中南大学机电传动控制课件

式中： N
PN UN IN Ia I N
是额定运行条件下电动机的效率，且此时
故得
PN U N Ra (0.5 ~ 0.75)(1 ) UN IN IN
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(2) 求 K e N 额定运行条件下的反电势为： E N K e nN U N I N Ra
故 K e N
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UN Ra UN Ra Rad 把n T 与n T 2 2 K e N Ke Kt N Ke N K e Kt N
理想空载速度不变； 随着电阻的增加，转速降落增加； 特性变软
n
Rad
R1
R2
R3
T
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2. 改变电枢电压U时的人为特性 N , Rad 0
即转矩变化与所引起的转速
变化的比值，称为机械特性的硬
度。
根据值的不同，可将电
动机机械特性分为三类。
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10

dT Δ T 100% dn Δ n
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1、固有机械特性
直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压
UN和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)
e Blv
e---感应电势
f---电磁力方向
e Blv
电磁感应定 理 电磁力定理
f BlI
11
第三章
直流电机的工作原理及特性
3.1.2 直流电机的工作原理
直流发电机 E + U –
感应电动势
用右手定则判 感应电动势E的方向
b
n
Ia
N
a
E c
电枢绕组
d
S
电阻Ra
E Ke n
输出电压 U E I a Ra
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(1) 估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的 50%～75%。
Δ PN＝输入功率－输出功率 ＝U NI N PN ＝U N I N NU N I N ＝(1 N )U N I N I a 2 Ra ( 0.5 ~ 0.75)(1 N )U N I N

3.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图） 换向片
电枢线圈
转子 转轴
6
第三章
直流电机的工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和工作原理

3.1.1 直流电机的基本结构 (换向器图） 换向片
电刷
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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。
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PN
2、人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁 通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。
1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 U U N , N
电压平衡方程式为：
U N E Ia ( Ra Rad )
UN Ra Rad 得到的人为机械特性方程式为： n T 2 Ke N Ke Kt N
U N I N Ra nN (3) 求理想空载转速: UN 得 0 , n0 n0 K e N (4) 求额定转矩:
PN 得 TN , nN TN 9.55 N nN
根据 0 , n0 、TN , nN 两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线
n f T 。
第三章 直流电机的工作原理及特性


3.1 3.3 3.4 3.5 3.6
直流电机的基本结构和工作原理 直流电动机的机械特性 直流他励电动机的启动特性 直流他励电动机的调速特性 直流他励电动机的制动特性
1
直流发电机
定义： 机械能 直流电动机 与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护 不如异步机方便，而且要使用直流电源。 直流电能
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电枢回路部分
励磁回路部分
U E I a Ra
式中: U ——外加电枢电压（V）；
E ——感应电势（V）；
I a ——电枢电流（A）； Ra ——电枢回路内阻（Ω）
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E K e n、 T K t I a
U K e n Ia Ra
Ra U I a ……转速特性 即： n Ke Ke
即:
UN Ra n T 2 Ke N K e Kt N
直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求 出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额 定电流IN和额定转速 nN。
固有机械特性的计算步骤如下。
3.1 直流电机的基本结构和工作原理

3.1.1 直流电机的基本结构
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Biblioteka 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。
Kt——与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke
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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T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
Rad 0.7 时的人为特性；
时的人为特性；
（3）电压降为 U 110V
（5）当负载转矩为额定转矩时，要求电动机以 n 1000r / min 的速度运转，问有几种可能的方案，并分别求出它们的参数。 解 （1）固有机械特性：
2 f （4）磁通减弱为 3
N
时的人为特性；
2 U N I N PN 2 220 116 22000 Ra 0.175 2 2 3 IN 3 116
Ra U n T 2 Ke K e Kt n0 n
……机械特性
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理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转
速，用n0表示。
n0 U K e
2. 转速降落
Ra n n0 n T 2 K e Kt
3. 机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引入机械特性硬度的概念，其 定义为： dT Δ T 100% 23 dn Δ n
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、无轨电车、中大型龙门刨床等 调速范围大的大型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
2
第三章
直流电机的工作原理及特性
U N I N Ra 220 116 0.175 K eN 0.133 nN 1500
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n0 =
K
UN 220 = = 1654r / min K ef N 0.133
Ra
2
9.55 K eN
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。
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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—换向片 4—电刷 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
的电磁转矩T必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。
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第三章
直流电机的工作原理及特性
按励磁方式分类
他励
并励
串励
2
复励
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3．3 直流电动机的机械特性
3.3.1 他励电动机的机械特性
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。
不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介
绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 直流他励电动机的原理电路图。
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。 9
第三章
直流电机的工作原理及特性
3.1.2 直流电机的工作原理
有关磁场的几个物理量 右手定则 左手定则
B---磁感应强度 v---速度方向
I---电流方向
UN Ra 把n T 2 Ke N K e Kt N
转速降落不变；
Ra U 与n T 2 Ke N Ke Kt N
理想空载速度随着U的减小而减小；
特性硬度不变 由于电动机电枢绕组绝缘 耐压强度的限制，电枢电压只 允许在其额定值以下调节，所 以，不同值的人为特性曲线均
在固有特性曲线之下。
（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载； （2）当＝0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常
称为“飞车”；
当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，
电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程
中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动 机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
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3．改变磁通 时的人为特性 U U N , Rad 0
UN Ra UN Ra 把n T 与n T 2 2 Ke N K e Kt N Ke Ke Kt