直流电机硅整流器硅整流器自耦调压器自耦调压器硅整流器硅整流器220 V变压器变压器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。三、改变转子电阻调速三、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

20、 、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，例例3 3 直流电动机调速方法直流电动机调速方法电枢线圈串电阻调速电枢线圈串电阻调速解：由例解：由例1计算可知计算可知已知已知:他励电动机的他励电动机的 PN=2.2KW,UaN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5 ,nN=1500r/min。求求：在电枢线圈串入：在电枢线圈串入R为为1、5 、10 时的转速。时的转速。答案：答案：1408、1062、628 r/min+R例例3 3 直流电动机调速直流电动机调速电枢线圈串电阻电枢线圈串电

21、阻调速调速方案方案UfUaM+-励磁电源励磁电源直流电机直流电机可变电阻可变电阻电枢电源电枢电源RUfUaM+-起动时电枢线圈串接电阻以降低起动电流起动时电枢线圈串接电阻以降低起动电流7.3.4 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）起动时在电枢回路串电阻。）起动时在电枢回路串电阻。（2）起动时降低电枢电压。）起动时降低电枢电压。一、使用一、使用1.起起 动动起动时起动时,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

22、 (2-2.5)IaN 内。内。(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。直流机在起动和工作时，励磁电路一定要接通，直流机在起动和工作时，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）如果电动机运行时磁路突然断开（称为）如果电动机运行时磁路

23、突然断开（称为“失失磁磁”），会发生什么问题？），会发生什么问题？(b)在电机空载运行情况下在电机空载运行情况下 n(a)在有载运行情况下在有载运行情况下 ，E ，Ia ，T ，可能不满足可能不满足TL的的要求，电动机必将减速或停转，使要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大。更大。结果：烧坏电机结果：烧坏电机结果：可能造成结果：可能造成“飞车飞车”在直流电机控制时，一定要设计在直流电机控制时，一定要设计“失磁报警及自动处理控制失磁报警及自动处理控制”措施：措施：他励直流电动机一定要有他励直流电动机一定要有失磁保护失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当

24、失压或欠流时，自动流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源切断电枢电源U U。M他励他励UfIfIaU2.2.反转反转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：（1 1）反接制动）反接制动3.3.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

25、时电枢的电流过大。的电流过大。自学自学（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、吊车重物下降时，特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降

26、时，在重力的作用下在重力的作用下 n n0（n0理想空载转速），这时电理想空载转速），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。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。4.4.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

27、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。自学自学（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二、额定值二、额定值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.额定电压额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流

28、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 1.2nN。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。特殊的直流以上。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）。