教案 2 直流电动机结构、原理、运行特性

感应电动势
电枢旋转时,电枢绕组与磁场的相对运动产生感应电 势，运动的电枢绕组在主磁场中感应的电动势简称电 枢电动势。右手定则判断感应电势方向（前面图）。 大小: Ea pN F n K EF n 60 a
Φ— 磁通（Wb） KE— 电势结构常数
n— 电机转速
性质: 发电机 — 起电源电势作用(与电枢电流同方向), 电动机 — 起反电势作用(与电枢电流反方向).
在磁场作用下，N 极性下导体ab（红色） 电流由a到b，受力方向 从右向左，S 极下导体 cd（绿色）电流方向由 c到期d，受力方向从左 向右。该电磁力形成逆 时针方向的电磁转矩。 当电磁转矩大于阻转矩 时，电机转子逆时针方 向旋转。转到90度时， 导体无电流、磁场力为 零，转矩恒为零。
当电枢旋转到右图 所示位置时，原N极性 下导体ab（红色）转 到S极下，电流方向由b 到a（与原来相反）， 受力方向从左向右，原 S 极下导体cd（绿色） 转到N极下，电流方向 由d到c（与原方向相 反），受力方向从右向 左。该电磁力形成逆时 针方向的电磁转矩。线 圈在该电磁力形成的电 磁转矩作用下继续逆时 针方向旋转。
第二章 机电传动系统的驱动电动机
第一节 直流电动机
直流电动机的机械特性
U=常数 If=常数 Ra=常数 定义，固有、人为特性 n=f（T）
固有机械特性
U=UN If=IfN
定义、公式、图形、特点 n=f（T）
n0
nN
外加电阻R=0时
Ra UN n T 2 KE FN KEKT F N n0 b T n0 Dn
原理1
原理2
原理3
直流电动机的电磁转矩和感应电势 电磁转矩
电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的 作用，该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 大小： T pN F Ia KT F Ia 2p a
Φ— 磁通（Wb） KT— 转矩结构常数
Ia— 电枢电流
性质:电动机 — 起驱动作用(与转速方向相同)； 发电机 — 起制动作用(与转速方向相反)。
输出转矩平衡负载转矩
第二章 机电传动系统的驱动电动机
功率平衡方程
输入功率平衡于电磁功 率与铜耗
T T2 T0
UI
a
Ea I a I a Ra
2
P1 Pe Pcua
T T2 T0
2p 2p
Pe E a I a
PN 60 a
F nI
a

PN 60 a
第二章 机电传动系统的驱动电动机
第一节 直流电动机 第二节 交流异步电动机 第三节 伺服电动机 第四节 力矩电动机 第五节 步进电动机
第六节 其他型式的电动机
第二章 机电传动系统的驱动电动机
上节回顾
1、机械设备的控制系统按系统的组成原理分为？ 2、电动机可分为哪两大类？直流电机由哪两部分组 成？各自又包括哪些部分？ 3、直流电机的工作原理？电刷和换向器的作用？ 4、电磁转矩的公式？反电动势的公式？
P1=UIa
Pe=EaIa=TΩ
P2=T2Ω
第二章 机电传动系统的驱动电动机
直流电动机的工作特性
U=UN=常数 If=IfN n、T、η=f（P2），因实际中， P2难测到，而Ia容易测到，所以变为f（Ia）。
转速特性（定义、 n f (I a ) 公式、性质、图） Ea Ra U n Ia K EF KEF KEF 转距特性（定义、 公式、性质、图） T
T f (I a )
pN F Ia KT F Ia 2p a
第二章 机电传动系统的驱动电动机
效率特性（定义、性质、图）
可变损耗Pcua=不变损耗PCUf时效率最高 直流电动机的效率约在0.75-0.94之间
小结：
1. 直流电动机 是将直流电能转换为机械能。
2. 直流电机是由定子和转子（电枢）两大部分组成，定 子部分主要用于产生磁场和作为电机的机械支撑，转 子主要用于产生电磁转矩以拖动机械负载。 3. 直流电动机是通过电磁感应的作用产生电磁转矩，电 机转动后，运动的电枢导体切割磁力线产生感应反电 动势，对电动机来说，感应电势是电机吸收电功率实 现能量转换的必要条件。 4. 其原理是依靠换向器与电刷的作用把输入的直流电能 转换为电枢绕组（线圈）内的交变电能，使处在同一 磁极下电枢导体内电流方向不变，通过电磁感应产生 方向恒定的电磁转矩。 复习：直流电动机何以能转动，如何改变其转动方向。
η=f（T）
特点
UN Ra R n 2 T K E F N K E KT F N
Ra
Ra RS
理想空载转速n0保持不变。 机械特性斜率β增加，特性变软。
TN
Ra RS1 Rs 2
T
当T=TN时，n<nN，随R↑，△n↑。
第二章 机电传动系统的驱动电动机
改变（降低）电枢电压（U）时的人为机械特性
第二章 机电传动系统的驱动电动机
直流电动机结构
第二章 机电传动系统的驱动电动机
定子（静止部分）
主磁极、电刷装置、机座、端盖。
第二章 机电传动系统的驱动电动机
转子（转动部分、电枢）
转轴、电枢铁心、电 枢绕组、换向器。
第二章 机电传动系统的驱动电动机
直流电动机原理
把直流电能转换为机械能（电磁极）。 导体电磁力： f B x li

