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第三章直流电机的工作原理及特性,重点掌握,了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,电机分交流和直流两种。,直流电机工作电压或输出的电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种。,直流电动机将电能转换为机械能；,直流发电机将机械能转换为电能。,直流电机的用途及优缺点一、用途,作励磁机用一般小于10万kW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。,作电源用直流发电机将机械能转化为直流电能,信号传递直流测速发电机将机械信号转换为电信号,作动力用直流电动机将直流电能转化为机械能；,信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。,二、优缺点直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。,3．1直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的结构图如图所示,直流电机的结构图,剖面图电枢1；主磁极2；换向极4；机座6,电枢铁心冲片,换向器换向片3；连接片4；云母环2,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。,转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。,二、基本的工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示,1主磁极励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2电枢绕组在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3、4换向器电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3电刷,4换向片,1．发电机原理将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图所示,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,2．电动机原理将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图所示,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,三、电动势和电磁转矩,1.电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为,式中E感应电动势（V）；Φ对磁极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2．电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示,式中TM电磁转矩（Nm）；Φ对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Kt与电机结构有关的常数，Kt9.55Ke,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表,四、直流电动机的分类,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类,1.他励电动机励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。,2.并励电动机励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（b）所示。,3.串励电动机励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（c）所示,4.复励电动机励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示,3.2直流发电机,3.2.1他励发电机,1.电原理图由于独立Uf,If所以负载电流I等于电枢电流Ia,2.空载特性当发电机空载（Ia0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线当If小时直线（不饱和）If大时，弯曲（开始饱和）If更大，平直（饱和，Φ不变）,E,E’,o,Uo,If,,3.外特性曲线当发电机转速（n）和励磁（Φ）不变时，输出电压（U）与负载电流I之间的关系曲线注当Ia↑RaIa↑UE-IaRa↓,,,,U,I,Uo,UN,o,IN,,,3.2.2并励发电机,1.电原理图由于IfU2时的机械特性如图所示,若电动机工作在A点时将电枢电压突然降低为U2，电动机的机械特性变为曲线2，由于机械惯性，工作点由A转换到B点。此时-TM-TLU2，Ia反向，TM反向。,3．在弱磁状态下用增加磁通降速时的反馈制动,4．卷扬机构下放重物时的反馈制动,在第3象限，n↑，E↑，（U-E）↓，Ia↓，T↓，b点T0。过b点，EU，Ia反向，T0，进入反馈制动。,二、反接制动,反接制动具有如下特点,1）电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同；,2）电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反。,在反接制动中，把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动；而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。,1．电源反接制动,设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。,当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的机械特性为,当电压的实际方向与参考方向相相反时，电动机的机械特性为,其特性曲线分别如图（b）中的曲线1和曲线2所示。,a点当电动机稳速运行在第一象限中特性曲线1的a点时,bc段,n0，Tm0，Tm0电动,ce段,nE,ef段,|n||n0|，IaU,注意由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。,电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。,2．倒拉反接制动,电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。,现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线3所示。,a点重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在电动状态。,cd段Tm0，n0，电动机工作在电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。,db段当转速下降到0时，由于电动机的输出转矩TM仍然小于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点b而稳定运行。电动机匀速下放重物。,电动机在db段Tm0，nUN，UE反接制动nT0；nn0；1、U0,U和E同向;2、Ra↑,E0能耗制动nT0；n00；U0,