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1,第2章 直流电动机,2.1 直流电机的构造 2.2 直流电机的基本工作原理 2.3 直流电动机的机械特性 2.4 并励电动机的起动与反转 2.5 并励(他励)电动机的调速 2.6 直流伺服电动机 2.7 直流力矩电动机 2.8 有限转角直流力矩电动机,2,第2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,3,2.1 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,4,2.1.1 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。,5,2. 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。,6,电机的负载电流,发电机的电势和电动机的转矩都要依靠电枢绕组产生,是电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法是,把带绝缘的铜导线预制成形,在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。 每个绕组元件的两个端头(引出线)按着一定的规律接到换向器上。直流电枢绕组本身自成闭合回路。,7,3换向器和电刷装置,换向器在转子上。 电刷在定子上。 将电刷上的直流 变为绕组内部的交 流 。,8,换向器的作用:导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时,改变导体电流方向,保持每个磁极下电流方向不变,使电机连续转动。 转角范围小,不用换向器。 反转:改变电刷电压的极性。 存在的问题:转矩小,波动大。 原因:匝数少(1匝),磁路是空气,磁密低。,9,1. 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。,2.1.2 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。,10,4. 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。,11,图形符号,12,2.2 直流电机的基本工作原理,13,2.2 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。,14,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,15,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,16,3. 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,17,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,18,2.2.1 直流电动机的基本关系式,一、电磁转矩与电枢反电势 由电磁力定律 可以推得直流电机电枢所受到的电磁转矩为 当磁通为常值时该式可写为 由电磁感应定律 可以推得直流电机电枢绕组感应电势(电动机中称为电枢反电势)为 转矩灵敏度,或称转矩系数 反电势系数 采用国际单位制(SI),19,二、转矩平衡方程式 由转子受力图和力学定律 动态转矩平衡方程式 动态: 静态: 静态转矩平衡方程式,20,加速 减速 匀速,21,三、电压平衡方程式 电枢绕组有电阻和自感,在外磁场中转动时电枢中又有感应电势(电枢反电势),因此电枢回路可用图1-27表示。 动态电压平衡方程式 动态: 静态: 静态电压平衡方程式:,22,四大关系式 动态: 通用: 静态 参数关系,23,四、几点说明 1.感应电势 实际的感应电势是波动的。波动的主要原因是因为实际电机有齿槽存在,电枢导体集中在有限的槽内而不在电枢表面。 感应电势的平均值仍符合前式,瞬时值随着电枢转动而上下波动,如图所示。 波动的频率为齿频率 纹波系数:,24,2.电磁转矩 由于有齿槽,由前式求得的电磁转矩是它的平均值,瞬时转矩是波动的,与电势相同。 槽中磁密较小。 由电磁理论可知铁磁性物质 表面所受磁场作用力与其 法向磁密的平方成正比,方向向外。 有齿槽时,主要是铁心的齿受力。,25,3. 和 的关系 利用能量守恒定律证明 电动机从电源输入的电功率为 电动机做出的总的机械功率为 电枢绕组发出的热能功率为 能量守恒定律:,26,4.电阻 电枢回路总电阻。 包括电枢绕组电阻,电刷接触电阻,电枢回路中存在或故意加入的其他电阻,如功放内阻,调节电阻等。,27,2.3 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,28,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,29,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,30,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,31,(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,32,2.3.1 直流电动机的静态特性与控制方法,一、概述 静态:电流和转速不变。 静态特性:静态时各变量间的关系。 常用静态特性 机械特性:转速与转矩的关系 调节特性:转速与控制量(如电压)的关系,33,电机的电流 电流与转速有关 转速(利用上式): 调速:改变和控制电动机的转速。 开环调速:电枢电压,磁通,电阻。 电枢控制,输入量是电枢电压(或电流)。 磁场控制,输入量是磁通,激磁电流或电压。,34,二、电枢控制时的机械特性 磁通不变,电枢电压为常数或参变量时转速与电磁转矩的关系。 图象:下垂的直线。 斜率: 理想空载转速 实际空载转速 堵转转矩,35,机械特性硬: 小。 机械特性族:改变电枢 压,平行直线。 电压提高,工作状态变化。 不变,,36,三、电枢控制时的调节特性 电磁转矩为参变量时转速与电枢 电压的关系。平行直线 。 斜率 直线过原点。 始动电压 由摩檫力引起。 起动电流,37,电枢控制的优点:机械特性和调节特性曲线族是平行直线,这表明直流电机是理想的线性元件。 电枢控制的缺点:控制功率 大,要用较大容量的功率放大器。,38,知识回顾,四大关系式 动态: 通用: 静态 参数关系,39,四、磁场控制时的机械特性和调节特性 数学表达式 机械特性:磁通是参变量, 的关系。交叉的直 线。 调节特性:转矩是参变量, 的关系。曲线。 磁场控制时电机是非线性的。 方法:变激磁电压,电流。 优点:控制大功率电机。,40,2.3.2 并励电动机的调速方法,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:,可见直流电机调速方法有三种。,41,可见:在U 一定的情况下,改变可改变转速n 。,一、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。,42,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 。,43,(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3101240 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:,44,二、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。,45,(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。,46,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,47,三、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,48,1.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
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