第4章 直流电机,4.1 电机基本知识 4.2 直流电动机的结构和工作原理 4.3 直流电动机的运行特性 4.4 直流电动机的电力拖动,第4章 直流电机,学习指导 1. 了解电机的基本知识，掌握电机的类型和 特点。 2. 理解直流电机的基本结构，掌握直流电动 机的工作原理。 3. 了解直流电动机的工作特性和应用 4. 理解电力拖动的基本概念及实现方法,4.1 电机基本知识,电机是电动机和发电机的统称，是一种实现机电能量变换的电磁装置。电机是一种极为重要的电器设备，尤其电动机是驱动生产机械工作的主要动力装置，因此，电动机是电力拖动系统中最为核心和基本的设备，对数控及近数控类专业的学习和应用尤为重要。,电力拖动主要由电动机、传动机构和控制设备及电源四个环节组成。 在电力拖动系统中，一方面为了满足电动机本身工作性能的要求；另一方面为了满足生产上的技术经济和安全及工艺的要求；往往需要对电动机的起动、制动和转速调整三种不同运行状态采取必要的措施，以满足自身性能要求和生产实际需要。它们具体由相应的控制设备来实施，本书只从基本概念上对起动、制动和调速三种运行状态作初步介绍，为后续内容的进一步学习奠定必要的基础。 直流电动机具有调速范围宽，调速特性平滑，过载能力强，起动、制动转矩较大等特点，应用于冶金矿山、交通运输、纺织印染、造纸印刷、化工和机床等领域。,4.1.1 电机分类,电机就是能在一定条件下实现电能与机械能互相转换的电器设备，电机种类和型式非常丰富。把电能变换为机械能的称为电动机，把机械能变换为电能的称为发电机。由于电源有交直流之分，所以电机也就分为交流电机和直流电机两大类，由于直流电机具有可逆性，因此直流电动机和直流发电机的结构相同。另外，在电力拖动自动控制系统中，用于起信号传递作用的电机称之为信号电机。发电机可分为直流发电机和交流发电机两种；电动机可分为交流电动机、直流电动机和步进电动机等多种；信号电机可分为测速发电机、自整角机、旋转变压器等。,交流电动机依工作转速特点分为异步电动机和同步电动机，在异步电动机中根据工作电源相数的不同又分为单相和三相异步电动机。在单相异步电动机中依起动方式的不同又可以分为电阻起动、电容起动、电容运转、双值电容和罩极单相异步电动机五种。在三相异步电动机中依转子的结构又分为笼型电动机和绕线转子电动机。 直流电动机按照励磁方式的不同，分为他励、并励、串励和复励直流电动机四种。,4.1.2 基本原理,法拉第电磁感应定律揭示了感应电动势是怎样产生的。 安培全电流定律描述了磁场是怎样产生的； 毕奥-萨伐尔电磁力定律阐述了电磁力以及电磁转矩的产生。 基尔霍夫定律揭示了电路参数间应遵循的规律。 能量守恒原理阐述了能量转换过程中应遵循的原则。 牛顿第二定律揭示了电力拖动的运动规律的关系式。,4.1.3 基本特点和应用,异步电动机 ：异步电动机特别是笼型异步电动机，由于结构简单、运行可靠、维修方便和价格低廉等优点，广泛应用于生产和生活的各个领域，是生产量最大、应用面最广的电机。 同步电动机 ：由于它的结构比较复杂、起动比较困难和价格比较高的缺点，在一般的应用场合不能与异步电动机相竞争。,直流电动机 ：直流电动机虽然比三相异步电动机的结构复杂，维护也不方便，限制了它在许多场合的应用；但是由于它的调速性能较好和起动转矩大，因此，对调速要求较高的生产机械(例如龙门刨床、镗床以及有关数控装置等)或者需要较大起动转矩的生产机械(例如起重机械、电力牵引设备等)往往采用直流电动机来驱动。,步进电动机 ：步进电动机是在输入电脉冲信号直接作用下步进运行的电动机，给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，它的转速与电脉冲频率成正比。随着电子技术和计算机技术的发展，步进电动机广泛应用于数控机床和绘图机等装置中作为执行电动机和驱动电动机。,伺服电动机：交流或直流伺服电动机，是高精度速度和位置闭环伺服系统中的执行元件。其性能要求与普通电动机截然不同，它必须具有高灵敏度、动态响应快、机械特性和调节特性线性度高等控制性能的特殊要求。,4.1.4 电机的发展趋势,单机功率的不断提高 重量的不断减轻和尺寸的不断缩小 应用范围不断扩大,4.2 直流电动机的结构和工作原理,4.2.1 直流电动机结构 直流电机由静止部分(定子)和转动部分(转子)两大部分组成，如下图4-1所示。在定、转子之间有一定的间隙，称之为气隙。定子的作用是利用定子绕组的励磁电流产生磁场和作电机的机械支撑，由主磁极、换向极、机座、端盖、轴承和电刷等装置组成。转子的作用是利用转子绕组切割磁力线产生感应电动势而实现能量转换，它主要由电枢铁心、电枢绕组和换向器组成，此外，转子上还有转轴和风扇等部件。,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,图4-1 励磁式直流电动机结构,1. 转子（又称电枢） 由铁心、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。,4.2.2 直流电动机的工作原理,接通直流电压U时，直流电流为从a端流入，b端流出，由于ab边处于N极之下，cd边处于S极之下，则线圈受到电磁力而形成一个逆时针方向的电磁转矩T，使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动。,1直流电动机的转动原理,转动原理示意如图4-2：,图4-2 直流电动机转动原理示意图,当电枢转动半周后，ab边处于S极之下，而cd边处于N极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从cd边流入，从ab边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。