机电控制技术：第3章 直流电机的工作原理及特性

第3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 3.2 直流发电机 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性
3.1 直流电机的基本结构和工作原理
Direct current generator
1—转子铁心 2—主磁极 3—励磁绕组 4—换向极 5—换向极绕组 6—机座
转子相互作用的结果。 绕组 winding
定子(Stator)：绕组产生主磁极
转子(rotator)：流过工作电流，产生感应电势
转子铁心(iron core)钢片 铁心槽中镶嵌绕组部件 绕组中的电流方向，相对于铁心，总 是交流(alternating)，为了减小涡流 （eddy current），采用迭压的形式。
原理：
机械能使转子运动,线 圈中的电子在磁场中受洛 伦兹力,形成定向运动,产 生电势,当与负载构成回路 时,产生电流,输出电能.
电刷将交流电转变成直 流电.
直流发电机工作原理图
图中NS为一个极对.沿 圆周方向,轴向可以均匀分 布多个极对.
磁极：magnetic pole
3.1 直流电机的基本结构和工作原理
φ —— 磁通(magnetic flux, WB)
n —— 电枢转速（r/min, rpm）
T KtIa
T——电磁转矩(electromagnetic torque, N.m)
Ia——电枢电流(A)
3.2直流发电机
励磁(excitation)方法: 他励: separated excitation
P Pin Pout
Pin U N I N
额定条件下
机械特性的估算
P
UNIN
PN
U
N
I
N
(1
PN UNI
N
)
N
PN UNIN
(效率)， P
U
N
I（N 1
）
N
I
2 a
Ra
(0.5
~
0.75)
P
Ra
(0.5
~
0.75)U N I N (1N
)/
I
2 N
(额定)
Ra
(0.5 ~
0.75) U N IN
并励发电机
并励发电机的外特性
输出电压 U E Ia Ra 励磁电流 I f U / Rf 负载电流 I U / R 电枢电流 Ia I I f I
tan Rf R
Rf 必须适中
条件: 剩磁 且励磁与剩 磁同向;
3.2直流发电机
励磁(excitation)方法: 串励:series excitation
条件: 剩磁且励磁与剩磁同 向;不可开路工作
3.2直流发电机
励磁(excitation)方法: 复励:compound excitation
3.3直流电动机的机械特性及应用
1 他励直流电动机的机械特性
U E Ia Ra
E Ken, TM Kt Ia
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
以后主要使用原理图；注意全面标注的物理 量；显示可以调节的元件。
结构与组成
1—机座 2—电刷装置 3—端盖 4—换向器 5—摇环与握刷 6—风扇 7—主磁极 8—转子铁心 9—转子绕组
除永磁直流电机外， 功率稍大的直流电机， 都是采用定子绕组通电 的方法，将转子与定子 间的空气隙励磁，形成 磁场；
转子绕组中的电流 与之相互做用，产生电 磁力矩；
实际磁场是定子与
他励发电机的空载特性
他励发电机外特性曲线
U E Ia Ra
E Ken
f (I f )
磁化曲线，
未饱和时几乎呈直线 I f
3.2直流发电机
励磁(excitation)方法: 并励:shunt excitation
parallel excitation, parallel excited (motor)
(1 PN UNIN
)
E Ken UN IN Ra
KeN (U N IN Ra ) / nN
• 对于发电机来说，它是产生电动势的部件，如 直流发电机中的转子，交流发电机中的定子；
• 对于电动机来说，它是产生电磁力的部件，如 直流电动机中的转子，交流电机的定子。
• 电枢是电机中装有导线的部件，一般需要接电 源。
换向极（commutating pole）的作用
• 组成和位置
– 由换向极铁心和换向极绕组组成 – 装在每两个相邻主磁极之间，定子内壁 – 故换向极的数目与主磁极相等 – 换向极绕组与电枢绕组串联
换向器 1 V形套筒 2 云母环 3 换向片 4 连接片
转子绕组由多个绕组部件串接而成，由连接 片逐段引出到换向片，云母环绝缘相邻的换 向片，旋转时通过碳刷，接到电源，绕组部 件的特殊安排，确保旋转中电流平稳换向。 高速运转时有火花产生，需要定期维护
电枢(armature)的概念
• 在电机实现机械能与电能相互转换过程中，起 关键和枢纽作用的部件。
• 机理分析：
– 直流电机运行，由转子电流所建立起来电枢磁场，与 主磁场(即励磁产生的磁场)成垂直关系，使主磁场歪扭 ，且对主磁场有削弱作用。
– 换向时绕组电抗电势的影响
• 作用
– 改善换向 – 减小电刷与换向器之间可能产生的换向动势(V)
发电机的电动势 electromotive force (EMF) 电动机的反电动势 back electromotive force
Electromotor
原理： 电压加在转子的线圈两端,
形成转子电流,电荷在磁场中受 洛伦兹力,形成电动力矩,产生 机械能。
线圈在磁场中旋转，所产生 的电动势, 称为反电动势。因 为该电势与外加电压极性通常 相反。
电刷使磁极下工作电流方向 恒定。
直流电动机的工作原理图
电动势 electromotive force (EMF) 反电动势 back electromotive force
他励直流电机的机械特性
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
和 TM
Kt Ia
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
dT
dn
特性硬，例交流同步电机; 10 硬，交流异步电机特性的上半部分，直流电机; 10 软，直流电机串励、复励等.
举例 根据电机铭牌估算其固有的机械特性
在额定条件下： 例：UN, φN,是额定值，Ke,Kt,Ra都是常数， 电机铭牌：给出PN,UN,IN,nN 求（估算）：Ra, Keφ,n0,T N 画出n = f(T);