注册电气工程师考试培训学习资料直流电动机.ppt

4.12 直流电动机,4.12.1 概述4.12.2 工作原理4.12.3 电枢电动势及电压平衡关系4.12.4 电磁转矩4.12.5 机械特性4.12.6 直流电动机的调速4.12.7 直流电动机的使用和额定值,4.12.1 概述,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。,4.12.2 工作原理,1 工作原理,电刷,换向片,电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。,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。,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。,2 直流电机的构成,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,励磁式直流电动机结构,（1）转子（又称电枢） 由铁芯、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。,4.12.3 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）。,1 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，其大小为：,单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）,2 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,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 改变E，只能改变 或 n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 ， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。,4.12.4 电磁转矩,1 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。,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：,设外加电枢电压 U 一定，T=TL(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。,4.12.5 机械特性,1 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。,2 串励电动机的机械特性,设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则,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 很高的串励不允许空载 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。,(3) 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。,(2) 通风机械负载，机械负载 TL 和转速 n 的平 方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机 拖动。,4.12.6 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。,（1）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）。（2）调速范围大，调速比可达200 以上（调速比 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。,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。,1 改变磁通（调磁）,一. 原理,Rf If n ，但在额定情况下， 已接 近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。 Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方 法。,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。,二. 特性的变化,调速过程: U一定,则,最后达到新的平衡,暂时T > TL,（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。,三. 减小 调速的特点：,2 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。,一. 特性曲线,说明：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G - M（发电机-电动机）系统。G-M 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。,二. 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，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。,例：已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：,（1）TL=0.5TN 时, n=? （2） =0.8 N 时, n=?,解：（1） TL=0.5TN 时,（2） =0.8 N 时,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。,3 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,4.12.7 直流电动机的使用和额定值,限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。,1 使用,一. 启动,启动时,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）如果电动机在有载运行时磁路突然断开， 则 E ，Ia ，T 和 ，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。,二. 反转,例：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 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。,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,注意：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。,（1）反接制动,三. 制动,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， 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。,四. 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,2 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：18V，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）。,