,2. 直流电动机励磁：根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，示意如下图4-3，励磁式的直流电机又可分为,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开，图 a。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上图b 。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上图c。,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，图d。,图4-3 直流电动机四种励磁方式接线示意图,3. 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。,转矩平衡关系,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。,4 .电压和功率平衡方程式,参考下图4-4，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,图4-4 电动机感应电动势产生示意图,2）电压平衡方程式 由电动机等效电路示意图4-5,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。,图4-5 电动机等效示意图,3) 功率平衡方程式 直流电动机是把电 能转换为机械能，在由电能转换为机械能 的过程中，不可避免地存在铁耗、铜耗和 空载转矩损耗。依能量守恒原理，得到它 们的功率平衡方程式： 式中，P1=UI为电动机总输入电功率；PM 为电磁功率；Pc为折算的总损耗功率。,4.3 直流电动机的运行特性,直流电动机的运行特性分为机械特性和工作特性，用于揭示电动机的外在的参数关系。可通过查阅有关手册或实验的方法，获得有关参数及关系曲线，用以指导选用电动机和生产过程中的有关操作及运行状态的分析。 在介绍运行特性之前，先了解直流电动机的铭牌数据。,4.3.1 直流电动机的铭牌数据,额定值 就是指电动机在额定运行状态下的工作参数值，其 主要技术数据有： 1) 额定功率PN(kW)：是指电机在长期运行时，转轴上所允 许输出的机械功率，国家对电机功率的大小有功率等极的划 分。 2) 额定电压UN(V)：电动机电刷两极间的所加的最大电压。 3) 额定电流IN(A)：电动机电枢所允许流经的工作电流。 4) 额定转速nN(r/min)：电动机额定运行时电枢的旋转速 度，并具有转速等级。 5) 额定转矩TN(Nm)：电动机额定运行时转轴所能输出的 转矩。,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系。分为固有特性和人为特性。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,4.3.2 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，如图4-6所示。,图4-6 机械特性曲线示意图,下图4-7分别给出了并励、他励、串励和复励直流电动机的机械特性曲线。串励电动机因励磁绕组与电枢绕组相串联，其电枢电阻Ra较大以及负载增大时，其励磁电流也随之增大，所以其机械特性具有软特性复励直流电动机的机械特性介于并励与串励直流电动机之间。,图4-7 直流电动机四种励磁方式机械特性曲线,4.3.2 工作特性,对于不同励磁方式直流电动机，它们的工作特性定义和变化规律有一定的差别，下面以并励和他励直流电动机为例作简单的介绍。 并励或他励直流电动机的工作特性是指在U=UN、电枢回路的附加电阻Rpa=0、励磁电流If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩T和效率三者与输出功率P2或Ia的关系曲线。,转速特性是反映电动机转速随负载变化而变化的曲线。因TIa，所以转速特性与机械特性曲线基本类似，也是一条下降的直线。 转矩特性T=f(Ia)，根据式T=KTIa，当If一定时，不变，TIa，负载增大时电磁转矩随之上升，使两者平衡，稳定运行于新的转速，因此曲线为一条上升的直线 。,4.4 直流电动机的电力拖动,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。,4.4.1 直流电动机的起动,直流电动机接上电源，从静止状态开始转动起来，一直达到稳定转速的过程称之为电动机的起动。,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 (22.5)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。,直流电动机的起动方法,直接起动：没有采取任何措施。 电枢回路串电阻起动：为限制电流和加快起动速度，实用上采用分级串电阻起动。 减压起动：在有可调专用电源的情况下，可采用减压起动方法，以限制起动电流。随着转速的升高，工作电压也随之升高，直到额定电压下稳定运行。,直流电动机的反转：,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,4.4.2 直流电动机的制动,制动就是电磁转矩与转速方向相反，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。,其接线原理示意如下图4-9。,图4-9 电动机反接