F nI
a
T
2p n 60

电磁功率平衡于空载功率与输出功率： Pe P2 P0
第二章 机电传动系统的驱动电动机
总损耗 效率

p p cua p 0 p s p cua p m p Fe p s
1

P2
p

p
能量流程图
Pcuf Pcua P0=Pm+PFe
转矩结构常数与电势结构常数的关系
pN KT 2p a pN 2 p a K T 2 p a K T 60 a K E pN KE 60 a
pN 60 a K E
K T 9.55 K E
直流电动机的反转
根据电动机左手定则，要改变通电导体电磁力的方向， 只要将磁场的方向或将导体电流的方向改变即可。
根据左手定则，当保持 同一极性下导体电流方向不 f
N
变，则导体所受电磁力的方
向是同一方向不变,从而圆周 导体电磁力对转轴所形成的
R
电磁转矩方向是一恒定方向
的电磁转矩。电磁极的产生 及极性、磁场方向。
f
S
第二章 机电传动系统的驱动电动机
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷 B接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。如右图。
+ KM 2 Uf KM 2 _
+ KM 2
U KM 2
_
KM1
KM1
KM1
KM1
+
U
_
+
Uf
_
第二章 机电传动系统的驱动电动机
第一节 直流电动机
直流电动机运行特性
直流电机的可逆运行和励磁方式：
可逆运行：一台直流电机既可做发电机，也可做电动机， 当有外力拖动电枢导体运动，导体与磁场有相对运动产生 感应电势向外供电，是发电机。当外电源向电枢导体供给 电流，通电导体在电磁力作用下而运动，是电动机。 励磁方式：
他励：
第二章 机电传动系统的驱动电动机
I
并励：
串励：
I
复励：
第二章 机电传动系统的驱动电动机
他励直流电动机稳态运行
电动势平衡方程
电动机： 励磁回路方程：
U R
f f
I
f
F I
f
转矩平衡方程
T T2 T0 T L T0
T2 TL
T2—输出转矩 TL—负载转矩 T0—空载转矩
第二章 机电传动系统的驱动电动机
减小励磁磁通（Φ）时的人为机械特性
定义、方法、公式、图形、特点
U UN
R Ra
改变励磁回路If的人为特性：
n
n0 ' ' n0 ' n0
UN Ra n 2 T K F K KF E E T
特点
Rf F 增减 加小
（
） T
TN
Ra K EKTF
2
理想空载转速n0与Φ成反比，Φ↓n↑。 特性斜率 b 与Φ2成反比， Φ↓β↑ 。
注：电机设计时，磁路已接近饱和，∴磁通只能削弱， 转速只能从基速往上调。 “飞车”及“失磁”保护。
R Ra
I f I fN
改变电枢电压U的人为特性：
U 2 U1 U
U Ra n T 2 K EF N K EK T F N
特点
n0 随 U 变化。
n
n0
N
n 01 n 02
U
N
U1 U
2
U 不同，曲线是一组平行线。
负载转矩保持不变，U ↓时，n↓。
TN
T
注：U只能从UN往下调，∴转速只能从基速往下调。
n
n '0
△n
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T
T0
TN
第二章 机电传动系统的驱动电动机
特点
T=0时， n n 0
U
N N
K EF
为理想空载转速。 为额定转速。
T=TN时， n n N n 0 D n N
DnN R aT N K EKTF
2 N
为额定转速降。
Ra K EKTF
2 N
特性斜率为
bN
∵Ra很小，∴β小。
T越大，n越低，特性曲线为一下斜的直线。 n=0时，Ea=0，Ia=UN/Ra=Ist，为起动电流。
第二章 机电传动系统的驱动电动机
固有机械特性是反映电动机本身能力的重要特性。
人为机械特性
定义、公式、图形、特点
电枢回路串接电阻（R）时的人为机械特性
U=UN If=IfN 电枢回路串联电阻R时
n
n0
第二章第二章机电传动系统的驱动电动机机电传动系统的驱动电动机第一节第一节直流电动机直流电动机第二节第二节交流异步电动机交流异步电动机第三节第三节伺服电动机伺服电动机第四节第四节力矩电动机力矩电动机第五节第五节步进电动机步进电动机第六节第六节其他型式的电动机其他型式的电动机第二章第二章机电传动系统的驱动电动机机电传动系统的驱动电动机1机械设备的控制系统按系统的组成原理分为