直流机

第9章 直流电动机,9.1 直流电机的构造,9.2 直流电机的基本工作原理,9.4 并励电动机的起动与反转,9.3 直流电动机的机械特性,9.5 并励(他励)电动机的调速,第9章 直流电动机,1. 了解直流电动机的基本构造和工作原理。2. 掌握他励（并励）和串励直流电动机的电压与电流的关系式，接线图、机械特性。3. 搞清他励（并励）和串励直流电动机的起动、反转和调速的基本原理和基本方法。,本章要求,9.1 直流电机的构造,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起 动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或 者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动 机驱动。,直流电机的优点：,(1) 调速性能好, 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。(3) 易于控制。,应用:,1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调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,9.1.1 直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。,2. 转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,1. 磁极,励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。,用来在电机中产生磁场。,1. 他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,9.1.2 直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2. 并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。,4. 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。,3. 串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,9.2 直流电机的基本工作原理,9.2 直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。,电刷,换向片,换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 直流电，以保 持转矩方向不 变。,线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。,1. 电枢感应电动势,E=EK n,由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。,式中：U 外加电压Ra 绕组电阻,2. 电枢回路电压平衡式,3. 电磁转矩,单位: (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为,4. 转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。 在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空 载损耗转矩相平衡，即,T=KT Ia,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时， 若T2突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,T ,E,9.3 直流电动机的机械特性,特点: 励磁绕组与电枢并联,由图可求得,由上分析可知：,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时, 励 磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则,9.3 直流电动机的机械特性,令：,T=KT Ia = KT Ia,即：并励电动机的磁通 = 常数，转矩与电枢电流 成正比。,由以下公式,求得,式中：,n= f (T) 特性曲线,并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大硬机械特性（自然特性）。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,动画,例: 有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PaCu , 及PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。,解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,（2）电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,（3）额定转矩,（4）反电动势,9.4 并励电动机的起动与反转,起动,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；,起动时,n =0 ,1. 起动问题：,(1) 起动电流大,(2) 起动转矩大,起动时，起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,2.起动方法,3.注意事项,(1) 电枢串电阻起动法,(2) 降压起动法：,直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：,在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。,最大起动电压Ust为,(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT Ia) , 电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。,(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的 转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。,(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。,（ E Ia T >> T0 n飞车）,2.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。,电磁转矩： T=KT Ia,(1) 改变励磁电流的方向。(2) 改变电枢电流的方向。,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。,改变直流电机转向的方法有两种：,9.5 并励(他励)电动机的调速,并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结 构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上 由其独特的优点。,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。,主要优点：,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,可见：在U 一定的情况下，改变可改变转速n 。,9.5.1 改变磁通调速,保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以改变磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即,改变磁通调速的方法：,减小磁通，n只能上调。,改变时的机械特性如图。,动画,调速过程:,直至T=TC达到新的平衡。,电压U保持一定,减小磁通 。,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。 (2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达, 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,减小 调速的特点：,(1) 若调速后 Ia 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。 (2) 这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。,使用调磁调速时应注意：,9.5.2 改变电压调速,由转速公式知： 调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,特性曲线,改变电压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN ，而n U, 所以调速只能向下调。,(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。,(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(4)调速幅度较大。,调速过程:,保持If 为额定,减小电枢电压。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,例: 有一他励电动机， 已知U=220V , Ia=53.8A,n=1500r/min Ra=0.7 。今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转矩降低多少？,解: 由T=KT Ia可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。,电压降低后的转速n对原来的转速n之比为,9.5.3 电枢回路串电阻调速,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。特性曲线如图。,Ra,电枢回路串电阻调速需 在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降， 因此 n 只能下调。,特点：(1) 设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,Ra + R,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（并励包括励磁和电枢电流）。三者关系：PN=UNIN （ ：效率）,4.额定转速nN: 在PN , UN , IN 时的转速。 直流电机的转速一般在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）。,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 。 。,直流电动机的额定值,(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。,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。,9.5.4 电动机的连接,(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,(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。,